Определение активного центра (АЦ) известного белка

4.2.4. Дизайн АЦ белка неизвестной структуры по методу гомологии

4.2.1.Ферменты и их функции. Активные центры ферментов

Каждое мгновение в живой клетке протекает множество различных химических реакций, в которых образуются и разрушаются миллионы сложных органических молекул. Впечатляют не только масштабы работы этой биосинтетической машины, но и согласованность всех ее частей, высокие скорости превращений и мягкие условия: нормальное давление, обычно нейтральная среда и не высокая температура (36–40⁰С), при которых достигается стереоселективность биохимических реакций, приводящих к образованию молекул только одной пространственной конфигурации. Отработанная природой технология давно служит для химиков идеалом, к которому они постоянно (и не безуспешно) приближаются. Центральным звеном этой технологии являются специфические биокатализаторы, называемые ферментами (от лат. ферментаре – вызывать брожение, сварение) или энзимами (от греч. эн –в, внутри и зиме –закваска).

Функционируют ферменты подобно молекулярным роботам или природным наноразмерным манипуляторам. Они распознают и захватывают реагирующие молекулы (субстраты), сближают и строго ориентируют их в пространстве, активируют и ускоряют процесс их превращений, а затем быстро удаляют образовавшиеся продукты (метаболиты) из реакционной зоны, освобождая место для следующих молекул субстрата. По сравнению с катализом в химии биокатализаторы способны в миллионы раз ускорять аналогичные реакции.

Запуск ферментативных реакций находится под гормональным контролем и для этого организм синтезирует около 50 гормонов, сигнализируя клеткам о необходимости выработки энергии или синтеза определенных веществ.

Как правило, ферменты представляют собой белки с молекулярной массой от 10 тысяч до нескольких миллионов дальтон. В состав ферментов может входить одна или несколько полипептидных цепей с различными элементами вторичной структуры – α -спиралями (до 40 АКО в спиральном участке цепи), линейными β -тяжами (в виде листов, объединяющих несколько тяжей между собой с помощью Н-связей), петлеобразными фрагментами, которые обеспечивают конформационную подвижность ферменту. Сцепление и переплетение огромной макромолекулы фермента за счет внутримолекулярных невалентных взаимодействий приводит к надмолекулярной предорганизации. Молекула фермента в этом случае приобретает объемную форму, на поверхности которой имеются всевозможные неровности: углубления, ниши, карманы, щели. В этих небольших пространствах-полостях пептидного клубка расположена активная зона (или активный центр АЦ) фермента, которую составляют от 3 до 12 АКО. В эту зону, как ключ в замок входит реагирующая молекула субстрата. Как и каждый хороший замок, фермент откликается только на свой «ключ», т.е. на молекулы строго определенного вещества (субстрата), с которыми при взаимном химическом и конформационном узнавании происходит их многоточечное взаимодействие в АЦ и образование активного каталитического комплекса. Таким образом, каждый тип превращения в организме требует участия своего специфического фермента и понятно, почему существует так много ферментов (несколько тысяч).

Все ферменты разделяют на шесть общих классов, исходя из обобщающего названия химических реакций, которые они катализируют: 1.Гидролазы – осуществляют гидролиз эфирных и амидных связей; 2. Изомеразы – ускоряют изомеризацию молекул (перенос группировок атомов внутри молекул; 3. Лиазы – присоединяют группы к двойным связям; 4. Лигазы – контролируют образование новых межмолекулярных связей С-С, С-N, C-O, C-S; 5. Оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные процессы, связанные с переносом электронов, гидрид-ионов и атомов водорода; 6. Трансферазы – переносят отдельные атомы или группы атомов между разными молекулами.