химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

соответствия [схема (3)]. Наиболее стабильное состояние фермента не имеет оптимального соответствия субстрату, но зато по комплементарным свойствам ближе к переходному состоянию. Чтобы возможно было образование комплекса с субстратом, фермент должен претерпеть энергетически неблагоприятную деформацию. Тенденция фермента возвратиться в свое начальное низкоэнергетическое состояние будет обеспечивать движущую силу перевода субстрата в структуру, близкую к структуре переходного состояния. На рис. 5 приведена схема такого процесса. В данном случае тенденция искаженного фермента Е' возвратиться в недеформиро-ванное состояние Е облегчает реакцию, «растягивая» связи субстрата. Так же как в случае индуцированного соответствия, наблюдаемая энергия связы-

НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕФОРМАЦИИ И КОНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ 233

вания субстрата меньше энергии, которая необходима для связывания с недеформированным активным центром, на величину, требуемую для искажения фермента. Различие между теорией индуцированного соответствия и теорией напряжения заключается в том, что по теории индуцированного соответствия энергия связывания используется для ориентации каталитических групп в требуемое положение относительно хорошего субстрата, обеспечивая специфичность при высоких концентрациях субстрата, в то время как по теории напряжения энергия связывания непосредственно используется для уменьшения свободной энергии активации реакции, также обеспечивая специфичность при высоких концентрациях субстрата.

Фактически ни один из приведенных выше механизмов гипотезы напряжения не соответствует действительности, поскольку ни субстрат, ни фермент не являются жесткими молекулами. В реальной системе, по-видимому, претерпевают искажение как субстрат, так и фермент, и наблюдаемый эффект должен быть промежуточным между двумя случаями, описанными выше. Фермент, по-видимому, может иметь высокую степень конформа-ционной подвижности в отношении некоторых перемещений из-за слабости отдельных связей, определяющих его конформацию. Поэтому возникает вопрос, будет ли энергия искажения белка достаточной, чтобы вызвать существенное ускорение реакции, поскольку для многих типов перемещений боковых цепей нельзя ожидать больших силовых констант. Легче всего представить индуцированное белком искажение, которое включает сжатие и изменение углов между связями. Так, можно представить углубления на поверхности фермента, которые ведут к искажению углов между связями за счет изгибания связей у центрального атома, чтобы образовать гидрофобные или другие связи с группами, окружающими этот атом. Искажение, которое включает разрушение а-спирали или другой кооперативной структурной единицы белка или которое ведет к образованию незанятой полости, по-видимому, требует большой энергии. Фактически гипотеза искажений-дает рациональное объяснение тому факту, что ферменты являются большими молекулами, величина которых существенно превосходит размеры, необходимые для локализации каталитических групп; по-видимому, интакт-ная трехмерная структура определенного размера и жесткости необходима-для обеспечения соответствия и силовых констант для индуцирования напряжения.

В терминах теории напряжения большая активность гексокиназы в реакции с глюкозой по сравнению с водой должна вызываться использованием специфических сил связывания молекулы глюкозы для индуцирования напряжения в фермент-субстратном комплексе, облегчающего перенос фосфата от АТФ. В случае воды такое специфическое связывание отсутствует, реакция не может ускоряться аналогичным образом и протекает более-медленно.

В. НЕКОТОРЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ НАПРЯЖЕНИЯ

1. ЭСТЕРАЗА И ХИМОТРИПСИН

Существует много экспериментальных наблюдений, которые удовлетворительно можно объяснить с точки зрения теории напряжения, однако-ни одно из них не служит строгим обоснованием теории. Наиболее интересной является найденная Хофсти закономерность, что максимальные скорости гидролиза замещенных фениловых эфиров СНз(СН2)пСООС6Н4СОО_ под действием эстеразы печени и химотрипсина возрастают с увеличением длины цепи ацильной части субстрата [18]. В определенных пределах это происходит-при относительно небольшом изменении величины константы Михаэлиса..

234

ГЛАВА 5

Таким образом, увеличение длины углеводородной цепи, которое мало сказывается на химической реакционной способности эфиров и должно было •бы приводить только к более прочному связыванию, обусловливает увеличение скорости атаки ацильной группы в ферментативной реакции. В терминах теории напряжения [19] это указывает на то, что энергия взаимодействия углеводородной цепи с белком используется для индуцирования напряжения в фермент-субстратном комплексе, как это схематически показано на рис. 6. Предположим, что субстрату с короткой цепью соответствует •определенная энергия связывания А/а- Более длинный субстрат должен иметь дополнительную энергию связывания AFB за счет гидрофобного взаимодействия углеводородной цепи. Если эта энергия используется для индуцирования напряжения AFBs и уменьшения свободной энергии активации, то на такую же величину уменьшится вклад в константу связывания;

N

Наблюдаемая энергия связывания

энереия

IF*

в. tFr.

Р и с. 6. Схема, показывающая, как силы фермент-субстратного связывания можно использовать для индуцирования напряжения в фермент-субстратном комплексе.

•если AFB будет равно AFBs, то наблюдаемая энергия связывания будет той же, что и для субстрата с короткой углеводородной цепью AFA. Для более длинной цепи большая энергия связывания AFc может быть превращена в большую энергию напряжения AFC$, давая дальнейшее увеличение скорости реакции. Наблюдаемое увеличение скорости с увеличением длины цепи происходит на величину, которую следовало бы ожидать, если бы энергия гидрофобного связывания каждой дополнительной метиленовой группы непосредственно использовалась для уменьшения свободной энергии активации, а не для увеличения связывания. Для объяснения этих наблюдений с точки зрения теории индуцированного соответствия необходимо постулировать, что увеличение длины цепи приводит к прогрессивно лучшему соответствию каталитических групп относительно ацильной группы субстрата. Теория непродуктивного связывания требует, чтобы меньшие субстраты связывались неправильно и чтобы с увеличением цепи прогрессивно •большая доля субстрата связывалась продуктивным образом.

Недавно Кейн и Ветлауфер показали, что скорости деацилирования серии ацилхимотрипсинов CH^CH^CO — Enz также увеличиваются с увеличением длины цепи ацильной группы. Уменьшение на 1,6 ккал/моль -(6,7-10s Дж/моль) свободной энергии активации при переходе от двух-к шестиуглеродным соединениям является следствием увеличения на 10,1 ккал/ моль (42,4-Ю3 Дж/моль) энтальпии активации и уменьшения на 11,7 ккал/ моль (49,1 • 103 Дж/моль) энтропийного члена активационного барьера [20]. Эти величины слишком большие, чтобы их можно было объяснить каким-либо процессом, не включающим изменений в конформации фермента; возможно, •они связаны с изменениями в структуре растворителя, которые вызывают взаимокомпенсирующие изменения в энтальпии и энтропии. Уменьшение •свободной энергии активации для субстратов с более длинной углеводородной цепью можно объяснить либо индуцированным соответствием каталитических групп, либо механизмом напряжения. Значительно большие различия между

НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕФОРМАЦИИ И КОНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ 235

скоростями стадии деацилирования некоторых специфических и неспецифических субстратов связаны с очень малыми изменениями в энтальпии, но с существенными различиями в энтропии активации [21]. Исследования Кейна и Ветлауфера показывают, что кажущееся отсутствие разницы в энтальпиях для специфических субстратов может быть результатом уменьшения энтальпии активации за счет эндотермического конформационного изменения •фермента в присутствии специфических субстратов.

2. ТРИПСИН

Свидетельство другого типа, указывающее на участие нереагирующей •части субстрата в каталитическом процессе, было найдено при изучении гидролиза этилового эфира ацетилглицина под действием трипсина. В присутствии иона метилгуанидина наблюдается 7-кратное увеличение скорости реакции. Нормальные специфические субстраты трипсина содержат катион-ную группу, которая, возможно, взаимодействует с анионным центром ва ферменте, как это показано для этилового эфира бензоиларгинина (I). Этиловый эфир ацетилглицина — меньший по размерам и незаряженный субстрат — не может взаимодействовать с этим анионным центром и претерпевает гидролиз в 108 раз медленнее, чем специфический субстрат. Однако «ели метилгуанидиновая группа взаимодействует с этим центром (II), то происходит небольшое восстановление нормальной активности

Этот и аналогичные результаты, которые были получены для некоторых других ферментов, показывают, что структурная часть нормального субстрата, которая ответственна за специфичность, взаимодействует с ферментом, вызывая изменения в геометрии системы, которые приводят либо к правильной ориентации каталитических групп относительно субстрата, либо к индуцированию напряжения в реагирующих связях. Интересно отметить, что ион метилгуанидина вызывает также 6-кратное увеличение скорости алкилирования иодацетамидом имидазольной группы в активном центре трипсина [22].

3. 2-КЕТО-3-ДЕЗОКСИ-6-ШОСШОГЛЮКАНОАЛЬДОЛАЗА

Этот фермент является другим примером, где ферментативная активность зависит от присутствия группы (в этом случае фосфатного эфира), которая расположена на некотором расстоянии от реагирующих атомов [23]. Фермент

О

II

RCN О

I II

+ .^.С — NHCHaCHaCH2CHCOEt

236

ГЛАВА 5

катализирует реакцию субстрата IV (не содержащего фосфатной группы) более чем в 10 ООО раз менее эффективно, чем реакцию нормального субстрата III. Можно ожидать, что дефосфорилированное соединение связывается в правильной ориентации, поскольку на молекуле сахара существует несколько возможных специфических центров взаимодействия. Это подтверждается его реакцией с ферментом при низких концентрациях с образованием ковалентной иминной связи с активным центром, что, вероятно, является первой стадией нормального каталитического процесса

соо- 1 coo- 1

1 с = о А=о

1 сн2 1 сн2

1 неон 1 неон 1

1 неон 1 неон

Н2СОР01- j Н2СОН

III IV

Необходимость присутствия фосфатной группы для проявления активности наиболее просто интепретируется, если допустить, что эта группа действует как «рычаг» для осуществления индуцированного напряжения в фермент-субстратном комплексе, однако возможны и другие интерпретации этого явления в терминах гипотез индуцированного соответствия или непродуктивного связывания.

4. ИНГИБИРОВАНИЕ АНАЛОГАМИ ПЕРЕХОДНОГО СОСТОЯНИЯ

Если за счет энергии связывания происходит искажение субстрата в состояние, напоминающее переходное, то это эквивалентно утверждению, что переходное состояние связывается с активным центром более эффективно, чем субстрат. Поэтому соединения, которые являются аналогами переходного состояния, также должны связываться с ферментом более эффективно, чем субстрат. Существует несколько свидетельств, что это может иметь место. Пролинрацемаза ингибируется пиррол-2-карбоновой кислотой (V) в концентрациях, в 160 раз меньших, чем пролином (VI). Фуран-2-карбоновая кислота (VII) и тиофен-2-карбоновая кислота (VIII)

СЗ-соо- О^-соо" о

Ж Ш

ГЛ .соо-

также являются хорошими ингибиторами, в то время как тетрагидрофуран-2-карбоновая кислота (IX), которая наиболее близка по структуре к пролину, не является ингибитором. В переходном состоянии реакции пролинрацемазы гибридизация а-атома углерода несомненно приближается к «р2-гибридиза-ции и переходное состояние является более плоским, чем исходное, имеющее тетраэдрический атом углерода, поэтому сильное ингибирование плоскими

ГУ

СОО"

N I

Н

гу°

СОО"

N

Н

НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕФОРМАЦИИ И КОНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ 237

ароматическими молекулами вполне согласуется с тем, что можно ожидать, если фермент искажает субстрат, приближая его к плоскому переходному состоянию [24]. 160-кратное различие в связывании соответствует разнице в свободной энергии 3000 кал/моль (12,6ЛО8 Дж/моль), которая может быть использована для искажения субстрата.

Аналогичное явление обнаружено при изучении Аб-3-кетостероидизоме-разы, которая катализирует удаление протона из положения 4 субстрата Аб-андростен-3,17-диона (X), вероятно, через достижение почти плоского переходного состояния

"Этот фермент сильно ингибируется плоской молекулой 17-|3-дигидроэкви-ленином (XI) с Kt, равной 6,3-Ю-6 М, которая много меньше, чем Км для этого субстрата, равная 3,2-10"4 М. Более того, субстраты, которые претерпевают изомеризацию с максимальной скоростью реакции, меньшей чем соединение X, имеют приблизительно в 10 раз меньшие значения Км [25]. Сильное ингибирование соединением XI и родственными ингибиторами может быть вызвано их сходством с почти плоским переходным состоянием. Более высокое значение Км для соединения X, чем для менее эффективных субстратов, может отражать большее превращение энергии связывания в энергию напряжения в случае субстрата X, если величина Км действительно характеризует относительную связывающую способность субстратов.

.5. АКТИВАЦИЯ КОСУБСТРАТАМИ

Для многосубстратных ферментов можно ожидать, что эффективная структура активного центра будет зависеть от присутствия субстратов, так что реакционная способность одного субстрата будет зависеть от присутствия другого, даже если между этими субстратами не будет происходить прямой реакции с преобразованием ковалентных связей. Существует много ферментов, которые требуют присутствия всех или нескольких субстратов для проявления ферментативной активности в частичных реакциях или реакциях обмена. Если этот механизм необходим для проявления специфичности фермента, можно ожидать, что индуцирование напряжения или соответствия присутствием второго субстрата будет приводить к увеличению реакционной способности первого субстрата как по отношению к малым ненормальным реагентам, так и по отношению к нормальному реагенту. Возможный пример такого поведения был найден при изучении фермента люциферазы, который катализирует замещение пирофосфата (РР) в АТФ карбоксильной группой люциферина (L) с образованием люциферил-АМФ и обратное замещение люциферина в люциферил-АМФ пирофосфатом с образованием АТФ и люциферина [схема (7)].

В отсутствие пирофосфатсодержащих соединений связанный на ферменте люциферил-АМФ совершенно стабилен, однако в присутствии пирофосфата или АТФ он становится реакционноспособным и реагирует с образованием АТФ в присутствии пирофосфата или претерпевает гидролиз в присутствии АТФ [26]. Таким образом, в присутствии АТФ наблюдается АТФ-азная активность, причиной которой может быть активация субстрата к атаке водой этим пирофосфатсодержащим соединением (АТФ). В соответствии с гипотезой напряжения присутствие пирофосфатсодержащей группы индуцирует напряжение в комплексе люциферил-АМФ-фермент, облегчая реак-

X

XI

238

ГЛАВА 5

цию с подходящим акцептором. Аналогичная интерпретация

страница 42
< 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
ea234wmi bk
шкафы металлические с ящиками купить в москве
где в москве купить descente
системная склеродеймия

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
(24.10.2017)