Э. Фёршт - Структура и механизм действия ферментов (1128692), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Поэтому гидрофобное соединение не вызывает больших изменений энтальпии растворителя, но приводит к уменьшению его энтропии из-за увеличения локальной упорядоченности. Вода стремится вновь увеличить свою энтропию, вследствие чего гидрофобная молекула вытесняется в гидрофобную область белка. Удобный способ оценки гндрофобности соединения состоит в измерении распределения его между органической и водной фазами при встряхивании в смеси нерастворимого в воде органического растворителя (как правило, н-октанола) с водой.
ЭНЕРГИЯ ФЕРМЕНТ-СУБСТРАТНОГО ВЗАИМОДЕНСТВИЯ Распределение растворенного вещества между двумя фазами зависит от исхода конкуренции между гидрофобными участками молекулы, стремящимися слиться с органической фазой, и полярными участками, которые стремятся перейти в водную фазу с образованием сольватной оболочки. Таблица 9.5 Значения и для пекоторыд группа16) Знергн» Гиббса для переноса данной групаы из и октаиола в воду Группа кды моль ккал моль — з 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 2,85 5,71 8,56 11,41 14,26 0,68 1,36 2,05 2,73 3,41 СНз— сн сн СНз (Снз)у— СНз (Снз)з— СНз (Снз)з— сн СН— сн, СНзСНз СН— СНз Рьсну— — ОНз1 1,3 1,77 2,45 1,8 10,27 15,00 — 6,62 2,63 — 1,16 3,59 -1,58 )чНСОСН3 — ОСОСН'1 — 1,21 — 6,90 -1,65 -0,37 -1,54 — 0,27 а1 Относительно атома водорода.
б) напзси с., совы е., л Рьапп, зсс, за, узг в) Связаны с алифатическимн соединениями. омо>. а. Гидрофобность малых групп: уравнение Ганча ~9, 101 Исследуя распределение замешенных соединений между ноктанолом и водой, Ганч с сотрудниками установил, что многие заместители вносят постоянный и аддитивный вклад в гидрофобность растворенного соединения.
Если отношение растворимости исходного соединения в органической фазе к растворимости его в водной фазе обозначить через Ро, а аналогичное отно. 280 глава а шение для замешенного соединения — через Р, то константа гидрофобности и будет равна и =!и (Р!Рд). (9.2) В табл. 9.5 приведены значения и для некоторых групп. Отметим несколько важных моментов. 1. Значения и для групп, не являющихся сильными донора. ми или акцепторами электронов, фактически постоянны и не зависят от характера группы, к которой они присоединены.
Более того, имеет место аддитивностгя так, для метиленовой группы значение п равно 0,5 и присоединение каждой последующей группы увеличивает значение этой величины на 0,5. Изменение логарифма на 0,5 единицы соответствует изменению свободной энергии Гиббса на 2,84 кДж моль-' (0,68 ккал моль-'). (Вданном контексте замещение водорода на метильную группу равносильно добавлению метиленовой группы, поскольку этот процесс можно рассматривать как встраивание метиленовой группы между атомом водорода и остальной частью молекулы.) 2. Поведение групп, которые могут присоединяться к бензольному кольцу (например, нитро- и аминогрупп), зависит от других связанных с кольцом групп.
б. Гидрофобность изменяется с изменением площади поверхности (11 — 14] Существует эмпирическая зависимость между площадью поверхности гидрофобной боковой цепи аминокислоты и энергией Гиббса для переноса этой цепи из водной фазы в органический растворитель. ! А' поверхности соответствует гидрофобной энергии 80 — !00 Дж моль-' (20 — 25 кал моль-'). (Площадь поверхности группы определяется исходя из суммы вандерваальсовых радиусов воды и внешних атомов этой группы.) Корреляцию между площадью поверхности и гидрофобностью можно объяснить, исходя из простой модели, в которой рассматривается энергия образования в воде полости.
Поверхностное натяжение воды равно 72 дин см-', поэтому для образования полости с площадью поверхности 1 А' необходимо затратить энергию 72 !О-' эрг, или 7,2 10 а' Дж (1,72 10-" кал). Умножение этой величины на число Авогадро дает 435 Дж А-' моль-' (!04 кал А-'моль '). Итак, образование в воде полости, которую могла бы занять гидрофобная группа, обходится в 435 Дж. А — 'моль-'. Эта величина может быть несколько больше из-за увеличения дисперсионной энергии взаимодействия воды с растворенным веществом при заполнении полости и изменяется с изменением площади поверхности.
энвггия Фв»минт.суьстяхтного ьзхимоднйствня 881 Энергия образования полости в воде близка к общему изменению энергии при образовании гидрофобной связи и является движущей силой при распределении соединения между двумя фазами. Б. Энергия связывания субстратов с ферментами Исходя из простых физических оценок, приведенных в последнем разделе, оценить вклад энергии водородных, электростатических и гидрофобных связей и полную энергию связывания субстрата с ферментом очень трудно.
Основная причина этих затруднений состоит в том, что процесс связывания представляет собой реакцию обмена: субстрат <обменивает» свою солььатную водную оболочку на связывающий центр фермента. Суммарная энергия связывания представляет собой разность между энергиями связывания этого субстрата с водой и с ферментом. Расчет суммарной энергии образования водородных связей затрудняется тем, что обычно в водном растворе субстрат, так же как и фермент, образует с молекулами воды водородные связи.
Образование водородных связей ь ферментсубстратном комплексе сопровождается вытеснением связанных водородными связями молекул воды. Следовательно, при этом суммарное число водородных связей не увеличивается. ,Н Е" Н вЂ” О + 3" О ч=е Е" 3+(Н,О)» (д я) Н Н Но при образовании внутримолекулярных связей в ферментсубстратном комплексе происходит увеличение энтропии. Энергия отдельной водородной связи складывается из двух составляющих: энергетической, способствующей связыванию, и энтропийной, препятствующей этому процессу, поскольку из двух молекул образуется одна (гл. 2, равд. Б.4, а также данная глаьа, равд. В).
Однако если субстрат так или иначе фиксирован в фермент-субстратном комплексе, то в дальнейшем при образовании внутримолекулярных водородных связей никакой потери энтропии не происходит. Другими словами, потеря энтропии должна «оплачиваться» только один раз. Образование внутри- молекулярных водородных связей является благоприятным изза увеличения энтропии при высвобождении связанных молекул воды.
Грубая оценка показывает, что на каждый моль высвобождающейся воды энтропия возрастает приблизительно на 40 Дж град-' (!О кал град-'). Определение энергии ионных связей затруднено вследствие сольватации в растворе ионов, участвующих в образовании этих ГЛАВА З связей. Энергии сольватации очень высоки; так, по оценкам энергия стабилизации иона — СО составляет -270 кДж моль-' (65 ккал.моль-') 121.
Энергия ионной сьязи сильно заьисит также от диэлектрической проницаемости среды. Помимо всего прочего, образование ионной связи в глубине структуры является энтропийно выгодным, поскольку при этом высвобождается сольватированная вода [уравнение (9.4)1: Š— ХНВ(НзО) + (НВО)п Озс — 3 ч=ь Š— ХН,'" О,С вЂ” 8. (9.4) + (п+ пи НпО Определение энергии гидрофобных связей, образующихся при присоединении лиганда к белку, затрудняется тем обстоятельством, что оценки, полученные из опытов по распределению вещества между органическими растворителями и водой, в этом случае являются не вполне применимыми. Перенос растворенного вещества из водной фазы в органический растворитель мысленно можно разделить на следующие стадии: а) образование полости ь растворителе; б) перенос растворенного вещества в эту полость; в) ликвидация полости в водной фазе.
Перенос гидрофобного субстрата ь гидрофобную область фермента сопровождается заполнением уже существующей полости и, возможно, переносом воды из этой полости ь водную фазу. Вклад различных факторов в энергию связыьания фермента с субстратом можно оценить из исследований самих ферментатиьных реакций, а не только модельных систем. 1.
Оценка увеличения энергии связывания из кинетических данных Один из способов оценки вклада заместителя й в субстрате и — Я в связывание состоит в сравнении констант днссоциации комплексов )с — 8 и Н вЂ” 8 с ферментом. Однако, как будет пока. вано в следующей главе, энергия связывания больших по раз. меру субстратов при этом часто недооценивается, поскольку обычно энергия связывания идет на уменьшение энергии активации, а не на увеличение Км. Гораздо лучше сравнивать значе.
ния параметров йвм(Км для двух субстратов. При этом учитывается как энергия актиьации, так и энергия связыьания и устраняются недостатки, которые свойственны методу, основан» ному на сравнении только констант диссоциации. Из уравнений (!0.2) и (!О.!О) следует, что 1п (Апм(пм) = 1п (ЬТ(А! — (поп + пбь) (9.5) энвягия Фввмвнт.схвстнхтного ьзхимодвпстьия где йТ/и — константа при данной температуре, Ьб0 — внутренняя энергия активации, обусловленная электронными эффектами, которые связаны с образованием и разрывом связи, Ьбь— внутренняя энергия связывания субстрата с ферментом. В случае сходных субстратов различием в Лб0* можно иногда пренебречь или внести соответствующую поправку, сравнив реакционные способности этих субстратов в неферментативных реакциях.
2. Оценка энергий связывания малых групп в случае аминоацил-тРНК вЂ” синтетазы Функция аминоацил-тРНК вЂ” синтетаз состоит в выборе определенной аминокислоты среди других аминокислот и меньших по размеру конкурирующих соединений (гл. 11). В основе отбора нужной аминокислоты лежит, вероятно, то обстоятельство, что ее энергия связывания выше, чем энергия связывания всех других присутствующих соединений. Эти различия в энергии связывания специфического субстрата и меньшего по размеру конкурирующего соединения можно определить из сравнения й„~/Км для реакции обмена Пирофосфат-~АТР (гл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
