Молекулярная биология: Структура и функции белков - Степанов В.М. 2005

Ферменты
Общие понятия ферментативного катализа

При анализе способа действия ферментов прибегают к ряду упрощений, в определенной мере отражающих существенные черты этого процесса. Прежде всего учитывают, что с субстратом непосредственно контактирует не вся молекула фермента, а лишь ее часть — активный центр. Последний не может быть очерчен строго определенными границами, поскольку каждый его компонент так или иначе взаимодействует с другими участками молекулы белка. Эти взаимодействия обычно весьма существенны для каталитического механизма: они изменяют реакционную способность функциональных групп активного центра, фиксируют их в структуре белковой глобулы или создают благоприятствующее катализу специфическое микроокружение. Таким образом, понятие активный центр является в определенном смысле абстракцией, которая отражает существенные особенности фермента, но в то же время как бы огрубляет описание катализа.

Упрощая картину далее, активный центр подразделяют на зону связывания субстрата и собственно каталитический центр. При этом предполагается, что зона связывания ответственна за формирование комплекса фермент — субстрат (так называемого комплекса Михаэлиса), за выбор субстрата, его закрепление и правильную ориентацию относительно каталитического центра. Функциональные группы каталитического центра непосредственно участвуют в превращении субстрата. И это упрощение полезно, если не забывать о его относительности, условности. В реальных фермент-субстратных комплексах группы каталитического центра обычно используются для связывания субстрата, а белковые структуры, образующие зону связывания, нередко участвуют в динамических процессах, вмешиваясь в каталитический механизм.

Условность понятия активный центр подчеркивается и тем, что последний не удается физически отделить от остальной части молекулы фермента. На рубеже 50-60-х годов появлялись сообщения об удачном «вырезании» активных центров из ферментов, в частности протеиназ. Все они, однако, оказались результатом экспериментальных ошибок. С установлением пространственного строения множества ферментов стало ясно, что, как правило, их активные центры формируются из аминокислотных остатков, далеких друг от друга в последовательности аминокислот, но сближающихся при образовании третичной структуры.

Например, в активном центре пепсина ключевая роль принадлежит остаткам аспарагиновой кислоты 35 и 215, которые сближаются при свертывании полипептидной цепи, состоящей из 321 аминокислотного остатка, в пространственную структуру. Очевидно, что при попытке «вырезать» из белковой глобулы те участки последовательности, которые включают компоненты активного центра, получилось бы крайне неустойчивое образование, состоящее из нескольких пептидных фрагментов, а главное, было бы утрачено специфическое окружение функциональных групп каталитического центра, которое определяет их химические особенности.

В то же время структуру фермента в целом нельзя считать неприкасаемой. Молекулы многих ферментов способны противостоять довольно значительным повреждениям, в том числе отдельным разрывам полипептидных цепей, адаптировать целый ряд замен аминокислотных остатков другими; иногда удается заметно уменьшить их размеры без утраты активности. Принципиально возможно и получение относительно небольших каталитически активных структур, при том, однако, непременном условии, что они сохранят стабильность пространственного строения, т е. будут соответствовать по размерам и стабильности по меньшей мере рангу домена.