Функциональная организация ферментов

Превращаемые вещества называются субстратами. В трехмерной структуре фермента выделяют несколько участков, несущих определенную функцию. В молекуле фермента выделяют активный центр, т.е. участок с которым связывается субстрат и протекает каталитическая реакция.

1. Активный центр фермента формируется при образовании третичной структуры белка за счет пространственного сближения радикалов аминокислот (чаще сер, гис, тре, цис, глу, асп, арг). Потеря конформации фермента в результате денатурации приводит к разрушению активного центра.

2. Активный центр образуется боковыми радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии в первичной структуре. Например, в активный центр химотрипсина входят Гис-57, асп-102 и сер-195, всего фермент состоит из 246 аминокислотных остатков.

3. Активный центр представляет собой полость, щель или карман, который занимает малую область фермента.

4. Активный центр не является жесткой структурой. Его конформация изменяется при связывании субстрата.

5. У сложных ферментов в состав активного центра входят кофакторы.

6. В активном центре выделяют контактный (якорный) участок, связывающий субстрат и каталитический участок, где происходит превращение субстрата.

7. Субстрат связывается с активным центром фермента нековалентными связями.

8. Субстраты связываются с активным центром с образованием фермент-субстратного комплекса. Продукт высвобождается и фермент снова используется для реакции.

Кроме активного центра у ряда ферментов имеется регуляторный, или аллостерический (от греч. allos – иной, чужой), центр, который в молекуле фермента пространственно разделен с активным центром. К аллостерическому центру присоединяются вещества – эффекторы, которые делятся на активаторы и ингибиторы. Присоединение эффектора к аллостерическому центру приводит к изменению третичной и четвертичной структуры молекулы фермента и соответственно конфигурации активного центра, вызывая снижение или повышение ферментативной активности. Ферменты, имеющие аллостерический центр, называются аллостерическими.

Известны множественные молекулярные формы ферментов, которые являются белками-ферментами с четвертичной структурой, способными катализировать одну и ту же реакцию, но несколько отличаются по строению (т.е. первичной структуре) субъединиц. Если это закреплено генетически, то говорят об изоферментах. Например, фермент лактатдегидрогеназа состоит из 4-х субъединиц 2-х типов Н (от heart – сердце) и М (от muscle – мышца) и возможно 5 вариантов, т.е. изоферментов:

1 Н Н Н Н; 2 Н Н Н М; 3 Н Н М М; 4 Н М М М; 5 М М М М СЕРДЦЕ ЛЕГКИЕ ПЕЧЕНЬ

В зависимости от физиологического состояния, возраста, особенностей среды обитания в организме устанавливаются определенные соотношения изоферментов, что оптимизирует катализируемые превращения веществ. Следовательно, изменение соотношения изоферментов во всем организме или в отдельных тканях и органах является способом регуляции действия ферментов. Исследование множественных молекулярных форм ферментов и изоферментов используется в медицине для поиска поврежденных тканей, прогнозирования продуктивности животных, подбора родительских пар при скрещивании для обеспечения максимального воспроизведения заданных свойств у потомства и др.

Полиферментами (мультиэнзимами) называют группы ферментов, способных катализировать несколько химических реакций, что обеспечивает сложные, многоэтапные превращения субстрата. В том случае, когда мультиэнзимы обслуживают многоэтапный процесс с возможностью выхода промежуточных метаболитов, его называют метаболическим путем превращения вещества, или метаболоном (специфический путь превращения глюкозы до пирувата, цикл трикарбоновых кислот и др.). Если же превращаемые под действием мультиэнзимов вещества передаются по конвейеру и выделяются только конечные продукты реакции, то говорят о полиферментных комплексах, или полиферментных системах. Так, например, пируватдегидрогеназный комплекс включает три фермента и пять кофакторов.

В последнее время активно изучаются полифункциональные ферменты, в которых из первичной структуры белка могут формироваться функционально и стерически обособленные домены, несущие два и более видов каталитической активности. К такого типа ферментам относят самый распространенный на земле фермент – фермент темновой фазы фотосинтеза рибулозо-1,5-бисфосфат карбоксилазу/оксигеназу. Фермент катализирует реакции карбоксилирования с образованием двух молекул 3-фосфоглицерата и оксигенации с образованием молекулы 3-фосфоглицерата и молекулы 2-фосфогликолата (токсический для растения продукт). Именно соотношение этих двух активностей фермента лежит в основе эволюции С₃ и С₄ растений на земле.