Э. Фёршт - Структура и механизм действия ферментов (1128692), страница 49
Текст из файла (страница 49)
В. Энтропия и связывание 124~ В водном растворе спаривание одиночных комплементарных оснований (например, А и 13) практически не происходит из-за связывания этих оснований с молекулами воды. Однако триплет оснований прочно связывается с комплементарным антикодоном тРНК. Триплет 1ЛЗС присоединяется к тРНКг"' с константой связывания 2.10'М ' (2526]. Две молекулы тРНКскомплементарными антикодонами связываются еще более прочно: константа связывания между тРНК ' и тРНКз "равна 2 ° !О' М ' (27). Обусловлено это фактором энтропийной природы. При связывании одиночных оснований А и 1) энергия системы уменьшается за счет комплементарного спаривания и увеличивается за счет разрыва водородных связей между основаниями и молекулами воды. Энтропия системы, с одной стороны, уменьшается, поскольку эти основания теряют часть поступательных и вращательных степеней свободы, а с другой стороны, увеличивается за счет высвобождения связанных молекул воды.
При связывании комплементарной пары триплетов высвобождается в три раза больше молекул воды, прежде связанных водородными связями, однако энтропия системы все же уменьшается за счет потери одного набора поступательных и врашательных степеней свободы. Эта ситуация очень напоминает рассмотренный нами ранее случай с внутримолекулярной и аналогичной ей межмолекулярной реакциями (гл, 2, разд.
БА. г). Из всего сказанного можно сделать вывод, что, хотя отдельные водородные связи в растворе слабы, если их число достаточно велико, связывание может быть очень прочным. ГЛАВА в Аналогичным образом связывание димера Х вЂ” У ферментом может быть значительно более прочным, чем связывание мономеров Х и У, поскольку димер теряет только один набор поступательной и вращательной степеней свободы.
Это явление давно известно в неорганической химии под названием хелатного эффекта. Значение его можно проиллюстрировать на примере, взятом из этой области, когда несколько или все шесть молекул воды, связанные координационными связями с ионом М)зс, замещаются аммиаком и полиаминами. Из табл. 9.8 видно, что по мере увеличения числа аминогрупп происходит огромное увеличение констант связывания лигандов. Таблица 9,3 Хсаатнмз вффснт при свявмвании Хйм с аминами'1 Константы ассоциации, М Лисаид Кс Кз Кз Кз Ка 466 2 ° 1Оз 6 10'с 2 1О'" 3 !О'з 41 2.!О" 12 4 132 1 ° 10' ! ° 1Оз 0,6 ХН Нзн (СНз)зХНз н х (сн Нхн (сн ) хн НзХ (СНз)зХН (СНз)зХН (СНз)зХНз (НзХ (СНз)зХН (СНз)з)зХН '1 тьс Свмпзса! нос!а!э !!.опаоп1 Ззссза! Гпмзса«опа зт апа ЗВ Оввс, звтж Г.
Белок-белковое взаимодействие Соприкасающиеся поверхности в олигомерных белках (на. пример, в гемоглобине), а также в комплексах белок — белок (например, в комплексе трипсина с трипсиновым ингибитором), хорошо подогнаны и прилегают друг к другу достаточно плотно.
Все водородные и ионные связи спарены, Другими словами, поверхности комплементарны друг другу. По-видимому, на этом основано взаимное распознавание белков. Хотя мнения относительно вклада энергии водородных и ионных связей в суммарную энергию стабилизации белок-белковых комплексов расходятся и высказывалось предположение, что многие константы ассоциации всецело определяются гидрофобным связыванием, нет никакого сомнения, что водородным связям и электростатическим взаимодействиям принадлежит важная роль в специфичности белковых взаимодействий ]28— ЗО]. Даже оставив в стороне вопрос о величине положительного вклада водородных и ионных связей в энергию стабилизации ЭНЕРГИЯ ФЕРМЕНТ-СУВСТРАТНОГО ВЗАИМОДЕИСТЕИЯ «правильных» комплексов, мы можем твердо сказать, что присутствие неспаренных водородных связей и ионов в «неправильных» комплексах значительно уменьшает энергию их диссоциации.
Эксперименты с аминоацил-ТРНК вЂ” синтетазами показали, что утрата образующей водородную связь гидроксильной группы в случае фенилаланина приводит к тому, что прочность его связывания с тирозил-ТРНК вЂ” синтетазой становится по крайней мере на 26 кДж моль-' (6 ккал моль †') ниже, чем для тирозина. Аналогичным образом разрыв солевого мостика между сс-аммонийным ионом субстрата и ферментом уменьшает прочность связывания приблизительно на 17 кДж моль-' (4 ккал моль-').
Эти результаты можно экстраполировать на случай взаимодействия соприкасающихся поверхностей белков. Например, замещение аргинина в соевом ингибиторе трипсина фенилаланином, который, попадая в специфический карман трипсина, образует ионную связь с погруженным в белковую глобулу аспартатом, уменьшает энергию связывания на 13 кДж моль-' (3,1 ккал моль-') [31). Далее установлено, что панкреатический ингибитор трипсина связывается с химотрипсином, однако в этом случае энергия связывания на 26 кДж моль-' (6 ккал моль-') меньше, чем при связывании с трипсином [32, 33).
Это различие отражает главным образом тот факт, что положительно заряженная боковая цепь лизина по. гружается в гидрофобный карман химотрипсина. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Вилле С, Е., Асс1. СЬет. Нез., 8, 185 (1975). 2. ТГагяая! А., Евоп! М., !. Мо! ес. В!о!., 103, 227 (1976), 3. Евон! М., ялуяол 5., личное соо5тейне. 4. Нае!вг А. Т., 1Л!юл 5., Ни!ег Е., !п: Рер1гдез, ро1урер1ыез, ап6 рго!е!пз (ег)з. В!оти Е, )(., Вочеу Р, А., Оооатап М,, 1л!ап Х.), Зоьп йг!1еу а Болз, р.
35 (1974). 5. Наб!вг А. Т., Ни!ег Е., Е!)яол 5., Л Ат. спет. Бос., 96, 5319 (1974), 6. )олаляяол А., Коптил Р., йо!АвпбегЛ 5., МсКя!оеу 7., 3, Ат. сЬет. Бос., 96, 3794 (!974). 7, Каигталл В',, Абч. Рго1. СЬет,, 14, ! (1959), 8. К!аррег М. Н., Ргонг. В!оогя. СЬет., 2, 55 (1973). 9. Рад!а Т., !гваяа А, Наляги С., !. Ат. сЬегп. Бос., 88, 5175 (1964), 1О, Ево А„Йалясл С., Е!А!лз О,, СЬегп. Печа., 71, 525 (1971). 11. Негталл )!.
В., Л РЬуз. СЬет., 78, 2754 (1972), 12. Наггы М. 7., Й(дива! Т., Лу!Йлл 7, Н., Л рьуз. СЬет., 77, 2694 (1973). !3, йяуло!г)я А А., бн!Ьег! О. В., Тал)огг) С., Ргос. па1п. Асаг(. Бс!., (), Б, А„ 71, 2925 (!974). !4, САо!Ма С., Ха!пге, Ьоп6., 248, 338 (1974). 15. Отеля 5. Х., Ввн Е. Е,, Л. Ью!. СЬет., 245, 5515 (1970). 16. Бали О, У., Репа У. А., Ю. те6. СЬепя,, 16, 273 (1973) . !7.
Милоог П„наррарог! Н. Р., 1, гпо1ес В!о!., 76, !23 (1973). 18. Киот!вя 7. )7., А Шеоге( Ь!оу., 9, 2!3 (!965), 19. Доровская В. Н., Варфоломеев С гя., Казанская Н. Фл Клвсов А, А„ Маргилек К., РЕВБ Ье!!з., 23, !22 (1972). 1 Глава КОМПЛ ЕМЕНТАРНОСТЬ МЕЖДУ ФЕРМЕНТОМ И СУБСТРАТОМ И ТЕОРИИ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА А. Использование энергии связывания фермента с субстратом в катализе Как было показано в гл. 2, высокая каталитическая активность многих ферментов обусловливается в значительной мере факторами энтропийной природы, участием в катализе кислых и оснбвных групп фермента и электростатическими эффектами. Важнейшей особенностью ферментов является также их специфичность в отношении субстратов и высокая энергия связывания.
В 1930 г. Холдейн высказал предположение, что эта энергия используется для деформации субстрата до структуры продуктов [!), и теоретиками были рассмотрены различные способы использования энергии связывания для понижения энергии активации стадии химического превращения субстрата. Особенно полезна при анализе возможных механизмов ферментативного катализа теория переходною состояния. Мы применим этот подход к простому механизму Михаэлиса — Ментен (для которого Кы = Кк', см, гл. 3), с тем чтобы увидеть, как энергия связывания автоматически уменьшает энергию активации перехода, определяемого кажущейся константой скорости второго порядка йааа/Кы, и как часть этой энергии используется для уменьшения энергии активации стадии химического превра. щения субстрата с константой скорости й„а (2].
1. Энергия связывания понижает энергию активации перехода с константой скорости й„,/Км км ьаа! Е+ 8 ч==е Ез — а Продукты, ьпз ьоо (10.1) даава/хм Е+ 8 ' Езт. (10.2) ьо~ Напомним (гл. 3), что константа скорости для взаимодействия свободного фермента со свободным субстратом с образо- ГЛАВА 10 ванием продуктов равна И„пКн, В терминах теории переходного состояния (гл. 2) константа равновесия для реакции (10.2) пропорциональна энергии активации агат.
Эта энергия состоит из двух составляющих: одна нз них, Лсго, положительна н отвечает энергии активации химических стадий, в ходе которых Рнс. 1О.1. Изменение энергии Гиббса лля реакции Кз «саь Е ~- Б ЕЗ Продуктн (Ьоа — отрицательная келнчкна, Ьот и ЬОт ноложитальнн). происходит образование и разрыв связей, а другая, Лба, отри. цательна и отражает использование энергии связывания: Лат =Ла~+ Ьа . (10.3) Все сказанное выше иллюстрирует рис. 1О,1, относящийся к случаю простого механизма Михаэлиса — Ментен.
Подставив выражение (10.3) в уравнение (2.5), получаем ВТ 1п (И, 1Км) = КТ1п (ИТ(И) — Або — Лбз. (10.4) 2. Взаимопревращаемость энергии связывания и энергии активации стадии химического превращения субстрата Когда каждая связывающая группа субстрата соединяется с соответствующим центром связывания фермента, энергия связывания принимает максимальное значение. В этом случае говорят, что фермент и субстрат структурно комплементарны. По- ТЕОРИИ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА скольку структура субстрата изменяется в ходе реакции — сначала образуется переходное состояние, а затем продукты— структура ивдефодлгироваиного фермента может быть комплементарна только одной форме субстрата.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
