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 b-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 e-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.