Упорядоченная структура - растворитель
Cтраница 1
Упорядоченная структура растворителя, как следует из анализа свойств поглощения Со ( П) - замещенного фермента в видимой области, необходима для каталитической функции и может оказаться - существенной для каталитической эффективности различных изоферментов карбоангидразы. Величины & кат для гидратации СО2 ферментом быка [279, 280] возрастают с ростом рН, что указывает на величину рКа - 6 9 каталитической группы, существенной для активности. Калифах [249] показал, что, в то время как в случае КАС наблюдается увеличение / гкат с ростом рН, причем кажущаяся величина рКа этой зависимости близка к 7 0, в случае изофермента В величина & кат с увеличением рН непрерывно возрастает и при высоких значениях рН активность не запределива-ется. Витни [282] отмечал параллельное увеличение ( эстеразной) активности Со ( П) - замещенных КАВ и повышение концентрации соединений, поглощающих при 618 - 640 нм, в то же время Линдског [270] на основе исследования ингибиторов приходит к выводу, что активной формой фермента при гидратации СО2 являются соединения, имеющие характерный двойной пик поглощения в области 618 - 640 нм. На основании корреляции структуры растворителя, свойств спектрального поглощения и каталитической эффективности изоферментов карбоангидразы можно заключить, что каталитическая способность фермента зависит от присутствия упорядоченных молекул воды в области активного центра. [1]
От треонина-197 [278] препятствует образованию упорядоченной структуры растворителя. В этих условиях спектр Со ( 1 -замещенного фермента указывает на тетраэдрическую координацию иона Со ( П) [270, 277], причем переходы в области 618 - 640 нм не наблюдаются. [2]
Таким образом, спектральные свойства Со ( П) - замещенного фермента в видимой области указывают на то, что молекулы упорядоченной структуры растворителя в области активного центра находятся в зависящем от рН равновесии с неупорядоченными молекулами растворителя на поверхности белка. С точки зрения структуры природа изменений боковых цепей аминокислот в области активного центра при изменении рН, ответственных за образование упорядоченной структуры растворителя, не ясна. Однако это не означает, что при низких значениях рН молекулы растворителя не координированы с ионом металла. [3]
Таким образом, спектральные свойства Со ( П) - замещенного фермента в видимой области указывают на то, что молекулы упорядоченной структуры растворителя в области активного центра находятся в зависящем от рН равновесии с неупорядоченными молекулами растворителя на поверхности белка. С точки зрения структуры природа изменений боковых цепей аминокислот в области активного центра при изменении рН, ответственных за образование упорядоченной структуры растворителя, не ясна. Однако это не означает, что при низких значениях рН молекулы растворителя не координированы с ионом металла. [4]
Эти пики смещаются при связывании ароматических сульфонамидных ингибиторов вблизи катиона Zn ( II) и, следовательно, не могут быть обусловлены белковой частью молекулы. Роль этих упорядоченных молекул воды в катализе не ясна, однако с точки зрения вероятного механизма гидратации СО2, включающего молекулы СО2, бикарбоната и воды [249, 259], упорядоченная структура растворителя может оказаться существенной для взаимодействия субстрата с молекулой воды в составе тетраэдрического акво-катиона Zn ( II) ( разд. [5]
ЯМР-ис-следования 35С1 [254], согласно которым ингибирование хлорид-ионом происходит при присоединении аниона к катиону металла. Объяснение заметного уменьшения ферментативной активности при замещении иона металла следует искать в оценке возможных изменений геометрии координации при замещении катиона металла в области активного центра и сопутствующих эффектов, влияющих на упорядоченную структуру растворителя. Ввиду отсутствия непосредственной структурной информации изменения геометрии координации должны быть оценены на основе спектроскопических исследований. [7]
Сохранение около 50 % нативной ферментативной активности при замещении Со ( П) ( табл. 11) обусловлено, судя по спектрам поглощения [261], тетраэдрической координацией иона. Незначительное смещение иона Со ( П) ( табл. 12) и, вероятно, небольшие различия в геометрии взаимодействия металл-гистидин в случае ионов2п ( П) и Со ( П) в тетраэдрическом окружении свидетельствуют о сильном влиянии малых искажений на упорядоченную структуру растворителя. [8]
Ввиду отсутствия больших изменений конфигурации остатков, координируемых ионом металла при замещении Со ( П) в КАС [69], на основе структурных данных табл. 4 и спектра поглощения Со ( 11) - фермента необходимо заключить, что стереохимия лигандов, координируемых Со ( П), подобна, но не обязательно точно совпадает со стереохимией Zn ( II) в натив-ном ферменте. Однако, как показано на рис. 23, молекула воды, координированная катионом Zn ( II), образует водородную связь с Of треонина-197 и двумя другими молекулами растворителя. Малые искажения упорядоченной структуры растворителя могут легко передаваться малыми сдвигами в позиции катиона металла. В связи с этим может измениться каталитическая активность, поскольку изменятся условия реакций, включающих воду в области активного центра. Такие искажения могут происходить в результате смещения замещенного катиона металла из центра, занятого ионом Zn ( II), так же, как и вследствие малых изменений конфигурации аминокислотных остатков в области активного центра вблизи упорядоченной структуры растворителя. [9]
Как и при любом самопроизвольно протекающем процессе, образование стабильных твердых растворов возможно только при уменьшении энергии Гиббса системы ( свободной энергии смешения) ( AGCmA cm - TASCm), за счет чего система получает выигрыш энергии. Это является следствием того, что при образовании твердых растворов атомы или ионы растворенного вещества распределяются в упорядоченной структуре растворителя неупорядоченно, а переход от упорядоченной системы к неупорядоченной ( или менее упорядоченной) сопровождается увеличением энтропии. [10]
Спектроскопические данные, на основании которых можно было бы судить о геометрии координации замещенного иона Мп ( П), отсутствуют. Несмотря на общую тенденцию ионов Мп ( П) к октаэдрической координации [86], возможное образование пентакоор-динационного комплекса Мп ( П) КПА ( разд. Смещениеиона Мп ( П) относительно центра связывания Zn ( II) ( табл. 12), а также большая длина связи металл-лиганд для комплексов Мп ( П) может привести к значительному искажению упорядоченной структуры растворителя в области активного центра. [11]
Аналогичное соответствие максимумов спектров, но с большими изменениями их относительной высоты, наблюдается также и для трех солей лития. Таким образом, нейтронные спектры убедительно показывают, что гидратоподобный ближний порядок в первых гидратных слоях и льдо-подобное упорядочение в объеме растворителя в первую очередь определяются небольшими или многозарядными катионами и только во вторую очередь зависят от анионов. Фрэнк и Эванс [89] полагают, что по сравнению с С1 - - - ионами Ю - - ионы могут частично разрыхлять и разрушать упорядоченную структуру растворителя вокруг Ьа3 - ионов. Это в свою очередь приводит к небольшому уменьшению энергии активации молекул Н20 во внешних гидратных слоях. Как показано ниже, вызываемые анионами изменения процесса диффузии и сопряженных с ним параметров значительно меньше изменений, вызываемых катионами. Недавно Соловкин [90] рассчитал величины поверхностной плотности молекул воды в первых координационных слоях анионов и катионов ( основываясь на экспериментально найденных коэффициентах активности) и также пришел к подобным заключениям. Автор сделал вывод, что в целом эффект разрушения структуры ( отрицательная гидратация) для Ш - - иона выше, чем для хлорид-иона. Разрушающее влияние аниона быстро возрастает с увеличением радиуса катиона. [12]
Ввиду отсутствия больших изменений конфигурации остатков, координируемых ионом металла при замещении Со ( П) в КАС [69], на основе структурных данных табл. 4 и спектра поглощения Со ( 11) - фермента необходимо заключить, что стереохимия лигандов, координируемых Со ( П), подобна, но не обязательно точно совпадает со стереохимией Zn ( II) в натив-ном ферменте. Однако, как показано на рис. 23, молекула воды, координированная катионом Zn ( II), образует водородную связь с Of треонина-197 и двумя другими молекулами растворителя. Малые искажения упорядоченной структуры растворителя могут легко передаваться малыми сдвигами в позиции катиона металла. В связи с этим может измениться каталитическая активность, поскольку изменятся условия реакций, включающих воду в области активного центра. Такие искажения могут происходить в результате смещения замещенного катиона металла из центра, занятого ионом Zn ( II), так же, как и вследствие малых изменений конфигурации аминокислотных остатков в области активного центра вблизи упорядоченной структуры растворителя. [13]
Вовсе не очевидно, что в будущем при исследовании дифракции кристаллических белков удастся достигнуть значительного улучшения разрешения структуры. Следовательно, белковые молекулы в кристаллическом состоянии не подвержены силам межмолекулярного взаимодействия, сравнимым с силами решетки, удерживающими малые молекулы в гораздо более жестком состоянии. В связи с этим результаты рентгеноструктурного анализа белков часто основываются на участках карты электронной плотности с плохим качеством изображения. Высокие концентрации соли, используемые при кристаллизации, препятствуют образованию стабилизирующих полярных контактов между этими областями. Кроме того, нельзя не принимать в расчет роль гибкости полипептидной цепи белка, которая может оказаться существенной для ферментативной функции. Подобные факторы, относящиеся к описанию упорядоченной структуры растворителя и взамодействию молекул растворителя с белковыми остатками, препятствуют получению данных, необходимых для точного описания структуры молекулы. Очевидно, что к областям полипептидной цепи белковых молекул, которые на карте Фурье плохо различимы, методы уточнения не применимы. [14]
Хотя карты разностной электронной плотности для металл-замещенных производных КАС указывают, что замещенные катионы металлов присоединяются вблизи центра связывания Zn ( II), с точки зрения структуры невозможно объяснить полную потерю ферментативной активности при замещении металла. Чтобы разрешить изменение структуры упорядоченных молекул растворителя координируемых аминокислотных остатков при замещении иона металла, необходимы трехмерные карты разностной электронной плотности металлзамещенных аналогов КАС относительно апофер-мента. Трудно ожидать, что структурные детали малых изменений конфигурации групп вблизи катиона металла или изменения упорядоченности молекул растворителя в области активного центра могут быть определены на основе разностных карт Фурье, расчи-танных только в проекции. Более того, отсутствие больших кон-формационных изменений в области активного центра не исключает возможности изменений геометрии координации при замещении иона металла за счет незначительных сдвигов координируемых остатков. Хотя центры связывания ионов Мп ( П) практически совпадают с центром связывания Со ( П), такой слабый сдвиг тем не менее сопровождается заметным уменьшением ферментативной активности. Поскольку молекула воды, координированная тетраэдрическим Zn ( II), образует часть сложной структуры упорядоченных молекул растворителя в области активного центра [37, 252], малые различия конфигурации координируемых остатков гистидина и незначительные сдвиги центров связывания замещенных катионов металла могут оказывать сильное влияние на упорядоченную структуру растворителя. Эти искажения структуры растворителя, следовательно, приведут к изменению условий протекания реакций с участием воды в области активного центра. [15]
Страницы: 1