Строение ферментов
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.