Функциональные центры ферментов, механизм действия ферментов

Уско рение химических реакции

Современный взгляд на механизм действия ферментов базируется на представлении о том, что в процессе своего функционирования ферменты вступают в прямое взаимодействие с субстратами, с образованием нестабильных энцим-субстратных комплексов (ES)

 

•   E – фермент

•   S – субстрат

•   P – продукт реакции

•   ES и EP – нестабильные комплексы фермента с субстратом и с продуктом реакции.

Наличие ES комплексов удалось подтвердить прямыми экспериментальными наблюдениями, пространственная структура некоторых ES-комплексов изучена с помощью рентгеноструктурного  анализа, а так же удалось выделить некоторые ES –комплексы в чистом виде

Функциональные центры

1. Активный центр

1. Регуляторные центры

1. Контактные площадки

АКТИВНЫЕ ЦЕНТРЫ

Осознание того, что в большинстве случаев в образовании ES –комплекса участвует макромолекула РНК-ферментов и чаще небольшая молекула субстрата, навело на мысль, что в этом белок-лигандном взаимодействии участвует сравнительно небольшой участок поверхности фермента

Активный центр – участок поверхности фермента, ответственный за связывание субстрата и его дальнейшие превращения.

 

Взаимодействие фермента с субстратом этапы:

1. Специфическое связывание субстрата
2. Осуществление перестройки субстрата, т.е. осуществление химической реакции,
3. Высвобождение продуктов реакции

Поверхность любого фермента представляет собой мозаику радикалов АК,

Взаимодействие белка с лигандом – специфичное взаимодействие, которое базируется на принципе комплементарности. Специфичность взаимодействия фермента  со своим субстратом -лигандом обеспечивается комплементарностью участка поверхности субстрата и активного центра фермента 

В образовании активного центра принимает участие не более 10-12 АК-ых радикалов, которые определенным образом ориентированы по отношению друг к другу, причем эти АК-ые остатки могут далеко располагаться по ходу полипептидной цепи друг от друга, но при образовании третичной структуры – нативной конформации белка-фермента, они сближаются и формируют пространственную структуру активного центра

Например, при образовании активного центра химотрипсина, принимает участие всего 4 АК-ых остатка, это гистидин-57, гистидин-40, серин-195, аспартат 102

В то же время далеко не все имеющиеся в структуре химотрипсина остатки гистидина, серина и аспартата  участвуют в образовании активного центра,

например, в химотрипсине в образовании активного центра принимает участие  только один остаток серина из 26 имеющихся.

 

Элемент активного центра

К составным элементам активного центра относят участки остова полипептидной цепи, которые удерживают АК-ые радикалы в определенном пространственном расположении друг к другу

Элемент

В активный центр входит кофактор, если фермент представляет собой сложный белок

Исключение: ионы металлов, обычно они отличаются в  стабилизации третичной или четвертичной структуры

В активном центре условно выделяют 2 участка (2 центра)

1. Субстратный участок – якорная площадка – связывание субстрата лиганда

2. Каталитический участок – непосредственно обеспечивает катализ превращения субстрата (входят кофакторы)

В связывании субстрата, как и в катализе, важнейщая роль принадлежит функциональным группам, имеющимся в радикалах АК-т, которые образуют активные центры

Функциональные группы:

1. Гидроксильная группа

a. Серин –ОН

b. Тирозин –ОН

c. Треонин –ОН

2. Сульфгидринная меркаптогруппа

a. Цистеин - SН

3. Карбоксильная группа

a. Глутамата -СООН

b. Аспартата –СООН

4. Аминогруппа

a. Лизин –NН₂

b. Аргинин - NН₂

5. группировки CO и NH остова полипептидной цепи

важную роль в связывании субстрата могут иметь гидрофобные радикалы АК-т: валин, глицин, триптофан, метионин и фенилаланин

 как правило активный центр фермента часто имеет вид углубления или щели на поверхности ферментов, у ферментов имеющих доменную структуру активный центр часто располагается в щели между прилегающими друг к другу доменами,  

некоторые ферменты в своей структуре имеют несколько одинаковых протомеров, иногда в одном из них имеется одинаковые активные центры, в некоторых случаях в ферменте в пределах даже одной полипептидной цепи может быть несколько разных активных центров, такие ферменты получили название – Полифункциональные ферменты

К ним относится фермент – пальметоилситетаза – синтез пальметиновой кислоты

 

РЕГУЛЯТОРНЫЕ ЦЕНТРЫ

§ аллостерический центр

§ центр ковалентной модификации

§ центр белок-белкового взаимодействия

КОНТАКТНЫЕ ПЛОЩАДКИ

 

ферменты, имеющие в своей структуре регуляторные центры, получили название регуляторные ферменты

Не все ферменты имеют полный набор названных функциональных центров. Некоторые ферменты имеют всего один активный центр, есть ферменты, имеющие несколько активных центров, а некоторые ферменты вооружены несколькими активными центрами и несколькими регуляторными центрами.

 

Аллостерический центр (аллос – другой, иной) – регуляторный функциональный центр, который расположен вне активного центра

Аллостерический центр – участок на поверхности молекулы белка – фермента, образованный определенным набором АК-ых радикалов, но его трехмерная структура комплементарна не субстрату, а тому или иному низкомолекулярному леганду, который выступает в качестве регулятора активности фермента

Примеры аллостерических модуляторов:

•  цAMФ

•  ATФ

•  НАДH

•  Н3РО4

Если к аллостерическому центру присоединяется аллострерический модулятор, это приводит к изменению конформации фермента, которое сопровождается изменением пространственной структуры активного центра, поэтому изменяется эффективность катализа, причем может изменяться способность активного центра связывать субстрат, может меняться способность осуществлять непосредственное химическое превращение субстрата

• Аллостерический активатор – повышает каталитическую активность фермента.

• Аллостерический ингибитор – снижает каталитическую активность фермента.

 

Например: фосфофруктокиназа – катализирует фосфолирирование фруктозо-6-фосфата (одна из реакции гликолиза, т.е. окислительного расщепления белков)

Аллостерические ингибиторы для данного фермента:

•  ATФ

•  Цитрат(лимонная кислота)

Аллостерический активатор:

• AДФ

Связывание лигандного модулятора осуществляется только за счет слабых взаимодействий: гидрофобные и электростатические, поэтому такое связывание  обратимо, значит возможет возврат фермента в исходное состояние, в итоге суммарно-ферментативная активность будет в значительной степени определяться концентрацией аллостерического модулятора

Аллостерические ферменты имеют четвертичную структуру, причем  обычный регуляторный центр находится на одном протомере, а активный центр на другом

В целом ряде случает один и тот же фермент имеет в своей структуре 2 и более аллостерических центра, которые комплементарны различным лигандным регуляторам

В этом случае сродство фермента к конкретному аллостерическому модулятору  зависит от состояния других аллостерических центров