Центр связывания белка с лигандом часто располагается между доменами. Например, протеолитический фермент трипсин, участвующий в гидролизе пептидных связей пищевых белков в кишечнике, имеет 2 домена, разделённых бороздкой. Внутренняя поверхность бороздки формируется аминокислотными радикалами этих доменов, стоящими в полипептидной цепи далеко друг от друга (Сер177, Гис40, Асп85).
Разные домены в белке могут перемещаться друг относительно друга при взаимодействии с лигандом, что облегчает дальнейшее функционирование белка. Основное свойство белков, лежащее в основе их функций – избирательность присоединения специфических лигандов к определённым участкам белковой молекулы.
Многообразие лигандов:
1. Лигандами могут быть неорганические (часто ионы металлов) и органические вещества, низкомолекулярные и высокомолекулярные вещества;
2. существуют лиганды, которые изменяют свою химическую структуру при присоединении к активному центру белка (изменения субстрата в активном центре фермента);
3. существуют лиганды, присоединяющиеся к белку только в момент функционирования (например, О2, транспортируемый гемоглобином), и лиганды, постоянно связанные с белком, выполняющие вспомогательную роль при функционировании белков (например, железо, входящее в состав гемоглобина).
Глава 3. Ферменты. Механизм действия ферментов
Ферментами или энзимами называют специфические белки, входящие в состав всех клеток и тканей живых организмов и выполняющие роль биологических катализаторов.
Общие свойства ферментов и неорганических катализаторов:
1. Не расходуются в процессе реакции.
2. Оказывают свое действие при малых концентрациях.
3. Не оказывают влияния на величину константы равновесия реакции.
4. Их действие подчиняется закону действующих масс.
5. Не ускоряют термодинамически невозможных реакций.
Отличия ферментов от неорганических катализаторов.
1. Термолабильность ферментов.
2. Зависимость активности ферментов от рН среды.
3. Специфичность действия ферментов.
4. Скорость ферментативных реакций подчиняется определенным кинетическим закономерностям.
5. Активность ферментов зависит от действия регуляторов – активаторов и ингибиторов.
6. Ряд ферментов при формировании третичной и четвертичной структуры подвергаются постсинтетической модификации.
7. Размеры молекулы ферментов обычно намного превышают размеры их субстратов.
Структура молекулы ферментов
По строению ферменты могут быть простыми и сложными белками. Фермент, являющийся сложным белком называют холоферментом. Белковая часть фермента называется апоферментом, небелковая часть – кофактором.
Различают два типа кофакторов:
1. Простетическая группа – прочно связана с апоферментом, часто ковалентными связями.
2. Кофермент – небелковая часть, легко отделяемая от апофермента. Часто коферментами служат производные витаминов.
К коферментам относятся следующие соединения:
1. производные витаминов;
2. гемы, входящие в состав цитохромов, каталазы, пероксидазы, гуанилатциклазы, NO-синтазы и являющиеся простетической группой ферментов;
3. нуклеотиды – доноры и акцепторы остатка фосфорной кислоты;
4. убихинон или кофермент Q, участвующий в переносе электронов и протонов в цепи тканевого дыхания;
5. фосфоаденозилфосфосульфат, участвующий в переносе сульфата;
6. глутатион, участвующий в окислительно-восстановительных реакциях.
Таблица 3.1. Коферментные функции витаминов
Витамин
Коферментная форма
Фермент
В
1
-тиамин
тиаминдифосфат
транскетолаза
пируватдегидрогеназа
В
2
-рибофлавин
ФМН
флавинзависимые дегидрогеназы
ФАД
В
3
-пантотеновая кислота
кофермент А (КоА)
реакции ацилирования
В
6
-пиридоксин
пиридоксаль-фосфат
аминотрансферазы
РР-никотинамид
НАД
НАД(НАДФ)-зависимые дегидрогеназы
НАДФ
Фолиевая кислота
ТГФК (тетрагидрофолиевая кислота)
перенос одноуглеродных групп
Кофакторы – ионы металлов
Более 25 % всех ферментов для проявления полной каталитической активности нуждается в ионах металлов. Рассмотрим их роль в ферментативном катализе.
Роль металлов в присоединении субстрата в активном центре фермента.
Ионы металла выполняют функцию стабилизаторов молекулы субстрата, активного центра фермента и конформации белковой молекулы фермента, а именно третичной и четвертичной структур.
Ионы металлов – стабилизаторы молекулы субстрата.
Для некоторых ферментов субстратом служит комплекс превращаемого вещества с ионом металла. Например, для большинства киназ в качестве одного из субстратов выступает не молекула АТФ, а комплекс Mg2+-АТФ. В этом случае ион Mg2+ не взаимодействует непосредственно с ферментом, а участвует в стабилизации молекулы АТФ и нейтрализации отрицательного заряда субстрата, что облегчает его присоединение к активному центру фермента.
Схематично роль кофактора при взаимодействии фермента и субстрата можно представить как комплекс E-S-Me, где Е – фермент, S – субстрат, Ме – ион металла.
Ионы металлов – стабилизаторы активного центра фермента.
В некоторых случаях ионы металлов служат «мостиком» между ферментом и субстратом. Они выполняют функцию стабилизаторов активного центра, облегчая присоединение к нему субстрата и протекание химической реакции. В ряде случаев ион металла может способствовать присоединению кофермента. Перечисленные выше функции выполняют такие металлы, как Mg2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Mo2+. В отсутствие металла эти ферменты активностью не обладают. Такие ферменты получили название «металлоэнзимы».
К металлоэнзимам относят, например, фермент пируваткиназу.
Роль металлов в стабилизации структуры фермента.
Ионы металлов обеспечивают сохранение вторичной, третичной, четвертичной структуры молекулы фермента. Такие ферменты в отсутствие ионов металлов способны к химическому катализу, однако они нестабильны. Их активность снижается и даже полностью исчезает при небольших изменениях рН, температуры и других незначительных изменениях внешнего окружения. Таким образом, ионы металлов выполняют функцию стабилизаторов оптимальной конформации белковой молекулы.
Иногда в стабилизации вторичной и третичной структуры принимают участие ионы щёлочноземельных металлов. Так, для поддержания третичной конформации пируваткиназы необходимы ионы К+.
Для стабилизации четвертичной структуры алкогольдегидрогеназы, катализирующей реакцию окисления этанола, необходимы ионы цинка.