Химия протеолиза - Антонов В.К.
Скачать (прямая ссылка):
Л.Д.Румшем, С.л.Александровым, Л.Я.Бессмертной, Т.И.Воротынцевой, А.Г.Гуровой, в.Л.Дьяковым, Е.Д.Дьяченко, А.М.Желковским, А.А.Зинченко, Ю.В.Капитан-никовым, Ю.И.Крыловой, А.Г.Михайловой, Т.В.Ротановой и другими, без вклада которых написание этой книги было бы невозможным. Очень большую роль в формировании моих представлений о ферментативном катализе сыграли беседы и споры с М.Я.Карпейским, Г.М.Яковлевым, Е.М.Поповым, Г.М.Лихтенштейном, Д.С.Чернавским, Ю.И.Хургиным, которым, пользуясь случаем, приношу свою глубокую благодарность. Я очень признателен Л.М.Гинодману, Е.М.Попову, К.Мар-тинеку и Л.И.Кришталику, прочитавшим отдельные разделы этой книги и давшим ценные критические замечания. Большую помощь в подготовке рукописи оказали Т.Н.Баршевская, Н.А.Гаврилова, Л.Л.Завада и А.А.Мишин, которым я искренне благодарен. Я буду глубоко признателен за все замечания и критические высказывания по поводу этой книги.
Цротеолиз - ферменте гивныг гидролиз ами .ных связей в белках и пептидах -один из универсам ьгейших и чпкнейших химичос тсс процессов живой здироды. Нет такого организма, где эти процессы не происходили бы с той или иной степенью интенсивности. Необходимость постоянного обновления белкового материала клетки без существенных затрат энергии на создание первичных "строительных блоков" - аминокислот, с одной стороны, и з: [ачительная химическая устойчивость амидной связи - с дру] ей, поставили перед эволюцией трудную задачу создания механизма быстрого и селективного расщепления белков. Эта задача, вероятно, был? решена на очень ранних этапах развития живого. Возникли протголимческие ферменты - удивительные биологические катализаторы, в миллиарды и десятки миллиардов раз ускоряющие реакцию гидролиза белков.
Долгое время функции протеолитических ферментов связывали исключительно с их ролью в деструктивных, катаболических процессах. Действительно, эта функция имеет первостепенное значение. Период полураспада белков в клетке изменяется в широких пределах. Например, оршкгиндб карооксилаза в печени крыс имеет период полураспада 11 мин. РНК-полимераза из того же источника -1,3 ч, миозин скелетных мышц кролика - около 30 фей, а гемоглобин, если и распадается, то крайне медленно [1,21. Как регулируются в организме все эти процессы, как они синхронизируются? Ответ на эти вопросы - важнейшая задача биохимии.
Однако роль протеолитических ферментов не ограничивается процессами деструкции. Все больший интерес привлекают к себе регуляторные функции этих ферментов [3-6]. Характерной особенностью регуляторных функций протеаз является однонатразленность и необратимость их действия. Это особый тип регуляции, отличающийся от всех других типов биологического контроля в организме. Трудно перечислить все регуляторные процессы, осуществляемые с помощью протеолитических ферментов. Наиболее изученные из .них относятся к так называемым реакциям ограниченного протеолиза. Ограниченный прот'эолиз - важнейший этап биосинтеза белка. Посттрансляционноо расщепление предшественников биологически активных белков ("процессинг") является, по-видимому, непременным этапом белкового синтеза, огромное значение имеют реакции протеолиза в образовании полипептвдных гормонов. Во многих случаях протеазы выполняют роль ’’спусковых механизмов”, триггеров ряда каскадных процессов. Наиболее известный пример такого рода - система свертывания крови. При этом ферменты выполняют функции не только сигнала к запуску такого процесса, но и усили-
телей этого сигнала, а также участвуют в сопряжении одних физиологических процессов с другими.
Как же протеолитические ферменты выполняют свои функции? Этот вопрос уже давно занимает исследователей [71. Впервые идея о химической природе биологического катализа была сформулирована еще в 30-х годах прошлого века М.Я.Берцелиусом. Однако лишь в начале нынешнего столетия к этим вопросам стали подходить с количественной мерой. Огромное значение для развития химии ферментов и химии белка имели работы Э.Фишера. Примерно через сто лет после работ Берцелиуса удалось получить ферменты в кристаллическом виде, и среди них были протеолитические ферменты.
Эпоха, предшествовавшая появлению первых рентгеноструктурных исследований ферментов, характеризовалась все б >льшим проникновением в эту область идей и методов физики и химии. В этом отношении серьезной вехой, по моему мнению, был обзор М.Бендера (1960 г.) "Механизмы катализа нуклеофильных реакций производных карбоновых кислот" [81, где, пожалуй, впервые было четко показано, что механизм каталитического действия ферментов может быть понят на основе общих химических закономерностей гомогенного катализа при учете специфических особенностей макромолекулярной структуры белка. Последующее развитие химической энзимологии и физической органической химии полностью подтвердило этот вывод.
Поражает огромное число и разнообразие протеолитических ферментов. Удивительно, что для катализа одной и той же реакции - реакции гидролиза амидной связи - природа создала множество различных биокатализаторов. Внимательный анализ показывает, однако, что собственно химические механизмы всех изученных в этом отношении протеаз можно свести к двум весьма сходным типам: нуклеофильному (ковалентному) катализу, осуществляемому группировками самой молекулы фермента, и общему основному катализу расщепления амидной группы под действием связанной с ферментом молекулы воды. Различие здесь не очень существенное: в первом случае нуклеофилом является группа белка,
