Структурная организация ферментов
ФЕРМЕНТЫ
ВВЕДЕНИЕ
Обмен веществ в организме можно определить как совокупность всех химических превращений, которым подвергаются соединения, поступающие извне. Эти превращения включают все известные виды химических реакций: межмолекулярный перенос функциональных групп, гидролитическое и негидролитическое расщепления химических связей, внутримолекулярная перестройка, новообразование химических связей и окислительно - восстановительные реакции. Такие реакции протекают в организме с чрезвычайно большой скоростью только в присутствии катализаторов.
Общее число видов ферментов, вероятно, приближается к 10 000. В это число входят не только ферменты, катализирующие 2000—3000 реакций обмена, но также и ферменты, вовлеченные в передачу сигнала, процесс дыхания, мышечное сокращение, свертываемость крови, транспорт веществ, обезвреживание токсичных и чужеродных соединений, нейротрансмиссию.
Ферменты имеют белковую природу, однако обнаружена способность некоторых молекул РНК осуществлять катализ. Такие РНК получили название«рибозимы».
Биосинтез ферментов находится под контролем генов. Различают конститутивные ферменты, постоянно присутствующие в клетках, и индуцируемые ферменты, биосинтез которых активируется под влиянием соответствующих субстратов.
Ферменты катализируют превращение веществ, которые называютсясубстратами (S),в продукты (Р).
Как и другие химические катализаторы, ферменты:
увеличивают скорость реакции, но не расходуются в ходе процесса и не претерпевают необратимых изменений;
не изменяют состояние равновесия химической реакции, ускоряя как прямую, так и обратную реакцию в равной степени;
повышают скорость реакции, понижая энергию активации, тот энергетический барьер, который отделяет одно состояние системы от другого.
при ферментативном катализе образованию продуктов предшествует образованиефермент-субстратного комплекса (ES-комплекс), который через переходное состояние превращается в комплекс фермент-продукты (ЕР-комплекс), послечего происходит высвобождение продуктов. В общем виде уравнение ферментативного катализа записывается следующим образом: Е + S « Е S « ЕР« Е+Р
Ферменты отличаются от небиологических катализаторов следующими свойствами:
высокой эффективностью действия - скорость ферментативных реакций обычно в 106 1012 раз выше, чем соответствующих неферментативных реакций;
высокой субстратной специфичностью — способностью взаимодействовать с определенным субстратом или группой субстратов;
высокой специфичностью действия –способностьюкатализировать специфическую реакцию;
мягкими условиями протекания ферментативных реакций: температура 37 °С, нормальное атмосферное давление, рН, близкое к нейтральному. В противоположность этому для эффективного химического катализа часто требуются высокие температура и давление, а также экстремальные значения рН;
способностью к регуляции. Каталитическая активность многих ферментов может изменяться в зависимости от концентрации веществ-регуляторов больше, чем в зависимости от концентрации их субстратов. Возможность регулирования активности ферментов делает их своеобразными организаторами обменных процессов в клетке.
Структурная организация ферментов
Ферменты – это глобулярные белки, состоящие из одной или нескольких полипептидных цепей, организованных в 3-х мерную структуру.
По химическому строению различают простые (однокомпонентные) ферменты (состоят только из аминокислот) и сложные двукомпонентные ферменты (имеющие небелковую часть - кофактор).
Кофакторы – это вещества, способствующие действию ферментов, или необходимые для его осуществления. Роль кофактора в основном сводится к следующему:
· изменение третичной структуры белка и создание комплементарности между ферментом и субстратом, стабилизация молекулы фермента в пространстве;
· непосредственное участие в реакции в качестве еще одного субстрата.
Кофакторы делят, хотя и достаточно условно, на коферменты и простетические группы.
Добавочную группу, прочно связанную, не отделяемую от белковой части, называют простетической группой; в отличие от этого добавочную группу, легко отделяющуюся от апофермента и способную к самостоятельному существованию, обычно именуют коферментом.
Химическая природа важнейших коферментов была выяснена в 30-е годы нашего столетия благодаря трудам О. Варбурга, Р. Куна, П. Каррера и др. Оказалось, что роль коферментов в двухкомпонентных ферментах играют большинство витаминов (Е, К, Q, В1, В2, В6 В12, Н и др.) или соединений, построенных с участием витаминов (коэнзим А, НАД+ и т. п.). Кроме того, функцию коферментов выполняют такие соединения, как НS-глутатион, многочисленная группа нуклеотидов и их производных, производные некоторых моносахаридов, ряд других веществ.
Характерной особенностью двухкомпонентных ферментов является то, что ни белковая часть, ни добавочная группа в отдельности не обладают заметной каталитической активностью. Только их комплекс проявляет ферментативные свойства. При этом белок резко повышает каталитическую активность добавочной группы, присущую ей в свободном состоянии в очень малой степени; добавочная же группа стабилизирует белковую часть и делает ее менее уязвимой к денатурирующим агентам.
В апоферменте есть участок, характеризующийся специфической структурой, избирательно связывающий кофермент. Это так называемый кофермент связывающий домен; его структура у различных апоферментов, соединяющихся с одним и тем же коферментом, очень сходна.
Каждый кофермент имеет определенную структуру, что делает его специфичнымдля определенного типа реакций (табл.1).
В процессе катализа реакции в контакт с субстратом вступает не вся молекула фермента, а определенный ее участок, который называется активным центром. Эта зона молекулы не состоит из последовательности аминокислот, а формируется при формировании третичной структуры белковой молекулы.
Активный центр — это относительно небольшой участок, расположенный в узком гидрофобном углублении (щели) поверхности молекулы фермента, непосредственно участвующий в связывании, удержании субстрата и катализе.
В активном центре различают две зоны: центр связывания (или субстратсвязывающий участок), ответственный за присоединение и удержание субстрата, и каталитический центр, отвечающий за химическое превращение субстрата (рис. 1). Необходимо понимать, что в реальных ферментах субстратный центр может совпадать (или перекрываться) с каталитическим центром. Более того, каталитический центр может окончательно формироваться в момент присоединения субстрата. Поэтому часто говорят об активном центре фермента, представляющем сочетание первого и второго.
Таблица 1
Как уже указывалось, сложные ферменты в каталитическом центре имеют участок или домен для связывания кофактора.
Помимо активного центра ряд ферментов снабжен регуляторным центром. С этой зоной фермента взаимодействуют эффекторы, влияющие на его каталитическую активность.
Ферментативные эффекторы - вещества, изменяющие скорость ферментативного катализа. Среди них различают ингибиторы - замедляющие скорость реакции и активаторы - ускоряющие ферментативную реакцию.
2. СПЕЦИФИЧНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ
Различают два главных вида специфичности ферментов: СУБСТРАТНУЮ СПЕЦИФИЧНОСТЬ и СПЕЦИФИЧНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ.
Специфичность действия- это способность фермента катализировать только определенный тип химической реакции.
Субстратная специфичность - это способность фермента катализировать превращения только одного определенного субстрата или же группы сходных по строению субстратов. Определяется структурой адсорбционного участка активного центра фермента. Большинство ферментов высокоспецифично как к природе, так и к пути превращения субстрата. Специфичность к субстрату обусловлена комплементарностью структуры субстратсвязывающего центра фермента структуре субстрата.
Как показывает рис. 2, субстратсвязывающий участокпо форме соответствует субстрату (геометрическое соответствие), более того, между аминокислотными остатками активного центра фермента и субстратом образуются специфические связи (гидрофобные, ионные и водородные), т.е. устанавливаетсяэлектронное илихимическое соответствие.
Связывание субстрата с активным центром фермента происходитмноготочечно, с участием нескольких функциональных групп, которые далее могут участвовать в катализе.
Ферменты могут различаться по субстратной специфичности и обладатьабсолютной специфичностью, т.е. действовать только на один субстрат и не взаимодействовать даже с очень близкими по строению молекулами (например, уреаза ускоряет гидролиз мочевины, но не действует на тиомочевину), или дажестереоспецифичностыо (когда фермент взаимодействует с определенным оптическим и геометрическим изомером).
Рис. 2. Геометрическое и химическое соответствие (комплементарность) между ферментом и субстратом. h - гидрофобные группы, ¼¼¼ - водородные связи.
Некоторые ферменты проявляют более широкую специфичность(групповая илиотносительная специфичность) и взаимодействуют со многими веществами, имеющими похожую структуру (протеазы ускоряют гидролиз пептидных связей в белках, липазы ускоряют расщепление эфирных связей в липидах
Пример. Сериновые протеазы проявляют групповую специфичность к субстратам. Все они ускоряют гидролиз пептидных связей в белках, но, имея похожую структуру и каталитический механизм, различаются по субстратной специфичности.
 |  |  |
| В химотрипсине субстрат-связывающий участок представляет гидрофобный карман, который связывает радикалы ароматических аминокислот, таких, как фенилаланин. Этот фермент ускоряет гидролиз пептидных связей, образованных карбоксильной группой ароматических аминокислот. | В трипсине отрицательный заряд остатка аспарагиновой кислоты в активном центре участвует как в связывании аминогруппы лизина (или гуанидиновой группы аргинина), так и непосредственно в катализе, при котором разрывается пептидная связь, в образовании которой участвует карбоксильная группа положительно заряженных остатков Лиз и Apr. | В эластазе остатки валина и треонина, входящие в состав субстратсвязывающего центра, допускают связывание остатков аминокислот только с небольшими боковыми цепями, например, как у глицина. |
Рис. 3. Характеристика субстратсвязывающих центров сериновых протеаз. Стрелки — разрываемые связи в полипептидных цепях белков—субстратов. а — гидрофобный карман; б — ионная связь; в — небольшой гидрофобный карман.
Сравнительно недавно выявлена еще одна своеобразная черта в строении однокомпонентных ферментов: некоторые из них являются полифункциональными, т.е. обладают несколькими энзиматическими активностями, но всего лишь одной полипептидной цепью. Эта единая цепь при формировании третичной структуры образует несколько функционально и пространственно обособленных глобулярных участков - доменов, каждый из которых характеризуется своей каталитической активностью.