3. Роль металлов в регуляции aктивности ферментов
Иногда ионы металлов выступают в роли регуляторных молекул. Например, ионы Са2+ служат активаторами протеинкиназы С, катализирующей реакции фосфорилирования белков. Ионы Са2+ также изменяют активность ряда кальций-кальмодулинзависимых ферментов.
Любой каталитический акт начинается с взаимодействия фермента и молекулы субстрата, то есть с тем веществом, на которое действует фермент. Участвующие в ферментативных реакциях молекулы субстратов часто имеют небольшие размеры по сравнению с молекулами ферментов. Поэтому было высказано предположение о том, что при образовании фермент-субстратных комплексов в непосредственный контакт с молекулой субстрата, очевидно, вступает ограниченная часть аминокислот пептидной цепи. Отсюда возникло представление об активном центре фермента.
Под активным центром подразумевают уникальную комбинацию аминокислотных остатков в молекуле фермента, обеспечивающую непосредственное связывание ее с молекулой субстрата и прямое участие в акте катализа (рис. 14.6). Темные полосы на рисунке – участки полипептидной цепи фермента; R – аминокислотные остатки и их порядковые номера (с N-конца). Установлено, что у сложных ферментов в состав активного центра входят также простетические группы.
Рис. 14. 6. Активный центр фермента
Аминокислотные остатки (АО), формирующие активный центр, могут находиться в различных участках полипептидной цепи, однако, непременно должны быть сближены в пространстве. Такое сближение достигается благодаря трёхмерной структуре молекулы белка.
Предполагают, что формирование активного центра фермента начинается уже на ранних этапах синтеза белка-фермента на рибосоме, когда линейная одномерная структура пептидной цепи превращается в трехмерное тело строго определенной конфигурации. Образовавшийся белок приобретает информацию совершенно нового типа, а именно функциональную (в частности, каталитическую). Любые воздействия, приводящие к денатурации, т.е. нарушению третичной структуры, приводят к искажению или разрушению структуры активного центра и соответственно потере ферментом каталитических свойств. Если при подходящих внешних условиях удается восстановить нативную трехмерную структуру белка-фермента (ренатурировать его), то восстанавливается и его каталитическая активность.
В активном центре условно различают так называемый каталитический центр, непосредственно вступающий в химическое взаимодействие с субстратом, и связывающий центр, или контактную («якорную») площадку, которая обеспечивает специфическое сродство к субстрату и формирование его комплекса с ферментом. В свою очередь молекула субстрата также содержит функционально различные участки: например, субстраты эстераз или протеиназ – одну специфическую связь (или группу атомов), подвергающуюся атаке со стороны фермента, и один или несколько участков, избирательно связываемых ферментом (рис. 14.7).
Рис. 14.7. Структура активного центра молекулы химотрипсина
Обычно активный центр формируют 12-16 аминокислотных остатков, иногда их может быть больше. Кроме аминокислотных остатков, участвующих в формировании активного центра выделяют ещё два их типа: вспомогательные, которые находятся рядом с активным центром и влияют на его реакционную способность; способствующие, которые удалённы АО, влияющие на конформацию всей молекулы фермента. Таким образом, от 1/2 до 2/3 всех АО ферментативного белка прямо или косвенно участвует в работе активного центра. Число активных центров в олигомерных ферментах может быть равно числу субъединиц, т. е. по одному активному центру на 1 субъединицу. Например, лактатдегидрогеназа состоит из четырёх субъединиц, каждая из которых имеет по активному центру. Активный центр может образовываться на месте контакта двух субъединиц. Тогда число активных центров будет меньше числа субъединиц.
Помимо активного центра в молекуле фермента может присутствовать также аллостерический центр (от греч. allos – другой, иной и steros – пространственный, структурный), представляющий собой участок молекулы фермента, с которым связываются определенные, обычно низкомолекулярные, вещества (эффекторы, или модификаторы), молекулы которых отличаются по структуре от субстратов. Иногда этих центров может быть несколько. Присоединение эффектора к аллостерическому центру изменяет третичную и часто также четвертичную структуру молекулы фермента и соответственно конфигурацию активного центра, вызывая снижение или повышение энзиматической активности. Ферменты, активность каталитического центра которых изменяется под влиянием аллостерических эффекторов, связывающихся с аллостерическим центром, получили название аллостерических ферментов.
Внутри клеток разных тканей и в самой клетке ферменты распределены неодинаково. Впервые это показал О. Варбург, который в 1913 г. определил, что процесс клеточного дыхания связан с осаждаемыми внутриклеточными частицами. Развитие метода дифференциального ультрацентрифугирования ускорило изучение внутриклеточной локализации ферментов. Биохимический анализ отдельных клеточных фракций показал, что ферменты расположены в различных органеллах соответственно их функции в обмене веществ (табл. 14.2).
В цитозоле (растворимая фракция) содержатся ферменты гликолиза, пентозофосфатного пути распада глюкозы, активации аминокислот, синтеза и распада гликогена, ферментный комплекс – синтетаза жирных кислот и др.
В митохондриях происходит большинство обменных процессов, которые обеспечивают энергией всю клетку. В них локализованы ферменты цикла Кребса, окислительного фосфорилирования, окисления жирных кислот, глутаматдегидрогеназа, синтетаза аминолевулиновой кислоты и др.
Лизосомы участвуют в процессах внутриклеточного переваривания. Содержат около 30 ферментов, главным образом гидролазы: рибонуклеазу, эстеразы, протеазы, Р-глюкуронидазу и др. Лизосомальные ферменты представляют интерес для медицины вследствие их участия в воспалительных процессах, повреждениях клеток, рассасывании ткани и некоторых наследственных метаболических заболеваниях.
Микросомальная фракция включает рибосомы и эндоплазматический ретикулум, где содержатся ферменты синтеза белков, холинэстераза, церулоплазмин, глюкозо-6-фосфатаза, -глутамилтранспептидаза, ферменты конъюгации и др.
В ядре предположительно около 40 ферментов, в число которых входят репликативный комплекс, РНК-полимераза и, по-видимому, NАD-синтетаза.
Клеточная (плазматическая) мембрана содержит ферменты транспорта веществ – транслоказы, аденилатциклазу, 5-нуклеотидазу и некоторые др.
Таблица 14.2
Локализация некоторых ферментов внутри клетки
|
Компартмент клетки |
Ферменты |
|
Цитозоль
|
амилаза, липаза панкреатическая, глицеро-3-фосфатде-гидрогеназа, гистидаза, сорбитолдегидрогеназа, лактатдегидрогеназа, алкогольдегидрогеназа, креатинкиназа, глюкозо-б-фосфатдегидрогеназа, аланинаминотрансфераза, аспартатаминотрансфераза, гликогенсинтетаза |
|
Митохондрия
|
пируватдегидрогеназный комплекс, цитратсинтаза, малатдегидрогеназа, уроканиназа, глутаматдегидрогеназа, креатинкиназа, ацил-СоА-дегидрогеназа, -аминолевулинатсинтетаза, аспартатаминотрансфераза, пируваткиназа |
|
Лизосомы
|
кислая фосфатаза, -галактозидаза, -галактозидаза, гиалуронидаза, коллагеназа, -глюкуронидаза, арилсульфатаза, кислая рибонуклеаза, кислая дезоксирибонуклеаза, катепсин, -маннозидаза |
|
Микросомы
|
глюкозо-6-фосфатаза, -глутамил транспептидаза, моноаминокси даза, церулоплазмин, глюкуронидтрансфераза |
|
Ядро |
ДНК-полимераза, ДНК-лигаза, топоизомераза, эндонуклеаза, РНК-полимераза, хеликаза, NAD-синтетаза |
|
Клеточная мембрана
|
нуклеотидаза, щелочная фосфатаза, -глутамил транспептидаза, K+,Na+-ATPаза, аденилатциклаза
|
Активность ряда ферментов обнаруживается одновременно в нескольких органеллах.