Роль доменов в пространственной организации молекул ферментов

Изображенная на рис. 1.3.1. схема описывает стадии сворачивания полипептидной цепи, кодируемой одним геном. Многие белки, однако, возникли в процессе эволюции в результате слияния разных генов; участки полипептидных цепей таких белков, кодируемые разными генами, сворачиваются независимо друг от друга, по разным путям и с разными скоростями, образуя после сворачивания глобулярные структуры, называемые доменами. Рисунок 1.3.1. показывает схему сворачивания белка, состоящего из одного домена. Формирование нативной структуры белков, состоящих из двух или более доменов, усложняется за счет дополнительной стадии – установления специфических контактов между доменами. Ситуация еще более усложняется, когда функционально активна олигомерная форма белка (то есть состоящая из нескольких полипептидных цепей, каждая из которых после сворачивания образует так называемую субъединицу). В этих случаях добавляется еще одна стадия – установление контактов между субъединицами.

Нужно отметить, что формирование междоменных и межсубъединичных контактов также может оказать определенное влияние на скорость и эффективность сворачивания полипептидной цепи.

Увеличение числа доменов в ферменте и усложнение взаимодействий между ними

Рассмотрение зависимости между размером полипептидной цепи, формирующей мономерную субъединицу фермента, и степенью сложности выполняемой этим ферментом функции, выявляет прямую корреляцию между данными параметрами.

Поскольку молекулярная масса структурных доменов, выявляемых в белках, как правило, составляет 20-30 кДа, можно полагать, что наиболее просто устроенные ферменты представляют собой однодоменные образования. Усложнение структуры, обычно достигаемое путём увеличения числа доменов (и реализующееся в эволюции благодаря дупликации генов с последующими мутациями либо благодаря слиянию генов), влечет за собой усложнение функции. Анализ накопленной к настоящему времени информации позволяет наметить три основные направления, по которым может осуществляться «усовершенствование» функциональных свойств ферментов. Это, во-первых, усложнение структуры активного центра, отражающееся на специфичности фермента и эффективности катализа. Во-вторых, это возникновение дополнительных структур, обеспечивающих способность молекулы фермента воспринимать сигналы внешней среды, то есть подвергаться аллостерической регуляции. И, наконец, это появление полифункциональных ферментов, структурные особенности которых делают их способными к тонкой регуляции путём специфических белок-белковых взаимодействий.

Роль доменов в формирование активного центра фермента

Сведения о структуре активных центров ферментов, накопленные к настоящему времени, свидетельствуют, что во всех случаях они формируются в междоменной области. Как правило, мономерный фермент или субъединица олигомерного фермента состоит из двух доменов, связанных «шарнирным» фрагментом и разделённых «щелью», в которой и осуществляется каталитический акт. Именно такое расположение активного центра даёт возможность использовать движение доменов относительно друг друга (а также иные формы движения полипептидных цепей – главным образом различных «петель») для осуществления катализа. Важной особенностью строения фер­ментов является разъединение участков связывания для нескольких субстратов реакции, поскольку они, как правило, связываются с разными доменами. Обычно два субстрата связываются с двумя доменами, а затем движение доменов приводит к формированию продуктивного комплекса, в составе которого и происходит каталитический акт. Перемещение доменов и иные формы конформационной подвижности, наблюдаемые при связывании участников реакции и в процессе формирования продуктивного комплекса, приводят к сипьному изменению взаимного расположения важных для катализа аминокислотных остатков и, по существу, к формированию активного центра. Эти наблюдения наглядно иллюстрируют предложеную Кошлaндом гипотезу индуцированного соответствия, в которой взаимодействие субстратов и ферментов осуществляется по принципу «рука – перчатка».