Катализаторы переходных металлов в ферментах обеспечивают селективность и ускорение реакций за счёт координативной геометрии, настроенных редокс‑потенциалов и каналов доступа/протонопереноса. На двух конкретных примерах — каталазы и цитохромной оксидазы — это проявляется так.
Каталаза
- Функция: разложение перекиси водорода: $2H_2{O}_2\to 2H_{2}O+O_2$.
- Активный центр: гем‑железо в порфириновой оболочке (Fe), окружённый специфическими остатками, которые ориентируют молекулу $H_2{O}_2$ и стабильзируют межшаговые окислённо‑восстановительные состояния (в т.ч. «Compound I»):
$${\text{Fe}}^{III}\text{(heme)}+H_2{O}_2\to {\text{Compound I (Fe}}^{IV}=O{\text{+ porphyrin}}^{\bullet })+H_{2}O$$ $$\text{Compound I}+H_2{O}_2\to {\text{Fe}}^{III}\text{(heme)}+H_{2}O+O_2.$$ - Как строение даёт специфичность:
- Порфириновый каркас и аксиальные лиганды жёстко фиксируют Fe и задают подходящую электронную структуру для гетеролитического расщепления $H_2{O}_2$.
- Дистальный карман и отдельные остатки (кислород‑директирующие H‑связи, гидрофобные стенки) ограничивают доступ доноров/акцепторов, что исключает нежелательные реакции с другими субстратами.
- Быстрая передача электронов между Fe и порфирином/окружающими остатками обеспечивает высокий turnover для именно этой реакции.
- Как мутации/ингибиторы нарушают функцию:
- Замена остатков, формирующих дистальный карман или H‑связки, изменяет ориентацию/полярность входящего $H_2{O}_2$ → снижается каталитическая константа.
- Мутации, нарушающие координацию Fe (смещение или потеря аксиального лиганда), меняют редокс‑потенциал и препятствуют образованию Compound I.
- Ингибиторы/лиганды (напр., 3‑амино‑1,2,4‑триазол — «suicide» ингибитор, или сильные лиганды типа CN−, азид) связываются с Fe или образуют стабильные комплексы, блокируя цикл.
Цитохромная оксидаза (комплекс IV)
- Функция: восстановление кислорода до воды с одновременным переносом протонов через мембрану. Суммарно:
$$O_2+4e^{-}+4H^{+}\to 2H_{2}O,$$ и электроны подаются через цитохром c; часть протонов выкачивается (протонный насос).
- Активный центр: бинуклеарный центр «heme a_3 — Cu_B» плюс удалённый центр Cu_A и гем a, каждый с точной координацией (имидозольные N от His, специфические Tyr и т.д.). O_2 связывается в кармане между Fe и Cu и последовательно восстанавливается через пероксидные/ферриловые промежуточные состояния.
- Как строение даёт специфичность:
- Бинуклеарная архитектура обеспечивает одноточечное связывание $O_2$ и синхронное поступление нужного числа электронов и протонов, что предотвращает частичное восстановление и образование активных кислородных радикалов.
- Гидрофобный кислородный канал и отдельные протонные каналы (канал D, канал K) строго контролируют доступ $O_2$ и доставку протонов в нужные моменты; конформационная изоляция активного центра предотвращает нежеланные побочные реакции.
- Координация металлов и ковалентные взаимодействия (включая кросслинки, боковые цепи) тонко настраивают редокс‑потенциалы и кинетику переноса электронов.
- Как мутации/ингибиторы нарушают функцию:
- Лигирующие His → металл мутации или дефекты вставки меди (нарушение доставки Cu) приводят к утрате связывания металлов и разрыву электро‑/протонных путей → остановка катализа.
- Мутации в остатках, формирующих кислородный или протонный каналы, приводят к снижению скорости, утечке протонов (нарушение насоса) или образованию реактивных кислородных видов.
- Ингибиторы, связывающиеся в активном центре (CO, CN−, NO), конкурируют с $O_2$ за Fe/Cu и блокируют восстановление кислорода; другие малые молекулы могут блокировать протонные каналы или изменить конформацию центра.
Коротко о механистическом следствии повреждений
- Любое изменение координации металла, его валентного состояния или локальной среды (полярность, H‑связи, канал доступа) меняет редокс‑потенциал и кинетику переноса электронов/протонов. Это ведёт либо к снижению скорости реакции, либо к «развалу» селективности (образование побочных, часто токсичных, продуктов) либо к полной инактивации фермента.
Вывод: переходные металлы в активных центрах дают ферментам уникальную комбинацию геометрии и электрохимии, необходимую для узкоспецифичных редокс‑реакций; мутации или ингибиторы, которые нарушают координацию металла, каналы доступа или транспорт протонов/электронов, прямо подрывают эту специфику и активность.