Аминокислоты входящие в активный центр фермента располагаются. Структурно-функциональная организация ферментов
1. Активный центр
— это относительно небольшой участок,
расположенный в узком гидрофобном углублении (щели) поверхности молекулы фермента, непосредственно участвующий в катализе.
2. Активные центры ферментов образуются на уровне третичной структуры.
3. Ферментативный катализ требует точной про-странственной организации больших ансамблей, построенных из аминокислотных остатков и их бо-ковых групп. Такие ансамбли формируют как ак-тивные, так и регуляторные (аллостерические) центры ферментов.
4. Активный центр, кроме каталитического участка, включает субстратсвязывающий участок, который от-вечает за специфическое комплементарное связыва-ние субстрата и образование фермент-субстратного комплекса (ES); в активный центр фермента часто входит участок или домен для связывания кофактора.
Пример 1. Активные центры ферментов форми-руются на уровне третичной структуры.
Сериновые протеазы широко распространены в природе и вместе с протеолитическими фермента-ми других классов (аспартильными, цистеиновыми и металлопротеиназами) обеспечивают расщепле-ние белков (катаболизм) и целый ряд реакций ог-раниченного протеолиза, имеющих регуляторное значение для жизни клетки.
Сериновые протеазы (к ним относятся трипсин, химотрипсин, эластаза, тромбин и др.) имеют од-нотипное строение каталитического центра, в ко-торый входит триада аминокислот: Асп, Гис и Сер.
В разных сериновых протеазах эти аминокисло-ты могут занимать разные места в пептидной цепи фермента, но они сближаются при свертывании полипептидной цепи и их относительное располо-жение в пространстве строго сохраняется (рис. 2.3).
5. Активный центр не может быть очерчен строго определенными границами, поскольку каждый его компонент так или иначе взаимодействует с други-ми участками молекулы фермента. Влияние мик-роокружения может быть весьма существенным: — компоненты активного центра, в том числе и ко-факторы, взаимодействуют с соседними группами фермента, что видоизменяет химические характерис-тики функциональных групп, участвующих в катализе;
|
|
- в клетке образуют структурные комплек-сы и ансамбли как друг с другом, так и с участками клеточных и внутриклеточных мембран, с элемен-тами цитоскелета и/или другими молекулами, что влияет на реакционную способность функциональных групп в активном центре фермента.
6. Структура активного центра определяет специ-фичность действия ферментов. Большинство фер-ментов высокоспецифично как к природе, так и к пути превращения субстрата.
7. Специфичность к субстрату обусловлена комплементарностью структуры субстратсвязывающего центра фермента структуре субстрата (рис. 2.4).
Как показывает рис. 2.4, субстратсвязывающий участок по форме соответствует субстрату (геометри-ческое соответствие), более того, между аминокис-лотными остатками активного центра фермента и субстратом образуются специфические связи (гид-рофобные, ионные и водородные), т.е. устанавлива-ется электронное или химическое соответствие.
Обратите внимание на то, что нековалентные свя-зи между субстратом и ферментом похожи по харак-теру на межрадикальные взаимодействия в белках.
Связывание субстрата с активным центром фер-мента происходит многоточечно, с участием не-скольких функциональных групп, которые далее мо-гут участвовать в катализе.
8. Ферменты могут различаться по субстратной специфичности и обладать абсолютной специфич-ностью, т.е. иметь только один субстрат и не взаи-модействовать даже с очень близкими по строению молекулами (например, уреаза ускоряет гидролиз мочевины, но не действует на тиомочевину), или даже стереоспецифичностью (когда фермент взаи-модействует с определенным оптическим и геомет-рическим изомером).
9. Некоторые ферменты проявляют более ши-рокую специфичность (групповая или относитель-ная специфичность) и взаимодействуют со многи-ми веществами, имеющими похожую структуру (протеазы ускоряют гидролиз пептидных связей в белках, липазы ускоряют рас-щепление эфирных связей в жирах).
Пример 2. Сери новые протеазы проявляют групповую специ-фичность к субстратам.
Все они ускоряют гидролиз пеп- тидных связей в белках, но, имея похожую структуру и каталитиче-ский механизм, различаются по субстратной специфичности.
На рис. 2.5 показаны субстрат-связывающие участки активных центров панкреатических фер-ментов, относящихся к группе сериновых протеаз: химотрипси на, трипсина и эластазы.|
|
В трипсине отрицательный заряд остатка аспа-рагиновой кислоты в активном центре участвует как в связывании аминогруппы лизина (или гуа-нидиновой группы аргинина), так и непосредст-венно в катализе, при котором разрывается пеп-тидная связь, в образовании которой участвует карбоксильная группа положительно заряженных остатков Лиз и Apr.
В эластазе остатки валина и треонина, входящие в состав субстратсвязывающего центра, допуска-ют связывание остатков аминокислот только с не-большими боковыми цепями, например, как у глицина. Поэтому эластаза ускоряет гидролиз пептидных связей, образованных карбоксильны-ми группами глицина и аланина.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).
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
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.
Активный центр ферментов
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | Активный центр ферментов |
| Рубрика (тематическая категория) | Дом |
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 все белки, ферменты синтезируются в виде линейной 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 определением 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 присоединение 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 выделением 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.
