Каталитическим центром фермента обозначают совокупность тех фрагментов белковой молекулы, которые непосредственно участвуют в химических преобразованиях субстрата. Формируется он радикалами обычно двух или трех аминокислот, расположенных в разных местах полипептидной цепи, но пространственно сближенных между собой благодаря изгибам этой цепи (т.е., благодаря особенностям третичной структуры белка). Непосредственное участие в акте катализа принимают чаще всего гидроксильная группа сери на, имидазольное кольцо гистидина, группа -БН цистеина, карбоксильная группа аспартата (глутамата). Примером может служить ацетилхолинэстераза (АХЭ), - фермент, способный гидролитически расщеплять сложноэфирную связь между уксусной кислотой и спиртом холином. Каталитический участок этого фермента представлен радикалами серина, гистидина и глутамата, которые у человека занимают в полипептидной цепи положения 203, 447 и 334 соответственно (рис. 4-7, А). Под влиянием субстрата происходит перераспределение слабых взаимодействий в этой «каталитической триаде», которое способствует «переброске» ацетильного остатка с хо- лина на радикал серина-203 (рис. 4-7, Б и В). Затем место холина, покидающего ацил-фер- мент, занимает молекула воды, вызывая новую череду перемещений нековалентных и ковалентных связей (рис. 4-7, Г). Она завершается гидролитическим отщеплением уксусной кислоты от серина-203 и возвращением каталитического центра в изначальное состояние (рис. 4-7, Д). Иными словами, элементы каталитического участка АХЭ сначала вытесняют из субстрата спиртовую «половину», ковалентно соединяясь с ацильным его фрагментом, а потом с участием воды отщепляют временно захваченную кислоту (в данном случае - уксусную).
Ферменты, сходные с АХЭ по строению каталитического центра (а, значит, и по механизму его функционирования), часто называют серин-гистидиновыми или, более кратко, сери- новыми. К ним относятся не только различные эстеразы, но и многие протеиназы, — ферменты, гидролизующие пептидную связь (которая по своей природе очень близка сложноэфир-
Рис. 4-7. Ацетилхолинэстераза (АХЭ): схема строения каталитического центра (А) и основные стадии акта катализа (Б-Д).
Каталитический центр АХЭ человека состоит из радикалов сер-203, гис-447 и глу-334, расположенных на вершинах грех петель полипептидной цепи, но пространственно сближенных между собой за счет особенностей третичной структуры белковой молекулы фермента. Такая ориентация делает возможным нековалентное притяжение одного азота имидазольного кольца гистидина к карбоксильной группе глутамата, а другого - к гидроксилу серина. Благодаря этому, ««каталитическая триада» формирует систему переноса заряда (А), которая резко повышает реакционную способность серина-203. Приближение молекулы субстрата (ацетилхолин, - на рисунке он выделен курсивом) вадет к перераспределению заряда в этой системе, что провоцирует перегруппировку нековалентных и ковалентных связей в пределах фермент-субстратного комплекса (Б). Как следствие, облегчается передача водорода гидроксильной группы серина-203 на кислород спиртовой части субстрата, вызывающая разрыв сложноэфирной связи в молекуле ацетилхолина. В результате спирт (холин) отделяется в качестве одного из продуктов холинэстеразной реакции, а ацетильный фрагмент оказывается ковалентно связанным с серином-203, образуя с ним сложноэфирную связь (В). Затем место освободившегося холина занимает молекула воды (выделена жирным шрифтом), заполняя собой просвет между гис-447 и аце- тилсерином (Г)- Это опять-таки ведет к перераспределению заряда, которое теперь уже «возвращает» водород гидроксильной группе серина-203 с передачей остальной части молекулы воды ацетильному остатку, удаляемому в виде уксусной кислоты в качестве второго продукта реакции (Д). В конечном итоге гидролиз субстрата до холина и ацетата завершается переходом активного центра в исходное конформационное состояние, обеспечивающее готовность взаимодействовать с новой молекулой субстрата.
ной). В частности, каталитический центр хи- мотрипсина состоит из радикалов серина-195, гистидина-57 и аспартата-102 (нумерация дана по их положению в цепи предшественника - химотрипсиногена). Аналогичной триадой обладают трипсин, эластаза, ферменты свертывания крови и т.д. Помимо сериновых протеиназ, существуют и протеолитические ферменты с иной структурой каталитического центра. Например, в молекуле пепсина его роль выполняет тандем аспартата-94 и аспартата-277. Такого рода ферменты называют аспартатными (или карбоксильными) протеиназами.
Непосредственно участвуя в ковалентных превращениях субстрата, именно каталитический центр предопределяет специфичность действия фермента.
Нередко фермент является не простым, а сложным белком. В таких случаях небелковая часть молекулы (проететическая группа) обычно тоже участвует в работе каталитического центра и, следовательно, в обеспечении специфичности действия фермента. Если такая группа соединена с белком не ковалентными связями, а слабыми физико-химическими взаимодействиями, то она легко диссоциирует и может быть полностью отделена от белка (например, путем диализа). Такую нековалентно присоединенную простетическую группу стали обозначать термином кофермент. Было установлено, что ни белковая часть фермента (апо- фермент), ни кофермент порознь не обладают способностью ускорять химическую реакцию. Это может делать только их объединение — «полный» фермент (.холофермент). Постепенно противопоставление терминов «простетиче- ская группа фермента» и «кофермент» утратило новизну открытия, и теперь коферментом часто называют любую небелковую часть фермента, независимо от прочности ее связи с белком (если по контексту нет необходимости привлечь внимание к характеру связи белка с небелковой группой фермента).
Для многих ферментов роль кофермента выполняет один из витаминов или его производное (нередко обозначаемое как «активная» форма этого витамина).
Витамины - это органические вещества разнообразного строения, которые не синтезируются в организме, но лсизнепно необходимы ему, а потому должны обязательно поступать с пищей, хотя и в очень малых количествах.
Главной (если не единственной) биологической функцией почти всех витаминов является выполнение коферментной роли. Этим и объясняется минимальная потребность в них, которая у человека не превышает, как правило,
5 мг в сутки.
Из приведенного определения явствует, что перечень витаминов не универсален и может иметь видовые особенности. Так оно и есть. Например, аскорбиновая кислота является витамином только для человека, обезьян, морской свинки и индийского крылана, тогда как все другие животные способны синтезировать витамин С (из глюкозы) и не нуждаются в поступлении его с пищей. Теперь окончательно установлено, что человек нуждается в 13 витаминах Четыре из них обозначают как жирорастворимые витамины (А, Б, Е, К). Еще 9 составляют группу витаминов, растворимых в воде. К ним относятся витамины В, (тиамин), В2 (рибофлавин), РР (никотинамид), С, В3 (пантотеновая кислота), В„ (пиридоксин), биотин (вит. Н), В12 (кобаламин) и фолиевая кислота (вит. Вс). Сведения о некоторых витаминах даны в разделе
Коферментная роль других будет изложена в последующих главах при описании соответствующих биохимических процессов.
