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 изoферменты, 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 комплекс образован 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).

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.