Какую химическую природу имеет преобладающее большинство ферментов

6.2. Химическая природа и структура ферментов

Подобно другим белкам ферменты имеют большую молекуляр­ную массу — от десятков тысяч до нескольких миллионов дальтон и че­тыре уровня структурной организации: первичный, вторичный, третичный и четвертичный. Большинство ферментов обладают четвертичной структурой.

По своему строению ферменты, как и все белки, делят на про­стые (ферменты-протеины) и сложные (ферменты-протеиды, или холоферменты). Холоферменты состоят из белковой части — апофермента и небелковой — кофактора. Различают две группы кофакторов: ионы; ме­таллов и коферменты, представляющие собой низкомолекулярные орга­нические вещества. Небелковый компонент — кофактор в сложных фер­ментах, как правило, составляет незначительную часть от всего фер­мента. Следует отметить, что апофермент и кофактор порознь мало активны или вообще неактивны, только их комплекс — холофермент проявляет каталитические свойства.

Примерами простых ферментов являются пепсин, трипсин, па­паин, уреаза, лизоцим, рибонуклеаза, фосфатаза и другие. Большинство природных ферментов — сложные белки.

В трехмерной структуре и простых, и сложных ферментов с функциональной точки зрения различают ряд участков, среди которых главными являются активный центр и аллостерический (регуляторный) центр.

Активный центр — участок, с которым связывается субстрат (ве­щество, превращающееся под действием фермента). Обычно активный центр фермента образуют 12-16 остатков аминокислот, в состав активно­го центра холофермента входит также кофактор. В активном центре раз­личают контактный участок, связывающий субстрат, и каталитический участок, где происходит превращение субстрата после его связывания. Однако это деление условно, так как связывание субстрата в контактном участке влияет на специфичность и скорость превращения его в катали­тическом участке. У простых ферментов роль функциональных групп кон­тактного и каталитического центра выполняют только боковые радикалы аминокислот. У сложных ферментов главную роль в этих процессах вы­полняют кофакторы. Они могут быть или прочно связаны с активным центром фермента, или могут легко отделяться от него при диализе. В первом случае кофакторы часто называют простетической группой, по­добно тому, как это принято для небелковой части неферментных белков. Но абсолютной разницы между простетической группой и кофактором нет, так как одни и те же соединения или ионы металлов могут быть и кофактором, и простетической группой в различных ферментах.

Кроме активного центра у ферментов имеется регуляторный, или аллостерический центр, который пространственно разделен с активным центром. Аллостерическим (от греческого alios — иной, чужой) он называ­ется потому, что молекулы, связывающиеся с этим центром, по строению (стерически) не похожи на субстрат, но оказывают влияние на связыва­ние и превращение субстрата в активном центре, изменяя его конфигу­рацию. Молекула фермента может иметь несколько аллостерических цен­тров.

6.3. Кофакторы ферментов Ионы металлов как кофакторы ферментов

Примерно треть всех известных ферментов является металлозависимыми. Роль металлов в этих ферментах различна. Металлоферменты делятся на следующие группы и подгруппы:

1. Ферменты, где ионы металлов выполняют роль активаторов (эти ферменты катализируют и без металла, но их активность снижается).

2. Ферменты, где ионы металлов выполняют роль кофактора (без ионов металлов эти ферменты неактивны):

2.1) диссоциирующие металлоферменты — (ион металла легко диссоциирует от апофермента);

2.2) недиссоциирующие металлоферменты — металлопротеиды:

В роли кофактора могут выступать ионы различных металлов, чаще всего это ионы Mg 2+ , Мп 2+ ,Zn 2+ , Fe 2+ , Сu 2+ , Са 2+ , Со 2+ , Мо 6+ , K + .

Существует несколько вариантов участия ионов металла в работе фермента. В большинстве случаев ноны металлов вступают в непрочную связь с апоферментом, способствуя формированию каталитически активной третичной и четвертичной структуры апофермента. Стабилизация возможна за счет образования солевых мостиков между ионом металла и карбококсильными группами кислых аминокислот при формировании третичной структуры или между субъединицами при образовании четвертичной структуры. К числу таких ионов относятся Mg 2+ , Мn 2+ , Zn 2+ , Са 2+ и другие. Например, ионы кальция стабилизируют третичную и четвертичнyю структуры α-амилазы, а ионы цинка — алкогольдегидрогеназы; макромолекулы этих ферментов в ре­зультате становятся устойчивыми по отношению к пептигидролазам желудочно-кишечного тракта.

В составе металлопротеидов содержатся, как правило, металлы с переменной валентностью (железо, медь, кобальт, молибден). Наибо­лее многочисленны металлопродеиды класса оксидоредуктаз (катализ реакций окисления — восстановления). Ионы металлов в этих ферментах сами участвуют в транспорте электронов, то есть выполняют функцию каталитического участка. Классическим примером ферментов этого типа служат цитохромы (см. главу 9).

Наконец, многие ионы металлов (Mg 2+ , Мn 2+ , Zn 2+ и другие) активно участвуют в ферментативном катализе, связывая либо субстрат и фермент, либо кофермент с апоферментом. Примером первого случая может служить образование тройного фермент — металл — субстратного комплекса при действии аргиназы, петигидролаз, карбоксилаз и дру­гих ферментов. Примером второго рода является присоединение флавинового кофермента к апоферменту с помощью ионов железа, молиб­дена, меди и цинка.

Источник

2. Ферменты

Ферменты, или энзимы — вещества белковой природы, обладающие каталитической активностью. Термин «энзим» — от греч. en zyme- в дрожжах, «фермент» — от лат. fermentatio — брожение.

Учение о ферментах выделено в самостоятельную науку энзимологию.

Хотя уже осуществлен лабораторный синтез ряда ферментов — рибонуклеазы, лизоцима, единственный способ получения ферментов — это выделение их из биологических объектов.

2.1. Химическая природа ферментов

Доказательства белковой природы ферментов:

1. Ферменты при гидролизе распадаются на аминокислоты.

2. Под действием кипячения и др. факторов ферменты подвергаются денатурации и теряют каталитическую активность.

3. Осуществлено выделение ферментов в форме кристаллов белка.

4. Ферменты оказывают высокоспецифическое действие.

Прямым доказательством белковой природы ферментов является лабораторный синтез первого фермента – рибонуклеазы.

Выделяют простые ферменты, состоящие только из полипептидной цепи: пепсин, трипсин, уреаза, рибонуклеаза, фосфатаза и др.

Большинство природных ферментов — сложные белки. Их небелковые компоненты называются кофакторами и необходимы для выполнения ферментом его каталитической роли. Кофакторами ферментов являются витамины или соединения, построенные с их участием (коэнзим А, НАД + , ФАД); фосфорные эфиры некоторых моносахаридов, ионы металов.

Кофермент — небелковый фактор, который легко отделяется от белковой части — апофермента при диссоциации.

Простетическая группа – ковалентно связанный с белковой цепью небелковый компонент, который не отделяется при выделении и очистке фермента.

Весь фермент вместе с простетической группой назыывают холоферментом. Только объединение апофермента и кофермента обеспечивает активность холофермента.

Субстрат – вещество, подвергающееся превращениям под действием фермента.

Активный центр — специфический участок на поверхности фермента, связывающийся с молекулой субстрата и непосредственно участвующий в катализе. Активные центры ферментов образуются на уровне третичной структуры. У сложных ферментов в состав активного центра входят также простетические группы. Кофакторы ферментов выполняют роль промежуточных переносчиков атомов или групп.

В активном центре различают два участка. Субстратный (связывающий) центр — участок, отвечающий за присоединение субстрата. Его называют контактной, или «якорной» площадкой фермента. Каталитический центр отвечает за химическое превращение субстрата. В состав каталитического центра большинства ферментов входят такие аминокислоты, как серин, цистеин, гистидин, тирозин, лизин. Субстратный центр может совпадать (или перекрываться) с каталитическим центром.

Аллостерический центр — участок молекулы фермента вне его активного центра, который способен связываться с тем или иным веществом (лигандом). В результате изменяется третичная, а часто и четвертичная структура белковой молекулы. Как следствие изменяется конфигурация активного центра и каталитическая активность фермента. Это т. н. аллостерическая регуляция активности ферментов. Ферменты, активность каталитического центра которых подвергается изменению под влиянием аллостерических эффекторов, называют аллостерическими.

Некоторые из ферментов являются полифункциональными, т. е. обладают несколькими энзиматическими активностями, но всего лишь одной полипептидной цепью. Их белковая цепь образует несколько доменов, каждый из которых характеризуется своей каталитической активностью. Например, алкогольдегидрогеназа не только катализирует реакцию окисления спиртов, но также реакции обезвреживания ряда ксенобиотиков.

Изоферменты — это множественные формы фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся друг от друга по физическим и химическим свойствам — сродству к субстрату, активности, электрофоретической подвижности.

Например, фермент лактатдегидрогеназа катализирует обратимое превращение пировиноградной кислоты в молочную. Она состоит из 4 субъединиц и содержит два типа полипептидных цепей: Н- сердечный тип (от англ. heart- сердце) и М — мышечный тип (от англ. muscle- мышца). Этот фермент благодаря различным сочетаниям субъединиц может существовать в 5 формах:

Для каждой ткани в норме характерно свое соотношение форм (изоферментный спектр) ЛДГ. Например, в сердечной мышце преобладает Н₄, т.е. ЛДГ₁, а в скелетных мышцах и печени – М₄ (ЛДГ₅). Изучение появления изоферментов ЛДГ в сыворотке крови позволяет судить о месте патологического процесса и о степени поражения органа или ткани.

Особую группу ферментов составляют мультимолекулярные ферментные комплексы. Существование таких комплексов ускоряет химические превращения. Если мультиэнзимный комплекс обслуживает единый, многоступенчатый процесс биохимических превращений, его называют метаболоном. Таковы метаболоны гликолиза, цикла Кребса, дыхательная цепь митохондрий и др.

Источник