ÑÒÐÎÅÍÈÅ ÔÅÐÌÅÍÒÎÂ
Ïî ñòðîåíèþ ôåðìåíòû ìîãóò áûòü
îäíîêîìïîíåíòíûìè, ïðîñòûìè áåëêàìè, è
äâóõêîìïîíåíòíûìè, ñëîæíûìè áåëêàìè. Âî âòîðîì
ñëó÷àå â ñîñòàâå ôåðìåíòà îáíàðóæèâàåòñÿ
äîáàâî÷íàÿ ãðóïïà íåáåëêîâîé ïðèðîäû.
 ðàçíîå âðåìÿ âîçíèêëè ðàçëè÷íûå íàèìåíîâàíèÿ
áåëêîâîé ÷àñòè è äîáàâî÷íîé ãðóïïû â
äâóõêîìïîíåíòíûõ ôåðìåíòàõ.
Õèìè÷åñêàÿ ïðèðîäà âàæíåéøèõ êîôåðìåíòîâ áûëà
âûÿñíåíà â 30-å ãîäû íàøåãî ñòîëåòèÿ áëàãîäàðÿ
òðóäàì Î. Âàðáóðãà, Ð. Êóíà, Ï. Êàððåðà è äð.
Îêàçàëîñü, ÷òî ðîëü êîôåðìåíòîâ â
äâóõêîìïîíåíòíûõ ôåðìåíòàõ èãðàþò áîëüøèíñòâî
âèòàìèíîâ (Å, Ê, Q, Â1, Â2, Â6 Â12, Ñ, Í è äð.) èëè
ñîåäèíåíèé, ïîñòðîåííûõ ñ ó÷àñòèåì âèòàìèíîâ
(êîýíçèì À, ÍÀÄ+ è ò. ï.). Êðîìå òîãî, ôóíêöèþ
êîôåðìåíòîâ âûïîëíÿþò òàêèå ñîåäèíåíèÿ, êàê
ÍS-ãëóòàòèîí, ìíîãî÷èñëåííàÿ ãðóïïà íóêëåîòèäîâ
è èõ ïðîèçâîäíûõ, ôîñôîðíûå ýôèðû íåêîòîðûõ
ìîíîñàõàðèäîâ è ðÿä äðóãèõ âåùåñòâ.
Õàðàêòåðíîé îñîáåííîñòüþ äâóõêîìïîíåíòíûõ
ôåðìåíòîâ ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî íè áåëêîâàÿ ÷àñòü, íè
äîáàâî÷íàÿ ãðóïïà â îòäåëüíîñòè íå îáëàäàþò
çàìåòíîé êàòàëèòè÷åñêîé àêòèâíîñòüþ. Òîëüêî èõ
êîìïëåêñ ïðîÿâëÿåò ôåðìåíòàòèâíûå ñâîéñòâà. Ïðè
ýòîì áåëîê ðåçêî ïîâûøàåò êàòàëèòè÷åñêóþ
àêòèâíîñòü äîáàâî÷íîé ãðóïïû, ïðèñóùóþ åé â
ñâîáîäíîì ñîñòîÿíèè â î÷åíü ìàëîé ñòåïåíè;
äîáàâî÷íàÿ æå ãðóïïà ñòàáèëèçèðóåò áåëêîâóþ
÷àñòü è äåëàåò åå ìåíåå óÿçâèìîé ê
äåíàòóðèðóþùèì àãåíòàì. Òàêèì îáðàçîì, õîòÿ
íåïîñðåäñòâåííûì èñïîëíèòåëåì êàòàëèòè÷åñêîé
ôóíêöèè ÿâëÿåòñÿ ïðîñòåòè÷åñêàÿ ãðóïïà,
îáðàçóþùàÿ êàòàëèòè÷åñêèé öåíòð, åå äåéñòâèå
íåìûñëèìî áåç ó÷àñòèÿ ïîëèïåïòèäíûõ ôðàãìåíòîâ
áåëêîâîé ÷àñòè ôåðìåíòà. Áîëåå òîãî, â
àïîôåðìåíòå åñòü ó÷àñòîê, õàðàêòåðèçóþùèéñÿ
ñïåöèôè÷åñêîé ñòðóêòóðîé, èçáèðàòåëüíî
ñâÿçûâàþùèé êîôåðìåíò. Ýòî òàê íàçûâàåìûé
êîôåðìåíò ñâÿçûâàþùèé äîìåí; åãî ñòðóêòóðà ó
ðàçëè÷íûõ àïîôåðìåíòîâ, ñîåäèíÿþùèõñÿ ñ îäíèì è
òåì æå êîôåðìåíòîì, î÷åíü ñõîäíà. Òàêîâû,
íàïðèìåð, ïðîñòðàíñòâåííûå ñòðóêòóðû
íóêëåîòèäñâÿçûâàþùèõ äîìåíîâ ðÿäà äåãèäðîãåíàç.
Èíà÷å îáñòîèò äåëî ó îäíîêîìïîíåíòíûõ
ôåðìåíòîâ, íå èìåþùèõ äîáàâî÷íîé ãðóïïû, êîòîðàÿ
ìîãëà áû âõîäèòü â íåïîñðåäñòâåííûé êîíòàêò ñ
ïðåîáðàçóåìûì ñîåäèíåíèåì. Ýòó ôóíêöèþ
âûïîëíÿåò ÷àñòü áåëêîâîé ìîëåêóëû, íàçûâàåìàÿ
êàòàëèòè÷åñêèì öåíòðîì. Ïðåäïîëàãàþò, ÷òî
êàòàëèòè÷åñêèé öåíòð îäíîêîìïîíåíòíîãî
ôåðìåíòà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé óíèêàëüíîå
ñî÷åòàíèå íåñêîëüêèõ àìèíîêèñëîòíûõ îñòàòêîâ,
ðàñïîëàãàþùèõñÿ â îïðåäåëåííîé ÷àñòè áåëêîâîé
ìîëåêóëû.
×àùå âñåãî â êàòàëèòè÷åñêèõ öåíòðàõ
îäíîêîìïîíåíòíûõ ôåðìåíòîâ âñòðå÷àþòñÿ îñòàòêè
ñåð, ãèñ, òðè, àðã, öèñ, àñï, ãëó è òèð. Ðàäèêàëû
ïåðå÷èñëåííûõ àìèíîêèñëîò âûïîëíÿþò çäåñü òó æå
ôóíêöèþ, ÷òî è êîôåðìåíò â ñîñòàâå
äâóõêîìïîíåíòíîãî ôåðìåíòà.
Àìèíîêèñëîòíûå îñòàòêè, îáðàçóþùèå
êàòàëèòè÷åñêèé öåíòð îäíîêîìïîíåíòíîãî
ôåðìåíòà, ðàñïîëîæåíû â ðàçëè÷íûõ òî÷êàõ åäèíîé
ïîëèïåïòèäíîé öåïè. Ïîýòîìó êàòàëèòè÷åñêèé
öåíòð âîçíèêàåò â òîò ìîìåíò, êîãäà áåëêîâàÿ
ìîëåêóëà ïðèîáðåòàåò ïðèñóùóþ åé òðåòè÷íóþ
ñòðóêòóðó. Ñëåäîâàòåëüíî, èçìåíåíèå òðåòè÷íîé
ñòðóêòóðû ôåðìåíòà ïîä âëèÿíèåì òåõ èëè èíûõ
ôàêòîðîâ ìîæåò ïðèâåñòè ê äåôîðìàöèè
êàòàëèòè÷åñêîãî öåíòðà è èçìåíåíèþ
ôåðìåíòàòèâíîé àêòèâíîñòè.
Êðîìå êàòàëèòè÷åñêîãî öåíòðà, îáðàçîâàííîãî
ñî÷åòàíèåì àìèíîêèñëîòíûõ ðàäèêàëîâ èëè
ïðèñîåäèíåíèåì êîôåðìåíòà, ó ôåðìåíòîâ
ðàçëè÷àþò åùå äâà öåíòðà: ñóáñòðàòíûé è
àëëîñòåðè÷åñêèé.
Ïîä ñóáñòðàòíûì öåíòðîì ïîíèìàþò ó÷àñòîê
ìîëåêóëû ôåðìåíòà, îòâåòñòâåííûé çà
ïðèñîåäèíåíèå âåùåñòâà (ñóáñòðàòà),
ïîäâåðãàþùåãîñÿ ôåðìåíòàòèâíîìó ïðåâðàùåíèþ.
×àñòî ýòîò ó÷àñòîê íàçûâàþò “ÿêîðíîé
ïëîùàäêîé” ôåðìåíòà, ãäå, êàê ñóäíî íà ÿêîðü,
ñòàíîâèòñÿ ñóáñòðàò. Âî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ
ïðèêðåïëåíèå ñóáñòðàòà ê ôåðìåíòó èäåò çà ñ÷åò
âçàèìîäåéñòâèÿ ñ e-àìèíîãðóëïîé ðàäèêàëà ëèç,
ðàñïîëîæåííîãî â ñóáñòðàòíîì öåíòðå. Ýòó æå ðîëü
ìîæåò âûïîëíÿòü ÑÎÎÍ-ãðóïïà ãëó, à òàêæå ÍS-ãðóïïà
öèñ. Îäíàêî ðàáîòû ïîñëåäíèõ ëåò ïîêàçàëè, ÷òî
ãîðàçäî áîëüøåå çíà÷åíèå çäåñü èìåþò ñèëû
ãèäðîôîáíûõ âçàèìîäåéñòâèé è âî-äîðîäíûå ñâÿçè,
âîçíèêàþùèå ìåæäó ðàäèêàëàìè àìèíîêèñëîòíûõ
îñòàòêîâ ñóáñòðàòíîãî öåíòðà ôåðìåíòà è
ñîîòâåòñòâóþùèìè ãðóïïèðîâêàìè â ìîëåêóëå
ñóáñòðàòà.
Ïîíÿòèå î êàòàëèòè÷åñêîì è ñóáñòðàòíîì öåíòðå
íå ñëåäóåò àáñîëþòèçèðîâàòü. Â ðåàëüíûõ
ôåðìåíòàõ ñóáñòðàòíûé öåíòð ìîæåò ñîâïàäàòü (èëè
ïåðåêðûâàòüñÿ) ñ êàòàëèòè÷åñêèì öåíòðîì. Áîëåå
òîãî, êàòàëèòè÷åñêèé öåíòð ìîæåò îêîí÷àòåëüíî
ôîðìèðîâàòüñÿ â ìîìåíò ïðèñîåäèíåíèÿ ñóáñòðàòà.
Ïîýòîìó ÷àñòî ãîâîðÿò îá àêòèâíîì öåíòðå
ôåðìåíòà, ïðåäñòàâëÿþùåì ñî÷åòàíèå ïåðâîãî è
âòîðîãî. Àêòèâíûé öåíòð ó ôåðìåíòîâ
ðàñïîëàãàåòñÿ íà äâå ùåëè ïðè äâóõúÿäåðíîé
ñòðóêòóðå, íàïðèìåð ó ëèçîöèìà è ðèáîíóêëåàçû,
èëè íà äíå ãëóáîêîé âïàäèíû, êàê ó
õèìîòðèïñèíîãåíà.
Àëëîñòåðè÷åñêèé öåíòð ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé
ó÷àñòîê ìîëåêóëû ôåðìåíòà, â ðåçóëüòàòå
ïðèñîåäèíåíèÿ ê êîòîðîìó îïðåäåëåííîãî
íèçêîìîëåêóëÿðíîãî (à èíîãäà — è
âûñîêîìîëåêóëÿðíîãî) âåùåñòâà èçìåíÿåòñÿ
òðåòè÷íàÿ ñòðóêòóðà áåëêîâîé ìîëåêóëû.
Âñëåäñòâèå ýòîãî èçìåíÿåòñÿ êîíôèãóðàöèÿ
àêòèâíîãî öåíòðà, ñîïðîâîæäàþùàÿñÿ ëèáî
óâåëè÷åíèåì, ëèáî ñíèæåíèåì êàòàëèòè÷åñêîé
àêòèâíîñòè ôåðìåíòà. Ýòî ÿâëåíèå ëåæèò â îñíîâå
òàê íàçûâàåìîé àëëîñòåðè÷åñêîé ðåãóëÿöèè
êàòàëèòè÷åñêîé àêòèâíîñòè ôåðìåíòîâ.
Çíà÷åíèÿ ìîëåêóëÿðíûõ ìàññ ôåðìåíòîâ
êîëåáëþòñÿ â øèðîêèõ ïðåäåëàõ: îò íåñêîëüêèõ
òûñÿ÷ äî íåñêîëüêèõ ìèëëèîíîâ. Â ïðèðîäå
íàñ÷èòûâàåòñÿ íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ôåðìåíòîâ,
îáëàäàþùèõ ñðàâíèòåëüíî íåáîëüøèìè ìîëåêóëàìè
(äî 50 òûñ.). Îäíàêî áîëüøèíñòâî ôåðìåíòîâ
ïðåäñòàâëåíî áåëêàìè áîëåå âûñîêîé ìîëåêóëÿðíîé
ìàññû, ïîñòðîåííûìè èç ñóáúåäèíèö. Òàê, êàòàëàçà
(Ì=25200) ñîäåðæèò â ìîëåêóëå øåñòü ïðîòîìåðîâ ñ
Ì=42000 êàæäûé. Ìîëåêóëà ôåðìåíòà, óñêîðÿþùåãî
ðåàêöèþ ñèíòåçà ðèáîíóêëåèíîâûõ êèñëîò
(ÐÍÊ-ïîëèìåðàçà, Ì = 400000), ñîñòîèò èç 6 íåðàâíûõ
ñóáúåäèíèö. Ïîëíàÿ ìîëåêóëà
ãëóòàìàòäåãèäðîãåíàçû, óñêîðÿþùåé ïðîöåññ
îêèñëåíèÿ ãëóòàìèíîâîé êèñëîòû (Ì=336000), ïîñòðîåíà
èç 6 ñóáúåäèíèö ñ Ì=56000.
Ñïîñîáû êîìïîíîâêè ïðîòîìåðîâ â ìóëüòèìåðû
ðàçíîîáðàçíû. Êðàéíå âàæíî, ÷òî äîñòðîåííûé èç
ñóáúåäèíèö ôåðìåíò ïðîÿâëÿåò ìàêñèìàëüíóþ
êàòàëèòè÷åñêóþ àêòèâíîñòü èìåííî â âèäå
ìóëüòèìåðà: äèññîöèàöèÿ íà ïðîòîìåðû ðåçêî
ñíèæàåò àêòèâíîñòü ôåðìåíòà. Íå âñå
ôåðìåíòû-ìóëüòèìåðû ïîñòðîåíû èñêëþ÷èòåëüíî èç
êàòàëèòè÷åñêè àêòèâíûõ ïðîòîìåðîâ. Íàðÿäó ñ
êàòàëèòè÷åñêèìè â èõ ñîñòàâå îòìå÷åíû
ðåãóëÿòîðíûå ñóáúåäèíèöû, êàê, íàïðèìåð, ó
àñïàðòàòêàðáàìèëòðàíñôåðàçû.
Ñðåäè ôåðìåíòîâ-ìóëüòèìåðîâ áåçóñëîâíî
ïðåîáëàäàþò äèìåðû è òåòðàìåðû (èõ íåñêîëüêî
ñîòåí), â ìåíüøåé ìåðå ðàñïðîñòðàíåíû ãåêñàìåðû è
îêòàìåðû (íåñêîëüêî äåñÿòêîâ) è íåîáûêíîâåííî
ðåäêî âñòðå÷àþòñÿ òðèìåðû è ïåíòàìåðû.
Ìîëåêóëû ôåðìåíòîâ-ìóëüòèìåðîâ â ðÿäå ñëó÷àåâ
ñîñòàâëåíû èç ñóáúåäèíèö äâóõ òèïîâ,
îáîçíà÷àåìûõ óñëîâíî êàê ñóáúåäèíèöû òèïà À è Â.
Îíè ñõîäíû äðóã ñ äðóãîì, íî îòëè÷àþòñÿ ïî
íåêîòîðûì äåòàëÿì ïåðâè÷íîé è òðåòè÷íîé
ñòðóêòóð. Â çàâèñèìîñòè îò ñîîòíîøåíèÿ
ïðîòîìåðîâ òèïà À è Â â ìóëüòèìåðå ïîñëåäíèé
ìîæåò ñóùåñòâîâàòü â âèäå íåñêîëüêèõ èçîìåðîâ,
êîòîðûå íàçûâàþò èçîçèìàìè.
 íàñòîÿùåå âðåìÿ èíòåðåñ ê èçîçèìàì ðåçêî
ïîâûñèëñÿ. Îêàçàëîñü, ÷òî êðîìå ãåíåòè÷åñêè
äåòåðìèíèðîâàííûõ èçîçèìîâ ñóùåñòâóåò áîëüøàÿ
ãðóïïà ôåðìåíòîâ, îáëàäàþùàÿ ìíîæåñòâåííûìè
ôîðìàìè, âîçíèêàþùèìè â ðåçóëüòàòå èõ
ïîñòòðàíñëÿöèîííîé ìîäèôèêàöèè. Ìíîæåñòâåííûå
ôîðìû ôåðìåíòîâ è èçîçèìû â ÷àñòíîñòè
èñïîëüçóþòñÿ ñåé÷àñ äëÿ äèàãíîñòèêè áîëåçíåé â
ìåäèöèíå, ïðîãíîçèðîâàíèÿ ïðîäóêòèâíîñòè
æèâîòíûõ ïîäáîðà ðîäèòåëüñêèõ ïàð ïðè
ñêðåùèâàíèè äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîãî
ãåòåðîçèñà â ïîòîìñòâå è ò. ï.
Çíà÷åíèå ïðîñòðàíñòâåííîé îðãàíèçàöèè
ôåðìåíòîâ îñîáåííî ÿðêî âûÿâëÿåòñÿ ïðè èçó÷åíèè
ñòðîåíèÿ òàê íàçûâàåìûõ ìóëüòèýíçèìîâ, ò.å.
ôåðìåíòîâ, îáëàäàþùèõ ñïîñîáíîñòüþ óñêîðÿòü
îäíîâðåìåííî íåñêîëüêî õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé è
îñóùåñòâëÿòü ñëîæíûå ïðåâðàùåíèÿ ñóáñòðàòà.
Ïðèìåðîì ìîæåò ñëóæèòü ìóëüòèýíçèì, óñêîðÿþùèé
ðåàêöèþ îêèñëèòåëüíîãî äåêàðáîêñèëèðîâàíèÿ
ïèðîâèíîãðàäíîé êèñëîòû. Ýòîò ìíîãîôåðìåíòíûé
êîìïëåêñ ñ Ì=4500000 ñîñòîèò èç òðåõ âèäîâ ôåðìåíòîâ.
Ïåðâûé èç íèõ (E1) óñêîðÿåò ðåàêöèþ
äåêàðáîêñèëèðîâàíèÿ ïèðîâèíîãðàäíîé êèñëîòû. Â
ñîñòàâ êîìïëåêñà âõîäèò 12 äèìåðíûõ ìîëåêóë ýòîãî
ôåðìåíòà (Ê=19200). Âòîðîé è òðåòèé ôåðìåíòû,
êàòàëèçèðóþùèå îêèñëèòåëüíî-âîññòàíîâèòåëüíûå
ïðîöåññû ïðè îêèñëåíèè ïèðîâèíîãðàäíîé êèñëîòû,
ñîñðåäîòî÷åíû âíóòðè ìóëüòèýíçèìíîãî êîìïëåêñà.
Îäèí èç íèõ (Å3) ïðåäñòàâëåí øåñòüþ äèìåðíûìè
ìîëåêóëàìè (Ì=112 000), äðóãîé (Å2) — 24 ïðîòîìåðàìè
(Ì=70000).
 òåõ ñëó÷àÿõ, êîãäà ìóëüòèýíçèìíûé êîìïëåêñ
îáñëóæèâàåò åäèíûé, ìíîãîñòóïåí÷àòûé ïðîöåññ
áèîõèìè÷åñêèõ ïðåâðàùåíèé, åãî íàçûâàþò
ìåòàáîëîíîì (îò ñëîâà ìåòàáîëèçì — îáìåí
âåùåñòâ). Òàêîâû ìåòàáîëîíû ãëèêîëèçà,
áèîñèíòåçà ðÿäà àìèíîêèñëîò, öèêëà äèêàðáîíîâûõ
è òðèêàðáîíîâûõ êèñëîò è äð.
 ðåçóëüòàòå ñëàæåííîãî âî âðåìåíè è
ïðîñòðàíñòâå äåéñòâèÿ âñåõ òðåõ âèäîâ âõîäÿùèõ â
åãî ñîñòàâ ôåðìåíòîâ ìóëüòèýíçèì ñ îãðîìíîé
ñêîðîñòüþ îñóùåñòâëÿåò ïðåâðàùåíèå
ïèðîâèíîãðàäíîé êèñëîòû. Èìåííî â êîîïåðàòèâíîì
õàðàêòåðå êàòàëèòè÷åñêîãî ïðîöåññà è êðîåòñÿ
ãëàâíîå îòëè÷èå áèîêàòàëèçàòîðîâ îò
êàòàëèçàòîðîâ íåîðãàíè÷åñêîé ïðèðîäû, èìåííî
ïîýòîìó èíòåíñèâíîñòü áèîêàòàëèçà â äåñÿòêè,
ñîòíè è òûñÿ÷è ðàç ïðåâîñõîäèò ìîùíîñòü äåéñòâèÿ
íåîðãàíè÷åñêèõ êàòàëèçàòîðîâ.
Ñðàâíèòåëüíî íåäàâíî âûÿâëåíà åùå îäíà
ñâîåîáðàçíàÿ ÷åðòà â ñòðîåíèè ôåðìåíòîâ:
íåêîòîðûå èç íèõ ÿâëÿþòñÿ ïîëèôóíêöèîíàëüíûìè,
ò.å. îáëàäàþò íåñêîëüêèìè ýíçèìàòè÷åñêèìè
àêòèâíîñòÿìè, íî âñåãî ëèøü îäíîé ïîëèïåïòèäíîé
öåïüþ. Äåëî â òîì, ÷òî ýòà åäèíàÿ öåïü ïðè
ôîðìèðîâàíèè òðåòè÷íîé ñòðóêòóðû îáðàçóåò
íåñêîëüêî ôóíêöèîíàëüíî è ñòåðè÷åñêè
îáîñîáëåííûõ ãëîáóëÿðíûõ ó÷àñòêîâ — äîìåíîâ,
êàæäûé èç êîòîðûõ õàðàêòåðèçóåòñÿ ñâîåé
êàòàëèòè÷åñêîé àêòèâíîñòüþ.
Ïðè èçó÷åíèè ìóëüòèýíçèìíûõ êîìïëåêñîâ è
ïîëèôóíêöèîíàëüíûõ ôåðìåíòîâ óäàëîñü ïîíÿòü
íàèáîëåå âàæíóþ îñîáåííîñòü ôåðìåíòàòèâíîãî
êàòàëèçà, à èìåííî — ýñòàôåòíóþ ïåðåäà÷ó
ïðîìåæóòî÷íûõ ïðîäóêòîâ ðåàêöèè îò îäíîãî
êîìïîíåíòà êàòàëèòè÷åñêîé ñèñòåìû ê äðóãîìó áåç
èõ âûñâîáîæäåíèÿ.
|
