Каталитические антитела. Антисмысловые нуклеотиды и рибозимы.
Введение
Область физико-химической биологии, связанная с исследованием каталитических антител, то есть антител, способных функционировать как биологические катализаторы, возникла недавно – менее десяти лет назад. И вместе с тем она развивается чрезвычайно бурно, так как представляет собой одно из наиболее перспективных направлений, сочетающее в себе элементы иммунологии, энзимологии, молекулярной биологии, органической химии и генетической инженерии.
Оно связано с созданием и изучением катализаторов нового типа, использование которых открывает принципиально новые возможности для работ фундаментального и прикладного характера. Интересно, что теоретические основы этого научного направления были заложены почти полвека назад на основании чисто умозрительных соображений, возникающих при сравнении свойств ферментов и антител. Лайнус Полинг в 1948 году постулировал, что важным различием между этими группами белков является то, что фермент не так строго комплементарен своему специфическому субстрату, как антитело гомологичному антигену.
Наиболее прочное связывание реализуется между активным центром фермента и переходным состоянием реакции. Последующее развитие энзимологии подтвердило справедливость этих положений и позволило расшифровать структурные основы функционирования многих ферментов; не менее значительный прогресс был достигнут и в понимании молекулярных механизмов действия антител. С учетом этой информации рассмотрим, что объединяет антитела и ферменты, с одной стороны, и каковы принципиальные различия между ними, с другой.
1. Каталитические антитела
К 1986 году возникли реальные условия для получения каталитических антител. Это, во-первых, накопление информации, необходимой для понимания молекулярного механизма химических реакций и синтеза аналогов переходного состояния, то есть стабильных соединений, структура которых близка к предполагаемой структуре переходного состояния. Во-вторых, это возможность получать антитела, гомогенные по структуре, то есть являющиеся продуктом одной клетки. В результате ее деления возникает клон клеток, обладающих всеми генетическими особенностями исходной клетки и синтезирующих антитела одинаковой специфичности (моноклональные антитела). Чтобы обеспечить постоянный рост клеток в культуре, используют специальную технику, основанную на слиянии клеток, продуцирующих антитела, с клетками миеломы, способными к неконтролируемому делению. Это приводит к образованию клеток гибридомы, устойчиво продуцирующих большие количества гомогенных антител со специфичностью, определяемой исходной клеткой. Последнее обстоятельство очень существенно, так как ответ иммунной системы организма наВведение
антигена заключается в синтезе громадного разнообразия антител, вырабатываемых разными клетками и различающихся по структуре вариабельных областей.
Работы по получению каталитических антител были одновременно начаты в нескольких лабораториях; сопутствовавший им успех обеспечил интенсификацию исследований и привел к возникновению нового научного направления, связанного с созданием биологических катализаторов с заранее заданными свойствами. По аналогии с энзимами такие катализаторы получили название абзимы. К настоящему времени получены десятки абзимов, катализирующих реакции разных типов. Рассмотрим некоторые примеры.
АБЗИМЫ, КАТАЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ КОТОРЫХ ОСНОВАНА ТОЛЬКО НА СТАБИЛИЗАЦИИ ПЕРЕХОДНОГО СОСТОЯНИЯ РЕАКЦИИ
Метилированный порфирин (N-метилпротопорфирин), являющийся мощным ингибитором реакции, имитирует структуру переходного состояния; он был использован в качестве гаптена для получения каталитических антител. Абзимы, выработанные на данное соединение, оказались весьма эффективными катализаторами, лишь в 10 раз уступавшими естественному ферменту в активности. Успех этой работы подтвердил правильность представлений о вероятной структуре переходного состояния реакции, катализируемой феррохелатазой.
АБЗИМЫ, АКТИВНОСТЬ КОТОРЫХ СВЯЗАНА
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НУКЛЕОФИЛЬНОГО КАТАЛИЗА
Хотя стабилизация переходного состояния - важнейший фактор ферментативного катализа, в действии большинства ферментов существенную роль играют также элементы химического катализа (общий кислотно-основный и ковалентный катализ)
Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы
. Оказалось, что в некоторых случаях абзимы также способны использовать элементы химического катализа. Характерный пример - антитела, гидролизующие сложные эфиры карбоновых кислот, - первые абзимы, описанные в литературе. Согласно теоретическим представлениям, механизм реакции переноса ацила на воду включает переходное состояние тетраэдрической структуры с отрицательным зарядом на кислороде карбонильной группы . Стабилизация этого заряда - важнейшее условие осуществления реакции; предполагается, что активный центр фермента эстеразы обеспечивает такую стабилизацию при связывании переходного состояния.
Структура переходного состояния может быть "имитирована" стабильным аналогом, имеющим сходную тетраэдрическую конфигурацию и отрицательный заряд на кислороде. Эфиры фосфоната известны как мощные ингибиторы эстеразных реакций, что говорит об их прочном связывании с ферментом и подтверждает их сходство с предполагаемой структурой переходного состояния. Использование эфиров фосфоната в качестве гаптенов оказалось успешным и привело к получению антител, обладающих эстеразной активностью. Детальное исследование свойств этих абзимов показало, что их эффективность в ряде случаев приближается к эффективности соответствующих ферментов; более того, оказалось, что в ходе катализа происходит ковалентное присоединение ацильной группы субстрата к белку, аналогично ситуации, имеющей место при нуклеофильном катализе сериновыми протеиназами.
Наряду с этим выявились и существенные отличия, показавшие несовершенство абзимов по сравнению с естественными ферментами. В действии сериновой протеиназы (например, химотрипсина) важную роль играет общий кислотно-основный катализ, обеспечивающий активацию гидроксильной группы серина, а также последующую активацию молекулы воды. Активный центр абзима лишен такой способности, так как не содержит групп, способных осуществлять общий кислотно-основный катализ. Поэтому, в отличие от фермента, функционирующего при физиологических значениях рН, абзим проявляет свою активность при рН выше 9,5, где ионизирована ОН-группа тирозина, которая и атакует субстрат. Активный центр абзима оказывается также неспособным обеспечить активацию молекулы воды, и вторая стадия реакции идет за счет нуклеофильной атаки свободным ионом гидроксила.
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КАТАЛИТИЧЕСКИХ АНТИТЕЛ СПОСОБСТВУЕТ РАЗВИТИЮ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ ЭНЗИМОЛОГИИ
Наиболее демонстративным вкладом в учение о ферментативном катализе, безусловно, является сам факт успешного получения антител, обладающих каталитической активностью. Блестящее подтверждение гипотезы Полинга-Дженкса можно считать лучшим доказательством справедливости представлений о комплементарности активного центра фермента структуре переходного состояния реакции. Рентгеноструктурные исследования, проведенные на комплексах хоризматмутазы и соответствующего абзима с аналогом переходного состояния, подтвердили, что оба катализатора обеспечивают прочное связывание той геометрической структуры, которая предполагается в качестве переходного состояния данной реакции. Аналогичные рентгеноструктурные исследования проведены в последнее время и с другими абзимами. Детальный сравнительный анализ взаимодействий между белком и лигандом может дать ценную информацию о том вкладе, который вносят отдельные контакты в эффективность катализа; он важен и для проверки правильности теоретических представлений о структуре переходного состояния.
Имеющиеся в настоящее время данные позволяют считать, что в большинстве случаев абзимы можно рассматривать по сравнению с естественными ферментами как катализаторы примитивного типа. Изучение их свойств - один из подходов к пониманию механизмов усовершенствования свойств ферментов в ходе эволюции, обеспечивших их эффективное функционирование в живой клетке.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПОДХОДЫ
К УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ КАТАЛИТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АБЗИМОВ
Работы по усовершенствованию каталитических свойств антител получили значительное развитие. Мы ограничимся лишь краткой характеристикой используемых в настоящее время экспериментальных подходов
50% реферата недоступно для прочтения
Закажи написание реферата по выбранной теме всего за пару кликов. Персональная работа в кратчайшее
время!
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
Задать вопрос
