Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

пей, возможны два Механизма гидролиза металлсубстратным комплексом. Молекула воды извне активирует карбонил амидной группы или прилегающая координированная ОН-{группа действует на амидную группу как нуклеофил. Этот процесс соответствует 'внутримолекулярному гидролизу комплексом металл—лиганд. Другими словами, щроцесс а включает промежуточную координацию карбонильной группы, а в про-Вессе б происходит атака карбонила координированным гидроксилом. За протеканием обоих процессов можно следить с помощью воды, обогащенной изотопом 180.

[Co(III)(trien)(H20)OH] розовая ок,раск.а

+ H2N-

гО

-с— nenmuo

»--NH2

С/ r/\

° /(^N-сн—со—nenmufl но O^ ^N—сн—со—nennrud .у ЧН | | О R' R'

Н—О" I

н

H2SunuHCI/Na^

H.N-CH-COOH -(восстоноепен-е HN

I Вля регенерации

R комплекса Cos+)

NH2 CH—R

о—с + H2N—сн—со—nenmuB

о

R'

Следовательно, в процессе а вода н гидроксил — два лиганда, замещаемые Ьнцевой группой аминокислоты. В процессе б в роли сильного нуклеофила выступают координированные гидрокснльная группа или молекула воды, расположение которых благоприятно для атаки амидной связи путем образования тетра-Еэдрического промежуточного соединения, за которой следует освобождение ^пептида без последнего N-концевого аминокислотного остатка. Этот случай

358

Глава 6

особенно интересен, поскольку имеет место селективный гидролиз только N-концевой аминокислоты пептидной цепи. Результирующий комплекс Со(III) —аминокислота может быть разрушен в присутствии восстанавливающего агента. Следует помнить, что ион металла в данном гидролизе не истинный катализатор, поскольку требует регенерации. Его роль сводится скорее к роли промотора гидролитической реакции.

В присутствии таких Со(III)-комплексов скорость гидролиза амидной связи увеличивается в 108 раз по сравнению со скоростью щелочного гидролиза. Подобное ускорение реакций сравнимо со скоростями, полученными для карбоксипептидазы А и ее субстратов. Отметим, что в процессе а, который, по-видимому, предпочтительнее процесса б в случае иона Со(III), карбонильная группа поляризуется и гораздо легче атакуется молекулой воды извне, чем в отсутствие комплекса. Таким образом, ион металла опять-таки играет роль сверхкислоты. Другими словами, прямая поляризация карбонильной группы ионом металла создает более электрофильный центр на атоме углерода. Естественно, различные ионы металла в этом отношении обладают различными свойствами, зависящими в основном от их общего заряда, размера, координационного числа и легкости замещения (обычно) координированной молекулы воды.

Эти данные были использованы для ступенчатого последовательного гидролиза и анализа пептидов с N-конца, что сравнимо с действием аминопептидазы. Для большинства аминокислот выход реакции гидролиза составляет 30—50%- Для повышения выхода предложен другой подход с использованием твердофазного носителя. В щелочном буфере при 60°С только N-концевой остаток остается связанным с твердофазным носителем, а остальные непрореагировавшие вещества могут быть отмыты и использованы вновь [230].

Id. Железо и транспорт кислорода

i Железо функционирует как основной переносчик электронов I биологических реакциях окисления — восстановления [231]. вны железа, и Fe2+, и Fe3+, присутствуют в человеческом орга-тзме и, действуя как переносчики электронов, постоянно пере-кят из одного состояния окисления в другое. Это можно проиллюстрировать на примере цитохромов *. Ионы железа также служат для транспорта и хранения молекулярного кислорода— функция, необходимая для жизнедеятельности всех позвоночных животных. В этой системе работает только Fe(II) [Fe(III)-гемоглобин не участвует в переносе кислорода]. Чтобы удовлетворить потребности метаболических процессов в кислороде, большинство животных имеет жидкость, циркулирующую по телу; эта жидкость и переносит кислород, поглощая его из нешнего источника, в митохондрии тканей. Здесь он необходим ля дыхательной цепи, чтобы обеспечивать окислительное фосфорилирование и производство АТР. Однако растворимость кислорода в воде слишком низка для поддержания дыхания у живых существ. Поэтому в состав крови обычно входят белки, которые обратимо связывают кислород. Эти белковые молекулы способствуют проникновению кислорода в мышцы (ткани), а также могут служить хранилищем кислорода.

I Молекулярная структура кислородпереносящих белков удивительна; в процессе биологической эволюции природа создала, несколько типов молекул для переноса кислорода. Все они ярко крашены. Кислородпереносящие белки можно разделить на три больших семейства: гемоглобин, хорошо знакомое красное вещество в крови человека и многих других животных; гемоцианин, лубой пигмент в крови многих моллюсков и членистоногих; мэритрин**, белок вишневого цвета в физиологических жидкостях организмов некоторых мелких беспозвоночных. Все они относятся к металлопротеинам. Гемоглобины содержат железо в составе гема; гемоцианины имеют в активных центрах два атома меди (разд. 6.5), а гемэритрины — два атома железа. Гемоглобин — это красный белок красных кровяных телец, который переносит кислород из легких к тканям; на долю гемоглобина крови приходится примерно три четверти содержания железа в человеческом теле [232].

I Молекула гемоглобина построена как тетрамер из двух аналогичных глобинов (полипептидных цепей) неодинаковой длины. В центре белка находится простетическая группа, образованная

Г * Цитохром — белок-переносчик электронов, который содержит простетиче-ркую группу — гем, ковалентно связанный с пептидной цепью. Г** Общий префикс гем обязан не наличию гема (железопорфирина IX), ко-орый имеется только в гемоглобине; он возник от греческого слова, обозначающего «кровь».

860

Глава 6

порфириновым ядром. Ядро функционирует как тетрадентатный лиганд для иона железа. Железопорфириновый комплекс называется гемгруппой. Ассоциат белковой молекулы с гемом называется еемопротеином.

Гемопротеины, встречающиеся повсеместно среди растений и животных, выполняют по крайней мере четыре важные функции в отношении кислорода и выработки энергии: 1) перенос кислорода в тканях, 2) каталитическое окисление органических соединений, 3) разложение пероксида водорода, 4) перенос электронов.

Гемоглобин обратимо связывает кислород, так что в условиях повышенного парциального давления кислорода, которое существует в легких, предпочтительна ассоциация кислорода с белком. Напротив, в тканях, которым необходим кислород, кисло-родгемоглобиновый комплекс диссоциирует, и кислород переносится к другому кислородсвязывающему гемопротеину — миоглобину, белковая часть которого состоит из одной полипептидной цепи. Миоглобин содействует переносу кислорода крови в клетки мышц, которые затем запасают кислород как источник энергии [233].

Следует учитывать, что способность обратимо связывать кислород — уникальное свойство, обнаруженное в природе только у железопорфириновых, железосодержащих и медьсодержащих белков. Однако другие малые молекулы, такие, как СО, СОг или CN~, также могут взаимодействовать с этими металлопро-теинами. Например, СО связывается с гемоглобином даже еще активнее, чем кислород, создавая дефицит кислорода в клетках (отравление угарным газом).

В обоих белках (гемоглобине и миоглобине) гем прочно связан с белковой частью (глобином) с помощью ~80 гидрофобных взаимодействий и одной координационной связью между имид-азольным кольцом так называемого «проксимального гистидина» и атомом железа. Несмотря на многочисленные различия в их аминокислотных последовательностях, миоглобин и гемоглобино-вые субъединицы имеют сходную третичную структуру, включающую восемь спиральных участков. Гем вклинивается в щель между двумя спиральными участками; кислород связывается по одну сторону порфирина, в то время как гистидиновый остаток координируется по другую. По-видимому, уникальное свойство гемоглобина связывать кислород зависит от структурных особенностей всей молекулы гемоглобина или миоглобина.

В дезоксигемоглобине Fe (II) находится в высокоспиновом состоянии и расположен вне плоскости порфиринового кольца. Однако при связывании 02 Fe(II) переходит в низкоспиновое состояние и возвращается в плоскость. Это, очевидно, приводит к смещению проксимального имидазольного кольца на 0,06 нм, что вызывает конформационные изменения в структуре" белка; в результате сродство тетрамерной формы молекулы белка к кислороду 02 становится выше. Это структурное изменение ле-

Ькит в основе молекулярной модели Перутца, объясняющей кооперативность гемоглобина.

Действительно, к наиболее замечательному свойству гемоглобина относится его способность кооперативно связывать кислород, т. е. сродство тетрамера к кислороду возрастает по мере (Насыщения кислородом. Концепция аллостерии, выдвинутая Моно и сотр., была создана в процессе изучения свойств этого белка. [Кооперативность необходима для переноса кислорода от носителя гемоглобина к акцептору миоглобину, а также для выполнения других физиологических функций.

I Наконец, следует напомнить, что железо, связанное с порфи-рином (гем), находится в ферросостоянии. Процесс связывания кислорода гемоглобином обратим, причем молекула кислорода и [атом железа находятся в стехиометрическом соотношении 1 : 1 и не происходит окисления Fe(II) до Fe(III). Исследованию такого [Обратимого связывания молекулярного кислорода с Fe(II) в геме [уделено очень большое внимание. Способность гема обратимо [связывать кислород, проявляется при его включении в большую белковую структуру. Однако если гем извлечь из белка и поместить в раствор при комнатной температуре, молекулярный кислород необратимо окисляет железо до феррисостояния Fe(IH).

I Для выявления деталей механизма регулирования гемоглоби-" ом и миоглобином своего сродства к кислороду были предпри-ты модельные исследования [237], при этом поставленные за-ачи формулировались следующим образом: 1) Как предотвратить окисление до Fe(III) во время физических исследований гемоглобина, например при рентгеноструктурном анализе? 2) Какова детальная молекулярная геом

страница 61
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (8.62Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(28.06.2017)