Том 1 (1129743), страница 55
Текст из файла (страница 55)
Наконец, подобно лизоциму, многиеферменты оказываются глубоко вовлеченными в реакцию и даже образуют кратковременную ковалентную связь между субстратом и боковой цепью входящей вактивный центр аминокислоты фермента. На последующих этапах реакции боковаяцепь возвращается в свое исходное состояние, так что сам фермент остается неизмененным после реакции (см. также рис.
2.72).3.2.12. Прочно связанные с белками маленькие молекулы придаютбелкам дополнительные функцииХотя мы и подчеркивали многофункциональность белков как аминокислотных цепей, которые выполняют различные функции, известно много примеров,в которых самих по себе цепочек аминокислот недостаточно. Точно так же каклюди употребляют инструменты, чтобы увеличить и расширить возможности своихрук, белки часто используют маленькие небелковые молекулы, чтобы выполнятьфункции, которые было бы трудно или невозможно выполнить, располагая однимилишь аминокислотами. Так, белок сигнальных рецепторов родопсин, который производится фоторецепторными клетками сетчатки, обнаруживает свет посредствоммаленькой, заложенной в него, молекулы ретиналя (рис.
3.53, а). Когда ретинальпоглощает фотон света, он изменяет свою форму, и это изменение заставляет белокзапускать каскад ферментативных реакций, которые в конечном счете ведут к посылке электрического сигнала мозгу.Другим примером белка, содержащего небелковую часть, служит гемоглобин(см. рис.
3.22). Молекула гемоглобина несет четыре группы гема — кольцеобразныемолекулы, в центре каждой из которых находится один атом железа (рис. 3.53, б).282Приложение 3.3. Некоторые методы, применяемые для изучения ферментовПриложение к главе 3283284Часть 1. Введение в мир клеткиГем придает гемоглобину (да и всей крови) характерный для нее красный цвет.Благодаря обратимому связыванию с газообразным кислородом через заложенныйв нем атом железа гем позволяет гемоглобину вбирать кислород в легких и выпускать его в тканях.Иногда такие маленькие молекулы присоединены ковалентно и постоянно ксвоему белку и, таким образом, становятся неотъемлемой частью самой белковоймолекулы.
Из главы 10 мы узнаем, что белки часто бывают прикреплены к клеточным мембранам посредством ковалентно присоединенных молекул липидов.А мембранные белки, выставленные на поверхности клетки, а также белки, выделяемые из клетки вовне, часто модифицированы ковалентно присоединеннымик ним сахарами и олигосахаридами.В составе ферментов часто имеется маленькая молекула или атом металла,которые прочно связаны с активным участком фермента и усиливают его каталитическую активность. Например, карбоксипептидаза — фермент, который разрезает полипептидные цепи, — несет в своем активном участке прочно связанныйион цинка.
В процессе расщепления пептидной связи карбоксипептидазой ионцинка образует переходную связь с одним из атомов субстрата, способствуя такимобразом реакции гидролиза. У иных ферментов подобной цели служит маленькаяорганическая молекула. Такие органические молекулы часто упоминаются каккоферменты.
Примером является биотин, встречающийся в ферментах, которыепереносят карбоксильную группу (–COO–) с одной молекулы на другую (см.рис. 2.63). Биотин участвует в таких реакциях путем образования переходной ковалентной связи с готовой к переносу группой –COO–, причем он подходит дляэтой функции лучше, чем любая из аминокислот, идущих на построение белка.Поскольку биотин не может быть синтезирован организмом человека и поэтомудолжен содержаться в малых количествах в нашей пище, он относится к витаминам.Таблица 3.2. Многие витамины являются источниками важнейших коферментов для клеток человекаВИТАМИНКОФЕРМЕНТФЕРМЕНТАТИВНО КАТАЛИЗИРУЕМЫЕРЕАКЦИИ, ДЛЯ КОТОРЫХ НЕОБХОДИМЭТОТ КОФЕРМЕНТТиамин (витамин В1)тиаминпирофосфатактивация и перенос альдегидовРибофлавин (витамин В2)FADH2окисление-восстановлениеНикотиновая кислота(витамин РР)NADH, NADPHоксиление-восстановлениеПантотеновая кислота(витамин В3)кофермент Аактивация и перенос ацильной группыПиридоксин (витамин В6)пиридоксальфосфат активация аминокислот,а также гликогенфосфорилазаБиотин (витамин Н)биотинактивация и перенос СО2Липоевая кислота (витамин N)липоамидактивация ацильной группы;окисление-восстановлениеФолиевая кислота (витамин В9)тетрагидрофолатактивация и перенос одноуглеродныхгруппЦианкобаламин (витамин В12)кобаламиныизомеризация; перенос метильнойгруппыГлава 3.
Белки 285Многие другие коферменты синтезируются из витаминов (таблица 3.2). Витаминынеобходимы также и для того, чтобы синтезировать маленькие молекулы другихтипов, которые являются незаменимыми партнерами наших белков; витамин A,например, необходим в рационе, чтобы синтезировать ретиналь — светочувствительную часть родопсина.3.2.13. В ферментах со множественными каталитическими участками субстраты движутся по особым внутримолекулярным туннелямВ ходе некоторых химических реакций, катализируемых ферментами в клетках,образуются промежуточные продукты, которые или являются очень неустойчивыми, или могут легко диффундировать из клетки сквозь плазматическую мембрану,будучи в цитозоле.
Чтобы сохранить за собой такие промежуточные продукты,ферменты используют полученные в ходе эволюции молекулярные туннели, которые соединяют два и более активных участка и позволяют быстро превращатьпромежуточный продукт в конечный продукт, при этом оставаясь связанным сферментом.Рассмотрим, например, фермент карбамоилфосфатсинтетазу, который использует аммиак, полученный из глутамина, и две молекулы ATP, чтобы превращатьбикарбонат (HCO3–) в карбамоилфосфат — важный промежуточный продукт внескольких метаболических путях (рис. 3.54). Этот фермент содержит три далекоотстоящих друг от друга активных участка, которые соединены друг с другом посредством туннеля. Реакция начинается на активном участке 2, расположенном всередине туннеля, с использованием ATP для фосфорилирования (присоединенияфосфатной группы) бикарбоната и заканчивается образованием карбоксифосфата.Это событие запускает гидролиз глутамина до глутаминовой кислоты на активномучастке 1, что сопровождается высвобождением аммиака в туннель.
Аммиак немедленно диффундирует через первую половину туннеля к активному участку 2,где реагирует с карбоксифосфатом — с образованием карбамината. Далее этотнеустойчивый промежуточный продукт диффундирует через вторую половинутуннеля к активному участку 3, где фосфорилируется ATP до конечного продукта — карбамоилфосфата.Некоторые другие хорошо охарактеризованные ферменты также содержат подобные молекулярные туннели.
Аммиак — легко диффундирующий промежуточныйпродукт, который иначе мог быть утрачен клеткой, — является субстратом, который,как теперь известно, чаще всего направляется по ферментативным туннелям.3.2.14. Мультиферментные комплексы помогают увеличить скорость метаболизма в клеткеЭффективность ферментов в плане ускорения химических реакций являетсякрайне важной для поддержания жизни.
Клетки, в сущности, должны бежать наперегонки с неизбежными процессами распада, которые — если позволить им уйтивперед — заставят макромолекулы скатываться вниз ко все большему и большемубеспорядку. Если бы скорости желательных реакций не были выше, чем скорости конкурирующих побочных реакций, то клетка вскоре умерла бы. Мы можемполучить некоторое представление о скорости протекания метаболизма в клетке,измеряя скорость использования ATP. Типичная клетка млекопитающих «оборачивает» (то есть гидролизирует и восстанавливает фосфорилированием) резерв ATP в286Часть 1.
Введение в мир клеткиРис. 3.54. Туннелирование промежуточныхпродуктов реакции в ферменте карбамоилфосфатсинтетазе. а) Схематичное изображение структуры фермента, в котором краснаялента используется для обозначения туннеля,проходящего во внутренней части белка исоединяющего три его активных участка. Малая и большая субъединицы этого димерногофермента отмечены соответственно желтыми синим цветами. б) Схема реакции.
Как отмечено, активный участок 1 производит аммиак,который диффундирует по туннелю к активному участку 2, где соединяется с карбоксифосфатом с образованием карбамината.Затем этот весьма нестойкий промежуточный продукт диффундирует сквозь туннельк активному участку 3, где фосфорилируетсяATP и наконец превращается в конечный продукт — карбамоилфосфат. (Изображение апереработано из F. M. Raushel, J. B. Thoden, andH. M. Holden, Acc. Chem.
Res. 36: 539–548, 2003.С разрешения American Chemical Society.)полном объеме за 1–2 минуты. Для каждой клетки такая оборачиваемость означаетиспользование примерно 107 молекул ATP в секунду (или, для всего организмачеловека, приблизительно 1 грамм ATP каждую минуту).Скорости реакций в клетках велики именно благодаря столь высокой эффективности ферментативного катализа. Многие важные ферменты стали настолькоэффективными, что нет никакой необходимости в дальнейшем усовершенствовании.Фактор, который ограничивает скорость реакции, более не определяется свойственной ферменту скоростью действия; скорее, он обусловлен частотой, с которойфермент сталкивается со своим субстратом.
Говорят, что такая реакция являетсядиффузионно-лимитированной (см. приложение 3.3, стр. 162–163).Если скорость катализируемой ферментом реакция лимитирована диффузией,Глава 3. Белки 287Рис. 3.55. Структура пируватдегидрогеназы. Этот ферментный комплекс катализирует превращениепирувата в acetylCoА – реакция, являющаяся составной частью пути окисления сахара до CO2 и H2O (см.рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
