Что такое активный центр в биологии. Активный центр: специфичность действия ферментов

АКТИВНЫЙ ЦЕНТР АКТИВНЫЙ ЦЕНТР

В энзимологии, часть молекулы фермента, ответственная за присоединение и превращение субстрата. Образуется функциональными группами аминокислотных остатков, расположенными строго определённым образом в пространстве за счёт сближения отд. участков полипептидной цепи. Структура А. ц. соответствует (комплементарна) химич. строению субстрата, благодаря чему достигается специфичность действия ферментов. Часто в построении А. ц. участвуют коферменты или атомы металлов. В одной молекуле фермента может быть неск. А. ц. В иммунологии А. ц.- участки молекул антитела, связывающиеся с бактериями, вирусами или др. антигенами.

.(Источник: «Биологический энциклопедический словарь.» Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Бабаев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. - 2-е изд., исправл. - М.: Сов. Энциклопедия, 1986.)

Смотреть что такое "АКТИВНЫЙ ЦЕНТР" в других словарях:

См. центр активный. (Источник: «Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа, 2006 г.) Активный центр 1) хим группа молекул, определяющая специфичность их действия, 2) см. Паратопы (Источник: «Словарь терминов микробиологии») … Словарь микробиологии

Большой Энциклопедический словарь

активный центр - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN active nucleus … Справочник технического переводчика

В энзимологии участок в молекулах ферментов, непосредственно взаимодействующий с субстратом. В состав активного центра входят функциональные группы аминокислот (гистидина, цистеина, серина и др.), а также во многих случаях атомы металлов и… … Энциклопедический словарь

активный центр - aktyvusis centras statusas T sritis chemija apibrėžtis Labai veiklus molekulės arba katalizatoriaus fragmentas. atitikmenys: angl. active center; active site rus. активный центр … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

В энзимологии участок в молекулах ферментов, непосредственно взаимодействующий с субстратом. В состав А. ц. входят функциональные группы аминокислот (гистидина, цистеина, серина и др.), а также во мн. случаях атомы металлов и коферменты. В,им… … Естествознание. Энциклопедический словарь

- … Википедия

Активный центр особая часть молекулы фермента, определяющая её специфичность и каталитическую активность. Активный центр непосредственно осуществляет взаимодействие с молекулой субстрата или с теми её частями, которые непосредственно… … Википедия

Активный центр согласно ИЮПАК это особая часть молекулы фермента, определяющая её специфичность и каталитическую активность. Активный центр непосредственно осуществляет взаимодействие с молекулой субстрата или с теми её частями, которые… … Википедия

Активный центр фермента - * актыўны цэнтр фермента * enzyme active centre специфический участок на поверхности фермента, благодаря которому он проявляет специфичность в отношении субстрата. Ферменты, состоящие из одной полипептидной цепи, обладают одним активным центром … Генетика. Энциклопедический словарь

8.7.1. В клеточном содержимом ферменты распределены не хаотически, а строго упорядоченно. При помощи внутриклеточных мембран клетка разделена на отсеки или компартменты (рисунок 8.18). В каждом из них осуществляются строго определенные биохимические процессы и сосредоточены соответствующие ферменты или полиферментные комплексы. Вот несколько характерных примеров.

Рисунок 8.18. Внутриклеточное распределение ферментов различных метаболических путей.

В лизосомах сосредоточены преимущественно разнообразные гидролитические ферменты. Здесь протекают процессы расщепления сложных органических соединений на их структурные компоненты.

В митохондриях находятся сложные системы окислительно-восстановительных ферментов.

Ферменты активирования аминокислот распределены в гиалоплазме, но они же есть и в ядре. В гиалоплазме присутствуют многочисленные метаболоны гликолиза, структурно объединенные с таковыми пентозофосфатного цикла, что обеспечивает взаимосвязь дихотомического и апотомического путей распада углеводов.

В то же время ферменты, ускоряющие перенос аминокислотных остатков на растущий конец полипептидной цепи и катализирующие некоторые другие реакции в процессе биосинтеза белка, сосредоточены в рибосомальном аппарате клетки.

В клеточном ядре локализованы в основном нуклеотидилтрансферазы, ускоряющие реакцию переноса нуклеотидных остатков при новообразовании нуклеиновых кислот.

8.7.2. Распределение ферментов по субклеточным органеллам изучают после предварительного фракционирования клеточных гомогенатов путем высокоскоростного центрифугирования, определяя содержание ферментов в каждой фракции.

Локализацию данного фермента в ткани или клетке часто удается установить in situ гистохимическими методами («гистоэнзимология»). Для этого тонкие (от 2 до 10 мкм) срезы замороженной ткани обрабатывают раствором субстрата, к которому специфичен данный фермент. В тех местах, где находится фермент, образуется продукт катализируемой этим ферментом реакции. Если продукт окрашен и нерастворим, он остается на месте образования и позволяет локализовать фермент. Гистоэнзимология дает наглядную и в известной мере физиологичную картину распределения ферментов.

Ферментные системы ферментов, сосредоточенные во внутриклеточных структурах, тонко координированы друг с другом. Взаимосвязь катализируемых ими реакций обеспечивает жизнедеятельность клеток, органов, тканей и организма в целом.

При исследовании активности различных ферментов в тканях здорового организма можно получить картину их распространения. Оказывается, что некоторые ферменты широко распространены во многих тканях, но в разных концентрациях, а другие очень активны в экстрактах, полученных из одной или нескольких тканей, и практически отсутствуют в остальных тканях организма.

Рисунок 8.19. Относительная активность некоторых ферментов в тканях человека, выраженная в процентах от активности в ткани с максимальной концентрацией данного фермента (Мосс, Баттерворт, 1978).

8.7.3. Понятие об энзимопатиях. В 1908 году английский врач Арчибальд Гаррод высказал предположение, что причиной ряда заболеваний может являться отсутствие какого-либо из ключевых ферментов, участвующих в обмене веществ. Он ввёл понятие "inborn errors of metabolism" (врождённый дефект обмена веществ). В дальнейшем эта теория была подтверждена новыми данными, полученными в области молекулярной биологии и патологической биохимии.

Информация о последовательности аминокислот в полипептидной цепи белка записана в соответствующем участке молекулы ДНК в виде последовательности тринуклеотидных фрагментов - триплетов или кодонов. Каждый триплет кодирует определённую аминокислоту. Такое соответствие называется генетическим кодом. Причём некоторые аминокислоты могут быть закодированы при помощи нескольких кодонов. Существуют также специальные кодоны, являющиеся сигналами для начала синтеза полипептидной цепи и его прекращения. К настоящему времени генетический код полностью расшифрован. Он является универсальным для всех видов живых организмов.

Реализация информации, заложенной в молекуле ДНК, включает несколько этапов. Сначала в клеточном ядре в процессе транскрипции синтезируется матричная РНК (мРНК), поступающая в цитоплазму. В свою очередь, мРНК служит матрицей для трансляции - синтеза полипептидных цепей на рибосомах. Таким образом, природа молекулярных болезней определяется нарушением структуры и функции нуклеиновых кислот и контролируемых ими белков.

8.7.4. Поскольку информация о структуре всех белков клетки содержится в последовательности нуклеотидов ДНК, а каждая аминокислота определяется триплетом нуклеотидов, изменение первичной структуры ДНК может в конечном счёте оказать глубокое влияние на синтезируемый белок. Подобные изменения происходят за счёт ошибок репликации ДНК, когда одно азотистое основание заменяется другим, либо в результате действия радиации или при химической модификации. Все возникшие таким образом наследуемые дефекты называются мутациями . Они могут приводить к неправильному считыванию кода и делеции (выпадению) ключевой аминокислоты, замене одной аминокислоты другой, преждевременной остановке белкового синтеза или добавлению аминокислотных последовательностей. Учитывая зависимость пространственной упаковки белка от линейной последовательности в нём аминокислот, можно полагать, что подобные дефекты способны изменить структуру белка, а значит, и его функцию. Тем не менее, многие мутации обнаруживаются только в лабораторных условиях и не оказывают вредного воздействия на функции белка. Таким образом, ключевым моментом является локализация изменений в первичной структуре. Если положение замененной аминокислоты окажется критическим для формирования третичной структуры и образования каталитического центра фермента, то мутация является серьёзной и может проявиться как заболевание.

Последствия недостаточности одного фермента в цепи реакций обмена веществ могут проявляться по-разному. Предположим, что превращение соединения A в соединение B катализирует фермент Е и что соединение C встречается на альтернативном пути превращений (рисунок 8.20):

Рисунок 8.20. Схема альтернативных путей биохимических превращений.

Последствиями недостаточности фермента могут быть следующие явления:

1. недостаточность продукта ферментативной реакции (B ). В качестве примера можно указать на снижение содержания глюкозы в крови при некоторых формах гликогенозов;
2. накопление вещества (A ), превращение которого катализирует фермент (например, гомогентизиновая кислота при алкаптонурии). При многих лизосомных болезнях накопления, вещества, в норме подвергающиеся гидролизу в лизосомах, накапливаются в них в связи с недостаточностью одного из ферментов;
3. отклонение на альтернативный путь с образованием некоторых биологически активных соединений (C ). К этой группе явлений относится экскреция с мочой фенилпировиноградной и фенилмолочной кислот, образующихся в организме больных фенилкетонурией в результате активации вспомогательных путей распада фенилаланина.

Если метаболическое превращение в целом регулируется по принципу обратной связи конечным продуктом, то эффекты двух последних типов аномалий будут более значительными. Так, например, при порфириях (врождённых нарушениях синтеза гема) устраняется подавляющего эффекта гема на начальные реакции синтеза, что приводит к образованию избыточных количеств промежуточных продуктов метаболического пути, которые обладают токсическим действием на клетки кожи и нервной системы.

Факторы внешней среды могут усиливать или даже полностью определять клинические проявления некоторых врождённых нарушений обмена веществ. Например, у многих пациентов с недостаточностью глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы заболевание начинается только после приёма таких лекарственных средств, как примахин. В отсутствие контактов с лекарственными средствами такие люди производят впечатление здоровых.

8.7.5. О недостаточности фермента обычно судят косвенно по повышению концентрации исходного вещества, которое в норме подвергается превращениям под действием данного фермента (например, фенилаланин при фенилкетонурии). Прямое определение активности таких ферментов проводят только в специализированных центрах, но по возможности диагноз следует подтверждать этим методом. Пренатальная (дородовая) диагностика некоторых врождённых нарушений метаболизма возможна путём иследования клеток амниотической жидкости, полученных на ранних стадиях беременности и культивируемых in vitro.

Некоторые врождённые нарушения метаболизма поддаются лечению путём доставки в организм недостающего метаболита или путём ограничения поступления в желудочно-кишечный тракт предшественников нарушенных процессов обмена веществ. Иногда могут быть удалены накапливающиеся продукты (например, железо при гемохроматозе).

Любая ферментативная реакция начинается с взаимодействия субстрата, в большинстве случаев, небольшой по размерам молекулы, с активным центром фермента. Под активным центром фермента понимают совокупность аминокислотных остатков, осуществляющих связывание (сорбцию) субстрата, его химическую активацию и превращение. Активный центр белковой молекулы фермента имеет сложную конфигурацию; он включает как полярные (гидрофильные), так и неполярные (гидрофобные) группы.

Структура активного центра фермента складывается из двух составляющих:

1) сорбционного участка (подцентра, сайта), ответственного за связывание, фиксацию и ориентацию субстратов; свойства этого центра определяют специфичность действия фермента;

2) каталитического участка (подцентра, сайта), осуществляющего химическое превращение молекул субстрата и использующего для этих целей, как правило, общий кислотно-основной катализ.

Аминокислотные остатки, образующие каталитический центр однокомпонентного фермента, расположены в различных точках единой полипептидной цепи. Поэтому активный центр, представляющий собой уникальное сочетание нескольких аминокислотных остатков, возникает в тот момент, когда белковая молекула приобретает присущую ей третичную структуру. Чаще всего в активных центрах однокомпонентных ферментов встречаются остатки Ser , His , три, Arg , Cys , Asp , Glu и Tyr . Изменение третичной структуры фермента под влиянием тех или иных факторов может привести к деформации активного центра и изменению ферментативной активности.

Активный центр двухкомпонентных ферментов представлен небелковым компонентом – коферментом (простетической группой) и несколькими выше приведенными минокислотными остатками.

Характерной особенностью cложных или двухкомпонентных ферментов является то, что ни белковая часть, ни добавочная группа в отдельности не обладают заметной каталитической активностью. Только их комплекс проявляет ферментативные свойства. При этом белок резко повышает каталитическую активность добавочной группы, присущую ей в свободном состоянии в очень малой степени; добавочная же группа стабилизирует белковую часть и делает ее менее уязвимой к денатурирующим агентам. Таким образом, хотя непосредственным исполнителем каталитической функции является простетическая группа, образующая каталитический центр, ее действие немыслимо без участия полипептидных фрагментов белковой части фермента.

В апоферменте есть участок, характеризующийся специфической структурой, избирательно связывающий кофермент. Это так называемый кофермент связывающий домен ; его структура у различных апоферментов, соединяющихся с одним и тем же коферментом, очень сходна. Таковы, например, пространственные структуры нуклеотидсвязывающих доменов ряда дегидрогеназ (рис. 1.5.1).

Рис. 1.5.1. Активный центр глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы

Методы изучения активных центров ферментов

Представление об активном центре сформировалось в результате анализа данных по ингибированию реакций и химической модификации белковой молекулы. Необратимые ингибиторы блокируют каталитическую активность фермента, осуществляя химическую модификацию одной из групп, участвующих в каталитическом превращении субстрата. Обратимые ингибиторы, образуя комплекс с функциональной группой белка, вызывают либо существенное изменение свойств данной группы (неконкурентные ингибиторы), либо конкурентно блокируют сорбцию (комплексообразование) субстрата в области каталитического центра.

Рассмотрим некоторые примеры.

Сериновые протеазы и эстеразы. Каталитически активной группой многих ферментов является гидроксильная группа серина. В активном центре эта спиртовая группа играет роль нуклеофильного реагента в реакциях нуклеофильного замещения при гидролизе сложных эфиров, амидов, пептидов. Представителем семейства сериновых протеаз является простагландин-Н-синтаза, участвующая в метаболизме арахидоновой кислоты.

Простагландин-Н-синтаза. Аспирин (ацетилсалициловая кислота) представляет собой нестероидный противовоспалительный лекарственный препарат. Физиологическое действие препарата связано с его способностью ацетилировать Ser-514, входящий в центр сорбции арахидоновой кислоты - субстрата ПНС.

Рис. 1.5.2. Блокирование гидроксильной группы серина в активном центре простагландин-Н-синтазы

Аспирин выступает необратимым ингибитором лимитирующего фермента синтеза простагландинов. Последующий гидролиз модифицированного белка и анализ продуктов гидролиза позволили идентифицировать центр модификации фермента.

Несмотря на то, что метод химической модификации позволяет получить весьма важную информацию о природе активных центров ферментов, он имеет и определенные недостатки.

Функциональные группы белка, составляющие активный центр, могут быть замаскированы полипептидной цепью или остатками других аминокислот, что делает группы активного центра недоступными для реагента-модификатора. Химическая модификация, как правило, не является избирательной, химической реакции подвергаются сразу несколько аминокислотных остатков в белке. Это ведет к существенному изменению структуры белка, развитию инактивационных и денатурационных процессов, что может привести к потере ферментом каталитической активности даже в том случае, если химически модифицировались остатки, не входящие в каталитический центр. Выводы об участии тех или иных функциональных групп аминокислот в каталитическом процессе на основе данных по химической модификации белка могут быть сделаны с известной осторожностью и оговорками.

Таким образом, метод химической модификации не позволяет получить исчерпывающую информацию об участниках каталитического акта.

Как правило, для такого рода выводов требуются независимые структурные исследования.

Ситуация становится более однозначной, если химический модификатор встраивается в структуру специфического субстрата или ингибитора фермента. В этом случае модификатор адресно направляется в активный центр, что существенно увеличивает вероятность химической реакции с функциональной группой активного центра.

Новые возможности идентификации групп, входящих в активные центры ферментов, появились с развитием техники сайт-специфического мутагенеза. Для ферментов, экспрессию генов которых можно организовать с помощью генно-инженерных конструкций типа плазмид, оказалась возможной замена отдельных аминокислот на уровне ДНК с последующей экспрессией и изучением каталитических свойств получаемых белков. Это позволяет получить важную информацию об участии той или иной аминокислоты данного фрагмента полипептидной цепи в каталитическом акте. Однако и в этом случае при интерпретации результатов необходима известная осторожность, поскольку в белках имеется большое число аминокислот, формирующих структуру активного центра, но не принимающих непосредственное участие в акте катализа.

Окончательная информация о структуре активного центра активного центра может быть получена методом рентгеноструктурного анализа (РСА) и спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) высокого разрешения. В первом случае исследование проводят на кристаллах фермента, во втором ‒ исследуют растворы фермента. Для идентификации групп, принимающих участие в катализе, обычно используют образование комплекса ферментов с ингибиторами или мало реакционноспособными аналогами субстратов (т.н. квазисубстратами).

Метод РСА впервые был использован Липскомбом с сотрудниками при анализе активного центра карбоксипептидазы А. На рис. 1.5.3. показана структура карбоангидразы по данным рентгеноструктурного анализа.

Рис. 1.5.3. Третичная структура карбоангидразы по данным рентгеноструктурного анализа: а) общий вид ферментной глобулы; б) пространственное расположение аминокислотных остатков

Структуру и свойства каждого белка определяет последовательность аминокислот. В настоящее время становится очевидным, что при большой вариабельности белков некоторые элементы структуры являются консервативными, и эти элементы в значительной степени определяют функцию белковой молекулы. Это особенно характерно для белков, выполняющих каталитическую функцию. Например, для гидролаз, составляющих около трети всех известных ферментов (приблизительно 1100 из 3700), типов структур каталитических центров всего четыре.

Чтобы ответить на вопросы, какие химические структуры образуют каталитический центр, каким образом аминокислоты, расположенные на разных, зачастую удаленных друг от друга участках полипептидной цепи, находят друг друга и формируют уникальную структуру, ‒ используют методы биоинформатики.

По мнению энзимологов в рамках одного суперсемейства ферментов сорбционный сайт, отвечающий за специфичность, может быть представлен многими вариантами аминокислотных остатков, соответствующими вариантам структуры субстратов. В то же время каталитические сайты, число типов которых весьма ограничено, являются консервативными (незаменимыми) элементами структуры. Для подтверждения этого положения был использован биоинформационный подход, основанный на сравнении последовательностей аминокислот в белках, объединенных в одно крупное семейство.

Был проведен анализ нескольких больших семейств ферментов, представленных в базе данных HSSP (www.sander.embl-heidelberg.de/ ). Выбор семейств ферментов был сделан на основании следующих критериев:

1) число анализируемых представителей семейства должно быть более 100; это необходимо для обеспечения статистической достоверности результатов;

2) для анализа следует выбирать семейства ферментов различных классов (оксидоредуктазы, гидролазы, изомеразы и т.д.);

3) по возможности следует выбирать ферменты, для которых установлена структура активных центров и с высокой степенью достоверности изучен механизм катализа.

Проведенный анализ показал, что в полипептидной цепи большая часть позиций аминокислот высоко вариабельна, это означает, что функционирование фермента не зависит от того, какую позицию занимает та или иная аминокислота. В то же время имеются позиции аминокислот, которых относительно немного. Эти позиции и соответствующие им аминокислоты называют консервативными. Именно они играют особую роль в функционировании фермента. Что же это за аминокислоты, и какова их роль?

Биоинформационный анализ ферментов всех классов показал, что наиболее часто консервативной аминокислотой является глицин. По рейтингу консервативности аминокислоты располагаются в следующем ряду: глицин > аспарагиновая кислота > цистеин > пролин > гистидин > аргинин > глутаминовая кислота. Это наиболее важные аминокислоты в ферментативном катализе. В сумме глицин и аспарагиновая кислота составляют примерно 50% всех консервативных аминокислот. Из наиболее часто встречающихся консервативных элементов структуры ферментов можно отметить глицин, аспарагиновую кислоту, цистеин, пролин и гистидин. Эти аминокислоты составляют примерно 70% всех консервативных элементов. Метионин и изолейцин практически никогда не бывают консервативными.

В свою очередь наиболее консервативные аминокислоты можно разделить на две принципиально разные группы:

1) аминокислоты, участвующие в активации молекул субстрата в качестве кислот и оснований (аспарагиновая кислота и гистидин);

2) аминокислоты, формирующие геометрию активного центра (глицин, цистеин, пролин).

Таким образом, статистический анализ показал, что каталитическую функцию фермента и архитектуру активного центра формирует небольшая, но определенная часть аминокислот, занимающих строго фиксированные позиции в полипептидной цепи. Консервативные аминокислоты являются либо кислотами или основаниями (электрофильные и нуклеофильные агенты), формирующими каталитический сайт, либо важными структурообразующими аминокислотами, формирующими структуру белка в целом.

Каталитическую функцию выполняют аспарагиновая кислота, гистидин, аргинин, и глутаминовая кислота. Структурообразующими аминокислотами являются глицин, цистеин, и пролин. Глицин и пролин, обеспечивающие возможность поворота цепи, необходимы для того, чтобы активный центр был образован аминокислотами, расположенными на разных участках полипептидной цепи. А цистеин необходим для фиксации необходимой конформации полипептидной цепи.

Природа сформировала активные центры ферментов из ограниченного числа компонентов. Большая часть активных центров ферментов всех классов сформирована из аспарагиновой и глутаминовой кислот, из гистидина и аргинина, из ионов нескольких металлов. Как следствие, число типов каталитических центров невелико. Например, для гидролаз, составляющих около трети всех известных ферментов, можно идентифицировать всего четыре основных типа структуры. Эффективные комбинации каталитических групп, характерные для одних реакций, природа активно использует для организации каталитических центров других типов реакций.

Полипептидная цепь обеспечивает организацию каталитических групп в активные центры. Как известно, в растворе практически исключены трехмолекулярные реакции и реакции более высоких порядков. В ферментативных процессах в реакции участвуют четыре (или пять) остатков различных аминокислот, организованных в полипептидную цепь. Ферментативный катализ не использует сильных химических агентов; компоненты, составляющие активные центры, ‒ это относительно слабые кислоты и основания. Однако они хорошо организованы в пространстве и, как следствие, весьма эффективны.

Примеры активных центров некоторых ферментов

Остановимся на ферментах класса гидролаз, для большинства которых идентифицированы группы, составляющие каталитически активные центры, и созданы обоснованные представления о взаимодействии этих групп в механизме каталитического цикла.

По структуре активных центров и механизму действия гидролазы условно можно разделить на 4 основных типа.

1. Гидролазы, содержащие в активном центре аспарагиновую или глутаминовую кислоту (лизоцим-пепсиновый тип).

2. Гидролазы, содержащие в активном центре гидроксильную группу серина, треонина или цистеина и цепь переноса протонов, активирующую эту группу (тип химотрипсина); гидролазы, использующие имидазольную группу гистидина непосредственно для активации воды (тип панкреатической рибонуклеазы).

3. Гидролазы, использующие комплексы Zn 2+ или Со 2+ для активации воды и субстрата (тип щелочной фосфатазы, карбоксипептидазы А).

4. Гидролазы, использующие ионы Мg 2+ или Мn 2+ для активации воды и субстрата (тип пирофосфатазы).

Химотрипсин. В активный центр входят Ser-195, His-57, Asp-102.

Рис. 1.5.4. Структура химотрипсина

Лактатдегидрогеназа. Это NAD + -зависимая дегидрогеназа. Осуществляет обратимое окисление-восстановление органических молекул, при этом в качестве донора (акцептора) гидрид-иона выступает кофермент. Каталитически активные группы фермента представлены Arg-165, His-194, Arg-105. Все эти аминокислоты являются консервативными. Молочная или пировиноградная кислоты фиксируются в активном центре с помощью положительного заряда Arg-168. Участниками каталитического процесса являются протон-транспортная цепь His-194-Asp-165 и Arg-105.

Рис. 1.5.5. Структура лактатдегидрогеназы

(а) Схематическое изображение тетрамера и (b) - отдельной субъединицы; (с) Модель NAD + -связывающего региона. Никотинамидное кольцо NAD + связывается между цепями d и е, а адениновое кольцо – между а и b.

На рис. 1.5.6. приведены возможные типы связей, участвующих в присоединении NAD + в активном центре ЛДГ.

Рис. 1.5.6. Связывание NAD + лактатдегидрогеназой

Линии, показанные точками – водородные связи, перекрестные линии – электростатические взаимодействия, аминокислотные остатки в рамках – гидрофобные взаимодействия

Триозофосфатизомераза. Каталитически важные группировки активного центра фермента представлены Glu-165 и His-95.

Рис. 1.5.7. Структура субъединицы триозофосфатизомеразы дрожжей

Глицин, цистеин и пролин как структурообразующие аминокислоты

Глицин в силу особенностей его строения не участвует в химических актах активации молекул в каталитическом цикле. Не обладая заместителем у α-углеродного атома, глицин лишен выраженной химической функции. Тем не менее наличие глицина в структуре белка очень важно. Так, сайт-специфическая замена глицина в консервативных позициях на любую из аминокислот приводит, как правило, к полной потере (или существенному снижению) активности фермента.

По-видимому, глицин в консервативных позициях важен по следующим причинам.

1. Являясь уникальной аминокислотой с наиболее энергетически облегченным вращением вокруг связей С-N и С-С полипептидной цепи, глицин может играть роль узловой точки, обеспечивающей возможность изменения направления полипептидной цепи при «сборке» аминокислотных остатков в активный центр. Таким образом, наличие консервативных глицинов позволяет объяснить структурный парадокс ферментативного катализа, когда одинаковые активные центры «собираются» из абсолютно разных полипептидных цепей. Общим для этих цепей являются наличие глицина в консервативных позициях и возможность стабилизации собранной структуры, например, за счет дисульфидных связей (цистеин также проявляет высокую степень консервативности, занимая третью позицию в рейтинге консервативности).

2. Глицин в консервативных позициях может играть роль конформационных «шарниров», обеспечивая возможность «сборки» активного центра и известную конформационную подвижность. Подтверждением этому служит то, что во многих случаях вблизи каталитически активных групп можно обнаружить глицин в консервативных позициях. Например, для гидролаз различных семейств консервативными являются следующие мотивы: Asp-215-X-Gly-217 (пепсин); Asp-170-Xаа-Xаа-Gly-173 (термолизнн); Gly-173-Xаа-Ser-177 (трипсин); His-76-Gly-77, Ser-153-Xаа-Gly-155, Gly-175-Xаа-Asp-177 (липазы). Здесь Хаа ‒ произвольная аминокислота. Аминокислоты Asp, His, Ser в указанных ферментах входят в структуру активных центров.

Превращение исходного субстрата в конечные продукты в ферментативном катализе сопряжено с участием большого числа интермедиатов с отличной от исходного субстрата структурой. Глицины активного центра могут играть роль «релаксирующих» элементов, конформационно подстраивая активный центр для следующего элементарного акта.

Существенную роль в формировании архитектуры активного центра играют цистеин и пролин (соответственно 3-я и 4-я позиции в рейтинге консервативных аминокислот). Пролин, как известно, является уникальной аминокислотой, разворачивающей полипептидную цепь. Роль цистеина заключается в том, что необходимая конформация активного центра, складывающаяся из различных участков полипептидной цепи, фиксируется химической связью в виде дисульфидного мостика. Для многих ферментов это завершает формирование архитектуры активного центра.

Таким образом, активный центр состоит из ряда функциональных групп, определенным образом ориентированных в пространстве. Среди них различают группы, входящие в состав каталитического сайта активного центра, и группы, образующие сайт, обеспечивающий специфическое сродство, т.е. связывание субстрата ферментом – так называемый контактный или «якорный» участок. Это деление достаточно условно, поскольку взаимодействия в контактном участке фермента при образовании фермент-субстратного комплекса, оказывает существенное влияние на скорость и направление превращений в каталитическом участке.

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.