Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Прежде всего следует отметить, что данные рентгеноструктурного анализа позволили определить область активного центра фермента и его геометрию на уровне координат атомов. Сделать это с такой же полнотой и степенью надежности другим способом в настоящее время не представляется возможным. Использование данного метода для расшифровки трехмерных структур нативного фермента и его комплексов с различными ингибиторами позволило выявить конформа-
104
ционные перестройки активного центра, которые могут иметь место на разных стадиях каталитического акта. Эти данные так же уникальны и информативны. Велика роль рентгеноструктурного анализа в исследовании специфичности фермент-субстратных взаимодействий и локализации областей связывания активного центра с чувствительными местами субстрата и примыкающими к нему с обеих сторон остатками. Что же касается взаимной ориентации расщепляемой связи относительно каталитически активных остатков фермента, отвечающих продуктивному связыванию истинного субстрата, то вопрос остается нерешенным. Высказанные мнения, как это видно на примере предложенных четырех различных стереохимических моделей функционирования аспартатных протеиназ, могут подразделяться на более или менее правдоподобные, однако все они, несмотря на знание конформаций фермента в нативном состоянии и в комплексе с ингибитором, имеют лишь гипотетический характер.
Рассмотренный материал об аспартатных протеиназах, как и подобный материал о химотрипсине, трипсине, карбоксипептидазе и лизоциме, изложенный ранее [400], дает основание заключить, что появление уникальной количественной информации о пространственном строении ферментов и их комплексов не привело к концептуальному развитию энзимологии и переосмыслению сложившихся представлений о природе биокатализа. Ставшие доступными рентгеноструктурные данные не вызвали принципиальных изменений в понимании явления ферментативного катализа и не нашли строгого объяснения в рамках сформулированных в 1950-е годы концепций, равно как и наоборот — последние не получили на основе новых структурных данных своей объективной трактовки. Данные рентгеноструктурного анализа о трехмерных структурах ферментов не изменили направленность исследований каталитических реакций "от функции к структуре", которой энзимология следует с момента своего становления, т.е. более 150 лет.
Первая, главная причина отсутствия ощутимого прогресса в понимании природы ферментативного катализа касается пространственной организации белковых молекул, без знания принципов которой невозможно теоретическое развитие энзимологии. О том, что должного понимания структурной организации ферментов, действительно, нет, свидетельствует как само многообразие существующих концепций, отражающих различные, иногда взаимоисключающие представления о конформационных свойствах белков, так и многовариантность в рамках одной концепции стереохимических моделей механизма конкретной каталитической реакции, что продемонстрировано выше на примере аспартатных протеиназ. Необходимые для количественного описания каталитического акта данные о конформационных возможностях фермента и субстрата, их потенции к изменению своих структур не могут быть получены непосредственно из рентгеноструктурного анализа (как и любого другого эксперимента) или эмпирическим путем, без привлечения теоретических и расчетных методов, в конечном счете, без количественной теории структурной организации белков.
Вторая причина заключается в некорректной оценке проблемной
105
ситуации, проявляющейся во взгляде на ферментативный катализ как на явление, в принципе аналогичное химическому катализу. Нельзя решить задачу структурно-функциональной организации, т.е. создать теорию биокатализа, пытаясь понять механизм ферментативного катализа на основе экспериментальных методов и теоретических подходов органической химии, формальной кинетики и равновесной термодинамики. Механизм каталитического акта фермента не поддается воспроизведению в искусственных условиях и его сопоставление даже с механизмом конгруэнтной системы носит в значительной мере формальный характер, особенно в отношении стереохимии. (Подробно эта тема будет обсуждена в четвертом томе монографии "Проблема белка".)
Третья причина развития теоретической энзимологии за последние десятилетия главным образом в терминологическом и популяризационном планах связана с рядом ограничений самого рентгеноструктурного анализа. Во-первых, несмотря на уникальность и ценность этого метода как практически единственного источника информации о трехмерных структурах белков, получаемые им результаты касаются только статического состояния фермента и, следовательно, прямо не отвечают на вопрос о динамических конформационных и электронных характеристиках активной конформации, что представляет первостепенный интерес в изучении биокаталитического процесса. Выявление потенциальных возможностей объектов исследования и предсказание их поведения - прерогатива теоретического подхода. Во-вторых, рентгеновский метод позволяет расшифровать трехмерные структуры комплексов ферментов, но комплексов не с субстратами, а с ингибиторами. Могут быть получены структурные данные о целой серии ингибиторных комплексов одного фермента, которые в той или иной мере (но всегда неявной) соответствуют химическим элементарным стадиям каталитического акта. Однако в таком наборе все ингибиторы отличаются по своему химическому и пространственному строению как от истинного субстрата, так и друг от друга. Не зная продуктивной ориентации субстрата в активном центре, а также актуальных для катализа фермент-субстратных взаимодействий и обусловленных ими конформационных перестроек и имея дело со сложной системой, трудно составить полное и объективное представление о причинах спонтанного протекания каталитической реакции. Предпринимаемые здесь попытки представляют собой стремление воссоздать механизм каталитического акта, располагая структурными данными, одна часть которых отвечает реальному, исходному состоянию фермента, а другая, большая часть, фермент-ингибиторным комплексам, которые в чем-то (в чем именно, неизвестно) отличаются от промежуточных продуктивных комплексов истинного многостадийного процесса.
