Будова ферментів

В природі існують як прості, так і складні ферменти. Перші повністю представлені поліпептидними ланцюгами і при гідролізі розпадають виключно на амінокислоти. Прикладами простих ферментів є пепсин, трипсин, папаїн, уреаза тощо. Більшість природних ферментів належать до класу складних білків, які містять окрім білків, небілковий компонент (кофактор). Комплекс фермента з кофактором називається холоферментом, а поліпептидна частина ферменту - апоферментом.

Кофактори поділяють на три групи: коферменти, простетичні групи, активатори.

Простетичною групоює небілковий компонент зв’язаний з апоферментом міцно ковалентими зв’язками. Прикладом простетичної групи може бути ФАД; гем (залізомістка група), яка входить до складу цитохромів (ферментів дихального ланцюга), каталаз та пероксидаз.

Коферментом є небілковий компонент зв’язаний з апоферментом відносно слабкими (водневі зв’язки, електростатичні взаємодії тощо) хімічними зв’язками При виділенні ферментів спостерігається повна дисоціація обох частин і ізольований білковий компонент виявляється позбавленим ферментативної активності, поки не буде доданий зовні недостаючий кофактор. Типовими представниками коферментів є НАД, НАДФ, КоА-SН, Гл-SН.

Відомо, що і простетичні групи і коферменти активно включаються в хімічні реакції, виконуючи функції проміжних переносників електронів, атомів водню чи атомних груп (аміно-, ацетильних, карбоксильних).

Слід підкреслити, що різницю між простетичною групою та коферментом не можна абсолютизувати, оскільки в одних випадках, наприклад у оксидази D-амінокислот, кофактор, представлений ФАД, може бути легко відділений від білкової частини шляхом діалізу. Той же кофактор міцно зв’язаний ковалентно з ферментами тканинного дихання, виконуючи функції простетичної групи.

Активаторами ферментів виступають іони металів Mg²⁺, Mn²⁺, Ca²⁺, які прискорюють реакції, що каталізуються ферментами. Вважають, що ці іони заставляють молекулу ферменту приймати форму, що сприяє створенню фермент-субстратного комплексу.

Слід відмітити особливість двохкомпонентних ферментів, що заключається в тому, що ні кофактор окремо, ні сам по собі апофермент каталітичної активності не мають, і тільки об’єднання їх в єдине ціле, забезпечує швидке протікання хімічної реакції.

Вважають, що небілкова частина підвищує стійкість білкової частини і є термостабільною частиною, а білкова зумовлює специфічність дії ферменту і є термолабільною частиною.

Оскільки часто молекули субстратів, що беруть участь у реакції мають невеликі розміри у порівнянні з молекулами ферментів, було припущено, що в безпосередній контакт з молекулою субстрату вступає лише частина молекули ферменту. Тому виникло поняття активного центру, що представляє собою ділянку ферменту, з якою безпосередньо зв’язується субстрат.

Активний центр ферменту складається не з послідовності амінокислот, а формується при скручуванні білкової молекули в третинну структуру. При цьому окремі ділянки амінокислот зближуються між собою, утворюючи певну конфігурацію активного центру. Активний центр має форму щілини, яка за розміром відповідає субстрату. Поверхня активного центру комплементарна поверхні субстрату, тобто залишки амінокислот активного центру ферменту здатні вступати в хімічну взаємодію з певними групами субстрату

Встановлено, що у складних ферментів до складу активного центру входять кофактор та залишки амінокислот; у простих – залишки амінокислот. У ферментів може бути декілька активних центрів

В активному центрі розрізняють каталітичну ділянку, яка відповідає за хімічне перетворення субстрату і контактну або якірну ділянку, яка забезпечує специфічну спорідненість до субстрату та формування його комплексу з ферментом.

Найчастіше в каталітичних центрах однокомпонентних ферментів зустрічаються залишки сер, гіс, три, арг, цис, асп, глу і тир. Радикали перерахованих амінокислот виконують тут ту ж функцію, що і кофермент у складі двокомпонентного ферменту.

У багатьох випадках прикріплення субстрата до ферменту йде за рахунок взаємодії з ε-аміногрупою радикалу ліз, СООН-групою глу, а також HS-групою цис.

Крім активного центру у ферментів розрізняють ще алостеричний центр. Алостеричний центр являє собою ділянку молекули ферменту, в результаті приєднання до якої певної низькомолекулярної (іноді – високомолекулярної) речовини змінюється глобулярна структура білкової молекули. В результаті цього змінюється конфігурація активного центру, що призводить або до збільшення, або зменшення каталітичної активності ферменту. Це явище лежить в основі так званої алостеричної регуляції каталітичної активності ферментів.

Роль інших амінокислотних залишків, що складають основну масу ферменту, полягає у забезпеченні його молекулі правильної глобулярної форми, яка необхідна для найбільш ефективної роботи активного центру ферменту.

Теорія ферментативного каталізу

Уявімо собі суміш бензину та кисню. Реакція між ними з термодинамічної точки зору можлива, але вона не піде без витрати деякої кількості енергії, що поступить, наприклад, у вигляді іскри. Енергія, необхідна для того, щоб примусити субстрати вступити в реакцію, тобто необхідна для переведення молекул в активований стан, називається енергією активації. Чим більша необхідна енергія активації, тим нижче швидкість реакції при даній температурі.

		де: S - початковий субстрат; Р - продукт; DЕнф - енергія активації неферментативної реакції; DЕф - енергія активації ферментативної реакції; DG - стандартна зміна вільної енергії.

Ферменти, діючи як каталізатори, знижують енергію активації, яка потрібна для того, щоб могла пройти реакція, шляхом збільшення числа активованих молекул, які стають реакційноздатними на більш низькому енергетичному рівні. Вони підвищують загальну швидкість реакції, не змінюючи в значній мірі температуру, при якій ця реакція протікає.

В утворенні фермент-субстратних комплексів беруть участь водневі зв’язки, електростатичні та гідрофобні взаємодії, а також в ряді випадків ковалентні зв’язки.

І етап: утворення фермент-субстратного комплексу через активний центр;

ІІ етап: активація фермент-субстратного комплексу – зв’язування субстрату відбувається в декількох точках активного центру, що призводить до зміни структури субстрату, його деформації за рахунок послаблення енергії зв’язків в молекулі. При цьому відбувається хімічна модифікація субстрату і перетворення його у певний продукт;

ІІІ етап: в результаті перетворення субстрату у продукт він втрачає здатність утримуватися в активному центрі ферменту і фермент-продуктний комплекс дисоціює на складові.

Найшвидше реакція відбувається на першому етапі. Низька енергія активації свідчить про те, що в первинному комплексі фермент і субстрат зв’язуються за рахунок слабких типів зв’язку. На другому етапі перетворення молекули субстрату відбувається з розривом і утворенням ковалентних зв’язків. На цьому етапі фермент змінює молекулу субстрату так, що міцність окремих хімічних зв’язків зменшується. В результаті чого знижується енергія активації і реакція відбувається з великою швидкістю.

Отже, фермент знижує бар’єр активації реакції, ділячи її на ряд проміжних етапів, кожний з яких не зустрічає енергетичних перешкод. Основна роль у механізмі ферментативного каталізу належить фермент-субстратним комплексам.

Фішер в 1890 р. запропонував теорію, згідно якої для того, щоб відбулась ферментативна реакція, необхідно, щоб мала місце відповідність форми молекули ферменту формі молекули субстрату. Цю гіпотезу називають гіпотезою “ключа і замка”: субстрат порівнюється в ній з ключем, який повинен точно підходити по формі до “замку”, тобто до ферменту.

Нову інтерпретацію цієї гіпотези запропонував у 1959 р. Кошланд. На основі даних, що дозволяють вважати активні центри фізично більш пластичними, він вважав, що можлива динамічна взаємодія між ферментом і субстратом. Згідно цьому уявленню, субстрат, з’єднуючись з ферментом, викликає і якістну зміну в структурі останнього. Амінокислотні залишки, що складають активний центр, приймають певну форму, яка дає можливість ферменту найбільш ефективно виконати свою функцію. Цю гіпотезу називають гіпотезою індукованої відповідності або “руки і перчатки”. Аналогією може слугувати перчатка, яка при одяганні на руку змінює свою форму.

Вчення про швидкість ферментативних реакцій та її залежність від різних факторів вивчає ферментативна кінетика.

Поиск по сайту: