Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Структура и функции клеточных компонентов
Белки. Особенности организации и функции ферментов
Особенности структуры ферментных молекул

Ферменты (энзимы) представляют собой специфические высокоэффек­тивные катализаторы химических реакций. Подавляющее большинство кле­точных реакций осуществляется с участием ферментов, одна клетка может содержать до 1000 различных ферментов. В настоящее время известны функ­ции более двух тысяч ферментов, из которых несколько сотен изучены наи­более полно, для них определена аминокислотная последовательность и про­странственная структура.

Ферментативный катализ ускоряет протекание химических реакций в 10⁶—10¹⁶ раз! Будучи выделенными из клетки без повреждения нативной структуры, ферменты сохраняют активность, что делает возможным их ис­пользование в бесклеточных реакциях.

Молекулы ферментов характеризуются различными молекулярными мас­сами — от 10 000 до 1 000 000 дальтон (Да) и выше, однако большинство ферментов представлено глобулярными белками с молекулярной массой в несколько сотен тысяч дальтон, построенными из субъединиц (протомеров). Упаковка субъединиц в мультимерном (состоящем из нескольких субъеди­ниц) белке осуществляется благодаря взаимодействиям того же типа, что и при образовании третичной структуры белка. Среди ферментов-мультимеров преобладают димеры и тетрамеры, в меньшей мере распространены гексаме­ры и октамеры и очень редко встречаются тримеры и пентамеры.

Мультимерные ферментные белки могут содержать протомеры несколь­ких типов, различающихся некоторыми особенностями первичной и третич­ной структуры. От соотношения протомеров разного типа в мультимере зави­сят некоторые его химические и физические свойства, и такие различающие­ся формы мультимерного фермента называют изоферментами (изозимами). Например, лактатдегидрогеназа, катализирующая в мышцах обратимую реакцию окисления молочной кислоты, состоит из четырех субъединиц двух типов (Н и М) и представлена пятью изоферментами (НННН, НННМ, ННММ, НМММ, ММММ). Эти изоферменты отличаются друг от друга ак­тивностью, молекулярной массой, электрофоретической подвижностью, ло­кализацией в органах и тканях, а также чувствительностью к регуляторным веществам. Существование изоферментов позволяет организму изменять их соотношение и регулировать, таким образом, метаболическую активность.

Изучение структуры молекул ферментов позволило выявить ряд законо­мерностей в их организации. Полипептидная цепь, образующая белковую глобулу, свернута довольно сложным образом. Одни участки этой цепи явля­ются a-спиралями или же ß-структурами, другие принимают нерегулярные, но вполне определенные конформации. Эти структуры, тесно прилегая друг к другу и чередуясь, упаковываются в блоки, обладающие функциональной активностью. На поверхности белковой глобулы сосредоточены в основном полярные группы и заряженные атомы, причем между противоположно заря­женными группами (например, между боковыми цепями Glu^- и Lys⁺) иногда образуются ионные связи (солевые мостики). Внутренняя часть белковой гло­булы представляет собой неполярную среду, гидрофобное ядро образовано неполярными группами, входящими главным образом в состав алифатиче­ских и ароматических боковых цепей аланина, валина, изолейцина, лейцина, метионина, фенилаланина и триптофана. Полярные радикалы аминокислот, имеющие функциональное значение, ориентированы также внутрь глобулы, при этом они ассоциированы друг с другом.

Важнейшей частью ферментной молекулы является активный центр, ко­торый обычно имеет форму щели или впадины в глобуле фермента. В актив­ном центре происходит связывание субстрата и превращение его в продукт. Активный центр почти всегда построен из небольшого количества аминокис­лотных остатков, которые, как правило, значительно удалены друг от друга в полипептидной молекуле. В активном центре можно условно выделить два участка: связывающий и каталитический.

Остатки аминокислот, образующие связывающий участок, обеспечивают удержание субстрата в актином центре. Именно «архитектура» связывающего участка активного центра фермента определяет его комплементарность структуре субстрата, т. е. специфичность связывания фермента. Часто при­крепление субстрата осуществляется за счет взаимодействия с ε- аминогруппой радикала лизина, расположенного в субстратном участке. Эту же роль может выполнять карбоксильная группа глутаминовой кислоты, а также сульфгидрильная группа цистеина. Однако чаще формирование суб­страт-ферментного комплекса происходит без образования ковалентных свя­зей, за счет более слабых сил, таких, как водородные и электростатические связи, гидрофобные и ван-дер-Ваальсовы взаимодействия.

В каталитический участок фермента входят остатки аминокислот, непо­средственно участвующие в катализе. Их называют каталитическими груп­пами, и они чаще всего представлены остатками серина, гистидина, трипто­фана, аргинина, цистеина, аспарагиновой и глутаминовой кислоты, тирозина. Окончательное формирование каталитического участка у многих ферментов может происходить в момент присоединения субстрата.

Кроме активного центра, большинство ферментов содержат аллостери­ческий центр. Этот участок молекулы предназначен для связывания с регу­ляторными веществами, в результате чего изменяется третичная структура белка. Это искажение затрагивает и конфигурацию активного центра, что сопровождается увеличением или снижением каталитической активности фермента. Данное явление лежит в основе аллостерической регуляции актив­ности ферментов.

Некоторые ферменты проявляют полифункциональность — способность осуществлять несколько энзиматических активностей. Данное явление объяс­няется тем, что при формировании третичной структуры полипептидные цепи подобных ферментов образуют несколько функционально и стерически обо­собленных глобулярных участков — доменов, каждый из которых характе­ризуется собственной каталитической активностью.