Строение ферментов

Активный центр фермента представлен обычно лишь несколькими аминокислотами (до 10–20). Не кажется ли расточительным иметь ферменты размерами во многие сотни аминокислот?

На обыденном языке можно сформулировать тот же вопрос так: «Почему ферменты такие большие?» Строго говоря, ферменты не такие уж большие. Примем во внимание, что трехмерная укладка белка может быть вписана в геометрическое тело с линейными размерами, примерно равными кубическому корню из числа аминокислот. Иными словами, белок длиной в 1000 аминокислот (молекулярный вес 120 000 — не очень маленький белок!) может быть представлен как кубик с ребром длиной в 10 аминокислот.
В то же время линейные размеры субстрата могут быть во много раз больше. При этом аминокислоты в активном центре должны не просто находиться рядом, а образовывать сложный рельеф из выступов и впадин, располагаться на определенном расстоянии и в определенной ориентации.
Более того, в ходе реакции эти расстояния и эта ориентация специальным образом меняются. Например, ДНК-полимераза — фермент, с помощью которого происходит репликация. У него есть два участка, узнающих нуклеотиды. Один из этих участков связывается с нуклеотидом в составе той цепи, которая служит матрицей. Другой участок связывает свободный нуклеотид из окружающего раствора, чтобы присоединить его к концу растущей цепи.
Когда ДНК-полимераза связана, например, с гуаниловым нуклеотидом в матричной цепи, структура второго участка становится такой, что фермент может «выловить» из раствора только цитидиловый нуклеотид. Фермент переходит на тимидиновый нуклеотид — и структура второго участка меняется так, что фермент свяжет из раствора только адениловый нуклеотид. Это точное соответствие между структурами фермента и субстрата, а также специальные изменения такой структуры обеспечиваются теми участками молекулы, которые не входят в активный центр.
Что еще делает та часть белка, которая не входит в состав активного центра?
Среди ферментов есть такие, активность которых регулируется какими-либо веществами (например, ионами металлов или производными нуклеотидов). Все эти регуляторы связываются не с активным центром, а с другими участками молекулы. Например, РНК-полимераза работает в том случае, если с белком связан ион цинка. Многие белки связываются с конечными продуктами химических реакций: когда продукта много, он не дает ферменту работать. Некоторые ферменты находятся в тесном взаимодействии с другими белками или, например, встроены в мембрану. Особые участки в составе фермента отвечают за взаимодействие с липидной частью мембран или с белками-соседями. Последнее важно, если, например, разные ферменты катализируют разные последовательные стадии одного процесса. Тогда полезно, чтобы белки удерживались рядом и передавали продукты реакции «с рук на руки».
Таким образом, для нормальной работы белков оказываются необходимыми не только те аминокислоты, которые входят в состав активного центра, но и аминокислоты из других участков молекулы.
Строго говоря, на этот вопрос можно ответить и по-другому: неизвестно, имеет ли место в природе отбор на «экономию белков», на уменьшение их размеров. Может быть, такого отбора нет, и тогда весь разговор о «расточительстве» (см. формулировку вопроса) теряет смысл.