Кислотно-основной и ковалентный катализ

Функциональные группы каталитических аминокислотных остатков проявляют свойства кислоты (отдают протон) или основания (принимают протон). Осуществляя перенос протона, эти группы способствуют многократному увеличению скорости реакции. Такой вид катализа называют кислотно-основным.

При связывании субстрата в активном центре его атакуют электрофильные (т.е. принимающие электроны) или нуклеофильные (то есть отдающие электроны) группы каталитических аминокислотных остатков. Это вызывает перераспределение электронной плотности и разрыв связей в субстрате. Такой вид катализа называют ковалентным. Для него характерно формирование ковалентных связей между функциональными группами каталитических аминокислотных остатков активного центра и субстрата.

Для большинства ферментативных реакций характерно сочетание этих механизмов, которые можно рассмотреть на примере гидролиза пептидной связи химотрипсином (рис. 5-8). Активный центр этого фермента включает три каталитических аминокислотных остатка: Сер-195, Гис-57, Асп-102, где остаток гистидина выступает в качестве основания, которое принимает протон от гидроксильной группы Сер-195.

Лишенный протона остаток Сер-О^- осуществляет нуклеофильную атаку на группу С=О молекулы субстрата (на рисунке это пептид-СО-NH-пептид). Это приводит к образованию промежуточного соединения (интермедиата), карбоксильная группа которого связана сложноэфирной связью с остатком Сер-195, и высвобождению одного продукта реакции (пептида-NH₂).

Сложноэфирная связь затем подвергается гидролизу молекулой Н₂О, реакционная способность которой повышается в результате отщепления протона от Гис-57. Этому способствует карбоксильная группа Асп-102. На заключительном этапе положительно заряженный остаток гистидина выступает в качестве кислоты, отдающей протон остатку Сер-195. По завершении каталитического цикла все аминокислотные остатки активного центра возвращаются в исходное состояние.

Рис. 5-8. Механизм гидролиза пептидной связи химотрипсином как пример кислотно-основного и ковалентного катализа (а-д)

КОФАКТОРЫ И КОФЕРМЕНТЫ

Помимо аминокислотных остатков, активные центры многих ферментов могут содержать небелковый компонент, необходимый для осуществления каталитической активности. В зависимости от его природы различают кофакторы и коферменты. При их отсутствии белковая часть фермента (апофермент) не функционирует, и только комплекс апофермента с кофактором и/или коферментом, который называют холоферментом, проявляет каталитическую активность.

Кофакторами могут быть ионы металлов (например, Fe²+ в цитохромоксидазе и каталазе, Mn²+ в алкогольдегидрогеназе, Zn²+ в карбоксипептидазе А и ДНК-полимеразе). Коферментами называют сложные органические соединения, которые часто являются производными водорастворимых витаминов. Ферменты могут содержать как кофермент (простетическую группу), так и ионы металлов. Для проявления активности ряда ферментов (например, алкогольдегидрогеназы, изоцитратдегидрогеназы) требуются как кофермент, так и один или несколько кофакторов-ионов металлов.

Ионы металлов могут либо непосредственно участвовать в катализе, либо играть роль своеобразных мостиков, связывающих кофермент с апоферментом.

Рис. 5-9. Роль цинка в реакции гидролиза пептидной связи, катализируемой карбоксипептидазой А. Показаны каталитические аминокислотные остатки (Глу-270 и Тир-248) этого фермента.

Например, ион цинка (Zn²+) в карбоксипептидазе А, осуществляющей гидролиз пептидной связи с С-конца полипептидной цепи, участвует в катализе, поляризуя подлежащую расщеплению пептидную связь (рис. 5-9).

В зависимости от прочности связи с апоферментом такие кофакторы подразделяют на коферменты и простетические группы. Коферменты связаны с апоферментом нековалентными связями и потому легко от него диссоциируют. Простетические группы связаны с апоферментом ковалентно.

Кофакторы играют очень важную роль в ферментативном катализе.

• Они способствуют либо изменению трехмерной структуры белка-фермента, что улучшает взаимодействие фермента с субстратом, либо изменению структуры субстрата.

• Коферменты (простетические группы), как правило, выступают в качестве дополнительных субстратов ферментативной реакции. Они могут быть донорами или акцепторами определенных химических группировок (например, метильной группы, аминогруппы) и электронов.

Очень важную группу коферментов составляют вещества, осуществляющие перенос восстановительных эквивалентов в окислительно-восстановительных реакциях.