§4.2. Структура ферментов

Почти все ферменты являются белками. Размер молекул ферментов всегда много больше размеров молекул субстратов, с которыми он взаимодействует. Молекулярная масса большинства ферментов составляет 20  60 тысяч атомных единиц, в отдельных случаях до ~1 млн ат.ед.

4.2.1. Первичная, вторичная и третичная структуры

Первичная структура однотипных ферментов слабо зависит от изменений, связанных с эволюционным развитием живых организмов.

Вторичная структура конструируется из белковых -спиралей и -структур. Последние составляют ядро многих ферментов, образуя скелетную структуру.

Третичная структура представляет собой сложную пространственную композицию, состоящую из элементов вторичных структур и специфически уложенных полипептидных цепей. Третичная структура уникальна для каждого фермента и определяет его биологические свойства. Внутри третичной структуры выделяются отдельные компактные области – домены.

Более крупные ферменты состоят из нескольких субъединиц, связанных нековалентными связями, формируя четвертичную структуру ферментов. Субъединицы образуются несколькими полипептидными цепями, сшитыми дисульфидными мостиками.

4.2.2. Активный центр

На поверхности белковой глобулы фермента расположен отдельный небольшой участок, называемый активным центром. Активный центр фермента образуется совокупностью функциональных групп аминокислотных остатков, непосредственно взаимодействующих с субстратами.

Активный центр состоит из двух частей. Часть активного центра, ответственная за селективное связывание с молекулами субстрата, называется адсорбционным центром фермента. Другая часть, принимающая непосредственное участие в каталитическом процессе называется каталитическим центром. Эти две области могут перекрываться.

Структуры активных групп, содержащих, как правило, несколько аминокислотных остатков, однозначно связаны с функциями, которые они выполняют. Любое изменение их состава и структуры приводит к нарушению функциональных свойств белка. Поэтому, если общая глобулярная пространственная структура белка может варьироваться в определенных пределах и ее точное воспроизведение не является обязательным, то структура активного центра (комбинация остатков в активном центре) должна воспроизводиться абсолютно точно.

На активном центре образуется комплекс фермента с субстратом или субстратами, что является началом биохимической реакции. Таким образом, фермент действует только при прямом контакте с субстратами, а ферментативная реакция протекает в ограниченном пространстве – в активном центре фермента.

Место, в котором расположен активный центр белка (в 80% случаев – это впадина, архитектурный дефект), всегда специально создается вторичными структурами в архитектуре белка, независимо ни от общего строения белка, ни от его функций (рис. 4–2). Подчеркнем, что активный центр располагается в «стандартном дефекте», определяемом мотивом укладки, а не боковыми группами. Вмятина в α/β цилиндре в триозофосфатизомеразы (а) специально предназначена для активного центра и не прикрыта петлями. В NAD-связывающем домене мелатдегидрогеназы при «укладке Россманна» (б) активный центр расположен в щели, между петлями, расходящимися вниз и вверх от β-листа к спиралям (б). Обычным местом активного центра является и место стыка доменов.

(а) (б)

Рис. 4–2. Расположение активного центра в типичных α/β белках: α/β цилиндре в триозофосфатизомеразы (а); в NAD-связывающем домене мелатдегидрогеназы при «укладке Россманна» (б). Активный центр расположен: а – во впадине, образованной расходящимися в форме розетки петлями, и идущей к центру β-цилиндра; б – в щели, между петлями, расходящимися вниз и вверх от β-листа

Существуют ферменты, имеющие два и более активных центра, в которых синтез осуществляется последовательно, что обеспечивает более высокую надежность синтеза.

Активные центры могут взаимодействовать друг с другом. Неконтактное (аллостерическое, от греч. állos – другой и стерическое – пространственное) взаимодействие активных центров в олигомерных белках (от греч.oligos – незначительный; полимеры с небольшой молекулярной массой), состоящее в передаче сигнала о состоянии одного центра другому, осуществляется посредством деформации белковой глобулы, которая одновременно касается обоих центров.