Фёршт Э. Структура и механизм действия ферментов

Подождите немного. Документ загружается.

ТРЕХМЕРНАЯ

СТРУКТУРА

ФЕРМЕНТОВ

Образование

же

водородных связей характерно

равной степе-

ни

для

всех

ферментов

(рис.

1.12).

Участок связывания реакционноспособного кислорода

кар-

бонильной группы локализован

на

полипептидном остове

между

NH-группами

Ser-195

Gly-195. Образующиеся здесь водород-

ные связи имеют большое значение, поскольку кислород

в про-

цессе реакции приобретает отрицательный заряд. Водородная

связь имеется также

между

NH-группой N-ациламинового

фрагмента субстрата

С=О-группой

Ser-214.

в. Подцентры

Si, S

, S

Водородная связь

между

NH-группой N-ациламинового

фрагмента субстрата

карбонильной группой

Ser-214

является

началом непротяженной области, имеющей антипараллельную

(3-структуру,

которая образована аминокислотными остатками

Ser-214,

Тгр-215

Gly-216

фермента

остатками

Pi, P2 и Р

субстрата

H R

О R,

I I I II I

_С—N—

СН—

С—N—СН—С—N—СН—

II I

НО Н

он 6

I II

_N—С—СН—N—С—СН—N—С—СН—N—

! II I I II

Н О R H R' Н

Gly-216 Trp-215 Ser-214

г. Подцентр Si— участок связывания уходящей группы

Строение подцентра связывания уходящей группы соответ-

ствует

конформации L-аминокислот

[65].

Взаимодействие

ферментом носит

основном гидрофобный характер,

что

обус-

ловливает отсутствие экзонуклеазной активности фермента;

для

проявления последней требуется связывание ионизированной

карбоксильной группы

неполярной области

(рис.

1.15).

(«Ухо-

дящая группа»— жаргонное выражение, относящееся

заме-

щаемой группе

молекуле,

данном

случае

ацильной груп-

пе.)

Пример

лизоцим

Лизоцим катализирует гидролиз полисахарида, являющего-

ся

основным компонентом клеточной стенки некоторых бактерий.

Этот полимер состоит

из

чередующихся единиц N-ацетилглюко-

ГЛАВА

замина

(NAG) и N-ацетилмурамовой кислоты (NAM), связан-

ных р(1-v 4)-связями (рис.

1.16).

Установление структуры

лизоцима

— это одно из выдающихся достижений рентгено-

структурного анализа [66—68]. Если определение структуры

кристаллов сериновых протеаз явилось кульминационной точкой

многолетних исследований, проходящих через всю историю эн-

зимологии,

то выяснение структуры малоизвестного фермента

Расщепление

(NAG)

(NAM)

R=CH

-CH-COOH

Рис.

1.16. Полисахаридный субстрат лизоцима, обнаруженный в клеточных

стенках

бактерий.

лизоцима

послужило стимулом к исследованию белков в рас-

творе. Кроме того, определение кристаллической структуры ис-

ходного фермента и его комплексов с ингибиторами пролили

свет на неизвестный ранее механизм действия этого фермента.

В отличие от химотрипсина лизоцим имеет четко выражен-

ную

глубокую

впадину для связывания субстрата, простираю-

щуюся вдоль одного края молекулы, которая имеет форму

эллипсоида. Эта впадина частично образована неполярными бо-

ковыми

цепями аминокислот, обеспечивающими связывание не-

полярных областей субстрата, и, кроме того, имеет участки

связывания

ациламиновых и гидроксильных групп с помощью

водородных связей. В этой впадине располагается шесть

участ-

ков

связывания субстрата, обозначаемых через А, В, С, D, Е и F.

Остатки NAM

могут

связываться только на

участках

В, D и F,

тогда

как остатки NAG синтетических субс!ратов — на

всех

участках.

Расщепляемая связь располагается

между

участками

и Е.

Ввиду

отсутствия природных ингибиторов определить

структуру

продуктивного фермент-субстратного комплекса та-

ким

же способом, каким это было сделано в

случае

химо-

трипсина

и трипсина, пока не представляется возможным. Ис-

ТРЕХМЕРНАЯ СТРУКТУРА ФЕРМЕНТОВ 43

пользуемый в настоящее время метод основан на построении

моделей. С его помощью установлена структура фермента и

комплекса

фермента с ингибитором (NAG)3 [67]. Это соедине-

ние

является плохим субстратом для данного фермента —струк-

турные исследования показали, что он связывается непродук-

тивно

на участках А, В, С, минуя участки D и Е, где происходит

расщепление связи. Структура продуктивного комплекса была

установлена посредством построения проволочной модели комп-

лекса

(NAG)

с ферментом, а также удлинения полисахаридной

цепи

путем дальнейшего наращивания структурных единиц

NAG;

при этом использовались интуитивные представления о

возможных местах связывания этой цепи с ферментом. В насто-

ящее время такая работа выполняется с использованием ЭВМ,

позволяющих оптимизировать соответствие между ферментом и

субстратом. Установлено, что расщепляемая связь располагает-

ся

между карбоксильными группами Glu-35 и

Asp-52,

которые

находятся в неионизированном и ионизированном состояниях

соответственно. Роль этих групп в расщеплении связей обсуж-

дается в гл. 12.

В заключение отметим, что связывающие участки лизоцима и

сериновых протеаз почти комплементарны субстратам: неполяр-

ные

участки субстрата контактируют с неполярными боковыми

цепями

аминокислот; участки субстрата, способные образовы-

вать водородные связи, связываются с NH-группами полипеп-

тидного остова белка или (как в случае лизоцима) с полярными

боковыми цепями аминокислот. Благодаря этому подвергаю-

щаяся

каталитическому превращению часть субстрата удержи-

вается вблизи кислых, основных или нуклеофильных групп

фермента.

СПИСОК

ЛИТЕРАТУРЫ

1. Haldane 1. В. S., Enzymes, Longmans, Green and Co. (1930), MIT Press

(1965).

Green

D. W.,

Ingram

V.,

Perutz

M. F., Proc. R. Soc,

A225,

287 (1954).

Pauling

L, Nature of the chemical bond, Cornell University Press (1960).

Fersht

A. R., J. Am. chem. Soc, 93,

3504

(1971).

Chou

P. Y.,

Fasman

G. D., Biochemistry, 13, 211, 222 (1974).

6. Venkatachalam С. М., Biopolymers, 6, 1425 (1968).

Lewis

P. N., Momany F. A.,

Scheraga

H. A., Proc. natn. Acad. Sci., U. S. A.,

68,

2293

(1971).

8. Kuntz I. D., J. Am. chem. Soc, 94,

4009

(1972).

Crawford

J. L.,

Lipscomb

W. N.,

Schellman

С G., Proc. natn. Acad. Sci.,

S. A., 70, 538 (1973).

10. Levitt M.,

Chothia

C, Nature, Lond., 261, 552 (1976).

11.

Kuntz I. D., J. Am. chem. Soc, 94,

8568

(1972).

12.

Crick

F. H. C, Acta cristallogr., 6, 689 (1953).

13.

Chothia

C, J. molec. Biol., 75, 295 (1973).

14.

Klapper

M. H., Biochim. biophys. Acta, 229, 557 (1971).

15.

Richards

F. M., J. molec. Biol., 82, 1 (1974).

44 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

16.

Chothia

С,

Nature,

Lond., 254, 304 (1975).

17.

Chothia

С, Janin /.,

Nature,

Lond., 256, 705 (1976).

18.

Robertas

J. D.,

Alden

R. A., Kraut J., Biochem. biophys. Res. Commun., 42,

334 (1971).

19.

Drenth

/., Hoi W. G. Т.,

lansonius

J. N., Koekoek R.,

Cold

Spring

Harb.,

Symp. quant. Biol., 36, 107 (1971).

20.

Moult

J.,

Yonath

A.,

Traub

W.,

Smilansky

A., Podjarny A.,

Rabinovich

D.,

Saya A., J. molec. Biol., 100, 179 (1976).

21.

Hexter С S, Westheimer F. Я, J. biol. Chem., 246, 3928 (1971).

22.

Fersht

A. R.,

Sperling

J., J. molek. Biol., 74, 137 (1973).

23.

Doscher

Af. S, Richards F. Af, J. biol. Chem., 238, 2399 (1963).

24.

Bello

J.,

Nowoswiat

E. F., Biochim. biophys. Acta, 105, 325 (1965).

25.

Spilburg

С A.,

Bethune

J. L,

Vallee

B. L, Proc.

natn.

Acad.

Sci.,

U.S.A.,

71,

3922 (1974).

26.

Rossi

G. L,

Bernhard

S. A., J. molec. Biol., 49, 85 (1970).

27.

Fersht

A. R., Requena У, J molec. Biol., 60, 279 (1971).

28.

Hess G. P., The Enzymes, 3, 213 (1971).

29.

Keil

В., The Enzymes, 3, 249 (1971).

30.

Magnusson

S, The Enzymes, 3, 277 (1971).

31.

Hartley B. S,

Magnusson

S, The Enzymes, 3, 323 (1971).

32.

Blow

D. M., The Enzymes, 3, 185 (1971).

33.

Kraut J., The Enzymes, 3, 547 (1971).

34. Hartley B. S, Symposia Soc. gen. Microbiol., 24, 151 (1974).

35.

Matthews

B. W.,

Sigler

P. В.,

Henderson

R.,

Blow

D. M.,

Nature,

Lond.,

214, 652 (1967).

36.

Stroud

R. M., Kay L. M.,

Dlckerson

R. E., J.

molec.

Biol.,

83, 185 (1974).

37. Shotton D. M., Watson H. C,

Nature,

Lond., 225, 811 (1970).

38.

Blow

D. Af., Blrktoft J. J., Hartley B. S.,

Nature,

Lond., 221, 337 (1969).

39. Wright С S,

Alden

R. A., Kraut J.,

Nature,

Lond., 221, 235 (1969).

40.

Delbaere L. T. J.,

Hutcheon

W. L. В.,

lames

M. N. G.,

Thiessen

W. E.,

Nature,

Lond., 257, 758 (1975).

41.

Quiocho

F. A.,

Lipscomb

W. N., Adv. Protein Chem., 25, 1 (1971).

42. Schmid M. F.,

Herriott

J. R., J. molec. Biol, 103, 175 (1976).

43.

Rossman M. G., Liljas A., Branden C.-L, Banaszak L. J, The Enzymes, 11,

61 (1975).

44.

Fersct

A. R., Requena Y., J. Am. chem. Soc, 93, 3499 (1971).

45.

Fersht

A. R., Renard M.,

Biochemistry,

13, 1416 (1974).

46.

Robillard

G., Shaw E., Shulman R. G.,

Proc.

natn.

Acad. Sci., U. S. A., 71,

2623 (1974).

47.

Fastrez

J.,

Fersht

A. R., Biochemistry, 12, 2025 (1973).

48.

Steitz T. A.,

Henderson

R.,

Blow

D. Af, J. molec. Biol, 46, 337 (1969).

49.

Henderson

R., J. molec. Biol, 54, 341 (1970).

50. Fink A. L, Ahmed A. /.,

Nature,

Lond, 263, 294 (1976).

51.

Alber

Т.,

Petsko

G. A.,

Tsernoglou

D.,

Nature,

Lond.,

263, 297 (1976).

52. Laskowski Af, Jr., Sealock R. W'., The Enzymes, 3, 375 (1971).

53.

Wilson K. A., Laskowski Af., Sr., J. biol. Chem, 246, 3555 (1971).

54.

Rigbi

M., Proceedings of the International Conference on Proteinase

Inhi-

bitors (ed. H. Fritz and H. Tschesche), Walter de Gruyter, Berlin, p. 117

(1971).

55.

Bode W.,

Schwager

P., Huber R., Proceedings of the Tenth FEBS Meeting,

40,

3 (1975).

66.

Sweet

R. Af,

Wright

H. Т.,

Janin

J.,

Chothia

С Af,

Blow

D. Af,

Bioche-

mistry,

13, 4212 (1974).

57.

Robertus

J. D., Kraut J.,

Alden

R. A.,

Birktoft

J. J.,

Biochemistry,

11, 4293

(1972).

58.

Kraut J.,

Robertus

J. D.,

Blrktoft

J. J.,

Alden

R. A.,

Wilcox

P. E., Po-

wers

J. C, Cold Spring Harb. Symp. quant.

Biol.,

36, 117 (1971).

СПИСОК

ЛИТЕРАТУРЫ 45

59 Shotton D. M., White N. J., Watson H. C, Cold Spring

Harb.

Symp.

quant.

Biol.,

36, 91 (1971).

60.

Segal D. M., Cohen G. H., Davies D. R.,

Powers

J. C, Wilcox P. £.,

Cold Spring Harb. Symp. quant. Biol., 36, 85 (1971).

61.

Atlas £>., Levit S., Schechter I., Berger A., FEBS Lett., 11, 281 (1970).

62.

Gertler A., Hofmann Т., Can. J. Biochem., 48, 384 (1970).

63.

Thompson R. C, Biochemistry, 13, 5495 (1974).

64.

Baumann W. K-, Bizzozero S. A., Dutler H., Eur. J. Biochem., 39, 381

(1973).

65.

Fersht

A. R., Blow D. M., Fastrez J., Biochemistry, 12, 2035 (1973).

66 Blake С. С. F., Koenig D. F., Mair G. A., North А. С. Т., Phillips D. C,

Sarma

V. R.,

Nature,

Lond.,-206, 757 (1965).

67.

Phillips D. C,

Proc.

natn.

Acad. Sci. U. S. A., 57, 484 (1967)

68.

Blake С. С F., Johnson L N., Mair G. A., North А. С, Т., Phillips D. C,

Sarma

V. R.,

Proc.

R. Soc, B167, 378 (1967).

Глава

ХИМИЧЕСКИЙ

КАТАЛИЗ

Из

структурных

кинетических исследований ферментов

из-

вестно,

что эти

молекулы имеют определенные участки, связы-

вающие субстраты,

что

иногда

они

образуют промежуточные

соединения

ковалентными связями

содержат кислые, основ-

ные

нуклеофильные группы.

этой главе

мы

рассмотрим

причины,

по

которым указанные особенности ферментов необхо-

димы

для

катализа,

механизм

их

использования. Роль энергии

фермент-субстратного связывания

будет

рассмотрена

в гл. 10.

В основе многих концепций катализа лежит

теория

переход-

ного

состояния.

Поскольку

даже

поверхностное знакомство

этой

теорией значительно упрощает понимание одних представ-

лений

совершенно необходимо

для

понимания ряда

других,

мы

рассмотрим

ее

основные положения

область применения.

За-

тем

мы

обсудим основные принципы химического катализа

факторы,

определяющие каталитическую эффективность

фер-

ментов,

далее ознакомимся

наиболее развитыми областями

кинетики

основами гомогенного катализа

прежде всего

об-

судим, какие факторы определяют реакционную способность

молекул

(что

такое хорошая нуклеофильность

и что

такое хоро-

шая

уходящая группа

для

данной реакции); остановимся также

на

зависимости реакционной способности молекул

от их

струк-

туры.

наконец,

для

удобства

попутно изложим некоторые

сведения

из

области кинетики

стереохимии.

А. Теория переходного состояния [1

—4]

Существует несколько теорий химической кинетики.

Про-

стейшая

из

них

—

теория столкновений, которая используется

гл.

4 для

расчета констант скорости столкновения молекул

растворе. Более сложной является теория переходного состоя-

ния,

особенно полезная

при

анализе зависимости реакционной

способности молекул

от их

структуры.

При

этом процессы стол-

ХИМИЧЕСКИЙ

КАТАЛИЗ

кновения

реагентов

не

рассматриваются: теория имеет дело

только

самими реагентами

(основное

состояние)

и с

наиболее

нестабильными соединениями, образующимися

ходе

реакции

(переходное

состояние).

Переходному состоянию соответствует

максимум

на

кривой изменения энергии реагентов вдоль коор-

динаты реакции

(рис. 2.1); в

этом состоянии химические связи

Рис.

2.1.

Переходному

со-

стоянию

соответствует

ма-

ксимум,

промежуточно-

му состоянию

—

минимум

на

кривой зависимости энергии

от координаты реакции.

Переходное

состояние

Промежуточное

соединение

Координата

реакции

непрерывно образуются

разрываются. Напротив, промежуточ-

ным

соединениям

со

стабильными химическими связями

со-

ответствуют

минимумы

на

рассматриваемой кривой. Простой

способ расчета скорости реакции основан

на

допущении,

что

между

переходным

основным состояниями

существует

термо-

динамическое равновесие;

этом

случае

концентрацию переход-

ного состояния можно рассчитать

из

разности энергии этих

со-

стояний.

Общую скорость реакции получают затем умножением

концентрации

переходного комплекса

на

константу скорости

его

распада. Расчет гораздо проще,

чем

кажется

на

первый взгляд,

поскольку разность энергий

между

основным

переходным

состояниями используется только качественно,

можно пока-

зать,

что все

переходные состояния

при

данной температуре

распадаются

одинаковой частотой.

Рассмотрим мономолекулярную реакцию. Предположим,

что

разность энергий Гиббса

для

переходного

(X*) и

основного

(X)

ГЛАВА

состояний равна AG*. Воспользуемся хорошо известным соот-

ношением равновесной термодинамики'

] = [X]exp(-AG

/^). (2.1)

Частота распада переходного комплекса совпадает с частотой

колебаний v разрываемой связи. Эта частота получена из ра-

венства энергий возбужденного осциллятора, рассчитанных на

основе квантовой теории (Е = ftv) и классической физики

(Е = kT)

kT/h

(2.2)

где k — константа Больцмана, h — постоянная Планка. При

25°С

v =

6,212-10

с-

Следовательно, скорость распада молекул X определяется

уравнением

-d[X]/d/

v[X*]=

(2.3)

[X]

(kT/h)

exp (- AG*/RT), (2.4)

а константа скорости первого порядка для распада молекул X

равна

{kT/h)

exp (-

AG*/RT).

(2.5)

При

необходимости энергия активации Гиббса AG* может

быть подразделена на энтальпийную и энтропийную составляю-

щие в соответствии с существующим в равновесной термодина-

мике соотношением

AG* = AH*

-TAS*,

(2.6)

где АН* — энтальпия активации, a AS* — энтропия актива,

ции.

Таким образом,

А, =

(kT/h)

exp

(AS*//?)

exp (- AH*/RT). (2.7)

(При

более строгом

подходе

в это выражение

входит

множи-

тель, известный под названием трансмиссионного коэффициента,

однако обычно он близок к 1, и им можно пренебречь.)

Для простых кинетических экспериментов и опытов по связыванию наи-

более полезны два термодинамических уравнения: а) соотношение

между

изменением энергии Гиббса и константой равновесия реакции

Д<2=

— RT\nK;

б) соотношение

между

изменением энергии Гиббса и изменениями эн-

тальпии и энтропии

Д G = АЯ — Т AS.

ХИМИЧЕСКИЙ

КАТАЛИЗ

1. Значение теории переходного состояния

ее применение

Ценность теории переходного состояния заключается в том,

что она связывает скорость реакции с разностью энергий Гиббса

для переходного и основного состояний. Это особенно важно при

рассмотрении относительной реакционной способности субстра-

тов или при сравнении скорости данной реакции в различных

условиях. Иногда удается рассчитать отношение скоростей или в

более общем

случае

качественно определить характер изменения

реакционной

способности. Например, щелочной гидролиз такого

эфира,

как фенилацетат, включает атаку нейтрального реагента

в основном состоянии отрицательно заряженным гидроксил-

ионом.

Это означает, что переходный комплекс должен нести

некоторый отрицательный заряд, перенесенный на

эфир.

Можно

ожидать, что n-нитрофенилацетат является более реакционно^

способным соединением, чем фенилацетат, поскольку нитрогруп-

па оттягивает на себя электрон и стабилизирует отрицательно

заряженное переходное состояние. Рассмотрим спонтанное раз-

ложение трет-бутилбромида на ион трет-бутилкарбония и бро-

мид-ион. Переходное состояние этой реакции должно иметь

биполярный характер, поэтому полярный растворитель (напри-

мер, вода)

будет

стабилизировать его, а неполярный (например,

диэтиловый эфир)—дестабилизировать. В гл. 10 и 11 мы рас-

смотрим применение теории переходного состояния для количе-

ственного анализа ферментативных реакций — выявления зави-

симости реакционной способности и специфичности от структуры

при

дискретном изменении структуры субстрата.

2. Постулат Хэммонда [5]

Для применения теории переходного состояния, а также при

анализе данных по зависимости реакционной способности ре-

агентов от структуры весьма полезен постулат Хэммонда. Посту-

лат

утверждает,

что если в

ходе

реакции образуется нестабиль-

ное промежуточное соединение, то переходный комплекс

будет

близок к нему по структуре. Связано это с тем, что нестабиль-

ному промежуточному соединению отвечает неглубокий мини-

мум на диаграмме изменения энергии системы вдоль координа-

ты реакции, расположенный вблизи максимума кривой. Посту-

лат Хэммонда позволяет предсказать

структуру

переходного

состояния и способ его стабилизации. Например, промежуточ-

ным

соединением в реакции, катализируемой лизоцимом, явля-

ется карбоксоний-ион (рис. 2.2). Поскольку это нестабильное

высокоэнергетическое соединение, есть основания считать, что

переходное состояние имеет

структуру

карбоксоний-иона.

ГЛАВА

бимолекулярным реакциям постулат Хэммонда неприменим.

В этих реакциях

участвуют

две молекулы, при столкновении

которых образуется один переходный комплекс, и изменение

энергии

Гиббса обусловлено в основном уменьшением энтропии

(разд. Б.4). Постулат Хэммонда справедлив главным образом

по

отношению к разностям энергий, и его применение наиболее

эффективно

случае

мономолекулярных реакций. Иногда он

Рис.

2.2. Переходное состояние для реакции рас-

щепления

ацеталя по своей

структуре

близко к

промежуточному соединению — карбоний-иону, ко-

торому

соответствует

небольшой минимум вблизи

максимума на кривой зависимости энергии от ко-

ординаты реакции.

выполняется

и в такой ситуации, когда

гентов и продуктов достаточно велика,

нестабильны, то переходное состояние по

ним. Если же нестабильны исходные

состояние имеет

структуру,

аналогичную

тов (правда, в этом последнем

случае

менее строго).

разность энергий реа-

Если

продукты очень

своей

структуре

близко

реагенты, переходное

структуре

этих реаген-

постулат выполняется

Б.

Принципы

катализа

1. В каких

случаях

и почему необходим катализ

Чтобы показать, насколько велика роль катализа, рассмот-

рим

некатализируемые реакции, которые в принципе ускоряют-

ся

химотрипсином и лизоцимом.

Атака

эфира водой в отсутствие катализа приводит к обра-

зованию переходного состояния, в котором атакующая молекула