химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

щенного соединения. Эта более высокая плотность заряда будет приводить к более сильному взаимодействию с сольва-тирующими молекулами воды по сравнению с «ара-изомером (более отрицательное значение AHsoiv), однако зто более сильное взаимодействие также

248

ГЛАВА 5

будет приводить и к более высокой степени ориентации молекул воды вокруг отрицательного заряда (более отрицательное ASsoiv)> которая будет иметь тенденцию компенсировать изменение энтальпийного члена. Этот тип компенсации, по-видимому, является распространенным явлением; энтальпии и энтропии сольватации могут обнаруживать очень большие изменения, однако это приводит к очень небольшим изменениям свободной энергии сольватации. В случае если это уравновешивание полное (а оно, по-видимому, почти полное в процессах ионизации при обычных температурах), приходим к выводу, что наблюдаемые разности свободных энергий являются достаточно хорошей мерой разностей внутренней энтальпии реакции [уравнение (18)]

дд^оЬ8 = ддя1п4. (18)

Этот вывод находится в согласии с тем, что подсказывает химическая интуиция, и, кроме того, с различными теоретическими приближениями для большого числа реакционных серий, в которых эффекты заместителей лучше коррелируют с наблюдаемыми свободными энергиями (т. е. с log К или log к), чем с энтальпиями реакций [68, 69]. Таким образом, определения энтальпии и особенно энтропии реакции весьма полезны для установления различий в сольватации реагирующих веществ, переходного состояния и продуктов реакции, однако они не обеспечивают удобного критерия для обнаружения различий во внутренней структуре и стабилизации или в потенциальной энергии этих частиц.

Следует ожидать, что для перенесения молекулы субстрата из разбавленного раствора в активный центр фермента и переведения их в положение, которое отражает переходное состояние реакции, необходимы изменения как в энтальпии, так и в энтропии. Эти изменения трудно разделить даже теоретически, поскольку достижение продуктивного связывания с соответствующей ориентацией и упорядочением как фермента, так и субстрата почти наверное будет включать изгибание и деформацию связей и атомных групп, т. е. изменения в энтальпии, и маловероятно, что эти процессы могут иметь место без сопровождающего энтропийного вклада, связанного с ограничением движения молекул. Таким образом, можно с одинаковым правом говорить как о «энтропийном напряжении», так и о «энтальпийном напряжении», однако так же как и в случае анализа эффектов сближения (гл. 1), ясное различие между этими эффектами трудно получить только на основе экспериментально определяемых термодинамических величин.

Ж. ОСЦИЛЛИРУЮЩИЕ ФЕРМЕНТЫ

Предположим, что фермент может существовать в двух состояниях: в состоянии Е', в котором он индуцирует напряжение в субстрате, облегчая превращение его в продукт, и в состоянии Е, в котором он индуцирует напряжение в продукте, превращая его обратно в субстрат. Такого рода система схематически приведена на рис. 7. Если бы существовал механизм с соответствующей движущей силой, по которому формы Е и Е' претерпевали бы взаимное циклическое превращение, фермент мог бы катализировать реакции в обоих направлениях. Для системы, приведенной на рис. 7, реакция включала бы разрыв субстрата и сталкивание продуктов. Такого рода механизм не имел бы ограничения механизмов, рассмотренных выше, которое заключается в том, что фермент должен воздействовать как на субстрат, так и на продукты реакции, переводя их в состояние, похожее на переходное состояние, одинаковое для обоих направлений; по осциллирующему механизму субстрат может быть переведен в переходное состояние, которое соответствует продукту реакции, и продукты — в переходное состояние, которое соответствует субстрату. Серьезное теоретическое возражение

НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕФОРМАЦИИ И КОНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ 2491

против такого механизма заключается в том, что он противоречит принципу-микроскопической обратимости, поскольку прямая и обратная реакции в этом механизме протекают разными путями.

Другая серьезная проблема, возникающая при обсуждении механизма осциллирующего фермента,— это вопрос об источнике энергий, которая: заставила бы фермент осциллировать между двумя конформациями с удовлетворительной движущей силой, обеспечивающей перемещение субстрата и протекание реакции. Трудно представить себе колебания молекулы белка, подобные колебаниям пружины, которые использовали бы тепловую анергию и которые бы не затухали под действием случайных внутренних колебаний и встреч с молекулами растворителя. Такие колебания требовали бы специального механизма для фокусирования или координации тепловой энергии кооперативным способом, что до настоящего времени не было четко исследовано *. Можно предположить, что силы связывания субстрата могут быть использованы для перевода фермента в конформацию Е' и силы связывания продукта — для перевода его в конформацию Е, но обычно различия в структуре субстрата и продукта недостаточны, чтобы обеспечить движущую силу для двух таких различных изменений.

Механизм, по' которому, по-видимому, можно осуществить катализ-реакции в одном направлении по механизму осцилляции, включает связывание активатора А с комплексом ES, которое облегчает реакцию индуцированием конформационного изменения с образованием E'SA [схема (19)].

±А

E + S ^ ES ^ ESA

Jj ]| I, <1Ч.

E' + S ^ E'S ^ E'SA Е'РА ^ Е + Р + А

В этом механизме движущей силой такого конформационного изменения: является энергия связывания молекулы активатора. Необходимо, чтобы активатор связывался только с комплексом ES по принудительному, упорядоченному механизму. В данном случае не наблюдается противоречия с принципом микроскопической обратимости, однако эффективный катализ реакции в обратном направлении по механизму осцилляции требовал бы другого-активатора, который должен индуцировать другое конформационное изменение.

3. МЕХАНИЗМЫ КОНТРОЛЯ И АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЕ ФЕРМЕНТЫ 1701

Детальное обсуждение роли конформационных изменений в механизмах: регулирования ферментативной активности выходит за рамки данной монографии, и здесь будут рассмотрены только некоторые аспекты этой проблемы.

С—О

Рис. 7. Катализ расщепления и образования связи осциллирующим ферментом [1].

* Есть все основания полагать, что такой механизм будет противоречить второму-началу термодинамики.— Прим. ред.

250 ГЛАВА 5

Ферменты часто проявляют ингибирующее или активирующее влияние ъ присутствии физиологических концентраций метаболитов, которые являются предшественниками или продуктами метаболического пути, включающего данный фермент.чРегулирование ферментативной активности по такому механизму обеспечивает поддержание концентраций метаболитов на физиологическом уровне. <1 Такой контроль ферментативной активности может осуществляться изменениями конформации фермента, вызываемыми активаторами, ингибиторами или субстратами, и часто включает взаимодействия между субъединицами фермента. Особенно важными аспектами этой проблемы являются: 1) кооперативная природа таких взаимодействий и 2) контроль чрерментативной активности посредством связывания молекулы с центром, •отличающимся от активного центра. Изменения ферментативной активности, которые попадают в эту категорию, часто называют «аллостерическими» эффектами, однако использование этого термина, к сожалению, не ограничивается этим единственным смыслом.

Кооперативные взаимодействия часто проявляются в хорошо известных •сигмоидальных кривых, связывающих ферментативную активность с концентрацией субстрата или активатора. Начало такой кривой имеет вогнутость, и это значит, что скорость реакции пропорциональна концентрации субстрата или активатора в степени, большей чем первая, т. е. для обеспечения максимальной активности с ферментом должны связаться две или большее число молекул. Это означает также, что связывание с отдельными центрами дает больше, чем простой аддитивный эффект, и указывает на то, что должно происходить некоторое взаимодействие связывающих центров между собой.

Различные связывающие центры обычно расположены на разных субъединицах фермента, так что это взаимодействие отражает взаимодействие субъединйц. Это взаимодействие может приводить к изменениям либо в максимальной скорости, либо в связывании субстрата с ферментом, либо в том и в другом, и не всегда из кинетики реакции очевидно, какое изменение происходит. Были предложены различной сложности математические модели, объясняющие этот тип кинетического поведения [71, 72]. Однако число переменных в этих моделях так велико, что трудно или даже невозможно сделать между ними выбор из кинетики данной реакции, и механизм этих эффектов может быть более успешно понят путем изучения физических или химических свойств системы. Так, изучение физических свойств аспартаттранскарбамилазы показало, что фермент состоит из двух каталитически активных субъединиц, которые можно отделить от четырех меньших размером ингибиторных субъединиц. Ингибиторные субъединицы могут связывать молекулы ингибитора даже после того, как они отделены от каталитических субъединиц [73].

Фермент ксантозин-5'-фосфатаминаза иллюстрирует некоторые стороны механизма регуляции, которые могут отражать связывание на центре, отличном от активного центра. Этот фермент подвергается неконкурентному инги-бированию антибиотиком псикофуранином, который структурно связан с регуляторными метаболитами этой системы. Так же как в случае многих ферментов подобного рода, ингибиторная активность может быть утрачена при добавлении веществ, которые, как можно ожидать, изменяют структуру •белка, например мочевины или сульфгидрильных реагентов, или при фотоокислении в присутствии красителя метиленового голубого. Это происходит без нарушения каталитической активности фермента и указывает, что центр ингибирования отличается от каталитического центра. Взаимодействие фермента с меркаптоэтанолом приводит к частичному понижению чувствительности к ингибированию, хотя фермент продолжает связывать ингибитор. Зто является дальнейшим подтверждением того, что в интактном белке ¦существует область между каталитическим и регуляторным центрами, через

ЛИТЕРАТУРА

251

которую передается регуляторный эффект. Исследование седиментации фермента в градиенте сахарозы показало, что для этих изменений диссоциация субъединиц не играет заметной роли [74].

ЛИТЕРАТУРА

1. Lumry Д., in Boyer P. D., Lardy H., Myrback K. (eds.), «The Enzymes*, 2d ed., vol. 1, Academic Press Inc., New York, 1959, p. 157; Linderstrom-Lang K. U., Schellman J. A., ibid., pp. 443, 466; Hammes G. G., Nature, 204, 342 '1964); Wilson I. B. in FlorkinM., Stotz E. H. (eds.), «Comprehensive Biochemistry)), vol. 12, Elsevier Publishing Company, Amsterdam, 1964, p. 285; Jencks W. P. in Kaplan N. 0., Kennedy E. P. (eds.), «Current Aspects of Biochemical Energetics», Academic Press Inc., New York, 1966, p. 273; Lumry R., Biltonen R., in Timasheff S., Fasman G. D. (eds.), «Biological Macromolecules*, vol. 2, chap. 1, Marcel Dekker, Inc., New York, 1969.

2. Joshi J. G., Handler P., J. Biol. Chem., 235, 2981 (1960).

3. Greene R. C., Davis N. В., Biochim. Biophys. Acta, 43, 360 (1960).

4. Buchwald M., Jencks W. P., Biochemistry, 7, 844 (1968).

5. Yoshizawa Т., Wald G., Nature, 214, 566 (1967).

6. Yoshizawa Т., Wald G., Nature, 197, 1279 (1963).

7. Trayzer K. A., Colowick S. P., Arch. Biochem. Biophys., 94, 161 (1961).

8. Inouye K., Fruton J. S., Biochemistry, 6, 1765 (1967).

9. Koshland D. E., Jr., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 44, 98 (1958).

10. Koshland D. E., Jr., Advan. Enzymol., 22, 45 (1960); Koshland D. E., Jr., Neet К. E.,

Ann. Rev. Biochem., 37, 359 (1968). -11. Bernhard S. A., Gutfreund H., Proc. Intern. Symp. Enzyme Chem. Tokyo Kyoto, 1958, 124.

12. Bernhard S. A., J. Cellular Сотр. Physiol., 54, (Suppl. 1), 256 (1959).

13. Spencer Т., Sturtevant J. M., J. Am. Chem. Soc, 81, 1874 (1959).

14. Hein G. E., Niemann C, J. Am. Chem. Soc, 84, 4495 (1962).

15. Niemann C, Science, 143, 1287 (1964).

16. Hamilton C. L., Niemann C, Hammond G. S., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 55, 664 (1966).

17. Ingles D. W., Knowles J. R., Biochem. J., 104, 369 (1967).

18. Hofstee В. H. J., Biochim. Biophys. Acta, 24, 211 (1957); 32, 182 (1959); J. Biol. Chem. 207, 219 (1954).

19. Lumry R. in Boyer P. D., Lardy H., Myrback K. (eds.) «The Enzymes*, vol. 1, Academic Press Inc., New York, 1959, p. 157.

20. Cane W. P., WetlauferD., Abstr. Am. Chem. Soc, 152d Ann. Meeting 1966, HOC.

21. Bender M. L., Kezdy F. J., Gunter C. R., J. Am. Chem. Soc, 86, 3714 (1964).

22. Inagami Т., J. Biol. Chem., 240, PC 3453 (1965).

23. Ingram J. M., Wood W. A., J. Biol. Chem., 241, 3256 (1966).

24. Cardinale G., Abeles R., personal communication (1965).

25. Wang S., Kawahara F. S., Talalay P., J. Biol. Chem., 238, 576 (1963).

26. DeLuca M., McElroy W. D., Biochem. Biophys. Res. Commun., 18, 836 (1965).

27. Norris А. Т., Berg P., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 52, 330 (1964).

28. Blake С. C. F., Johnson L. N., Mair G. A., North А. С. Т., PhillipsD. C.,'Sarma V. R., Proc. Roy. Soc (London), 167, 378 (1967B); PhillipsD. C, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 57, 484 (1967).

29. Rupley J. A., Butler L., Gerring M., Hartdegen F. J., Pecoraro R., Proc. Natl. Acad. Sci. U. S., 57, 1088 (1967).

30. Rupley J. A., Gates V., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 57, 496 (1967).

31. Chipman D. M., Grisaro V., Sharon N., J. Biol. Chem., 242, 4388 (1967).

32. Pollock J. J., Chipman D. M., Sharon N., Arch. Biochem. Biophys., 120, 235 (1967); Biochem. Biophys. Res. Comm., 28, 779 (1967).

33. Williams R. J. P., Protides Biol. Fluids Proc. Colloq., 14, 25 (1966).

34. Kumamoto J., Cox J. R., Jr., Westheimer F. H., J. Am. Chem. Soc, 78, 4858 (1956). ¦35. Haake P. C, Westheimer F. H., J. Am. Chem. Soc, 83, 1102 (1961).

36. Kaizer E. Т., Panar M., Westheimer F. H., J. Am. Chem. Soc, 85, 602 (1963).

37. Covitz F., Westheimer F. H., J. Am. Chem. Soc, 85, 1773 (1963); Ramirez F., Madan O. P., Desai N. В., Meyerson S., Banas E. M., ibid., p. 2681.

38. Fava A., Iliceto A., Camera E., J. Am. Chem. Soc, 79, 833 (1957).

39. White E. H., Dolak L. A.,J. Am. Chem. Soc, 88, 3790 (1966).

40. Colter A. K., Clemens L. M., J. Am. Chem. Soc. 87, 847 (1965).

41. Lovrien R., Linn Т., Biochemistry, 6, 2281 (1967).

42. Kohlschutter H. W., Ann. Chem., 482, 75 (1930); Kohlschutter H. W., Sprenger L., Z. Physik. Chem. Abstr., В 16, 284 (1932); cf. Morawetz H., Science, 152, 705 (1966).

43. Leffler J. E., Grunwald E., Rates and Equilibria of Organic Reactions, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1963, p. 408.

252

ЛИТЕРАТУРА

44. Burke J. J., Hammes G. G., Lewis Т. В., J. Chem. Phys., 42, 3520 (1965).

45. Schwartz G., J. Mol. Biol., 11, 64 (1965).

46. Fincham J. R. S., Biochem. J., 65, 721 (1957).

47. Tarmy E. M., Kaplan N. O., J. Biol. Chem., 243, 2579, 2587 (1968).

48. Grisolia S., Physiol. Bev., 44, 657 (1964); Worcel A., Goldman D. S., Cleland W. W., J. Biol. Chem., 240, 3399 (1965); Kearney E. В., ibid., 229, 363 (1957);

страница 45
< 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
уличные спортивные комплексы в самаре купить
металлические ограждения заборы
матрас медифлекс про вита купить
заправка чиллера mta

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
(24.11.2017)