Принципи функціонування білків
За вдалим визначенням А.В. Фінкельштейна, усі різноманітні операції, які виконують білки, можна описати трьома словами:
ЗВ’ЯЗАТИ − ТРАНСФОРМУВАТИ – ВІДПУСТИТИ
Звичайно, не обов’язково кожний білок здійснює всі три операції. Може виконуватися лише одна з них − зв’язування. Так працюють імуноглобуліни: з надзвичайно високою селективністю зв’язують антиген (точніше, антигенний детермінант − невеличку ділянку на поверхні чужорідної для організму молекули). Константа зв’язування є настільки високою, що практично взаємодія є не рівноважною (неможлива дисоціація комплексу). Далі цей комплекс просто руйнується певними клітинами імунної системи.
Операцію зв’язування з іншими білками й молекулами небілкової природи виконують білки, що залучені до утворення різноманітних клітинних структур. У цьому випадку зв’язування може змінюватись дисоціацією (наприклад, при утворенні / руйнуванні філаментів цитоскелета), що часто супроводжується структурними змінами в молекулі білка.
Операції зв’язативідпустити виконують численні регуляторні білки (транспортні білки, рецептори, фактори транскрипції тощо). Для їхнього функціонування також часто велике значення мають структурні перебудови за механізмом, показаним схематично на рис. 17: певний ліганд, виконуючи роль хімічного сигналу, індукує або блокує спорідненість білка-регулятора до певної молекули-мішені.
Найважливіший для живих систем функціональний клас білків − ферменти, або ензими (enzymes), які здійснюють каталіз усіх численних біохімічних реакцій, виконуючи три операції: зв’язують субстрати, сприяють їхній трансформації, відпускають продукти реакції.
Механізм ферментативного каталізу
Енергетичну схему хімічної реакції ми розглядали раніше. На рис. 18 ту саму схему доповнено ефектами, що є наслідком присутності ферменту. Уповільнення реакції зумовлено високим значенням вільної енергії активації − у відсутності ферменту реакція практично не відбувається (червоний шлях на рис. 18).
Відповідно, каталітична дія ферменту полягає у зниженні цього енергетичного бар’єра. Оскільки бар’єр, як будь-яка вільна енергія, має дві складові − ентальпійну та ентропійну, фермент здійснює зниження енергії активації двома шляхами (як правило, обидва мають значення).
• Ентропійний каталіз. Перше, що робить фермент − зв’язує субстрати у своєму активному центрі за рахунок спорідненості до них (перша зелена стрілка вниз). Але головне полягає в тому, що субстрати зв’язуються не аби як, а в певній, найбільш сприятливій для реакції, взаємній орієнтації та в певній орієнтації щодо хімічних груп активного центру. Це означає, що з великої кількості орієнтацій обирається лише одна: взаємодії субстратів з активним центром компенсують ентропійні витрати на впорядкування субстратів.
• Ентальпійний каталіз. На шляху перебудови системи ковалентних зв’язків субстратів обов’язково існує проміжна високоенергетична сполука − інтермедіат. Саме до нього активний центр ферменту має високу спорідненість (вищу, ніж до субстратів), реалізуючи з ним певні взаємодії.
Слова «висока спорідненість» означають, що зв’язаному в активному центрі інтермедіату відповідає значно нижча енергія, ніж вільному (рис. 18). Саме за рахунок цієї високої спорідненості до інтермедіату активний центр і знижує ентальпійну складову енергії активації: бар’єр (зелена стрілочка вгору) залишається, але стає значно нижчим − таким, що його можна швидко подолати за рахунок теплових флуктуацій.
Рис. 18. Енергетична схема ферментативної реакції. G − шкала вільної енергії.
Наступні дві зелені стрілочки вниз на рис. 18 показують закінчення процесу: з бар’єру система спускається униз по градієнту вільної енергії − у стан продуктів реакції; далі (і це також важлива подія) продукти, які не мають спорідненості до активного центру (вільна енергія дисоційованого продукту є нижчою, ніж зв’язаного) звільняють активний центр для інших субстратів.
Для успішного виконання завдання каталізу по обом шляхам активний центр ферменту має бути дуже жорстким − мати чітко зафіксовану у просторі й часі структуру. Для цього, власне, і потрібна твердість глобули, яка несе на собі активний центр. І для цього зовсім не потрібна (навпаки − шкідлива) конформаційна рухливість ферменту.
Білковим ферментам деяких простих реакцій (наприклад, протеазамна рис. 15) конформаційна рухливість практично не притаманна. Але ферменти часто мають вирішувати складніше завдання: дискримінувати субстрати − здійснити перетворення лише одного субстрату з певного набору аналогів. Типовий сценарій подій у цьому випадку включає в якості дійових осіб принаймні дві структурні форми ферменту, і, відповідно, його активного центру (рис. 19).
У відкритій формі активний центр має невисоку спорідненість до субстратів певного типу (завдяки чому є можливим швидкий перебір варіантів) і не здатен каталізувати хімічне перетворення. Якщо нарешті зв’язується потрібний субстрат, він спрацьовує як ліганд на рис. 17 − індукує перетворення ферменту в закриту форму. Такий процес було названо Кошландом (Daniel E. Koshland) індукованою відповідністю (induced fit). Закрита форма жорстко фіксує субстрат, каталітичний центр спрацьовує, і здійснюється хімічна реакція. У результаті ліганд змінюється, − і відбувається зворотне перетворення білка у відкриту форму із звільненням продуктів.
Рис. 19. Структурні перебудови ферменту при дискримінації субстратів.
Повертаючись до загальної схеми реакції, зображеної на рис. 18, варто ще раз зауважити: з ферментом чи без, реакція може відбуватися тільки в напрямку зниження вільної енергії. Протилежний напрямок може бути здійсненим лише за умови використання обхідних шляхів і особливих механізмів − також за участю білків.