Активный центр белка

Строение и принцип комплементарности

Активный центр образуется в тот момент, когда полипептидная цепь сворачивается, приобретая свою уникальную объемную третичную структуру. В линейной первичной структуре белка радикалы аминокислот могут располагаться на огромном расстоянии друг от друга. Однако в процессе фолдинга (сворачивания) они сближаются и формируют специфическое углубление или «карман» на поверхности функционально активной молекулы.

Взаимодействие активного центра и лиганда (молекулы, которая связывается с белком) подчиняется строгому правилу комплементарности — точного пространственного и химического соответствия взаимодействующих поверхностей.

• Пространственное соответствие означает, что активный центр геометрически идеально подходит входящему в него лиганду, словно ключ к замку.
• Химическое соответствие подразумевает, что между функциональными группами радикалов белка и молекулой лиганда должны возникать связи.

Удержание лиганда в кармане обеспечивается за счет слабых взаимодействий: ионных и водородных связей, а также гидрофобных взаимодействий. Именно присоединение специфического лиганда позволяет белку реализовать свою биологическую функцию.

Расположение центров связывания

У доменных белков центры связывания с лигандами очень часто локализуются между доменами — в характерных бороздках или глубоких расщелинах.

Отличным примером служит трипсин — важнейший протеолитический фермент, который вырабатывается экзокринной частью поджелудочной железы. Его главная биологическая задача — переваривание белков, поступающих с пищей, путем гидролиза их пептидных связей. Молекула трипсина имеет выраженное двухдоменное строение. Активный центр фермента спрятан в бороздке между двумя этими структурными блоками. Именно в этой зоне создаются оптимальные микроусловия для эффективного связывания специфического участка пищевого белка (в данном случае он выступает лигандом) и его последующего быстрого расщепления.

Существуют также многофункциональные белки. В таких молекулах отдельные домены способны выполнять полностью самостоятельные функции за счет связывания с различными типами лигандов в своих собственных активных центрах.

Кофакторы и сложные белки

Для выполнения своих функций многим белкам требуются кофакторы — специализированные лиганды, которые присоединяются к активному центру и играют ключевую вспомогательную роль.

По составу белки делятся на две большие группы:

• Простые белки — построены исключительно из белковой части (аминокислотных остатков).
• Сложные белки — содержат дополнительную небелковую часть.

Если небелковая часть прочно и необратимо соединена с молекулой, она называется простетической группой. Классический пример — гем, содержащий ион железа. Сложные белки с гемом в составе называются гемопротеинами (к ним относятся гемоглобин, миоглобин и цитохромы).

Лигандами для белков могут выступать самые разные вещества, взаимодействующие с трехмерной структурой пептидной цепи:

1. Низкомолекулярные молекулы (органические и неорганические соединения).
2. Макромолекулы, такие как ДНК (в случае ДНК-связывающих белков), РНК, полисахариды и другие белковые молекулы.

Яркий пример работы с низкомолекулярными лигандами демонстрирует альбумин — важнейший белок плазмы крови. Его основная функция — транспортная. Механизм действия заключается в присоединении к активному центру различных гидрофобных лигандов: жирных кислот, билирубина, а также многих лекарственных веществ.

Лекарственные препараты как лиганды

Взаимодействие в системе «белок-лиганд» отличается высокой специфичностью, однако конформационная лабильность (подвижность структуры) молекулы позволяет подбирать другие вещества, способные связываться с активным центром. На этом принципе базируется действие многих медикаментов.

Лекарства часто выступают как структурные аналоги лигандов (неприродные лиганды) — химические вещества, имитирующие структуру естественного партнера белка. Они способны взаимодействовать с активным центром и модулировать работу молекулы:

• Агонист — связывается с центром и усиливает функцию белка.
• Антагонист — снижает или полностью блокирует функцию.

Если природный лиганд и его синтетический аналог борются за одно и то же место связывания, их называют конкурентными модуляторами. Большинство лекарственных препаратов и даже опасных ядов работают как ингибиторы белков. Часто их получают путем направленной химической модификации структуры природных лигандов.

Клинический пример: нейромедиатор ацетилхолин, отвечающий за передачу нервного импульса через холинергические синапсы. Он выделяется в синаптическую щель и связывается с белком-рецептором постсинаптической мембраны. Существует два типа рецепторов:

1. М-рецепторы (мускариновые): локализованы в гладких мышцах. Специфично взаимодействуют с ацетилхолином и мускарином (токсином мухомора), вызывая сокращение гладкой мускулатуры.
2. Н-рецепторы (никотиновые): находятся в синапсах поперечнополосатых скелетных мышц. Избирательно связываются с ацетилхолином и никотином.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Формирование третичной структуры белка
• Принцип работы аллостерического центра
• Механизмы ферментативного катализа (на примере трипсина)
• Транспортная функция и лиганды альбумина
• Подробная классификация сложных белков

Другие темы раздела «Строение, свойства и функции белков»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.