Э. Фёршт - Структура и механизм действия ферментов (1128692), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Основное различие между трипсином, химотрипсином и эластазой состоит в их специфичности. Трипсин специфически гидролизует пептиды, состоящие из лизина и аргинина, и эфиры этих аминокислот; химотрипсин расщепляет полипептидную цепь по фенилаланину, тирозину и триптофану, имеющим большие гидрофобные боковые цепи; специфичность эластазы проявляется в ее действии на такие небольшие гидрофобные молекулы, как алании.
Установление структуры кристаллических ферментов показало, что полипептидные остовы всех трех ферментов при наложении их друг на друга практически совмещаются, за исключением участков, где добавлено или пропущено несколько аминокислот !рис. 1.11). Различие же в специфичности этих ферментов обусловлено небольшими изменениями в строении «кармана», связывающего боковую цепь аминокислоты. В молекуле химотрипсина имеется четко выраженный карман, связывающий большие гидрофобные боковые цепи !35).
В молекуле трипсина на дне аналогичного кармана вместо Вег-189 находится аспартат !36). Отрицательно заряженная карбоксильная группа Азр-189 образует ионную связь с положительно заряженной аммонийной или гуанидиниевой группами на конце цепи лизина или аргинина. Два глицина, расположенные у входа в карман химотрипсина, в случае эластазы замещены валином (Ъ'а!-2!6) и треонином (Тпг-226) [37). Это предотвращает проникновение в карман больших боковых цепей и обеспечивает связывание небольшой по размерам боковой цепи аланина (рис.
!.!2). трнхмернля стрххтррл енрмнитов Рис. 1.1!. Ленточные диаграммы полипептидных цепей химотрипсина (А), зластазы (Б) и трипсина (В). се.углеродные атомы располагаются на сгибах ленты. Небольшие различия имеются в структуре лишь внешних петель. (С любезного разрешения яшки Л.) Поразительное сходство третичной структуры рассмотренных выше ферментов нельзя было предвидеть, исходя из сравнения их аминокислотных последовательностей. Между первичными структурами этих ферментов имеется довольно высокая гомология, однако аминокислотный состав эластазы и химотрипсина совпадает с аминокислотным составом трипсина толькона507ю Теперь, располагая кристаллографическими данными, мы впра. ве сказать, что такая степень гомологичности чрезвычайно высока. Пользуясь этим критерием, можно предположить, что сернновые протеазы плазмы, входящие в состав каскадной системы свертывания крови, также обладают весьма близкой третичной структурой (табл.
!.3). Согласно результатам детального исследования гомологичных участков, внутри белковой глобулы в неизменности сохраняется 60уз аминокислотных остатков, тогда как на поверхности — только 10о(а. Основные Различия касаются участков молекулы, расположенных на поверхности структуры или образующих внешние петли. Рис. 1.12. Строение «карманов» у химотрипсина (вверху; по. казано связывание Х-формил-(.-триптофана) и эластазы (злпзр; показано связывание Х-формил-(.-аланива).
Строение скарманаз у трипсииа практически такое же, как н у химотрипсина, за исключением того, что остаток 189 в трипсиие — это аспартат, предназначенный для связывания положительно заряженных боковых цепей аминокислот. Показаны водородные связи между субстратом и полипептидным остовом фермента. трихмврндя структура Фврментов Таблица ДЗ Гомологичность сериновых протеин млекопитающих '! Гомологичиость, сь Фермент Поджелудочиаи железа Трипсии Химотрипсин А Химотрипсин В Элвстпзв Плззмв Тромбин Фактор Хн 100 53 40 48 38 50 а! Амииокнслотный состав ферментов сравииеаетси с таковым длк бычьего трипсииа. Все ферменты выделены иа клеток быка, за исключением еластазы, выделенной иа клеток свиньи.
!Нагнет В. Б., Бую. Бос. Оеп. М!отомо!,, 24, 452 !!274в По-видимому, сериновые протеазы млекопитающих являются классическим результатом дивергентной эволюции. Все они, вероятно, происходят от некоего общего предка — сериновой протеазы, образовавшейся в далеком прошлом. 2. Сериновые протеазы микроорганизмов: конвергентная эволюция Определение кристаллической структуры бактериальной сериновой протеазы — субтилизина из Вас471из алзу101!х диг1асзенз — показало, что данный фермент резко отли- Совершенно неожиданные особенности были обнаружены в кристаллической структуре химотрипсина.
Исследования этого фермента в растворе показывали, что имидазольное кольца Н1Б-57 повышает реакционную способность Вег-195. Однако никаких указаний на то, что этот гистидин связан водородной связью с карбоксильной группой Азр-102, в результате чего образуется каталитическая триада, известная под названием «система с переносом заряда» [38], не было. Теперь такая система обнаружена во всех сериновых протеазах. Таблица 1.4 различия между серииоиыми протеааами аз Фермект Истоеивк Гомологизяость, га Бык Акула я, угмеиз Свинья М.
зогалу1илг В. уг1зеиз В. зио1111з В, алгу1ойци1)ас1еиз 100 60 43 48 20 20 0 0 Трипсии Эластаза Субтилизии «1 Даивые взяты зз таба, 1.3 и рабаты Ое!иаеге Ы т. Л. НоссЬеаз рг. ц в., загася м. н. а., тыеззез ту. я., магоге, соке., ззт. тбз"зноби была установлена кристаллическая структура эластазоподобной протеазы из 5. дг(зеив, оказалось, что, хотя ее полипептидная цепь существенно короче (186 аминокислотных остатков вместо 248 в а-химотрипсине), т/з цепи имеет ту же конформацию, что и у ферментов млекопитающих (40).
Возможно, бактериальные и панкреатические ферменты происходят от общего предшественника, хотя следует отметить, что эволюционные взаимосвязи между этими типами организмов совершенно неясны. чается от сериновых протеаз млекопитающих [39]. Это не было неожиданностью, поскольку субтилизин имеет иную аминокислотную последовательность. Однако при более детальном исследовании обнаружилось, что по способности связывать субстрат и по своим каталитическим свойствам эти ферменты функционально идентичны. В субтилизине имеется система с переносом заряда, такая же, как у аналогичных ферментов млекопитаюших, система водородных связей для связывания карбонильного кислорода и ацетамидной )к(Н-группы субстрата и тот же набор подцентров для связывания ацильного фрагмента субстрата (рис.
1.12, см. также ниже). По-видимому, в данном случае мы имеем пример конвергентной эволюции. Различные организмы, начиная с разных третичных структур, выработали некий обший механизм катализа. Как было показано позже, некоторые сериновые протеазы неживотного происхождения на 20 — 50% гомологичны аналогичным ферментам млекопитающих (табл.
1.4), что свидетельствует о значительном сходстве их третичных структур. Когда ТРехмеэнхя стРуктуРА ФеРментОВ 3. Карбоксипептидазы [41, 42] Карбоксипептидаза А гидролизует белки с С-конца полипептидной цепи. Она специфична в отношении гидрофобных боковых цепей фенилаланина, тирозина и триптофана. Карбоксипептидаза В специфична в отношении положительно заряженных боковых цепей лизина и аргинина. Между этими ферментами существует такая же связь, как между химотрипсином и трипсииом. Их аминокислотные последовательности идентичны на 497з. Что касается различий в третичной структуре, то оии имеются лишь в участках молекул, расположенных на поверхности.
Основное отличие состоит в том, что остаток !!е-255, находящийся в кармане карбоксипептидазы А, в карбоксипептидазе В заменен на Азр-255, необходимый для связывания положительно заряженных боковых цепей основных субстратов. 4. Дегидрогеназы и домены !431 Вполне разумно предположить, что ХАО+-зависимые дегидрогеназы — класс ферментов, связанных с одним и тем же кофактором и обладающих одной и той же функцией — составляют группу структурно родственных ферментов. По-видимому, так оно и есть, однако структурное родство проявляется не столь четко, как в случае сериновых протеаз.
При наложении молекул лактатдегидрогеназы акулы и растворимой малатдегидрогеназы свиньи (первых двух ферментов класса ХАО+-зависимых дегидрогеназ, которые удалось получить в кристаллическом виде) наблюдается почти полное их совмещение; исключение составляют первые 20 остатков лактатдегидрогеиазы. Вполне естественно было предположить, что эти ферменты произошли от общей дегидрогеназы-предшественника.
Установление структуры алкогольдегидрогеназы из печени лошади и глицеральдегид-3-фосфат — дегидрогеназы омара, которая оказалась существенно иной, усложнило картину, хотя и обнаружилось, что каждый из четырех ферментов состоит из двух доменов и один из них одинаков у всех четырех белков, Это участок, на котором происходит связывание ХАЮ+ (рис. 1.13). Обнаруженные структурные особенности привели к созданию следующей гипотезы: дегидрогеназы появились в ходе эволюции в результате слияния гена, который кодировал участок фермента, связывающий динуклеотид, с рядом генов, каждый из которых кодировал отдельный «каталитический домены Такоймехаиизм дает весьма простой способ получения семейства ферментов с разной специфичностью.
Складка в молекуле фермента, где происходит связывание иуклеотида, имеет сложную структуру, изменяющуюся при ГЛАВА ! Рис. 1.13. Домены в молекуле глиперальдегнд-3-фосфат — дегидрогеназы из В, з!еаго))гегторЫ!из, ГВ)езес)сег 6., Нагг!з 3. 1., з)7аМег 3, Е,, %спасо!1 А., 1)а!иге, )лпд., 266, 328, (1977).) зв ТРехмеРнАя стРуктуРА ФеРментов переходе от одной дегидрогеназы к другой. В первом приближении можно считать, что она образована шестью параллельными участками р-структуры и четырьмя параллельными спиральными участками, направление которых противоположно направлению Р-структуры. Подобная структура встречается у многих связывающих нуклеотиды белков, например у фосфоглицераткиназы. Однако она обнаружена и у таких белков, как флаводоксин, которые не относятся к нуклеотид-связывающим.
Является ли это сходство указанием на наличие общего эволюционного белка-предшественника или оно связано тольно с ограниченностью числа способов укладки полипептидной цепи — не известно. Г. Структура фермент-субстратных комплексов Удивительная особенность ферментативного катализа состоит в том, что фермент специфическим образом связывает субстрат и все реакции протекают внутри фермент-субстратного комплекса. Таким образом, чтобы понять, какработает фермент, необходимо знать структуру не только нативного фермента, но и комплексов фермента с субстратами, а также промежуточных соединений и продуктов.
Только в этом случае мы сможем понять, как происходит связывание субстрата, какие каталитические группы участвуют в этом процессе и какие структурные изменения происходят в субстрате и ферменте при образовании фермент-субстратного комплекса. Основная трудность на этом пути связана с тем, что реакции в фермент-субстратных комплексах и образование продуктов протекают за доли секунды, тогда как для снятия рентгенограммы требуется, как правило, несколько часов. В связи с этим обычно определяют структуру комплексов ферментов с продуктами реакции, ингибиторами или аналогами субстратов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
