Лекции Рубина (1123233), страница 24
Текст из файла (страница 24)
На первомэтапе катализа стохастический характер динамики белковой глобулыфермента и диффузии субстрата к активному центру приводят к образованию строго определеннойконфигурации, включающей функциональные группы фермента и химические связи субстрата. Например, в случаегидролиза пептидной связи для реакции необходима одновременнаяатака субстрата двумя группами активного центра-нуклеофильной и127Гидроq)Qбная полость~r6Свя~ь, расщепляемаяферментамигuс-69 ~•~с-1ве"О,,"zn....,р·:-о"i......1С=О'--о1/1с-~, '_ /н о---н~сиl'J,нN/арг-145н9 _fJ'-c~о-----тuр-2.48;с-о ~ ,~~Гг.лу-12M!f-~ о---н,N--4:н2701R/с-н - - - -з ~н1Атак-ующий ну+с::леофил,С=ОО0С\/бстрат;]арг-71N-CH~1 Н\Rs, 1арг-12.4@L:\R4NH+зРис.12.2. Примеробразования активной конфигурации или цепиперераспределения связей в случае гидролиза пептидной связикарбоксилазой Аэлектрофильной.
На рис.12.2приведено взаимное расположение расщепляемой пептидной связи субстрата и боковых цепей Сер.-195, Гис-57.Атомor155 остатка Сер-195 находится на расстоянии 2,8 А против карбонильного углерода с', а протон гидроксильной группы, не нарушая водородной связи с атомомN Гис-57, располагается на расстоянии 2,0 А надатомом азота расщепляемой группы.
При возникновении такой и толькотакой конфигурации происходит химический акт катализа. Формальноэто соответствует одновременному соударению нескольких молекул, чтов растворе крайне мало вероятно.Возникает вопрос: какова вероятность спонтанного формированиятакого рода реакционноспособной конфигурации в плотно структурированной среде за счет конформационных флуктуаций нескольких групп,происходящих по законам ограниченной диффузии?Расчеты показывают, что существует вполне определенная вероятность одновременного попадания нескольких групп в "реакционную"128область определенного радиуса, где они оказываются сближенными накороткие расстояния. Эта вероятность зависит главным образом от коэффициента диффузииичисластепенейсвободыфункциональныхгрупп, "ищущих" друг друга в ограниченном пространстве.
Например,при гидролизе пептидной связи необходимо создать благоприятнуюориентацию для двух групп активного центра относительно определенных участков субстрата. Каждая из групп обладает тремя степенями свободы, а с учетом вибраций молекулы субстрата общее число степенейсвободыN ~ 6 - 7.Это в общем типично для ферментативных процессов. Оказывается, что в обычных условиях среднее время образования такой активной конфигурации составляет -r~l0-2-10- с- , что совпадает с временами41оборота фермента в условиях субстратного насыщения. В растворе дляаналогичной реакции это время намного больше даже при больших коэффициентах диффузии.
Причина состоит в том, что, попав в ограниченную область в плотноструктурированной среде, функциональные группы"находят" друг друга и сближаются на короткие расстояния раньше, чемони "разбегутся" в разные стороны, как это происходит в растворе. Вместе с тем величина't~ 10-2-ций отдельных групп, что410- с намного больше, чем времена релаксаявляетсяследствием достаточно жесткихстерических условий для протекания реакции. Увеличение числа функциональных группи необходимых одновременных контактовмеждуними увеличивает время достижения многоцентровой активной конфигурации. Общая скорость ферментативного катализа определяется именновременемобразованиянужнойконформацииприспонтанномсближении соответствующих групп в активном центре.
Последующие заэтим электронные взаимодействия происходят гораздо скорее и не лимитируют общую скорость катализа.Существует ряд особенностей ферментов, облегчающих превращение субстрата в активном центре. Как правило, микросреда активногоцентра с его аминокислотными остатками более гидрофобна, чем окружающая водная среда.
Это снижает значение диэлектрической постояннойактивного центра(s < 10)усиливает электростатическиепо сравнению с водойвзаимодействияв(s~гидрофобной80)исредемежду субстратом и полярными группами фермента. Кроме того, малополярная по сравнению с водой белковая среда частично экранируетпереносимые заряды от действия полярного растворителя. Высокая желокальная концентрация диполей пептидных связей создает в активномцентреэлектрическиеполянапряженностьюпорядкатысячисотентысяч В/см. Таким образом, ориентированные полярные группы создаютвнутриглобулярное электрическое поле, влияющее на кулоновские взаимодействия в активном центре.129Механизмы самих электронных переходов в активной конфигурации требуютдля своей расшифровки привлечения методовквантовойхимии.ПерекрываниеГис57\-Nэлектронных орбиталей может привести кнапоявлениюдополнительногоразрыхляющейорбиталитиднойпроисходитатакуемойсвязикомплексе (рис.при гидролизевтетраэдрическомСтекание электронной плотности от ОУ19 5 - Сер-195на разрыхляющую орбиталь в пептидной связипроисходит за счет взаимодействияделеннойпары электронов ОУ19 5электронамиатомас1~пептидноинепо5с п-jн/пеп12.3).r~2.А·1·2.в дс"-....N - - C·i,~oзарядасвязи в субстрате и ее ослаблению.
Именно это и.·-н--0перераспределению электронной плотности,Сер195-......._спептиднаягрJ'ппаРис.12.3.Строение активно-го центра а-химотрипсина.Цифрами указаны межатомные расстояния (в А)связи.При этом неподеленная пара азота аминной группы выталкивается изпептидной связи N==C1, которая утрачивает двойной характер и в результате ослабляется. Одновременно стекание электронной плотности отОУ19 5 ослабляет и связь Нфермента иN--ОУ19 5 • Но тогда облегчается взаимодействие Наминной группы иеепротонирование с переходомпротона от ОУ19 5 к Гис-57. В свою очередь это опять увеличивает взаимодействие ОУ19 5 с пептидной группой и т.
д. Таким образом, в тетраэдическомкомплексесоздаетсяуникальнаяситуация,когданесколькомономолекулярных реакций протекают одновременно, взаимно ускоряядруг друга. Синхронное перемещение заряда и протона между Сер-195,Гис-57, пептидной связью обеспечивает высокую эффективность процесса. Каталитический акт сводит в единую кооперативную систему триотдельные бимолекулярные реакции, ведущие к разрыву пептидной связи-событию, маловероятному в растворе. В системе индицируютсяестественные конформационные перестройки и в итоге происходит деацилирование фермента и протонирование атома ОУ19 5 • Принцип образованияполифункциональнойзамкнутойсистемыатомныхгруппвактивной конфигурации выполняется и в других фермент-субстратныхкомплексах.В ферментативном катализе многостадийный характер превращений субстрата, маловероятный в растворе, обеспечивается за счет синхронного кооперативного их протекания в единой полифункциональнойсистеме.
Замена малоэффективных последовательных активационныхстадий скоординированным процессом приводит формально к снижению энергии активации всей реакции. Заметим еще раз, что, строго говоря физический смысл понятия «энергия активации» в ферментативныхпроцессах не соответствует таковому для реакций в растворах, идущих помеханизму активных столкновений свободных молекул.130Лекция13.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН.ИОННЫЕ РАВНОВЕСИЯ.Биологические мембраны построены в основном из белков, липидов и углеводов.
В состав молекулы природных липидов входят полярнаязаряженная фосфатная головка и длинные углеводородные цепочки,принадлежащие жирным кислотам. В природных фосфолипидах жирныекислоты могут иметь ненасыщенные двойные связи в основном во втором положении глицеринового остатка. Белки могут пронизывать мембрану насквозь,а могут быть частично или целиком погружены влипидный слой. Взаимодействие с гидрофобными липидами осуществляется в основном неполярными аминокислотными остатками.
Белкиплавают в липидном слое мембраны в виде отдельных глобулярных частиц и обладают определенной подвижностью.Активность мембранныхбелков зависит от фазового состояния липидов и вязкости мембраны. Нарис.13.1дана общая схема строения мембраны, состоящей из двойноголипидного слоя с погруженными в него молекулами белка. Толщинабиологических мембран обычно не превышает100 А.Изучение физико-химических свойств мембран удобно проводитьна моделях монослоев, которые получаются при нанесении липидов наповерхность воды. Повышение давления и уплотнение монослоя приводят к тому, что подвижность углеводородных цепочек уменьшается, ихвзаимодействие друг с другом растет, а полярные головки фиксируютсяна поверхности раздела фаз.
В пределе происходит такое уплотнениемонослоя, где площадь поперечного сечения молекулы липида не зависит от длины углеводородной цепи. Монослой представляет собой лишьполовину липидного бислоя мембраны, и более удобной моделью служатразличные искусственные бислойные липидные мембраны (БЛМ). Плоские ламеллярные структуры, могут сливаться, образуя замкнутые везикулярные частицы (липосомы), в которых липидные бислои отделяютвнутреннюю водную фазу от наружного раствора. В везикулярные частицы можно встраивать белковые молекулы и другие компоненты биологических мембран для изучения механизмов их функционирования вбиомембранах. Плоские БЛМ используются для изучения барьерныхфункций, электромеханических характеристик, а также межмолекулярных взаимодействий в мембранах.
Электростатические взаимодействияосуществляются между заряженными группами либо в пределах одногополуслоя(латеральные),(трансмембранные).либомеждуразнымислоямиДисперсионные вандерваальсовы взаимодействиямежду поверхностями мембран обнаруживаются на расстояниях доА.Этозначительнопревышаетрасстояния,где1ОООпроявляется131:@t'@1@(@'~@y@·~onnoanonмnri~мььniiiiiiillilliii111111111111 1111~1~·?~irPll (ltJrP~~3~4%r)i~№i&с/13.1. Развитие представления омолекулярной организациибиологических мембран.132электростатическое отталкивание. Суммарный эффект этих сил можетпривести к появлению минимума энергии взаимодействия на расстояниях30 - 80 А и слиянию поверхностей клеточных мембран.
Этот эффектлежит в основе объединения отдельных клеток в клеточные агрегаты.Компоненты клеточных мембран характеризуются определенной подвижностью. Характерное время 'tвращ вращательного движения молекулфосфолипидов, жирных кислот в природных мембранах составляет 'tвращ~ 10-9 с и увеличивается до 1о- 8 с при температуре ниже точки плавленияжирнокислотных цепей липидов. Латеральная диффузия липидов вдольслояхарактеризуетсяD~ 10бран идовольнобольшимкоэффициентомдиффузии10- см 2/с, величина которого сильно зависит от состава мемтемпературы (sакт диффузии~ 10 ккал/моль).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
