Химия протеолиза - Антонов В.К.
Скачать (прямая ссылка):
Итак, цель этой книги - попытаться по возможности с единых позиций рассмотреть химические аспекты ферментативного гидролиза амидной связи, выявить то общее и то особенное, что позволяет выделить амидгидролазы в самостоятельную и очень важную грушу ферментов, и, наконец, еще раз попытаться ответить на вопрос о причинах уникальной эффективности и специфичности ферментов.
Глава первая СУБСТРАТЫ
1.1. Общая характеристика
Вещества, химическое превращение которых ускоряется под действием ферментов, называются субстратами этих ферментов. В этой книге будут рассмотрены процессы ферментативного гидролиза амидных связей в составе самых разных субстратов.
Подавляющее большинство субстратов протеаз представляет собой белки или пептиды. Здесь амидная, или, как еще ее называют, пептидная, связь образует структуру, связывающую отдельные остатки аминокислот:
...NHCH(R1)CONHCH(Rg)С0...
Гидролизуемая амидная связь может находиться в середине цепи, и в этом случае ее расщепление катализируется эндопептидазами, или же на N- или С-конце полипептидной цепи, и в этом случае она'является объектом действия экзопептидаз. Свойства самой амидной группы мало зависят от ее положения в полипептидной цепи. Известно большое число ферментов1, катализирующих гидролиз иных, чем пептидные, амидных связей И01. Некоторые типы таких связей приведены ниже:
R-C0NH2 R-COWHCH(R1)СООН
амиды карбоновых кислот (R=Alk или Аг)
формил (R=H) и ацил (R=Alk) аминокислоты
аспарагин (гс=1 ) глутамин (п=2)
R-CONH-
ОС--------1,
з
¦СООН
NHCOCHg
2
N-ацетилглюкозамины
R
никотинамид и его производные
пенициллины
СТЦСОКН (GlcNAc) 2 (Man) 5
креатин
2,5-диоксопиперазин
'См. табл. 12 (КФ 3.5.1 и 3.5.2)
Таким образом, расщепляемая амидная группа может входить в самые разные, как линейные, так и циклические, структуры, встречающиеся среди природных соединений. Кроме этого, многие протеолитические ферменты катализируют гидролиз амидных и других связей в производных карбоновых кислот, не являющихся их природными субстратами. Например, такие протеазы, как а-химотрипсин, папаин и др., эффективно катализируют гидролиз амидов, анилидов и эфиров N-ациламинокислот.
Если говорить о пептиднобелковых субстратах протеолитических ферментов, тс их структурные особенности целесообразно проанализировать в несколько этапов, рассмотрев сначала собственно расщепляемую амидную (пептидную) группу, затем аминокислотный остаток изолированно и в составе короткого олигопептида и, наконец, белковую молекулу в целом.
1.2. Амидная группа
Амидную гууппу можно формально рассматривать как объединяющую в единой структуре альдегидную (ке'онную' и аминную группировки. Однако такое представление неверно, так как свойства амидной группы далеко не являются аддитивной комбинацией свойств, входящих в нее группировок (см.: обзоры И1-
131). Это обусловлено главным образом взаимодействием неподеленной пары электронов азота с тс-эпектронами двойной углерод-кислородной связи. Вследствие этого амидную группу можно рассматривать как структуру, возникающую при суперпозиции двух резонансных форм: нейтральной (I) и цвитерионной
(II), причем доли этих форм составляют соответственно 0,6 и 0,4 [141.
Ск /С2 о; + ,с2
V'-N( а а
с1/ чн с1/ чн
сх сх
I II
Такое представление хорошо объясняет многие свойства амидной груДпы, од¦ накс не является в настоящее время полным.
1.2.1. Геометрия
Представление о взаимодействии неподеленной пары электронов N-атома с тс-электронами двойной связи С=0 в амидах приводит к ряду следствий: а) длина связи C-N в амидах должна быть меньше, чем в аминах, а длина связи С=0 -больше, чем в кетонах; б) атомы О, С, N и Н амидной группы должны лежать в одной плоскости; в) амидная группа может с^ествовать в цис- и транс-конформациях, разделенных значительным активационным барьером:
СЦ /С2 о. н с н с чс2
ОС ОС сх
транс цис
Посмотрим, как выполняются эти следствия в реальных молекулах. Однако прежде необходимо сказать несколько слов о номенклатуре, используемой при описании геометрии амидной группы.
Структура амидной группы может быть описана пятью длинами связей:
гс _с., гс_0, rc_N, rN_c и rN H (из которых наиболее важшми для ее харак-
<х а.
теристики являются длины связей С-0 и C-N) и шестью валентными углами: С^С'О, C^C'N, OC'N, C'NC^, CaNH и C'NH. По рекомендации Международной комиссии по номенклатуре [15] валентные углы обозначаются буквой % с соответствующими индексами, т.е. ас и т.д.
a
В плоской амидной груше первые три угла связаны отношением
