Структурная организация фермента

Свыше 2000 известных в наст время ферментов, имеют белковую природу и хар-тся всеми св-вами белков. По строению ферменты делятся на:

- простые или однокомпонентные;

- сложные или двухкомпонентные (холоферменты).

Простые ферменты представляют собой простые белки и при гидролизе распадаются только на аминокислоты. К числу простых ферментов относятся гидролитические ферменты (пепсин, трипсин, уреаза и др.).

Сложные белки являются сложными белками и, помимо, полипептидных цепей содержат небелковый компонент ( кофактор ). К сложным белкам относится большинство ферментов.

Белковая часть двухкомпонентного фермента называется апоферментом.

Кофакторы могут иметь различную прочность связи с апоферментом.

Если кофактор прочно связан с полипептидной цепью, он называется простетической группой. Между простетической группой и апоферментом – ковалентная связь.

Если кофактор легко отделяется от апофермента и способен к самостоятельному существованию, то такой кофактор называется коферментом.

Между апоферментом и коферментом связи слабые – водородные, электростатические и др.

Химическая природа кофакторов крайне разнообразна. Роль кофакторов в двухкомпонентных ферментах играют:

1 – большинство витаминов (Е, К, Q, С, Н, В₁, В₂, В₆, В₁₂ и др.);

2- соединения нуклеотидной природы (НАД,НАДФ, АТФ, КоА, ФАД, ФМН), а также целый ряд др. соединений;

3 – липолевая кислота;

4 – многие двухвалентные металлы (Мg²⁺, Mn²⁺,Ca²⁺и др.).

Активный центр ферментов.

Ферменты – высокомол-рные в-ва, мол-рный вес к-рых достигает нескольких млн. Молекулы субстратов, взаимодействующих с ферментами обычно имеют гораздо меньший размер. Поэтому естественно предположить, что с субстратом взаимодействует не вся молекула фермента в целом, а только какая-то ее часть – так называемый “активный центр” фермента.

Активный центр фермента – это часть его молекулы, непосредственно взаимодействующая с субстратами участвующая в акте катализа.

Активный центр фермента формируется на уровне третичной структуры. Поэтому при денатурации, когда третичная структура нарушается, фермент теряет свою каталитическую активность!

Активный центр в свою очередь состоит из:

- каталитического центра, который осуществляет химическое превращение субстрата;

- субстратного центра (“якорной” или контактной площадки), которая обеспечивает присоединение субстрата к ферменту, формирование фермент-субстратного комплекса.

Четкую грань между каталитич и субстратным центром провести можно не всегда – у некоторых ферментов они совпадают или перекрываются.

Помимо активного центра, в молекуле фермента существует т.н. аллостерический центр. Это участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому определенного низкомолекулярного вещества (эффектора), изменяется третичная структура фермента. Это приводит к изменению конф-ции актив центра и, следовательно, к изменению акт-сти фермента. Это явление аллостерической регуляции активности фермента.

Многие ферменты являются мультимерами (или олигомерами), т.е. состоят из двух и более субъединиц- протомеров (аналогично четвертичной структуре белка).

Связи между субъединицами, в основном, не ковалентные. Максимальную каталитическую активность фермент проявляет именно в виде мультимера. Диссоциация на протомеры резко снижает активность фермента.

Ферменты – мультимеры содержат обычно четкое число субъединиц (2-4), т.е. являются ди- и тетрамерами. Хотя известны гекса- и октамеры (6-8) и чрезвычайно редко встречаются тримеры и пентамеры (3-5).

Ферменты-мультимеры могут быть построены как из одинаковых, так и из разных субъединиц.

Если ферменты-мультимеры образованы из субъединиц различных типов, они могут существовать в виде нескольких изомеров. Множественные формы фермента называют изоферментами (изоэнзимами или изозимами).

Например, фермент состоит из 4 субъединиц типов А и Б. Он может образовать 5 изомеров: АААА, АААБ, ААББ, АБББ, ББББ. Эти изомерные ферменты являются изоферментами.

Изоферменты кат-уют одну и ту же хим р-цию, обычно воздействуют на один и тот же субстрат, но отличаются по некоторым физико-химическим свойствам (молекулярной массе, АМК-му составу, электрофоретической подвижности и др.), по локализации в органах и тканях.

Особую группу ферментов составляют т.н. мультимерные комплексы. Это системы ферментов, катализирующих последовательные стадии превращения какого-либо субстрат. Такие системы характеризуются прочностью связи и строгой пространственной организацией ферментов, обеспечивающей минимальный путь прохождения субстрата и максимальную скорость его превращения.

Примером может служить мультиферментный комплекс, осуществляющий окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Комплекс состоит из 3-х видов ферментов (М.в. = 4 500 000).

Регуляторные центры

Под активным центром подразумевают уникальную комбинацию АМК-ных остатков в мол-ле ф-та, обеспечивающую непосредственное связывание ее с мол-лой субстрата и прямое участие в акте катализа. Установлено, что у сложных ф-тов в состав АЦ входят также простетические группы.

В АЦ условно различают т.наз. каталитич центр, непосредств вступающий в хим вз-действие с субстратом, и связывающий центр, площадку, к-рая обеспечивает специфическое сродство к субстрату и формирование его комплекса с ф-том. В свою очередь молекула субстрата также содержит функционально различные участки: напр, субстраты эстераз или протеиназ – одну специфич связь (или гр атомов), подвергающуюся атаке со стороны ф-та, и один или несколько участков, избирательно связываемых ф-том.

Предполагают, что форм-ние АЦ ф-та нач-тся уже на ранних этапах синтеза белка-ф-та на рибосоме, когда линейная одномерная стр-ра пептидной цепи превращ в трехмерное тело строго определенной конф-ции. Обр-шийся белок приобретает инф-цию совершенно нового типа, а именно функц-ную (каталитическую). Любые воздействия, приводящие к денатурации, т.е. нарушению третичной структуры, приводят к искажению или разрушению стр-ры АЦ и соответственно потере ф-том каталитических свойств. Если при подходящих внешних условиях удается восстановить нативную трехмерную структуру белка-ф-та (ренатурировать его), то восстанавливается и его каталитич акт-сть.

Помимо АЦ, в мол-ле ф-та может присутствовать также аллостерический центр (или центры), предст собой уч-к мол-лы ф-та, с к-рым связ-тся определ, обычно низкомол-рные, в-ва (эффекторы, или модификаторы), мол-лы к-рых отлич по стр-ре от субстратов. Присоед-ие эффектора к аллостерич центру изменяет третичную и часто также четвертичную стр-ру мол-лы ф-та и соответ конф-цию АЦ, вызывая снижение или повышение энзиматической акт-сти. Ф-ты, акт-сть каталитич центра к-рых подвергается изменению под влиянием аллостерических эффекторов, связывающихся с аллостерическим центром, получили название аллостерических ф-тов.

Отличительной особенностью ряда аллостерических ф-тов является наличие в молекуле олигомерного ф-та нескольких активных центров и нескольких аллостерических регуляторных центров, пространственно удаленных друг от друга. В аллостерическом ф-те каждый из двух симметрично построенных протомеров содержит один активный центр, связывающий субстрат S, и один аллостерический центр, связывающий эффектор М₂, т.е. 2 центра в одной молекуле ф-та. Получены доказательства, что для субстрата аллостерические ф-ты, помимо активного центра, содержат и так называемые эффекторные центры; при связывании с эффекторным центром субстрат не подвергается каталитическому превращению, однако он влияет на каталитическую эффективность активного центра. Подобные взаимодействия между центрами, связывающими лиганды одного типа, принято называть гомотропными взаимодействиями, а взаимодействия между центрами, связывающими лиганды разных типов, – гетеротропными взаимодействиями.