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 Mg²⁺, Мп²⁺ ,Zn²⁺, Fe²⁺, Сu²⁺, Са²⁺, Со²⁺, Мо⁶⁺ , 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 Mg²⁺, Мn²⁺ , Zn²⁺, Са²⁺ 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 (Mg²⁺, Мn²⁺ , Zn²⁺ 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.