Американские исследователи разгадали многолетнюю загадку того, как ферменты-цитохромы группы P450 способствуют синтезу интермедиатов, участвующих в реакциях окисления инертных связей C–H, не затрагивая при этом связи С–Н самых белков.

Работа дает новые ключи к пониманию механизма биокаталитической активации связей C–H и предлагает новые концепции к подходу для разработки моделирующих белок биомиметических катализаторов инертных связей С–Н.

Ферменты группы P450 участвуют в метаболизме около 75% известных лекарственных препаратов. Благодаря способности активировать инертные связи C–H, ферменты этой группы часто сравнивают с биологическими реактивными двигателями. Известно, что для окисления связи С–Н ферменты активируют кислород, используя для этого активные центры, ядром которых являются гемовые железосодержащие фрагменты. В связи с этим ученые уже давно хотели решить такой вопрос – почему кислород, который активирован электроноизбыточным железосодержащим гемом, связанным с тиолятными лигандами, окисляет связи С–Н углеводородов и лекарственных препаратов, хотя, казалось, более предпочтительным процессом было бы окисление входящих в состав самого белка-катализатора аминокислотных фрагментов.

Результаты новой работы, проведенной Майклом Грином (Michael Green)и его коллегами из Университета Пенсильвании позволяет предположить, что использующийся природой тиолятный лиганд в действительности может отвечать за подавление процесса окисления аминокислотных остатков. Было предположено, что тиолятный лиганд контролирует реакционную способность железосодержащего фермента, приводя к реализации селективного окисления связей С–Н в присутствии других легкоокисляемых субстратов, в том числе и белковых фрагментов.

Химически активный интермедиат, образующийся в ходе реализации каталитического цикла с участием фермента P450, представляет собой высоковалентной частицей с высокой реакционной способностью. Эта частица дегидрирует белковый субстрат, образуя гидроксидный комплекс железа(IV) и, одновременно, превращает целевой субстрат окисления в радикал, которые затем быстро рекомбинируют, образуя гидроксилированный продукт окисления субстрата продукта и регенерируя железсодержащий фермент.

Исследователи синтезировали интермедиат – гидроксокомплекс железа(IV) за счет взаимодействия железосодержащего фермента с окислителем при pH 9 и затем быстро смешали реакционную смесь, содержащую продукт окисления, с более щелочными буферными растворами, доводя pH до 14единиц, и анализировали образующиеся при этом продукты.

Грин говорит, что исследовательская группа впервые смогла провести количественную оценку влияния тиолятного лиганда на реализацию каталитического цикла фермента P450, что дает ключи к пониманию способности природного катализатора подавлять ненужные метаболитически процессы окисления в ходе активации связи C–H.

Пол Ортиз де Монтеллано (Paul Ortiz de Montellano) из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, США, занимающийся исследованием цитохромных ферментов P450, говорит, что действительно наиболее важным аспектом является то, что исследователи из группы Грина предлагают разумное объяснение механизма, в соответствии с которым ферменты P450 являются эффективными катализаторами селективного окисления субстрата.

Исследователи из группы Грина выяснили, что окислительное разрушение белков блокируется благодаря тому, что терминальный тиолятный лиганд является донором электронов для высоковалентного комплекса железа, уменьшает его электродный потенциал, делая окисление скелета белка менее вероятным. Грин добавляет, что при этом высокое значение pKa гидроксидного комплекса железа (IV) означает, что связанный протон сохраняет высоким одноэлектронный потенциал восстановления для того, чтобы могла произойти активация связи C–H субстрата.

Фред Гуенгериш (Fred Guengerich), эксперт по цитохрому P450 из Университета Вандербилта в США, говорит, что полный эффект тиолятного связывания заключается в обеспечении 10000-кратного снижения константы скорости процесса побочного окисления, собственно окисления белка. Он предполагает, что полученные исследователями из группы Грина результаты работы могут стать весьма полезными для разработки новых типов биомиметических катализаторов или катализаторов – модифицированных белков.