Общие сведения о строении ферментов

По строению ферменты делятся на две группы:

1. однокомпонентные ферменты, представляющие собой простые белки;

2. двух- или многокомпонентные ферменты – сложные белки (протеиды).

К однокомпонентным ферментам, состоящим только из аминокислот, относятся многие гидролазы: трипсин, пепсин, рибонуклеаза, уреаза и др.

К многокомпонентным ферментам относятся такие, в состав которых кроме белкового компонента входит небелковая часть – кофермент, или ион металла – кофактор, или и то и другое вместе.

Ферменты относятся к глобулярным белкам, форма их молекул близка к сферической, а молекулярная масса колеблется в широких пределах: от 14 до 1000 кДа. Для каждого фермента характерны первичная, вторичная и третичная структуры апофермента, отличающие его от всех других ферментов.

Сворачивание молекул глобулярных белков происходит таким образом, что в ядре глобулы располагаются в основном гидрофобные участки полипептидной цепи, а на поверхности располагаются как гидрофильные, так и гидрофобные элементы. Образование такой мозаичной поверхности ограничивает размеры глобулы, поскольку с увеличением ее объема труднее сформировать достаточно гидрофобное ядро и достаточно гидрофильную поверхность. Это ограничение приводит к тому, что начиная примерно с молекулярной массы 14-16 кДа полипептидная цепь формирует два или более домена. Доменами называют независимо сформированные в пространстве структурные фрагменты молекулы белка, т.е. области в третичной структуре белка с определенной структурной автономией. Таким образом домены составляют подуровень структурной организации белка на пути от вторичной к третичной структуре

Представление о пространственной организации белковой цепи не только в виде цельной компактной глобулы, но и в форме нескольких слабо связанных между собой глобулярных областей неоднократно высказывалось рядом авторов. Так, доменная организация трехмерной структуры α-химотрипсина была отмечена в 1972 году Дж. Бирктофтом и Д. Блоу. в 1996 году Д. Филлипс при анализе кристаллографической структуры лизоцима пришел к выводу о наличии в его структуре нескольких компактных глобулярных доменов.

Было установлено, что нативная (от английского native – природный) конформация трипсина, пепсина, папаина и других гидролаз включает два домена.

Четкой корреляции между доменной организацией и размером белка не существует. Например, молекула бактериохлорофилла (330 аминокислот) представляет собой цельную глобулу, а лизоцим (129 аминокислот) состоит из двух доменов. Отсутствует также какая-либо связь между доменной организацией и содержанием в белке вторичных структур. Известны домены, в которых α-спирали и складчатые листы составляют около 50% (термолизин), и домены, в которых они вообще отсутствуют (тРНК-синтетазы).

Играют ли домены какую-либо функциональную роль в проявлении каталитической активности ферментов?

Наличие доменов создает структурные предпосылки для большей внутренней гибкости белковых молекул, достигаемой смещением доменов относительно друг друга. Часто отдельные домены ответственны за определенные виды взаимодействий фермента с субстратом и эффекторами. Эффекторами называют вещества, которые оказывают влияние на активность ферментов.

Например, нуклеотид-связывающий домен дегидрогеназ, имеющий независимо от конкретной функции того или иного фермента одинаковый способ укладки полипептидной цепи, ответствен за взаимодействие с коферментом NAD⁺ или NADH.

Однако в ряде случаев для доменов нельзя указать отдельной функциональной роли. Например, в структуре папаина хорошо различимы два домена. Во впадине, разделяющей домены, расположен каталитический центр, причем образующие его функциональные группы размещены в обоих доменах (Cys-25, His-159, Asn-175).

Часто макромолекула фермента состоит из нескольких субъединиц. Субъединицы могут представлены одинаковыми или разными полипептидами. Для таких ферментов характерной является также четвертичная структура. Например, активной формой лактатдегидрогеназы является тетрамер с молекулярной массой 144 кДа. Каждая субъединица образована полипептидной цепью из 334 аминокислот и имеет молекулярную массу 36 кДа

В отличие от всех других белков ферменты имеют в своей структуре особый участок – активный центр. Под активным центром понимают ту часть молекулы фермента, к которой присоединяется субстрат. Кофермент, как правило, входит в состав активного центра фермента.

В его пределах различают адсорбционный участок и каталитический участок. Кроме того, вне активного центра фермента встречаются особые функциональные участки; каждый из них обозначают термином аллостерический центр.

Активный центр фермента образуется на уровне третичной структуры белка из остатков аминокислот, находящихся в составе различных участков полипептидной цепи или различных полипептидных цепей, пространственно сближенных. Каталитический участок активного центра следующими функциональными группами, входящими в остатки аминокислот:

Функциональные группы и Аминокислоты каталитического участка

НО- серин треонин тирозин

НS- цистеин ^‾ООС- аспарагиновая и глутаминовая кислоты

Гистидин СONH₂ Глутамин, аспарагин

NHC(NH₂)₂⁺ аргинин NH₃⁺ лизин

В формировании адсобционного участка активного центра могут участвовать остатки любых аминокислот.

Каталитический центр - это та область (зона) активного центра фермента, которая непосредственно участвует в химических преобразованиях субстрата. Формируется он за счет радикалов двух, иногда трех аминокислот, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи. Например, каталитический центр "серин-гистидиновых" ферментов формируется за счет радикалов аминокислот серина и гистидина. Если фермент является сложным белком, то в формировании каталитического центра участвует также простетическая группа молекулы фермента (кофермент). Коферменты образуются в организме из витаминов, некоторые витамины непостредственно являются коферментами (аскорбиновая кислота, витамин К)

Адсорбционный центр - это участок активного центра молекулы фермента, на котором происходит сорбция (связывание) молекулы субстрата. Он формируется одним, двумя, чаще тремя радикалами аминокислот, которые обычно расположены рядом с каталитическим центром. Главная его функция - связывание молекулы субстрата и передача этой молекулы каталитическому центру в наиболее удобном положении (для каталитического центра). Эта сорбция происходит только за счет слабых типов связей и потому является обратимой. По мере формирования этих связей происходит конформационная перестройка адсорбционного центра, которая приводит к более тесному сближению субстрата и активного центра фермента, более точному соответствию между их пространственными конфигурациями. Такое соответствие - не заранее "готовое", а формирующееся в ходе взаимодействия - американский ученый Кошленд положил в основу теории индуцированного соответствия (или наведенного соответствия), которая преодолела ограниченность существовавшей ранее теории ключа и замка (жесткого соответствия структуры субстрата структуре адсорбционного центра).

Очевидно, что именно структура адсорбционного центра определяет субстратную специфичность фермента, т. е. требования фермента к молекуле химического вещества, чтобы она могла стать для него подходящим субстратом.

Четвертичная структура белков имеет, по-видимому, отношение и к существованию изоферментов. Изоферментами называются ферменты, встречающиеся у одного и того же биологического вида в разных структурных формах. Существование изоферментов возможно только в том случае, если ферментный комплекс состоит из нескольких различных субъединиц.

В качестве примера рассмотрим фермент лактатдегидрогеназу (ЛДГ). Активной формой лактатдегидрогеназы является тетрамер из четырех субъединиц. В тетрамере субъединицы занимают эквивалентные положения; каждый мономер содержит активный центр.

В организме млекопитающих имеются два различных типа субъединиц ЛДГ (Н и М), незначительно различающихся по первичной структуре. Они могут случайным образом участвовать в образовании тетрамера. Известно 5 различных изоферментов ЛДГ, а именно НННН, МННН, ММНН, МММН и ММММ. В мышцах сердца содержатся тетрамеры ЛДГ, преимущественно состоящие из Н-субъединиц, а в печени и скелетных мышцах – из М-мономеров.

Рис. 1.1. Положение и строение активного центра в молекуле трипсина.

Размер активного центра по сравнению с размером молекулы увеличен примерно в 100 раз. Пунктиром показаны: К – каталитический участок, сформированный гидроксигруппой серина, имидазольным кольцом гистидина и карбоксилатной группой аспарагиновой кислоты; А – адсорбционный участок, включающий липофильные группы и группы, участвующие в образовании водородных связей и диполь-дипольном взаимодействии с субстратом. Ровная пунктирная линия отделяет два домена

Дата добавления: 2014-01-20