Э. Фёршт - Структура и механизм действия ферментов (1128692), страница 53
Текст из файла (страница 53)
В отсутствие РОР кнаетическая кривая нмеет 5-образную форму и К, 650 мнм. и) Маа! 5. Е. 3., Коз!ег 3. Р., Катр Н., чап М)и)2ап — Воегвта 1., Чев2сг С. В)осЫт. ЫорЬуз. Ас1а, Мт, 86 (!971). '!) М!взе)Ьашп 3. 5., Вобапв1сУ О. 3. Ыа1. СЬет., 238, 969 (1963). п) Рассчитана из отншпения (ЛактатяПируват) в предположении, что концентрации МАО н МАРН равновесные. Константа равновесия равна ).И !О; ЧеесЬ и. Ь„Е22)ез(оп 1.. Ч., КгеЬз Н. А. В)осЬее. 3., 115, 609 (1969).
Р) йаророг( 5. Еззау !п В(осЬепс (в1гу, 4, 69 (1969). с) Ропбу Т. Р., ).еч!п 1... ЭоноЬиЬ 5. 3., йовв С. и. 3. Ыо1, СЬепь, 243, 3143 (1968). т) Реп1оп й. М., Уогье и. Е., йвп41е Р. 3. В)осЬет. 3., 100, бп, (1966). ферментов приведены в табл. !0.4 и на рис. 10.4. Из представленной гистограммы видно, что Км чаше всего превышает концентрацию субстрата в 1 — 10 и в 10 — 100 раз.
Особого внимания среди указанных ферментов заслуживает триозофосфатизомераза. Этот хорошо изученный фермент, названный за свою глАВА го з!о каталитическую эффективность «эволюционно совершенным», характеризуется очень высокими значения Км для обоих субстратов. ЦО! Яг О,! Ю 1 ГО 70 СОО ГОО ГООО диавиол аиачвний Хм!153 Рис. 10зь Распрепеление глииолитичесиих ферментов по аначенним параметра Км/[В). Что касается ситуации, когда Км ниже концентрации субстратов, то вопрос о том, чем это обусловлено — эволюционными или метаболическими причинами,— остается пока открытым.
3. Эволюционно совершенный фермент Чтобы найти критерий для определения эволюционного совершенства фермента, обеспечивающего максимально возможную скорость реакции, можно опять рассмотреть две умозрительные стадии, о которых шла речь в равд. Б.!.б данной главы, т, е. стадию максимизации й, г(Км и стадию увеличения Км до значений, превышающих концентрациюЗ. Напомним (гл.
3), что максимальное значение й, г!Км представляет собой определяемую диффузией константу скорости столкновений фермента и субстрата и что эта величина равна )О' — )Ов М вЂ” 'с — ', т. е. эволюционно совершенный фермент должен иметь йсаг/Км !О'— )О' М-'с-' н Км ) )Я. Анализ значений й, г(Км и соотношения между Км и концентрацией субстрата показывает, что эволюционно совершенными в отношении максимизации скорости реак.
цин являются карбоангидраза и триозофосфатизомераза в со- ТЕОРИИ ФЕРМЕИТАТИВНОГО КАТАЛИЗА ответствии со сделанным ранее выводом Олбери и Ноулса относительно второго фермента 118). Отметим еще один важный момент: для термодинамически невыгодной реакции величина йФИ/Км не может достичь определяемого диффузией предельного значения. это следует из уравнения Холдейна (гл. 3, равд. 3), согласно которому константа равновесия для реакции в растворе дается отношением величин йьм/Км для прямой и обратной реакций. Ясно, что йФи/Ки для термодинамически невыгодной реакции не может достичь определяемого диффузией значения, поскольку в этом случае отношение йФи/Км для обратной реакции, являющейся термодинамически выгодной, должно было бы быть больше определяемого диффузией предела, чтобы не нарушалось уравнение Холдейна.
Для невыгодной реакции верхний предел йям/Км равен определяемому диффузией значению, умноженному на термодинамически невыгодную константу равновесия этой реакции. В гл. 3, равд. А.З, указывалось, что, когда й, ~/Км достигает определяемого диффузией значения, имеет место механизм Бриггса — Холдейна, а не Михаэлиса — Ментен.
Таким обра« зом, чем дальше продвинулся фермент на пути эволюции в отношении максимизации скорости, тем большее значение приобретает механизм Бриггса — Холдейна. В. Молекулярные механизмы использования знергии связывания Итак, мы обсудили в общих чертах, какие каталитические преимущества дает комплементарность фермента переходному состоянию субстрата и высокое значение Км, и увидели, что эта ситуация реализуется на практике.
Рассмотрим теперь, какие механизмы используются для достижения этой цели. 1. Деформация Концепция деформации принадлежит Холдейну и Полингу 11, 4] и состоит в том, что активный центр фермента структурно комплементарен не самому субстрату, а переходному состоянию. При связывании с ферментом в субстрате возникают напряжения или деформации. Говоря словами Холдейна, «в модели Фишера замка и ключа ключ не совсем подходит к замку, а подвергается в замке некоторой деформации» (рис. 10.5). В настоящее время эта концепция применяется в модифицированном виде как концепция стабилизации переходного состояния: дело не в деформации субстрата, а в том, что переходное ГЛАВА ГО состояние субстрата взаимодействует с ферментом лучше, чем сам субстрат, а поэтому полная энергия связывания не реализуется до тех пор, пока не сформируется переходное состояние.
Рнс, 10,5. Схематическое изображение процесса деформации по Холдейиу. Центр связывании фермента растягивает молекулу субстрата так, что ее структура приближается к структуре продукта и сжимает молекулу продукта, так что ее структура приближается в свою очередь к структуре субстрата. 2. Индуцированное соответствие Как было показано в гл. 8, теория индуцированного соответствия хорошо объясняет некоторые явления, наблюдаемые в случае аллостерических ферментов. Эта теория была предложена ранее для объяснения субстратной специфичности для про. етых (неаллостерических) ферментов.
Предполагается, что в отсутствие субстрата фермент структурно не комплементарен переходному состоянию. Однако, поскольку молекула фермента довольно гибкая, а субстрат имеет жесткую структуру, при образовании фермент-субстратного комплекса каталитические группы на ферменте ориентируются оптимальным для катализа образом: это означает, что фермент становится комплементарным переходному состояниютолькопослесвязывания субстрата. В классическом варианте концепции деформации считается, что Км возрастает за счет той составляющей энергии связывания, которая отвечает за деформацию субстрата, а в теории индуцированногосоответствия — за счеттой составляющей энергии связывания, которая отвечает за деформацию фермента.
а. Отрицательные стороны механизма индуцированного соответствия в случае неаллостерическнх ферментов В теории напряжений величина й. г/Км максимальна, поскольку недеформированный фермент комплементарен недефоржированному переходному состоянию. Индуцированное соответ. ствие понижает й.,г/Км, так как недеформированному переходному состоянию комплемеитареи деформированный фермент и й г/Км уменьшается за счет того, что часть энергии расходуется на деформацию фермента. ТЕОРИИ ФЕРМЕНТАТИВИОГО КАТАЛИЗА З1З Рассмотрим процесс связывания субстрата с ферментом по механизму индуцированного соответствия с других позиций.
Разделим этот процесс на воображаемые стадии. Предположим, что между неактивной формой фермента (Ем), преобладающей в рассматриваемой системе ( [ЕРР] ж [Е] 0), и активной формой (Е„0) у которой каталитические группы ориентированы нужным образом, существует равновесие: км А с а! ~аса З ~асс к][, Цк Рассматривая Км в этой схеме как простые константы диссо- циации и приняв К = [Еас1]/[Евс], можно показать, что 1Р)0 1ч1 Асаск'/(1 + к') 1З)+ (Кмд /К) (1 + К)/(1 + К 1 и (Аса$1км)сьа = (АсаЗкм) (к/11 + К))' (10.14) Поскольку К ~ 1, (Асас/Км) ь и (Асада) (10.15) ( саа)сьа (км),ь, = Ам/и (10.
16) (10. 17) й„~ имеет такое же значение, как и в случае, когда весь фермент находится в активной конформации, а параметр Км значительно выше. Индуцированное соответствие увеличивает Км без увеличения й„ь и, следовательно, отношение йгм/Км уменьшается, что приводит к уменьшению эффективности катализа. Уравнение (10.15) показывает, что величина й. 0/Км такова, как если бы в активной конформации постоянно находилась небольшая часть фермента.
Это справедливо для всех субстратов, поскольку К от природы субстрата не зависит. Наблюдаемое значение й, с/Км существенно меньше, чем для случая, когда весь фермент находится в активной конформации. Если К' » 1, т. е. фактически весь фермент при связывании с субстратом находится в активной форме, уравнение (10.13) можно упростить. В этом случае глава ю 01й 3. Непродуктивное связывание Хотя при непродуктивном связывании константа Км не увеличивается, целесообразно рассмотреть здесь этот механизм, поскольку он приводит к эффектам, качественно аналогичным Гаси1дилениа — и — и ив- Л В С д К Рис. 10.6. Непродунтивное связывание субстратов лизоцимом.
Небольшие субстраты способны присоединятьси с любой стороны вдоль вытянутого активного центра лизоцима, не связываясь с подцентром, где происходит рас. щепление, из-за его более низкого сродства. ! АСИН-СН вЂ” С вЂ” ИН клгидидд сдлзыдаииа дает а гадала задаа- аниаайе С 1 АСИН-СН -СНа-~ ~-СН рис, 107, Неправильное связывание анилидов, содержащих аномальный гид- рофобный остаток, с гидрофобным центром связывания химотрипсина.
эффектам, возникающим при напряжении или индуцированном соответствии. Вначале эта теория была привлечена для объяснения более высокой реакционной способности ббльших по размерам специфических субстратов по сравнению с меньшими неспецифическими субстратами. Предполагалось, что помимо ТЕОРИИ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА 315 продуктивного связывания в активном центре возможны другие, непродуктивные способы связывания, когда небольшие субстраты связываются, но не подвергаются каталитическому превращению (рис.
!0.6). Примером такого рода может служить связывание полисахаридов с лизоцимом. Для осуществления реакции необходимо, чтобы из шести центров связывания — А, В, С, )А, Е, Р— моле. кула субстрата заняла центры Р и Е. При связывании с центром 0 возникает некоторое напряжение, так что увеличение суммарной энергии связывания при этом не происходит. Тримеры и тетрамеры связываются непродуктивно с центрами А, В, С и А, В, С, Р соответственно. Однако в случае гексамера выигрыш в энергии связывания при занятии центров Е и Р обеспечивает продуктивное связывание его с центрами А, В, С, 11, Е, Р. Наряду с этим «многовариантным» непродуктивным связыванием возможна ситуация, когда субстрат связывается с активным центром, но в неправильной ориентации (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
