химический каталог




Химия протеолиза

Автор В.К.Антонов

же связь в обычных амидах. Кроме того, р-лактамный цикл и тиазолиновое кольцо располагаются по отношению один к другому под углом «120°. Все это исключает возможность взаимодействия неподе-ленной пары электронов атома азота с ти-электронами двойной связи:

Частота полосы амид I в пенициллинах сдвинута до 1770 см'1, тогда как у моноциклических р-лактамов эта полоса имеет значение 1730 см-1, а у обычных амидов - 1665 см-1 [110].

1.3.2. Сложноэфирная связь

Сложноэфирные связи, расщепляемые некоторыми протеолитическими ферментами, - это связи в эфирах ациламинокислот, в некоторых, обычно активированных эфирах карбоновых кислот и депсипептидах,построенных из чередующихся амино-и оксикислотных остатков:

..-HNCH(R1)C00CH(R2)C0NHCH(R3)C0...

В сложных эфирах возможно существование резонансных структур (V) и (VI?

о ов

<+)

24 Глава первая. Субстраты

как следствие взаимодействия неподеленных пар эфирного атома кислорода с тг-связью карбонильной группы. Однако из-за более высокой электроотрицательности атома 0 по сравнению с N вклад структуры VI составляет 15% [14]. В соответствии с этим сложные эфиры существуют в двух формах:

О

О

а-трзнс (Z)

R

s-цис (E)

Энергия резонансной стабилизации в сложноэфирной группе близка к таковой для амидов («ДО ккал/моль) [14] или даже несколько выше [111]. Однако изменение свободной энергии активации Б-цис-Б-тракс-перехода у сложных эфиров ниже, чем у амидов, и составляет около 7-10 ккал/моль [19,112,113].

Такая противоречивая ситуация может быть связана [111] с тем, что в переходном состоянии цис-тракс-изомеризации эфирная связь сохраняет частично энергию резонансной стабилизации за счет взаимодействия одной из двух свободных электронных пар спиртового атома кислорода с тс-электронами двойной связи (рис.5).

Q 0 64- § ' 9 9р -0

/ R

г ' г' 1 Рис.5. Транс(Z)-ЦОССЕ)-изомеризация сложных ефиров Переходное состояние обозначено Т* [111]

Длины связей в сложноэфирной группе по данным дифракции злектронов в газовой фазе [114] приблизительно такие же, как длины связей в амидной группе, и так же, как и в последней, они изменяются при переходе от индивидуальных молекул к кристаллам (табл.7). Силовые постоянные в группе C00R сни-

Таблица 7. Геометрические параметры сложноэфирной группы

Соединение о г, А т, град. Литературный источник

С=0 C-OR 0-R 0=С-0 С-О-С Метилформиат 1 ,22 1 ,37 1 ,47 123 112 [1U]

Метилацетат 1 ,22 1 ,36 1 ,46 124 113 [114]

Диэтилтерефталат 1 ,28 1,32 1 ,47 125 117 [115]

жены по сравнению с амидной группой и соответственно вычисленные из этих данных тс-порядки для связей C-0R ниже, чем для связи C-N у амидов (табл.8).

Все эти данные свидетельствуют о том, что сложноэфирная связь в меньшей степени резонансно стабилизирована, чем амидная.

Необходимо отметить, что в газовой фазе сложноэфирная группа в эфирах не

1.4. Производные аминокислот и пептидов

25

является плоской. По данным дифракции электронов в метилформиате, метилаце-тате и других эфирах угол между плоскостями R1-C=0 и C-0-R2 составляет в среднем 25° [114]. В кристаллах такого искажения плоской конфигурации не наблюдается [115].

Сложные эфиры - еще более слабые основания, чем амиды [1161. Так, значение рйа для присоединения протона у эфиров бензойной кислоты лежит в области -7,5 [117].

Таблица 8. Заряды на атомах, порядок связей и силовые постоянные сложных эфиров (рассчитано методом CNDO/2)

Соединение Заряды те-Порядок Силовые постоянные, о мдин/А С °карбонил °спирт С-0 С=0 С-0 С=0

нсоосн3 сн3соосн3 ch3conhch2cooch3 *Рассчитано i 0,381 0,395 0,372 13 силе -0,290 -0,335 -0,334 звых по с то! -0,199 -0,224 -0,217 шных [6 0,053 * 0,30 0,016 * 0,35 0,028 1]. 0,875 * 1,09 0,777 * 1 ,02 0,777 6,74 7,00 11 ,83 11 ,51

1.4. Производные аминокислот и пептидов

Кроме состояния самой расщепляемой группы важными характеристиками субстратов протеаз являются свойства боковых цепей аминокислотных остатков и их конформация. Структура и свойства боковых цепей природных аминокислот варьируют в широких пределах. С точки зрения ферментативного катализа наиболее существенными характеристиками являются зарядовое состояние боковой цепи, ее размер, гидрофобность, конформация как основной цепи полипептида, так и боковых цепей и конформационная подвижность. Эти свойства будут рассмотрены в этом разделе на примере ациламинокислот и простых пептидов.

1.4.1. Состояние ионизации и гидрофобность

Боковые цепи аминокислотных остатков по их состоянию ионизации в нейтральных водных растворах можно разделить на три группы: нейтральные, слабокислые и основные (табл.9). При рН 7 боковые цепи остатков аспарагиновой и глутаминовой кислот несут отрицательные заряды, боковые цепи остатков лизина, аргинина практически полностью протонированы и несут положительный заряд, а боковая цепь гистидина и в меньшей степени цистеина имеют лишь частично положительный и отрицательный заряды соответственно. Фенольный гид-роксил тирозина при этом значении рН протонирован и электронейтрален. Мн-дольная группа триптофана имеет рйа около -2 и может рассматриваться как нейтральная.

Количественной мерой степени гидрофобное™ аминокислотных остатков служит изменение свободной энергии, приходящееся на боковую цепь свободной

26 Глава первая. Субстраты

аминокислоты при ее переносе из неполярного или малополярного растворителя в воду.- Существуют разные шкалы гидрофобности, когда в качестве растворителя используют этиловый спирт [118], к-октанол [119] (коэффициент тс), гептан [121] и др. Применяют также шкалы, основанные на степени удерживания при высокоэффективной жидкостной хроматографии аминокислот [122] или показатель, равный изменению свободной энергии при переносе боковой цепи из вакуума в воду [120]. Эти показатели часто по-разному характеризуют боковые цепи аминокислот в отношении их гидрофобности. Так, например, при переносе из спирта в воду остатки лизина, аргинина и гистидина характеризуются как сла-

Таблица 9. Значение рй и степени гидрофобности боковых цепей аминокислот

Аминокислота R рй с а AG, ккал/моль; спирт-вода [118] 7Е [119] AG, ккал/моль; вакуум-вода [120]

Глицин Н 0 0 . +2,39

Алании снз +0,73 +0,50 +1,94

Валин сн(сн3)г +1,69 +1,53 +1,99

Лейцин сн2сн(сн3)г +2,42 +1 ,98 +2,28

Изолейцин сн(сн3)с?н5 +2,97 +2,04 +2,15

Серии сн2он +0,04 -1 ,03 -5,05

Треонин СН(СН3)0н +0,44 -0,77 -4,88

Аспарагин сн2сокн2 -0,01 -1 ,68 -10,95

Глутамин (сн2)2сокн2 -0,1 -1 ,22 -10,20

Аспарагиновая кислота снгсоон 3,65 +0,54 -0, 12 -9,68

Глутаминовая кислота (сн2)2соон 4,25 +0,55 +0,29 -9,38

Гистидин 6,0 +1,4 - -10,27

Лизин (снг)дин2 10,5 +1,5 +1 ,45 -9,52

Аргинин (СН2)3КНС(:КН)КНг 12,5 +0,73 - -19,92

Цистеин ch2sh 8,2 +0,65 - -1 ,24

Тирозин СН_С,Н -ОН-п. 2 6 4 10,0 +2,87 - -6,11

Фенилаланин сн2с6н5 +2,65 +2,69 -0,76

Триптофан н +3,0 -5,88

Цистин -ch2-s-s-ch2- +1,3 - -1 ,48

Метионин (ch2)2sch3 +2,6 - -

Пролин -(сн2)3- - +1,2 —

1.4. Производные аминокислот и пептидов

27

бо гидрофобные, что обусловлено наличием у них значительного числа метиле-новых и метановых звеньев, вклад которых превышает вклад заряда. Эти же остатки, как показывает изменение свободной энергии при переносе из вакуума в воду, являются наиболее гидрофильными (см. табл.9).

Следует заметить, что представление об аддитивности индексов гидрофобно-сти, по-видимому, не всегда соблюдается. Было показано [123], что полярные боковые цепи являются заметно более гидрофобными в составе белков и олиго-пептидов, чем в свободных аминокислотах, из-за влияния фланкирующих пептидных связей. Образование а-спиральной конформации несколько снижает гидрофобность большинства боковых цепей аминокислот.

1.4.2. Конформация

В каждом аминокислотном остатке, входящем в полипептидную цепь (за исключением пролина), имеются две связи N-C и Са-С', вокруг которых возможно свободное вращение. Кроме того, боковые цепи' аминокислот имеют в болыпинстве-случаев несколько одинарных связей, допускающих свободное вращение. Взаимодействия валентно не связанных групп в составе аминокислотного остатка и групп соседних остатков по цепи ("ближние" взаимодействия [124]) приводят к тому, что не все возможные взаимные положения групп оказываются разрешенными. Рассмотрим конформации основной и боковых цепей аминокислотных остатков (см..:обзоры [11,13]).

Номенклатура. В соответствии с рекомендациями Международной комиссии по номенклатуре [15] конформация основной цепи описывается двумя двугранными углами фи ф, характеризующими соответственно взаимную ориентацию заместителей при атомах N и С , С и С Цепь рассматривается от N- к С-концу и за нулевое значение угла ф принимается положение, когда' связь N-H находится в цис-ориента-ции к связи С -С (рис.6). Изменение угла ф происходит путем вращения связи Са-С* вокруг связи N-C^. Вращение по часовой стрелке дает значения углов от 0° до +180°, против часовой стрелки - от 0° до -180°. За нулевое значение угла ф принимают положение, когда связь Ca~N находится в г^с-ори-ентации по отношению к связи С-О. Значения углов здесь те же, что и в случае угла ф. Кроме углов фиф, конформацию основной полипептидной цепи определяет двугранный угол ш, характеризующий состояние амидной связи.

Конформационное состояние боковых цепей описывается углами х, > и т.д., начиная от Са~атома. За нулевое значение принимается конформация, в которой связь С -С находится в цис-ориентации по отношению к связи C^pN:

28 Глава первая. Субстраты

Основная цепь. Многочисленные рентгеноструктурные исследования пептидов [11,13,18] и Оелков [125-127], а также исследования пептидов в растворах, главным образом, методами ЯМР-спектроскопии [128-131] показывают, что кон-формационное состояние основной полипептидной цепи в подавляющем большинстве случаев совпадает с областями наименьших энергий, рассчитанными методами атом-атомных потенциалов или квантовохимическими методами [28,132-138].

Разрешенные по энергии значения углов фиф обычно изображают диаграммами Рамачандрана [11] (рис. 7,а-в). Для метиламидов N-ацетилаланина и N-аце-тилвалина разрешенными областями являются три, обозначаемые как области Я, В и L. Для глицинового остатка конформационные возможности значительно выше. Область В соответствует (3-структуре полипептидной цепи, а области R и L - соответственно правой и левой спиральным структурам. Переход из одной области в другую сопряжен обычно с преодолением значительного активационного барьера. Области R и L разделены барьером около 12 ккал/моль, однако барьер между областями Я и В составляет лишь 1-3 ккал/моль.

Следует подчеркнуть, что нанесенные на карту изоэнергетические контуры -

W-c') a ее

180

VI

г 0,5 2

L

_1_1-< "<*

-180°-120° -60° 0° 60° 120° W0°-W0°-120° -60° 0 60° 120° 180-180-120°-60° 0° Ф(с"-/Ч)

Рис.7. Конформационные карты ф - ф для метиламидов Ы-ацетилглицина (а) Ы-ацетил-1-аланина (б) и Ы-ацетил-Х-валина (в) [132]

это контуры равных потенциальных энергий. Приведенные значения не позволяют оценить содержание каждой конформации, поскольку энтропийный вклад каждой из них может быть различен. Качественно энтропия данной конформации оценивается площадью минимума по конформационной карте. Попытки количественной оценки энтропии для нескольких конформации пептидов сделаны в работах [136,139,140]. Согласно этим данным, например Изб], для метиламида N-аце-тилтриаланина конформация с параметрами а-спирали (ф -60°, ф -60°) по свободной энергии на «4,7 ккал/моль менее выгодна; чем конформация с параметрами р-структуры (ф -80°,ф +80°). Это соответствует отношению концентрации свернутой конформации к а-спиральной, равному 2,5«10 .

1.5. Белки как субстраты протеаз

29

Квантовохимические исследования [141] приводят к выводу, что конформация малых пептидов определяется в основном тремя факторами: отталкиванием не-связывающих орбиталей, образованием водородных связей и торсионными барьерами вокруг связей С-С и C-N. Кроме того, стабилизирующий эффект могут иметь ic-тс-взаимодействия, например, между ароматическим кольцом и амидной связью [142,143], а также Н-тс-взаимодействия между связью N-H одного остатка и группой С=0 другого [144].

Важным при исследовании конформационных состояний пептидов является вопрос о влиянии на конформацию внешней среды. Тот факт, что экспериментально найденные конформации совпадают с рассчитанными по методу атом-атомных потенциалов, свидетельствует о том, что этот метод достаточно хорошо моделирует состояние пептида в водной среде. Было показано [145,146], что гидратация существенно не изменяет конформацию и флуктуационную динамику дипеп-тидов типа ACAlaNHCR"3. В то же время учет гидратации в расчетах показал [135], что минимум энергии метиламида N-ацетилаланина сдвигается со значений ф=-84° и ф=79° до ф=-142° и ф=150°. Однако различие в энергиях этих конформации очень невелико.

Боковые цепи. Изменение конформации боковой цепи обычно не требует значительных энергетических затрат. Различия в конформациях не превышают 3 ккал/моль. В кристаллах пептидов предпочтительно реализуются конформации с ^=-60, +60 и +180°. Как видно из рис.8, все три значения % встречаются примерно с равной частотой, что же касается то значения этого угла лежат в области 60-120°. Исследования ЯМР-спектров растворов различных производных N-ацетилфенилаланина [147] показывают, что преобладающей является конформация с 3^=180°, причем тип растворителя мало влияет на распределение конформации (табл.10).

1.5 Белки как субстраты протеаз

Истинными субстратами большинства протеолитических ферментов являются бел ки. Целесообразно поэтому рассмотреть особенности их макромолекулярной структуры.

Амидные связи в белковой молекуле по своим параметрам практически не отличаются от связей в ниэкомолекулярных соединениях. Это относится к величинам межатомных расстояний и валентных углов, которые имеют те же значения, что и в простых пептидах и амидах [27]. Величины неплоской деформации амидной связи в белках не превышают таковые для других соединений, содержащих амидную группу. В качестве примера на рис.9 представлена гистограмма ш в миоглобине, показывающая, что подавляющее число амидных связей имеет транс-конфигурацию и вариации угла ш не превышают 15°. Цис-амидная группа встречается в некоторых белках [148-150] и пептидах [18], но это является скорее исключением, чем правилом.

Конформационное состояние аминокислотных остатков в белках также обычно совпадает с энергетически наиболее выгодными конформациями, найденными для производных ациламинокислот и пептидов [124,151]. Это обусловлено превалирующей ролью "ближних" взаимодействий в стабилизации конф

страница 4
< 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

Скачать книгу "Химия протеолиза" (8.49Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
героскутор купить зарябку
баннер рястяжка на балкон о продаже квартиры
кольчуга алюминий
сковорода для газовой плиты какую выбрать

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(26.07.2017)