Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
79
3.3. АСПАРТАТНЫЕ ПРОТЕИНАЗЫ
В разделах 3.1. и 3.2. были отмечены первые попытки подойти с помощью рентгеноструктурного анализа к решению проблемы структурной организации мембранных белков. Они завершились относительным успехом — установлением для ряда рецепторов трехмерных структур их периплазматических доменов, содержащих лиганд-связывающие центры. Развитие работ этого направления в конечном счете должно привести к определению пространственных структур целых рецепторных молекул, включающих также трансмембранные и цитоплазматические домены, и созданию экспериментальной основы, необходимой для решения проблемы структурнофункциональной организации молекул мембранных белков и количественного описания механизмов их функционирования. Трудности на этом пути, имеющие, главным образом, технический и препаративный характер, пока еще велики.
Настоящий раздел посвящен достижениям рентгеноструктурного анализа белков, знание пространственного строения которых представляет для человека поистине жизненный интерес. Речь пойдет об аспар-татных протеиназах, прежде всего протеиназе вируса иммунодефицита человека (HIV) и ренине, одних из главных участников системы регуляции тонуса стенок кровеносных сосудов, скселетных мышц и других тканей. Ниже показано, что поиск радикальных терапевтических средств борьбы с синдромом приобретенного иммунодефицита (AIDS), другими видами вирусных заболеваний, гипертонией, т.е. решение сугубо прикладных задач экстраординарной важности, требует высокого уровня развития теоретической молекулярной биологии. Необходимой, хотя и не в полной мере достаточной, предпосылкой для его достижения является информация о трехмерных структурах соответствующих белковых молекул. В отличие от структурных исследований мембранных рецепторов, сдерживающим моментом здесь служат не трудности выделения, очистки и кристаллизации белков, а сложности более принципиального порядка.
Перед рассмотрением результатов рентгеноструктурного анализа молекул протеиназы HIV-1, принадлежащего к семейству РНК-содер-жащих вирусов Retroviridae, и ренина, протеолитического фермента млекопитающих, которые в последние годы привлекли к себе исключительное внимание как перспективные терапевтические мишени, несколько слов об общем состоянии исследований аспартатных проте-иназ. Молекулы аспартатных (карбоксильных) протеиназ вместе с се-риновыми, цистеиновыми и металлопротеиназами образуют группу эндопептидаз, входящих в состав амидгидролаз. Они обнаруживаются у животных (пепсин, катепсин, химозин, ренин и др.), в микроорганизмах (пенициллопепсин, эндотиапепсин, ризопуспепсин и др.) и ретровирусах (протеиназы вирусов иммунодефицита человека и обезьяны, саркомы Роуза и др.). Аминокислотные последовательности известных ферментов этой группы обладают гомологией, особенно заметной в областях активных центров, что указывает на их эволюционное родство.
80
Первые кристаллографические структуры аспартатных протеиназ стали известны в 1977 г., когда были опубликованы данные рентгеноструктурного анализа пространственного строения молекул сразу четырех ферментов: пепсина, пенициллопепсина, эндотиопепсина и ризопуспепсина (табл.1.1). Структуры были идентифицированы с разрешением 2,5—3,0 А. Прошло около десяти лет, пока разрешение удалось довести до 1,8—2,1 А, которое уже с достаточной надежностью позволило судить о деталях строения самих ферментов и взаимодействующих с ними молекул ингибиторов и воды. За это время были расшифрованы структуры еще двух аспартатных протеиназ — химозина и ренина, а также структуры ряда ингибиторных комплексов четырех упомянутых выше ферментов. Кристаллографический анализ показал, что, несмотря на существенное различие в последовательностях аминокислот, пространственное строение молекул аспартатных протеиназ животных и микроорганизмов сходно. Все они построены из двух симметрично расположенных и почти целиком состоящих из P-структур доменов. Оба домена воспроизводят одинаковый структурный мотив и содержат попадающие в активный центр фермента участки Asp—Thr—Gly. В контактной области домены образуют щель, пересекающую большую часть глобулы белка. В центре щели находятся два каталитически важных остатка Asp-32 и Asp-215 (нумерация пепсина), карбоксильные группы которых сближены друг с другом и с несколькими другими остатками, а также с молекулами кристаллизационной воды. Система стабилизирована сетью водородных связей, электростатическими и дисперсионными взаимодействиями (рис. 1.17). Исследования трехмерных структур комплексов аспартатных протеиназ с субстратоподобными ингибиторами (табл. 1.1) позволили идентифицировать для каждого фермента места активного центра и соотнести их с участками субстрата, ответственными за первичную и вторичную специфичность ферментативной реакции. Сопоставление структур нативных протеиназ с их ингибиторными комплексами показало, что связывание олигопептидных лигандов, незначительно отличающихся от субстратов, сопровождается поворотом одного домена относительно другого приблизительного на 4° и его смещением на ~ 0,3 А вдоль оси, проходящей через С“-атомы остатков Asp-32 и Asp-215. Изменение во взаимной ориентации доменов приводит к уплотнению щели и заметной деформации активного центра
