Главная > Разное > Биология и квантовая механика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 10. Ферменты с известной пространственной структурой

10.1. Лизоцим

В 1922 г. Флеминг, который в 1929 г. открыл знаменитый пенициллин, обнаружил фермент, разрушающий клетки некоторых бактерий путем растворения их оболочек, и назвал его лиаоцимом.

Лизоцим вырабатывается клетками животных. Он оказался первым ферментом, у которого была установлена пространственная структура. Подобно многим ферментам лиэоцим является белковой молекулой. Ее первичная структура — состав и последовательность расположения аминокислотных остатков — найдена биохимическими методами Джолесом и его сотрудниками в Парижском университете и Канфильдом в Колумбийском университете.

Они установили, что молекула лиэоцима представляет собой одну полипептидную цепь, состоящую на 129 аминокислотных остатков 20 разных типов. Молекула свернута в глобулу с максимальным размером около 40 А. В четырех местах глобулы имеются дисульфидные связи между аминокислотными остатками (CYS) с номерами 6—127; 30—115; 64—80; 76—04. Нумерация остатков начинается от аминного конца. Всего в состав молекулы лизоцима входит 1950 атомов.

Физиологическая функция фермента зависит от его вторичной структуры — пространственной конфигурации. Пространственная конфигурация лизоцима была найдена в 1962 г. Филлипсом с сотрудниками в Лондонском королевском институте с помощью рентгеноструктурного метода. Они использовали также метод изомерного замещения, разработанный в 1953 г. Перутцем и примененный Кендрю и Перутцем при анализе структуры миоглобина и гемоглобина. Этот метод сводится к приготовлению и изучению ряда белковых кристаллов, в которых введено небольшое число тяжелых атомов (ртуть, уран) без нарушения структуры кристалла. Положения тяжелых атомов, имеющих большую плотность электронов, хорошо регистрируются рентгеноструктурным методом и служат реперными точками. Кристаллы лизоцима содержали около 35% (по весу) воды. В связи с этим окружение

Рис. 21. Шестикольцевая молекула полисахарида, содержащая два типа (а и 6) остатков сахаров. Штриховая линия указывает место разрыва молекулы, осуществляемого ферментом лизоцимом.

молекул водой мало отличалось от естественного окружения в растворе.

С разрешением в 2 А было установлено (см. обзорную статью Филлипса [219]), что молекула лизоцима содержит три длинных а-спиральных участка, содержащих аминокислотные остатки с номерами .

Альфа-спиральные участки в молекуле лизоцима несколько деформированы так, что имеют симметрию третьего порядка. Кроме а-спиральных участков с водородными связями между пептидными группами, направленными вдоль цепи, имеются водородные связи между пептидными группами антипараллельно уложенных цепей остатков с номерами 41—45 и 54—50 (структура антипараллельной -формы, см. п. 8.3). Одиночная водородная связь между первым остатком (LYS) и сороковым (THR) выделяет первые сорок аминокислотных остатков в компактную группу.

Общая структура молекулы лиэоцима подтверждает правило, что аминокислотные остатки с кислотными (ASP, GLU) и основными (LYS, ARG, HIS) боковыми цепями, способные к диссоциации в воде, расположены на поверхности глобулы. Неполярные, гидрофобные, боковые цепи (LEU, ILEU), прикрытые от воды более полярными частями молекулы, расположены в глубине глобулы.

Аминокислотные остатки 1—85 и 97—129 образуют два «крыла» молекулы, между которыми размещаются а-спиральный

участок с номерами остатков от 86 до 96. Его гидрофобные боковые цепи погружены внутрь молекулы. Этот спиральный участок не полностью заполняет разрыв между двумя «крыльями». Остается глубокая «расщелина», которая является активным местом фермента.

Субстратом фермента лизоцима являются полисахаридные молекулы, входящие в состав стенок некоторых бактериальных клеток. Эти полисахаридные цепи образованы перемежающимися остатками двух родов аминосахаридов, соединенных между собой мостами (гликозидные связи), образованными кислородными атомами. На рис. 21 изображен шестичленный полисахарид такого типа. Лизоцим также расщепляет полисахариды (с числом колец, большим четырех), обнаруженные в клетках омаров и содержащие только остатки аминосахаридов типа а.

Присоединяясь к ферменту, полисахарид располагается вдоль «расщелины», образуя сложную сеть водородных связей. Исследование использованными рентгеноструктурными методами конформационных изменений при образовании комплекса фермент субстрат невозможно из-за кратковременности существования такого комплекса. Эту трудность Филлипс с сотрудниками пытались обойти, исследуя кристаллы лизоцима в комплексах с несколькими конкурирующими ингибиторами.

Конкурирующим ингибитором лизоцима являются молекулы ацетилглюкозамина

и полисахарид, образованный из трех остатков этой молекулы. При присоединении этих ингибиторов к лизоциму образуются устойчивые комплексы, структура которых может быть исследована рентгеновскими методами. На основе таких исследований удалось установить конформационные изменения фермента, обусловленные связью с ингибитором, и сделать заключение о механизме ферментативного де ствия молекулы лизоцима.

Было установлено, что лизоцим разрывает гликозидную связь шестичленного полисахарида (см. рис. 20) между аминосахаром и аминосахаром

Связь разрывается между атомом углерода аминосахара и атомом кислорода гликозидной связи. Разрыв связи осуществляется путем присоединения к атому углерода и к атому кислорода соответственно водорода и группы ОН, полученных из молекулы воды. Филлипс и его сотрудники указывают, что в процессе

расщепления существенную роль должны играть атомы кислорода аминокислотных остатков ASP52 и GLU35, лежащих на противоположных склонах «расщелины» фермента, в которую попадает молекула субстрата.

Следует отметить исключительно большое значение проведенных исследований, позволивших подойти к качественному объяснению механизма действия фермента на молекулярном уровне. Однако проведенные исследования еще не дают полной картины механизма действия фермента и происходящих при этом конформационных изменений. Исследование устойчивых комплексов фермента с ингибиторами может дать, в некотором приближении, сведения о первой фазе ферментативного действия — присоединении субстрата.

Однако остается невыясненным вопрос о механизме расщепления молекулы субстрата и о происходящих при этом конформационных изменениях как фермента, так и субстрата. Совершенно неясна и третья стадия процесса — освобождение продуктов реакции. Возможно, что выяснению этих вопросов могли бы помочь теоретические исследования некоторых модельных систем, учитывающих установленную структуру фермента и субстрата и принимающих во внимание их взаимодействия между собой и водой.

Теоретическое вычисление конформационных изменений макромолекул, в частности ферментов и субстратов при ферментативных реакциях, является одной из важных задач теоретической биофизики. Естественно, что проведение раочетов конформационных изменений таких больших макромолекул при учете взаимодействий между всеми ядрами и электронами абсолютно невозможно.

Поэтому расчеты проводятся при неизбежных значительных упрощениях. Предлагались многочисленные эмпирические и полуэмпирические расчетные схемы, использующие феноменологические потенциальные функции, характеризующие взаимодействия между молекулами и их фрагментами. Вычислению статистической суммы системы фермент — растворитель посвящены работы Шераги и других исследователей. При таких расчетах исследователи встречаются со значительными математическими трудностями. Надежность вычислений подвергается большим сомнениям, так как трудно установить пределы применимости полученных результатов.

Если не пытаться определить форму и полную энергию фермента, а только их изменения, то, принимая во внимание, что при ферментативном катализе первичная структура фермента не меняется, можно учитывать только слабые взаимодействия между группами атомов, не связанных химическими силами. Такая схема вычислений предлагалась Ладиком [182]. Однако практические вычисления этого типа удалось провести только при учете взаимодействий между сравнительно малым числом групп.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление