ГіДРОЛАЗИ ОСНОВНІ ТИПИ СТРУКТУР І МЕХАНІЗМ КАТАЛІЗУ Основні

ГіДРОЛАЗИ: ОСНОВНІ ТИПИ СТРУКТУР І МЕХАНІЗМ КАТАЛІЗУ Основні типи каталітичних центрів гідролаз: 1. Імідазольні і імідазол-карбоксилатні гідролази 2. Карбоксильні гідролази 3. Zn 2+-, Co 2+-, Ni 2+-залежні гідролази 4. Mg 2+, Mn 2+- залежні гідролази

Імідазольні і імідазол-карбоксилатні гідролази Каталітичний центр гідролаз цього типу включає: • групи активації води або гідроксильної (сульфгідрильної) групи серину чи цистеїну; • часто ланцюг переносу протона у вигляді імідазольної групи гістидину й карбоксильної групи аспарагінової або глутамінової кислоти. Типовим представником цього типу ферментів є хімотрипсин, трипсин (серинові протеази) і папаїн (цистеїнові протеази), рибонуклеаза тощо.

Імідазольні і імідазол-карбоксилатні гідролази • Механізм каталізу цими ферментами часто включає проміжне ацилювання гідроксильної або цистеїнової групи активного центру з утворенням ацил-ферментних інтермедіатів. • У гідролазах хімотрипсинового типу ідентифікується ланцюг переносу протона за участю карбоксильної групи, що брала участь в активації води або гідроксильної групи серину на стадії ацилювання. • Ланцюги переносу протона відсутні у ферментах папаїнового й рибонуклеазного типу. Для активації води досить дії імідазольної групи.

Карбоксильні гідролази • Каталітично активний центр ферментів цього типу містить дві або кілька карбоксильних груп. • Представниками є ферменти, що розщеплюють як складні ефіри, аміди, так і прості ефірні зв'язки. Звичайно ферменти цієї групи характеризуються р. Н-оптимумом при відносно низьких значеннях р. Н. • Типовими представниками цієї групи гідролаз є пепсин і лізоцим.

Карбоксильні гідролази • Протонована карбоксильна група бере участь в активації субстрату як узагальнена кислота, депротонована форма – у якості основи при активації води.

Zn 2+-, Co 2+-, Ni 2+-залежні гідролази • Активні центри ферментів цієї групи містять іони металів, що утворюють комплекси з білком досить уніфікованої структури. • Лігандами іона металу є функціональні групи двох гістидинів (імідазол) і аспарагінової або глутамінової кислоти (карбоксильна група). • Типовими представниками цієї групи ферментів є карбоксипептидаза А и термолізин

Mg 2+, Mn 2+- залежні гідролази • Високоафінний центр комплексоутворення Mg 2+ або Mn 2+ виконує функції електрофільного активатора води (генератора гідроксильних іонів), а низькоафінний – електрофільного агента, активатора субстрату. • Іони металу, що входять в активний центр разом з пірофосфатом, відіграють, очевидно, допоміжну роль. Субстрат фіксується в активному центрі ферменту безліччю іонних взаємодій за участю позитивно заряджених груп білка. Основні каталітичні події розігруються, очевидно, за участю двох інших іонів металу. • Представники: фруктоза-bis-фосфатаза (3. 11), d. UTP пірофосфатаза (3. 6. 1. 23), фосфорибозил-АТФпірофосфатаза (3. 6. 1. 31), специфічні рестриктази й ДНК-полімерази, пірофосфатаза

Узгоджена дія нуклеофільного й електрофільного агента – основа ефективності гідролаз Активатори води (або білкового нуклеофіла при утворенні ковалентного інтермедіата) I – імідазол, імідазолкарбоксилат; II – карбоксильна група в депротонованій формі; III – комплекси металів (Mg 2+, Mn 2+) з карбоксильними групами; IV – комплекси металів (Zn 2+, Co 2+, Ni 2+). Активатори субстрату (електрофіли) 1 – амідна група (амід пептидного ланцюга, аспарагін, глутамін); 2 – карбоксильна група в протонованій формі, електрофілом є протон; 3 – комплекси іонів металів: Zn 2+, Co 2+; 4 – комплекси Mg 2+, Mn 2+

Узгоджена дія нуклеофільного й електрофільного агента – основа ефективності гідролаз • I 1 I 2 I 3 I 4 • II 1 II 2 II 3 II 4 • III 1 III 2 III 3 III 4 • IV 1 IV 2 IV 3 IV 4

Узгоджена дія нуклеофільного й електрофільного агента – основа ефективності гідролаз Із 16 можливих активних центрів реалізуються 5: • I 1 – тип хімотрипсина, рибонуклеази, папаїна; • II 2 – тип лізоцима, пепсина; • II 3 – тип карбоксипептидази, термолізина; • III 4 – тип пірофосфатази, рестриктаз; • IV 3 – тип лужної фосфатази, органофосфатгідролази.

Тип I 1 - α-хімотрипсин Активацію гідроксильної групи серину здійснює ланцюг переносу протона за участю імідазолу й карбоксильної групи.

Тип I 1 - α-хімотрипсин Активацію води здійснює ланцюг переносу протона за участю імідазолу й карбоксильної групи.

Тип I 1 - папаїн активація сульфгідрильної групи й води проходить без участі карбоксилатаніона

Тип I 1 - панкреатична рибонуклеаза Імідазольні групи виступають як загальноосновний активатор нуклеофіла, амідну групу глутаміну можна розглядати як електрофільний активатор субстрату

Тип II 2 • Реакції цього класу здійснюються під узгодженою дією двох карбоксильних груп, одна з яких в іонній формі виступає в якості нуклеофільного активатора води, інша в протонованій формі «працює» як електрофільний активатор субстрату. • Н. : аспартильні протеази (пепсин), карбонгідролази.

Тип II 2 - пепсин

Тип II 2 - лізоцим

Тип II 3 • Активація води карбоксилатним аніоном і електрофільна активація центру, що атакується, комплексом іона цинку, кобальту або нікелю. • «Класичним» представником цього типу ферментів є карбоксипептидази

Тип II 3 - карбоксипептидаза

Тип III 4 • Активні центри ферментів цього типу містять іони Mg 2+ (або Mn 2+), один з яких, очевидно, відіграє роль генератора гідроксильних іонів, інший – електрофільного активатора центру, що атакується. • Н. : пірофосфатази, ряд рестриктаз.

Тип III 4 - пірофосфатаза

Тип III 4 - 3'-5'-екзонуклеаза

Тип IV 3 • Каталітичний гідроліз під дією ферментів цього типу протікає з погодженою участю двох комплексів іонів Zn 2+ (або Co 2+). • Н. : органофосфатгідролази, лужна фосфатаза.

Органофосфатгідролаза – фермент, що каталізує гідроліз фосфорорганічних пестицидів, а також бойових отруйних речовин типу зарин, зоман і Vx утворення комплексу іона кобальту із субстратом приводить до індукування позитивного заряду на реакційному атомі фосфору, що полегшує нуклеофільну атаку й нуклеофільне заміщення другий іон металу в активному центрі органофосфатгідролази виступає у вигляді генератора іонів OH-.

Тип IV 3 - органофосфатгідролаза

Тип IV 3 – лужна фосфатаза

Тип IV 3 – лужна фосфатаза