CCF20100422007 (2)

243

9.1 Proteazy

9.1 Proteazy ułatwiają zasadniczo trudną reakcję

Rozpad i synteza białek to istotny proces zachodzący w organizmach (Rozdział 23). Białka, które zrealizowały swoje zadania, muszą ulegać degradacji w ten sposób, aby budujące je aminokwasy mogły zostać wykorzystane do syntezy nowych białek. Białka przyjmowane z pokarmem muszą być rozkładane do małych peptydów i aminokwasów, ulegających absorpcji w jelicie. Co więcej, jak opisano szczegółowo w Rozdziale 10, reakcje proteolityczne są ważnym elementem regulacji aktywności pewnych enzymów i innych białek.

Proteazy rozcinają białka w reakcji hydrolizy - dodania cząsteczki wody do wiązania peptydowego.

o

¹¹    P

^{+ h}2°    Ri—C - + R_r- NH₃⁺

H    O

Chociaż hydroliza wiązań peptydowych jest termodynamicznie korzystna, takie reakcje hydrolizy zachodzą z niezwykle małą szybkością. Bez katalizatora czas połowicznego trwania hydrolizy typowego peptydu w pH obojętnym wynosi od 10 do 1000 lat. Jednak w niektórych procesach biochemicznych wiązania peptydowe muszą być hydrolizowane w ciągu milisekund.

Za kinetyczną stabilność wiązań peptydowych odpowiada charakter chemiczny tych wiązań. Odpornos'ć wiązań peptydowych na hydrolizę jest warunkowana w szczególnos'ci obecnością struktur rezonansowych, powodujących, że wiązanie peptydowe jest płaskie (s. 37). Powstanie struktur rezonansowych nadaje wiązaniu peptydowemu częściowo charakter wiązania podwójnego.

Rh N    R, N

H    H

Dzięki temu wiązanie węgiel-azot ulega wzmocnieniu, a atom węgla grupy karbonylowej jest mniej elektrofilowy i mniej podatny na atak nukieofilowy niż atomy węgla grup karbonylowych w związkach takich jak estry karboksy-lanów. W związku z tym, aby zaszła reakcja hydrolizy wiązania peptydowego, enzym musi ułatwić atak nukieofilowy na normalnie niereaktywną grupę karbonylową.

Chymotrypsyna zawiera niezwykle reaktywną resztę seryny

Wiele enzymów proteolitycznych uczestniczy w rozkładaniu białek w układzie pokarmowym ssaków i innych organizmów. Jednym z tych enzymów jest chymotrypsyna, która hydrolizuje wybiórczo wiązania peptydowe po karboksylowej stronie reszt dużych hydrofobowych aminokwasów, takich jak tryptofan, tyrozyna, fenyloalanina i metionina (rys. 9.1). Chymotrypsyna stanowi dobry przykład wykorzystania katalizy kowalencyjnej. Enzym ten wykorzystuje silny nukleofil do ataku na niereaktywny atom węgla grupy karbonylowej substratu. W trakcie katalizy nukleofil ten zostaje przejściowo związany kowalencyjnie z substratem.

Co jest nukleofilem wykorzystywanym przez chymotrypsynę w ataku na atom węgla grupy karbonylowej substratu? Rozwiązanie stanowi obecność w chymotrypsynie niezwykle reaktywnej reszty seryny. W obecności organicznych fluorofosforanów. takich jak diizopropylofluorofosforan (DIPF, s. 229) cząsteczki chymotrypsyny nieodwracalnie tracą aktywność (rys. 9.2), przy czym modyfikacji ulega tylko jedna reszta seryny, Ser 195. Zajście reakcji modyfikacji chemicznej sugeruje, że ta niezwykle reaktywna reszta seryny odgrywa kluczową rolę w mechanizmie katalitycznym chymotrypsyny.