Компьютерная модель АХЭ на основе рентгеноструктурных данных

Рассмотрим геометрию АХЭ. Координаты тяжелых атомов O, C, N, S фермента были получены при помощи рентгеноструктурного анализа [SUSSMAN et al., 1991] с разрешением 2,8

. Результаты анализа содержатся в файлах, распространяемых Protein Data Bank. Формат файлов описан в [BERNSTEIN et al., 1977]. Для каждого атома приводится его название, имя и порядковый номер в белковой цепи аминокислотнонго остатка, которому данный атом принадлежит, и положение атома в декартовой системе координат. В данной работе используется файл с координатами атомов АХЭ Torpedo californica.

АХЭ представляет собой молекулу шарообразной формы с размерами 45

и содержит 537 аминокислотных остатков. Главная особенность ее структуры — это глубокое и узкое ущелье (карман активного центра АЦ), наполовину проникающее в белок. Каталитическая триада АЦ, состоящая из аминокислотных остатков

, находится рядом с основанием ущелья. Стенки ущелья содержат 14 ароматических остатков, которые препятствуют непосредственному взаимодействию положительно заряженного субстрата АХ и отрицательно заряженных кислотных остатков.

Вычисления электростатического поля фермента, основанные на данных рентгеноструктурного анализа, показали, что АХЭ имеет большой дипольный момент, направленный вдоль оси ущелья. Положительно заряженный субстрат может втягиваться в ущелье вследствие электростатического взаимодействия. Кроме того, полный заряд фермента отрицателен: без учета ионного окружения, возникающего при помещении белка в растворитель, он составляет -12e.

Существует проблема выхода продуктов реакции из АЦ. Действительно, один из продуктов распада, холин (Х), имеет положительный заряд, и его диффузия из ущелья затруднена электростатическим притяжением к ферменту. Эта трудность повлекла за собой гипотезу о существовании некоего «черного хода», через который продукты реакции могли бы покинуть активный участок. Поскольку индольное кольцо

находится в ущелье, а остаток как целое расположен на внешней поверхности белка, авторы предположили возможность такого конформационного изменения молекулы, в результате которого открывался бы дополнительный выход из ущелья активного центра.

В ряде работ исследовалась возможность существования «черного хода». Искались такие конформации фермента, в которых появлялись каналы достаточно большого радиуса для того, чтобы пропустить молекулу Х или воды из активного участка наружу. Моделирование АХЭ в воде действительно показало кратковременное появление такого выхода. Канал формируется в тонкой стене активного участка около

. Он берет начало около

, атомов CH2 и CZ2 остатка

, изгибается вокруг

и появляется на поверхности около

. Канал может быть открыт смещением остатков

, средние отклонения атомов при этом составляют 1,3

.На рис. 6.2 показано расположение входа в ущелье активного участка, каталитическая триада, основание ущелья и «черный ход».

Расчет электростатического потенциала вокруг фермента показал, что точка с наименьшим потенциалом находится около основания активного участка, в районе

. Таким образом, поле препятствует выходу положительно заряженного Х и через "черный ход", и вопрос о выходе продуктов реакции остается открытым.

Рассмотрим прежде всего более подробно геометрию молекул фермента и субстрата. Для молекулы АХ, также как и для молекулы АХЭ, имеются файлы данных с координатами всех атомов, полученных рентгеноструктурным анализом. На рис. 6.2 показано расположение входа в ущелье, каталитической триады, «черного хода» и дна ущелья; на рис. 6.3 показаны слои пятиангстремной толщины, «вырезанные» из молекулы фермента плоскостями, изображенными на рис. 6.2; на рис. 6.4 изображена молекула субстрата, находящаяся у входа в ущелье и около каталитической триады.

Рис. 6.2. Молекула АХЭ. a) - ось ущелья перпендикулярна плоскости рисунка;

Рис. 6.3. Слои молекулы АХЭ, ограниченные плоскостями,

Рис. 6.4. Субстрат, расположенный у входа в ущелье активного центра (а)