химический каталог




Химия протеолиза

Автор В.К.Антонов

ормации основной полипептидной цепи. Большинство остатков имеют значения углов фиф, сов-

30 Глава первая. Субстраты.

S с

Хг, граВ.

-120

г. И .

-60 0 60

по

180 Xf,apad

РИС.8. Гистограммы углов % боковой цеши фенилаланина (а) и % боковой цепи тирозина (б) [18]

падающие со значениями энергетически выгодных конформации метиламидов ацетиламинокислот [124].

Значения углов фиф аминокислотных остатков определяют тип вторичной структуры всей белковой глобулы.

Таблица 10. Конформации боковой цепи производных N-ацетилфенилаланина [147]

Соединение Растворитель Доля конформации с %^ +180° +60° -60°

AcPheOEt С6Н5СН3 0,34 0,33 0,33

(1 (ch3)2so 0,58 0,31 0,11

it D20 0,52 0,32 0,16

AoPheHH? 11 0,58 0,31 0,11'

AoPheAlaOMe и 0,66 I 0,16 0,18

В соответствии с превалирующим типом вторичной структуры предложено [152] различать четыре класса белков (ржг.ИЭ): I - полностью а-спиральные; II - преимущественно содержащие р-структуру$ III - белки, в которых а- и р-структуры разделены вдоль полипептидной цепи (а+р), и IV - белки, в которых а- и р-структуры смешаны (ос/р).

Вторичная структура белков определяется природой, последовательностью и конформационным состоянием аминокислотных остатков. Предпринимаются многочисленные попытки предсказания вторичной и третичной структуры белков на основе статистического анализа последовательностей аминокислот (см. в: 11531) и даже аминокислотного состава И 541. Следует отметить, что многие функционально близкие белки имеют сходную пространственную структуру, хотя у них очень мало общего в последовательности'аминокислот [1551. И наоборот,

1.5. Белки как субстраты протеаз 31

в ряде функционально различных белков обнаруживаются идентичные последовательности, имеющие разную конформацию [156].

Для многих белков характерно наличие доменов, т.е. пространственно отграниченных компактных частей белковой глобулы, соединенных между собой участком неупорядоченной полипептидной цепи. Между доменами имеется большое число нековалентных связей [13,157]. Домены возникают, по-видимому, при свертывании полипептидной цепи белка в процессе его биосинтеза, причем опреде-

Алкогольдегидровеназа (tx/J9)

РИС. 10. Типы супервторичных структур [152] 1 - сс,-сгшраль; 2 - в-складчатый слой

ляющую роль играют так называемые центры нуклеации [158]. Число доменов в белковой молекуле зависит от размеров белка. Предложена [159] довольно простая зависимость, связывающая число доменов (D), число аминокислотных остатков (N) и число остатков в некой, произвольно выбранной структурной единице молекулы (и):

D = 2L-1, где L = log2(N/u)+1.

Наконец, многие белки состоят из субъединиц, не связанных между собой ковалентно. Такие субъединицы организованы в четвертичной структуре белка и могут играть важную функциональную роль.

го -

15

10

160

п mfl if -

по

180

ли

190

w, град.

РИС.9. Гистограмма углов и в миоглобине [27]

32 Глава первая. Субстраты

Наиболее существенными особенностями белков с точки зрения их роли как субстратов протеолитических ферментов являются: 1) недоступность многих боковых цепей аминокислотных остатков вследствие погружения их в белковую глобулу или других стерических препятствий; 2) ограниченная возможность конформационных переходов, особенно основной цепи белка. Доступность тех или иных аминокислотных остатков внешнему реагенту или растворителю опреде^ ляется положением этого остатка в глобуле белка. Большинство полярных и особенно заряженных боковых цепей располагаются на поверхности глобулы. Однако имеются заряженные остатки, маскированные внутри глобулы или в области субъединичшх контактов. Такие остатки, как правило, образуют ионные пары или дают водородные связи с нейтральными полярными группами [160-162],

Распределение гидрофобных остатков в пространственной структуре белков, например тирозина и триптофана, очень неравномерно (табл.11). В то время как ни в одном из приведенных в табл.11 белков не обнаружено остатков триптофана, полностью экспонированных в окружающую среду, многие остатки тирозина занимают именно такое положение. Большинство остатков ароматических аминокислот может быть отнесено к "поверхностным", т.е. таким, которые частично погружены в глобулу белка или же прилегают своим ароматическим кольцом к другим группам.

Положение остатка в глобуле белка в значительной мере определяется возможностью его гидратации. Выла обнаружена четкая линейная корреляция (рис. 11) между положением боковых цепей аминокислотных остатков в белке и степенью их гидратации 1120].

Аминокислотные остатки могут маскироваться углеводными цепями в глико-протеидах или липидами, если белок прочно ассоциирован с мембраной [164].

Таблица 11. Распределение остатков тирозина и триптофана в кристаллах некоторых белков [163]

Белок Тирозин Триптофан внутри на поверхности снаружи внутри на поверхности снаружи

Карбоксипептидаза 1 13 4 2 6 0

а-Химо трипсин 0 2 2 2 6 0

Эластаза 1 10 4 3 0

Феррицитохром С 2 2 0 1 0 0

Миоглобин 1 0 2 1 5 0

Рибонуклеаза А 2 1 3 0 0 0

Субтилизин 0 10 0 S

Хотя белки являются компактными, термодинамически стабильными образованиями даже в отсутствие внешних воздействий, возможны их конформационные изменения и определенная внутримолекулярная подвижность [165,166]. Даже боковые цепи, погруженные внутрь глобулы, способны во многих случаях к свободному вращению [167).

Все сказанное выше относится к нативной структуре белков. Однако многие белки расщепляются протеолитическими ферментами в денатурированном состоянии, т.е. состоянии, когда их пространственная организация существенно

1.6. Вода

33

АВ7,ккал/шль 0,6

0,2 -0,2 -0,6 -1,0 -1Л -1,8 -2,2 -2,6 -3,0

С/ /

а / 8

*/а

-2Ь

-16

Не Val

Cys.Phe Leu

Met. Ala, Ely

Try "

Thr

Ser .

Glu,His

Asp, Tyr

Asn

Gin

Lys Arg

8

AG2, ккал/моль

изменилась год влиянием внешних воздействий. Такими внешними воздействиями могут быть, например, рН среды, температура и т.п. Пищеварительные ферменты, функционирующие в желудке, атакуют белки, подвергшиеся кислотной денатурации.

Проблемам денатурации белков посвящено огромное число работ (см.: обзоры [168,169]). Здесь мы не будем рассматривать эту проблему. Укажем только, что денатурация приводит к существенному "демаскированию" большинства аминокислотных остатков, делая их доступными воздействию внешних реагентов, в том числе ферментов. Состояние расщепляемой связи, даже в таких экстремальных условиях, как условия кислой среды желудка (рН около 1), будет изменяться в той мере, в какой это наблюдается для низкомолекулярных

веществ. Что же касается конформации основной и боковых цепей аминокислот в денатурированном белке, то она, очевидно, также будет оставаться в пределах энергетически разрешенных областей с учетом, конечно, изменившегося состояния ионизации заряженных групп. Следствием денатурации будет главным образом увеличение числа доступных внешним реагентам остатков аминокислот и снятие ограничений конформационной подвижности основной цепи, налагаемых в нативной структуре "дальними" взаимодействиями. Эти факторы будут способствовать катализируемому ферментами расщеплению амидных связей.

РИС.11. Корреляция изменений свободной енергии переноса боковой цепи аминокислотных остатков (12 белков) из внутренних частей белковой глобулы на ее поверхность (aG1) с изменением свободной энергии переноса остатка из вакуума в воду (ag?) при рН 7 [120]

1.6. Вода

Гидролитические реакции, по определению, включают в качестве одного из реагентов воду. Поэтому необходимо очень .кратко охарактеризовать структуру и этого "субстрата" амидгидролаз. Структуре и свойствам воды посвящены многочисленные исследования (см., например: обзоры [170,171]). Структура молекулы воды представлена на рис.12.

Из-за разной электроотрицательности атомов кислорода и водорода и нелинейной структуры вода обладает значительным ди-польным моментом (ц=1,85 D). Это приводит к тому, что в конденсированном состоянии молекулы воды сильно взаимодействуют между собой и с другими полярными молекулами, образуя трехмерную сетку водородных связей:

3. BJC. Антонов

104,5

Рис.12. Длина связи, двугранный угол и заряд на атоме кислорода в молекуле воды

34

Глава первая. Субстраты

-Н'

.0

Н

Многие рассчитанные и экспериментальные характеристики воды приведены в работах [172,1733. Ms них следует отметить значения констант ионизации в реакции:

Н

н2о + н+ = н3о|

где трК = -1,74, и в реакции:

+

В

н?о = он + н.

где рй = 15,74.

1.7. Заключение

При кажущейся на первый взгляд однотипности субстратов амидгидролаз внимательный анализ выявляет их поразительное разнообразие. Различие в пространственной структуре белков, в доступности тех или иных аминокислотных остатков внешним реагентам, в их конформационной подвижности определяют все разнообразие в действии на них протеолитических ферментов. Это же определяется широким набором свойств боковых цепей и ограниченным конформационным состоянием основной цепи, приводящих во многих случаях к строго специфическим фермент-субстратным взаимодействиям. Сама расщепляемая амидная группа представляет собой уникальную структуру, сочетающую два столь противоположных свойства, как устойчивость и лабильность. Устойчивость амидной связи характеризуется крайне низкими скоростями ее распада в отсутствие каталитических влияний на эту реакцию. Лабильность как геометрии, так и особенно электронной структуры амидной группы собственно и обусловливает ее чувствительность к внешним воздействиям и способность в ходе гидролитического расщепления подвергаться различного рода изменениям под действием катализаторов, в частности ферментов.

Глава вторая

ФЕРМЕНТЫ

2.1. Классификация

Гидролиз амидных связей в различных веществах, рассмотренных в предыдущей главе, в основном в белках и пептидах, катализируется многочисленными ферментами, относящимися по современной классификации к классу гидролаз (класс 3). В составе этого класса ферменты, действующие на пептидные связи, образуют особый подкласс пептидгидролаз (3.4). Поскольку мы будем рассматривать здесь не только ферменты, катализирующие гидролиз амидных связей в белках и пептидах, но и многие ферменты, действующие на другие типы амидных связей, целесообразно ввести общий для всех них термин - амидгидролазы. Таким образом, амидгидролазы можно разделить на две группы: протеазы (3.4), действующие на амидные связи в белках и пептидах, и амидазы (часть ферментов подкласса 3.5), действующие на амидные связи, иные, чем пептидные.

Принятая в настоящее время классификация ферментов этих подклассов основана на двух важных критериях: специфичности и структуре каталитического аппарата ферментов [ю1. В соответствии со специфичностью амидгидролазы можно разделить на подклассы, как это показано на рис.13 (ср.: [1741). В то время как пептидазы классифицируются по положению расщепляемой связи в пептидной цепи (а карбоксипептидазы - еще и по активному центру), протеина-зы (эндопептидазы) классифицируются по структуре активного центра.

Такое положение нельзя признать удоволетворительным. Кроме того, что здесь смешиваются два совершенно разных признака, появляется все больше данных о существовании ферментов, обладающих как экзо-, так и эндопептидаз-ной активностью (см. ниже).

Успехи в изучении химии амидгидролаз позволяют уже сегодня отнести многие пептидазы и амидазы к одному из четырех структурных типов: сериновым, цистеиновым, аспартатным или металлсодержащим амидгидролазам [175). Конечно, для многих ферментов такое отнесение носит предварительный характер, так как основано не на точном знании структуры и механизма катализа, а на косвенных данных о действии на ферменты тех или иных специфических ингибиторов. Более того, нельзя исключить возможность обнаружения среди еще не классифицированных амидгидролаз ферментов, принципиально отличающихся от указанных четырех групп по структуре и механизму действия. Однако преимущества такой единой классификации очевидны: она создает хорошую основу для рассмотрения структуры и механизма действия ферментов с единых химических позиций.

В табл.12 сделана попытка распределить известные в настоящее время амидгидролазы по типам строения их каталитического аппарата. Несомненно, что в дальнейшем это распределение будет совершенствоваться и уточняться.

36 Глава вторая. Ферменты

Пептид азы (экзопептидазы)

Протеазы (3.4)

Амидгидролаэы (3.4 и 3.5)

Протеиназы (эндопептидаэы)

Аминопептидазы - (а-аминоацилпептид гидролазы: 3.4.11)

Дипептидазы (дипептид гидролазы: 3.4.13) '

Дипептидилпептидазы (дипептидилпептид гидролазы: 3.4.14)

Пептидилдипептидазы (пептидилдипептид гидролазы: 3.4.15)

Сериновые карбоксипептидаэы ' (3.4.16)

Металло-карбоксипептидаэы (3.4.17)

Цистеиновые карбоксипептидаэы (3.4.18)

¦ со-Пептидазы (3.4.19)

. Сериновые протеиназы (3.4.21)

Цистеиновые (тиоловые) протеиназы (3.4.22)

Аспартатные (карбоксильные) "протеиназы (3.4.23)

- Металло-протеиназы (3.4.24)

Амидаэы (3.5)

Алкил (арил) амидазы (3.5.1) (действуют на линейные амиды)

Циклоамидазы (3.5.2) (действуют на циклические амиды)

РИС.13. Схема классификации амидгидролаз В скобках приведены номера по КФ [10]

2.2. Распространение

Амидгидролазы представляют собой наиболее обширную группу ферментов. В табл.12 перечислено около шестисот относительно хорошо охарактеризованных ферментов этого типа. Несомненно, что число их на самом деле во много раз больше. Амидгидролазы встречаются во всех без исключения живых организмах, начиная от вирусов и кончая человеком.

Особенно богатым источником этих ферментов являются микроорганизмы. Некоторые виды бактерий, например Bacillus subttfts, образуют до 1 г протео-

2.3. Характеристика отдельных типов амидгидролаз

37

литических ферментов на 1 л питательной среды [176]. Из такого классического объекта молекулярной биологии, как кишечная палочка {Escherichia colt), выделено и охарактеризовано не менее 25 различных амидгидролаз.

Следует отметить, что в последние годы появляется все больше искусственных, часто необычных источников амидгидролаз. Это обусловлено развитием методов рекомбинантных ДНК [177], позволяющих получать в микробных, дрожжевых и некоторых животных клетках ферменты, этим клеткам совершенно несвойственные. Еще довольно слабо исследованы в отношении содержания протеиназ и пеп-тидаз такие многочисленные представители царства живого, как растения и насекомые.

По своей локализации различают вне- и внутриклеточные амидгидролазы. Первые секретируются микроорганизмами в окружающую среду или же присутствуют в различных биологических жидкостях - крови, лимфе, желудочном соке и т.д. Вторые обычно локализованы в субклеточных частицах - митохондриях, микросомах, лизосомах и т.п. - и более или менее связаны с мембранами клетки. Однако есть ферменты, локализованные в растворимой фазе клетки -

страница 5
< 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
3s550din
sax81.03
купить дом в сосновом бору николина гора
vs-15-r-s/н/sе-т

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
(23.11.2017)