химический каталог




Химия протеолиза

Автор В.К.Антонов

меет пятый порядок. На ферменте такой процесс может происходить в 1013-1017 раз быстрее [16151. Была предложена довольно простая формула для оценки относительной скорости реакций в растворе и на ферменте, учитывающая ориентационные эффекты [16151

8.2. Факторы катализа

353

.n-1

[Е] (55,5)n_1 П в

п п-1

nisi п / с

(4)

телесный угол контакта между соседними молекулами; / - фактор кор-

где 6

рекции для числа соседних молекул, окружающих каждую реагирующую молекулу.

Существенный вклад в эффективность ферментативного катализа может внести эффект "динамичного концентрирования" [3355,3356]. В растворе длительность существования молекулярной пары составляет около Ю-11 с. Если такой комплекс не превращается в продукт, то он распадается, и система вновь переходит на низший уровень энергии. Длительность существования комплексов ферментов с субстратами, как показывают данные ЯМР [3357-3359], порядка 1СГ4-10-7 с, т.е. вероятность флуктуации, приводящей к активированному состоянию, существенно увеличивается. Этот эффект может увеличить скорость реакции на 6-9 порядков [3356].

Сходные идеи были развиты [3360,3361] в "пространственно-временной гипотезе", согласно которой фермент может удерживать реагирующие молекулы на критическом для взаимодействия расстоянии достаточно долгое для прохождения реакции время. Следует отметить, что в этих случаях недооцениваются значительные энтропийные затраты, необходимые для такого удерживания [3347].

Вклад концентрационного и ориентационного эф- ^ фектов изменяет уровень свободной энергии основного состояния реакции (рис.123). Система как бы продвигается по координате реакции, и тем самым понижается активационный барьер. Этот эффект может иметь как энтропийный, так и энталышйный характер.

Рис.123. Энергетический профиль реакции, демонстрирующий продвижение исходного состояния по координате реакции при образовании комплекса между реагирующими веществами

8.2.2. Орбитальный контроль г

Исследование внутримолекулярных реакций лактонизации и тиолактонизации привело к мысли, что важное значение в катализе должно иметь точное соответствие ориентации орбиталей реагирующих атомов [3362-3365].

Как видно из рис.124, отклонение от идеального расположения реагирующих атомов (угол дв) на 15° приводит к падению скорости лактонизации более чем на четыре порядка. Отсюда был сделан вывод, что подобные ускорения возможны и при ферментативном катализе, если в основном состоянии системы орбитали реагирующих,атомов достаточно точно ориентированы.

Эта концепция подверглась серьезной критике [3366-3370] на следующих основаниях: 1) для объяснения относительных ускорений порядка 106—10т необходимо допустить, что точность ориентации реагирующих атомов должна составлять сотые доли градуса; 2) химическая связь нечувствительна к довольно

23. В.К. Антонов

354

Глава восьмая. Специфичность и эффективность. Теории и гипотезы

Рис.124. Зависимость относительной скорости лактонизации от степени отклонения от идеального расположения реагирующих атомов [33631

большим угловым отклонениям (деформация связи С-С на 10° сопряжена с затратами энергии всего лишь 2,7 ккал/моль [1617]; 3) наблюдаемые различия в скоростях лак-тонизации обусловлены различием в "жесткости" молекул так, что у наиболее реакци-онноспособных соединений отсутствуют потери, связанные с замораживанием трансляционных и вращательных степеней свободы в основном состоянии.

8.2.3. Сольватационные эффекты

При образовании фермент-субстратного комплекса изменяется состояние сольватации реагирующей группы субстрата и каталитически активных групп фермента. Изменение сольватной оболочки сильно сказывается на нуклеофильной реакционной способности заряженных групп [1404,3371]. Реакция может происходить как если бы она осуществлялась в газовой фазе. На этом основании было высказано предположение [3372], что в активных центрах ферментов при связывании субстратов создаются условия, аналогичные газофазным. Это может сильно увеличить скорость реакции (см., например: (3373])-

В воде, где заряд может быть делокализован образованием водородных связей, анионы'более стабильны, чем в апротонном растворителе. Поэтому в апро-тонной среде он будет значительно эффектнее присоединять протон или образовывать переходные состояния. Различия в свободных энергиях основных состояний ионов в воде и неводных растворителях могут привести к различиям в скорости реакции, достигающим 17 порядков [3374]. В ферментах изменения в сольватации вряд ли дают столь большие эффекты. Это связано с тем, что де-сольватация аниона хотя и увеличивает его нуклеофильность, но одновременно увеличивает и его основность. Поэтому соотношение нуклеофильности и основности практически не меняется [2353]. Кроме того, потеря сольватационной воды может компенсироваться переориентацией диполей групп белковой молекулы вблизи десольватированного заряда.

Неблагоприятное изменение свободной энергии при десольватации и появление заряда в апротонной среде частично компенсируется за счет увеличения трансляционных степеней свободы системы, так как при этом вытесняется несколько молекул воды.

Итак, сольватационные эффекты повышают уровень энергии основного состояния системы, продвигая ее по координате реакции в направлении переходного состояния. Это справедливо в-том случае, если переходное состояние имеет меньший заряд, чем основное. Однако 'для многих гидролитических реакций пе-

fi> 2

\ \ \

о \

V О

\ \

10 /5

20

А В, град.

Ф ( /°VH Дв=Ф-98°

^0

8.2. Факторы катализа

355

реходное соотояние оказывается более заряженным, чем основное, и реакция в апротонной среде будет происходить медленнее, чем в воде. Отсюда ясно значение механизмов компенсации заряда в переходном состоянии. Эффект среды вносит, по-видимому, отрицательный вклад в эффективность катализа гидролитическими ферментами, но он может компенсироваться "стабилизацией" зарядов при образовании переходного состояния [3352].

Существенное значение для каталитической эффективности ферментов может иметь состояние сольватации поверхности белковой глобулы даже в области, удаленной от активного центра [3375-3377].

Было показано, что связывание лигандов изменяет объем активации (ДУ*) химического превращения субстрата и что существует линейная корреляция между скоростью и объемом активации [3375]. Предполагается, что изменения конформации белка приводят как к изменению собственно объема белковой молекулы, так и к изменению степени экспонирования в раствор боковых цепей и амидных связей полипептидного остова. Это в свою'очередь приведет к изменению состояния гидратационной оболочки белка, что может повысить энтропию-системы. Если процессы перестройки гидратной оболочки происходят на лимитирующей скорость стадии процесса, то указанные явления приведут к изменению свободной энергии активации химического превращения субстрата. В этой связи уравнение для скорости химического процесса предложено [3375] представить в виде:

Е* РдУ* lS* j^y____

k = — е лт е RT е R\ (5) h

Таким образом, уменьшение объема активации при постоянном "давлении приводит к экспоненциальному росту константы скорости.

Эти явления, по-видимому, играют важную роль в реакциях с положительным изменением энтропии активации [3377] и существенны для понимания неспецифического влияния ионов на каталитическую активность и температурную адаптацию ферментов у разных организмов [3376].

Было показано [3378], что имеется критическая степень гидратации белка для проявления им каталитической активности.

8.2.4. Электростатические эффекты

Эти эффекты тесно связаны с эффектами сольватации и уже частично обсуждались в предыдущем разделе. Здесь целесообразно обсудить собственно явление стабилизации заряда на ферменте и вклад этого явления в катализ (2939,3379-3382]. Реакции, происходящие в водном растворе, практически нечувствительны к электростатической стабилизации'заряда [3383], поскольку в средах с высокой диэлектрической проницаемостью энергия взаимодействия двух'противоположно заряженных частиц очень невелика (для протона-"-и электрона, находящих-

о

ся на расстоянии 3,3 А, АЯ=-1 ккал/моль). Однако в аполярной среде, как показали расчеты, проведенные, для катализа лизоцимом (2939'], стабилизация карбоний-иона (промежуточного продукта реакции) карбоксилат-ионом остатка Asp52 составляет 9 ккал/моль, а в сериновых протеазах стабилизация оксиани-

356

Глава восьмая. Специфичность и эффективность. Теории и гипотезы

она тетраэдрического промежуточного соединения - 30 ккал/моль [3381].

Необходимо отметить, что этот эффект обусловлен как непосредственным взаимодействием зарядов, так и взаимодействием между зарядом и перманентными и индуцированными диполями фермента [3380]. Представления о стабилизации переходного состояния за счет электростатических взаимодействий были развиты в ряде работ [3190,3257,3382], однако, если справедливы представления о возможности неадиабатического "туннельного" переноса протона (см. разд. 8.2.7), то само понятие заряда переходного состояния становится весьма неопределенным.

Существенным для белков-ферментов является микрогетерогенность в значениях диэлектрической проницаемости, что приводит к возможности взаимодействия заряда-с водным окружением, а также предорганизация полярной среды -высоко полярные группы в белке фиксированы и не могут изменять свою ориентацию под действием внешнего поля. Заряд, появляющийся внутри белковой глобулы, например в ходе превращения субстрата, не может из-за фиксации диполей эффективно реорганизовать белковую "среду", однако внешняя среда (вода, окружающая глобулу) может достаточно сильно поляризоваться таким зарядом.

Расчеты показывают, что энергия реорганизации среды зарядом, экранированным белковой глобулой существенно меньше, чем зарядом, расположенном целиком в водной фазе. Это может быть существенным фактором снижения энергии активации (см. обзоры: (3384,3385]).

8.2.5. Деформация субстрата

Всякое изменение длины связи или валентного угла в реагирующей группе субстрата приводит к ее дестабилизации и облегчает разрыв связи. В ходе химической реакции происходят' существенные изменения этих параметров. Если активный центр фермента представляет собой жесткую "конструкцию", то возможна ситуация, когда связывание субстрата за счет взаимодействий с удаленными от реагирующей группы участками будет приводить к возникновению деформаций в самой реагирующей группе. Это приведет к продвижению системы в направлении переходного состояния. Если активный центр является конформационно подвижным, а субстрат - "жестким", то субстрат может индуцировать деформацию (скорее всего, энергетически неблагоприятные конформационные изменения) в ферменте. Эти -представления лежат в основе многих современных теорий и гипотез ферментативного катализа, и они будут подробнее разобраны ниже. Здесь же укажем, что концепция деформации субстрата получила вначале экспериментальное подтверждение в работах по рентгеноструктурному анализу лизоцима и его комплесов с ингибиторами (3379,3386]. Однако в дальнейшем (3387) было показано, что в каталитическом участке этого фермента (участок D) связывание сахарного остатка не сопряжено с затратами энергии. Это все же не означает отсутствия деформации, а может быть связано с компенсацией энергетических затрат другими энергетически благоприятными факторами.

Как было показано в разд. 6.5.2 и 7.3, связывание ингибиторов амидгидро-лазами также приводит к деформации потенциально гидролизуемой амидной связи за счет вращения вокруг связи C-N и пирамидализации амидной группы.

Еще одним примером дисторсионного механизма катализа является цис-транс-изомерия некоторых азокрасителей, которая практический не ускоряется низко-

8.2. Факторы катализа

357

молекулярными веществами, но заметно катализируется такими белками, как сывороточный альбумин [3388]. Спектральными методами показано, что в комплексе краситель-белок азогруппа искажена в направлении переходного состояния ццс-транс-изомеризации.

Необычные спектральные характеристики многих металлсодержащих белков и их комплексов с лигандами показывают, что атом металла в них находится в особом деформированном (в отношении распределения электронной плотности) состоянии, которое было названо "энтатическим состоянием" [3389,3390]. Предполагается, что это состояние имеет важные преимущества в отношении каталитической эффективности.

Спектральными методами была установлена поляризация карбонильных групп субстратов в цитратсинтазе [3391,3392], дрожжевой альдолазе [3393] и триозофосфатизомеразе [3394]-

Для разграничения терминов "деформация" (strain) и "напряжение" (stress) было предложено (1613, с.323] использовать термин "деформация" только для случаев физической деформации (изменение длин связей, валентных углов и т.д.), а термин "напряжение" - для состояний с повышенной по сравнению с нормальной свободной энергией. Причиной напряжений могут быть в том числе и сольватационные, и электростатические эффекты. Провести четкую границу между деформацией и напряжением не всегда возможно.

8.2.6. Полифункциональный катализ

Участие в катализе нескольких функциональных групп может внести очень большой вклад в эффективность процесса за счет факторов концентрирования и ориентации. Одновременное участие нескольких каталитических групп в составе одного фермента понижает порядок реакции по сравнению с реакцией в растворе, причем порядок реакции (п) и изменение энтропии активации процесса связаны соотношением [1578]:

-TaS* - п-4,5 ккал/моль.

Поэтому участие в катализе ферментом уже двух групп и одного субстрата могло бы понизить энтропию активации по сравнению с соответствующим тримолеку-лярным процессом более чем на 13 ккал/моль. На самом деле такие ускорения не наблюдаются. Одна из возможных причин этого заключается в том, что образование переходного состояния из большого числа взаимодействующих атомов требует реализации синхронных колебаний, вероятность которых резко падает с увеличением числа атомов в системе (см. разд.3.4.8). Проблема существования в ходе ферментативных реакций согласованного общего основного и общего кислотного катализа остается пока окончательно не решенной (см.: [1404, с.171]).

8.2.7. Квантово-химические эффекты

Обычно в растворе и газовой фазе химические реакции подчиняются принципу Франка-Кондона, т.е. движение атомных ядер происходит значительно медленнее движения электронов, и при каждом расположении ядер электроны движутся так,

358

Глава восьмая. Специфичность и эффективность. Теории и гипотезы

как будто ядра остаются неподвижными.

Для большинства простых реакций электронного переноса весьма вероятно адиабатическое протекание реакции, когда при координатах тяжелых ядер, близких к активационному барьеру, электронные орбитали обоих реагентов образуют единую систему и электрон в каждый данный момент обладает минимальной энергией. Однако если перенос электронов затруднен, то единый терм не образуется и электроны туннелируют. Типичное квантовое поведение характерно и для протона [1512,3384

страница 55
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88

Скачать книгу "Химия протеолиза" (8.49Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
электропривод клапана гермик-с gbb336.1e
двигатель для гироскутера
автомобиль с водителем москва
влагостойкая встраиваемая акустика

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(22.10.2017)