Активный центр ферментов металлоферментов

За последние годы наблюдается быстрое развитие представлений о механизме функционирования металлоферментов, а именно удалось установить место и последовательность протекания реакций в активном центре, а также найти ключи к пониманию некоторых механизмов. Важное место занимает гидролиз (или гидратация) субстратов карбонильного и фосфорильного типа, таких, как СО2, эфиры карбоновых кислот, эфиры и ангидриды фосфорной кислоты и пептиды. По-видимому, не вызывает удивления тот факт, что для функционирования большинства таких систем требуется ион двухвалентного металла. Гораздо удивительнее то, что такими ионами обычно оказываются 2п(П) или Мд(11) (в ферментах действующих на ДНК, РНК, сАМР или сОМР). Так, например, цинк по своему содержанию в организмах млекопитающих (в организме человека 2,4 г на 70 кг) уступает лишь железу (5,4 г на 70 кг), и большая часть его необходима для функщганирования ферментов [215]. [c.343]

Ко второй группе металлопротеинов относится ряд ферментов ферменты, содержащие связанные с молекулой белка ионы металлов, определяющих их функщгю,— металлоферменты (в процессе очистки металлы остаются связанными с ферментами) ферменты, активируемые ионами металлов, менее прочно связаны с металлами, но для проявления своей активности нуждаются в добавлении в реакционную среду определенного металла. Предполагают, что механизмы участия металла в акте катализа в обоих случаях, вероятнее всего, сходны ионы металла участвуют в образовании тройного комплекса активный центр фермента—металл—субстрат (Е—М—8), или М—Е—8, или Е—8—М. Есть доказательства, что в активном центре многих ферментов в связывании металла участвует имидазольная группа гистидина. [c.95]

СООН, N1 2, ЫН, ОН, 5Н, а также гидрофобные группы, способные ориентировать молекулы реагирующих веществ в определенном положении по отношению к активному центру. В состав активного центра многих ферментов входят ионы металлов, причем при удалении иона металла из металлофермента последний теряет каталитические свойства. Каталитическая активность ферментов имеет максимум на шкале pH, в сильнокислых и сильнощелочных средах она, как правило, не проявляется. Каталитическая активность ферментов наиболее оптимальна при температуре от 20 до 40° С, при 60 — 70° С происходит их денатурация. Активные центры имеют строго определенную структуру, что позволяет ферменту присоединять только молекулы определенного строения. Так, например, фермент уреаза гидролизует карбамид СО(NH2) в 10 раз быстрее, чем ион водорода, и не оказывает влияния на реакции гидролиза других родственных карбамиду соединений. В настоящее время известно около тысячи ( )ер-ментов, одни из которых катализируют только окислительно-восстановительные процессы, другие—реакции с переносом групп, третьи—реакции гидролиза и т. д. [c.184]

Ион цинка гораздо прочнее связывается с большинством органических лигандов, чем ион Mg + (табл. 4-2). Он имеет заполненную Зс -орбиту и стремится образовать четыре ковалентные связи тетраэдрической симметрии, часто с азот- или серусодержащими лигандами. В отличие от Mg +, который быстро и обратимо взаимодействует с ферментами, Zn + обнаруживает тенденцию к образованию прочных связей внутри металлоферментов. В настоящее время известна трехмерная структура некоторых металлоферментов. Во всех этих ферментах ион Zn + в активном центре окружен тремя имидазольными группами, а четвертая координационная связь остается свободной для взаимодействия с субстратом. Значительный интерес представляет также и тот факт, что второй атом азота имидазольной группы во многих случаях образует водородную связь с карбонильной группой в основной цепи пептида . Такое же свойство обнаружено и для атомов железа гемсодержащих белков (рис. 10-1). [c.142]

Сочетание рентгеноструктурных и химических данных позволило идентифицировать группы, связывающие 7п в активном центре. Среди них два имидазола, принадлежащие к остаткам гисти-днна-б9 и -196, и карбоксильная группа глутаминовой кислоты-72. Ион цинка можно обменивать на ионы других металлов, вновь полученные металлоферменты обладают собственными характерными реакционными способностями (или не обладают вовсе)- в отнощении амидных (и сложноэфирных) субстратов, но апофер-мент, не содержащий иона металла, полностью неактивен, как и следует полагать, если ион металла играет важную роль в катализе. Современные взгляды на механизм действия фермента частично опираются на химические данные, но особенно на кристаллографические работы, включающие трехмерные структуры не только нативного фермента, ио также его комплекса с глицил- -тирозином, полученным при диффузии дипептида в кристаллы фермента [78]. [c.502]

Во-вторых, все больше появляется доказательств того, что активные центры ферментов, в том числе и металлоферментов, находятся в полостях или карманах белковой структуры, которые выстланы главным образом неполярными боковыми цепями аминокислот и моделируют, таким образом, неводные растворы. Следовательно, связывание металла таким активным центром или вблизи него по сути осуществляется в неводных растворах, диэлектрические проницаемости которых должны отличаться от диэлектрических проницаемостей водных растворов электролитов, в которых было исследовано большинство комплексов металлов с пептидами. В то время как взаимодействие металлов с пептидами в водных растворах может адекватно представлять условия на поверхности раздела между белком и окружающей средой, оно не может быть хорошей моделью того, что происходит внутри белковой молекулы. [c.153]

Изучение металлоферментов важно для дальнейшего проникновения в физику ферментативного катализа. Область белка, взаимодействующая с ионом металла в активном центре, представляет собой полидентатный лиганд, образуя несколько координационных связей с металлом. Это справедливо для кофакторов — ионов металлов, но не для простетической группы гема в НЬ и МЬ, в которой такая связь одна. Благодаря мягкости -электронной оболочки, ее большей деформируемости, чем з- и р-обо-лочки, она приобретает напряженное, энтатическое состояние в активном центре (Уильямс и Валли). Это проявляется в от личии электронных свойств переходных металлов в ферментах от этих свойств в модельных низкомолекулярных соединениях. Разнятся спектры ЭПР, спектры поглощения и т. д. [c.218]

В-третьих, введение в биологические системы стабильных органических молекул, содержащих свободные радикалы (спиновые метки) [71], расширяет возможности использования ЭПР для изучения таких спин-меченых систем. Спиновые метки могут быть присоединены к остатку аминокислоты в активном центре фермента или около него [72], а также могут быть включены в аналог субстрата [73]. В любом из этих случаев может быть оценена степень иммобилизации спиновой метки, связанной с белком, путем сравнения ЭПР-спектров для свободного и связанного состояний, а также может быть изучено действие различных агентов, например диамагнитного иона металла, на окружение спиновой метки [72]. В таких экспериментах спиновая метка действует как детекторная группа [74] и обнаруживается с помощью спектров ЭПР. Однако в присутствии парамагнитных ионов, например Мп2+ к Со +, спин-спиновые взаимодействия преобладают над процессами релаксации и вызывают заметное уменьшение амплитуды ЭПР-сигналов, обусловленных спиновой меткой, поскольку спины ведут себя так, как будто бы они зафиксированы в жесткой решетке [74а]. Этот эффект позволяет рассчитать расстояние между спинами с учетом времени корреляции диполь-дипольного взаимодействия [72, 74а]. Таким образом, использование специфичных спиновых меток для различных аминокислотных остатков или для различных участков активного центра делает возможным создание карты активных центров металлоферментов [746]. [c.452]

Конструирование новых металлоферментов. В настоящее время достаточно хорошо изучены механизмы реакций, осуществляемых ферментами, которые содержат в своем активном Центре ионы металлов металлоферментами). Перед началом работ по конструированию искусственных металлоферментов [c.283]

Было найдено, что небольшие изменения в стерических и электронных эффектах лигандов сильно влияют на строение и реакционную способность лабильных, каталитически активных металлоорганических комплексов. По мере улучшения понимания природы этих соединений предпринимались попытки синтеза комплексов с такой именно структурой, которая наиболее полно отвечала бы требованиям данной реакции. В процессе такой "структурной настройки" активные металлоком-плексы становились все более похожими на металлоферменты (рис. 1а). С этой точки зрения металлоферменты могут рассматриваться как природные "настроенные" комплексы металлов. То же справедливо и для ферментов, не содержащих металла, поскольку синтетические органические катализаторы (например, циклодекстрины или мицеллы) по своей структуре и функциям очень напоминают активные центры ферментов. [c.11]

Несмотря на то что все указанные выше ионы входят в активный центр фермента, только 2п(П)- и Со(II)-карбоангидразы обладают свойствами, необходимыми как для катализа гидратации СОг, так и для проявления эстеразной активности (табл. 16.8) [20, 21]. Отсутствие каталитических свойств у остальных металлоферментов может объясняться небольшими изменениями геометрии координационной сферы или неспособностью к присоединению или быстрому замещению лигандов [21]. Связывание сульфамидов также зависит от природы металла [20, 21], и неактивные метал-локарбоангидразы не взаимодействуют с этими ингибиторами (табл. 16.8 подробнее см. разд. 4 и 7). [c.578]

К истинным металлоферментам относятся карбоксипептидаза А (2п) нитратредуктазы растений, грибов, бактерий (Ре, Мо), аминоксидаза крови (Си), Ь-глутаматдегидрогеназа (2п), карбоангидраза животных и растений (2п) и др. К металлоферментным комплексам, влияние металла у которых не всегда связано с прямым взаимодействием его с активным центром, относят очень многие ферменты, в частности, многие пептидазы, некоторые дегидрогеназы, фосфатазы, аргиназу, енолазу и др. Следует подчеркнуть, что разделение на истинные металлоферменты и металлоферментные комплексы является в значительной степени условным. [c.70]

Ферменты окислительно-восстановительного действия являются чаще всего металлоферментами, так как в качестве компонентов каталитически активных центров этих ферментов служат металлы. Для представителей этой группы характерна связь между металлом и белковой частью фермента (апофер-ментом). В истинных металлоферментах металл прочно связан в строго определенных стехиометрических соотношениях с теми или иными химическими группировками апофермента или со специальной группой небелковой природы. [c.209]

Множество проблем, описанных выше для алкогольдегидрогеназы, не являются особенностью этого фермента. Аналогичные трудности могут встретиться для любого металлофермента, если не применять со всей строгостью критерии Вейлли [4], предложенные для идентификации таких ферментов, а именно 1) прочное связывание иона металла белком 2) ловышение -соотношения металл — белок и специфической активности фермента в ходе его очистки 3) постоянное число грамм-атомов металла на моль очищенного фермента и 4) постоянное соотношение между содержанием металла и содержанием кофактора (или его связыванием). Хотя эти критерии вполне применимы для идентификации простых металлоферментов, например алкогольдегидрогеназы из дрожжей, в которой связанный металл и активные центры присутствуют в эквимолярных количествах, они могут привести к ошибкам в более сложных случаях, примером чего может служить история исследований алкогольдегидрогеназы из печени. В последнем случае получению ошибочных результатов также способствовала неопределенность в молекулярной массе и молярном коэффициенте поглощения фермента [91], и надо заметить, что неточность в определении этих параметров также приводит к ошибочному определению соотношения металл — белок. [c.459]

Прочность овязи фосфата с металлоферментом удивительно велика. Константа устойчивости комплекса, равная около 10 М [51, 63, 76], выше, чем можно было бы ожидать для взаимодействия ПРО Г и иона двухвалентного металла. Так, константа устойчивости комплекса типа М(НР04) равна 370 М для Мп + и 77 М- для Mg + [7]. Вероятно, вблизи иона цинка находится еще один катионный центр связывания, например протон аминогруппы боковой цепи аминокислоты, взаимодействующий с кислородными атомами фосфата. Образование фосфорилфермента при реакции с субстратом и НРО4 можно считать твердо установленным. После разрушения белка фосфат оказывается присоединенным к серину. Отсюда делается вывод о том, что в активном центре вблизи иона цинка находится остаток серина, ориентация которого делает возможной его атаку по фосфорильному атому присоединенного производного фосфата. Высокая термодинамическая устойчивость получающегося фосфорилфермента при гидролизе предполагает сохранение в нем значительной части взаимодействий комплекса фермент —фосфат [62]. Вполне вероятно, что фосфорильная группа, присоединенная к серину, сохраняет связь с ионом цинка. [c.642]

В истинных металлоферментах металл прочно связан с белковой частью фермента (апоферментом). При диализе раствора истинного метал-лофермента обычно не происходит отделения металла от белка и пе обнаруживается снижения ферментативной активности. В металлоферментах металл либо входит в состав простетической группы фермента (например, в гемопротеидах, хлорофилле, кобаламине), либо образует хелатные комплексы с функциональными группами аминокислотных остатков белка (алкогольдегидрогеназа, сукцинатдегидрогеназа, а-амилаза и др.). В образовании таких комплексов участвуют сульфгидрильные группы цистеина, имидазольная группа гистидина, а также гидроксильные группы серина, карбоксильные, аминные и др. Металлы, как правило, связывают функциональные группы фермента, отдаленные от активного центра. [c.244]

Металлы входят в активный центр металлофермента и участвуют в образовании фермент-субстратного комплекса, образуя координационные связи с субстратом. Возможно, что ион металла играет роль мостика при образовании фермент-субстратного комплекса. Субстрат взаимодействует при этом с металлом по крайней мере двумя группами, расположенными по обе стороны от связи, расщепляемой при ферментативной реакции. В качестве примера можно рассмотреть механизм действия карбоксипептидазы А, специфичной по отношению к С-концевой аминокислоте, имеющей свободную карбоксильную группу. В этом случае в образовании хелатного комплекса принимает участие концевая карбоксильная группа и карбонильный кислород пептидной связи. Металл — цинк, оттягивая на себя электроны, ослабляет пептидную связь. На основании этой гипотезы структура фермент-субстратного комплекса в случае карбокси-лептидазы А может быть представлена следующим образом [c.245]

Карбоангидраза В. Этот фермент относится к числу Zn- o-держащих металлоферментов [48]. Атом цинка, располагаясь в активном центре, является лигандом, с которым связан целый ряд ССИВС [c.76]

Карбоксипептидаза А является металлоферментом, содержащим один атом цинка она сильно ингибируется хелатообразую-щими соединениями. Цинк можно удалить прп этом фермент оказывается неактивным, но активность его восстанавливается прн добавлении цинка или некоторых других металлов. Важная роль цинка в активном центре постулировалась много лет назад были предложены механизмы гидролиза, которые оказались в хорошем соответствии с результатами последующих рентгеноструктурных исследований фермента и комплексов фермента с ингибиторами. Данные, полученные с помощью химической модификации, свидетельствуют о том, что один из остатков тирозина фермента может участвовать в катализе. [c.318]

Эти ферменты найдены во всех дышащих клетках, а также в различных факультативно анаэробных бактериях. Утах чрезвычайно высока и лимитируется только скоростью диффузии ОГ константа скорости реакции второго порядка составляет - 2-10 моль -с . Супероксиддисмутазы — металлоферменты. Их каталитический цикл включает восстановление и окисление иона металла, например Си +, МпЗ+ или Ре +, на активном центре (Е — фермент, М — металл) [c.520]