Любая ферментативная реакция начинается с взаимодействия субстрата, в большинстве случаев, небольшой по размерам молекулы, с активным центром фермента. Под активным центром фермента понимают совокупность аминокислотных остатков, осуществляющих связывание (сорбцию) субстрата, его химическую активацию и превращение. Активный центр белковой молекулы фермента имеет сложную конфигурацию; он включает как полярные (гидрофильные), так и неполярные (гидрофобные) группы.
Структура активного центра фермента складывается из двух составляющих:
1) сорбционного участка (подцентра, сайта), ответственного за связывание, фиксацию и ориентацию субстратов; свойства этого центра определяют специфичность действия фермента;
2) каталитического участка (подцентра, сайта), осуществляющего химическое превращение молекул субстрата и использующего для этих целей, как правило, общий кислотно-основной катализ.
Аминокислотные остатки, образующие каталитический центр однокомпонентного фермента, расположены в различных точках единой полипептидной цепи. Поэтому активный центр, представляющий собой уникальное сочетание нескольких аминокислотных остатков, возникает в тот момент, когда белковая молекула приобретает присущую ей третичную структуру. Чаще всего в активных центрах однокомпонентных ферментов встречаются остатки Ser , His , три, Arg , Cys , Asp , Glu и Tyr . Изменение третичной структуры фермента под влиянием тех или иных факторов может привести к деформации активного центра и изменению ферментативной активности.
Активный центр двухкомпонентных ферментов представлен небелковым компонентом – коферментом (простетической группой) и несколькими выше приведенными минокислотными остатками.
Характерной особенностью cложных или двухкомпонентных ферментов является то, что ни белковая часть, ни добавочная группа в отдельности не обладают заметной каталитической активностью. Только их комплекс проявляет ферментативные свойства. При этом белок резко повышает каталитическую активность добавочной группы, присущую ей в свободном состоянии в очень малой степени; добавочная же группа стабилизирует белковую часть и делает ее менее уязвимой к денатурирующим агентам. Таким образом, хотя непосредственным исполнителем каталитической функции является простетическая группа, образующая каталитический центр, ее действие немыслимо без участия полипептидных фрагментов белковой части фермента.
В апоферменте есть участок, характеризующийся специфической структурой, избирательно связывающий кофермент. Это так называемый кофермент связывающий домен ; его структура у различных апоферментов, соединяющихся с одним и тем же коферментом, очень сходна. Таковы, например, пространственные структуры нуклеотидсвязывающих доменов ряда дегидрогеназ (рис. 1.5.1).
Рис. 1.5.1. Активный центр глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы
Методы изучения активных центров ферментов
Представление об активном центре сформировалось в результате анализа данных по ингибированию реакций и химической модификации белковой молекулы. Необратимые ингибиторы блокируют каталитическую активность фермента, осуществляя химическую модификацию одной из групп, участвующих в каталитическом превращении субстрата. Обратимые ингибиторы, образуя комплекс с функциональной группой белка, вызывают либо существенное изменение свойств данной группы (неконкурентные ингибиторы), либо конкурентно блокируют сорбцию (комплексообразование) субстрата в области каталитического центра.
Рассмотрим некоторые примеры.
Сериновые протеазы и эстеразы. Каталитически активной группой многих ферментов является гидроксильная группа серина. В активном центре эта спиртовая группа играет роль нуклеофильного реагента в реакциях нуклеофильного замещения при гидролизе сложных эфиров, амидов, пептидов. Представителем семейства сериновых протеаз является простагландин-Н-синтаза, участвующая в метаболизме арахидоновой кислоты.
Простагландин-Н-синтаза. Аспирин (ацетилсалициловая кислота) представляет собой нестероидный противовоспалительный лекарственный препарат. Физиологическое действие препарата связано с его способностью ацетилировать Ser-514, входящий в центр сорбции арахидоновой кислоты - субстрата ПНС.
Рис. 1.5.2. Блокирование гидроксильной группы серина в активном центре простагландин-Н-синтазы
Аспирин выступает необратимым ингибитором лимитирующего фермента синтеза простагландинов. Последующий гидролиз модифицированного белка и анализ продуктов гидролиза позволили идентифицировать центр модификации фермента.
Несмотря на то, что метод химической модификации позволяет получить весьма важную информацию о природе активных центров ферментов, он имеет и определенные недостатки.
Функциональные группы белка, составляющие активный центр, могут быть замаскированы полипептидной цепью или остатками других аминокислот, что делает группы активного центра недоступными для реагента-модификатора. Химическая модификация, как правило, не является избирательной, химической реакции подвергаются сразу несколько аминокислотных остатков в белке. Это ведет к существенному изменению структуры белка, развитию инактивационных и денатурационных процессов, что может привести к потере ферментом каталитической активности даже в том случае, если химически модифицировались остатки, не входящие в каталитический центр. Выводы об участии тех или иных функциональных групп аминокислот в каталитическом процессе на основе данных по химической модификации белка могут быть сделаны с известной осторожностью и оговорками.
Таким образом, метод химической модификации не позволяет получить исчерпывающую информацию об участниках каталитического акта.
Как правило, для такого рода выводов требуются независимые структурные исследования.
Ситуация становится более однозначной, если химический модификатор встраивается в структуру специфического субстрата или ингибитора фермента. В этом случае модификатор адресно направляется в активный центр, что существенно увеличивает вероятность химической реакции с функциональной группой активного центра.
Новые возможности идентификации групп, входящих в активные центры ферментов, появились с развитием техники сайт-специфического мутагенеза. Для ферментов, экспрессию генов которых можно организовать с помощью генно-инженерных конструкций типа плазмид, оказалась возможной замена отдельных аминокислот на уровне ДНК с последующей экспрессией и изучением каталитических свойств получаемых белков. Это позволяет получить важную информацию об участии той или иной аминокислоты данного фрагмента полипептидной цепи в каталитическом акте. Однако и в этом случае при интерпретации результатов необходима известная осторожность, поскольку в белках имеется большое число аминокислот, формирующих структуру активного центра, но не принимающих непосредственное участие в акте катализа.
Окончательная информация о структуре активного центра активного центра может быть получена методом рентгеноструктурного анализа (РСА) и спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) высокого разрешения. В первом случае исследование проводят на кристаллах фермента, во втором ‒ исследуют растворы фермента. Для идентификации групп, принимающих участие в катализе, обычно используют образование комплекса ферментов с ингибиторами или мало реакционноспособными аналогами субстратов (т.н. квазисубстратами).
Метод РСА впервые был использован Липскомбом с сотрудниками при анализе активного центра карбоксипептидазы А. На рис. 1.5.3. показана структура карбоангидразы по данным рентгеноструктурного анализа.
Рис. 1.5.3. Третичная структура карбоангидразы по данным рентгеноструктурного анализа: а) общий вид ферментной глобулы; б) пространственное расположение аминокислотных остатков
Структуру и свойства каждого белка определяет последовательность аминокислот. В настоящее время становится очевидным, что при большой вариабельности белков некоторые элементы структуры являются консервативными, и эти элементы в значительной степени определяют функцию белковой молекулы. Это особенно характерно для белков, выполняющих каталитическую функцию. Например, для гидролаз, составляющих около трети всех известных ферментов (приблизительно 1100 из 3700), типов структур каталитических центров всего четыре.
Чтобы ответить на вопросы, какие химические структуры образуют каталитический центр, каким образом аминокислоты, расположенные на разных, зачастую удаленных друг от друга участках полипептидной цепи, находят друг друга и формируют уникальную структуру, ‒ используют методы биоинформатики.
По мнению энзимологов в рамках одного суперсемейства ферментов сорбционный сайт, отвечающий за специфичность, может быть представлен многими вариантами аминокислотных остатков, соответствующими вариантам структуры субстратов. В то же время каталитические сайты, число типов которых весьма ограничено, являются консервативными (незаменимыми) элементами структуры. Для подтверждения этого положения был использован биоинформационный подход, основанный на сравнении последовательностей аминокислот в белках, объединенных в одно крупное семейство.
Был проведен анализ нескольких больших семейств ферментов, представленных в базе данных HSSP (www.sander.embl-heidelberg.de/ ). Выбор семейств ферментов был сделан на основании следующих критериев:
1) число анализируемых представителей семейства должно быть более 100; это необходимо для обеспечения статистической достоверности результатов;
2) для анализа следует выбирать семейства ферментов различных классов (оксидоредуктазы, гидролазы, изомеразы и т.д.);
3) по возможности следует выбирать ферменты, для которых установлена структура активных центров и с высокой степенью достоверности изучен механизм катализа.
Проведенный анализ показал, что в полипептидной цепи большая часть позиций аминокислот высоко вариабельна, это означает, что функционирование фермента не зависит от того, какую позицию занимает та или иная аминокислота. В то же время имеются позиции аминокислот, которых относительно немного. Эти позиции и соответствующие им аминокислоты называют консервативными. Именно они играют особую роль в функционировании фермента. Что же это за аминокислоты, и какова их роль?
Биоинформационный анализ ферментов всех классов показал, что наиболее часто консервативной аминокислотой является глицин. По рейтингу консервативности аминокислоты располагаются в следующем ряду: глицин > аспарагиновая кислота > цистеин > пролин > гистидин > аргинин > глутаминовая кислота. Это наиболее важные аминокислоты в ферментативном катализе. В сумме глицин и аспарагиновая кислота составляют примерно 50% всех консервативных аминокислот. Из наиболее часто встречающихся консервативных элементов структуры ферментов можно отметить глицин, аспарагиновую кислоту, цистеин, пролин и гистидин. Эти аминокислоты составляют примерно 70% всех консервативных элементов. Метионин и изолейцин практически никогда не бывают консервативными.
В свою очередь наиболее консервативные аминокислоты можно разделить на две принципиально разные группы:
1) аминокислоты, участвующие в активации молекул субстрата в качестве кислот и оснований (аспарагиновая кислота и гистидин);
2) аминокислоты, формирующие геометрию активного центра (глицин, цистеин, пролин).
Таким образом, статистический анализ показал, что каталитическую функцию фермента и архитектуру активного центра формирует небольшая, но определенная часть аминокислот, занимающих строго фиксированные позиции в полипептидной цепи. Консервативные аминокислоты являются либо кислотами или основаниями (электрофильные и нуклеофильные агенты), формирующими каталитический сайт, либо важными структурообразующими аминокислотами, формирующими структуру белка в целом.
Каталитическую функцию выполняют аспарагиновая кислота, гистидин, аргинин, и глутаминовая кислота. Структурообразующими аминокислотами являются глицин, цистеин, и пролин. Глицин и пролин, обеспечивающие возможность поворота цепи, необходимы для того, чтобы активный центр был образован аминокислотами, расположенными на разных участках полипептидной цепи. А цистеин необходим для фиксации необходимой конформации полипептидной цепи.
Природа сформировала активные центры ферментов из ограниченного числа компонентов. Большая часть активных центров ферментов всех классов сформирована из аспарагиновой и глутаминовой кислот, из гистидина и аргинина, из ионов нескольких металлов. Как следствие, число типов каталитических центров невелико. Например, для гидролаз, составляющих около трети всех известных ферментов, можно идентифицировать всего четыре основных типа структуры. Эффективные комбинации каталитических групп, характерные для одних реакций, природа активно использует для организации каталитических центров других типов реакций.
Полипептидная цепь обеспечивает организацию каталитических групп в активные центры. Как известно, в растворе практически исключены трехмолекулярные реакции и реакции более высоких порядков. В ферментативных процессах в реакции участвуют четыре (или пять) остатков различных аминокислот, организованных в полипептидную цепь. Ферментативный катализ не использует сильных химических агентов; компоненты, составляющие активные центры, ‒ это относительно слабые кислоты и основания. Однако они хорошо организованы в пространстве и, как следствие, весьма эффективны.
Примеры активных центров некоторых ферментов
Остановимся на ферментах класса гидролаз, для большинства которых идентифицированы группы, составляющие каталитически активные центры, и созданы обоснованные представления о взаимодействии этих групп в механизме каталитического цикла.
По структуре активных центров и механизму действия гидролазы условно можно разделить на 4 основных типа.
1. Гидролазы, содержащие в активном центре аспарагиновую или глутаминовую кислоту (лизоцим-пепсиновый тип).
2. Гидролазы, содержащие в активном центре гидроксильную группу серина, треонина или цистеина и цепь переноса протонов, активирующую эту группу (тип химотрипсина); гидролазы, использующие имидазольную группу гистидина непосредственно для активации воды (тип панкреатической рибонуклеазы).
3. Гидролазы, использующие комплексы Zn 2+ или Со 2+ для активации воды и субстрата (тип щелочной фосфатазы, карбоксипептидазы А).
4. Гидролазы, использующие ионы Мg 2+ или Мn 2+ для активации воды и субстрата (тип пирофосфатазы).
Химотрипсин. В активный центр входят Ser-195, His-57, Asp-102.
Рис. 1.5.4. Структура химотрипсина
Лактатдегидрогеназа. Это NAD + -зависимая дегидрогеназа. Осуществляет обратимое окисление-восстановление органических молекул, при этом в качестве донора (акцептора) гидрид-иона выступает кофермент. Каталитически активные группы фермента представлены Arg-165, His-194, Arg-105. Все эти аминокислоты являются консервативными. Молочная или пировиноградная кислоты фиксируются в активном центре с помощью положительного заряда Arg-168. Участниками каталитического процесса являются протон-транспортная цепь His-194-Asp-165 и Arg-105.
Рис. 1.5.5. Структура лактатдегидрогеназы
(а) Схематическое изображение тетрамера и (b) - отдельной субъединицы; (с) Модель NAD + -связывающего региона. Никотинамидное кольцо NAD + связывается между цепями d и е, а адениновое кольцо – между а и b.
На рис. 1.5.6. приведены возможные типы связей, участвующих в присоединении NAD + в активном центре ЛДГ.
Рис. 1.5.6. Связывание NAD + лактатдегидрогеназой
Линии, показанные точками – водородные связи, перекрестные линии – электростатические взаимодействия, аминокислотные остатки в рамках – гидрофобные взаимодействия
Триозофосфатизомераза. Каталитически важные группировки активного центра фермента представлены Glu-165 и His-95.
Рис. 1.5.7. Структура субъединицы триозофосфатизомеразы дрожжей
Глицин, цистеин и пролин как структурообразующие аминокислоты
Глицин в силу особенностей его строения не участвует в химических актах активации молекул в каталитическом цикле. Не обладая заместителем у α-углеродного атома, глицин лишен выраженной химической функции. Тем не менее наличие глицина в структуре белка очень важно. Так, сайт-специфическая замена глицина в консервативных позициях на любую из аминокислот приводит, как правило, к полной потере (или существенному снижению) активности фермента.
По-видимому, глицин в консервативных позициях важен по следующим причинам.
1. Являясь уникальной аминокислотой с наиболее энергетически облегченным вращением вокруг связей С-N и С-С полипептидной цепи, глицин может играть роль узловой точки, обеспечивающей возможность изменения направления полипептидной цепи при «сборке» аминокислотных остатков в активный центр. Таким образом, наличие консервативных глицинов позволяет объяснить структурный парадокс ферментативного катализа, когда одинаковые активные центры «собираются» из абсолютно разных полипептидных цепей. Общим для этих цепей являются наличие глицина в консервативных позициях и возможность стабилизации собранной структуры, например, за счет дисульфидных связей (цистеин также проявляет высокую степень консервативности, занимая третью позицию в рейтинге консервативности).
2. Глицин в консервативных позициях может играть роль конформационных «шарниров», обеспечивая возможность «сборки» активного центра и известную конформационную подвижность. Подтверждением этому служит то, что во многих случаях вблизи каталитически активных групп можно обнаружить глицин в консервативных позициях. Например, для гидролаз различных семейств консервативными являются следующие мотивы: Asp-215-X-Gly-217 (пепсин); Asp-170-Xаа-Xаа-Gly-173 (термолизнн); Gly-173-Xаа-Ser-177 (трипсин); His-76-Gly-77, Ser-153-Xаа-Gly-155, Gly-175-Xаа-Asp-177 (липазы). Здесь Хаа ‒ произвольная аминокислота. Аминокислоты Asp, His, Ser в указанных ферментах входят в структуру активных центров.
Превращение исходного субстрата в конечные продукты в ферментативном катализе сопряжено с участием большого числа интермедиатов с отличной от исходного субстрата структурой. Глицины активного центра могут играть роль «релаксирующих» элементов, конформационно подстраивая активный центр для следующего элементарного акта.
Существенную роль в формировании архитектуры активного центра играют цистеин и пролин (соответственно 3-я и 4-я позиции в рейтинге консервативных аминокислот). Пролин, как известно, является уникальной аминокислотой, разворачивающей полипептидную цепь. Роль цистеина заключается в том, что необходимая конформация активного центра, складывающаяся из различных участков полипептидной цепи, фиксируется химической связью в виде дисульфидного мостика. Для многих ферментов это завершает формирование архитектуры активного центра.
Таким образом, активный центр состоит из ряда функциональных групп, определенным образом ориентированных в пространстве. Среди них различают группы, входящие в состав каталитического сайта активного центра, и группы, образующие сайт, обеспечивающий специфическое сродство, т.е. связывание субстрата ферментом – так называемый контактный или «якорный» участок. Это деление достаточно условно, поскольку взаимодействия в контактном участке фермента при образовании фермент-субстратного комплекса, оказывает существенное влияние на скорость и направление превращений в каталитическом участке.
Активный центр фермента - это участок, который связывает субстраты (и простетическую группу, если она есть) и в котором содержатся аминокислотные остатки, непосредственно участвующие в образовании или разрыве химических связей. Такие остатки называют каталитическими группами. Несмотря на огромное разнообразие структуры ферментов, их специфичности и механизма каталитического действия, все же можно сделать ряд обобщений в отношении свойств активных центров.
1. На активный центр приходится относительно малая часть общего объема фермента. Большая часть аминокислотных остатков в молекуле фермента не контактирует с субстратом. Остается загадкой,
Рис. 6.9. Скорость ферментативной реакции как функция концентрации субстрата.
Рис. 6.10. Взаимодействие субстратов с ферментами согласно модели ключ-замок. Активный центр фермента сам по себе комплементарен по форме субстрату.
почему размер ферментов так велик. Почти все ферменты содержат более 100 аминокислотных остатков и имеют массу свыше 10 к Да, а диаметр - свыше 25 А.
2. Активный центр - трехмерное образование. Другими словами, это не точка, не линия и даже не плоскость, а сложная трехмерная структура, в формировании которой участвуют группы, принадлежащие разным частям линейной последовательности аминокислот. Действительно, как мы уже видели на примере гемоглобина и миоглобина, взаимодействие между аминокислотными остатками, расположенными далеко друг от друга в линейной последовательности, нередко сильнее, чем взаимодействие между соседними (в последовательности) остатками аминокислот. В лизоциме - ферменте, который мы рассмотрим подробно в следующей главе, основные группы активного центра представлены аминокислотными остатками, занимающими 35, 52, 62, 63 и 101-е положения в линейной последовательности из 129 аминокислот.
3. Субстраты относительно слабо связываются с ферментами. Константы равновесия -комплексов обычно лежат в пределах от до что соответствует свободным энергиям взаимодействия от - 3 до - 12 ккал/моль. Сравним эти величины с силой ковалентных связей, составляющей от - 50 до - 110 ккал/моль.
4. Активный центр имеет форму узкого углубления или щели. Во всех ферментах с изученной структурой связывание субстратов происходит в таком углублении или щели, куда нет доступа воде, за исключением тех случаев, когда вода является одним из реагирующих веществ. В этом углублении присутствует несколько полярных аминокислотных остатков, необходимых для связывания и катализа. Неполярный характер всей области в целом способствует связыванию субстрата. Кроме того, щелевидная форма активного центра создает микроокружение, в котором отдельные полярные остатки приобретают особые свойства, существенно важные для катализа.
5. Специфичность связывания зависит от строго определенного расположения атомов в активном центре. Субстрат входит в активный центр, только если он соответствует ему по форме. В 1890 г. Эмиль Фишер (Е. Fischer) использовал сравнение с ключом и замком (рис. 6.10), которое оказалось по существу правильным и исключительно плодотворным представлением о стереоспецифичности катализа. Однако, как показывают работы последних лет, активные центры некоторых ферментов не являются жесткой структурой, их форма модифицируется при связывании субстратов. В этих ферментах форма активного центра становится комплементарной форме субстрата
Рис. 6.11. Взаимодействие субстратов с ферментами согласно модели индуцированного соответстия. При связывании субстрата происходит изменение формы фермента. Активный центр фермента только после присоединения субстрата становится комплементарным ему по форме.
Рис. 6.12. График зависимости скорости реакции V от концентрации субстрата для фермента, подчиняющегося кинетике Михаэлиса - Ментен (Ктах-максимальная скорость, - константа Михаэлиса).
только после связывания субстрата. Такой процесс динамического узнавания называют индукцией соответствия (рис. 6.11). Кроме того, некоторые ферменты предпочтительно связывают субстрат в напряженной («искаженной») форме, соответствующей переходному состоянию.
Субстратом (S) называют вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент (Е). Тот участок поверхности молекулы фермента, который непосредственно взаимодействует с молекулой субстрата, называется активным центром фермента . Активный центр фермента образован из остатков аминокислот, находящихся в составе различных участков полипептидной цепи или различных полипептидных цепей, пространственно сближенных. Образуется на уровне третичной структуры белка-фермента . В его пределах различают:
- адсорбционный участок (центр),
- каталитический участок (центр).
Кроме того, вне активного центра фермента встречаются особые функциональные участки; каждый из них обозначают термином аллостерический центр .
Каталитический центр - это та область (зона) активного центра фермента, которая непосредственно участвует в химических преобразованиях субстрата. Формируется он за счет радикалов двух, иногда трех аминокислот, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи. Если фермент является сложным белком, то в формировании каталитического центра нередко участвует простетическая группа молекулы фермента (кофермент). Коферментную функцию выполняют все водорастворимые витамины и жирорастворимый витамин K.
Адсорбционный центр - это участок активного центра молекулы фермента, на котором происходит сорбция (связывание) молекулы субстрата. Он формируется одним, двумя, чаще тремя радикалами аминокислот, которые обычно расположены рядом с каталитическим центром. Главная его функция - связывание молекулы субстрата, и передача этой молекулы каталитическому центру в наиболее удобном положении (для каталитического центра). Эта сорбция происходит только за счет слабых типов связей и потому является обратимой. По мере формирования этих связей происходит конформационная перестройка адсорбционного центра , которая приводит к более тесному сближению субстрата и активного центра фермента, более точному соответствию между их пространственными конфигурациями. Очевидно, что именно структура адсорбционного центра определяет субстратную специфичность фермента , т. е. требования фермента к молекуле химического вещества, чтобы она могла стать для него подходящим субстратом.
Аллостерическими центрами называют такие участки молекулы фермента вне его активного центра, которые способны связываться слабыми типами связей (значит - обратимо) с тем или иным веществом (лигандом). Причем такое связывание приводит к такой конформационной перестройке молекулы фермента, которая распространяется и на активный центр, облегчая, либо затрудняя (замедляя) его работу. Соответственно такие вещества называются аллостерическими активаторами или аллостерическими ингибаторами данного фермента . Термин "аллостерический" (т. е. "имеющий иную пространственную структуру") появился в связи с тем, что эти эффекторы по своей пространственной конфигурации совсем не похожи на молекулу субстрата данного фермента (и потому не могут связываться с активным центром фермента). Было сделано заключение, что и аллостерический центр не похож по своей структуре на активный центр фермента. Аллостерические центры найдены не у всех ферментов. Они есть у тех ферментов, работа которых может изменяться под действием гормонов, медиаторов и других биологически активных веществ.
Основные свойства ферментов как биологических катализаторов :
- Влияние на скорость химической реакции : ферменты увеличивают скорость химической реакции, но сами при этом не расходуются.
- Специфичность действия ферментов . В клетках организма протекает 2-3 тысячи реакций, каждая из которые катализирутся определенным ферментом. Специфичность действия фермента – это способность ускорять протекание одной определенной реакции, не влияя на скорость остальных, даже очень похожих. Различают абсолютную – когда фермент катализирует только одну определенную реакцию (аргиназа – расщепление аргинина), относительную (групповую спец) – фермент катализирует определенный класс реакций (например гидролитическое расщепление) или реакции при участии определенного класса веществ. Специфичность ферментов обусловлена их уникальной аминокислотной последовательностью, от которой зависит конформация активного центра, взаимодействующего с компонентами реакции.
- Активность ферментов – способность в разной степени ускорять скорость реакции. Активность выражают в Международных единицах активности – (МЕ) количество фермента, катализирующего превращение 1 мкМ субстрата за 1 мин. Активность зависит в первую очередь от температуры. При понижении температуры, замедляется броуновское движение, уменьшается скорость диффузии и, следовательно, замедляется процесс образования комплекса между ферментом и компонентами реакции (субстратами). В случае повышения температуры выше +40 - +50 °С молекула фермента, которая является белком, подвергается процессу денатурации. При этом скорость химической реакции заметно падает.
Ферментами называются белки, обладающие каталитическими свойствами. В природе существуют как простые, так и сложные ферменты. Первые целиком представлены полипептидными цепями и при гидролизе распадаются исключительно на аминокислоты. Такими ферментами (простые белки) являются гидролитические ферменты, в частности пепсин, трипсин, папаин, уреаза, лизоцим, рибонуклеаза, фосфатаза и др. Большинство природных ферментов относится к классу сложных белков, содержащих, помимо полипептидных цепей, какой-либо небелковый компонент (кофактор), присутствие которого является абсолютно необходимым для каталитической активности. Кофакторы могут иметь различную химическую природу и различаться по прочности связи с полипептидной цепью. К основным свойствам ферментов как биокатализаторов относят: 1.Высокая активность. 2. Специфичность – способность катализировать превращение субстрата или одного типа связи. Высокая специфичность обусловлена конформационной и электростатической комплементарностью между молекулами субстрата и фермента и уникальной структурной организацией активного центра, который состоит из субстратсвязывающего участка(отвечает зв связывание субстрата) и каталитического участка(отвечает за выбор пути хим. превращения субстрата).Различают такие виды специфичности: 1)абсолютная субстратная -ферменты действуют только на 1-н определенный субстрат. Пример, уреаза, сукцинатДГ. 2)групповая специфичность - фермент действует на 1 тип связей(напр., пептидную, эфирную, гликозидную). Пример, липазы, фосфатазы, гексокиназы. 3) стереоспецифичность – фермент действует на 1-н вид оптического изомера и не действует на другой. Она обеспечена цис- и трансизомерией. Например, дрожжи сбраживают D- глюкозу, и не действуют на L- глюкозу.4) каталитическая специфичность – фермент катализирует превращение присоединенного субстрата по одному из возможных путей. 3. Термолабильность . Чем выше Т°, тем медленнее протекает реакция.(З-н Ван Гоффа). Для показателя возрастания скорости химической реакции используют температурный коэффициент ВанзГоффа Q 10 , который указывает на возрастание скорости реакции при повышении Т° на 10°С. Оптимум температуры для ферментов 37-40°, высокая активность 50-60°, выше этого показателя происходит денатурация, ниже 20°-ингибирование. При ингибировании и денатурации сильно снижается ферментативная активность. 4. Зависимость активности ферментов от pH. Каждый фермент проявляет максимальную активность при определенном значенииpH. Это значение называется оптимальным pH (для ферментов от 6 до 8). При pH оптимуме между ферментом и субстратом существует наилучшая пространственная и электростатическая комплементарность, которая обеспечивает их связывание, образование фермент – субстратного комплекса и дальнейшего его превращения.
Активный центр ф – область молекулы фермента, в которой происходит связывание и превращение субстрата. В простых ферментах активный центр формируется за счет аминокислотных остатков. В формировании актив центра сложных ферментов принимают участие не только аминокислотные остатки, но и небелковая часть (кофермент, простет группа). В активном центре различают каталитический центр, непосредственно вступающий в хим взаимодействие с субстратом, и субстрат-связывающий центр, который обеспечивает специфическое сродство к субстрату и формирование его комплекса с ферментом. Актив центр преимущественно располагается в углублении белковой молекулы. Строение актив центра обуславливает специфичность ферментов – способность катализировать превращение одного субстрата (или группы близкородственных суб-тов) или одного типа связи. Субстратсвязывающий участок активного центра определяет абсолютную и групповую субстратную специфичность, стереоспецифичность, каталитический участок определяет специфичность пути превращения.
Любые воздействия, приводящие к нарушению третичной структуры, приводят к искажению или разрушению структуры актив центра и соответственно потере ферментов каталитических свойств. Если удается восстановить нативную трехмерную структуру белка-фермента, то восстанавливается и его каталитическая активность.
Все мы слышали о ферментах, но вряд ли каждый из нас досконально знает, как именно устроены эти вещества и зачем они нужны. Эта статья поможет разобраться в структуре и функциях в целом и их активных центров в частности.
История исследований
В 1833 году французский химик Ансельм Пайен выявил и описал свойства фермента амилазы.
Несколько лет спустя Луи Пастер, изучая превращение сахара в спирт при участии дрожжей, предположил, что этот процесс происходит за счет химических веществ, входящих в состав дрожжей.
В конце XIX века Физиолог Вилли Кюне впервые ввел в употребление термин "энзим".
Немец Эдуард Бухнер в 1897 году выделил и описал зимазу - ферментативный комплекс, который катализирует реакцию превращения сахарозы в этиловый спирт. В природе зимаза в большом количестве содержится в дрожжах.
Точно неизвестно, когда и кто открыл активный центр фермента. Это открытие приписывают лауреату Нобелевской премии химику Эдаурду Бухнеру, американскому биологу Джеймсу Самнеру и другим известным ученым, работавшим над изучением ферментативного катализа.
Общие сведения о ферментах
Напомним, что ферменты - вещества белковой природы, которые выполняют в живых организмах функции катализаторов химических реакций. В ферменте есть участки, которые непосредственно не принимают в этом участия, протекание реакции обеспечивает активный центр фермента.
Приведем некоторые свойства ферментов:
1) Эффективность. Небольшого количества катализатора достаточно, чтобы ускорить химическую реакцию в 10 6 раз.
2) Специфичность. Один фермент не универсальный катализатор любой реакции в клетке. Для ферментов выражена специфичность действия: каждый фермент катализирует только одну или же несколько реакций с похожими субстратами (исходными реагентами), но для реагентов другой химической природы этот же фермент может быть бесполезен. Взаимодействие с подходящими субстратами и дальнейшее ускорение реакции обеспечивает активный центр фермента.
3) Переменная активность. Активность ферментов в клетке постоянно меняется от низкой до высокой.
4) Концентрация некоторых ферментов в клетке не постоянна и может изменяться в зависимости от внешних условий. Такие ферменты в биологии называют индуцибельными.
Классификация ферментов
По своей структуре ферменты принято делить на простые и сложные. Простые состоят исключительно из аминокислотных остатков, сложные имеют в составе вещества небелковую группу. Сложные называют коферментами.
По типу катализируемых реакций ферменты делятся на:
1) Оксидоредуктазы (катализируют окислительно-восстановительные реакции).
2) Трансферазы (переносят отдельные группы атомов).
3) Лиазы (расщепляют химические связи).
4) Липазы (образуют связи в реакциях за счет энергии АТФ).
5) Изомеразы (учувствуют в реакциях взаимного превращения изомеров).
6) Гидролазы (катализируют химические реакции с гидролитическим расщеплением связей).
Структура фермента
Фермент - сложная трехмерная структура, в состав которой входят в основном аминокислотные остатки. Также есть простетическая группа - компонент небелковой природы, связанный с аминокислотными остатками.
Ферменты - в основном глобулярные белки, которые могут объединяться в сложные комплексы. Как и другие вещества белковой природы, ферменты денатурируют при повышении температуры или под воздействием некоторых химических реактивов. Во время денатурации изменяется третичная структура фермента и, соответственно, свойства активного центра ферментов. В результате активность энзима резко уменьшается.
Катализируемый субстрат обычно значительно меньше самого фермента. Самый простой энзим состоит из шестидесяти аминокислотных остатков, а его активный центр - всего из двух.
Существуют ферменты, каталитический участок которых представлен не аминокислотами, а простетической группой органического или (чаще) неорганического происхождения - кофактором.
Понятие об активном центре
Лишь небольшой участок фермента принимает непосредственное участие в химических реакциях. Эта часть фермента и называется активным центром. Активный центр фермента - это липид, несколько аминокислотных остатков или простетическая группа, которая связывается с субстратом и катализирует реакцию. Аминокислотные остатки активного центра могут принадлежать любым аминокислотам - полярным, неполярным, заряженным, ароматическим, незаряженным.
Активный центр фермента (это липид, аминокислоты или другие вещества, способные взаимодействовать с реагентами) - самая важная часть фермента, без него эти вещества были бы бесполезны.
Обычно молекула фермента имеет только один активный центр, связывающийся с одним или несколькими схожими реагентами. Аминокислотные остатки активного центра формируют водородные, гидрофобные или ковалентные связи, образуя энзим-субстратный комплекс.
Структура активного центра
Активный центр простых и сложных ферментов представляет собой карман или щель. Эта структура активного центра фермента должна электростатически и геометрически соответствовать субстрату, так как изменение третичной структуры фермента может изменить активный центр.
Связывающий и каталитический центр - участки активного центра фермента. Очевидно, что связывающий центр "проверяет" субстрат на совместимость и связывается с ним, а каталитический центр принимает непосредственное участие в реакции.
Связывание активного центра с субстратом
Для того чтобы пояснить, как же активный центр фермента связывается с тем или иным реагентом, было предложено несколько теорий. Самая популярная из них - теория Фишера, она же теория "замка и ключа". Фишер предположил, что существует фермент, идеально подходящий каждому субстрату по своим физико-химическим свойствам. После образования энзим-субстратного комплекса никаких модификаций не происходит.
Другой американский ученый - Дэниел Кошланд - дополнил теорию Фишера предположением о том, что активный центр фермента может менять свою конформацию до тех пор, пока не подойдет определенному субстрату.
Кинетика ферментативных реакций
Особенности протекания ферментативных реакций изучает отдельная отрасль биохимии - ферментативная кинетика. Эта наука изучает особенности протекания реакций при различных концентрациях ферментов и субстратов, внутри клетки, а также свойства активного центра ферментов в зависимости от изменения физических и химических параметров среды.
Ферментативная кинетика оперирует такими понятиями, как скорость реакции, энергия активации, активационный барьер, молекулярная активность, удельная активность и др. Рассмотрим некоторые из этих понятий.
Чтобы произошла биологическая реакция, реагентам необходимо передать некоторую энергию. Эта энергия называется энергией активации.
Добавление фермента к реагентам позволяет снизить Некоторые вещества на реагируют без участия энзимов, так как энергия активации слишком высока. Равновесие реакции при добавлении фермента не сдвигается.
Скорость реакции - количество продукта реакции, появившееся или исчезнувшее в единицу времени.
Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата характеризует безразмерная физическая величина - константа Михаэлиса.
Молекулярная активность - количество молекул субстрата, преобразованных одной молекулой фермента в единицу времени.
