2. Активный центр ферментов

Молекулы субстратов, участвующих в химических реакци­ях, значительно меньше молекул ферментов. При образовании комплекса «субстрат — фермент» во взаимодействие с субстра­том вовлекается ограниченная часть молекулы фермента.

Активный центр фермента — уникальная комбинация амино­кислотных остатков в молекуле фермента, которая обеспечивает непосредственное ее связывание с субстратом и участвует в акте катализа. У сложных ферментов в состав активного центра вхо­дят простетические группы. В активном центре различают ката­литический центр (участок, непосредственно вступающий в хи-мическое взаимодействие с субстратом) и связывающий центр, или контактную площадку (участок, обеспечивающий специфи­ческое сродство к субстрату и образование его комплекса с фермен­том). В молекуле субстрата также есть функционально раз­личные участки — участок, избирательно связываемый ферментом, и участок, атакуемый ферментом:

Для идентификации аминокислотных остатков, входящих в со­став активного центра, используют специфические ингибиторы ферментов (субстратоподобные вещества или аналоги кофермен- тов), методы ограниченного гидролиза в сочетании с химической модификацией (включает избирательное окисление, связывание, замещение остатков аминокислот и др.). Установлено, что фермен­ты, сходные по типу действия, могут иметь почти одинаковую амино-кислотную последовательность в участках, примыкающих к функционально активным остаткам аминокислот.

Формирование активного центра фермента начинается на ран­них этапах его синтеза, когда линейная полипептидная цепь прев­ращается в трехмерное тело с определенной конфигурацией. Бе­лок со сформированной третичной структурой приобретает функциональную (в частности, каталитическую) информацию. Любые воздействия, приводящие к денатурации фермента (нару­шению его третичной структуры), нарушают структуру активного центра и ведут к потере ферментом каталитических свойств. При восстановлении нативной трехмерной структуры белка- фермента (ренатурации) восстанавливается и его каталитическая активность.

Наряду с активным центром в молекуле фермента может при­сутствовать аллостерический центр (от гр. alios — «иной» и ste- ros — «пространственный, структурный») — участок молекулы фермента для связывания определенных, обычно низкомолеку­лярных веществ — эффекторов, или модификаторов, структура которых отличается от структуры субстратов. Эффектор при со­единении с аллостерическим центром фермента изменяет тре­тичную или даже четвертичную структуру фермента и структуру активного центра фермента, что ведет к изменению каталитиче­ской активности фермента. Ферменты, активный центр которых способен изменять свою структуру и активность под действием аллостерических эффекторов, связывающихся с аллостериче- ским центром, называются аллостерическими.

3. Изоферменты

и мультимолекулярные ферментные системы

Изоферменты (изоэнзимы) — множественные формы фермен­та, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся друг от друга физико-химическими свойствами (сродством к субстрату, максимальной скоростью катализируемой реакции, электрофорети- ческой подвижностью или регуляторными свойствами). Существу­ют ферменты, состоящие из двух и более субъединиц, обладающих собственной первичной, вторичной и третичной структурой. Субъ­единицы таких ферментов называют протомером, а всю олиго- мерную молекулу — мультимером. Процесс олигомеризации спо­собствует повышению стабильности фермента к действию денатурирующих агентов (нагреванию, действию протеиназ и др.). Протомеры соединены между собой нековалентными связями и лег­ко диссоциируют. Активность всего комплекса зависит от способа упаковки между собой отдельных субъединиц. Если субъединицы могут существовать более чем в одной форме, то и фермент, полу­ченный при объединении этих субъединиц, может существовать в нескольких сходных, но не одинаковых формах. Такие формы фермента называются изоферментами, или изоэнзимами.

Фермент лактатдегидрогеназа состоит из четыре субъединиц двух типов: H (heart — «сердце») и M (muscle — «мышца»). Существует пять его изоферментов — HHHH (ЛДГ₁), HHHM (ЛДГ₂), HHMM (ЛДГ₃), HMMM (ЛДГ₄) и MMMM (ЛДГ₅). Синтез H- и M-субъ- единиц запрограммирован разными генами и в разных органах идет по-разному. Изоферменты ЛДГ обладают почти одинаковой каталитической активностью, но разными физико-химическими свойствами (молекулярной массой, электрофоретической подвижностью, отно­шением к активаторам и ингибиторам и др.).

Субъединицы могут иметь почти идентичную структуру и содержать по одному каталитически активному участку (β-галактозидаза, состоящая из четырех субъединиц), а могут быть неидентичными и проявлять ферментативную активность толь­ко в объединенном состоянии (триптофансинтаза).

Множественные формы фермента — белки, катализирую­щие одну и ту же реакцию и встречающиеся в организмах одно­го вида. Изоферменты — множественные формы ферментов, образующиеся вследствие генетически обусловленных разли­чий в первичной структуре белка.

Мультимолекулярные (надмолекулярные) ферментные системы — комплексы, состоящие из различных по строению ферментов, катализирующих последовательные ступени превра­щения определенного субстрата. Их особенностями является прочность ассоциации ферментов и определенная последователь­ность прохождения промежуточных стадий во времени, определяе­мая порядком расположения ферментов в пространстве. Молеку­лярная масса таких комплексов колеблется от 2,3 X 10⁶ до 10 X 10⁶. Образование подобных систем резко сокращает расстоя­ния, на которые перемещаются молекулы субстратов. Мульти- молекулярные ферментные системы могут быть структурно связан­ными с какой-либо органеллой (рибосомой, митохондрией) или с биомембраной, такие системы обеспечивают жизненно важные для клетки функции (например, тканевое дыхание). К мультифер- ментным системам относятся пируватдегидрогеназный и α-кетоглутаратдегидрогеназный комплексы.