Активный центр ферментов

Свойства и механизм действия ферментов. Кофакторы ферментов

Ферменты , или энзимы - обычно белковые молекулы или молекулы РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах. Реагенты в реакции, катализируемой ферментами, называются субстратами, а получающиеся вещества - продуктами. Ферменты специфичны к субстратам (АТФаза катализирует расщепление только АТФ, а киназа фосфорилазы фосфорилирует только фосфорилазу).

Ферментативная активность может регулироваться активаторами и ингибиторами (активаторы - повышают, ингибиторы - понижают).

Белковые ферменты синтезируются на рибосомах, а РНК - в ядре.

Термины ʼʼферментʼʼ и ʼʼэнзимʼʼ давно используют как синонимы (первый в основном в русской и немецкой научной литературе, второй - в англо- и франкоязычной).

Наука о ферментах принято называть энзимологией, а не ферментологией (чтобы не смешивать корни слов латинского и греческого языков).

Активность ферментов определяется их трёхмерной структурой.

Как и всœе белки, ферменты синтезируются в виде линœейной цепочки аминокислот, которая сворачивается определённым образом. Каждая последовательность аминокислот сворачивается особым образом, и получающаяся молекула (белковая глобула) обладает уникальными свойствами. Несколько белковых цепей могут объединяться в белковый комплекс. Третичная структура белков разрушается при нагревании или воздействии некоторых химических веществ.

Изучение механизма химической реакции, катализируемой ферментом наряду с определœением промежуточных и конечных продуктов на разных стадиях реакции подразумевает точное знание геометрии третичной структуры фермента͵ природы функциональных групп его молекулы, обеспечивающих специфичность действия и высокую каталитическую активность на данный субстрат, а также химической природы участка (участков) молекулы фермента͵ который обеспечивает высокую скорость каталитической реакции. Обычно молекулы субстрата͵ участвующие в ферментативных реакциях, по сравнению с молекулами ферментов имеют относительно небольшие размеры. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, при образовании фермент-субстратных комплексов в непосредственное химическое взаимодействие вступают лишь ограниченные фрагменты аминокислотной последовательности полипептидной цепи - ʼʼактивный центрʼʼ - уникальная комбинация остатков аминокислот в молекуле фермента͵ обеспечивающая непосредственное взаимодействие с молекулой субстрата и прямое участие в акте катализа

В активном центре условно выделяют

• каталитический центр - непосредственно химически взаимодействующий с субстратом;
• связывающий центр (контактная или ʼʼякорнаяʼʼ площадка) - обеспечивающий специфическое сродство к субстрату и формирование комплекса фермент-субстрат.

Чтобы катализировать реакцию, фермент должен связаться с одним или несколькими субстратами. Белковая цепь фермента сворачивается таким образом, что на поверхности глобулы образуется щель, или впадина, где связываются субстраты. Эта область принято называть сайтом связывания субстрата. Обычно он совпадает с активным центром фермента или находится вблизи него. Некоторые ферменты содержат также сайты связывания кофакторов или ионов металлов.

Фермент, соединяясь с субстратом:

• очищает субстрат от водяной ʼʼшубыʼʼ
• располагает реагирующие молекулы субстратов в пространстве нужным для протекания реакции образом
• подготавливает к реакции (к примеру, поляризует) молекулы субстратов.

Обычно присоединœение фермента к субстрату происходит за счёт ионных или водородных связей, редко - за счёт ковалентных. В конце реакции её продукт (или продукты) отделяются от фермента.

В результате фермент снижает энергию активации реакции. Это происходит потому, что в присутствии фермента реакция идет по другому пути (фактически происходит другая реакция), к примеру:

В отсутствие фермента:

• А+В = АВ

В присутствии фермента:

• А+Ф = АФ
• АФ+В = АВФ
• АВФ = АВ+Ф

где А, В - субстраты, АВ - продукт реакции, Ф - фермент.

Ферменты не могут самостоятельно обеспечивать энергией эндергонические реакции (для протекания которых требуется энергия). По этой причине ферменты, осуществляющие такие реакции, сопрягают их с экзергоническими реакциями, идущими с выделœением большего количества энергии. К примеру, реакции синтеза биополимеров часто сопрягаются с реакцией гидролиза АТФ.

Для активных центров некоторых ферментов характерно явление кооперативности.

Активный центр ферментов - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Активный центр ферментов" 2017, 2018.

Все мы слышали о ферментах, но вряд ли каждый из нас досконально знает, как именно устроены эти вещества и зачем они нужны. Эта статья поможет разобраться в структуре и функциях в целом и их активных центров в частности.

История исследований

В 1833 году французский химик Ансельм Пайен выявил и описал свойства фермента амилазы.

Несколько лет спустя Луи Пастер, изучая превращение сахара в спирт при участии дрожжей, предположил, что этот процесс происходит за счет химических веществ, входящих в состав дрожжей.

В конце XIX века Физиолог Вилли Кюне впервые ввел в употребление термин "энзим".

Немец Эдуард Бухнер в 1897 году выделил и описал зимазу - ферментативный комплекс, который катализирует реакцию превращения сахарозы в этиловый спирт. В природе зимаза в большом количестве содержится в дрожжах.

Точно неизвестно, когда и кто открыл активный центр фермента. Это открытие приписывают лауреату Нобелевской премии химику Эдаурду Бухнеру, американскому биологу Джеймсу Самнеру и другим известным ученым, работавшим над изучением ферментативного катализа.

Общие сведения о ферментах

Напомним, что ферменты - вещества белковой природы, которые выполняют в живых организмах функции катализаторов химических реакций. В ферменте есть участки, которые непосредственно не принимают в этом участия, протекание реакции обеспечивает активный центр фермента.

Приведем некоторые свойства ферментов:

1) Эффективность. Небольшого количества катализатора достаточно, чтобы ускорить химическую реакцию в 10 6 раз.

2) Специфичность. Один фермент не универсальный катализатор любой реакции в клетке. Для ферментов выражена специфичность действия: каждый фермент катализирует только одну или же несколько реакций с похожими субстратами (исходными реагентами), но для реагентов другой химической природы этот же фермент может быть бесполезен. Взаимодействие с подходящими субстратами и дальнейшее ускорение реакции обеспечивает активный центр фермента.

3) Переменная активность. Активность ферментов в клетке постоянно меняется от низкой до высокой.

4) Концентрация некоторых ферментов в клетке не постоянна и может изменяться в зависимости от внешних условий. Такие ферменты в биологии называют индуцибельными.

Классификация ферментов

По своей структуре ферменты принято делить на простые и сложные. Простые состоят исключительно из аминокислотных остатков, сложные имеют в составе вещества небелковую группу. Сложные называют коферментами.

По типу катализируемых реакций ферменты делятся на:

1) Оксидоредуктазы (катализируют окислительно-восстановительные реакции).

2) Трансферазы (переносят отдельные группы атомов).

3) Лиазы (расщепляют химические связи).

4) Липазы (образуют связи в реакциях за счет энергии АТФ).

5) Изомеразы (учувствуют в реакциях взаимного превращения изомеров).

6) Гидролазы (катализируют химические реакции с гидролитическим расщеплением связей).

Структура фермента

Фермент - сложная трехмерная структура, в состав которой входят в основном аминокислотные остатки. Также есть простетическая группа - компонент небелковой природы, связанный с аминокислотными остатками.

Ферменты - в основном глобулярные белки, которые могут объединяться в сложные комплексы. Как и другие вещества белковой природы, ферменты денатурируют при повышении температуры или под воздействием некоторых химических реактивов. Во время денатурации изменяется третичная структура фермента и, соответственно, свойства активного центра ферментов. В результате активность энзима резко уменьшается.

Катализируемый субстрат обычно значительно меньше самого фермента. Самый простой энзим состоит из шестидесяти аминокислотных остатков, а его активный центр - всего из двух.

Существуют ферменты, каталитический участок которых представлен не аминокислотами, а простетической группой органического или (чаще) неорганического происхождения - кофактором.

Понятие об активном центре

Лишь небольшой участок фермента принимает непосредственное участие в химических реакциях. Эта часть фермента и называется активным центром. Активный центр фермента - это липид, несколько аминокислотных остатков или простетическая группа, которая связывается с субстратом и катализирует реакцию. Аминокислотные остатки активного центра могут принадлежать любым аминокислотам - полярным, неполярным, заряженным, ароматическим, незаряженным.

Активный центр фермента (это липид, аминокислоты или другие вещества, способные взаимодействовать с реагентами) - самая важная часть фермента, без него эти вещества были бы бесполезны.

Обычно молекула фермента имеет только один активный центр, связывающийся с одним или несколькими схожими реагентами. Аминокислотные остатки активного центра формируют водородные, гидрофобные или ковалентные связи, образуя энзим-субстратный комплекс.

Структура активного центра

Активный центр простых и сложных ферментов представляет собой карман или щель. Эта структура активного центра фермента должна электростатически и геометрически соответствовать субстрату, так как изменение третичной структуры фермента может изменить активный центр.

Связывающий и каталитический центр - участки активного центра фермента. Очевидно, что связывающий центр "проверяет" субстрат на совместимость и связывается с ним, а каталитический центр принимает непосредственное участие в реакции.

Связывание активного центра с субстратом

Для того чтобы пояснить, как же активный центр фермента связывается с тем или иным реагентом, было предложено несколько теорий. Самая популярная из них - теория Фишера, она же теория "замка и ключа". Фишер предположил, что существует фермент, идеально подходящий каждому субстрату по своим физико-химическим свойствам. После образования энзим-субстратного комплекса никаких модификаций не происходит.

Другой американский ученый - Дэниел Кошланд - дополнил теорию Фишера предположением о том, что активный центр фермента может менять свою конформацию до тех пор, пока не подойдет определенному субстрату.

Кинетика ферментативных реакций

Особенности протекания ферментативных реакций изучает отдельная отрасль биохимии - ферментативная кинетика. Эта наука изучает особенности протекания реакций при различных концентрациях ферментов и субстратов, внутри клетки, а также свойства активного центра ферментов в зависимости от изменения физических и химических параметров среды.

Ферментативная кинетика оперирует такими понятиями, как скорость реакции, энергия активации, активационный барьер, молекулярная активность, удельная активность и др. Рассмотрим некоторые из этих понятий.

Чтобы произошла биологическая реакция, реагентам необходимо передать некоторую энергию. Эта энергия называется энергией активации.

Добавление фермента к реагентам позволяет снизить Некоторые вещества на реагируют без участия энзимов, так как энергия активации слишком высока. Равновесие реакции при добавлении фермента не сдвигается.

Скорость реакции - количество продукта реакции, появившееся или исчезнувшее в единицу времени.

Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата характеризует безразмерная физическая величина - константа Михаэлиса.

Молекулярная активность - количество молекул субстрата, преобразованных одной молекулой фермента в единицу времени.

Давно выяснено, что все ферменты являются белками и обладают всеми свойствами белков. Поэтому подобно белкам ферменты делятся на простые и сложные.

Простые ферменты состоят только из аминокислот – например, пепсин , трипсин , лизоцим .

Сложные ферменты (холоферменты ) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот – апофермент , и небелковую часть – кофактор . Примером сложных ферментов являются сукцинатдегидрогеназа (содержит ФАД), аминотрансферазы (содержат пиридоксальфосфат), пероксидаза (содержит гем), лактатдегидрогеназа (содержит Zn 2+), амилаза (содержит Ca2+ ).

Кофактор , в свою очередь, может называться коферментом (НАД+ , НАДФ+ , ФМН, ФАД, биотин) или простетической группой (гем, олигосахариды, ионы металлов Fe2+ , Mg2+ , Ca2+ , Zn2+ ).

Деление на коферменты и простетические группы не всегда однозначно:
если связь кофактора с белком прочная, то в этом случае говорят о наличии простетической группы ,
но если в качестве кофактора выступает производное витамина - то его называют коферментом , независимо от прочности связи.

Для осуществления катализа необходим полноценный комплекс апобелка и кофактора, по отдельности катализ они осуществить не могут. Кофактор входит в состав активного центра, участвует в связывании субстрата или в его превращении.

Как многие белки, ферменты могут быть мономерами , т.е. состоять из одной субъединицы, и полимерами , состоящими из нескольких субъединиц.

Структурно-функциональная организация ферментов

В составе фермента выделяют области, выполняющие различную функцию:

1. Активный центр – комбинация аминокислотных остатков (обычно 12-16), обеспечивающая непосредственное связывание с молекулой субстрата и осуществляющая катализ. Аминокислотные радикалы в активном центре могут находиться в любом сочетании, при этом рядом располагаются аминокислоты, значительно удаленные друг от друга в линейной цепи. В активном центре выделяют два участка:

• якорный (контактный, связывающий) – отвечает за связывание и ориентацию субстрата в активном центре,
• каталитический – непосредственно отвечает за осуществление реакции.

Схема строения ферментов

У ферментов, имеющих в своем составе несколько мономеров, может быть несколько активных центров по числу субъединиц. Также две и более субъединицы могут формировать один активный центр.

У сложных ферментов в активном центре обязательно расположены функциональные группы кофактора.

Схема формирования сложного фермента

2. Аллостерический центр (allos – чужой) – центр регуляции активности фермента, который пространственно отделен от активного центра и имеется не у всех ферментов. Связывание с аллостерическим центром какой-либо молекулы (называемой активатором или ингибитором, а также эффектором, модулятором, регулятором) вызывает изменение конфигурации белка-фермента и, как следствие, скорости ферментативной реакции.

Аллостерические ферменты являются полимерными белками, активный и регуляторный центры находятся в разных субъединицах.

Схема строения аллостерического фермента

В качестве такого регулятора может выступать продукт данной или одной из последующих реакций, субстрат реакции или иное вещество (см "Регуляция активности ферментов ").

Изоферменты

Изоферменты – это молекулярные формы одного и того же фермента, возникшие в результате небольших генетических различий в первичной структуре фермента, но катализирующие одну и ту же реакцию . Изоферменты отличаются сродством к субстрату, максимальной скоростью катализируемой реакции, чувствительностью к ингибиторам и активаторам, условиями работы (оптимум pH и температуры).

Как правило, изоферменты имеют четвертичную структуру, т.е. состоят из двух или более субъединиц. Например, димерный фермент креатинкиназа (КК) представлен тремя изоферментными формами, составленными из двух типов субъединиц: M (англ. muscle – мышца) и B (англ. brain – мозг). Креатинкиназа-1 (КК-1) состоит из субъединиц типа B и локализуется в головном мозге, креатинкиназа-2 (КК-2) – по одной М- и В-субъединице, активна в миокарде, креатинкиназа-3 (КК-3) содержит две М-субъединицы, специфична для скелетной мышцы.

Также существует пять изоферментов лактатдегидрогеназы (роль ЛДГ) – фермента, участвующего в обмене глюкозы. Отличия между ними заключаются в разном соотношении субъединиц Н (англ. heart – сердце) и М (англ. muscle – мышца). Лактатдегидрогеназы типов 1 (Н 4) и 2 (H 3 M 1) присутствуют в тканях с аэробным обменом (миокард, мозг, корковый слой почек), обладают высоким сродством к молочной кислоте (лактату) и превращают его в пируват. ЛДГ-4 (H 1 M 3) и ЛДГ-5 (М 4) находятся в тканях, склонных к анаэробному обмену (печень, скелетные мышцы, кожа, мозговой слой почек), обладают низким сродством к лактату и катализируют превращение пирувата в лактат. В тканях с промежуточным типом обмена (селезенка, поджелудочная железа, надпочечники, лимфатические узлы) преобладает ЛДГ-3 (H 2 M 2).

Еще одним примером изоферментов является группа гексокиназ , которые присоединяют фосфатную группу к моносахаридам гексозам и вовлекают их в реакции клеточного метаболизма. Из четырех изоферментов выделяется гексокиназа IV (глюкокиназа ), которая отличается от остальных изоферментов высокой специфичностью к глюкозе, низким сродством к ней и нечувствительностью к ингибированию продуктом реакции.

Мультиферментные комплексы

В мультиферментном комплексе несколько ферментов прочно связаны между собой в единый комплекс и осуществляют ряд последовательных реакций, в которых продукт реакции непосредственно передается на следующий фермент и является только его субстратом. Возникает туннельный эффект , т.е. субстрат попадает в созданный ферментами "туннель". В результате промежуточные метаболиты избегают контакта с окружающей средой, снижается время их перехода к следующему активному центру и значительно ускоряется скорость реакции.

) и катализирующие конкретные реакции. Такая способность возникает в результате формирования промежуточного продукта при связывании антитела с антигеном (имитация переходного комплекса E-X ферментативной реакции).

Ферментами называются белки, обладающие каталитическими свойствами. В природе существуют как простые, так и сложные ферменты. Первые целиком представлены полипептидными цепями и при гидролизе распа­даются исключительно на аминокислоты. Такими ферментами (простые белки) являются гидролитические ферменты, в частности пепсин, трипсин, папаин, уреаза, лизоцим, рибонуклеаза, фосфатаза и др. Большинство природных ферментов относится к классу сложных белков, содержащих, помимо полипептидных цепей, какой-либо небелковый компонент (кофак­тор), присутствие которого является абсолютно необходимым для ката­литической активности. Кофакторы могут иметь различную химическую природу и различаться по прочности связи с полипептидной цепью. К основным свойствам ферментов как биокатализаторов относят: 1.Высокая активность. 2. Специфичность – способность катализировать превращение субстрата или одного типа связи. Высокая специфичность обусловлена кон­формационной и электростатической комплементарностью между молекулами субстрата и фермента и уникальной структурной организацией активного центра, который состоит из субстратсвязывающего участка(отвечает зв связывание субстрата) и каталитического участка(отвечает за выбор пути хим. превращения субстрата).Различают такие виды специфичности: 1)абсолютная субстратная -ферменты действуют только на 1-н определенный субстрат. Пример, уреаза, сукцинатДГ. 2)групповая специфичность - фермент действует на 1 тип связей(напр., пептидную, эфирную, гликозидную). Пример, липазы, фосфатазы, гексокиназы. 3) стереоспецифичность – фермент действует на 1-н вид оптического изомера и не действует на другой. Она обеспечена цис- и трансизомерией. Например, дрожжи сбраживают D- глюкозу, и не действуют на L- глюкозу.4) каталитическая специфичность – фермент катализирует превращение присоединенного субстрата по одному из возможных путей. 3. Термолабильность . Чем выше Т°, тем медленнее протекает реакция.(З-н Ван Гоффа). Для показателя возрастания скорости химической реакции используют температурный коэффициент ВанзГоффа Q 10 , который указывает на возрастание скорости реакции при повышении Т° на 10°С. Оптимум температуры для ферментов 37-40°, высокая активность 50-60°, выше этого показателя происходит денатурация, ниже 20°-ингибирование. При ингибировании и денатурации сильно снижается ферментативная активность. 4. Зависимость активности ферментов от pH. Каждый фермент проявляет максималь­ную активность при определенном значенииpH. Это значение называется оптимальным pH (для ферментов от 6 до 8). При pH оптимуме между ферментом и субстратом существует наилучшая пространственная и электростатическая комплементарность, которая обеспечи­вает их связывание, образование фермент – субстратного комплекса и дальнейшего его превращения.

Активный центр ф – область молекулы фермента, в которой происходит связывание и превращение субстрата. В простых ферментах активный центр формируется за счет аминокислотных остатков. В формировании актив центра сложных ферментов принимают участие не только аминокислотные остатки, но и небелковая часть (кофермент, простет группа). В активном центре различают каталитический центр, непосредственно вступающий в хим взаимодействие с субстратом, и субстрат-связывающий центр, который обеспечивает специфическое сродство к субстрату и формирование его комплекса с ферментом. Актив центр преимущественно располагается в углублении белковой молекулы. Строение актив центра обуславливает специфичность ферментов – способность катализировать превращение одного субстрата (или группы близкородственных суб-тов) или одного типа связи. Субстратсвязывающий участок активного центра определяет абсолютную и групповую субстратную специфичность, стереоспецифичность, каталитический участок определяет специфичность пути превращения.

Любые воздействия, приводящие к нарушению третичной структуры, приводят к искажению или разрушению структуры актив центра и соответственно потере ферментов каталитических свойств. Если удается восстановить нативную трехмерную структуру белка-фермента, то восстанавливается и его каталитическая активность.

Субстратом (S) называют вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент (Е). Тот участок поверхности молекулы фермента, который непосредственно взаимодействует с молекулой субстрата, называется активным центром фермента . Активный центр фермента образован из остатков аминокислот, находящихся в составе различных участков полипептидной цепи или различных полипептидных цепей, пространственно сближенных. Образуется на уровне третичной структуры белка-фермента . В его пределах различают:

• адсорбционный участок (центр),
• каталитический участок (центр).

Кроме того, вне активного центра фермента встречаются особые функциональные участки; каждый из них обозначают термином аллостерический центр .

Каталитический центр - это та область (зона) активного центра фермента, которая непосредственно участвует в химических преобразованиях субстрата. Формируется он за счет радикалов двух, иногда трех аминокислот, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи. Если фермент является сложным белком, то в формировании каталитического центра нередко участвует простетическая группа молекулы фермента (кофермент). Коферментную функцию выполняют все водорастворимые витамины и жирорастворимый витамин K.

Адсорбционный центр - это участок активного центра молекулы фермента, на котором происходит сорбция (связывание) молекулы субстрата. Он формируется одним, двумя, чаще тремя радикалами аминокислот, которые обычно расположены рядом с каталитическим центром. Главная его функция - связывание молекулы субстрата, и передача этой молекулы каталитическому центру в наиболее удобном положении (для каталитического центра). Эта сорбция происходит только за счет слабых типов связей и потому является обратимой. По мере формирования этих связей происходит конформационная перестройка адсорбционного центра , которая приводит к более тесному сближению субстрата и активного центра фермента, более точному соответствию между их пространственными конфигурациями. Очевидно, что именно структура адсорбционного центра определяет субстратную специфичность фермента , т. е. требования фермента к молекуле химического вещества, чтобы она могла стать для него подходящим субстратом.

Аллостерическими центрами называют такие участки молекулы фермента вне его активного центра, которые способны связываться слабыми типами связей (значит - обратимо) с тем или иным веществом (лигандом). Причем такое связывание приводит к такой конформационной перестройке молекулы фермента, которая распространяется и на активный центр, облегчая, либо затрудняя (замедляя) его работу. Соответственно такие вещества называются аллостерическими активаторами или аллостерическими ингибаторами данного фермента . Термин "аллостерический" (т. е. "имеющий иную пространственную структуру") появился в связи с тем, что эти эффекторы по своей пространственной конфигурации совсем не похожи на молекулу субстрата данного фермента (и потому не могут связываться с активным центром фермента). Было сделано заключение, что и аллостерический центр не похож по своей структуре на активный центр фермента. Аллостерические центры найдены не у всех ферментов. Они есть у тех ферментов, работа которых может изменяться под действием гормонов, медиаторов и других биологически активных веществ.

Основные свойства ферментов как биологических катализаторов :

• Влияние на скорость химической реакции : ферменты увеличивают скорость химической реакции, но сами при этом не расходуются.
• Специфичность действия ферментов . В клетках организма протекает 2-3 тысячи реакций, каждая из которые катализирутся определенным ферментом. Специфичность действия фермента – это способность ускорять протекание одной определенной реакции, не влияя на скорость остальных, даже очень похожих. Различают абсолютную – когда фермент катализирует только одну определенную реакцию (аргиназа – расщепление аргинина), относительную (групповую спец) – фермент катализирует определенный класс реакций (например гидролитическое расщепление) или реакции при участии определенного класса веществ. Специфичность ферментов обусловлена их уникальной аминокислотной последовательностью, от которой зависит конформация активного центра, взаимодействующего с компонентами реакции.
• Активность ферментов – способность в разной степени ускорять скорость реакции. Активность выражают в Международных единицах активности – (МЕ) количество фермента, катализирующего превращение 1 мкМ субстрата за 1 мин. Активность зависит в первую очередь от температуры. При понижении температуры, замедляется броуновское движение, уменьшается скорость диффузии и, следовательно, замедляется процесс образования комплекса между ферментом и компонентами реакции (субстратами). В случае повышения температуры выше +40 - +50 °С молекула фермента, которая является белком, подвергается процессу денатурации. При этом скорость химической реакции заметно падает.