химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

уменьшения свободной энергии активации реакции. Так, электростатическая дестабилизация пиридина или тиоэфира отрицательным зарядом может осуществляться лишь в том случае, если эти группы приходят в соприкосновение с отрицательным зарядом за счет связывающих сил остальной части молекулы. Даже обычный тип напряжения трудно отличить от механизма индуцированной ориентации реагирующих групп; каждая данная молекула проводит разное время в различных конформациях, зависящее от энергий и энтропии каждой конформации, и связывание на активном центре одной из этих конформации, которая легче всего ведет к образованию переходного состояния, оплачивается менее предпочтительной свободной энергией связывания. Так как ускорение реакции зависит от стабилизации связыванием такой особой конформации, то совершенно безразлично, вызывается ли малая вероятность этой конформации за счет неблагоприятной энтропии или энтальпии. Представление об оптимальном связывании переходного состояния можно даже использовать для объяснения увеличения скорости, которое является результатом сближения двух реагентов из разбавленного раствора на активном центре.

Если комплементарность между активным центром и переходным состоянием является существенной для ферментативного катализа, то нельзя исключить возможность синтеза искусственного фермента за счет конструирования подходящего активного центра. Один из возможных путей заключается в получении антитела к гаптеновой группе, которая адекватна переходному состоянию данной реакции. Связывающие центры таких антител должны быть комплементарны переходному состоянию и должны вызывать ускорения за счет переведения связанных субстратов в положение, похожее на переходное состояние.

15*

228

ГЛАВА 5

Б. ПРОЯВЛЕНИЕ СПЕЦИФИЧНОСТИ ФЕРМЕНТОВ В МАКСИМАЛЬНЫХ СКОРОСТЯХ

Одну из общих проблем энзимологии составляет выяснение вопроса, почему специфичность ферментативных реакций часто проявляется в максимальных скоростях, т. е. при высоких концентрациях субстрата, при которых фермент насыщен субстратом. Можно было бы ожидать, что специфичность должна проявляться в связывании субстратов, так что плохой субстрат должен слабо связываться с активным центром, но, связавшись, должен реагировать нормально. Модель «замка и ключа» способна объяснить, почему с активным центром фермента связываются субстраты лишь определенной структуры, однако она не может объяснить специфичность в отношении констант скоростей каталитической стадии, что является характерным свойством ферментов. Наиболее непонятное положение существует для субстратов небольших размеров, которые в состоянии связываться, хотя и непрочно, с активным центром и должны бы были претерпевать превращение. Так, фермент гексокиназа катализирует перенос фосфатной группы от АТФ на воду так же, как на гидроксильную группу специфического акцептора — глюкозы, но скорость реакции с водой составляет всего лишь 5 • 10-6 доли скорости реакции с глюкозой [7]. Совершенно очевидно, что вода в состоянии проникнуть в активный центр фермента, так что малая скорость реакции несомненно связана с низкой реакционной способностью воды в области активного центра. Многие другие ферменты, катализирующие перенос групп, эффективно катализируют перенос на специфические гидроксильные акцепторы, но катализируют слабо или не катализируют вообще перенос на воду.

Один из многих примеров проявления специфичности ферментов в максимальных скоростях реакции, а не в константах связывания был найден при изучении гидролиза центральной пептидной связи в серии синтетических субстратов под действием пепсина (табл. 1) [8]. Максимальные скорости

Таблица 1

Гидролиз пептидов пепсином при рН 4,0 [8]

Пептид а ЕМ, мМ "кат- о"1

Кбз-гли -гис-фен-фен-о-этил 0,80 2,43

Кбз-гис -фен-трип- о- этил 0,23 0,51

Кбз-гис -фен-фен-о-этил 0,18 0,31

Кбз-гис -фен-тир-о-этил 0,23 0,16

Кбз-гис -тир-фен-о-метил 0,68 0,013

Кбз-гис -тир-тир-о-этил 0,24 0,0094

Кбз-гис фен-лей-о-метил 0,56 0,0025

а Кбз — карбобензокси, гли — глицин, гис — гистидин, фен — фенил-аланин, трип — триптофан, лей — лейцин, тир — тирозин.

гидролиза этих пептидов различаются в 1000 раз, хотя константы Михаэлиса, которые пропорциональны, а возможно, и равны константам диссоциации фермент-субстратного комплекса, изменяются всего лишь в 4 раза. Существует по крайней мере три приемлемых объяснения этого явления: индуцированное соответствие, непродуктивное связывание и ускорение реакции

НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕФОРМАЦИИ И КОНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ

229

индуцированием напряжения. По-видимому, не всегда можно провести четкую грань между этими случаями.

1. ТЕОРИЯ ИНДУЦИРОВАННОГО СООТВЕТСТВИЯ

По теории индуцированного соответствия, выдвинутой Кошландом [9, 10], каталитические группы активного центра свободного фермента не находятся в том положении, в котором они осуществляют эффективный катализ. Когда хороший субстрат связывается с ферментом, силы связывания между ферментом и субстратом используются для создания в ферменте энергетически менее предпочтительной, но каталитически активной конформации (рис. 3). Плохой субстрат будет связываться с активным центром, однако

Рис. 3. Механизм индуцированного соответствия, согласно которому связывание субстрата группами В4 и В2 вызывает изменение в конформации фермента, так что группы X и Y активного центра, необходимые для катализа, располагаются соответствующим образом относительно субстрата [1].

не будет иметь необходимых структурных особенностей для конформацион-ного изменения фермента в активную форму и, следовательно, не будет претерпевать превращения.

Индуцированное соответствие обеспечивает контроль и специфичность ферментативной реакции, однако оно не включает непосредственного использования связывающих сил для уменьшения активационного барьера реакции. Равновесия и соответствующие свободные энергии этого механизма представлены схемой (3), в которой Е — неактивная форма свободного фермента E'S — модифицированный активный фермент, связанный с субстратом. Поскольку Е — энергетически предпочтительная форма свободного фермента (свободный фермент каталитически неактивен) и E'S — каталитически активная форма фермент-субстратного комплекса, силы связывания фермента и субстрата должны являться движущей силой энергетически неблагоприятного превращения Е в Е'. Наблюдаемая энергия связывания субстрата (с образованием E'S) должна уменьшиться на эквивалентную величину.

E + S ^ ES

k«Jt ..t^ (3)

Кз

E' + S ^ E'S —>- продукты

Наблюдаемая свободная энергия связывания субстрата, равная AFt + AF3 [индексы соответствуют номерам реакций схемы (3)], всегда будет менее благоприятной, чем AF3 (свободной энергии связывания субстрата с активным центром каталитически активной конформации), на величину, равную AFt, поскольку AFi положительно.

Таким образом, индуцированное соответствие приводит: 1) к уменьшению наблюдаемой константы связывания по сравнению с величиной, которая наблюдалась бы в случае строгого соответствия субстрата активному

230

ГЛАВА 5

центру без каких-либо дополнительных конформационных изменений, и 2) к тому, что максимальная скорость реакции оптимальна для специфического субстрата, который может использовать специфические силы связывания для осуществления конформационного изменения- Основной результат этого процесса заключается в том, что субстратная специфичность проявляется при высоких концентрациях субстрата. Если бы энергия связывания не использовалась для осуществления индуцированного соответствия, то наблюдалось бы более прочное связывание и, следовательно, высокая ферментативная активность со специфическим субстратом в разбавленном растворе.

Эта теория особенно привлекательна для объяснения отсутствия ферментативной активности с небольшими субстратами, такими, как вода, в которых нет групп, способных обеспечить связывание и энергию, необходимые для приведения фермента в активную конформацию. Однако остается по-прежнему непонятным, как этот механизм может приводить к таким большим различиям в скоростях, которые наблюдаются на опыте. Так, для объяснения различия в 5 • 10-в раз между водой и глюкозой в реакциях гексокиназы необходимо, чтобы концентрация активного фермента Е' в отсутствие специфически индуцирующих сил составляла бы 5 -Ю-6 частей неактивного фермента. Связывание глюкозы должно приводить к превращению фермента в активную форму, что требует более 7 ккал (29,3 -103 Дж) свободной энергии. Чтобы получить наблюдаемую энергию связывания, эту энергию

необходимо вычесть из возможной максимальной энергии связывания глюкозы (которая бы соответствовала оптимальному взаимодействию с активным центром). Это достаточно большая цена за специфичность, однако с точки зрения целесообразности это, возможно, необходимо для предотвращения бесполезного гидролиза АТФ. Другие теории не решают аналогичные энергетические проблемы более успешно.

„ Хороший субстрат

Фермент

ПродуктиВный комплекс

ПродуктиВный комплекс

1. ГИПОТЕЗА НЕПРОДУКТИВНОГО СВЯЗЫВАНИЯ [11-16]

В соответствии с гипотезой непродуктивного связывания в случае «плохого» субстрата в каталитически неактивном положении оказывается субстрат, а не фермент. Можно допустить, что «хороший» специфический субстрат имеет несколько связывающих центров, которые комплементарны центрам на ферменте, так что субстрат связывается только в одном активном положении (рис. 4). Плохой субстрат, в котором отсутствует одна или несколько этих связывающих групп или они расположены некомплементарно, может связаться правильно, но может связаться и неправильно с образованием каталитически неактивных фермент-субстратных комплексов (рис; 4). Наблюдаемая максимальная скорость F0bS Для плохих субстратов будет, таким образом, меньше максимальной скорости для продуктивно связанного субстрата Vp на фактор, соответствующий доли субстрата, который связан

„плохой" субстрат

Непродуктивный комплекс

\

Р и с. 4. Схема продуктивного и непродуктивного связывания «хорошего» и «плохого» субстратов.

НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕФОРМАЦИИ И КОНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ 231

продуктивно [уравнение (4)]:

К

Fobs~Vp Kp+Kni + Kn2+...+Knx • <4>

Аналогично наблюдаемая константа связывания K0bS (если она выражена в моль/л) будет больше, чем константа продуктивного связывания Кр, поскольку она включает все возможные способы связывания, как продуктивные, так и непродуктивные [уравнение (5)]:

К-оЪв = К-р-\-Кп1-\-Кпг-\- ... -\-Кпх. (5)

Если непродуктивное связывание преобладает, константа продуктивного ¦связывания будет так мала, что не будет давать заметного вклада в наблюдаемую константу связывания.

Эту теорию наиболее широко использовали при рассмотрении реакций, катализируемых химотрипсином. Выло постулировано, что для субстратов типа R1CONHCHR2COR3 на ферменте существуют центры связывания pi, «р3, Рз, которые взаимодействуют с Rl5 R2, R3 соответственно. В случае хорошего субстрата имеет место правильное попарное соответствие групп •субстрата и центров на ферменте; в случае плохого субстрата возникают неправильные взаимодействия, приводящие к непродуктивному связыванию. Эта теория способна дать согласованную картину многих каталитических свойств рассматриваемого фермента [14—16]. Хорошо известный факт, что производные D-аминокислот гидролизуются очень медленно или вообще не гидролизуются под действием химотрипсина, хотя их константы связывания очень близки к константам, наблюдаемым для соответствующих ь-субстратов, является, по-видимому, следствием непродуктивного связывания. Интересно отметить, что ацил-ферментные промежуточные соединения,-•образованные D-субстратами, претерпевают гидролиз более медленно, чем промежуточные соединения неспецифических субстратов, такие, как ацетил-или ацетилглицил-химотрипсин; кроме того, чем быстрее претерпевает гидролиз промежуточное соединение, образованное из нормального ь-суб-•страта, тем медленнее гидролизуется D-субстрат [17]. Можно допустить, что неспецифический субстрат укрепляется на активном центре в нескольких положениях и только некоторые из них ведут к гидролизу. Высокоспеци-¦фичный ь-субстрат связывается правильно и быстро претерпевает гидролиэ, в то время как соответствующий D-субстрат связывается преимущественно неправильно, так что он почти никогда не находится в положении, обеспечивающем гидролиз. С другой стороны, поскольку трудно объяснить очень низкую скорость гидролиза ацетил-фермента просто малой вероятностью конформации, которая ведет к гидролизу, необходимо допустить, что специфический ь-субстрат может вызвать конформационное изменение фермента, которое облегчает гидролиз за счет правильной ориентации каталитических групп или индуцирования напряжения, в то время как о-субстраты вызывают конформационное изменение, которое затрудняет реакцию.

Чтобы объяснить низкую реакционную способность воды в реакции гексокиназы теорией непродуктивного связывания, необходимо принять, что вода связывается в 2-105 раз чаще неправильно, чем правильно. Это трудно понять, поскольку для большинства химических реакций характерны много меньшие ориентационные требования. Для правильного связывания гидрок-сильного субстрата должен существовать барьер свободной энергии более чем 7 ккал/моль (29,3.10s Дж/моль), и энергия связывания глюкозы должна ^5ыть достаточной для преодоления этого барьера. Величина этого барьера указывает, по-видимому, на существование специфического стерического или конформационного препятствия для правильного связывания воды.

232

ГЛАВА 5

3. ТЕОРИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ИЛИ ДЕФОРМАЦИИ

В соответствии с теорией напряжения или деформации связывающие силы между субстратом и ферментом непосредственно используются для создания напряжения или деформации, которые облегчают реакцию. Если активный центр фермента жесткий, то, чтобы субстрат мог связаться с ним, он должен претерпеть деформацию таким образом, чтобы его структура максимально приблизилась к структуре переходного состояния реакции; энергия связывания является источником тех сил, которые позволяют субстратам связываться в искаженной конфигурации. Все это представлено на схеме (6), в которой S — нормальный субстрат, S' — искаженный субстрат, а Е — фермент, способный связывать только искаженный субстрат.

Е + S ES S'

(6)

Наблюдаемая энергия связывания Ai*\ является алгебраической суммой энергии, требуемой на искажение субстрата AF2, и энергии связывания искаженного субстрата AF3. Наблюдаемая энергия связывания меньше

Расщепляемая сВязь + Переходное состояние

Продукты

Рис. 5. Схема, показывающая, как индуцируемое субстратом конформационное изменение фермента можно использовать для облегчения протекания реакции, «растягивая»

субстрат.

максимальной энергии связывания, которая наблюдалась бы в отсутствие напряжения или искажения, на величину, требуемую для возникновения искажения (AF2). Таким образом, скорость реакции растет за счет умень* шения связывания.

В случае если конформационно лабилен фермент, а субстрат обладает относительно жесткой структурой, схема реакции та же, что и для теории индуцированного

страница 41
< 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

Скачать книгу "Катализ в химии и энзимологии" (4.04Mb)


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

 

 

Реклама
3153-TS-TV
комод на 10 ящиков
кухонная утварь купить спб
курсы шитья москва цена

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
(09.12.2016)