В трипсине отрицательный заряд остатка аспа-рагиновой кислоты в активном центре участвует как в связывании аминогруппы лизина (или гуа-нидиновой группы аргинина), так и непосредст-венно в катализе, при котором разрывается пеп-тидная связь, в образовании которой участвует карбоксильная группа положительно заряженных остатков Лиз и Apr.

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.

Ферменты – высокомолекулярные вещества, молекулярный вес которых достигает нескольких млн. Молекулы субстратов, взаимодействующих с ферментами обычно имеют гораздо меньший размер. Поэтому естественно предположить, что с субстратом взаимодействует не вся молекула фермента в целом, а только какая-то ее часть – так называемый “активный центр” фермента.

Активный центр фермента – это часть его молекулы, непосредственно взаимодействующая с субстратами участвующая в акте катализа.

Активный центр фермента формируется на уровне третичной структуры. Поэтому при денатурации, когда третичная структура нарушается, фермент теряет свою каталитическую активность !

Активный центр в свою очередь состоит из:

- каталитического центра, который осуществляет химическое превращение субстрата;

- субстратного центра (“якорной” или контактной площадки), которая обеспечивает присоединение субстрата к ферменту, формирование фермент-субстратного комплекса.

Четкую грань между каталитическим и субстратным центром провести можно не всегда – у некоторых ферментов они совпадают или перекрываются.

Помимо активного центра, в молекуле фермента существует т.н. аллостерический центр . Это участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому определенного низкомолекулярного вещества (эффектора ), изменяется третичная структура фермента. Это приводит к изменению конфигурации активного центра и, следовательно, к изменению активности фермента. Это явление аллостерической регуляции активности фермента.

Многие ферменты являются мультимерами (или олигомерами ), т.е. состоят из двух и более субъединиц- протомеров (аналогично четвертичной структуре белка).

Связи между субъединицами, в основном, не ковалентные. Максимальную каталитическую активность фермент проявляет именно в виде мультимера. Диссоциация на протомеры резко снижает активность фермента.

Ферменты – мультимеры содержат обычно четкое число субъединиц (2-4), т.е. являются ди- и тетрамерами. Хотя известны гекса- и октамеры (6-8) и чрезвычайно редко встречаются тримеры и пентамеры (3-5).

Ферменты-мультимеры могут быть построены как из одинаковых, так и из разных субъединиц.

Если ферменты-мультимеры образованы из субъединиц различных типов, они могут существовать в виде нескольких изомеров. Множественные формы фермента называют изоферментами (изоэнзимами или изозимами).

Например, фермент состоит из 4 субъединиц типов А и Б. Он может образовать 5 изомеров: АААА, АААБ, ААББ, АБББ, ББББ. Эти изомерные ферменты являются изоферментами.

Изоферменты катализируют одну и ту же химическую реакцию, обычно воздействуют на один и тот же субстрат, но отличаются по некоторым физико-химическим свойствам (молекулярной массе, аминокислотному составу, электрофоретической подвижности и др.), по локализации в органах и тканях.

Особую группу ферментов составляют т.н. мультимерные комплексы. Это системы ферментов, катализирующих последовательные стадии превращения какого-либо субстрат. Такие системы характеризуются прочностью связи и строгой пространственной организацией ферментов, обеспечивающей минимальный путь прохождения субстрата и максимальную скорость его превращения.

Примером может служить мультиферментный комплекс, осуществляющий окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Комплекс состоит из 3-х видов ферментов (М.в. = 4 500 000).

8.7.1. В клеточном содержимом ферменты распределены не хаотически, а строго упорядоченно. При помощи внутриклеточных мембран клетка разделена на отсеки или компартменты (рисунок 8.18). В каждом из них осуществляются строго определенные биохимические процессы и сосредоточены соответствующие ферменты или полиферментные комплексы. Вот несколько характерных примеров.

Рисунок 8.18. Внутриклеточное распределение ферментов различных метаболических путей.

В лизосомах сосредоточены преимущественно разнообразные гидролитические ферменты. Здесь протекают процессы расщепления сложных органических соединений на их структурные компоненты.

В митохондриях находятся сложные системы окислительно-восстановительных ферментов.

Ферменты активирования аминокислот распределены в гиалоплазме, но они же есть и в ядре. В гиалоплазме присутствуют многочисленные метаболоны гликолиза, структурно объединенные с таковыми пентозофосфатного цикла, что обеспечивает взаимосвязь дихотомического и апотомического путей распада углеводов.

В то же время ферменты, ускоряющие перенос аминокислотных остатков на растущий конец полипептидной цепи и катализирующие некоторые другие реакции в процессе биосинтеза белка, сосредоточены в рибосомальном аппарате клетки.

В клеточном ядре локализованы в основном нуклеотидилтрансферазы, ускоряющие реакцию переноса нуклеотидных остатков при новообразовании нуклеиновых кислот.

8.7.2. Распределение ферментов по субклеточным органеллам изучают после предварительного фракционирования клеточных гомогенатов путем высокоскоростного центрифугирования, определяя содержание ферментов в каждой фракции.

Локализацию данного фермента в ткани или клетке часто удается установить in situ гистохимическими методами («гистоэнзимология»). Для этого тонкие (от 2 до 10 мкм) срезы замороженной ткани обрабатывают раствором субстрата, к которому специфичен данный фермент. В тех местах, где находится фермент, образуется продукт катализируемой этим ферментом реакции. Если продукт окрашен и нерастворим, он остается на месте образования и позволяет локализовать фермент. Гистоэнзимология дает наглядную и в известной мере физиологичную картину распределения ферментов.

Ферментные системы ферментов, сосредоточенные во внутриклеточных структурах, тонко координированы друг с другом. Взаимосвязь катализируемых ими реакций обеспечивает жизнедеятельность клеток, органов, тканей и организма в целом.

При исследовании активности различных ферментов в тканях здорового организма можно получить картину их распространения. Оказывается, что некоторые ферменты широко распространены во многих тканях, но в разных концентрациях, а другие очень активны в экстрактах, полученных из одной или нескольких тканей, и практически отсутствуют в остальных тканях организма.

Рисунок 8.19. Относительная активность некоторых ферментов в тканях человека, выраженная в процентах от активности в ткани с максимальной концентрацией данного фермента (Мосс, Баттерворт, 1978).

8.7.3. Понятие об энзимопатиях. В 1908 году английский врач Арчибальд Гаррод высказал предположение, что причиной ряда заболеваний может являться отсутствие какого-либо из ключевых ферментов, участвующих в обмене веществ. Он ввёл понятие "inborn errors of metabolism" (врождённый дефект обмена веществ). В дальнейшем эта теория была подтверждена новыми данными, полученными в области молекулярной биологии и патологической биохимии.

Информация о последовательности аминокислот в полипептидной цепи белка записана в соответствующем участке молекулы ДНК в виде последовательности тринуклеотидных фрагментов - триплетов или кодонов. Каждый триплет кодирует определённую аминокислоту. Такое соответствие называется генетическим кодом. Причём некоторые аминокислоты могут быть закодированы при помощи нескольких кодонов. Существуют также специальные кодоны, являющиеся сигналами для начала синтеза полипептидной цепи и его прекращения. К настоящему времени генетический код полностью расшифрован. Он является универсальным для всех видов живых организмов.

Реализация информации, заложенной в молекуле ДНК, включает несколько этапов. Сначала в клеточном ядре в процессе транскрипции синтезируется матричная РНК (мРНК), поступающая в цитоплазму. В свою очередь, мРНК служит матрицей для трансляции - синтеза полипептидных цепей на рибосомах. Таким образом, природа молекулярных болезней определяется нарушением структуры и функции нуклеиновых кислот и контролируемых ими белков.

8.7.4. Поскольку информация о структуре всех белков клетки содержится в последовательности нуклеотидов ДНК, а каждая аминокислота определяется триплетом нуклеотидов, изменение первичной структуры ДНК может в конечном счёте оказать глубокое влияние на синтезируемый белок. Подобные изменения происходят за счёт ошибок репликации ДНК, когда одно азотистое основание заменяется другим, либо в результате действия радиации или при химической модификации. Все возникшие таким образом наследуемые дефекты называются мутациями . Они могут приводить к неправильному считыванию кода и делеции (выпадению) ключевой аминокислоты, замене одной аминокислоты другой, преждевременной остановке белкового синтеза или добавлению аминокислотных последовательностей. Учитывая зависимость пространственной упаковки белка от линейной последовательности в нём аминокислот, можно полагать, что подобные дефекты способны изменить структуру белка, а значит, и его функцию. Тем не менее, многие мутации обнаруживаются только в лабораторных условиях и не оказывают вредного воздействия на функции белка. Таким образом, ключевым моментом является локализация изменений в первичной структуре. Если положение замененной аминокислоты окажется критическим для формирования третичной структуры и образования каталитического центра фермента, то мутация является серьёзной и может проявиться как заболевание.

Последствия недостаточности одного фермента в цепи реакций обмена веществ могут проявляться по-разному. Предположим, что превращение соединения A в соединение B катализирует фермент Е и что соединение C встречается на альтернативном пути превращений (рисунок 8.20):

Рисунок 8.20. Схема альтернативных путей биохимических превращений.

Последствиями недостаточности фермента могут быть следующие явления:

1. недостаточность продукта ферментативной реакции (B ). В качестве примера можно указать на снижение содержания глюкозы в крови при некоторых формах гликогенозов;
2. накопление вещества (A ), превращение которого катализирует фермент (например, гомогентизиновая кислота при алкаптонурии). При многих лизосомных болезнях накопления, вещества, в норме подвергающиеся гидролизу в лизосомах, накапливаются в них в связи с недостаточностью одного из ферментов;
3. отклонение на альтернативный путь с образованием некоторых биологически активных соединений (C ). К этой группе явлений относится экскреция с мочой фенилпировиноградной и фенилмолочной кислот, образующихся в организме больных фенилкетонурией в результате активации вспомогательных путей распада фенилаланина.

Если метаболическое превращение в целом регулируется по принципу обратной связи конечным продуктом, то эффекты двух последних типов аномалий будут более значительными. Так, например, при порфириях (врождённых нарушениях синтеза гема) устраняется подавляющего эффекта гема на начальные реакции синтеза, что приводит к образованию избыточных количеств промежуточных продуктов метаболического пути, которые обладают токсическим действием на клетки кожи и нервной системы.

Факторы внешней среды могут усиливать или даже полностью определять клинические проявления некоторых врождённых нарушений обмена веществ. Например, у многих пациентов с недостаточностью глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы заболевание начинается только после приёма таких лекарственных средств, как примахин. В отсутствие контактов с лекарственными средствами такие люди производят впечатление здоровых.

8.7.5. О недостаточности фермента обычно судят косвенно по повышению концентрации исходного вещества, которое в норме подвергается превращениям под действием данного фермента (например, фенилаланин при фенилкетонурии). Прямое определение активности таких ферментов проводят только в специализированных центрах, но по возможности диагноз следует подтверждать этим методом. Пренатальная (дородовая) диагностика некоторых врождённых нарушений метаболизма возможна путём иследования клеток амниотической жидкости, полученных на ранних стадиях беременности и культивируемых in vitro.

Некоторые врождённые нарушения метаболизма поддаются лечению путём доставки в организм недостающего метаболита или путём ограничения поступления в желудочно-кишечный тракт предшественников нарушенных процессов обмена веществ. Иногда могут быть удалены накапливающиеся продукты (например, железо при гемохроматозе).

Биологическая химия Лелевич Владимир Валерьянович

Активный центр фермента

Активный центр фермента

Участок молекулы фермента, который специфически взаимодействует с субстратом, называется активным центром. Активный центр – это уникальная комбинация аминокислотных остатков в молекуле фермента, обеспечивающая непосредственное взаимодействие её с молекулой субстрата и принимающая прямое участие в акте катализа. У сложных ферментов в состав активного центра входит также кофактор. В активном центре условно различают каталитический участок, непосредственно вступающий в химическое взаимодействие с субстратом и участок связывания, который обеспечивает специфическое сродство к субстрату и формирование его комплекса с ферментом.

Свойства активных центров ферментов:

1. На активный центр приходится относительно малая часть общего объема фермента.

2. Активный центр имеет форму узкого углубления или щели в глобуле фермента.

3. Активный центр – это трехмерное образование, в формировании которого участвуют функциональные группы линейно удаленных друг от друга аминокислот.

4. Субстраты относительно слабо связываются с активным центром.

5. Специфичность связывания субстрата зависит от строго определенного расположения атомов и функциональных групп в активном центре.

У некоторых регуляторных ферментов имеется еще один центр, называемый аллостерическим или регуляторным. Он пространственно разделен с активным центром.

Аллостерический центр – это участок молекулы фермента, с которым связываются определенные обычно низкомолекулярные вещества (аллостерические регуляторы), молекулы которых не сходны по строению с субстратом. Присоединение регулятора к аллостерическому центру приводит к изменению третичной и четвертичной структуры молекулы фермента и, соответственно, конформации активного центра, вызывая снижение или повышение ферментативной активности.