ФОСФОТРАНСФЕРАЗЫ

ФОСФОТРАНСФЕРАЗЫ — ферменты, катализирующие реакции переноса фосфатных групп. Ф. обнаружены во всех живых организмах. Важная биол. роль Ф. связана с их участием в процессах трансформации энергии в клетке и в ключевых реакциях клеточного метаболизма, а также в непосредственной регуляции ряда метаболических процессов. Генетически обусловленная недостаточность отдельных Ф. является причиной тяжелых наследственных болезней (см.) и вторичных (приобретенных) нарушений обмена веществ а энергии (см.). Изменение активности или изоферментного спектра (см. Изоферменты) нек-рых Ф. в сыворотке крови или появление в крови активности Ф., не специфичных для этой ткани, служит ценным, а иногда и основным диагностическим или прогностическим признаком заболевания.

Ф. относятся к классу трансфераз (см.), подклассу трансфераз фосфорсодержащих группировок (КФ 2.7) и представляют самую большую группу ферментов данного подкласса, охватывающую не только ферменты, катализирующие перенос фосфата, но также и ферменты, катализирующие перенос дифосфата (пирофосфата) и замещенных фосфатных группировок (кроме нуклеотидильных остатков, перенос к-рых катализируют нуклеотидилтрансферазы). Во многих случаях донором является кофактор (кофермент), присоединяющий переносимую фосфатную группу.

Ф. подразделяются на подпод-классы в соответствии с природой акцепторной группы, роль к-рой может выполнять спиртовая группа (КФ 2.7.1), карбоксильная группа (КФ 2.7.2), азотсодержащая группа (КФ 2.7.3), фосфатная группа (КФ 2.7.4). Отдельный подподкласс составляют Ф., действующие с регенерацией доноров и катализирующие реакции кажущегося внутримолекулярного переноса фосфатной группы (КФ 2.7.5). Дифосфотрансферазы составляют подподкласс КФ 2.7.6; ферменты, катализирующие перенос фосфатных групп с различными заместителями (кроме нуклеозид-фосфатов), — подподкласс КФ 2.7.8, а Ф. со спаренными акцепторами, катализирующие перенос двух фосфатных групп донора (напр., АТФ) на два различных акцептора, составляют подподкласс КФ 2.7.9. Фос-фотрансферазами по сути являются также и фосфатазы (см.), катализирующие перенос фосфатных остатков на гидроксильные ионы водной среды, однако обычно такие ферменты относят к гидролазам (см.), а не к трансферазам.

В наименованиях Ф. как вещество-донор всегда указывают АТФ, хотя аналогичную функцию часто могут выполнять другие рибо-и дезоксирибонуклеозидтрифосфаты. Однако большинство реакций переноса фосфатных групп осуществляется с участием АТФ. Такими реакциями являются реакции, протекающие в фотосинтезирующих мембранах хлоропластов (см. Фотосинтез), а также в мембранах бактерий и митохондрий, сопровождающиеся потреблением кислорода. Наиболее изучены Ф., катализирующие перенос фосфата от АТФ на атомы кислорода, азота или серы различных акцепторов, и известные под названием киназ (см.). Реакции, катализируемые киназами подгрупп КФ 2.7.2—4, имеют большое биол. значение, поскольку благодаря им осуществляется перенос энергии от одной системы к другой в форме богатых энергией фосфатных связей (см. Высокоэргические соединения). Богатые энергией связи здесь имеются как в исходных, так и в конечных продуктах, поэтому эти реакции легко обратимы. Киназы, относящиеся к подгруппе КФ 2.7.1, катализируют перенос фосфата на гидроксильную группу какого-либо сахара или спирта с образованием связи, бедной энергией. В этих случаях реакция необратима, т. к. в результате происходит превращение богатой энергией связи АТФ в бедную энергией связь в молекуле конечного продукта.

Большинство Ф., фосфорилирую-щих сахара, осуществляет фосфори-лирование (см.) специфически у одного из концевых атомов углерода с образованием эфиров по концевой первичной спиртовой группе (в положении 5 или 6, а в молекулах кетосахаров также в положении 1). Нек-рые киназы, однако, составляют исключение — в результате их действия образуются гликозидфосфа-ты.

Среди киназ, относящихся к под-подклассу КФ 2.7.4, известны два главных фермента (или группы ферментов), это нуклеозидмонофосфат-киназы (АТФ: нуклеозидмонофосфат фосфотрансферазы; КФ 2.7.4.4) и нуклеозиддифосфаткиназы (АТФ: нуклеозиддифосфат фосфотрансферазы; КФ 2.7.4.6). Различие между этими двумя ферментами заключается в том, что они используют в качестве акцепторов нуклеозидфосфа-ты разной степени фосфорилирован-ности. В реакциях, катализируемых этими Ф., в качестве веществ-доно-ров, кроме АТФ, могут действовать другие нуклеозидтрифосфаты. Чрезвычайно активный фермент, присутствующий во всех клетках, — аде-нилаткиназа (АТФ:АМФ фосфотранс-фераза; КФ 2.7.4.3) также катализирует реакцию нуклеозидмонофос-фаткиназного типа, но отличается высокой специфичностью и действует только на производные адено-зина.

В подгруппе КФ 2.7.6 имеются три Ф., расщепляющие вторую пиро-фосфатную связь в молекуле АТФ, так что переносится не фосфат, а пирофосфат (см. Фосфорные кислоты). Один из этих ферментов — рибозофосфат-пирофосфокиназа (КФ 2.7.6.1) образует специфический гликозидпирофосфат — 5-фосфорибо-зилпирофосфат, к-рый является важнейшим промежуточным соединением в биосинтезе пиримидиновых нуклеотидов (см. Пиримидиновый обмен) .

В отличие от киназ другие Ф., так наз. фосфомутазы (КФ 2.7.5), не вовлекают в ферментативную реакцию АТФ или другие нуклеозид-фосфаты. Предполагали, что фосфомутазы катализируют внутримолекулярный перенос фосфата, перемещая фосфатную группу пз одного положения в другое внутри самой молекулы субстрата. Примером такого фермента может служить фос-фоглюкомутаза (КФ 2.7.5.1), катализирующая обратимую изомеризацию глюкозо-1-фосфата в глюкозоб-фосфат и осуществляющая кажущийся перенос фосфата в молекуле глюкозофосфата из положения 1 в положение 6. Детальное изучение механизма реакции показало, однако, что в действительности перенос фосфата осуществляется из положения 1 в одной молекуле в положение 6 в другой молекуле. Реакция протекает с промежуточным образованием фосфофермента (фосфорил-фермента); фосфатная группа в фос-фоферменте присоединяется к реакционно-способному остатку серина (см.).

Этот тип ферментативной реакции представляет большой интерес. Процесс может начаться только в том случае, если в реакционной среде присутствуют следы глюкозо-1,6-дифосфата, к-рый в данном случае действует как кофермент. Катализируемый процесс представляет собой акт переноса фосфата от С,-атома глюкозо-1,6-дифосфата к С6-атому глюкозо- 1-фосфата. В результате образуется глюкозо-6-фос-фат и новая молекула глюкозо-1,6-дифосфата. Т. о., на каждую исчезнувшую молекулу глюкозо-1,6-дифосфата одна его молекула появляется вновь, так что общее количество глюкозо-1,6-дифосфата все время остается постоянным. По-видимому, все фосфомутазы действуют подобным образом: в ходе реакции «кофермент» превращается в продукт, а субстрат — в «кофермент», т. е. происходит регенерация, донора.

В растительных тканях обнаружена уникальная Ф. — пируват, ортофосфат-дикиназа (АТФ: пиру-

ват, ортофосфат фосфотрансфераза; КФ 2.7.9.1.). Можно считать, что этот фермент катализирует одновременный перенос двух фосфатных групп от молекулы АТФ — одну на молекулу пировиноградной кислоты (см.), а другую — на ион фосфата с образованием пирофосфата.

Различные Ф. значительно отличаются друг от друга по степени субстратной специфичности. В большинстве случаев эти ферменты строго специфичны по отношению к обоим компонентам реакции и лишь в немногих случаях к одному из них. Напр., в реакциях переноса фосфата с АТФ на креатин (см.), протекающей с участием креатинкиназы (КФ 2.7.3.2), креатин не может быть заменен креатинином, L-аргинином, D-аргинином или L-гпстидином. АТФ не может быть заменен АДФ, аденозин-2'-, аденозпн-3'- или аде-нознн-5'-фосфатом. В обратной реакции АДФ не может быть заменен АТФ. Такая высокая специфичность типична для фосфокиназ, однако в ряде случаев АТФ можно заменить другими нуклеозидтрифосфатами; в отношении же акцептора фосфата Ф. всегда проявляют высокую специфичность. Пируваткиназа (КФ

2.7.1.40), наир., чрезвычайно специфична к фосфоенолиирувату: не найдено ни одного субстрата, способного его заменить.

Помимо хим. специфичности при действии на вещества, содержащие асимметричные центры, Ф. обнаруживают стерическую специфичность и способность различать в симметричных молекулах группы, к-рые являются химически идентичными. Так, фосфорилирование глицерина под действием глицеролкиназы (КФ 2.7.1.30) дает только s/г-глицерол-

3-фосфат. Это асимметрическое фосфорилирование симметричной молекулы глицерина было подтверждено изотопным методом и, по-видимому, объясняется особенностями структуры активного центра фермента, позволяющей связывать субстрат только при одной ориентации, хотя молекула субстрата симметрична. Глюкокиназа печени (КФ 2.7.1.2) действует на D-глюкозу и D-манно-зу, но не действует на фруктозу и многие другие сахара. Кетогексоки-наза печени (КФ 2.7.1.3) фосфорили-рует D-фруктозу и ряд других кетоз в положении 1, но не в положении 6. Для нек-рых Ф., напр, для фосфо-фруктокиназы (КФ 2.7.1.11), замена донора фосфата в катализируемой реакции сопровождается изменениями оптимального значения pH: в присутствии АТФ оптимум pH находится при 7,8, в то время как в присутствии ннозинтрифосфата (ИТФ) фермент обнаруживает два максимума активности — при pH 7,7 и 8,2.

Все реакции переноса фосфата с участием АТФ требуют присутствия дивалентных катионов металлов, т. к. в качестве активного субстрата Ф. может выступать только комплекс АТФ с дивалентными металлами. Наиболее эффективен в большинстве случаев АТФ-магниевый комплекс; ионы Мп2+ и Со2+ также оказывают стимулирующее действие. Возможная функция иона металла заключается во взаимодействии с двумя фосфатными группами молекулы АТФ, к-рые становятся уходящими группами в реакции замещения: электронная плотность смещается в сторону иона дивалентного металла и это облегчает расщепление связи. Соотношение концентрации АТФ и ионов Mg2+ сильно влияет на активность фермента. При высоких концентрациях дивалентные катионы могут быть ингибиторами, однако и АТФ в концентрации, превышающей концентрацию свободных ионов Mg2+, сильно подавляет активность фермента. Так, в покоящейся мышце, где концентрация АТФ достаточно высока, фермент фосфофрукто-киназа, напр., неактивен. В процессе мышечной работы, когда интенсивное потребление АТФ ведет к уменьшению его концентрации, активность этого фермента увеличивается; это приводит в свою очередь к интенсификации гликолиза (см.), а, следовательно, и к усиленному продуцированию АТФ. Т. о. осуществляется клеточный контроль над углеводным обменом (см.) п синтезом АТФ. Реактивы на сулъфгид-рильные группы (см.), в особенности мышьяковистые соединения, почти всегда действуют как ингибиторы Ф., среди к-рых следует выделить бериллий; его токсическое действие объясняют конкуренцией с магнием за связывание со специфическими центрами Ф.

Ф. весьма разнообразны не только по субстратной специфичности, но и по другим свойствам: отношению к коферментам (см.), SH-pea-гентам, по кинетическим параметрам, стабильности, а также физ.-хим. свойствам. Многие Ф. существуют во множественных формах (см. Изоферменты) и обладают сложной субъ-единичной структурой; количество и свойства изоферментов могут различаться в зависимости от вида клеток.

Физиол. роль Ф. зависит от того, какое место занимает соответствующая ферментативная реакция в обмене веществ организма. Важнейшим представителем Ф. можно считать фосфофруктокиназу. Этому ферменту в организме принадлежит важная регуляторная роль: на стадии образования гексозофосфатов процесс расщепления углеводов (см.) может протекать по двум основным направлениям — по пути гликолиза и по пентозофосфатному пути; фосфорилирование фосфофруктокиназой фруктозо-6-фосфата предопределяет его утилизацию по пути гликолиза. Фосфофруктокиназа катализирует перенос концевого фосфата от АТФ к С-атому гидроксильной группы фруктозо-6-фосфата с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. Этот фермент локализован в цитозоле и обнаруживается в растворимой фракции большинства тканей. Для его действия требуется присутствие ионов Mg2+, необходимых для образования истинного субстрата, т. е. Mg2+•ATФ2". Ионы Мп2+ и Со2+ менее эффективны в этом отношении. Для фосфофруктокиназ из разных тканей характерна высокая термоста-бильность, к-рая резко снижается при закислении среды. Фосфофруктокиназа относится к числу аллосте-рических ферментов (см.). Как и большинство таких ферментов, она имеет довольно высокий мол. вес (массу) и с трудом поддается очистке. Зависимость скорости реакции, катализируемой этим ферментом, от концентрации субстрата указывает на поливалентный характер регуляции активности фосфофруктокиназы.

Другим важным представителем Ф. является гексокииаза (см.). Большой интерес представляют протеин-киназы (КФ 2.7.1.37), к-рые катализируют перенос фосфатных групп от АТФ к гидроксильным группам остатков серина или треонина (см.) в молекулах белков-субстратов. Важная физиол. роль этих ферментов связана с их участием в регуляции и контроле различных клеточных функций путем фосфорилирования соответствующих ферментов с изменением их каталитических свойств и специфичности. Субстратная специфичность протеинкиназ сильно варьирует; к высокоспецифичным относятся, напр., киназа фосфорилазы (КФ 2.7.1.38) и киназа пируватде-гидрогеназы, к-рые являются цикло-3' ,5'-АМФ-независимыми ферментами. Большинство же цикло-3', 5'-АМФ-зависимых протеинкиназ специфично лишь в отношении алло-стерического модулятора — циклического нуклеотида.

Биохим. методы определения Ф. основываются на свойствах конкретных реакций. Напр., в случае определения активности креатинкиназы в сыворотке крови принцип метода заключается в том, что в сильно кислой среде образовавшийся креатин-фосфат распадается на креатин и неорганический фосфат; последний можно определить колориметрически (см. Колориметрия). Можно также и;*мерять количество креатина с помощью цветной реакции с а-нафтолом и диацетилом; таков метод, основанный на том, что при добавлении сыворотки крови к инкубационной среде, содержащей креатинфосфат и АДФ, образуется креатин, по приросту к-рого судят об активности фермента.

Поскольку в ходе реакций, катализируемых Ф., не образуются окрашенные или флюоресцирующие соединения, для определения активности Ф. эти реакции могут быть сопряжены с другими ферментативными реакциями, позволяющими получать такие соединения. Так, для определения активности фосфофрук-токиназы образование фруктозоди-фосфата сочетают с помощью дополнительных ферментов — альдолазы и триозофосфатизомеразы — с реакцией окисления НАД-Н а-глицеро-фосфатдегидрогеназой, к-рую регистрируют спектрофотометрически (см. Спектрофотометрия).

Активность в тканях таких Ф., как гексокиназа, глюкокиназа, креа-тинкиназа и фосфоглюкомутаза, можно определить гистохим. методами, основанными на многоэтапных реакциях. Однако эти реакции недостаточно полно разработаны и пока находят лишь ограниченное применение.

Изменение активности целого ряда Ф., контролирующих узловые стадии клеточного метаболизма, играет основную роль в этиологии многих наследственных и приобретенных нарушений обмена веществ. Напр., генетически обусловленные дефекты киназы фосфорилазы, фос-фофруктокиназы, фосфоглюкому-тазы, участвующих в обмене гликогена, являются причиной различных гликогенозов (см.), миопатий (см.) и мышечной атрофии. Недостаточность пируваткиназы вызывает глубокие нарушения в углеводном обмене эритроцитов (см. Энзимопеническая анемия). При сахарном диабете (см. Диабет сахарный) резкое угнетение образования глюкозо-6-фосфа-та вызвано понижением активности гексокиназы, что, в свою очередь, обусловлено почти полным исчезновением из жировой ткани одной из изоформ этого фермента.

Изменение активности Ф. часто может служить подтверждением клин, диагноза, а также иметь самостоятельное диагностическое и прогностическое значение. Так, в клетках почек, печени и жировой ткани инсулин индуцирует синтез ключевых ферментов гликолиза: глюкокиназы, фосфофруктокиназы и высокоактивной пируваткиназы, поэтому содержание этих ферментов в тканях при инсулиновой недостаточности, в частности при сахарном диабете, сильно понижается. Креатин-киназа (см.) находится только в мышцах, в особенности в поперечнополосатых, поэтому появление ее активности в сыворотке крови и возрастание этой активности в течение какого-то времени является специфическим признаком повреждения скелетных и сердечной мышц. При прогрессирующей мышечной атрофии в сыворотке крови сильно повышается активность креатинкиназы. Еще более выраженное повышен tie активности этого фермента в крови наблюдают при полимиозите. Определение активности креатинкиназы в сыворотке крови имеет важное дифференциально - диагностическое значение для различения двух групп миопатий — первичных и нейрогенных (миастении, мышечной атрофии, семейной атаксии Фридрей-ха); нейрогенные миопатии в отличие от первичных протекают без изменения активности креатинкиназы.

Библиогр.: Диксон М. и Уэбб Э. Ферменты, пер. с англ., т. 1 — 3, М., 1982; Номенклатура ферментов, пер. с англ., под ред. А. Е. Браунштейна, М., 1979;

The enzymes,-ed. by P. D. Boyer, v. 8—9, N. Y.—L., 1973,

П. JI. Иванов.