Лактатдегидрогеназа: структура

В этом разделе в качестве примера взаимосвязи структуры и функции фермента более подробно рассмотрена лактатдегидрогеназа [ЛДГ (LDH), КФ 1.1.1.27].

А. Лактатдегидрогеназа: структура

Активной формой лактатдегидрогеназы (молекулярная масса 144 кДа) является тетрамер из 4 субъединиц (1) Каждая субъединица образована пептидной цепью из 334 аминокислот (36 кДа). В тетрамере субъединицы занимают эквивалентные положения (1); каждый мономер содержит активный центр.

В организме млекопитающих имеются два различных типа субъединиц ЛДГ (H и M), незначительно различающиеся по аминокислотной последовательности; они могут ассоциировать в тетрамер случайным образом. Поэтому известно 5 различных изоферментов ЛДГ. В мышце сердца содержатся преимущественно тетрамеры, состоящие из Н-субъединиц (H от англ. heart), в ЛДГ печени и скелетных мышц преобладают М-мономеры.

Активный центр в субъединице ЛДГ схематически показан на рис. 2. При этом пептидный остов белка изображен в виде ленты (светло-голубой), дополнительно представлены молекулы: субстрата — лактата (красного цвета), кофермента НАД⁺ (желтого цвета) и три боковые цепи аминокислот (зеленого цвета), которые участвуют непосредственно в катализе. Кроме того, выделена пептидная петля (малинового цвета), образованная аминокислотными остатками 98-111. В отсутствие субстрата и кофермента эта структура раскрыта, что обеспечивает свободный доступ к субстратсвязывающему участку (не показано). На рисунке представлен блокированный активный центр в комплексе фермент-лактат-НАД⁺. Детали каталитического цикла лактатдегидрогеназы обсуждаются в следующем разделе.

Б. Пиридиннуклеотидные коферменты

Все дегидрогеназы нуждаются в коферменте для переноса восстановительных эквивалентов (см. с. 108). Наиболее широко распространены коферменты динуклеотидного типа (см. с. 86), в котором два нуклеозид-5'-монофосфата соединены фосфоангидридной связью. ЛДГ и многие другие дегидрогеназы нуждаются в никотинамидадениндинуклеотиде, сокращенно НАД⁺ (NAD⁺) (1). Обе нуклеотидных группы НАД⁺ построены из 5'-АМФ и нуклеотида, содержащего в качестве основания амид никотиновой кислоты (см. с. 354). Структурно (но не функционально) похожим коферментом является НАДФ⁺ (NADP⁺), в котором 2'-ОН-группы рибозы аденина дополнительно связаны с фосфатом. Несмотря на близкое структурное родство НАД⁺ и НАДФ⁺ осуществляют различные функции в обмене веществ (см. с. 114).

В окислительно-восстановительных реакциях пиридиннуклеотидного кофермента участвует только никотинамидное кольцо (2). Никотинамид является амидом пиридин-3-карбоновой (никотиновой) кислоты. В окисленной форме кольцо имеет ароматический характер и несет положительный заряд. По этой причине кофермент в окисленном состоянии обозначают как НАД⁺. При окислении лактата дегидрогеназа отщепляет от субстрата (AH₂) два атома водорода [т. е. два электрона и два протона (2, середина)]. Однако на НАД⁺ переносится только гидрид-ион (H^-, два электрона и один протон). Акцептором гидрид-иона является атом углерода в пара-положении к атому азота кольца НАД⁺. В этом месте образуется алифатическая СН₂-группа, перестраиваются двойные связи кольца и исчезает положительный заряд (2, внизу). При окислении или восстановлении никотинамидного кольца изменяются также спектральные характеристики кофермента. Поэтому за реакцией можно легко следить фотометрически (см. с. 106).

Второй протон высвобождается в среду и, следовательно, правильное наименование восстановленной формы кофермента NADH + H⁺, а не NADH₂.