Кратко — причинно‑следственная связь такова: элементарные элементы вторичной структуры (β‑складки, петли, повороты) задают локальную конформацию полипептидной цепи, а третичная упаковка объединяет в пространстве остатки, разнесённые по последовательности, формируя активный центр с точной геометрией, электро­статикой и гибкостью, необходимых для катализа. На примере сериновой протеазы это выглядит так:
Как структура обеспечивает активность (каузальная цепочка)
- Вторичная структура (β‑листки и петли) позиционирует петельные NH‑группы и боковые цепи так, чтобы:
- образовать оксанионную «ямку» (oxyanion hole), которая стабилизирует тетраэдрический переходный промежуточный отрицательный заряд на карбонильном кислороде субстрата;
- обеспечить правильную ориентацию нуклеофильного атома кислорода серина.
- Третичная структура (складывание двух β‑баррелей и упаковка петель) сводит вблизи друг с другом три каталитических остатка (каталитическая триада): серин, гистидин, аспартат, формируя зарядно‑кооперативную систему (charge relay), где:
- серин (Oγ) действует как нуклеофил для атаки амидного углерода;
- гистидин принимает/перераспределяет протон (акцептор/донор) и переключает кислотность;
- аспартат стабилизирует протонированную форму гистидина и смещает его pKa.
- Динамика и локальные электростатические поля, поддерживаемые водородными связями и ионными взаимодействиями, обеспечивают правильные pKa и переходные состояния, снижая энергию активации и повышая скорость реакции.
Конкретные структурные элементы в典ичном представителе (химотрипсиноподобные сериновые протеазы)
- Каталитическая триада: His$57$, Asp$102$, Ser$195$. Их пространственное расположение — результат третичной упаковки.
- Оксанионная ямка: NH‑группы петель (например, Gly$193$ и конформация петель вокруг Ser$195$) стабилизируют отрицательный заряд тетраэдра.
- Специфичность: боковые цепи в кармане связывания (например, Asp$189$ в трипсине) определяют, какие боковые группы субстрата лучше помещаются и удерживаются.
Какие мутации скорее всего нарушат активность и почему (с объяснениями)
1. Замены каталитических остатков
- Ser$195$→Ala: удаление нуклеофильного Oγ — каталитическая активность практически исчезает (н·у нуклеофила нет).
- His$57$→Ala (или His→Gln): нарушается перенос протона и роль общепротагона/базиcа — реакция останавливается.
- Asp$102$→Asn (или Ala): меняется заряд/электростатика и pKa гистидина, разрушается charge relay — значительное падение активности.
2. Мутации оксанионной ямки / петель
- Gly$193$→Val/Ser (замена гибкого или малого на объёмный): смещение NH‑позиции и/или стерическое препятствие — потеря стабилизации переходного состояния ⇒ снижение k_cat и/или повышение K_M.
- Изменение остатков, фиксирующих петлю вокруг Ser$195$ (вставки/делеции, Pro‑вставки в петлю) — нарушает геометрию оксанионной ямки.
3. Мутации кармана специфичности
- Asp$189$ (трипсин)→Ala/Ser: меняется заряд и форма кармана — субстрат хуже связывается или меняется специфичность (K_M↑, k_cat может измениться).
4. Мутации, разрушающие третичную упаковку/стабильность
- Разрыв дисульфидных связей (Cys→Ser) или замена ключевых гидрофобных остатков в ядре — белок неправильно сворачивается или становится лабильным при физиологических условиях ⇒ потеря нативной геометрии активного центра.
- Введение Pro в β‑цепь или α‑спираль рядом с активным центром — локальная деформация и смещение критических NH/ side‑chain позиций.
5. Мутации, нарушающие водородную сеть и ионные пары, фиксирующие триаду
- Замена остатков, образующих водородные связи с His$57$ или Asp$102$ — изменяются pKa и ориентация His, падает эффективность протонного обмена.
Короткое резюме причинно‑следственной связи
- Вторичная структура задаёт локальную геометрию (позиции NH, углы петель); третичная — сводит в пространстве необходимые остатки и поддерживает электростатическую среду. Если мутация меняет (i) химические группы (например, удаляет nucleophile/charged residue), (ii) пространственную ориентацию (стерические замены, вставки/делеции, Pro‑вставки), или (iii) стабильность сворачивания (дисульфиды, гидрофобное ядро), то нарушается либо химический механизм (нет нуклеофила/реле), либо стабилизация переходного состояния, либо связывание субстрата — в итоге падает каталитическая активность.