БИОХИМИЯ, 2012, том 77, вып. 10, с. 1383–1400
УДК 577.311
Кинетические особенности реакций, катализируемых холинэстеразами*
1 Institut de Recherches Biomеdicales des Armеes-CRSSA, Dept. Toxicologie
2 Institut de Biologie Structurale, Laboratoire de Biophysique Molеculaire
3 University of Nebraska Medical Center, Eppley Institute
Поступила в редакцию 13.04.2012
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: холинэстеразы, предстационарное состояние, гистерезис, конформер фермента, затухающие колебания, ингибирование.
Аннотация
При взаимодействии с определенными субстратами и ингибиторами холинэстеразы проявляют т.н. гистерезисное поведение. Кинетическая кооперативность в запаздывании реакций, катализируемых холинэстеразами, характеризуется наличием лаг-фазы или всплеска при приближении к стационарному состоянию. Показано, что с некоторыми субстратами затухающие колебания накладываются на гистерезисное запаздывание. Эти особенности зависимости кинетики от времени наблюдаются как для бутилхолинэстеразы (БХЭ), так и для ацетилхолинэстеразы (АХЭ), выделенных из разных организмов. Запаздывание, которое мы будем называть гистерезисом, в реакциях, катализируемых холинэстеразами, может быть интерпретировано в терминах медленного перехода между двумя конформерами фермента E и E’. Субстрат может связываться с E и/или с E’, причем каталитически состоятельными могут быть либо оба михаэлисовских комплекса ES и E’S, либо только один из них может производить продукты. Формальный путь реакции зависит как от химической структуры субстрата, так и от типа фермента. В частности, затухающие колебания развиваются в случаях, когда субстрат существует в разных медленно взаимопревращающихся конформационных и/или мицеллярных формах, из которых только малая доля способна связываться и реагировать с ферментом. Двухфазное постепенное ингибирование холинэстераз псевдо-первого порядка определенными карбаматами и фосфорорганическими соединениями также отвечает медленному равновесию между двумя реакционноспособными формами фермента. Гистерезис может регулироваться параметрами среды (pH, хаотропные и космотропные соли, органические растворители, температура, осмотическое и гидростатическое давление). Эти исследования показали, что структура воды играет роль в гистерезисном поведении холинэстераз. Попытки описать молекулярный механизм гистерезисного поведения холинэстераз с помощью мутагенеза или кристаллографических исследований в настоящее время пока не дали результата. Тем не менее, существует ряд свидетельств, позволяющих предположить, что гистерезисное поведение зависит от конформации остатка His 438 – ключевого аминокислотного остатка каталитической триады холинэстераз. Время индукции может зависеть от вероятности, с которой His 438 занимает рабочее положение в каталитической триаде. Функциональное значение гистерезисного поведения холинэстераз неясно. Однако существует признанная точка зрения, что белки находятся в равновесии между двумя предсуществующими функциональным и нефункциональным конформерами, и что связывание лиганда с функциональной формой сдвигает равновесие в сторону функциональной конформации. Это позволяет предположить, что медленное равновесие между двумя конформационными состояниями этих ферментов может иметь регуляторную функцию, заключающуюся в амортизации ответа на действие определенных лигандов и необратимых ингибиторов. Это особенно верно для иммобилизованных (связанных с мембраной) ферментов, где локальная концентрация субстрата и/или ингибитора зависит от скорости их диффузии в системы органелл, такие как, например, холинэргическая синаптическая щель. Таким образом, физиологическое или токсикологическое значение гистерезисного поведения и затухающих колебаний в реакциях, катализируемых холинэстеразами, не может быть исключено при их ингибировании.