Структура ферментов

Ферменты в зависимости от их химического состава делятся на простые (протеины) и сложные (протеиды). Активность ряда ферментов зависит только от структуры белка, а других, кроме того, от присутствия определенных групп небелковой природы - кофакторов. В роли кофакторов могут выступать ионы металлов или сложные органические соединения, называемые коферментами, иногда для наличия каталитической активности необходимо присутствие тех и других. Кофакторы, как правило, термостабильны, тогда как большинство ферментов при нагревании инактивируются. Природный комплекс фермента с коферментом называется холоферментом, а неактивный белок после отсоединения кофактора называется апоферментом.

Ферменты имеют сложную пространственную структуру. Участки, связывающие субстрат, называются активным центром и занимают небольшую часть молекулы фермента. Остальная часть молекулы необходима для поддержания пространственной структуры активного центра. Фермент содержит также регуляторные центры. В простых ферментах активный центр представляет собой комплекс определенных аминокислот (серин, гистидин, цистеин, аргинин, триптофан).

Ионы металлов в ферментах могут выполнять различные функции. Они могут служить мостиком, связывающим фермент с субстратом, или выполнять непосредственно каталитическую функцию. Обычно коферменты играют роль промежуточных переносчиков электронов, а также некоторых атомов или функциональных групп, которые в результате ферментативной реакции переносятся с одного соединения на другое. Некоторые коферменты тесно связаны с ферментом, такой кофермент называется простетической группой. Но во многих случаях фермент связан с белком слабо. Многие коферменты содержат в качестве активных компонентов вещества, присутствующие в организме в следовых количествах, например рибофлавин, тиамин, пантотеновую кислоту или никотинамид. Для ряда организмов они являются витаминами ( организм должен их получать с пищей).

Пространственная структура активного центра фермента определяет специфичность его действия – способность ускорять реакцию только одного субстрата или группы субстратов, сходных по строению. Различают относительную и абсолютную специфичностьферментов. Ферменты, обладающие относительной специфичностью, ускоряют реакции, характерные для определенных видов связей в молекулах, различных веществ одного класса. Абсолютно специфичные ферменты ускоряют определенный тип реакции единственного субстрата. Специфичность действия фермента проявляется потому, что пространственная конфигурация его активного центра комплементарна (соответственна) пространственной конфигурации субстрата. Активный центр не является статичной, неизменной системой. Субстрат, присоединяясь к нему, изменяет пространственное положение его функциональных групп, таким образом достигается более полное пространственное соответствие фермента и субстрата и большая эффективность взаимодействия между ними.

Для объяснения специфичности ферментов Кошландом в 1959 году была высказана гипотеза “индуцированного соответствия”. Согласно этой гипотезе, связывание ферментом правильного субстрата индуцирует в белке небольшие конформационные изменения. В результате этих изменений каталитические группы фермента ориентируются таким образом, что становится возможным превращение субстрата в продукт.

Изучение субстратной специфичности позволило выявить две структурные особенности, определяющие специфичность фермента по отношению к субстрату. Во-первых, субстрат должен обладать специфической химической связью, которая может быть атакована ферментом. Во-вторых, субстрат обычно содержит еще одну или несколько функциональных групп, связывающихся с ферментом и надлежащим образом ориентирующих субстрат относительно каталитического центра. Такая связывающая группа обычно определенным образом ориентирована по отношению к связи, подлежащей разрыву.