А.В. Финкельштейн, О.Б. Птицын - Физика белка - Курс лекций с цветными и стереоскопическими иллюстрациями и задачами (1123404), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Этот эффект особенносилен тогда, когда речь идет о реакции, в которую вовлечено несколькомолекул-субстратов, например — при синтезе пептида из двух фрагментовв отсутствие воды. Основное и в химическом, и в ферментативном катализе — понижениесвободной энергии переходного состояния, т. е. снижение максимума свободной энергии, преодолеваемого по ходу реакции (рис.
24-11). сниженияэтой свободной энергии можно достигнуть за счет энтропии, за счет сборана ферменте всех необходимых компонентов реакции. И его же можно достигнуть, или усилить, за счет энтальпии преимущественного связыванияименно переходного состояния обрабатываемой молекулы, а не ее начального состояния — «субстрата» и/ или состояния конечного — «продукта».кстати, если субстрат или продукт будут связываться очень уж сильно(сильнее, чем переходное состояние), фермент будет ими просто ингибироваться, отравляться (он потеряет свою функцию «ОТПУСТИТЬ»и выйдет из игры).363Рис. 24-11. схема, поясняющая важность стабилизации катализатором именнопереходного (самого нестабильного по ходу реакции) состояния субстрата / продукта и важность жесткости катализатора для снижения свободно-энергетическогобарьера реакции ∆F# и увеличения ее скорости k.
рисунок, для наглядности, изображает просто комплементарность обводов переходного состояния к обводамактивного центра фермента, в то время как в действительности основную рольобычно играют временные ковалентные связи переходного состояния субстрата / продукта с каталитическим центром фермента. свободные энергии начального и конечного состояний не меняются катализатором. рисунок подчеркивает,что ускорение реакции зависит от величины ∆∆F#, т. е.
от силы связывания ферментом именно переходного состоянияПри преимущественном связывании переходного состояния ведущуюроль может играть как связывание его деформированной электронной системы (вспомним «оксианионовую дыру» сериновых протеаз), так и преимущественное связывание деформированной — опять-таки в переходномсостоянии — конформации всей молекулы. Последнее особенно ярко проявляется в каталитической функции искусственных «абзимов» (antibody enzyme) — антител, отобранных так,чтобы, связывая переходное состояние субстрата, они катализировали быего химическое превращение (рис.
24-12). Некоторые абзимы способнынаправить на снижение активационного барьера почти всю энергию, выгаданную при связывании субстрата, т. е. почти вся она прилагается к деформации именно обрабатываемой химической связи. И хотя имеющиесяабзимы — не очень мощные ферменты (они ускоряют спонтанную реакциюмаксимум на 5 порядков, а не на 10–15, как естественные ферменты — ведьв них еще не умеют встраивать доноры и акцепторы электронов) — возможность их создания подтверждает важность преимущественного связывания именно переходного состояния.364Рис. 24-12.
Принципиальная схема химического превращения, катализируемогоабзимом — искусственно выработанным антителом к переходному состоянию реакции, которая спонтанно идет медленно. В переходном (‡) состоянии изображенной реакции изомеризации имеется — в отличие и от начального, и от конечногоее состояний — плоская система из трех колец. для выработки антител к переходному состоянию такой формы используется включающая аналогичные кольца,но стабильная молекула, изображенная внизу: эта молекула впрыскивается в кровьживотного, и на нее вырабатывается иммунитетХочу подчеркнуть, что для преимущественного связывания именнопереходного состояния, в пику отличающимся от него на какой-то ангстремначальному и конечному состояниям химической реакции (см.
рис. 24-11),белок должен быть как можно более твердым. Мягкий белок — точнее,мягкий активный центр — столь же эффективен при катализе, как резиновое лезвие при бритье…Может быть, будет полезно рассмотреть следующую простую модель.Предположим, что две молекулы (на следующем ниже рисунке — два шарика диаметром d каждый) втягиваются, за счет энергии сорбции, в имеющуюсяна белке щель («активный центр»), первоначально имеющую ширину a (меньшую,чем 2d). При этом шарики сжимаются, а щель расширяется. И белок, и шарикисчитаются упругими (последние — до определенной степени сжатия, за которой следует образование химической связи между ними).
Пусть коэффициентупругости белка есть kpr, а коэффициент упругости столбика из двух молекул —k mol. спрашивается, какая энергия пойдет на деформацию шариков (только ееможно использовать для преодоления энергетического барьера, стоящего — см.рис. 24-11— на пути реакции спонтанного слипания двух молекул в одну).решаем. Ширина щели под давлением шариков возрастает с a до a + x1, а длина столбика из двух шариков падает с 2d до 2d – x2, причем 2d – x2 = a + x1.
тогда,по закону Гука, на деформацию белка идет энергия Epr = ½ kpr x12, а на деформацию365молекул — Emol= ½ kmol x22. При этом kpr x1= kmol x2, так как сила давления молекулна белок равна (третий закон Ньютона!) силе давления белка на молекулы. Значит,Emol/ Epr = (½ kmol x22) / (½ kpr x12) == [(1 / kmol) (kmol x2)2] / [(1 /kpr) (kpr x1)2] = kpr / kmol,(24.1)и (после некоторых вычислений)Emol = ½ kmol (2d – a)2 [kpr / (kpr + kmol)] 2.(24.2)Итак, мы видим что при «мягком» белке (kpr << kmol) основная энергия идетна бесполезную для катализируемой реакции деформацию белка и лишь «твердый» белок (kpr >> kmol) способен сконцентрировать основную часть энергии на деформации обрабатываемых молекул.Что и требовалось доказать.Внутренний голос: Значит, «твердым» должен быть не столько сам белок, сколько его активный центр? И, говоря о «твердости», — Вы имеетев виду просто механическую твердость белка, или что-то другое?Лектор: Я имею в виду твердость именно активного центра; твердостьостального белка важна — для катализа — только постольку, посколькуона обеспечивает твердость активного центра.
И я имею в виду не столькомеханический, сколько энергетический аспект твердости: то, что белокне подстраивается под изменение субстрата, так что небольшое изменениесостояния субстрата вызывает большое изменение энергии его взаимодействия с белком. Этот эффект может вызываться механическим взаимодействием обводов субстрата с белком; здесь картина особенно наглядна, см.рис. 24-11 и 24-12. Но такой же эффект может быть связан и с взаимодействием валентных электронов субстрата и белка; энергия взаимодействияэлектронных облаков резко меняется при очень «мелкомасштабных» изменениях их формы.деформация жестких ковалентных связей субстрата, перестройка которых и составляет суть химической реакции, более эффективно осуществляется жесткими же временными ковалентными связями субстрата с каталитическим центром фермента, чем деформацией субстрата при помощиболее мягких Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий.
Это объясняет, почемуабзимы, катализирующие реакцию только за счет Ван-дер-Ваальсовыхвзаимодействий с субстратом, являются менее эффективными катализаторами, чем природные ферменты с их химически активными каталитическими центрами.Внутренний голос: Значит, гибкость белка не играет никакой ролив катализе?Лектор: Здесь надо, во-первых, четко отличать сам акт катализа, которому гибкость белка не способствует, от этапа проникновения субстрата366в активный центр, для чего гибкость бывает нужна; с этим эффектом мыеще встретимся. Во-вторых, надо иметь в виду следующее.
Если активныйцентр белка не подогнан к переходному состоянию субстрата идеально(никто не чужд недостатков), то некоторая гибкость позволит этому неидеальному активному центру принять должную форму хоть на время. Важно,однако, чтобы активный центр допускал подгонку именно под переходное,а не начальное или конечное состояние субстрата.Внутренний голос: Все Ваши рассуждения до сих пор касались статического или почти статического фермента. А не может ли энергия, необходимая для катализа, запасаться как кинетическая энергия движущихсячастей фермента, скажем, как энергия его колебаний?Лектор: Нет, не может.
Можно показать, что кинетическая энергия дажебольшой молекулы белка рассеивается за ~10–11 с максимум (а маленькой —и того быстрее), в то время как один акт ферментативного катализа занимаетне менее ~10–6 с. то есть выделившаяся при посадке субстрата на ферменткинетическая энергия рассеется, перейдет в тепло задолго до того, как онасможет хоть как-то пригодиться в каталитическом акте.В самом деле, движение одной части белка относительно другой (скажем,при колебании) происходит в вязком окружении (воде, мембране и т.
д.). такоедвижение описывается обычным простым уравнением m (d2x / dt2) = Ffrict + Felast.(24.3)Здесь d x / dt — ускорение движения частицы, m — ее масса, Ffrict — сила еетрения об окружающую среду, и Felast — действующая на нее упругая сила. Массуможно оценить как m = ρV, где ρ — плотность частицы, а V — ее объем. Ffrict можнооценить по закону стокса: Ffrict = –3πDη (dx/dt) ≈ –10Dη (dx/dt), где dx/dt — скоростьчастицы, D — ее диаметр, а η — вязкость среды.
Felast можно оценить по закону Гука:Felast = –(ES/L) x, где x — смещение от точки равновесия, S — площадь сечения сочленения двух частей белка, L — длина эластичной части, а E — модуль ее упругости.В ходе дальнейших оценок разумно принять, что все линейные размеры примерноодинаковы (взгляните на прилагаемую схему), так что L ≈ D, S ≈ D2, V ≈ D3.22Уравнение (24.3) задает два характерных времени.Одно, самое важное, мы уже обсуждали. Это — tkinεt, время затухания движениябелка под воздействием трения об окружающую среду. Оценка этого времени367следует из «кинетической» части этого уравнения: m(d2x / dt2) ≈ –3πDη(dx / dt) ≈≈ –10Dη(dx / dt).
Получается, что tkinet≈ m / (10Dη); его легко оценить численно. таккак m ≈ ρD3, то tkinεt ≈ 0,1ρD2 / η. И, поскольку плотность белка ρ ≈ 1 г / см3, а вязкость воды η ≈ 0,01 г / (см. с), то tkinet ≈ 10–13 с (D / нм) 2, где (D / нм) — диаметр белка,измеренный в нанометрах. Значит, кинетическая энергия небольшой части белкаразмером D = 1нм рассеется в водном окружении за 10–13 с, а у большого белка,размером D = 10 нм, она рассеется за 10–11 с.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
