4.4.2. Расщепление пептидной связи

Рассмотрим теперь пример ферментативной реакции разрыва полипептидных связей в белковых молекулах с участием гидролитических ферментов. Эта реакция является одной из важнейших в жизнедеятельности организма, так как определяет процесс пищеварения. В процессе пищеварения должны быть разорваны практически все полипептидные связи, в результате чего белковые цепочки расщепляются до отдельных аминокислот, попадающих в кровь и разносящихся кровотоком ко всем клеткам организма.

Кроме того, разрезание сложноэфирной связи в молекуле ацетилхолина с образованием холина и ацетата, происходящее в межклеточном пространстве нейронов, необходимо для поддержания нормального функционирования нервной системы.

Неферментативный процесс

Чтобы подчеркнуть отличия обычного катализа от ферментативного, рассмотрим сначала, как происходит разрыв пептидной связи в водном растворе белка, где пептидная связь атакуется ионами Н⁺ и ОН^– (рис. 4–12).

Рис. 4–12. Разрыв пептидной связи в водной среде с образованием промежуточного комплекса ПК

Ион ОН^– приближается к пептидной связи и временно сорбируется на ней, образуя промежуточный комплекс ПК. Выше указывалось (с. 411-414), что пептидная связь С^{- - -}N образуется одной σ-связью и двумя π-орбиталями, одна из которых (связывающая) заполнена двумя электронами, а вторая (разрыхляющая) – одним электроном. Связываясь с С, ион ОН^– служит донором электрона для пептидной связи. Донорный электрон заполняет свободное место на разрыхляющей π*-орбитали. Обе связи (π и π*) оказываются заполненными, и суммарный энергетический вклад π-связи (между атомами C и N) обращается в нуль. Связь C–N становится одинарной и, являясь слабым местом в цепи, разрывается под действием тепловых флуктуаций, не используя какого-либо иного дополнительного источника энергии. У атома N восстанавливается неподеленная пара на р_z-орбитали, а к освободившейся гибридной sp²-орбитали присоединяется ион водорода Н⁺.

У атома углерода заполненная наполовину р_z-орбиталь образует с аналогичной р_z-орбиталью атома кислорода π-связь, так что связь становится двойной: С=О, а освободившаяся sp²- гибридная орбиталь образует σ-связь с группой ОН^–.

Обратим внимание на то, что для протекания рассмотренной реакции, в которой ион ОН^– играет роль катализатора, необходимо выполнение, по крайней мере, трех условий.

1. Должно произойти столкновение диффундирующих в воде ионов ОН^– с нужным местом белковой полипептидной цепи.

2. При столкновении ион ОН^– должен быть ориентирован оптимальным для взаимодействия образом.

3. Промежуточный комплекс ПК должен существовать достаточно долго, чтобы связь успела разорваться за счет энергии тепловых флуктуаций, так как вероятность разрыва пропорциональна числу флуктуаций, а, следовательно, времени существования ПК.

Вероятность расщепления цепи является произведением вероятностей выполнения всех трех условий, которые сами по себе достаточно малы. Поэтому самопроизвольный гидролиз идет очень медленно, многие годы.

(а)	(б)
Рис. 4–13. Активный центр в сериновых протеазах. Активный центр располагается между субглобулами А и В (доменами). Домены А и В связаны между собой слабыми нековалентными взаимодействиями и небольшим участком полипептидной цепи, играющим роль шарнирного соединения субглобул А и В. Стык доменов находится между парой (His57 (Н), Asp102 (D)), принадлежащей домену В и остальной частью активного центра, находящегося в домене А. Активный центр состоит из каталитического центра (Ser-195 (S), His-57 (H), Asp-102 (D)) и субстрат – связывающего центра (неспецифической субстрат-связывающей площадки и специфического субстрат-связывающего кармана)