Кіріспе

Энзимнің белсенді аймағы Биология және биохимияда белсенді орын – субстрат молекулалары байланысып, химиялық реакцияға түсетін ферменттің аймағы. Белсенді орын субстратпен уақытша байланыстар құратын аминқышқылдарының қалдықтарынан, яғни байланыс орнынан, және осы субстраттың реакциясын катализдейтін қалдықтардан, яғни катализдік орыннан тұрады. Белсенді орын фермент көлемінің шамамен 10–20% ғана болса да, химиялық реакцияны тікелей катализдейтін ең маңызды бөлігі болып табылады. Ол әдетте үш-төрт аминқышқылынан тұрады, ал ферменттің үшіншілік құрылымын сақтау үшін ақуыз ішіндегі басқа аминқышқылдары қажет. Әрбір белсенді орын белгілі бір субстратпен байланысу және белгілі бір реакцияны катализдей алу үшін оңтайландырылған, нәтижесінде жоғары спецификалық болады. Бұл ерекшелік белсенді орындағы аминқышқылдарының орналасуымен және субстраттардың құрылымымен анықталады. Кейде ферменттер өз функцияларын орындау үшін кейбір кофакторлармен байланысуы керек. Белсенді орын әдетте ферменттің терең туннелінде немесе мультимерлік ферменттердің интерфейстерінде орналасқан ойыс немесе қалта болып табылады. Белсенді орын реакцияны қайталап катализдей алады, себебі қалдықтар реакция соңында өзгермейді (олар реакция барысында өзгеруі мүмкін, бірақ соңында қалпына келеді). Бұл процесс реакцияның белсендіру энергиясын төмендету арқылы жүзеге асырылады, сондықтан реакцияға түсу үшін жеткілікті энергияға ие болатын көбірек субстраттар пайда болады.

Байланысты сайт

Көбінесе фермент молекуласының тек бір белсенді орны болады, және бұл белсенді орын нақты бір типтегі субстратқа ғана сәйкес келеді. Белсенді орында субстратты байланыстырып, оны катализге бағыттайтын байланыс орны орналасқан. Субстраттың бағыты және оның белсенді орынға өте жақын болуы соншалық, кейбір жағдайларда ферменттің басқа барлық бөліктері мутацияға ұшырап, қызметін жоғалтса да, ол дұрыс жұмыс істей алады. Алғашқыда белсенді орын мен субстрат арасындағы өзара әрекеттесу ковалентті емес және уақытша болады. Субстратты белгілі бір бағытта ұстап тұрып, фермент-субстрат кешенін (ES кешенін) құрайтын төрт маңызды өзара әрекеттесу түрі бар: сутекті байланыстар, Ван дер Ваальс күштері, гидрофобтық өзара әрекеттесулер және электростатикалық күштер. Субстрат пен белсенді орындағы заряд таралуы бір-біріне толықтырылуы керек, яғни барлық оң және теріс зарядтар теңесуі тиіс. Әйтпесе, оларды қабысатын күш пайда болады. Белсенді орында көбінесе полярлы емес аминқышқылдары болады, бірақ кейде полярлы аминқышқылдары да кездесуі мүмкін. Көптеген ферменттердің белсенді орындары терең орналасқан, ал субстрат оларға қолжетімділік арналары арқылы жете алады.

Кілті мен құлып гипотезасы

Бұл ұғымды 19 ғасырдағы химик Эмиль Фишер ұсынған. Ол белсенді орын мен субстраттың екі тұрақты құрылым екенін, кілт құлыпқа қалай дәл келіп жатса, солай қосымша өзгертулерсіз өте жақсы сәйкес келетінін айтқан. Егер субстрат белсенді орынмен мінсіз байланысса, олардың арасындағы өзара әрекеттесулер ең күшті болады, нәтижесінде жоғары каталитикалық тиімділікке қол жеткізіледі. Бірақ уақыт өте келе, бұл модельдің шектеулері байқалды. Мысалы, бәсекелес фермент ингибиторы метилглюкозид 4 альфа глюканотрансферазаның белсенді орнына берік байланып, оған толық сәйкес келеді. Дегенмен, 4 альфа глюканотрансфераза метилглюкозидке әсер етпейді және гликозилдің берілуі жүрмейді. «Құлып пен кілт» гипотезасы мұны түсіндіре алмайды, себебі ол метилглюкозидтің берік байланысуына байланысты гликозил берудің жоғары тиімділігін күтеді. Бұл теория бәсекелес ингибиторлармен қатар, бәсекелес емес ингибиторлардың әрекет ету механизмын да түсіндіре алмайды, өйткені олар белсенді орынға байланыспайды, бірақ дегенмен каталитикалық белсенділікке әсер етеді.

Індекцияланған сәйкестік гипотезасы

Дэниел Кошландтың фермент субстратын байланыстыру теориясы бойынша, белсенді орын мен субстраттың байланысатын бөлігі толыққанды сәйкес келмейді. Индуцирленген сәйкестік моделі – бұл «кілт-құлып» моделінің дамуы, және белсенді орын икемді, ал субстрат толық байланысқанға дейін пішінін өзгертеді деп есептейді. Бұл модель қолғап киген адамға ұқсас: қолғап қолдың пішініне бейімделеді. Фермент бастапқыда субстратын тартатын конформацияда болады. Фермент беті икемді, сондықтан катализге әкелетін өзара әрекеттесуді тек дұрыс катализатор ғана тудыра алады. Субстрат байланысқан кезде конформациялық өзгерістер болуы мүмкін. Реакция өнімдері ферменттен алшақтаған соң, белсенді орын бастапқы пішініне оралады. Бұл гипотеза катализ кезінде бүкіл ақуыз домені бірнеше нанометрге жылғалы мүмкін деген байқаулармен расталады. Ақуыз бетінің бұл қозғалысы катализге қолайлы микроорта құруы мүмкін.

Ковалентті емес өзара әрекеттесу түрлері

Электростатикалық өзара әрекеттесу: Сулы ортада белсенді орын мен субстраттардағы аминқышқылдарының жанама тізбектеріндегі қарама-қарсы зарядталған топтар бір-біріне тартылады, бұл электростатикалық өзара әрекеттесу деп аталады. Мысалы, карбоксил қышқылы (R COOH) RCOO− және H+ иондарына диссоциацияланған кезде, COO− аргининнің протонталған гуанидин жақты тізбегі сияқты оң зарядталған топтарды тартады. Сутекті байланыс: Сутекті байланыс – ішінара оң зарядталған сутек атомы мен ішінара теріс зарядталған электрон доноры арасындағы, оттегі, фтор және азот сияқты электрондар жұбын қамтитын диполь-диполь өзара әрекеттесудің ерекше түрі. Сутекті байланыстың күші әрбір топтың химиялық табиғаты мен геометриялық орналасуына байланысты. Ван-дер-Ваальс күші: Ван-дер-Ваальс күші әрбір топтағы электрондардың уақытша теңсіз таралуынан туындайтын қарама-қарсы зарядталған топтар арасында пайда болады. Егер барлық электрондар топтың бір полюсіне жиынтықталса, онда бұл жақ теріс, ал екінші жақ оң болады. Жеке күш әлсіз болғанымен, белсенді орын мен субстрат арасындағы өзара әрекеттесулердің жалпы саны көп болғандықтан, олардың жиынтығы маңызды болады. Гидрофобтық өзара әрекеттесу: Полярлы емес гидрофобтық топтар сулы ортада бірігіп, полярлы еріткіштен шығуға бейім. Бұл гидрофобтық топтар көбінесе ұзын көміртекті тізбектерден тұрады және су молекулаларымен реакцияға түспейді. Суда еріген кезде белок молекуласы шар тәрізді пішінге жиырылып, гидрофильді топтарды сыртқа, ал гидрофобтық топтарды орталыққа терең орналастырады.

Каталитикалық сайт

Субстрат белсенді орынға байланысып, дұрыс бағытталғаннан кейін катализ басталуы мүмкін. Каталитикалық орынның қалдықтары әдетте байланысу орнына өте жақын орналасады, ал кейбір қалдықтар байланысу және катализ процесінде екі қызметті атқара алады. Каталитикалық орынның қалдықтары субстратпен өзара әрекеттесіп, реакцияның белсендіру энергиясын төмендетеді, осылайша оның жылдамдығын арттырады. Олар мұны реакцияға қатысушы молекулаларды жақындастыру, нуклеофильді/электрофильді катализ және қышқыл/негізді катализ сияқты әртүрлі механизмдер арқылы іске асырады. Бұл механизмдер төменде түсіндіріледі.

Реактивті шамалау

Ферменттік каталитикалық реакция кезінде субстрат пен белсенді орын тығыз жақынға келтіріледі. Бұл тәсілдің әртүрлі мақсаттары бар. Біріншіден, субстраттар белсенді орынға байланысқанда, оның тиімді концентрациясы ерітіндідегіден едәуір артады. Бұл реакцияға қатысатын субстрат молекулаларының саны да артатынын білдіреді. Бұл процесс реакцияның жүруіне қажетті десольватация энергиясын да азайтады. Ерітіндіде субстрат молекулалары еріткіш молекулаларымен қоршалған және фермент молекулаларының оларды алмастырып, субстратпен байланысқа түсуі үшін энергия қажет. Ірі молекулалар белсенді орыннан шығарыла алатындықтан, бұл энергия шығынын азайтуға болады. Келесі кезекте, белсенді орын субстратты қайта бағыттап, реакцияның жүруіне қажетті белсендіру энергиясын төмендетуге арналған. Байланысқаннан кейін субстрат жоғары энергиялық күйде бекітіліп, келесі қадамға өтуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, бұл байланыс энтропиялық тұрғыдан қолайлы, себебі ерітіндідегі реакцияға байланысты энергия шығыны көбінесе жойылады, өйткені еріткіш белсенді орынға енуге мүмкіндік таппайды. Соңында, белсенді орын субстраттың молекулалық орбиталын тиісті бағытта өзгертіп, белсендіру энергиясын төмендетуі мүмкін, сондай-ақ бұрылуға бейім байланыстары бар молекулалар үшін де (бірақ бұл көлемінің жанама салдары болуы мүмкін). Егер еріткіш белсенді орыннан шығарылса, ақуыздардың икемділігі төмендеп, тұру уақыты ұзарады. Еріткіштен қорғалған сутектік байланыстар да ажырауды азайтады. Егер ВИЧ протеазасы тоқтатылса, вирион бөлшегі қызметін жоғалтады және пациенттерге жұғуға қабілетсіз болады. Вирустың көбеюі үшін маңызды және сау адамдарда жоқ болғандықтан, ол дәрі-дәрмектерді әзірлеу үшін өте қолайлы нысана болып табылады. ВИЧ протеазасы аспартикалық протеазалар отбасысына жатады және ұқсас механизмге ие. Біріншіден, аспартат қалдығы су молекуласын белсендіріп, оны нуклеофилге айналдырады. Содан кейін ол пептидтік байланыстағы (NH CO) карбонил тобына шабуыл жасап, тетраэдрлік аралық қосылыс түзеді. Аралық қосылыстағы азот атомы протонды қабылдап, амид тобын құрайды, ал одан кейінгі қайта құрылым оның және аралық қосылыс арасындағы байланыстың үзілуіне және екі өнімнің пайда болуына әкеледі. Ингибиторлар әдетте тетраэдрлік аралық қосылысты имитациялайтын гидроксиэтилен немесе гидроксиэтиламин топтарын қамтиды. Олар субстраттардың өтпелі күйімен ұқсас құрылым мен электростатикалық орналасуға ие болғандықтан, белсенді орынға сәйкес келеді, бірақ ыдырамайды, сондықтан гидролиз жүрмейді.

Бәсекеге қабілетті емес ингибитор: стрихнин

Стрихнин – бұл мидың жиырылуын бақылайтын жүйкелерге әсер етіп, өлімге алып келетін нейротоксин, ол тыныс алуды қиындатады. Импульс синапс арқылы ацетилхолин деп аталатын нейротрансмиттер арқылы беріледі. Ол жүйке жасушалары арасындағы синапсқа бөлінеді және постсинаптикалық жасушадағы рецепторлармен байланысады. Содан кейін әрекеттік потенциал туындайды және жаңа циклді бастау үшін постсинаптикалық жасуша арқылы жіберіледі. Глицин нейротрансмиттер рецепторларының қызметін тежеуге қабілетті, сондықтан әрекеттік потенциалды тудыру үшін үлкен мөлшерде ацетилхолинестераза қажет болады. Бұл жүйке импульстарының қалыптасуын қатаң бақылайды. Дегенмен, стрихнин қосылғанда бұл бақылау бұзылады. Ол глицин рецепторларын (хлоридтік канал) тежейді, нәтижесінде нейротрансмиттер концентрациясының өте төмен деңгейі әрекеттік потенциалды тудыруы мүмкін. Нервтер енді үнемі сигналдар жіберіп, бұлшықеттердің тым күшті жиырылуына әкеледі, бұл тұншығуға және өлімге соқтырады.

Қайталанбайтын ингибитор: диизопропил флюорофосфат

Диизопропил флюорофосфат (DIFP) – серин протеазаның әрекетін қайтарымсыз тежейтін ингибитор. Ол ферментпен байланысқанда нуклеофилдік орынбасу реакциясы жүзеге асады және бір фторсутек молекуласы бөлінеді. Белсенді орындағы ОН тобы нуклеофил ретінде DIFP-дегі фосфорға шабуыл жасайды, тетраэдрлік аралық күй пайда болып, протон босатылады. Содан кейін P-F байланысы үзіледі, бір электрон фтор атомына беріліп, ол F⁻ анионы түрінде аралық күйден шығып кетеді. Ол ерітіндідегі протонмен бірігіп, бір HF молекуласын құрайды. Белсенді орын мен DIFP арасында ковалентті байланыс қалыптасады, сондықтан сериннің бүйірлік тізбегі субстрат үшін қолжетімді болмайды.

Дәрі-дәрмектерді зерттеуде

Дәрі-дәрмектерді табу процесінде белсенді орындарды анықтау өте маңызды. Ферменттің 3D құрылымы белсенді қалдықтарды анықтау және оларға сәйкес келетін дәрілерді жобалау үшін талданады. Протеолитикалық ферменттер кейбір дәрілердің нысанасы болып табылады, мысалы, АИТС-қа және гипертонияға қарсы дәрілерді қамтитын протеаза ингибиторлары. Бұл протеаза ингибиторлары ферменттің белсенді орынына байланысып, табиғи субстраттармен өзара әрекеттесуді тоқтатады. Дәрі жасаудағы маңызды фактор – белсенді орын мен фермент ингибиторы арасындағы байланыстың күші. Бактериялардағы фермент адам ферментінен едәуір өзгеше болса, онда адам ферментіне зиян келтірмей, сол бактерияға қарсы ингибитор жасауға болады. Егер ферменттің бір түрі тек бір организмде ғана кездессе, оның ингибиторын оларды жою үшін пайдалануға болады. Жаңа дәрілерді, мысалы, фермент ингибиторларын жасауға көмектесу үшін белсенді орындарды картаға түсіруге болады. Бұл белсенді орынның мөлшерін, субсайттардың саны мен қасиеттерін, сондай-ақ байланыс өзара әрекеттесуінің егжей-тегжейін сипаттауды қамтиды.

Фермент ингибиторларын қолдану

Мысал Әрекет ету механизмі Бактерияға қарсы агент Пенициллин Бактериялық жасуша қабырғасы пептидогликаннан тұрады. Бактериялық өсу кезінде пептидогликан талшықтарының аралық байланысы бұзылады, соның салдарынан жасуша қабырғасына жаңа мономерлер енуі мүмкін. Пенициллин транспептидаза ферментінің әрекетін тежейді, ол аралық байланыстардың қалыптасуы үшін қажет, нәтижесінде жасуша қабырғасы әлсіреп, тургорлық қысымнан жарылады. Саңырауқұлаққа қарсы агент Азоль Ергостерол – саңырауқұлақтың жасушалық мембранасын құрайтын стерол. Азоль ланостерол 14-альфа деметилаза ферментін тежеу арқылы оның биосинтезін тоқтатады, соның салдарынан жаңа эргостерол өндірілмейді және зиянды 14α-ланостерол жасуша ішінде жиналады. Сонымен қатар, азоль реакциялық оттегі түрлерін де тудыруы мүмкін. Вирусқа қарсы агент Саквинавир ВИЧ протеазасы Gag Pol полибелогын 3 жеке белокқа бөлуге қажет, осылайша олар тиісті функцияларын орындап, вирус қаптау процесін бастайды. Саквинавир сияқты ВИЧ протеаза ингибиторлары оның әрекетін тежейді, нәтижесінде жаңа пісіп дамыған вирус бөлшектері пайда болмайды. Инсектицидтер Физостигмин Жануарлардың жүйке жүйесінде ацетилхолинестераза ферменті нейротрансмиттер ацетилхолинді ацетат пен холинге ыдырату үшін қажет. Физостигмин оның белсенді ортасына байланысып, оны тежейді, соның салдарынан жүйке импульсі таратылмайды. Бұл жәндіктердің өліміне алып келеді, себебі олар бұлшықет және жүрек функциясын бақылау қабілетін жояды. Гербицидтер Циклогександион Циклогександион май синтезінің алғашқы қадамына қатысатын ацетил-КоА карбоксилаза ферментіне бағытталған: АТФ-ге тәуелді ацетил-КоА-ның малонил-КоА-ға карбоксилациясы. Липидтер жасуша мембранасын құруда маңызды рөл атқарады.

Алостерикалық жерлер

Аллостериялық сайт – ферменттің белсенді сайтымен байланысы жоқ, бірақ эффектор молекуласын байланыстыра алатын орны. Бұл өзара әрекеттесу ферменттерді реттеудің тағы бір механизмі болып табылады. Аллостериялық өзгеріс көбінесе бірнеше суббірліктері бар ақуыздарда жүзеге асады. Аллостериялық өзара әрекеттесулер метаболизмдік жолдарда жиі кездеседі және олар реакцияның бір қадамын екіншісін реттеуге мүмкіндік береді. Бұл ферментке белсенді орыннан өзге, кең ауқымды молекулалық өзара әрекеттесулерге қатысуға мүмкіндік береді.