А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 77
Текст из файла (страница 77)
картинки, с разрешения, взяты из [5] Заключая рассказ о функции СВЯЗАТЬ, надо сказать несколько слово симметричной ей функции ОТПУСТИТЬ.Уместно напомнить, что многие так называемые «нативно-развернутые»белки приобретают свою уникальную пространственную структуру, только связав лиганд (или сев на другой белок, дНк или рНк): ведь обеспечивающая специфичность связывания твердость структуры белка востребована только тогда, когда наличествует связь белка с лигандом. Поэтомунеудивительно, что, выполняя функцию ОТПУСТИТЬ, некоторые белкитеряют свою уникальную пространственную структуру. так, например,ретинол-связывающий белок, отпустив ретинол, превращается в расплавленную глобулу. теперь естественно рассказать о ферментах — белках, чья главная функция — химически ТРАНСФОРМИРОВАТЬ связавшиеся с ними молекулы.Ферменты не создают новые реакции и не меняют их направление, они«только» ускоряют самопроизвольно протекающие процессы.
Но ускоряютих порой в миллионы миллионов раз, в миллионы раз сильнее, чем оченьсильные химические катализаторы.Я позволю себе не касаться классификации ферментов (ее вы найдетев любом биохимическом учебнике) и сосредоточусь на вопросе о том,как ферментам удается столь ускорить химическую реакцию.сериновые протеазы — классический лекционный объект, используемый для рассказа о простой ферментативной реакции, и я не буду отступать от этой традиции.сериновые протеазы разрезают полипептидные цепи, т.
е. проводятреакциюРис. 24-8. Положение активного центра в сериновых протеазах типа трипсина.Показаны части активного центра: каталитического центра, где серым цветомвыделены боковые группы «триады переноса заряда» — Ser195 (S), His57 (H)и Asp102 (D) и субстрат-связывающего центра, серыми шариками показаныNH-группы, образующие оксианионовую дыру Ox, черным — неспецифическаясубстрат-связывающая площадка, и совсем светлыми — группы, выстилающиеспецифический субстрат-связывающий карман.
стык доменов находится междупарой (His57, Asp102) и остальной частью активного центра358реакция гидролиза пептидной цепи идет, когда в среде достаточно многоводы, и сама по себе, но очень медленно, за многие годы, т. е. гидролиз(при наличии свободной воды) термодинамически выгоден, но требуетпреодоления очень высокого активационного барьера. Если же свободнойводы в среде нет — реакция идет в другую сторону, в сторону синтеза полипептида и выделения воды, но тоже очень медленно.В присутствии же фермента реакция гидролиза пептида (или, при отсутствии свободной воды, — обратная реакция его синтеза из более мелких фрагментов) занимает доли секунды, то есть фермент резко снижаетее активационный барьер. Посмотрим, как он это делает.359Прежде всего рассмотрим основные компоненты активного центрафермента.Он состоит из каталитического центра, ответственного за проведениехимической трансформации, и субстрат-связывающего центра, призванного правильно подставить субстрат под удар каталитического резака(или, точнее, сварочно- режущего аппарата, так как фермент равно ускоряет и прямую, и обратную реакцию).катализ — в сериновых протеазах — непосредственно осуществляетсябоковой цепью одного определенного серина (называемого «Ser195» —по его расположению в цепи химотрипсина — во всех белках семействатрипсина; именно он, трипсин, изображен на рис.
24-8). Напомню химическую формулу боковой группы серина: –сН2 –ОН. Однако для того,чтобы серин мог катализировать гидролиз, его (серин) нужно подготовить.Пока кислород находится в форме –ОН-группы, он не активен, а активнымон становится после утери Н+ и перехода в форму –О– . Этим отрывоматома Н от Ser195 занимаются два остальных члена «триады переноса заряда» — His57 (он-то и принимает оторванный атом Н+) и «вспомогательный» Asp102.
Мутации обоих этих остатков — не говоря уже о мутацииили химической модификации каталитического серина — практическигубят каталитическую активность трипсиновых протеаз.Активированный атом O– боковой группы Ser195 совершает основноекаталитическое действо. Он атакует C-атом расщепляемой пептиднойгруппы (рис. 24-9), завязывая с ним временную ковалентную связь (правда, более длинную и менее прочную, чем обычные C–O-связи), переводя тем самым этот C-атом в тетраэдрическую форму (где он ковалентносвязан уже не с тремя, а с четырьмя другими атомами; «дополнительный»атом — это O– боковой группы Ser195). А последующий распад этого комплекса ведет к разрыву C–N связи и последующему разрыву обрабатываемой цепи.субстрат-связывающий центр состоит (см.
рис. 24-8, 24-9) из оксианионовой дыры, связывающей кислород расщепляемой пептидной группы,из неспецифической пептид-связывающей площадки (отвечающей — вместе с оксианионовой дырой — за то, что расщепляемая пептидная группазаймет правильное положение относительно активированного О-атомабоковой группы Ser195), и из специфического субстрат-связывающего кармана, отвечающего за распознавание той аминокислоты, после карбоксилакоторой производится расщепление пептида.Общий ход реакции иллюстрируется рис. 24-9. Эта схема была получена ценой многолетних исследований многих групп.
для ее построенияпривлекались данные и по катализу расщепления разных субстратов,и по химическим модификациям фермента, а равно и белково-инженерные360исследования (которые показали, какие точки фермента вовлечены в катализ), и исследования ферментов в комплексе с нерасщепляемыми аналогамисубстратов, и рентгенструктурные работы (показавшие, где образуются водородные связи), и так далее.Рис. 24-9.
схема ферментативного гидролиза пептида Что же делает фермент, как он ускоряет химическую реакцию? для ответа на этот вопрос давайте сравним ферментативную реакцию (см.рис. 24-9) с аналогичной реакцией, протекающей спонтанно — в присутствии воды, но без фермента (рис. 24-10).361Рис. 24-10. схема спонтанного, не ферментативного гидролиза пептида в водепо тому же, что на рис. 24-9, химическому механизмуМы видим, что ферментативная реакция идет в две стадии: сначала отщепляется с-концевой пептид и образуется комплекс N-концевого пептидас О-атомом серина, а затем этот N-пептид заменяет свою связь с О-атомомсерина на связь с О-атомом воды.
Без фермента же реакция идет в однустадию, в которой отщепляется с-концевой пептид и образуется комплексN-концевого пептида с О-атомом воды. Мы видим также, что все эти триреакции идут через тетраэдрический активированный комплекс, точнее,активированный комплекс, где рядом с тетраэдрическим с-атомом (завязавшим ковалентную связь с О-атомом) находится донор протона (His+в ферменте или, в воде, — ОН3+).то, что на пути ферментативной реакции находится два активированныхкомплекса (а не один, как в не-ферментативной) — не может, само по себе,ускорить реакцию.
Однако ускоряет ее то, что активированный комплексв связи с ферментом менее нестабилен (а именно его нестабильность и лимитирует скорость реакции), чем активированный комплекс в воде.Активированный комплекс (или, что то же самое, «переходное состояние») стабилизируется на ферменте следующим образом.Во-первых, отрицательный заряд C′–О– группы пептида, образующийся при тетраэдризации с′-атома, на ферменте втягивается в оксианионовую дыру, где стоят два уже нацеленных в эту дыру протона.
Водороднаяи электростатическая связь с этими положительно заряженными протонами понижает энергию отрицательного заряда O– и, следовательно, энергиютетраэдризации с′-атома — по сравнению с не-ферментативной реакцией,где такой заранее устроенной «дыры» нет, т. е. приводит к понижениюэнергии (энтальпии) переходного состояния, или к так называемому энтальпийному катализу.362Во-вторых, рядом с тетраэдрическим с′-атомом стоит, с протоном наготове, His+ — а он примерно столь же стабилен, как «безпротонный» His0.В воде роль донора протона должен играть ион ОН3+ — ион, концентрациякоторого, вследствие его нестабильности, в воде крайне мала — порядка10–7 моль / л.
Его «вылавливание» из воды понижает энтропию и соответственно повышает свободную энергию не-энзиматического активированного комплекса. Поэтому энтропия препятствует сбору «до кучи»всех компонентов активированного комплекса в воде и не мешает этомусбору на ферменте, где все эти компоненты уже собраны вместе. При этомэнтропия «вылавливания» фермента субстратом оплачивается его прилипанием к субстрат-связывающему карману. Этот облегченный сборвсех компонентов активированного комплекса понижает его свободнуюэнергию на ферменте по сравнению с оной в не-ферментативной реакциии приводит к так называемому энтропийному катализу.В сумме, энтропийная и энтальпийная компоненты катализа ускоряют ферментативную реакцию примерно в 10 10 раз по сравнениюс не-ферментативной.Если прилипание субстрата к ферменту достаточно сильно, а концентрация субстрата не слишком низка, то энтропийный катализ понижаетнаблюдаемый порядок реакции по концентрации субстрата.
так, еслискорость неэнзиматической реакции синтеза типа А + А → А2 определяется квадратом концентрации субстрата А, то скорость аналогичной энзиматической реакции, на первой стадии которой субстрат А связываетсяферментом, зависит лишь от концентрации фермента, а от концентрациисубстрата (или субстратов) в растворе не зависит.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
