Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
В схеме каталитической реакции аспартатных протеиназ, предложенной JI. Перлом [398], нуклеофилом, как и в только что рассмотренной схеме К. Сугуны и соавт., является молекула воды W507 (рис. 1.25). Новое в модельном описании Пёрла состоит в предположении равенства констант кислотности и, следовательно, электронной эквивалентнос-
101
Asp-35
Asp-218 Asp-35
11
Asp-218
C°
\—(/ H—r/
I NH,
Asp-35
Asp-218 Asp-35
Asp-21?
Рис. 1.25. Схема механизма катализа аспартатных протеиназ, предложенная JI. Перлом [398]
Asp-25
Asp-125
Asp-25
Asp-125
w
Asp-25
Asp-125
Asp-25
Asp-125
Рис. 1.26. Схема механизма катализа аспартатных протеиназ, предложенная М. Яскольски и соавт. [374]
102
ти карбоксильных групп остатков Asp-35 и Asp-218, имеющих обобщенный протон, и, кроме того, во введении в качестве электрофиль-ного компонента, дополнительно поляризующего карбонильный кислород расщепляемой связи, двух групп NH остатков Gly-78 и Asp-79 (нумерация ризопуспепсина), которые входят в последовательность нависающего над субстратом флепа. Действия нуклеофила и электрофила в согласии с предыдущими моделями механизма функционирования аспар-татных протеиназ приводят к образованию неустойчивого промежуточного соединения, распадающегося на H2N— и —СООН продукты реакции. И в этом случае, как в рассмотренных выше, автор следует концепции напряжения и принудительной деформации, т.е. постулирует возможность трансформации энергии фермент-субстратных невалентных взаимодействий в энергию искажения пептидной связи, приближающего ее к переходному состоянию и тем самым облегчающего гидролиз.
Модель механизма действия аспартатных протеиназ, предложенная М. Яскольски и соавт. [374], основана на трехмерной структуре ретровируса HIV-1 протеиназы. В качестве нуклеофила и здесь выбирается молекула W507 (нумерация пенициллопепсина), расположенная на равных расстояниях между боковыми цепями остатков Asp-25 и Asp-125 (рис. 1.26). Учитывая симметрию фермента, авторы поместили одну из гидроксильных групп Н20 вдоль оси второго порядка таким образом, что она может образовывать бифуркационную водородную связь с внутренними карбоксильными атомами кислорода остатков аспарагиновой кислоты. Вторая гидроксильная группа Н20 направлена к внешнему кислороду боковой цепи Asp-25. Кислый протон неионизован-ной боковой цепи Asp-125 образует водородную связь с атомом кислорода молекулы кристаллизационной воды W507. Таким образом, согласно динамической модели Яскольски и соавторов, нативная HIV-1 протеиназа в равновесном состоянии обладает симметричной системой из пяти атомов кислорода, в поле которых соответствующим образом мигрируют атомы водорода. Симметрия активного центра нарушается при взаимодействии фермента с субстратом. В результате нуклеофильной атаки одновременно разрушается карбонильная группа расщепляемой связи, изменяется гибридизация атомов углерода и азота (sp2 —» sp3), возникает валентная связь С—ОН и происходит протонизация азота. Иными словами, фермент-субстратный комплекс проходит в одну стадию неустойчивое промежуточное состояние, которое завершается образованием продуктов реакции и возвращением фермента в исходное положение.
Высказанные в литературе суждения о стереохимии аспартатных протеиназ отличаются количеством элементарных стадий каталитического акта, положением молекулы воды, осуществляющей нуклеофильную атаку на карбонильный углерод расщепляемой связи, атомными группами, поляризующими кислород этой же связи и способом протонизации атома азота. Несмотря на существенные различия предложенных моделей, они едины в следующих своих исходных положениях.
103
Во-первых, предполагается, что аспартаткые протеиназы функционируют по принципу общего катализа и, следовательно, по ходу реакции не образуют с субстратом ковалентных промежуточных комплексов.
Во-вторых, утверждается, что для реализации каталитического действия протеиназ необходимо наличие в системе нуклеофила, основного и кислотного катализаторов (расхождение — в их выборе).
В-третьих, во всех гипотезах предполагается, что ферментативная реакция гидролиза пептидной связи проходит стадию неустойчивого промежуточного соединения (тетраэдрического аддукта).
Эти положения были сформулированы и подтверждены экспериментально при изучении ферментативных и модельных неферментативных реакций еще до того, как был выполнен рентгеноструктурный анализ хотя бы одной молекулы аспартатной протеиназы. Ставшие известными трехмерные структуры ферментов и их комплексов с субстратоподобными ингибиторами дополнительно подтвердили некоторые из ранее сделанных заключений и позволили визуализировать уже сложившиеся представления.
В-четвертых, во всех предложенных стереохимических моделях общей является трактовка побудительных мотивов функционирования аспартатных протеиназ, основывающаяся на концепции деформации и напряжения [399].
Таким образом, разработанные схемы ферментативного катализа примечательны в том отношении, что они исходят, по существу, из одного и того же экспериментального материала, включающего данные рентгеноструктурного анализа, полученные в последние годы, и базируются на одних и тех же теоретических представлениях о природе биокатализа, сложившихся до становления кристаллографии белков и давно ставших традиционными. На несовершенство сделанных обобщений указывает то обстоятельство, что при единстве исходного опытного материала и теоретической основы, а также в рамках одного подхода была предложена не одна стереохимическая модель функционирования аспартатных протеиназ, а четыре различные модели, которых, впрочем, могло бы быть и больше. Они не образуют ряда, свидетельствующего о количественном развитии знаний о механизме действия ферментов, а скорее представляют собой букет различных точек зрения. Рассмотренные гипотезы отвечают одному уровню понимания изучаемого явления и равноценны как в своей аргументации, так и предсказательной силе. Что же привнесла нового в изучение каталитических реакций аспартатных протеиназ и других ферментов рентгеновская кристаллография белков?
