Роль металів у каталітичній активності ферментів.

Субстрат зв’язується з активним центром у декількох точках; комплекс, що утворився таким чином, нестабільний і після протікання хімічної реакції розщеплюється з утворенням продуктів і вільного ферменту. Бічні ланцюги амінокислот, що утворили активний центр, здатні до іонізації (кислоти), мають нуклеофільні (електронодонорні) або електрофільні (електроноакцепторні) властивості. Нуклеофільні групи можуть бути зв’язані з іонами металів (Mn2+, Mg2+, Zn2+), які в деяких випадках, є невід’ємною частиною ферментів

Металлы являются гораздо более эффективными кислотными катализаторами по сравнению с протонами, о чем убедительно свидетельствует пример металлоферментов. Другая причина широкой распространенности металлоферментов связана, вероятно, с полидентатным характером комплексов металлов. Строго определенное пространственное расположение нескольких реагентов внутри одного и того же комплекса позволяет легко оптимизировать действие эффектов сближения и ориентации. Протекание большого числа ферментативных реакций невозможно в отсутствие ионов металлов, активно участвующих в каталитическом процессе. Природа ионов металлов, необходимых для проявления ферментативной активности, варьируется в широких пределах — от ионов щелочных металлов Na+ и К+ и двухзарядных ионов Са2+, Mg2+, Zn2+, Fe2+, Cu2+, Co124" и Ni2+ до редко встречающихся многозарядных ионов ванадия и молибдена. Ионы металлов могут выполнять чисто структурные функции, однако чаще они прочно связаны с активным центром, принимая непосредственное участие в каталитической реакции. В этом случае роль иона металла может сводиться к стереоспецифическому образованию комплекса с молекулой субстрата, например с ее фосфатной группой. При катализе окислительно-восстановительными ферментами ион металла выступает в качестве переносчика электронов, осуществляя обратимый переход между двумя состояниями окисления.

Однако чаще всего непосредственно участвующий в ферментативной реакции ион металла выполняет, как и в обычных органических реакциях, роль кислоты Льюиса, которая действует аналогично протону, но с большей эффективностью. В таких реакциях всегда наблюдается одновременный перенос протона между ферментом и субстратом, поэтому в некотором смысле их можно рассматривать как катализируемый ионами металла ферментативный перенос протона. В качестве примера рассмотрим механизм реакции, катализируемой карбоксипептидазой.

Карбоксипептидаза — это металлофермент, содержащий один атом цинка на молекулу белка. Карбоксипептидаза катализирует гидролиз С-концевой пептидной связи в белках и олигопеп-тидах и сложных эфиров а-оксикислот. Кинетический изотопный эффект растворителя равен 2 при гидролизе сложноэфир-ного субстрата О-(гранс-циннамоил)-ь-р-фениллактата и всего лишь 1, 33±0, 15 при гидролизе пептида N- (N-бензоилглицил)-L-фенилаланината. По данным рентгеноструктурного анализа карбоксипептидаза представляет собой глобулярный белок, в котором содержится один атом цинка, координированный двумя остатками гистидина. Кроме того, в состав активного центра входят карбоксильная (Glu-270), фенольная (Туг-248) и гуанидиновая (Arg-145) группы. Последняя образует ионную связь со свободной карбоксильной группой субстрата. Простейший механизм, согласующийся со всеми имеющимися к настоящему времени структурными и кинетическими данными.

Реакция протекает через промежуточный ацилангидрид с одновременным отщеплением концевой карбоновой кислоты. На второй стадии происходит быстрая реакция ацилангидрида с водой. Возможно, что фенольная группа Туг-248 на стадии деаци-лирования действует как общее основание, отрывая протон от молекулы воды, а на первой стадии — даже как общая кислота, отдавая протон уходящей группе.