Общие принципы строения ферментов
До начала 20 столетия сведений относительно химической природы ферментов было очень мало, но уже тогда высказывались предположения о белковой природе ферментов. Такой точки зрения придерживался профессор Московского университета Н. Е. Лясковский, позднее аналогичное мнение высказывали академик И. П. Павлов, немецкий химик Э. Фишер и др., однако экспериментального подтверждения эти предположения не имели. Иной взгляд был у известного немецкого химика Р. Вильштеттера, добившегося больших успехов в выделении и очистке ферментов. Изучая свойства выделенных ферментов, Р. Вильштеттер пришел к выводу, что они относятся к особому классу веществ и состоят из двух компонентов: низкомолекулярной активной части (агон) и высокомолекулярного носителя (ферон).
В 20—30-х годах XX столетия стало появляться все больше данных, свидетельствующих о том, что ферменты — это белки. В 1926 г. Д. Самнером (США) из семян канавалии был выделен фермент уреаза в виде кристаллического белка. Несколько позже в 1931 г. Д. Нортроп (США) получил кристаллический пепсин. Этими работами была доказана белковая природа ферментов. Признанием больших заслуг Д. Самнера и Д. Нортропа в области энзимологии было присуждение им в 1946 г. Нобелевской премии.
Относительная молекулярная масса белков, обладающих ферментативными свойствами, колеблется от 15 тысяч до нескольких миллионов. Для ферментативных белков характерны те же физико-химические свойства, что и для белков, не наделенных этими функциями. Ферменты являются глобулярными белками, их молекулы могут быть представлены как простыми, так и сложными белками. В первом случае ферменты называют однокомпонентными, во втором — двухкомпонентными.
Белковая часть двухкомпонентных ферментов называется апоферментом, а молекула в целом — холоферментом. Небелковые компоненты, легко диссоциирующие из комплекса с ферментативным белком, принято называть коферментами. Они действуют как акцепторы (или доноры) атомов или функциональных групп, удаляющихся от субстрата (или присоединяющихся к нему).
Если небелковая часть фермента прочно связана с белком и в цикле биохимических реакций не отсоединяется от него, ее принято называть простетической группой. Однако резкой границы между коферментами и простетическими группами не существует, степень прочности связи ферментативных белков с небелковыми компонентами широко варьирует.
Небелковые компоненты ферментативной молекулы принято называть также кофакторами. Соединение белковой части фермента и небелковой может осуществляться за счет ионных, водородных связей, гидрофобных взаимодействий, реже — с помощью ковалентных связей.
Функциями коферментов и простетических групп являются:
1) участие в акте катализа,
2) осуществление контакта между ферментативным белком и субстратом,
3) стабилизация апофермента.
Апофермент, в свою очередь, усиливает каталитическую активность небелковой части и, кроме того, определяет специфичность действия ферментов, поскольку одна и та же по химизму небелковая часть может функционировать в составе различных ферментов. Например, НАД+ является коферментом многих дегидрогеназ — лактатдегидрогеназы (ЛДГ), малатдегидрогеназы (МДГ) и др. они отличаются апоферментной, белковой частью молекулы.
Активный центр образуется определенными боковыми радикалами аминокислотных остатков полипептидной цепи, а в двухкомпонентных ферментах в него входят и некоторые группировки небелковой части. У ферментов, имеющих четвертичную структуру, число активных центров, как правило, совпадает с числом субъединиц
Активный центр функционально неоднороден, в нем условно выделяют несколько зон. Те группировки активного центра, которые контактируют с подвергающимися превращению фрагментами молекул субстрата, т. е. принимают непосредственное участие в синтезе или расщеплении связи субстрата, входят в каталитическую зону. Группировки, контактирующие с непревращаемыми фрагментами субстрата, и укрепляющие его в активном центре, относятся к зоне связывания.
Связывание субстрата, как правило, многоточечное, оно осуществляется при участии нескольких группировок ферментативной молекулы и субстрата. В молекуле фермента существуют также остатки аминокислот, которые не имеют прямых контактов с субстратом, но способствуют катализу, фиксируя группировки каталитической зоны в активном состоянии.
Наиболее часто в состав активных центров входят такие аминокислоты, как серин, гистидин, треонин, цистеин, глутамин, аспарагин, аргинин. Аминокислоты, образующие активный центр, по длине полипептидной цепи находятся далеко друг от друга и оказываются сближенными при формировании пространственной структуры. Например, в активный центр химотрипсина входят гистидин — 57, аспарагин — 102, серин — 195, всего фермент состоит из 246 аминокислотных остатков.
Индивидуальные особенности строения активных центров различных ферментов обусловливают специфичность их действия. Специфичность ферментов может быть абсолютной и относительной. В случае абсолютной специфичности ферменты катализируют превращение только одного вещества, в случае относительной — небольшой группы близких по свойствам веществ. Примерами ферментов с абсолютной специфичностью являются уреаза, сукцинатдегидрогеназа (СДГ):
О
│ Уреаза
H2N—С—NH2 + Н20 → 2NH3 + СОа
Мочевина
К ферментам с относительной специфичностью относятся эстеразы, расщепляющие обширный ряд эфиров карбоновых кислот; некоторые фосфатазы, действующие на эфиры фосфорной кислоты; пептидазы и протеиназы, гидролизующие пептиды и белки.