Молекулярная биология. Структура и функция белков - Степанов В.М.
ISBN 5-06-002573-Х
Скачать (прямая ссылка):
Sir-f95
HI 3-57
Asp- 102
Рис. 10.4. Расположение функциональных групп в каталитическом центре сериновых протеиназ
Показаны компоненты каталитического центра - остатки серина, гистидина и аспарагиновой кислоты; зачернены атомы азота и кислорода, участвующие в механизме катализа. Прерывистыми линиями обозначены водородные связи. Нумерация дана по аминокислотной последовательности химотрипсина; в других сериновых протеиназах эти аминокислоты могут занимать другие места в первичной структуре фермента, но их относительное расположение в пространстве строго сохраняется
следствие, смещают рКа этого остатка к 2—3 вместо
3,6 (величины, характерной для обычной /^карбоксильной группы аспарагиновой кислоты). Соседство этого карбоксилат-иона стабилизирует протон на одном из атомов имидазойьной группы гистидина — именно на том, который обращен к Asp-102, — и вместе с тем определенную электронную структуру имидазольного кольца His-57. Последнее очень характерно для функциональных групп белка и не имеет аналогий в поведении таких же групп, в частности имида-зольной, в небольших молекулах. Окружение функциональных групп в
белке анизотропно.
Влияние микроокружения на поведение функциональных групп в ферменте весьма существенно, и все же реакционная способность компонентов активного центра сериновых протеиназ в отсутствие субстрата не обнаруживает резких различий, которые выходили бы за рамки обычных вариаций в химических свойствах функциональных групп на поверхности белка.. Так, сообщения о том, что имидазол His-57 и карбоксил Asp-102 в активном центре белка как бы поменялись свойствами, причем имидазол оказался более кислым, чем карбоксильная группа, оказались ошибочными. Точно так же нельзя думать, что в свободном ферменте происходит эстафетный перенос отрицательного заряда от карбоксилат-иона Asp-102 на Ser-195 и гидроксил последнего превращается в гидроксидный ион — чрезвычайно сильный нуклеофил. Такая передача заряда была , бы сразу же обесценена реакцией гидроксид-иона с водой:
Sei—СНг-O' -I- Н~0~Н —> S^r—СН2—ОН + 0Н'
Напротив, в фермент-субстратном комплексе химические свойства' участников каталитического процесса, в том числе функциональных 226
Рис. 10.5. Механизм действия сери новых протеиназ:
v
А - функциональные группы в активном центре фермента. В левой полусфере -имидазол гистидина, за которым расположен карбоксил остатка аспарагиновой кислоты, фиксированный системой водородных связей, в правой - боковая цепь серина и две водородные связи оксианионной впадины;
Б- в правой полусфере - продукт взаимодействия субстрата (показан тирозин в положении Р}), кислород размещен в оксианионной впадине; протон, покинувший кислород гидроксильной группы серина, перемещается к азоту имидазола и далее - к атому азота расщепляемой пептидной связи;
В - молекула воды разместилась вблизи атома углерода карбонильной группы, причем ее протон переместился к азоту имидазола гистидина;
Г - гидроксильная группа воды присоединилась к углероду карбонильной группы, чем завершилось расщепление пептидной группы
групп каталитического центра, меняются очень существенно, что определяется не только развитой системой нековалентных взаимодействий, охватывающей фермент-субстратный комплекс, но и изоляцией всей системы от воды. По справедливому замечанию М.Дьюара, само связывание фермента и субстрата предполагает как необходимую предпосылку отделение молекул воды, окружающих до реакции субстрат и заполняющих зону активного центра фермента. Вследствие этого каталитическая реакция переносится в совершенно иную среду. Это сообра-
227
жение (еще раз подчеркивает неразрывную связь обеих сторон биоката-литического процесса — связывания и собственно превращения су67 страта. j
Гипотетический механизм действия сериновых протеиназ может быть описан следующим образом (рис. 10.5). Необходимо учитывать, что происходящие последовательно процессы в действительности могут протекать синхронно.
Связывание полипептидного субстрата в активном центре ставит карбонильную группу атакуемой пептидной связи в такую позицию, что ее кислород оказывается в так называемой оксианионной впадине. Образование этим атомом двух водородных связей с соответствующим образом ориентированными N-Н-группами, принадлежащими пептидным связям остатков Ser-195 и Gly—193, способствует поляризации связи 0=0 и ее переходу в +С — 0‘, стабилизирует оксианион. Положительный заряд на углероде карбонильной группы за счет точного связывания субстрата ферментом пространственно сближен с кислородом гидроксильной группы серина. Это вызывает поляризацию гидроксильной группы, которая принимает структуру, близкую к -1СНгтО'... Н+, что резко усиливает нуклеофильность атома кислорода серина.
Таким образом, в рассматриваемой схеме увеличение нуклеофиль-ности серина происходит под влиянием соответственно ориентированного и поляризованного 5а счет взаимодействия с ферментом карбонила субстрата, причем последний экранирует нуклеофил, защищая его от воды.
