Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 89
Текст из файла (страница 89)
6-4). Эта элегантная идея, утвсрждающая, что специфическое взаимодействие между двумя биологическими молекулами связано с комплсментарностью форм их поверхностей, значительно повлияла на развитие биохимии. Выяснилось, что полобные взаимодействия лежат в основе многих биологических процессов. Однако в приложении к ферментативному катализу модель «ключа и замка» можст ввести в заблуждение. Мы сейчас продемонстрируем, что фермент, который абсолютно комплемснтарен своему субстрату, является очень плохим катализатором.
Рассмотрим гипотетическую реакцию — разрушение намагниченного металлического стержня. На рис. 6-5, а изображена нсфсрмснтативная реакция. Давайте представим себе два фермента, которые способны катализировать реакцию расщепления стержня, причем каждый из них исполь- Рнс. 6-4. Комплементарность субстрата н его центра связывания на молекуле фермента.
Фермент днгкдрофолатредуктаза к ее субстрат КАОР' (выделен красным цветом) в свободной (наверху) н связанной формах (внизу). Еще один связанный субстрат тетрагндрофояат изображен желтым цветом (РОВ 1О 1ВА2). КАОР' связывается в кармане фермента, который комплементарен ему по форме н ионным свойствам. В действительности, как было показано в гл. 6, комплементарность белка н янганда (в данном случае субстрата) редко бывает идеальной. Взаимодействие белка с лкгандом часто сопровождается конформационнымк изменениями одной клн обеих молекул (так называемое нндуцнрованное соответствие).
Отсутствие полной комплементарности фермента н субстрата играет важную роль в ферментативном катализе (на данном рисунке этого не видно). зует магнитные силы в качестве аналога энергии связывания, используемой реальными ферментами. Сначала представим себе фермент, абсолютно комплсментарный субстрату (рис. 6-5, 6). Активный центр этого фсрмента — некий карман, выстланный магнитными частицами. Для осуществления реакции (рашцспления стержня) 6.2 Как работают ферменты [279) ю а О. н 3 6 О н О Продукты (стержень сломан) а н н и 3 3 гз Магниты и ан 1 ггС" I й а ~а 3 нз Р О о Кннрлииата рааккии Фермент комплемеитареи переходному состоянию Рис.
6-5. Гипотетический фермент, каталиэируииций разлом металлического стержня. а) Прежде чем стержень сломается, он должен изогнуться (достичь переходного состояния). В случае двух гипотетических ферментов роль слабых взаимодействий между ферментом и субстратом играют иагнитнме взаимодействия. 6) фермент с выстланным магнитными частицами карманом, комплементарным по форме железному стержню (субстрату), стабилизирует исходное состояние субстрата. Изгибу стержня мешают многочисленные магнитные взаимодействия с ферментом.
в) Фермент, центр связывания которого комплементарен переходному состоянию, помогает дестабилизировать стержень и тем самым хатализирует реакцию. Энергия связывания (магнитные взаимодействия) компенсирует рост свободной энергии, необходимый для сгибания стержня.
На энергетических диаграммах (справа) видна разница в изменении энергии при комплементарности фермента исходному субстрату и его переходному состоянию (комплекс ЕР не рассматривается). Разница между энергиями переходного состояния хатализируемой и нехатализируемой реакций (66я) объясняется магнитными взаимодействиями между стержнем и ферментом.
В том случае, когда фермент хомплементарен субстрату (6), комплекс Е5 является более устойчивым и характеризуется более низкой свободной энергией в основном состоянии, чем сам субарат. Это приводит х увеличению энергии активации. Субстрат Переходное состояние (металлический стержень) (стержень изогнут) Без фермента Е5 Фермент комплемеитареи исходному субстрату стержень должен достичь переходного состоянии, но он настолько плотно прилегает к активному центру, что не может изогнуться, поскольку изгиб приведет к исчезновению некоторых магнитных взаимодействий между стержнем н ферментом.
Такой фермент мешает протеканию реакции, так как стабилизирует субстрат. Энергетическая диаграмма этой реакции (рнс. 6-5, б) характеризуется наличием глубокого минимума энергии прн образованны комплекса ЕЯ, нз которого субстрат вряд лн сможет выйти. Подобный фермент абсолютно бесполезен. 12801 Часть 1. 6.
Ферменты Современные представления о ферментативном катализе впервые были сфорлгул и рованы Майклом Полани (1921 г.) и Джоном Холдейпом (1930 г.), а затем развиты в работе Лайнуса Полинга (1946 г.). В соответствии с атой теорией, для аффективного катализа фермент должен быть комплементареп перехпг)ному состпяяию реакции.
Это означает, что оптимальнос взаимодействие лгежду ферментом и субстратом возможно только в переходном состоянии. На рис. 6-5, в изображен гипотетический фермент, действующий по такому принципу. Металлический стержень связывается с ферментом, но при этом реализуется только часть возможных взаимодействий. Связанный субстрат должен претерпевать дальнейшие изменения, сопровождающиеся повышением свободной энергии. Но в данном случае повышение свободной энергии, необходимое для изгиба стержня и принятия им почти изломанной конформации, возмещается за счет магнитных взаимодействий (энергии связывания) между ферментом и субстратом в переходном состоянии. Многие из этих взаимодействий происходят на участках, находящихся на значительном расстоянии от места изгиба.
Эти взаимодействия между ферментом и пе участвующими в реакции частями стержня обеспечивают часть энергии, необходимой для его расщепления. Такое «возмещение» энергии соГа' 1лпь )Ы, Координата реакции Рис. 6-6. Роль энергии связывания в катализе. Чтобы снизить энергию активации определенной реакции, система должна получить энергию, эквивалентную снижению бб.
Большая часть этой энергии поступает от энергии связывания (аб з), появляющейся а результате образования слабых нековалентных связей между ферментом и субстратом в переходном состоянии. Роль бб з в данном случае аналогична роли Ьбл на рис. 6-5. ответствует переходу к более низкой энергии активации и ускорению реакции.
Реальные ферменты действуют по аналогичному принципу. Некоторые слабые взаимодействия существуют в фермент-субстратпом комплексе, а наиболес полно эти взаимодействия реализуются, только когда субстрат достигает переходного состояния. Свободная энергия (энергия связывания), высвобождаемая пря образовании этих слабых связей, частично возмещает энергию, необходимую для достижения вершины энергетического пика. Если суммировать неблагоприятный (положительный) вклад энергии активации (ЛС*) и благоприятный (отрицательный) вклад энергии связывания (Ь6л), то в результате мы получим общее спижеяие энергии активации (рис.
6-6). Даже в случае ферментативной реакции в переходном состояниии пе образуется устойчивое химическое соединение; это лишь короткий промежуток времени, когда субстрат находится в точке, соответствующей энергетическому максимуму. Следовательно, фермептативная реакция протекает гораздо быстрее нсфсрментативной, поскольку ес энергстический барьер гораздо ниже. Иченггп слабпе взаимодействие между ферментом и субстратом является движущей пизой фермеитативнпао катализа.
Группы субстрата, участвующие в этих слабых взаимодействиях, могут находиться па отдаленных расстояниях от связей, которые разрываются или как-либо изменяются. Основной вклад в катализ вносят те слабые взаимодействия, которые возникают только в переходном состоянии. Необходимость множества слабых взаимодействий является одной из причин, почему ферменты (и некоторые коферменты) имеют такие большие размеры.
Фермент должен иметь функциональные группы для ионных, водородных связей и т. д., причем эти группы должны быть определенным образом расположены, чтобы энергия связывания была оптимальной именно в переходном состоянии. Правильное связывание обычно достигается, если субстрат попадает в полость в молекуле фермента (активный центр), где он удален от контакта с водой. Размеры белков позволяют сохранять такукэ структуру, в которой действующие группы расположены оптимальным образом, а активный центр поддерживается в определенном состоянии.
6.2 Ках работают ферменты [281~ Энергия связывания определяет специфичность и скорость катализа Можно ли количественно показать, что энергия связывания приводит к столь большому ускорению реакции при участии фермента? Да, можпо. В качестве исходной точки используя уравнение 6-6, можно подсчитать, что в нормальных лля клетки условиях для ускорения реакции первого порядка в 10 раз значение ЛС* должно уменьшиться примерно иа 5,7 кДж/моль. Выигрыш в энергии при образовании одной слабой связи обычно находится в пределах от 4 до 30 кДж/моль.
Таким образом, суммарной энергии, иакапливаюшсйся в результате нескольких подобиых взаимодействий, вполне достаточно для снижения энергии активации на 60 — 100 кДж/моль, что и объясняет чрезвычайно эффективное ускорение реакций под действием ферментов. Та же энергия связывания, что обеспечивает энергию для катализа, определяст и специфичность фермента, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
