Главная > Химия > Биохимия, Т.1
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

7.10. Скорость катализа карбоксипептидазой А возрастает благодаря смещению электронов

На основе данных рентгеноструктурного анализа Липском (Lipscomb) предложил механизм каталитического действия карбокси-пептидазы А. Постулированная структура реакционноспособного -комплекса показана на рис. 7.28. Согласно предложенному механизму, ОН-группа тирозина-248 отдает протон на NH-группу расщепляемой пептидной связи. Карбонильный атом углерода этой пептидной связи подвергается атаке со стороны карбоксильной группы глутамата-270, которая выступает в данном случае как нуклеофильная группа. Образующийся в результате ангидрид глутамата-270 и кислотного компонента субстрата подвергается далее гидролизу.

Возможен и другой механизм катализа, также согласующийся с данными рентгеноструктурного анализа; он показан на рис. 7.29. По этой схеме глутамат-270 активирует молекулу воды. Образующийся непосредственно атакует карбонильный атом углерода расщепляемой пептидной связи. Одновременно тирозин-248 отдает протон на ее NH-группу, и в итоге пептидная связь гидролизуется. Этот механизм катализа отличается от механизма, приведенного на рис. 7.28, тем, что предполагает гидролиз водой непосредственно пептидной связи субстрата, а не

промежуточно образующегося ангидрида. Проведенные в последнее время химические и спектроскопические исследования свидетельствуют о том, что гидролиз пептидных субстратов осуществляется по прямому механизму, тогда как гидролиз эфиров протекает через промежуточное образование ангидрида с глутаматом-270.

Какова роль цинка в этих схемах катализа? Карбонильная группа расщепляемой пептидной связи обращена к иону цинка таким образом, что связь оказывается более поляризованной, чем обычно; это делает карбонильный атом углерода более чувствительным к нуклеофильной атаке. Неполярное окружение иона цинка увеличивает его эффективный заряд и тем самым его способность индуцировать диполь. Сильной поляризации карбонильной группы способствует также близость отрицательного заряда глутамата-270. Следовательно, карбокиспептидаза индуцирует такое смещение электронов на субстрате, которое повышает скорость катализа.

Теперь мы можем оценить значение индуцированных субстратом структурных изменений в активном центре карбоксипептидазы А. В результате связавшийся на ферменте субстрат оказывается со всех сторон окруженным каталитическими группами. Это обеспечивает возможность катализа по причинам, о которых говорилось выше. Совершенно очевидно, что только гибкость структуры фермента обеспечивает попадание субстрата в сферу действия системы каталитических групп (и выход продуктов реакции из этой системы). В целом гибкая структура фермента имеет преимущество перед жесткой в том отношении, что она обладает гораздо большим выбором возможных конформаций, пригодных для катализа и сохраняющихся в процессе отбора. Кроме того, индуцированное соответствие вносит вклад в повышение специфичности фермента. В самом деле, в случае карбоксипептидазы А субстрат должен иметь концевой карбоксилат-ион; фермент «проверяет» его наличие таким путем: если концевой карбоксилат-ион имеется, то он образует солевую связь с аргинином-145, а это вызывает перемещение тирозина-248 в каталитически активное положение; если же концевого карбоксилат-иона нет, то тирозин-248 остается на месте и фермент не проявляет активности. Другими словами, индукция соответствия может функционировать как дшшмический процесс узнавания.

Рис. 7.29. Второй возможный механизм каталитического действия карбоксипептидазы А. Туг 248 выполняет ту же функцию, что и на рис. 7.28. В остальном процесс протекает иначе: активирует молекулу воды, которая атакует карбонильный атом углерода расщепляемой пептидной связи. Гидролиз осуществляется прямо, без промежуточного образования ангидрида.

Заключение

Лизоцим-фермент относительно небольшого размера, расщепляющий полисахаридный компонент клеточных стенок бактерий. По своей структуре указанный полисахарид представляет собой чередующийся полимер остатков N-ацетил глюкозамина (NAG) и N-ацетилмурамовой кислоты

соединенных гликозидными связями Лизоцим гидролизует глизозид-ную связь между остатка NAM и остатка NAG. Олигомеры N-ацетилглюко-замина также гидролизуются лизоцимом. При этом и более длинные полимеры легко расщепляются ферментом, тогда как гидролизуются с крайне малой скоростью. сильный конкурентный ингибитор фермента. Трехмерная структура лизоцима и его комплекса с три-NAG изучена на атомарном уровне. Установлено, что три-NAG занимает половину щели, идущей поперек молекулы фермента, с которым он связывается большим количеством водородных связей и вандерваальсовых взаимодействий. На основе данных о структуре комплекса лизоцима с три-NAG была построена модель, предсказывающая, как связывается с лизоцимом его эффективный субстрат

Предложена гипотеза механизма каталитического действия лизоцима; суть гипотезы состоит в следующем. Первое; критическими группами для катализа являются неионизированная карбоксильная группа остатка глутамата-35 и карбоксилат-ион аспартата-52. Обе группы расположены на расстоянии около от гидролизуемой гликозидной связи, а именно связи между остатками гексамерного субстрата. Второе: глутамат-35 отдает связи между кольца D и гликозидным атомом кислорода, что приводит к разрыву этой связи. кольца D становится положительно заряженным; такая переходная форма называется ионом карбония. Третье; ион карбония реагирует с -группой растворителя, а глутамат-35 присоединяет водород, возвращаясь в исходную протонированную форму. После того как продукты реакции удаляются от фермента в результате диффузии, лизоцим готов к новому каталитическому циклу. Четвертое; скорость катализа значительно увеличивается под действием двух факторов, способствующих промежуточному образованию иона карбония: это электростатический фактор, а именно близость отрицательно заряженной боковой цепи аспартата-52 и геометрический фактор, состоящий в том, что кольцо D деформируется, приобретая конформацию полукресла, что приводит к распределению положительного заряда иона карбония между и атомом кислорода углеводного кольца.

Карбоксипептидаза А, пищеварительный фермент, расщепляющий -концевой пептид в полипептидах, служит примером фермента, в основе каталитического действия которого лежит совершенно иной механизм. Структура этого фермента и его комплекса с глицилтирозином - аналогом субстрата - раскрыта на уровне атомного разрешения. Связывание глипилтирозина вызывает большие структурные изменения в области активного центра, в результате которых эта область теряет воду и становится гидрофобной. Пример карбоксипептидазы А иллюстрирует ту важную роль, которую играет в катализе индуцированное соответствие формы фермента форме субстрата. Другая примечательная особенность данного фермента состоит в том, что в его активном центре содержится ион цинка, имеющий существенное значение для катализа. Карбонильный атом углерода расщепляемой пептидной связи поляризуется цинком и становится более чувствительным к нуклеофиль-ной атаке. Здесь мы видим пример индукции смещения электронов в субстрате. При катализе карбоксипептидазой А молекула воды, активированная глутаматом-270, непосредственно атакует карбонильную группу расщепляемой пептидной связи; одновременно тирозин-248 отдает протон на этой связи, и в результате происходит гидролиз.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)

Вопросы и задачи

(см. скан)

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление