Абзимы – каталитические антитела

Приемы и методы синтеза химических веществ с течением времени постоянно совершенствуются. Одной из основных проблем синтетической химии по-прежнему остается создание высокоэффективных катализаторов. В 80-х г.г. прошлого века получило практическое воплощение новое направление – создание биокатализаторов, так называемых абзимов. Абзимы - моноклональные каталитически активные антитела, обладающие свойствами ферментов.

Теоретические основы этого научного направления были заложены еще в 1950-х г.г. американским физиком и химиком Л. Полингом. Он исходил из сходства биокатализаторов ферментов и антител: те и другие являются белками с определенной пространственной конфигурацией, способными к специфическому связыванию с лигандами, субстратом биохимической реакции в первом случае и антигеном – во втором. В то же время если антигенсвязывающий участок антител изначально строго комплементарен антигенной детерминанте, то полное взаимосоответствие активного центра фермента и субстрата достигается только в момент переходного состояния реакции. Идеи Л. Полинга были развиты У. Дженксом, который в 1969 г. предположил, что если получить антитела, комплементарные структуре переходного состояния реакции, то они должны катализировать эту реакцию, ускоряя достижение переходного состояния. Для получения таких антител в качестве антигена или гаптена для иммунизации животного следовало использовать вещества, моделирующие переходное состояние реакции.

Реально работы по получению таких антител были начаты в конце 1980-х г.г. Толчком к началу этих исследований послужило с одной стороны накопление необходимых научных знаний о молекулярных механизмах органических реакций, структуре переходных состояний, с другой – была разработана гибридомная технология получения гомогенных по структуре антител (моноклональных). Подробнее эта технология будет рассмотрена в следующем разделе.

Работы по созданию биокатализаторов с заданными свойствами были одновременно начаты в нескольких исследовательских центрах. Первые успехи привели к интенсификации этих исследований и становлению нового научного направления. Антитела, обладающие каталитическими свойствами, по аналогии с энзимами (принятое в англоязычной литературе название ферментов) стали называть абзимами. К настоящему времени получены десятки абзимов, катализирующих разнообразные химические реакции. В качестве примера рассмотрим две реакции.

На рис. 29А приведена схема заключительной стадии биосинтеза гема, катализируемой ферментом феррохелатазой. В переходном состоянии этой реакции связывание иона Fe²⁺ сопровождается некоторым структурным искажением молекулы субстрата – протопорфирина IX. конкурентным ингибитором данной реакции является N-метилпротопорфирин IX (рис. 29Б), имеющий структурное сходство с субстратом. Однако в нем по сравнению с протопорфирином IX за счет метилирования одного из пиррольных колец имеет место искажение структуры, характерное для переходного состояния реакции. N-метилпротопорфирин IX был использован в качестве гаптена. Каталитические антитела, выработанные на этот гаптен, по своей эффективности всего лишь в десять раз уступали природному ферменту. Это пример абзима, каталитическое действие которого основано на стабилизации переходного состояния реакции.

Рис. 29. Заключительная стадия биосинтеза гема (А) и структура N-метилпротопорфирина IX, ингибитора этой реакции (Б).

Абзимы могут увеличивать скорость химической реакции не только за счет стабилизации переходного состояния, но и по механизму кислотно-основного катализа. Примером могут служить антитела, катализирующие гидролиз сложных эфиров карбоновых кислот. Механизм разрыва сложноэфирной связи включает образование переходного состояния тетраэдрической структуры с отрицательным зарядом на карбонильном атоме кислорода (рис. 30). В качестве аналога переходного состояния реакции был взят эфир фосфоната, имеющий сходную геометрическую и электронную конфигурацию. Использование эфиров фосфоната в качестве гаптенов позволило получить абзимы, обладающие каталитической активностью, сопоставимой с активностью ферментов.

Интерес, который проявляется к абзимам, обусловлен тем, что они могут быть получены для катализа практически любой химической реакции, и их наработка возможна в любых количествах. Применение абзимов в органической химии представляет огромный интерес. Поскольку абзимы, как и ферменты, обладают стереоспецифичностью, с их помощью можно решать задачу разделения энантиомеров, что особенно важно в производстве лекарственных средств. При изучении структуры белков и пептидов оказывается чрезвычайно важной возможность селективного расщепления определенных пептидных связей при использовании абзимов, многократно увеличивающих селективность катализа. Кроме того, абзимы открывают перспективу катализа трудно идущих химических реакций.

Особую роль могут сыграть абзимы в биотехнологии. Если в генетический аппарат дрожжевой клетки, используя методы генной инженерии, ввести ген, отвечающий за синтез того или иного абзима, то можно заставить ее продуцировать необходимые человеку катализаторы. Работы в этом направлении проводятся и имеется целый ряд достижений.