А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 80
Текст из файла (страница 80)
Во-первых, сейчас масса людей занятаизучением субстрат-связывающих карманов и подбором — с открытымиглазами, не наощупь — связывающихся с ними ингибиторов. Особый интерес, по понятным причинам, вызывают протеазы и другие белки вируса372сПИда. Во-вторых, большое применение находят себе точечные мутациив районе активного (и прежде всего субстрат-связывающего) центра: онипозволяют модифицировать «природную» субстратную специфичность(например, менять специфичность сериновых протеаз) и даже создаватьновые, искусственные специфичности для нужд промышленности и медицины. Значительный интерес также вызывают попытки — пока это лишьпопытки — создания (на «твердом фундаменте» белковой глобулы) «нового» активного центра с новой, «привитой» функцией путем направленныхточечных замен аминокислотных остатков исходного белка. Изучение ферментативной деятельности белка показывает (вспомнитепрошлую лекцию), что в эту функцию активно вовлечена совсем небольшая часть белковой глобулы — в то время как остальная ее часть служитлишь как бы твердым каркасом, обеспечивающим «правильное» строениезакрепленного на нем активного центра.Поэтому нас не должно удивлять, что белки с совсем разной первичнойструктурой и даже с совсем разной пространственной структурой могутиметь одинаковые или очень сходные биохимические функции.классическим примером снова являются сериновые протеазы.
Естьдва класса таких протеаз: типа трипсина и типа субтилизина. Они совсемне похожи ни по аминокислотной последовательности, ни по общей форме(рис. 25-2) и даже принадлежат к разным структурным классам (трипсин — двухдоменный β-белок, субтилизин — однодоменный α / β-белок).Они имеют одинаковую конфигурацию лишь ключевых аминокислотныхостатков в каталитическом центре (рис. 25-3), причем не всех остатковцеликом, а лишь их функционально важных «кончиков», но не имеют одинаковой конфигурации остатков даже в субстрат-связывающем кармане.Рис. 25-2. схема строения сериновых протеаз типа трипсина (а) и субтилизина (б).На фоне общего контура глобул показаны α-спирали (цилиндры) и β-листы (болееили менее плоские или скрученные в бочонки).
район активного центра показанчерным треугольником373Более того: существуют протеазы, совершенно не похожие на сериновые протеазы даже в зоне каталитического центра. Я имею в виду, в частности, металлопротеазы типа карбоксипептидазы или термолизина. У нихключевую роль в катализе играет плотно встроенный в белок (и удерживаемый там координационными связями) ион Zn++. Потеряв внешниеэлектроны и имея поэтому маленькие радиусы, многозарядные металлические ионы создают вокруг себя очень сильное электрическое поле. Этопозволяет такому иону, встроенному в металлопротеазу, активировать молекулу воды (разломать ее на ОН– и Н+) с тем, чтобы та осуществила далееразрыв пептидной связи. При этом активированная вода «работает» примерно так же, как в не-катализируемой реакции, о которой мы говорилина прошлой лекции.
Но существенная разница заключается в том, что фермент активирует именно ту молекулу воды, что сидит рядом с атакуемойпептидной связью, а в не-каталитической реакции ее приходится долгоразыскивать среди массы не-активированных молекул Н2О. Одновременно — в металлопротеазах — заряд Zn++ стабилизирует отрицательный заряд на тетраэдрическом перехόдном состоянии разрываемого пептида (т.
е.имитирует действие оксианионовой дыры сериновых протеаз).Рис. 25-3. схема строения каталитических центров сериновых протеаз типа трипсина (а) и субтилизина (б). [кстати, такие же каталитические центры есть не только в протеазах: они есть в липазах и в некоторых других ферментах]. Чернымвыделены фрагменты главной цепи (вплоть до сβ-атомов); направление хода цепив этих фрагментах показано стрелками. кружком (с N) показано место оксианионовой дыры. В нее смотрят Nα–H-группы главной цепи в трипсине, и Nδ–H-группабоковой цепи в субтилизине.
Видно, что только расположение концов боковыхгрупп каталитической триады переноса заряда (Ser, His, Asp) и, с натяжкой, положение оксианионовой дыры инвариантно в этих двух классах сериновых протеаз, в то время как кардинальные отличия наблюдаются даже в ходе главной цепиу ключевых каталитических остатков His и Asp374 Итак, одна и та же химическая реакция может осуществляться совсемразными белками.
При этом одну и ту же ключевую роль — роль мощныхэлектрических резаков — в одних белках играют многозарядные металлические ионы, в других — легко принимающие электроны или протоныорганические кофакторы, в третьих — активированные своим окружением(как в трипсине) боковые группы…с другой стороны, как мы помним, разные белки с одной и той же характернейшей формой α / β-цилиндра (а равно и белки, имеющие формуукладки россманна) могут катализировать совершенно разные реакции.классическим примером белков с общей структурой, общим происхождением, но разными функциями является пара лизоцим — α-лактальбумин. Эти белки не только обладают почти идентичной (с точностьюдо 1–2 Å) пространственной структурой, но и гомологичны — они имеют35 % общих идентичных аминокислотных остатков.
тем не менее, одиниз них (лизоцим) является ферментом (он режет олигосахара), а другой(α-лактальбумин), недавно — сотню миллионов лет назад, с появлениеммолока — произошедший от первого, утратил активный центр лизоцимаи теперь сам по себе ферментом вообще не является, а модифицирует ферментативную активность другого белка. Анализ корреляции между ферментативными свойствами белков (этисвойства фиксируются классификацией ферментов, «EC») и их структурной классификацией (сАтН) показал, что, в целом, не существует яркогопредпочтения какой-то биохимической функции белками какого-то структурного класса.Правда, более «крупномасштабные» свойства белков (зависящиене от маленького каталитического центра, а от большей поверхности глобулы), свойства связывать тот или иной крупный лиганд, — эти свойстваотчасти коррелируют с общей архитектурой белка.
Отчасти коррелируетс общей архитектурой белка и его вовлеченность в те или иные биологические процессы.Наиболее очевидно это проявляется в белках, ответственных за транспорт — самый разный транспорт — через мембрану. Будучи мембранными белками, все они имеют очень регулярную трансмембранную αили β-структуру; мы об этом уже говорили. Говорили мы и о том, чтофибриллярные белки, с их огромными блоками вторичной структуры,играют в основном структурную роль. Однако, пусть в меньшей степени,эта связь проявляется и в водорастворимых глобулярных белках.так, половина гем- и дНк-связывающих белков являются α-белками,а доля α-белков среди углевод- и нуклеотид-связывающих белков состав-375ляет не более 20 %.
с другой стороны, почти все белки, отвечающие за иммунитет и за опознание одними клетками других, являются β-белками.β-белками является и почти половина углевод-связывающих белков —в то время как среди гем-, нуклеотид- и дНк-связывающих белков доляβ-белков составляет около 10 %. Почти все нуклеотид-связывающие белки принадлежат к α / β-классу. к этому классу принадлежат, например, все11 белков гликолитического пути (использующие нуклеотиды в качествекофакторов и субстратов). Вообще, α / β-белки часто — чаще, чем остальные — являются ферментами, и особенно теми, что обеспечивают «внутреннее хозяйство» клетки.Все это показывает довольно широкую независимость общего строения белка от его ферментативной активности, при некоторой связи егоархитектуры с «крупномасштабной» субстрат-связывающей активностьюбелка, с его окружением («средой обитания») и вовлеченностью белковв те или иные биологические процессы. до сих пор я почти ничего не говорил о конформационных измененияхбелковых молекул в ходе их функционирования и не случайно: пока речьидет — как у нас до сих пор — о катализе одной, отдельно взятой энзиматической реакции — конформационная гибкость белка может толькоухудшить его каталитические свойства.
В самом деле, для эффективногокатализа нужно преимущественное связывание именно переходного состояния, в пику отличающимся от него лишь на какой-то ангстрем начальному и конечному состояниям, и это преимущественное связываниенацелено на синтез или разрыв очень жестких ковалентных связей.
такчто рвать их при помощи «гибкого» белка — все равно, что резать проволоку резинкой или подушкой…Впрочем, здесь надо добавить следующее. когда активный центр белкане идеально подогнан под свою функцию — а идеальность подгонки требует сверхтщательной работы естественного отбора — этот центр можеттребовать небольшой деформации для перехода в активную форму. И тогда такая деформация будет, действительно, функционально необходима —она будет, время от времени, доводить несовершенный белок до кондиции.Однако здесь надо четко отличать нужду (деформацию, искупающую несовершенство геометрии активного центра) от добродетели (от совершенства белка).конечно, даже самый лучший белок несколько деформируется в процессе своей каталитической работы — ведь он не алмазный — но этоиграет примерно ту же функциональную роль, что деформация бумагипод пером: чем меньше, тем лучше.376Внутренний голос: Значит, в каталитическом центре фермента вообщене должно быть гибких деталей?Лектор: Нет, почему же.
Их не должно быть, только если фермент должен работать быстро. А вот в каталитическом центре G-белка такие деталиесть. Но — в чем задача G-белка? Его задача расщеплять ГтФ, но — очень медленно! Ведь G-белок (мы о нем уже говорили) — это таймер. И вотдля медленной работы гибкий каталитический центр подходит прекрасно… А для «быстрого» катализа нужен твердый активный центр. другое дело, когда белок должен перейти от одного действия к другому: тогда его деформация, обеспечивающая переход от одной роли к другой, действительно, играет важную функциональную роль.так, во многих белках проникновение субстрата в активный центртребует небольшого расхождения близких к этому центру боковых групп.Однако, после того, как субстрат сел на этот центр, его каталитическая работа движения этих групп уже не требует.Можно сказать, что подвижность нужна при подготовке к реакции,а жесткость — в момент ее проведения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
