Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

p>N

___-I4

х>

f-i_i_

V

Se, 195 S

—снг—о

CHR1

f

— >

,СН2

в,

СН2 *Ч>-""

I

Промежуточное тетраэдрическое соединение

во >

-СНг—О ОН

н

XN /) . N

Н I

СИ,

I

CHR1

— СНг—О Н

XN > ^снг й

I

ОН

V

I

СНг I

тается, что три остатка Asp-102, His-57 и Ser-195 образуют систему переноса заряда, которая играет решающую роль в процессе катализа. Функционирование системы обеспечивает эффективное участие His-57 в катализе в качестве кислотно-основного катализатора и повышает реакционную способность Ser-195 как нуклеофила. В процессе каталитического акта происходит приближение кислородного атома Ser-195 к карбоксильному углероду атакуемой связи.

Схема каталитического процесса приведена на рисунке 101. Ключевым элементом является перенос протона от Ser-195 к His-57. Одновременно происходит атака атомом кислорода серина карбонильного атома углерода субстрата с образованием сначала промежуточного тетраэдрического соединения (1), а затем ацилфер-мента (2). На следующей стадии происходит деацилирование. Молекула воды занимает в активном центре место ушедшего аминного продукта (3). Протон от молекулы воды поступает в систему переноса заряда, а ион ОН одновременно атакует карбонильный атом углерода ацильной группы ацилфермента. Как и на стадии ацилирования, образуется промежуточное тетраэдрическое соединение (4). Затем His-57 поставляет протон атому кислорода Ser-195, в результате чего освобождается ацильный продукт; он диффундирует в раствор, а фермент возвращается в исходное состояние.

Карбоксипептидаза А. Карбоксипептидаза А (КФ 3.4.12.2) секретируется в виде профермента поджелудочной железой позвоночных животных. Образование активного фермента происходит

199

Биологическая роль белков

Рис. 102. Строение комплекса карбоквн пептндвзы А с дипептидом С1у—Туг .

Гидрофобным «мартен»

з сн2-снг

® '.С—NH \

¦V сн,

NH2 Arg 145 \

в тонком кишечнике при участии химотрипсина. Фермент последовательно отщепляет от пептидной цепи остатки С-концевых аминокислот, т. е. является экзопептидазой.

Карбокси пептида за А образована одиночной поли пептидной цепью, содержащей 307 аминокислотных остатков; молекулярная масса ее равна 34 470. Аминокислотная последовательность белка была установлена в 196° г. Р. Брэдшоу и сотр.

Выяснение механизма действия фермента оказалось возможным только после проведения рентгеноструктурных исследований. Про-

Рис. 103. Изменения в структуре карбоксипептидазы А при связывании с субстратом: (о) — фермент;

(б) —фермент-субстратный комплекс. (На рисунке представлена только часть молекулы фермента.)

200

Белки и пептиды

странственная структура фермента и его комплекса с дипе тидом 201

Gly-Tyr (модель субстрата) была установлена (с разрешением -

0,2 нм) У. Липскомбом и сотр. в 1967 г. Молекула фермента имеет Биологическая роль белков форму эллипсоида с осямн 5,0x4,2x3,8 нм; активный центр находится в углублении, переходящем в глубокий неполярный карман. В зоне активного центра локализован ион цинка (его лигандами являются боковые цепи остатков Glu 72, His 196, His 69 и молекула воды), а также функциональные группы, участвующие в связывании субстрвта и катализе,— остатки Arg-145, Glu-270 и Туг-248

сн, Г

О NH

н> '|^НчоЧЗ~сН!~

р

сн,—сн.

г

сн, S

о рн J

СН R Ту,-248

У

NH I

,СНа—СН3 / Glu-270

(рис. 102). При сравнительном анализе структур фермента и его Рис. 104. Схема каталитического про комплекса с Gly—Туг была получена важная информация о строе- чесса, осуществляемого карбоксипептн-нин фермент-субстратного комплекса (рис. 103). В частности, уста- Д830" А-новлено, что при образовании комплекса гидроксильная группа Туг-248 перемещается на 1,2 нм по отношению к своему положению в свободном ферменте (т. е. примерно на 1/3 диаметра молекулы).

Схема каталитического процесса, осуществляемого карбокснпептида зон А, предложена У. Липскомбом на осиованин данных рентгеноструктурных исследований. Согласно этой схеме (рнс. 104), карбоксилатная группа Glu-270 активирует молекулу воды, находящуюся в сфере реакции, оттягивая от нее протон; образующийся ной ОН- осуществляет нуклеофнльную атаку на карбонильный углерод расщепляемой связи. Одновременно гидроксильная группа Туг-248, находящаяся около атома азота расщепляемой пептидной связи, отдает ему протон. В результате атакуемая пептидная связь

202 расщепляется н образующиеся продукты уходят из зоны активно

го центра. Приведенная схема иллюстрирует общий основный ка-Белки и пептиды талнз

Аспартатаминотрансфераза. Аспартатаминотрансфераза (КФ 2.6.1.1) (ААТ) катализирует обратимую реакцию трансаминиро-вання:

NH3

"ООС—СН2—СН2—СН—СОО" Глутаминовая кислота

" ОО С—СН2—С Н2—с—с оо -

а-Кетоглутаровая кислота

+

"ООС— СН2—С—СОО--

Ща.еле.оуксусная кислота

NH3 I

" ООС—СН2—СН—СОО"

Асплрагино а кислоте

Ферментативная реакция трансами ни ровання была открыта А. Е. Браунштейном и М Г. Крицман в 1937 г. при изучении ферментного препарата из мышцы голубя. В последующих исследованиях было показано, что реакции трансаминнрования широко распространены в живой природе и играют важную роль в сопряжении азотистого и энергетического обмена.

В 1945 г. было установлено, что пиридоксаль-5'-фосфат (ПЛФ) является коферментом аминотрансфераз. Молекула ААТ является димером, образованным идентичными субъединицами. В сердечной мышце исследованных позвоночных имеются два изофермента — цитоплазматическая (цААТ) и митохондрнальная (мААТ) аминотрансферазы.

Первичная структура цитоплазматической аминотрансферазы из сердечной мышцы свиньи была установлена в 1972 г. Ю. А. Овчинниковым, А. Е. Браунштейном н сотр. Полипептидная цепь белка

О — Р—О—СН2 II О

Рис. 105. Смешение электронов к атому азота кофермента по теории А. Е. Браун-штейна и М М. Шемякина.

содержит 412 аминокислотных остатков; молекулярная масса раана 203

46 ООО. —---

Общая теория пиридоксалевого катализа была разработана Ьиологическая роль белков А. Е. Браунштейном и М. М. Шемякиным в 1952— 1953 гг., а несколько позднее — Д. Е. Мецлером н F,. Е. Снеллом. Согласно этой теории, каталитическое действие пнридоксалевых ферментов

204

Белки и пептиды

обусловлено способностью альдегидной группы пнрндоксальфос фата образовывать при взаимодействии с аминами, в том числе с аминокислотами, альдимины (шиффоаы основания) (рис. 105). В образующейся фосфопиридоксилиденаминокислоте имеется система сопряженных двойных саязей, по которой происходит смещение электронов от а-углеродного атома аминокислоты к электро-фильному атому азота пиридинового кольца кофермента. Понижение электронной плотности у а углеродного атома облегчает разрыв саязей, образованных этим атомом.

Современные представления о механизме ферментативного транса минирования, разработанные А. Е. Браунштейном и его сотрудниками, являются развитием рассмотренной выше теории (рис. 106). В исходном состоянии альдегидная группа пнрндоксальфос фа та образует альдиминную связь с t-аминогруппой остатка Lys-258 активного центра (J). При связывании аминокислоты образуется комплекс Михаэлиса (11), а затем альднмин между пиридо-ксальфосфатом и субстратом (111). В результате последующих

Брвунштейи Александр Евсеев и ч

(1902—1986), советский биохимик, академик АН СССР (1964) и АМН СССР (1945). Окончил Харьковский медицинский институт (1925). Основные труды посвящены химии ферментов и обмену аминокислот. Открыл реакцию перо аминирования и обосновал ее роль в азотистом обмене. Предложил (1952, совместно с М. М. Шемякиным) общую теорию действия пирндоксалевых ферментов. Лауреат Ленинской (1980) и Государственной (1941) премий СССР. Герой Социалистического Труда (1972).

Большой домен

Малый домен

Рис. 107. Пространственное строение а га рта та ми нотра нсферазы.

Большой домен

Малый домен

превращений через промежуточные стадии (IV) и (V) образуется 205

оксокислота (VI). Этим заканчивается первая полуреакция транс- ~ ~-

аминирования. Повторение тех же стадий в «обратном направлении» Биологическая роль белков с новой оксокислотой составляет вторую полуреакцию, завершающую каталитический цикл трансами ни ро ванн я

В результате рентгеноструктурного исследования кристаллов цААТ (из сердечной мышцы кур) установлена пространственная структура фермента с разрешением 0,28 нм (А. Е. Браунштейн, Б. К. Вайнштейн н сотр.). Определен участок связывания пиридоксальфосфата он расположен в широком углублении на поверх ности белка вблизи участка контакта субъединиц (рис. 107).

Миоглобин и гемоглобин. Эти два белка часто называют дыхательными ферментами. Взаимодействие нх с субстратом — кислородом выяснено детально, прежде всего на основе, рентгеноструктурного анализа высокого разрешения. Трехмерная структура миогло-бина была определена Дж. Кендрью в 1961 г., а трехмерная структура гемоглобина — М. Перутцем в 1960 г. Молекула миоглобина име-

ет компактную форму — 4,5X3,5X2,5 нм (рис. 108), полипептнд-ная цепь образует 8 спирализоаанных участков, обозначаемых буквами от А до Н. Она специфическим образом уложена аокруг большого плоского железосодержащего кольца гема. Гем — это комплекс порфирина с двухвалентным железом.

Структура протопорфнрина IX. входящего в состав гема миоглобина н гемоглобина, представлена на рисунке 109. Полярные цепи пропионовой кислоты гема находятся на поверхности молекулы.

206 остальная часть гема погружена в глобулу. Связь гема с белком

- осуществляется за счет координационной саязи между атомом же-

Белки и пептиды леэа н атомом азота гистидина, локализованного в спирали F; это так

называемый проксимальный гйстидин (рис. 110). В гемовом кармане в составе спирали Е локализован другой важный остаток гистидина днстальныи ис идин он находится с противоположной сто роны от атома железа на большем расстоянии, чем проксимальный гистиднн. Область между железом гема н днстальным гистидином в дезо кс и миоглобине свободна, н липофильная молекула О может связываться с железом, занимая шестое координационное положение. Уникальной особенностью миоглобина, а также гемоглобина является их способность обратимо связыаать Оа без окисления гемового Fe2+ в Fe',+. Это оказывается возможным, поскольку н гидрофобном гемовом кармане, из которого вытеснена вода, создается среда с низкой Диэлектрической проницаемостью.

Рис. 109. Структура протон рфирина IX.

Рнс. НО. Зона участка лорода в миоглобине. проксимальный гйстидин (F8) и днстальныи гйстидин (Е7).

СНз СН СН?

HC^N^CH NH HN I

ноос—сн?—сн?—I-/ ^z=1_ch=CH3

НООС—CHj—СН2 СН

При связывании О с атомом железа последний перемещается примерно на 0,06 нм и оказывается в плоскости порфнрннового кольца, т. е. в энергетически более выгодном положении. Предполагают, что это перемещение обусловлено тем, что ион Fe2 + в дезокс и миоглобине находится а высокоспиновом состоянии и радиус его является слишком большим, чтобы он мог разместиться в плоскости порфнрннового кольца гема. При саязывании же 02 ион Fe/T переходит в низкоспиновое состояние н его радиус уменьшается; теперь ион Fe^1 может переместиться в плоскость порфн-риноаого кольца.

Гемоглобин — основной компонент эритроцитов крови, осу ществлвющий достааку кислорода от легких к тканям, а углекислоты — из тканей в легкие. Гемоглобины разных видов отличаются по форме кристаллов, растворимости, сродстау к кислороду. Это обусловлено различиями в аминокислотной последовательности белков; гемовый компонент одинаков у гемоглобинов всех видов позвоночных и большинства беспозвоночных.

Гемоглобин человека представляет собой тетрамер, состоящий из четырех субъединнц: двух а-субъеднннц и двух р"-субъединиц, содержащих по 141 и 146 аминокислотных остатков соответственно. Между первичными структурвмн а- и ^-субъединнц существует знв-

чительная гомология, сходны также н коиформации их полипептид- 207 ных цепей.

Молекула гемоглобина имеет сферическую форму, диаметр кото- Биологическая роль белков рой равен 5,5 нм (рис. 111). Четыре субъединицы упакованы в форме тетраэдра.

Какие структурные изменения происходят в гемоглобине при связывании кислорода? Данные рентгеноструктурного анализа показали, что окси енирование гемоглобина сопровождается рядом изменений. При низком разрешении установлено, что в этом случае структура становится более компактной (атомы Fe fi цепей сближаются примерно на 0,6 — 0,7 нм), еубъединиц поворачиваются друг относительно друга и оси второго порядка приблизительно на 10— 15*. Результаты исследования при высоком разрешении свидетельствуют о том, что особенно значительные изменения происходят в области aft-контактов. •

Рис. 111. Модель окситемоглобина.

К настоящему времени на основе рентгеноструктурных исследований и ряда других методических подходов достигнуты значительные успехи в выяснении механизма действия ферментов. Исходя из сложившихся предпосылок, можно полагать, что в ближайшие годы развитие энзимологии будет идти в основном по пути получения модифицированных ферментов с заданными свойствами на основе достижений в области генной инженерии. Это открывает широкие возможности для проверки справедливости современных представлений о механизме действия ферментоа н создания фундаментальной теории ферментативного катализа.

™_ Защитные белки

Белки и пептиды

Защитные белки — название в известной мере условное. В эту группу включены некоторые наиболее изученные белковые веще стаа, участвующие в проявлении защитных реакций организма. Основу их составляют белки иммунной системы (иммуноглобулины, антигены тканевой совместимости, интерлейкины, интерфероны и т. п.). В этом же разделе рассматриваются и белки системы свертывания крови.

Белки иммунной системы

Рис. 112. системы.

Основные органы иммунной

Одним из условий существования живых организмов является наличие механизме а позволяющих противостоять широкому кругу неблагоприятных факторов внешней среды, в том числе биологического происхождения. К таким факторам следует отнести прежде асего бактерии, вирусы и простейшие, являющиеся возбудителями инфекционных болезней. В процессе жизнедеятельности существует также опасность аозннкноаения и накопления нежелательных соматических мутаций (злокачественное перерождение н т. п.), что может приводить к гибели организма. Несмотря на существенные различия в происхождении этих факторов у них есть одна общая особенность — они генетически чужды организму. Именно эта особенность чужеродных факторов обусловила появление универсального, эволюционно сформировавшегося механизма защиты — иммунитета.

В этой связи следует упомянуть также о проблеме вакцин, т. е. об искусственном внесении чужеродных клеток нли веществ (как прааило, белкоаой или углеводной природы) с целью стимуляции защиты против организмов, построенных из аналогичных клеток или веществ. При этом в последние годы пояаилнсь методы создания чисто искусственных вакцин, получаемых химическим синтезом.

Итак, иммунитет — это врожденная, наследуемая способность организма распознавать и обезвреживать чужеродный мат

страница 27
< 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 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (11.1Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(23.11.2017)