В биологии , то активный сайт является областью с ферментом , где субстрат молекулы связывают и претерпевают химическую реакцию . Активный сайт состоит из аминокислотных остатков, которые образуют временные связи с субстратом ( сайт связывания ), и остатков, которые катализируют реакцию этого субстрата (каталитический сайт). [1] Хотя активный центр занимает только ~ 10–20% от объема фермента, [2] : 19 он является наиболее важной частью, поскольку он непосредственно катализирует химическую реакцию.. Обычно он состоит из трех-четырех аминокислот, в то время как другие аминокислоты в белке необходимы для поддержания третичной структуры фермента. [3]
Каждый активный сайт разработан для оптимизации связывания с конкретным субстратом и катализирования конкретной реакции, что приводит к высокой специфичности . Эта специфичность определяется расположением аминокислот в активном центре и структурой субстратов. Иногда ферментам также необходимо связываться с некоторыми кофакторами для выполнения своей функции. Активный сайт обычно представляет собой бороздку или карман фермента, который может располагаться в глубоком туннеле внутри фермента [4] или между интерфейсами мультимерных ферментов . Активный центр может повторно катализировать реакцию, поскольку остатки не изменяются в конце реакции (они могут изменяться во время реакции, но регенерируются к концу). [5]Этот процесс достигается за счет снижения энергии активации реакции, поэтому большее количество субстратов имеет достаточно энергии для прохождения реакции. [6]
Связывающий сайт [ править ]
Обычно молекула фермента имеет только два активных центра, и они подходят для одного определенного типа субстрата. Активный сайт содержит сайт связывания, который связывает субстрат и ориентирует его для катализа. Ориентация субстрата и непосредственная близость между ним и активным центром настолько важны, что в некоторых случаях фермент все еще может функционировать должным образом, даже если все другие части мутированы и теряют функцию. [7]
Первоначально взаимодействие между активным центром и субстратом нековалентное и временное. Существует четыре важных типа взаимодействия, которые удерживают субстрат в определенной ориентации и образуют комплекс фермент-субстрат (комплекс ES): водородные связи , ван-дер-ваальсовы взаимодействия , гидрофобные взаимодействия и электростатические силовые взаимодействия. [8] : 148 Распределение зарядов на субстрате и активном сайте должно быть комплементарным, что означает, что все положительные и отрицательные заряды должны быть нейтрализованы. В противном случае их будет раздвигать отталкивающая сила. Активный центр обычно содержит неполярныеаминокислоты, хотя иногда могут встречаться и полярные аминокислоты. [3] Связывание субстрата с сайтом связывания требует по крайней мере трех контактных точек для достижения стерео-, регио- и энантиоселективности. Например, алкогольдегидрогеназа, которая катализирует перенос гидрид- иона от этанола к NAD +, взаимодействует с метильной группой субстрата , гидроксильной группой и про (R) водородом, который будет отводиться во время реакции. [8] : 149
Для того чтобы выполнять свою функцию, ферменты должны принять правильную белковую складку ( нативную складку ) и третичную структуру . Чтобы поддерживать эту заданную трехмерную структуру, белки полагаются на различные типы взаимодействий между своими аминокислотными остатками. Если этим взаимодействиям препятствуют, например, экстремальные значения pH, высокая температура или высокие концентрации ионов, это приведет к денатурированию фермента и потере его каталитической активности.
Считается, что более плотное прилегание между активным центром и молекулой субстрата увеличивает эффективность реакции. Если плотность между активным центром ДНК-полимеразы и ее субстратом увеличивается, точность, то есть правильная скорость репликации ДНК, также увеличивается. [9] Большинство ферментов имеют глубоко скрытые активные центры, к которым субстрат может получить доступ через каналы доступа. [4]
Есть три предложенные моделей того , как ферменты соответствуют их конкретным основаниям: замок и ключ модель , то индуцированной подходят модель, и конформационные модели выбора. Последние два не исключают друг друга: за конформационным отбором может следовать изменение формы фермента. Кроме того, белок не может полностью соответствовать ни одной из моделей. Аминокислоты в сайте связывания убиквитина обычно следуют модели индуцированной подгонки, тогда как остальной белок обычно придерживается конформационного отбора. Факторы, такие как температура, вероятно, влияют на путь, осуществляемый во время связывания, при этом более высокие температуры, по прогнозам, увеличивают важность конформационного отбора и уменьшают важность индуцированного соответствия. [10]
Гипотеза замка и ключа [ править ]
Эту концепцию предложил химик XIX века Эмиль Фишер . Он предположил, что активный центр и субстрат представляют собой две стабильные структуры, которые идеально подходят без каких-либо дополнительных изменений, точно так же, как ключ вставляется в замок. Если один субстрат идеально связывается со своим активным центром, взаимодействия между ними будут самыми сильными, что приведет к высокой каталитической эффективности.
Со временем стали проявляться ограничения этой модели. Например, конкурентный ингибитор фермента метилглюкозид может прочно связываться с активным центром 4-альфа-глюканотрансферазы и идеально в него вписываться . Однако 4-альфа-глюканотрансфераза не активна в отношении метилглюкозида, и перенос гликозила не происходит. Гипотеза Lock and Key не может объяснить это, так как она предсказывает высокую эффективность переноса метилглюкозид-гликозила из-за его прочного связывания. Помимо конкурентного ингибирования, эта теория не может объяснить механизм действия неконкурентных ингибиторов , поскольку они не связываются с активным центром, но, тем не менее, влияют на каталитическую активность. [11]
Гипотеза искусственного соответствия [ править ]
Теория связывания фермента с субстратом Дэниела Кошланда состоит в том, что активный центр и связывающая часть субстрата не совсем комплементарны. [12]Модель индуцированной подгонки является развитием модели с замком и ключом и предполагает, что активный сайт является гибким и меняет форму до тех пор, пока субстрат не будет полностью связан. Эта модель похожа на человека в перчатке: перчатка меняет форму, чтобы соответствовать руке. Фермент изначально имеет конформацию, которая привлекает его субстрат. Поверхность фермента гибкая, и только правильный катализатор может вызвать взаимодействие, ведущее к катализу. При связывании субстрата могут происходить конформационные изменения. После того, как продукты реакции отойдут от фермента, активный центр вернется к исходной форме. Эта гипотеза подтверждается наблюдением, что весь белковый домен может перемещаться на несколько нанометров во время катализа. Это движение белковой поверхности может создавать микросреды, способствующие катализу. [7]
Гипотеза конформационного отбора [ править ]
Эта модель предполагает, что ферменты существуют во множестве конформаций, только некоторые из которых способны связываться с субстратом. Когда субстрат связан с белком, равновесие в конформационном ансамбле смещается в сторону тех, которые способны связывать лиганды (поскольку ферменты со связанными субстратами удаляются из равновесия между свободными конформациями). [13]
Типы нековалентных взаимодействий [ править ]
Электростатическое взаимодействие : в водной среде противоположно заряженные группы в боковых цепях аминокислот в активном центре и субстратах притягиваются друг к другу, что называется электростатическим взаимодействием. Например, когда карбоновая кислота (R-COOH) диссоциирует на ионы RCOO - и H + , COO - будет притягивать положительно заряженные группы, такие как протонированная гуанидиновая боковая цепь аргинина .
Водородная связь : водородная связь - это особый тип диполь-дипольного взаимодействия между частично положительным атомом водорода и частично отрицательным донором электронов, которые содержат пару электронов, таких как кислород , фтор и азот . Прочность водородной связи зависит от химической природы и геометрического расположения каждой группы.
Сила Ван-дер-Ваальса : сила Ван-дер-Ваальса образуется между противоположно заряженными группами из-за временного неравномерного распределения электронов в каждой группе. Если все электроны сосредоточены на одном полюсе группы, этот конец будет отрицательным, а другой конец - положительным. Хотя индивидуальная сила мала, так как общее количество взаимодействий между активным центром и субстратом велико, их сумма будет значительной.
Гидрофобное взаимодействие : неполярные гидрофобные группы имеют тенденцию агрегироваться вместе в водной среде и пытаются уйти из полярного растворителя. Эти гидрофобные группы обычно имеют длинную углеродную цепь и не реагируют с молекулами воды. При растворении в воде молекула белка сворачивается в шарообразную форму, оставляя гидрофильные группы снаружи, в то время как гидрофобные группы глубоко погружаются в центр.
Каталитический сайт [ править ]
После связывания субстрата с активным центром и его ориентации можно начинать катализ . Остатки каталитического сайта обычно очень близки к сайту связывания, и некоторые остатки могут играть двойную роль как в связывании, так и в катализе.
Каталитические остатки сайта взаимодействуют с субстратом, чтобы снизить энергию активации реакции и тем самым ускорить ее протекание . Они делают это с помощью ряда различных механизмов, включая приближение реагентов, нуклеофильный / электрофильный катализ и кислотно-основной катализ. Эти механизмы будут объяснены ниже.
Механизмы, участвующие в каталитическом процессе [ править ]
Аппроксимация реагента [ править ]
Во время ферментативной каталитической реакции субстрат и активный центр находятся в непосредственной близости. Этот подход преследует разные цели. Во-первых, когда субстраты связываются в активном центре, его эффективная концентрация значительно увеличивается, чем в растворе. Это означает, что количество молекул субстрата, участвующих в реакции, также увеличивается. Этот процесс также снижает энергию десольватации.требуется для реакции. В растворе молекулы субстрата окружены молекулами растворителя, и молекулам фермента требуется энергия для их замены и контакта с субстратом. Поскольку объемные молекулы могут быть исключены из активного центра, этот выход энергии может быть минимизирован. Далее, активный центр предназначен для переориентации субстрата для снижения энергии активации реакции. Выравнивание субстрата после связывания блокируется в состоянии высокой энергии и может переходить к следующему этапу. Кроме того, этому связыванию способствует энтропия, поскольку затраты энергии, связанные с реакцией в растворе, в значительной степени устраняются, поскольку растворитель не может попасть в активный центр. В конце концов, активный сайт может манипулировать молекулярной орбиталью.подложки в подходящую ориентацию для снижения энергии активации. [8] : 155–8
Электростатические состояния субстрата и активного центра должны дополнять друг друга. Поляризованная отрицательно заряженная боковая цепь аминокислоты отталкивает незаряженный субстрат. Но если переходное состояние включает образование ионного центра, тогда боковая цепь будет производить благоприятное взаимодействие.
Ковалентный катализ [ править ]
Многие ферменты, включая сериновую протеазу , цистеиновую протеазу , протеинкиназу и фосфатазу, эволюционировали, чтобы сформировать временные ковалентные связи между ними и их субстратами, чтобы снизить энергию активации и позволить реакции произойти. Этот процесс можно разделить на 2 этапа: формирование и разрушение. Первый этап является этапом ограничения скорости, тогда как следующий этап необходим для регенерации интактного фермента. [8] : 158
Нуклеофильный катализ : этот процесс включает передачу электронов от нуклеофила фермента субстрату для образования ковалентной связи между ними во время переходного состояния. Сила этого взаимодействия зависит от двух аспектов: способности нуклеофильной группы отдавать электроны и способности электрофила принимать их. Первый в основном зависит от основности (способности отдавать электронные пары) вида, а второй - от его p K a . На обе группы также влияют их химические свойства, такие как поляризуемость , электроотрицательность и потенциал ионизации.. Аминокислоты, которые могут образовывать нуклеофилы, включая серин , цистеин , аспартат и глутамин .
Электрофильный катализ : механизм этого процесса точно такой же, как и нуклеофильный катализ, за исключением того, что теперь аминокислоты в активном центре действуют как электрофилы, а субстраты - как нуклеофилы . Для этой реакции обычно требуются кофакторы, так как боковые цепи аминокислот недостаточно сильны для притяжения электронов.
Ионы металлов [ править ]
Ионы металлов играют несколько ролей во время реакции. Во-первых, он может связываться с отрицательно заряженными группами субстрата, поэтому они не будут отталкивать электронные пары от нуклеофильных групп активного центра. Он может притягивать отрицательно заряженные электроны для повышения электрофильности. Он также может соединять активный центр и субстрат. Наконец, они могут изменить конформационную структуру субстрата в пользу реакции.[8] : 158
Кислотный / щелочной катализ [ править ]
В некоторых реакциях протоны и гидроксид могут непосредственно действовать как кислота и основание в отношении специфического кислотного и специфического основного катализа. Но чаще группы в субстрате и активном центре действуют как кислота и основание Бренстеда – Лоури. Это называется общей теорией кислоты и общей теории оснований. Самый простой способ различить их - проверить, определяется ли скорость реакции концентрациями общей кислоты и основания. Если "да", то реакция носит общий характер. Поскольку большинство ферментов имеют оптимальный pH от 6 до 7, аминокислоты в боковой цепи обычно имеют p K a 4 ~ 10. Кандидаты включают аспартат , глутамат ,гистидин , цистеин . Эти кислоты и основания могут стабилизировать нуклеофил или электрофил, образующийся во время катализа, обеспечивая положительные и отрицательные заряды. [8] : 164–70
Конформационное искажение [ править ]
Количественные исследования ферментативных реакций часто показывают, что ускорение скорости химической реакции не может быть полностью объяснено существующими теориями, такими как приближение, кислотно-щелочной катализ и электрофильный / нуклеофильный катализ. И здесь возникает очевидный парадокс: в обратимой ферментативной реакции, если активный центр идеально подходит для субстратов, обратная реакция будет замедлена, поскольку продукты не могут идеально вписаться в активный центр. Таким образом, было введено конформационное искажение и утверждается, что как активный сайт, так и субстрат могут подвергаться конформационным изменениям, чтобы соответствовать друг другу все время. [8] : 170–5
Предварительно организованная комплементарность активного сайта переходному состоянию [ править ]
Эта теория немного похожа на теорию замка и ключа, но в настоящее время активный сайт предварительно запрограммирован для идеального связывания с субстратом в переходном состоянии, а не в основном состоянии. Формирование переходного состояния в растворе требует большого количества энергии для перемещения молекул растворителя, и реакция замедляется. Таким образом, активный центр может замещать молекулы растворителя и окружать субстраты, чтобы минимизировать контрпродуктивный эффект, вызываемый раствором. Наличие заряженных групп в активном центре будет привлекать субстраты и обеспечивать электростатическую комплементарность. [8] : 176–8
Примеры механизмов ферментативного катализа [ править ]
В действительности, большинство ферментных механизмов включает комбинацию нескольких различных типов катализа.
Глутатионредуктаза [ править ]
Роль глутатиона (GSH) заключается в удалении накопленных активных форм кислорода, которые могут повредить клетки. Во время этого процесса его тиоловая боковая цепь окисляется, и две молекулы глутатиона соединяются дисульфидной связью с образованием димера (GSSG). Чтобы регенерировать глутатион, необходимо разорвать дисульфидную связь. В клетках человека это делается с помощью глутатионредуктазы (GR).
Глутатионредуктаза - это димер, содержащий две идентичные субъединицы. В качестве кофакторов требуется один НАДФ и один ФАД . Активный сайт расположен в связи между двумя субъединицами. NADPH участвует в генерации FADH-. В активном центре, помимо кофактора FAD , есть два остатка цистеина, которые используются для разрыва дисульфидной связи во время каталитической реакции. НАДФН связывается тремя положительно заряженными остатками: Arg-218, His-219 и Arg-224.
Каталитический процесс начинается, когда FAD восстанавливается NADPH, чтобы принять один электрон, а из FADH - . Затем она атакует дисульфидные св зь , образованных между 2 остатками цистеина, образующей одну SH связи и один S - группой. Эта S - группа будет действовать как нуклеофил, чтобы атаковать дисульфидную связь в окисленном глутатионе (GSSG), разрушая ее и образуя комплекс цистеин-SG. Первый SG - анион высвобождается, а затем получает один протон от соседней группы SH и от первого мономера глутатиона. Затем соседняя S - группа атакует дисульфидную связь в комплексе цистеин-SG и высвобождает второй SG -анион. Он получает один протон в растворе и образует второй мономер глутатиона.
[2] : 137–9
Химотрипсин [ править ]
Химотрипсин является серин эндопептидазы , который присутствует в соке поджелудочной железы и помогает гидролиз из белков и пептидов . [2] : 84-6 Это катализирует гидролиз пептидных связей в L-изомеров из тирозина , фенилаланина и триптофана . В активном центре этого фермента три аминокислотных остатка работают вместе, образуя каталитическую триаду, составляющую каталитический центр. В химотрипсине этими остатками являются Ser-195, His-57 и Asp-102.
Механизм действия химотрипсина можно разделить на две фазы. Во-первых, Ser-195 нуклеофильно атакует углерод пептидной связи в субстрате с образованием тетраэдрического промежуточного соединения. Нуклеофильность Ser-195 усиливается His-57, который отрывает протон от Ser-195 и, в свою очередь, стабилизируется отрицательно заряженной карбоксилатной группой (RCOO - ) в Asp-102. Кроме того, тетраэдрический оксианионный промежуточный продукт, образующийся на этой стадии, стабилизируется водородными связями из Ser-195 и Gly-193.
На второй стадии группа R'NH протонируется His-57 с образованием R'NH 2 и оставляет промежуточное соединение, оставляя ацилированный Ser-195. His-57 затем снова действует как основание, чтобы оторвать один протон от молекулы воды. Образовавшийся гидроксид- анион нуклеофильно атакует ацил-ферментный комплекс с образованием второго тетраэдрического оксианионного промежуточного соединения, которое снова стабилизируется Н-связями. В конце концов, Ser-195 покидает тетраэдрический промежуточный продукт, разрывая связь CO, которая связывает фермент с пептидным субстратом. Протон передается на Ser-195 через His-57, так что все три аминокислоты возвращаются в свое исходное состояние.
Отмена привязки [ править ]
На отслоение субстрата влияют различные факторы. Лиганды большего размера, как правило, остаются в активном центре дольше [14], как и лиганды с более вращаемыми связями (хотя это может быть побочным эффектом размера). [15] Когда растворитель исключен из активного центра, менее гибкие белки приводят к увеличению времени пребывания . Большее количество водородных связей, защищенных от растворителя, также уменьшает расщепление. [14]
Кофакторы [ править ]
Ферменты могут использовать кофакторы в качестве «вспомогательных молекул». Коферменты относятся к тем небелковым молекулам, которые связываются с ферментами, чтобы помочь им выполнять свою работу. В основном они связаны с активным центром нековалентными связями, такими как водородная связь или гидрофобное взаимодействие . Но иногда между ними также может образовываться ковалентная связь. Например, гем в цитохроме С связан с белком через тиоэфирную связь . В некоторых случаях коферменты могут оставлять ферменты после завершения реакции. В противном случае они навсегда связываются с ферментом. [8] : 69 Коэнзим - это широкое понятие, которое включает ионы металлов, различные витамины.и АТФ . Если ферменту нужен кофермент для работы сам по себе, он называется апоферментом. Фактически, он сам по себе не может должным образом катализировать реакции. Только когда его кофактор входит и связывается с активным сайтом с образованием холоэнзима, он работает правильно.
Одним из примеров кофактора является Флавин . Он содержит отдельную конъюгированную изоаллоксазиновую кольцевую систему. Флавин имеет несколько окислительно-восстановительных состояний и может использоваться в процессах, связанных с переносом одного или двух электронов. Он может действовать как акцептор электронов в реакции, такой как окисление НАД до НАДН, принимать два электрона и образовывать 1,5-дигидрофлавин. С другой стороны, он может образовывать семихинон ( свободный радикал ), принимая один электрон, а затем превращается в полностью восстановленную форму путем добавления дополнительного электрона. Это свойство позволяет использовать его в процессе одноэлектронного окисления.
Ингибиторы [ править ]
Ингибиторы нарушают взаимодействие между ферментом и субстратом, замедляя скорость реакции. Существуют разные типы ингибиторов, включая как обратимые, так и необратимые формы.
Конкурентные ингибиторы - это ингибиторы, нацеленные только на свободные молекулы ферментов. Они конкурируют с субстратами за свободный акцептор фермента и могут быть преодолены путем увеличения концентрации субстрата. У них есть два механизма. Конкурентные ингибиторы обычно имеют структурное сходство с субстратами и / или комплексом ES. В результате они могут вписаться в активный сайт и инициировать благоприятные взаимодействия, чтобы заполнить пространство и заблокировать проникновение субстратов. Они также могут вызывать временные конформационные изменения в активном центре, поэтому субстраты не могут идеально с ним соответствовать. Через короткий период времени конкурентные ингибиторы исчезнут, и фермент останется нетронутым.
Ингибиторы классифицируются как неконкурентные ингибиторы, если они связывают как свободный фермент, так и комплекс ES. Поскольку они не конкурируют с субстратами за активный центр, их нельзя преодолеть простым увеличением концентрации субстрата. Обычно они связываются с другим сайтом фермента и изменяют трехмерную структуру активного сайта, чтобы блокировать проникновение или выход субстратов из фермента.
Необратимые ингибиторы похожи на конкурентные ингибиторы, поскольку они оба связываются с активным центром. Однако необратимые ингибиторы образуют необратимые ковалентные связи с аминокислотными остатками в активном центре и никогда не уходят. Следовательно, активный центр занят и субстрат не может проникнуть. Иногда ингибитор уходит, но форма каталитического центра постоянно меняется. Эти ингибиторы обычно содержат электрофильные группы, такие как заменители галогена и эпоксиды . Со временем все больше и больше ферментов связываются необратимыми ингибиторами и больше не могут функционировать.
| Пример | Привязывает активный сайт? | Снижает скорость реакции? | |
|---|---|---|---|
| Конкурентоспособный обратимый ингибитор | Ингибиторы протеазы ВИЧ | да | да |
| Неконкурентный обратимый ингибитор | Тяжелые металлы, такие как свинец и ртуть | Нет | да |
| Необратимый ингибитор | Цианид | да | да |
Примеры конкурентных и необратимых ингибиторов ферментов [ править ]
Конкурентный ингибитор: ингибитор протеазы ВИЧ [ править ]
Ингибиторы протеазы ВИЧ используются для лечения пациентов, инфицированных вирусом СПИДа, путем предотвращения его репликации ДНК . Протеаза ВИЧ используется вирусом для расщепления полипротеина Gag-Pol на 3 более мелких белка, которые отвечают за сборку, упаковку и созревание вириона. Этот фермент нацелен на конкретный фенилаланин - пролин скол сайта в пределах целевого белка. [16] Если отключить протеазу ВИЧ, частица вириона потеряет функцию и не сможет инфицировать пациентов. Поскольку он необходим для репликации вируса и отсутствует у здорового человека, он является идеальной мишенью для разработки лекарств.
Протеаза ВИЧ принадлежит к семейству аспарагиновых протеаз и имеет похожий механизм. Сначала остаток аспартата активирует молекулу воды и превращает ее в нуклеофил . Затем он атакует карбонильную группу внутри пептидной связи (NH-CO) с образованием тетраэдрического промежуточного соединения. Атом азота в промежуточном продукте получает протон, образуя амидную группу, и последующая перегруппировка приводит к разрыву связи между ним и промежуточным продуктом и образует два продукта. [17]
Ингибиторы обычно содержат негидролизуемые гидроксиэтиленовые или гидроксиэтиламиновые группы, которые имитируют тетраэдрический промежуточный продукт. Поскольку они имеют схожую структуру и электростатическое расположение с переходным состоянием субстратов, они все еще могут помещаться в активный центр, но не могут быть разрушены, поэтому гидролиз не может происходить.
Неконкурентный ингибитор: Стрихнин [ править ]
Стрихнин - это нейротоксин, который вызывает смерть, поражая нервы, которые контролируют мышечное сокращение и вызывают затруднение дыхания. Импульс передается между синапсами через нейротрансмиттер, называемый ацетилхолином . Он попадает в синапс между нервными клетками и связывается с рецепторами постсинаптической клетки. Затем генерируется потенциал действия, который передается через постсинаптическую клетку, чтобы начать новый цикл.
Глицин может подавлять активность рецепторов нейротрансмиттеров, поэтому для запуска потенциала действия требуется большее количество ацетилхолинэстеразы. Это гарантирует, что генерация нервных импульсов строго контролируется. Однако при добавлении стрихнина этот контроль нарушается. Он подавляет рецепторы глицина ( хлоридный канал ), и гораздо более низкий уровень концентрации нейротрансмиттера может вызвать потенциал действия. Теперь нервы постоянно передают сигналы и вызывают чрезмерное сокращение мышц, что приводит к удушью и смерти. [18]
Необратимый ингибитор: диизопропилфторфосфат [ править ]
Диизопропилфторфосфат (DIFP) - необратимый ингибитор, блокирующий действие сериновой протеазы . Когда он связывается с ферментом, происходит реакция нуклеофильного замещения и высвобождает одну молекулу фтороводорода . Группа ОН в активном центре действует как нуклеофил, атакуя фосфор в DIFP, образуя тетраэдрический промежуточный продукт и высвобождая протон. Затем связь PF разрывается, один электрон переносится на атом F, и он оставляет промежуточное соединение в виде F - аниона. Он соединяется с протоном в растворе с образованием одной молекулы HF. Между активным центром и DIFP образуется ковалентная связь, поэтому боковая цепь серина больше не доступна для субстрата. [19]
В открытии лекарств [ править ]
Идентификация активных сайтов имеет решающее значение в процессе открытия лекарств . Трехмерная структура фермента анализируется, чтобы определить остатки активного центра и разработать лекарства, которые могут в них поместиться. Протеолитические ферменты являются мишенями для некоторых лекарств, таких как ингибиторы протеазы, которые включают лекарства против СПИДа и гипертонии. [20] Эти ингибиторы протеаз связываются с активным сайтом фермента и блокируют взаимодействие с природными субстратами. [21] Важным фактором при разработке лекарств является сила связывания между активным центром и ингибитором фермента. [22]Если фермент, обнаруженный в бактериях, значительно отличается от фермента человека, то против этой конкретной бактерии может быть разработан ингибитор, не повреждая фермент человека. Если один вид ферментов присутствует только в одном виде организмов, его ингибитор можно использовать для их уничтожения.
Активные сайты могут быть нанесены на карту, чтобы помочь в разработке новых лекарств, таких как ингибиторы ферментов. Это включает в себя описание размера активного сайта, количества и свойств подсайтов, таких как детали связывающего взаимодействия. [20] Однако современная технология баз данных под названием CPASS (Сравнение структур белковых активных сайтов) позволяет более детально сравнивать активные сайты и находить структурное сходство с помощью программного обеспечения. [23]
Применение ингибиторов ферментов [ править ]
| Пример | Механизм действия | |
|---|---|---|
| Антибактериальный агент | Пенициллин | Стенка бактериальной клетки состоит из пептидогликана . Во время роста бактерий существующее сшивание пептидогликанового волокна нарушается, поэтому новый мономер клеточной стенки может быть интегрирован в клеточную стенку. Пенициллин действует, ингибируя транспептидазу, которая необходима для образования поперечных связей, поэтому клеточная стенка ослабляется и разрывается из-за тургорного давления . |
| Противогрибковое средство | Азол | Эргостерин - это стерол , образующий поверхностную мембрану грибов . Азол может ингибировать его биосинтез, ингибируя ланостерол 14 альфа-деметилазу , поэтому новый эргостерин не вырабатывается, а вредный 14α-ланостерин накапливается в клетке. Кроме того, азол может генерировать активные формы кислорода . |
| Антивирусный агент | Саквинавир | Протеаза ВИЧ необходима для расщепления полипротеина Gag-Pol на 3 отдельных белка, чтобы они могли нормально функционировать и запускать процесс упаковки вируса. Ингибиторы протеазы ВИЧ, такие как саквинавир, подавляют его, поэтому новая зрелая вирусная частица не может быть получена. |
| Инсектициды | Физостигмин | В животной нервной системе , ацетилхолинэстераза требуется , чтобы сломать нейротрансмиттер ацетилхолин в ацетат и холин . Физостигмин связывается с его активным участком и подавляет его, поэтому импульсный сигнал не может передаваться по нервам. Это приводит к гибели насекомых, поскольку они теряют контроль над работой мышц и сердца. |
| Гербициды | Циклогександион | Циклогександион нацелен на карбоксилазы Ацетил-КоА , который участвует в первой стадии синтеза жира: АТФ-зависимого карбоксилирования из ацетил-КоА в малонил-СоА . Липиды важны в составе клеточной мембраны. |
Аллостерические сайты [ править ]
Аллостерический сайт это сайт , на ферменте, не связанный с его активным сайтом, который может связывать молекулу эффектора. Это взаимодействие - еще один механизм регуляции ферментов. Аллостерическая модификация обычно происходит в белках с более чем одной субъединицей. Аллостерические взаимодействия часто присутствуют в метаболических путях и полезны тем, что позволяют одной стадии реакции регулировать другую стадию. [21] Они позволяют ферменту иметь ряд молекулярных взаимодействий, помимо высокоспецифичного активного сайта. [21]
См. Также [ править ]
- Хью Стотт Тейлор
Ссылки [ править ]
- ^ Srinivasan, Бхарат (2020-09-27). «Совет: обучение кинетике ферментов» . Журнал FEBS . DOI : 10.1111 / febs.15537 . ISSN 1742-464X .
- ^ а б в Багг TD (2004). Введение в химию ферментов и коферментов (PDF) (2-е изд.). Blackwell Publishing Limited. ISBN 9781405114523. Архивировано из оригинального (PDF) 22 марта 2018 года.
- ^ а б Шанмугам С (2009). Ферментные технологии . ИК Международный издательский дом. п. 48. ISBN 9789380026053.
- ^ а б Правда Л, Берка К., Свободова Варжекова Р. и др. (2014). «Анатомия ферментных каналов» . BMC Bioinformatics . 15 : 379. DOI : 10,1186 / s12859-014-0379-х . PMC 4245731 . PMID 25403510 .
- Перейти ↑ Alberts B (2010). Эссенциальная клеточная биология . Наука о гирляндах. п. 91. ISBN 9780815341291.
- ^ Srinivasan, Бхарат (2020-09-27). «Совет: обучение кинетике ферментов» . Журнал FEBS . DOI : 10.1111 / febs.15537 . ISSN 1742-464X .
- ^ а б Дагмар Р., Грегори А. (2008). «Как работают ферменты». Наука . 320 (5882): 1428–1429. DOI : 10.1126 / science.1159747 . PMID 18556536 . S2CID 43617575 .
- ^ a b c d e f g h я Роберт А. (2000). Ферменты: Практическое введение в структуру, механизм и анализ данных (PDF) (2-е изд.). Вили-Блэквелл. ISBN 9780471359296.
- ^ Kool ET (1984). «Плотность активного сайта и соответствие субстрату при репликации ДНК». Ежегодный обзор биохимии . 71 : 191–219. DOI : 10.1146 / annurev.biochem.71.110601.135453 . PMID 12045095 .
- ^ Csermely, Питер; Палотаи, Робин; Нусинов, Рут (2010). «Индуцированная подгонка, конформационный отбор и независимые динамические сегменты: расширенный взгляд на связывающие события» . Направления биохимических наук . 35 (10): 539–546. DOI : 10.1016 / j.tibs.2010.04.009 . ISSN 0968-0004 . PMC 3018770 . PMID 20541943 .
- Перейти ↑ Daniel E (1995). "Теория замка и ключа и теория индуцированной подгонки". Angewandte Chemie International Edition . 33 (2324): 2375–2378. DOI : 10.1002 / anie.199423751 .
- Перейти ↑ Sullivan SM (2008). «Ферменты с активными сайтами, закрытыми крышкой, должны действовать по механизму индуцированного соответствия вместо конформационного отбора» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (37): 13829–13834. DOI : 10.1073 / pnas.0805364105 . PMC 2544539 . PMID 18772387 .
- Перейти ↑ Copeland, Robert A. (2013). «Целевое время пребывания препарата». Оценка ингибиторов ферментов при открытии лекарств . John Wiley & Sons, Ltd., стр. 287–344. ISBN 978-1-118-54039-8.
- ^ a b Пан, Альберт С .; Борхани, Дэвид В .; Дрор, Рон О .; Шоу, Дэвид Э. (2013). «Молекулярные детерминанты кинетики связывания лекарственного средства с рецептором». Открытие наркотиков сегодня . 18 (13–14): 667–673. DOI : 10.1016 / j.drudis.2013.02.007 . ISSN 1359-6446 . PMID 23454741 .
- ^ Миллер, Дункан C .; Ланн, Грэм; Джонс, Питер; Сабнис, Йогеш; Дэвис, Николай Л .; Дрисколл, Пол (2012). «Исследование влияния молекулярных свойств на кинетику связывания лиганда с его биологической мишенью». MedChemComm . 3 (4): 449–452. DOI : 10.1039 / c2md00270a . ISSN 2040-2503 .
- ^ Флекснера C (1998). «Ингибиторы протеазы ВИЧ». Медицинский журнал Новой Англии . 338 (18): 1281–1292. DOI : 10.1056 / NEJM199804303381808 . PMID 9562584 .
- Перейти ↑ Ashraf B, Chi-Huey W (2003). «Протеаза ВИЧ-1: механизм и открытие лекарств». Органическая и биомолекулярная химия . 1 (1): 5–14. DOI : 10.1039 / B208248A . PMID 12929379 .
- Перейти ↑ Gray W, Rick G (1993). «Цитопротекция путем ингибирования хлоридных каналов: механизм действия глицина и стрихнина». Науки о жизни . 53 (15): 1211–1215. DOI : 10.1016 / 0024-3205 (93) 90539-F . PMID 8412478 .
- ^ Янсен EF, Nuttig F, Balls AK (1949). «Способ ингибирования химотрипсина диизопропилфторфосфатом; введение фосфора». Журнал биологической химии . 179 (1): 201–204. PMID 18119235 .
- ^ а б Шехтер I (2005). «Картирование активного сайта протеаз в 1960-х и рациональный дизайн ингибиторов / лекарств в 1990-х». Современная наука о белках и пептидах . 6 (6): 501–512. DOI : 10.2174 / 138920305774933286 . PMID 16381600 .
- ^ а б в ДеДеккер Б.С. (2000). «Аллостерические препараты: мышление вне коробки активных центров» . Химия и биология . 7 (5): 103–107. DOI : 10.1016 / S1074-5521 (00) 00115-0 . PMID 10801477 .
- ^ Zuercher M (2008). «Дизайн лекарств на основе структуры: изучение правильного заполнения аполярных карманов на ферментно-активных участках». Журнал органической химии . 73 (12): 4345–4361. DOI : 10.1021 / jo800527n . PMID 18510366 .
- Перейти ↑ Powers R (2006). «Сравнение структур активных сайтов белков для функциональной аннотации белков и дизайна лекарств» . Белки . 65 : 124–135. DOI : 10.1002 / prot.21092 . PMID 16862592 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Алан Фершт, Структура и механизм в науке о белке: Руководство по ферментному катализу и сворачиванию белков. WH Freeman, 1998. ISBN 0-7167-3268-8
- Багг Т. Введение в химию ферментов и коферментов. (2-е издание), Blackwell Publishing Limited, 2004. ISBN 1-4051-1452-5 .
 | Викискладе есть медиафайлы, связанные с активным сайтом . |
