Лекции Рубина (1123233), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Для закрепления на акцепторе электрон должен успеть потерять часть своей энергии, чтобы невернуться таким же образом назад. В свою очередь для этого ядернаясистема должна успеть перестроиться так, чтобы часть электроннойэнергии упиа в тепло, а вся система приобрела бы ядерную конфигурацию, соответствующую состоянию ДА- с координатойR 2• Вэтом случаеза время пребывания электрона на А ядерная конфигурация изменитсятак, что система "свалится" в точкуR2.В результате произойдет необратимый перенос электрона от Дк А и система перейдет в состояние ДА-.Ядерная система комплекса ДА, находящегося в исходном состоянииR1,может попасть в окрестность точкиR*за счет тепловой активации и перехода на верхние колебательные уровни исходного состояния,где координаты ядер близки кR*.Этому процессу соответствует активационный температурно-зависимый участок двухфазной кривой переносаэлектрона.
При низких температурах ядра находятся на нижних колебательных уровнях, где ширина барьера между потенциальными кривыминачального и конечного состояний шире, чем на верхних уровнях. В этомслучае существует меньшая вероятность туннелирования ядер в конечноесостояние, которая уже не зависит от температуры.Таким образом, общая вероятностьW туннельногопереноса электрона, сопряженного с перестройкой ядерной системы и тепловой диссипацией части электронной энергии, складывается из двух частей:(11.1)ЗдесьWo -вероятность подбарьерного, не зависящего от температуры туннелирования с нижних колебательных уровней;ность надбарьерного активационногопроцесса;W1 -Wo << W1вероятn ro,-энергия колебательного кванта, необходимая для активации переноса.Электронно-конформационныевзаимодействия.Каквидно,туннелирование собственно электрона неотделимо от сопряженных процессов перестройки ядерной системы. Однако последние неоднородныпо своим масштабам.123Мы описали процесс начальных электронно-колебательных взаимодействий (рис.наи11.7),закреплениеегоэлектронной энергиикоторые обеспечивают туннелирование электронамолекулеакцепторазасчетпотеричастиэВ).
Появление электрона на акцепторе(< 0,1вслед за этим индуцирует более глубокие конформационные перестройки в комплексе, что, собственно, и составляет природу электронноконформационных взаимодействий. Начальная колебательная релаксация происходит за время10-12 - 10-13си связана со смещениями ядер надоли ангстрема(<0,1 А). Конформационные перестройки длятся, какправило, намного дольше (до 10- 3 - 106 с) и могут быть сопряжены сосмещениями ядер порядка нескольких ангстрем. Эти перестройки носятуже функциональный характер. В частности, в фотосинтетической системе переноса электрона они включают образование таких контактныхсостояний между переносчиками, которые обеспечивают направленноетуннелирование между ними в транспортной цепи.
Сопряжение функциональной активности переносчика электрона с его внутримолекулярнойподвижностьюкачественноПростетическая акцепторная группаимеет1следующийхарактер.переносчика в отсутствие электрона совершает стохастические движения по механизму ограниченнойдиффузии (см. рис.на рис.9.1)вдоль конформационной координатыR (криваяПри движении она попадает в точку11.8).1где принимаетR1,электрон от внешнего донора. Этот акт происходит по механизму туннелирования с закреплением электрона и потерей части энергии(::=::поколебательнымстепенямсвободыкомплекса.
Восстановление группывнутри1 изменяет0,1эВ)донорно-акцепторногоее зарядовое состояние ихарактер взаимодействия с окружением внутри белка. В результате онапереходит с кривой1 (U1(R))на другую кривую2 (U2(R))конформационной энергии. Теперь, двигаясь стохастически вдоль конформационнойкоординатыR,группа1 попадаетв точкуR2,здесь она отдает электронвнешнему акцептору и возвращаетсявновь на кривую1 (Ui(R)).Надоясно понимать, что само по себестохастическоедвижениеUвдольконформационной координаты идетс диссипацией энергии и не можетбыть сопряжено с ее запасанием. Насвоемпутимолекулярнаягруппаможет взаимодействовать с окру- Рис.
l l. 8 . Модель "молекулярногожением, например с заряженными насоса",илиэлектронно"фиксаторами", и задерживаться наконформационное взаимодействиедолгое время в определенных поло-жениях. Тем самым создается напряженная конформация, в которойи происходит запасание энергии.Этот случай соответствует появлению резкого минимума на кривой124в процессе электронногопорта.Стрелкидиффузия" вдольной координаты R-транс-"ограниченнаяконформацион-конформационногопотенциала,на которую пepeIIUia акцепторнаягруппа послена (рис.11.9).находитьсяряд,принятияВ точке R'можетположительныйфиксирующийгруппыrИэлектро-за-положениев напряженной конформации.Рис.11.9.ОрганизацияэлектронногоцепитранспортаD ~ 11~12 ~Априналичии"защелок" в активном состоянииR'для реакции /1~12 напряженная конформациянимумна-резкиймикривойконформационного потенциала125Лекция12.МЕХАНИЗМЫФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗАФерменты играют ключевую роль в метаболизме.
Они ускоряютреакции, увеличивая их константы скоростей. Рассмотрим энергетический профиль обычной реакции (рис.12.1),проходящей в растворе помеханизму столкновений А+В ~ Р.Образование продукта Р происходит, если энергия сталкивающихся молекул исходных веществ А и В превышаетвеличину энергетическогобарьера. Очевидно, можно ускорить эту реакцию, есликаким-то образомуменьшитьвеличинуэнергии активации.Общая схема ферментативной реакА+ВрРис.12.1. Изменениеэнер-гии реагентов вдоль координаты реакцииции, включает, как мы знаем, образованиеединогофермент-субстратногокомплекса, в активном центре которого ипроисходит разрыв старых и образованиеновых связей с появлением продукта.
Вразличных теоретическихмоделяхмеханизма действия ферментов предлагаютсяразные способы понижения барьера реакции в фермент-субстратномкомплексе. В результате фиксации субстрата на ферменте происходитнекоторое снижение энтропии реагентов по сравнению с их свободнымсостоянием. Само по себе это облегчает дальнейшие химические взаимодействия между активными группами в фермент-субстратном комплексе,которыедолжныбытьвзаимнострогоориентированы.Предполагается также, что избыток энергии сорбции, который выделяется при связывании субстрата, не переходит полностью в тепло. Энергиясорбции может быть частично запасена в белковой части фермента,затем сконцентрироваться на атакуемой связи в области образовавшихсяфермент-субстратных контактов.Таким образом, постулируется, чтоэнергия сорбции идет на создание низкоэнтропийной энергетическинапряженной конформации в фермент-субстратном комплексе и темсамым способствует ускорению реакции.Однако экспериментальныепопытки обнаружить упругие деформации, которые могли бы хранитьсяв белковой глобуле фермента, не диссипируя в тепло в течение достаточно длительного времени между каталитическими актами (10- 2 - 1о3с), не увенчались успехом.
Более того, нужная для катализа взаимнаяориентация и сближение расщепляемой связи субстрата и активныхгрупп в центре фермента происходят спонтанно, вследствие внутримо-126лекулярной подвижности разных, в том числе и активных, групп фермента и субстрата. Такое сближение не требует образования каких-либоэнергетически неблагоприятных контактов. Этот вывод следует из анализа невалентных взаимодействий в активных центрах ряда ферментов(а-химотрипсин, лизоцим,образом,самапорибонуклеаза,себенапряженностькарбоксипептидаза).конформациивТакимферментсубстратном комплексе не является необходимым источником энергии идвижущей силой катализа.В других моделях высказывается предположение о том, что в белковой глобуле происходит бездиссипативная передача энергии тепловыхколебаний от наружных слоев белка к атакуемой связи в активном центре.
Однако никаких серьезных доказательств этому нет, кроме утверждения, что фермент должен быть "устроен" так, что его структураобеспечивает когерентный характер распространения флуктуационныхизменений конформации без тепловых потерь по определенным степенямсвободы.Помимоотсутствияэкспериментальных доказательствобщим недостатком этих моделей является то, что в них не учитывается вявном виде важный фактор-спонтанная внутримолекулярная подвижность белка. Шаг вперед в этом отношении сделан в конформационнорелаксационной концепции ферментативного катализа. В ней появлениепродукта рассматривается как результат последовательных конформационных изменений в фермент-субстратном комплексе, индуцированныхпервоначальнымиизменениямиэлектронногосостояниявцентре фермента.
Вначале, в течение короткого времени (10-активном1312-10- с),происходят электронно-колебательные взаимодействия, затрагивающиетолько выделенные химическиесвязисубстратаифункциональныегруппы фермента, но не остальную часть белковой глобулы.Вследствие этого создается конформационно-неравновесное состояние, которое релаксирует к новому равновесию с образованием продукта. Процесс релаксации происходит медленно и носит направленныйхарактер, включая стадии отщепления продукта и релаксации свободноймолекулы фермента к исходному равновесному состоянию.
Координатаферментативной реакции совпадает с координатой конформационнойрелаксации. Температура же влияет на конформационную подвижность,а не на число активных соударений свободных молекул реагентов, чтопросто не имеет места в уже сформированном фермент-субстратномкомплексе.Вследствие больших различий в скоростях мы можем рассматривать отдельно быстрые электронные взаимодействия в активномцентре, осуществляющиеся на коротких расстояниях, и более медленныеконформационно-динамические изменения в белковой части.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
