Общая характеристика ферментов - мультимеров
Большинство ферментов представлено белками – мультимерами, т.е. построенными из субъединиц. Например, РНК-полимераза состоит из 6 протомеров, ДНК-полимераза – из 2 протомеров.
Способы компоновки протомеров в мультимерах разнообразны. Крайне важно, что фермент проявляет максимальную каталитическую активность именно в виде мультимера: диссоциация на протомеры резко снижает активность фермента. Не все ферменты-мультимеры построены исключительно из каталитически активных протомеров. Наряду с каталитическими в их составе отмечены регуляторные субъединицы.
Среди ферментов-мультимеров безусловно преобладают димеры и тетрамеры (их несколько сотен), в меньшей мере распространены гексамеры и октамеры (несколько десятков) и редко встречаются тримеры и пентамеры.
Среди ферментов – мультимеров выделяют изферменты, мультиэнзимы или полиферментные комплексы и мембраносвязанные ферменты.
Изоферменты — это формы фермента, которые катализируют одну и ту же реакцию, но различаются по некоторым свойствам: аминокислотной последовательности, молекулярной массе, аминокислотному составу, составу субъединиц, электрофоретической подвижности и др.
Изоферменты являются продуктами экспрессии разных генов: гены могут быть в разных хромосомах (например, для амилазы слюны и амилазы панкреатической) или в одной хромосоме (например, для цитоплазматической и митохондриальной малатде-гидрогеназы).
Существуют различия в распределении изоферментов в разных тканях, в разных внутриклеточных компартментах, что отражает различия в метаболизме, например изоферменты могут иметь разное сродство к субстрату.
Один из основных механизмов образования изоферментов включает объединение разных субъединиц в разной комбинации при образовании активного олигомерного фермента.
Пример 1. Изоферменты креатинкиназы (КК) образуются при объединении 2 субъединиц в димерную молекулу.
Креатинкиназа катализирует обратимую реакцию образования и распада креатинфосфата — вещества, которое участвует в запасании энергии.
Фермент КК является димером, состоящим из 2 субъединиц.Субъединицы В (мозговая) и М (мышечная) закодированы в разных генах.
Фермент КК представлен 3 изоферментами, которые различаются по электрофоретической подвижности:
— ВВ (КК-1) —мозговой, максимальное продвижение к аноду;
— MB (КК-2) —сердечный, средняя подвижность;
— ММ (КК-3) —мышечный, самый медленный. Набор изоформ КК в разных тканях неодинаков:
— КК-1 присутствует в значительных количествах в мозге, простате, желудке, легких, плаценте, щитовидной железе.
— КК-2 находится в основном в сердечной мышце (25-46% от общей активности фермента в кардиомиоците), в скелетной мышце (5%).
— КК-3 присутствует в основном в клетках скелетных и сердечной мышц.
Мультиэнзим или полиферментный комплексобразован за счет нековалентных взаимодействий, в его состав входит несколько индивидуальных ферментов; обычно эти ферменты функционально взаимосвязаны. Этот комплекс ферментов работает подобно конвейеру, в котором продукт передается от фермента к ферменту.
Примером может служить мультиэнзим, ускоряющий реакцию окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты (рис.4). Этот полиферментный комплекс состоит из трех видов ферментов: пируватдекарбоксилазы (1), дигидролипоат-ацетилтрансферазы(2), дегидрогеназы дигидролипоевой кислоты (3).
Рис. 4
Такой принцип повышает эффективность работы ферментов, так как снижает случайность в контакте реагирующих веществ с ферментом. Далее приводятся названия ферментов и характеристика катализируемых реакций.
В тех случаях, когда ансамбль ферментов обслуживает единый, многоступенчатый процесс биохимических превращений, его называют метаболоном. Таковы метаболоны гликолиза, биосинтеза ряда аминокислот, цикла дикарбоновых и трикарбоновых кислот и др.
Особенность работы мультиэнзимных комплексов и метаболонов: эстафетная передача промежуточных продуктов реакции от одного компонента каталитической системы к другому без их высвобождения.
Многие ферменты и ферментные комплексы прочно связаны с мембранами клетки или её органоидов (митохондрий, лизосом, микросом и т.д.) и участвуют в активном транспорте веществ через мембраны.