Характерное расположение в пространстве отдельных полипептидных цепей олигомерного белка в его нативной конформации называют четвертичной структурой белка.

Четвертичная структура установлена для многих ферментов. Так, например, каталаза имеет молекулярную массу 250000 и содержит четыре атома железа в молекуле. Исследование кристаллической каталазы в электронном микроскопе и анализ ее физико-химических свойст показали, что молекула ее состоит из шести субъединиц. Каждая субъединица имеет Z-образную форму, и содержит по три полипептидных цепочки – протомера. То, что крупные ферменты состоят из нескольких полипептидных цепочек создает для них определенное преимущество, а именно, благодаря наличию нескольких небольших цепей сводится к минимуму влияние случайных погрешностей в процессе биосинтеза ферментов и экономии ДНК и информационной РНК. Так, например, фермент глицеральдегидрофосфатдегидрогеназа состоит из четырех идентичных пептидных цепей, состоящих из 330 аминокислот. Так как цепи идентичны, то их синтез может кодироваться одной и той же матрицей, т. е. участком ДНК, который содержит 3 х 330 = 990 мононуклеотидов. Если бы этот фермент состоял из одной полипептидной цепочки, 4 х 330 = 1320 остатков, то для его кодирования потребовался бы участок ДНК, состоящий из 3 х 1320 = 3960 мононуклеотидных звеньев. В этом случае становится понятным, что при использовании ДНК в качестве матрицы для кодирования идентичных субъединиц может быть достигнута экономия генетического материала.

В формировании четвертичной структуры ферментов принимают участие различные связи. Лишь в немногих ферментах субъединицы связаны дисульфидными связями. У остальных ферментов связи между субъединицами нековалентные: ионные (солевые), водородные, гидрофобные. Эти связи слабые, но их роль в формировании и сохранении лабильной структуры и ферментативных свойств молекулы фермента велика.

Таким образом, четвертичная структура обнаружена у большинства ферментов. Образование устойчивой структуры ферментов обусловлена, в первую очередь, первичной структурой и определенной комплементарностью субъединиц.

Изоферменты

Совсем недавно у становлено, что ряд ферментов существуют в различных молекулярных формах, образуя так называемые семейства ферментов. У одного и того же организма, одной и той же клетки находятся различные формы ферментов. Множественные формы одного и того же фермента присутствующие в организме или клетке, получили название изоферментов. Этот термин предложен К. Маркертом и Мюллером в 1953 г. Гетероферментами называют ферменты разных органов или организмов. Изоферменты обычно катализируют одинаковые реакции, чаще всего имеют одинаковую субстратную специфичность, но отличаются по ряду физико-химических свойств: по электрофоретической подвижности, по иммунобиологическим реакциям, по активности, могут незначительно отличаться по аминокислотному составу. Наличие зоферментов в организме генетически детерминировано. Обнаружить изоферменты удалось в результате применения метода электрофореза, в частности гельэлектрофореза. Выделенный белок из организма электрофоретически разделялся, а затем электрофореграммы помещаются в различные реакционные среды. На фоне гелевой пластинки появляются окрашенные зоны – это изоферменты данного фермента. Для каждого фермента своя реакционная смесь, т. е. свой субстрат, так как ферменты проявляют свою специфичность. Достаточно глубоко изучены изоферменты лактатдегидрогенаа, малатдегидрогеназа, аминотрансферазы, изомеразы, глюкозо-6-фосфатазы, каталазы, пероксидазы, амилазы др.

Лактатдегидрогеназ – один из первых изученных ферментов, Так, например, этот фермент в тканях крисы существует в виде пяти форм – пяти изоферментов. Их удалось выделить в чистом виде. Они имеют одинаковую молекулярную массу (около 134000) и содержат по 4 полипептидные цепи с мол. Массой 33500, которые соответствуют пяти комбинациям двух различных типов полипептидных цепей, названных М – и Н – цепями. Изофермент из мышечной ткани состоит из четырех М-цепей (М₄), а изофермент из ткани сердца, содержит четыре Н-цепи (Н₄). Остальные три изофермента представляют собой три различных сочетания М – и Н-цепей: М₃Н. М₂Н₂, МН₃. Выделенные отдельно М – и Н-цепи лишены ферментативной активности. Они различаются по аминокислотному составу (особенно по содержанию гистидина и треонина) и аминокислотной последовательности. Установлено, что два типа пептидных цепей – М и Н, из которых состоит молекула лактатдегидрогеназы, кодируются двумя различными генами.

Следует сказать, что ферменты могут также легко образовывать с различными веществами сложные комплексы, мигрирующие в электрическом поле как единое целое.

В зависимости от возраста, физиологического состояния и др. причин в организме устанавливается то или иное соотношение изоферментов, которому отвечает определенный уровень активности фермента в целом. Изменение их соотношения во всем организме или в отдельных тканях, клетках является одним из способов регуляции действия ферментов.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризовать метод определения С-концевой аминокислоты в белке.

2. Описать как была расшифрована структура инсулина-гормона, выделяемого поджелудочной железой?

3. Какие химические связи, кроме полипептидных, имеются в молекуле белка и какие функции они выполняют?

4. Характеристика вторичной структуры белка. С помощью какого метода была установлена вторичная структура белка и кем?

5. Как определяется количество водородных связей в белке и кто предложил этот метод?

6. Характеристика третичной структуры белка.

7. Все ли белки существуют в α-спиральной форме и от чего это свойство зависит?

8. Характеристика четвертичной структуры белков.

9. Характеристика изоферментов.