Активация химотрипсина

Активация химотрипсина

I Химотрипси́н

протеолитический фермент; катализирует расщепление белков и пептидов. Относится к пептид-гидролазам. Вместе с Трипсином участвует в протеолизе белков пищи в тонкой кишке Химотрипсин преимущественно расщепляет связи, образованные СООН-группами аминокислот, имеющими гидрофобные боковые цепи, и характеризуется более широкой специфичностью действия, чем трипсин. В отличие от трипсина Х. створаживает молоко.

Химотрипсин вырабатывается экзокринными клетками поджелудочной железы (Поджелудочная железа) в виде неактивного профермента — химотрипсиногена, который секретируется в двенадцатиперстную кишку, где под влиянием трипсина превращается в химотрипсин. У человека и большинства млекопитающих обнаружены два вида химотрипсиногена — А и В, различающиеся по своим физико-химическим свойствам. В процессе активации химотрипсиногена А образуется несколько активных форм химотрипсина, различных по растворимости, форме кристаллов и величины ферментативной активности. Основной формой химотрипсина является химотрипсин А — белок с молекулярной массой около 25 000. Фермент максимально устойчив в слабокислой среде; в нейтральной и слабощелочной средах подвергается аутолизу. Оптимум действия Х. находится при рН 7,5-8,2.

Для определения активности Х. предложен ряд методов, основанных на расщеплении белков и синтетических субстратов. Широко используется контролируемый спектрофотометрически гидролиз эфиров М-замещенного тирозина.

Активность Х. угнетается рядом синтетических и природных ингибиторов. В плазме крови и тканях присутствуют белковые ингибиторы Х., предохраняющие белки от разрушения этим ферментом. Многие из них поливалентны к угнетают также активность других протеаз (например, α 2 -макроглобулин, некоторые ингибиторы трипсина); специфическим ингибитором Х. в плазме крови является α 1 -антихимотрипсин.

Химотрипсин используется в качестве лекарственного средства, способного избирательно расщеплять белки некротизированных тканей, фиброзных образований, разжижать вязкие экссудаты, гнойные массы. Он оказывает противовоспалительное, противоотечное действие и способствует заживлению ран. Лекарственные препараты Х. получают из химотрипсиногена А, который выделяют из поджелудочной железы крупного рогатого скота и после перекристаллизации активируют трипсином. В медицинской практике применяют химотрипсин А, выпускаемый под названием «химотрипсин кристаллический». Это порошок белого цвета, хорошо растворимый в воде и в изотоническом растворе натрия хлорида.

Показания к применению, способы применения, дозы, противопоказания и возможные осложнения такие же, как у трипсина кристаллического. Кроме того, X. применяют при интракапсулярной экстракции катаракты. Вместе с трипсином Х. входит в состав химопсина, панкреатина и некоторых других препаратов, используемых при недостаточности функции поджелудочной железы.

Форма выпуска: герметически укупоренные флаконы или ампулы, содержащие по 0,005 г (5 мг ) и 0,01 г (10 мг ) кристаллического химотрипсина. Хранение в защищенном от света месте при температуре не выше +10°.

Библиогр.: см. к статье Трипсин.

II Химотрипси́н

фермент секрета поджелудочной железы, относящийся к классу гидролаз (КФ 3.4.21.1), катализирующий гидролитическое расщепление белков, пептидов, амидов и сложных эфиров аминокислот при переваривании пищи в кишечнике.

ХИМОТРИПСИН — протеолитический фермент, секретируемый поджелудочной железой. Относится к группе пептид-гидролаз (см.); расщепляет белки и пептиды. Вместе с трипсином (см.) участвует в расщеплении белков пищи в тонкой кишке (см. Пищеварение). Оптимум действия химотрипсина находится при pH 7,6-8,2.

Химотрипсин в качестве лекарственного препарата применяется при лечении ряда заболеваний. Применение химотрипсина в медицине основано на способности фермента избирательно расщеплять белки некротизированных тканей, разжижать различные экссудаты, гнойные массы. Кроме того, химотрипсин оказывает противовоспалительное и противоотечное действие, ускоряет процессы регенерации в ранах. При остром и хроническом панкреатите в результате внутриорганной активации проферментов освобождается химотрипсин, который способствует аутолизу паренхимы поджелудочной железы. При попадании в кровяное русло и недостатке соответствующих ингибиторов химотрипсин может разрушать некоторые компоненты плазмы крови и тканей.

Химотрипсин синтезируется Ii-клетками поджелудочной железы (см.) в виде неактивного профермента химотрипсиногена. У человека и большинства млекопитающих продуцируются два вида химотрипсиногена (А и В), различающиеся по физико-химическим свойствам. У некоторых млекопитающих обнаружен также химотрипсиноген С. Образующийся при его активации химотрипсин С немного отличается по специфичности от химотрипсинов А и В.

Активация химотрипсиногенов происходит в двенадцатиперстной кишке под влиянием трипсина. В состав активного центра химотрипсина входят остатки гистидина, се-рина и аспарагиновой к-ты, занимающие соответственно 57-е, 95-е и 102-е положения. Активность химотрипсина угнетается дпизопропил-фторфосфатом, фенил метилеульфо-нилфторидом, хлорметилке-тоном N-тозил- L-фенилаланина, химостатииом рядом других ингибиторов. В плазме крови и тканях присутствуют белковые ингибиторы химотрипсина, предохраняющие белки от расщепления. Многие из них, например а2-макроглобулин, ряд ингибиторов трипсина (так называемые антитрипсины), являются поливалентными ингибиторами, угнетающими также активность других протеиназ; специфический ингибитор химо-тринсина плазмы крови — ai-анти-XII мотрипсин.

В процессе активации химотрип-сииогена А может образовываться несколько активных форм фермента [л, а, а, (А), Р, 7], различающихся по форме кристаллов, растворимости и величине удельной активности. Основной и наиболее хорошо изученной формой является химотрипсин А. Его мол. вес (масса) около 25 ООО, изоэлектрическая точка находится при pH 8,6, максимальная устойчивость при pH около 3, в слабощелочной среде подвергается аутолизу. Молекула химотрипсина А содержит 245 аминокислотных остатков и состоит из 3 полипептидных цепей, соединенных дисульфидными связями. Расшифрована трехмерная структура молекул фермента. Молекула химотрипсина А представляет собой компактную глобулу, в которой имеется гидрофобная полость, где расположен субстратсвязывающий участок активного центра.

Химотрипсин В, образующийся при активации химотрипсиногена В, гомологичен по структуре химотрипсину А, характеризуется той же активностью и специфичностью.

Для определения активности химотрипсина предложен ряд методов, основанных на расщеплении белков и синтетических субстратов. Широко используется контролируемый спектрофотометрически гидролиз эфиров N-замещенного тирозина (метод Шверта-Такенаки).

Химотрипсин как препарат. В качестве препарата в медицинской практике используется главным образом химотрипсин А, который в СССР выпускается под названием «химотрипсин кристаллический» (Chymotrypsinum crystal-lisatum). Его получают из поджелудочной железы крупного рогатого скота в виде химотрипсиногена, который после перекристаллизации подвергают активации трипсином. Он представляет собой блестящие чешуйки или белый порошок, растворим в воде и изотоническом растворе хлорида натрия; pH 0,2% водного раствора составляет 4,5-6,5. В сухом виде стоек; в водных растворах быстро инактивируется (особенно при высокой температуре).

В хирургической практике химотрипсин применяют для лечения гнойных и длительно не заживающих ран, трофических язв, пролежней, ожогов, хронического остеомиелита. С этой целью препарат назначают местно и внутримышечно. Местно используют 1-2,5% раствор препарата на изотоническом растворе хлорида натрия для смачивания тампонов, вводимых в рану. В рану (при наличии отделяемого) препарат можно вводить в виде порошка в дозах от 0,03 до 2 г. Внутримышечно препарат вводят взрослым по 0,005- 0,01 г 1-2 раза в день, детям — по 0,0025 г 1 раз в день, растворяя необходимое количество препарата непосредственно перед употреблением в 1 — 2 мл стерильного изотонического раствора хлорида натрия или 0,5-2% раствора новокаина. При остеомиелите растворами фермента промывают костные полости и свищи.

Способы применения и дозы химотрипсина при лечении трофических язв, пролежней и ожогов такие же, как при лечении гнойных ран.

При плевритах и эмпиеме плевры химотрипсин вводят внутриплеврально 1 раз в сутки в дозе 0,01-0,02 г, растворяя препарат перед введением в 20-50 мл изотонического раствора хлорида натрия.

При гнойных заболеваниях легких растворы химотрипсина вводят ингаляционно (по 0,005-0,001 г препарата в 2-3 мл изотонического раствора хлорида натрия 1 раз в день), путем эндотрахеальных вливаний (по 0,025-0,05 г препарата в 2-5 мл изотонического раствора хлорида натрия) или внутримышечно.

В качестве отхаркивающего средства химотрипсин применяют при бронхитах, пневмониях и других заболеваниях легких, протекающих с образованием вязкой, трудноотделяемой мокроты. С этой целью химотрипсин назначают ингаляционно или внутримышечно.

В офтальмологической практике химотрипсин применяют при иритах, иридоциклитах, кровоизлияниях в переднюю камеру глаза, послеоперационном и посттравматическом отеке окологлазных тканей, назначая препарат внутримышечно и местно в виде глазных капель или ванночек. В качестве глазных капель используют 0,25-1% раствор, а для ванночек — 0,2% раствор препарата. Капли и ванночки назначают по 3-4 раза в день в течение 2-3 дней. Кроме того, препарат фермента часто применяют при интракапсулярной экстракции катаракты для обработки передней и задней камер глаза. С этой целью используют растворы химотрипсина в концентрации 1:2500 или 1:5000. Через 2-3 минуты после применения химотрипсина переднюю и заднюю камеры глаза промывают растворами пантрипина (см.) для торможения избыточного действия химотрипсина.

Применение химотрипсина может сопровождаться такими же побочными эффектами, как применение трипсина. Например, при внутримышечном введении фермент способен вызвать гиперемию и болезненность в области инъекции, а при ингаляционном введении — охриплость голоса и другие признаки раздражения верхних дыхательных путей. При парентеральном введении могут наблюдаться аллергические реакции, лихорадка, тахикардия.

Химотрипсин противопоказан в тех же случаях, что и трипсин (при сердечной недостаточности, циррозе печени, декомпенсированном туберкулезе легких и эмфиземе легких с дыхательной недостаточностью, панкреатите, инфекционном гепатите, заболеваниях почек, геморрагическом диатезе). Химотрипсин нельзя вводить в вену и наносить на изъязвленные поверхности злокачественных опухолей.

Форма выпуска: герметически укупоренные флаконы, содержащие по 0,005 и 0,01 г препарата. Хранение: в защищенном от света месте при температуре не выше 10°.

Библиогр.: Антонов В. К. Химияпротеолиза, М., 1983; Богуш JI. К. и Шварцман JI. Я. Применение протеолитических ферментов при туберкулезе легких, М., 1970; Веремеенко К. Н. Ферменты протеолиза и их ингибиторы в медицинской практике, Киев, 1971; Клиническая фармакология, под ред. В. В. Закусова, с. 423, М., 1978;Машковский М. Д. Лекарственные средства, ч. 2, с. 50, М., 1984; М о-солов В. В. Протеолитические ферменты, М., 1971; Нортроп Д., К у-нитц М. и Херр и отт Р. Кристаллические ферменты, пер. с англ., М., 1950; Стручков В. И. и др. Протеолитические ферменты в гнойной хирургии, М., 1970.

JI. А. Локшина; В. К. Муратов (фарм.).

Химотрипсин — протеолитический фермент; катализирует расщепление белков и пептидов. Относится к пептид-гидролазам. Вместе с трипсином участвует в протеолизе белков пищи в тонкой кишке Химотрипсин преимущественно расщепляет связи, образованные СООН-группами аминокислот, имеющими гидрофобные боковые цепи, и характеризуется более широкой специфичностью действия, чем трипсин. В отличие от трипсина Х. створаживает молоко.

Химотрипсин вырабатывается экзокринными клетками поджелудочной железы в виде неактивного профермента — химотрипсиногена, который секретируется в двенадцатиперстную кишку, где под влиянием трипсина превращается в химотрипсин. У человека и большинства млекопитающих обнаружены два вида химотрипсиногена — А и В, различающиеся по своим физико-химическим свойствам. В процессе активации химотрипсиногена А образуется несколько активных форм химотрипсина, различных по растворимости, форме кристаллов и величины ферментативной активности. Основной формой химотрипсина является химотрипсин А — белок с молекулярной массой около 25 000. Фермент максимально устойчив в слабокислой среде; в нейтральной и слабощелочной средах подвергается аутолизу. Оптимум действия Х. находится при рН 7,5-8,2.

Для определения активности Х. предложен ряд методов,

основанных на расщеплении белков и синтетических субстратов. Широко используется контролируемый спектрофотометрически гидролиз эфиров М-замещенного тирозина.

Активность Х. угнетается рядом синтетических и природных ингибиторов. В плазме крови и тканях присутствуют белковые ингибиторы Х., предохраняющие белки от разрушения этим ферментом. Многие из них поливалентны к угнетают также активность других протеаз (например, a 2 -макроглобулин, некоторые ингибиторы трипсина); специфическим ингибитором Х. в плазме крови является a 1 -антихимотрипсин.

Химотрипсин используется в качестве лекарственного средства, способного избирательно расщеплять белки некротизированных тканей, ных образований, разжижать вязкие экссудаты, гнойные массы. Он оказывает противовоспалительное, противоотечное действие и способствует заживлению ран. Лекарственные препараты Х. получают из химотрипсиногена А, который выделяют из поджелудочной железы крупного рогатого скота и после перекристаллизации активируют трипсином. В медицинской практике применяют химотрипсин А, выпускаемый под названием «химотрипсин кристаллический». Это порошок белого цвета, хорошо растворимый в воде и в изотоническом растворе натрия хлорида.

Показания к применению,

способы применения, дозы, противопоказания и возможные осложнения такие же, как у трипсина кристаллического. Кроме того, X. применяют при интракапсулярной экстракции катаракты. Вместе с трипсином Х. входит в состав химопсина, панкреатина и некоторых других препаратов, используемых при недостаточности функции поджелудочной железы.

Форма выпуска: герметически укупоренные флаконы или ампулы, содержащие по 0,005 г (5 мг ) и 0,01 г (10 мг ) кристаллического химотрипсина. Хранение в защищенном от света месте при температуре не выше +10°.

Химотрипсин (Chymotrypsinum)
Фармакологическое действие:

При местном применении расщепляет некротизированные (омертвевшие) ткани и фибринозные образования (тромбы /сгустки кропи/); разжижает вязкие секреты (отделяемое специальных желез, например, мокроту), экссудаты (выделяемую из мелких сосудов ткани богатую белком жидкость), сгустки крови.

Состав:

Химотрипсин является протеолитическим ферментом, образующимся в поджелудочной железе млекопитающих. Для медицинского применения его получают из поджелудочной железы крупного рогатого скота. В соке поджелудочной железы содержится в неактивном состоянии в виде химотрепсиногена (химотрипсиноген А и В), который активируется под влиянием трипсина, причем из химотрипсиногена А образуется ряд форм: a, b, g, s и p — химотрипсины, а из химотрипсиногена В — химотрипсин В. Все формы химотрипсина близки по ферментативным свойствам, но отличаются активностью. Практическое значение в качестве лекарственного средства в настоящее время имеет a -химотрипсин, который выпускается под названием «химотрипсин кристаллический».
a —Химотрипсин является белком с относительной молекулярной массой 21 600 — 27 000. Относится к группе протеолитических ферментов. Подобно трипсину гидролизует белки и пептоны с образованием относительно низкомолекулярных пептидов. От трипсина отличается тем, что расщепляет преимущественно связи, образованные остатками ароматических аминокислот (тирозин, триптофан, фенилаланин, метионин). В некоторых случаях химотрипсин производит более глубокий гидролиз белка, чем трипсин. Отличается от трипсина также тем, что вызывает свертывание молока. Более стоек, чем трипсин, и медленнее инактивируется.
Химотрипсин кристаллический представляет собой блестящие чешуйки или порошок белого цвета. Растворим в воде и в изотоническом растворе натрия хлорида; рН 0,2 % водного раствора 4,5 — 6,5. В сухом вид стоек; водные растворы быстро инактивируются, особенно при высокой температуре.

Показания к применению:

Тромбофлебиты (воспаление стенки вен с их закупоркой), воспалительно-дистрофические формы пародонтоза (заболевания зубов), остеомиелит (воспаление костного мозга и прилегающей костной ткани), гайморит (воспаление верхнечелюстной пазухи), отит (воспаление полости уха), ирит (воспаление радужной оболочки глаза), иридоциклит (заболевание глаз); трахеиты (воспаление трахеи), бронхиты (воспаление бронхов), экстракция катаракты (удаление помутневшего хрусталика глаза).

Способ применения:

Внутримышечно взрослым по 0,0025 г 1 раз в день. Для инъекции растворяют непосредственно перед применением 0,005 г химотрипсина кристаллического в 1 -2 мл изотонического раствора натрия хлорида или 0,5-2% раствора новокаина. Раствор вводят глубоко в верхний наружный квадрант ягодичной мышцы. Курс -6-15 инъекций.

Побочные действия:

Аллергические реакции, жжение на месте применения. Кровотечение из гранулирующих (заживающих) участков. При введении в полости возможно высвобождение веществ с гистаминоподобным действием.

Противопоказания:

Кровоточащие раны и распадающиеся злокачественные опухоли. Индивидуальная непереносимость. Препарат не пригоден для внутривенного введения.

Форма выпуска:

Порошок в герметически закупоренных флаконах по 0,005 г и 0,01 г.

Внимание!
Перед использованием препарата Химотрипсин вы должны проконсультироваться с врачом. Данная инструкция по применению приведена в свободном переводе и предназначена исключительно для ознакомления. Для получения более полной информации просим обращаться к аннотации производителя.

Сериновые протеиназы.

Механизм действия химотрипсина и карбоксипептидазы.

Ранее уже упоминалось, что поджелудочная железа ответственна за продукцию целой группы протеолитических ферментов, гидролизующих пептидные связи, образованные разными аминокислотами. Ферменты, участвующие в переваривании белков, и их специфичность в отношении пептидных связей, образуемых разными аминокислотами, приведены в табл. 3.1. Наиболее важным и полно изученным представителем интестинальных протеиназ, относящихся к семейству сериновых протеиназ , является химотрипсин. Химотрипсин представляет собой пищеварительный фермент, синтезируемый в виде зимогенаацинарными клетками поджелудочной железы.

Субстратная специфичность протеиназ желудочно-кишечного тракта

Активный фермент

Зимоген

Активатор

Расщепляемая

пептидная связь

Карбоксипротеиназы

Автоактивация,

Пепсин А

Пепсиноген А

активный пепсин

Сериновые

протеиназы

Трипсин

Трипсиноген

Энтерокиназа,

Трипсин

Химотрипсин

Химотрипсиноген

Трипсин

Tyr, Phe, Trp, Met

Эластаза

Проэластаза

Трипсин

пептидазы

Карбоксипептидаза А

Прокарбоксипепти-

Val, Leu, Ile, Ala с

Карбоксипептидаза В

Прокарбоксипепти-

Аминопептидаза

Проаминопепти-

Отщепление N-

концевых

остатков (за

исключением Pro)

Внутри ацинарных клеток новосинтезированные молекулы белка транспортируются из эндоплазматического ретикулума в аппарат Гольджи, где они окружаются белково-липидной мембраной – так образуются зимогеновые гранулы, которые в электронном микроскопе выглядят как очень плотные тельца (рис. 3.3).

Рис. 3.3 Электронная микрофотография зимогеновых гранул в ацинарных клетках поджелудочной железы (по рисунку G. Palade изСтрайер Л ., Биохимия

«Мир», М., т. 2, 1985).

Зимогеновые гранулы, содержащие химотрипсиноген, накапливаются в верхушке ацинарных клеток и затем под действием гормонального или нейронального сигнала выбрасываются в проток, ведущий в двенадцатиперстную кишку.

Химотрипсиноген представлен одной полипептидной цепью из 245 аминокислот. Цепь стабилизирована пятью дисульфидными мостиками. Активация химотрипсиногена осуществляется под действием трипсина, расщепляющего пептидную связь между аргинином-15 и изолейцином-16.

Образующийся при этом активный π -химотрипсин действует на другие молекулы химотрипсиногена (рис. 3.4).

Рис. 3.4 Схема, иллюстрирующая последовательность стадий активации химотрипсина

Далее π -химотрипсин подвергается дополнительному протеолитическому действию химотрипсина с выщеплением двух дипептидов Ser14 -Arg15 и Thr147 -Asn148 и образованием стабильной формы фермента –α — химотрипсина.

Поскольку химотрипсин является одним из наиболее полно изученных ферментов, целесообразно рассмотреть его структуру и механизм действия более детально. Молекула α -химотрипсина состоит из трех полипептидных цепей, соединенных двумя межцепочечными дисульфидными связями (рис. 3.5).

Рис. 3.5 Молекула α -химотрипсина имеет два межцепочечных дисульфидных мостика и три внутрицепочечные дисульфидные связи.

Молекулярная масса α -химотрипсина составляет около 25.000 Да. Молекула имеет компактную эллипсоидную форму размером 51× 40× 40 Å. Все заряженные группы, за исключением трех, необходимых для катализа, находятся на поверхности молекулы.

Равновесие реакции гидролиза сдвинуто практически полностью в сторону расщепления пептидных связей. Однако химотрипсин способен гидролизовать с высокой скоростью далеко не каждую пептидную связь. Он действует избирательно на связи, образованные карбоксильными группами ароматических кислот и аминокислот с гидрофобными радикалами большого размера, например метионина .

Характерной особенностью химотрипсина является его способность гидролизовать эфирные связи . По существу, значительная часть сведений о механизме действия химотрипсина была получена при изучении гидролиза

сложных эфиров.

Как было показано, химотрипсин катализирует гидролиз пептидных и эфирных связей в два отдельных этапа. Впервые это было обнаружено при изучении кинетики гидролиза сложноэфирной связи n -нитрофенилацетата.

Анализ реакции показал, что высвобождение в ходе гидролиза одного из продуктов – n -нитрофенола происходит в две стадии: сначалаn — нитрофенол высвобождаетсявзрывообразно , а затем он образуется уже с

меньшей стационарной скоростью.

В общих чертах процесс гидролиза n -нитрофенилацетата сводится к образованию фермент-субстратного комплекса, затем эфирная связь в субстрате расщепляется и n -нитрофенол высвобождается, при этом ацетильная группа субстрата остается ковалентно связанной в активном центре фермента. Далее вода атакует ацетил-ферментный комплекс с образованием ацетат-иона и регенерированного фермента (рис. 3.6)

Рис. 3.6 Ацилирование: образование комплекса ацетил-фермент в качестве промежуточного продукта. Деацилирование: гидролиз промежуточного комплекса ацетил-фермент.

Быстрая начальная фаза высвобождения n -нитрофенола связана с образованием ацил-ферментного комплекса, показанного на рис. 3.6 значком

(*). Этот этап называют ацилированием . Второй этап, называемыйдеацилированием , соответствует стационарной стадии реакции, являющейся одновременнолимитирующей . Ацил-ферментный комплекс оказался настолько стабильным, что в определенных условиях, его удается выделить. После того, как при pH 3 был выделен в чистом виде этот промежуточный ацил-ферментный комплекс, удалось охарактеризовать место, по которому происходит присоединение ацильной группы к ферменту. Оказалось, что ацильная группа связана с атомом кислорода специфического остатка серина

– серина-195 (Ser-195). Именно по этой причине химотрипсин относят к группесериновых протеиназ . Этот остаток серина проявляет необычайно высокую реакционную способность. Его можно специфически пометить

органическим фторфосфатом – диизопропилфторфосфатом(рис. 3.7).

Рис. 3.7 Диизопропилфосфат (ДПФФ) инактивирует химотрипсин путем образования диизопропилфосфорильного производного серина-195.

О повышенной реакционной способности серина-195 говорит тот факт, что остальные 27 остатков серина в химотрипсине абсолютно не взаимодействуют с диизопропилфторфосфатом (ДПФФ). Кстати, химотрипсин не единственный фермент, который ингибируется ДПФФ. Многие другие протеолитические ферменты такие, кактрипсин, эластаза,

тромбин, бактериальный субтилизин также специфически реагируют с ДПФФ, полностью теряя при этом активность. Как и в случае химотрипсина, данные протеиназы взаимодействуют с ДПФФ за счет одного единственного остатка серина. Таким образом, уместно говорить о существовании целого семейства сериновых протеиназ.

В каталитических актах химотрипсина, однако, принимает участие не только боковой радикал Ser-195. Было показано, что в активном центре фермента важную роль играет также остаток гистидина – His-57. Доказать его участие в катализе удалось с помощью так называемойаффинной метки , которая связывается с химотрипсином подобно субстрату с одной стороны и образует ковалентную связь с определенной группой в активном центре, с другой стороны.

Такой меткой для химотрипсина является соединение тозил-L- фенилаланинхлорметилкетон , строение которого приведено на рис. 3.8.

Рис. 3.8 Структура тозил-L-фенилаланинхлорметилкетона, используемого в качестве аффинной метки химотрипсина (R – тозильная группа).

Наличие в молекуле метки боковой цепи, представленной фенилаланином, обеспечивает ее специфическое взаимодействие с ферментом. Реакционноспособная группа метки – хлорметилкетон взаимодействует только с остатком His-57 и алкилирует один из атомов азота гистидинового кольца. Взаимодействие такой аффинной метки с химотрипсином полностью лишает его ферментативной активности. Существует несколько доказательств высокой специфичности взаимодействия метки с химотрипсином:

− во-первых, аффинная метка высоко стереоспецифична. D-изомер метки с химотрипсином не взаимодействует;

− во-вторых, конкурентный ингибитор химртрипсина – β -фенилпропионат тормозит процесс взаимодействия метки с белком;

− в-третьих, скорость инактивации химотрипсина при добавлении метки находится в такой же зависимости от pH, как скорость катализа.

Схема взаимодействия тозил-L-фенилаланинхлорметилкетона с His-57 приведена на рис. 3.9.

Рис. 3.9 Алкилирование гистидина-57 в химотрипсине при взаимодействии с тозил-L-фенилаланинхлорметилкетоном.

Таким образом, для проявления каталитической активности химотрипсина принципиальным является присутствие в активном центре фермента остатков Ser-195 и His-57. Как было показано позже, рядом с этими остатками в молекуле химотрипсина находится также остаток аспарагиновой кислоты — Asp-102. Рентгеноструктурный анализ показал, что все три остатка находятся рядом друг с другом и создают так называемуюсистему переноса заряда за счет того, что Asp-102 образует водородную связь с His-57, который в свою очередь соединен водородной связью с Ser195 (рис. 3.10).

Рис. 3.10 Система переноса заряда в активном центре химотрипсина в отсутствие субстрата (Blow D.M., Steitz T.A., X-ray diffraction studies of enzymes,Ann. Rev. Biochem., 1976,39 , 86-95).

Карбоксилат-ион Asp-102 поляризует имидазольную группу His-57, что повышает его способность осуществлять челночное связывание протона, и при взаимодействии субстрата с молекулой химотрипсина Asp-102 и His-57 акцептируют протон гидроксильной группы Ser-195.

Рис. 3.11 Система переноса заряда в активном центре химотрипсина в присутствии субстрата. При добавлении субстрата происходит промежуточное связывание протона аспартатом-102 и гистидином-57 (Blow D.M., Steitz T.A., X-ray diffraction studies of enzymes,Ann. Rev. Biochem., 1976,39 , 86-95).

Локализация сайтов специфического связывания субстрата и вероятная ориентация гидролизуемой пептидной связи были установлены в результате выполнения рентгеноструктурного анализа комплексов химотрипсина с аналогами субстрата. В частности было показано на примере изучения комплексов химотрипсина с негидролизуемым аналогом субстрата – формил-L-триптофаном существование в ферменте глубокого гидрофобного

кармана вблизи серина-195, который по размеру соответствует боковым радикалам ароматических аминокислот (рис. 3. 12).

Рис. 3.12 Схематическое изображение связывания формил-L-триптофана химотрипсином.

Именно наличием этого глубокого кармана объясняется специфичность химотрипсина в отношении аминокислот с ароматической или иной гидрофобной боковой цепью большого размера. При рентгеноструктурном анализе комплексов химотрипсина с аналогами полипептидных субстратов обнаружено большое число водородных связей между основными цепями фермента и субстрата, которые располагаются также, как в антипараллельных β -складчатых слоях.

Механизм каталитического действия химотрипсина

Интенсивные и всеобъемлющие рентгеноструктурные и биохимические исследования химотрипсина позволили прийти к определенному выводу относительно механизма его каталитического действия. Как уже упоминалось, His-57 и Ser-195 принимают непосредственное участие в расщеплении пептидной связи субстрата. Гидролиз этой связи начинается с того, что кислородный атом OH-группы Ser-195 атакует атом углерода карбонильной группы

гидролизуемой пептидной связи субстрата. В результате связь между атомами C и O в карбонильной группе становится одинарной и атом O приобретает отрицательный заряд. При этом четыре разных атома, связанные с углеродом карбонильной группы располагаются в виде тетраэдра. Образование такого тетраэдрического промежуточного соединения оказывается возможным благодаря возникновению водородных связей между отрицательно заряженным атомом кислорода (называемымоксианионом ) и двумя NH-группами основной цепи фермента (рис. 3.13).

Рис. 3.13 Тетраэдрическое промежуточное соединение в реакциях ацилирования и деацилирования химотрипсина. Стабильность промежуточного соединения обеспечивают водородные связи, образованные NHгруппами основной цепи фермента.

Этот участок химотрипсина называется полостью оксианиона . В механизме образования упомянутого промежуточного соединения важнейшую роль играет перенос протона от Ser-195 на His-57.

Рис. 3.14 Первый этап гидролиза пептидов химотрипсином – ацилирование. Образуется тетраэдрическое промежуточное соединение. Затем аминный компонент субстрата быстро отделяется от фермента, а сам фермент превращается в промежуточный продукт – ацил-фермент.

Перенос протона значительно облегчается благодаря присутствию системы переноса заряда. Остаток Asp-102 строго ориентирует положение имидазола гистидина-57 и частично нейтрализует заряд появляющийся на этом кольце. Протон, связанный парой His-Asp переходит затем к атому азота гидролизуемой пептидной связи, которая в результате разрывается. На этой стадии аминный компонент субстрата соединяется водородной связью с His-57, а кислотный компонент – эфирной (ковалентной) связью с Ser-195, завершая тем самым этапацилирования . Таким образом, при ацилировании химотрипсина образуется промежуточное тетраэдрическое соединение (1) и, в последствии, аминный компонент субстрата (2) быстро отделяется от фермента. Сам фермент превращается в промежуточный продукт катализа – ацил-фермент (3) (рис. 3.14).

Рис. 3.15 Второй этап гидролиза пептидов химотрипсином – деацилирование. Ацил-фермент гидролизуется водой. Деацилирование по существу представляет собой реакцию, обратную ацилированию, но место аминного компонента субстрата занимает вода.

На следующей стадии – деацилирования аминный компонент диффундирует от фермента, а его место в активном центре занимает вода.

По сути дела деацилирование представляет собой процесс обратный ацилированию. Сначала система переноса заряда отрывает протон от воды.



Источник: eardoc.ru


Добавить комментарий