Биохимия 1 (1984) (1128709), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Каждая субъединица может существовать в одном из двух возможных конформационных состояний (К нлн Т). 2. Связывание субстрата изменяет форму той субъединицы, к которой он присоединяется. Конформация пру~ ой субъединицы при этом существенно не меняется. 3. Конформационные изменения, вызванные связыванием субстрата на одной субъединице, могут увеличивать или уменьшать сродство к субстрату другой субъединнцы той же молекулы фермента. Согласно модели последовательного механизма процесс связывания субстрата аллостерическим ферментом протекает так, как показано на рис. 6.24.
Связывание является кооперативным, если у КТ-формы сродство к субстрату выше, чем у ТТ- формы. Модель простого последовательного механизма взаимодействия отличается от модели согласованного механизма в нескольких отношениях. Во-первых, модель последовательного механизма не предполагает равновесия между К- и Т-формами в отсутствие субстрата. Напротив, присоединение субстрата индуцирует переход от Т к К. Вовторых, конформационный переход от Т к К в разных субъединицах фермента происходит не согласованно, а последовательно.
Гибридной форме КТ отводится важная роль в модели последовательного механизма. В модели согласованного механизма наличие гибридной формы КТ исключается. Эта модель исходит из важной роли симметрии во взаимодействии субъединиц в олигомерных белках и потому предполагает ее сохранение при аллостерических переходах. Модель же последовательного механизма, напротив, построена на предположении, что субъединицы могут взаимодействовать, да- ((Т ((й Модель последовательного механизма кооперативного связывания субстрата аллостерическим ферментом.
Свободный активный центр КТ- формы обладает большим сродством к субстрату, чем активные центры ТТ-формы. Рне. 6.24. 121 6. Введение в энзимологию же если онн находятся в разных конформационных формах. Наконец, различие заключается также и в том, что в случае согласованного механизма гомотропные взаимодействия всегда должны быть положительными, тогда как в случае последовательного механизма они могут быть либо положительными, либо отрицательными. Будет ли вторая молекула субстрата связываться с ферментом более или же менее прочно, чем первая, зависит от природы структурных переходов, вызванных присоединением первой молекулы субстрата.
Какая из моделей правильна? Для одних аллостерических белков хорошо подходит модель согласованного механизма, тогда как для других, по-видимому, применима модель последовательного механизма. Однако существует группа аллостерических белков, к которым неприменимы обе модели. Предполагается, что эти белки имеют не два (й и Т), а более конформационных состояния. Соответственно для описания аллостерических свойств таких белков требуются более сложные модели. 6.19.
Водородные связи, а также электростатические н вандерваальсовы взаимодействия в фермент-субстратных комплексах Обратимые молекулярные взаимодействия в биологических системах опосредуются си- НН Н 2 С вЂ” Н вЂ” СН вЂ” СН вЂ” СН вЂ” ~~~~2 2 2 2 Н Н аяп2нннввая ававая цваь фермента О +Н,Н вЂ” 61у — Туг — С О пуаетяат лами трех типов. Складывание макромолекул в сложную структуру, связывание субстрата с ферментом, межклеточные взаимодействия, т.
е. все молекулярные взаимодействия в биологических системах, осуществляются благодаря образованию водородных связей, а также связей, обусловленных электросватическими и аандеркаальсавыми взаимодействиями. Эти три основных типа нековалентных связей различаются по своей геометрии, энергии н специфичности. Более того, хотя на них всегда сильно влияет ирису~стане воды, однако этот эффект проявляется по-разному. Рассмотрим подробнее каждый из этих основных типов связей. 6.20.
Заряженяые субстраты могут связываться с противоположно заряженнымн групнамн фермента Заряженная группа субстрата может реагировать с группой фермента, несущей противоположный заряд. Сила такого электуостатичегкого взаимодействия определяется законом Кулона: 2)1ч2 Г= —, „2)) где 2), и 222 — заряды соответствующих групп, г — расстояние между ними, 12 — диэлектрическая постоянная среды.
Электростатическое взаимодействие наиболее сильно проявляется в вакууме (где 0 = 1) и наиболее слабо-в такой среде, как вода (где О = 80). Часть 1 122 Конформации и динамика Примером электростатического взаимодействия может служить связывание глицнл-1 тирозина с карбоксипептидазой А- протеолитнческим ферментом, который отщепляет С-концевые остатки аминокислот. Отрицательно заряженная концевая карбоксильная группа дипептидного субстрата взаимодействует с положительно заряженной гуанидиниевой группой аргннинового остатка на ферменте.
Расстояние между этими двумя противоположно заряженными группами составляет 2,8 А; Такой тип взаимодействия называют также ионной связью, солевой связью, селевым мостиком или ионной парой. Все эти термины имеют одно н то же значение: электростатическое взаимодействие между противоположно заряженными группами. Между отрицательно заряженным субстратом н положительно заряженной боковой цепью лизинового или аргининового остатка могут возникать электростатические взаимодействия.
Если величины рК имидазольной группы остатка гистидина нлн концевой аминогруппы полипептидной цепи обеспечивают их положительный заряд при данном рН среды, то они также могут функционировать как потенциальные участки связывания отрицательно заряженного субстрата. В случае если субстрат имеет положительный заряд, потенциальными участками связывания служат отрицательно заряженные карбоксильные группы аспартата и глутамата, а также концевая карбоксильная группа полипептндной цепи. 6.21.
При связывании субстратов с ферментами образуютсв строго ориентированные водородные связи Несмотря на то что многие субстраты не имеют заряда, они связываются с ферментами с высокой степенью специфичности и сродства. Основной вид взаимодействия таких субстратов, а также большинства заряженных субстратов с ферментами — это образование водородных связей. В водородной связи атом водорода связан сразу с двумя другими атомами. Тот атом, с которым водород связан более прочно, называют донором водорода, тогда как второй à ΠΠ— Н О вЂ” Н О Длина, А Связь Слава л юдороднаа оаюь С»навал ° од»род»ав ввлзь о — н...о О Н..ΠΠ— Н2.И и — н..о и"- Н...О и — НГИ 2,70 2,63 2,88 3,06 2,93 3,10 атом-акцептором водорода.
По существу водородную связь можно рассматривать как промежуточное взаимодействие, возникающее прн переносе протона от кислоты к основанию. Атом-акцептор должен иметь частичный отрицательный заряд, который и притягивает водород. Короче говоря, водородная связь чем-то напоминает любовь втроем: Донор Акцвптор Донор Акцептор водорода водорода водорода водорода 1 — Π— Н .Н— — Н вЂ” Н О— + — — з — + 2,88 А З,ОЛ А При образовании водородных связей в биологических системах атомами-донорами служат атомы азота или кислорода, ковалентно связанные с атомом водорода. Роль атомов-акцепторов выполняют кислород или азот. Типы водородных связей и их длины приведены в табл. 6.3.
Энергия связей колеблется от примерно 3 до 7 акал! моль. Водородные связи прочнее, чем связи, обусловленные вандерваальсовыми взаимодействиями, но значительно слабее, чем ковалентные связи. По длине водородные связи занимают промежуточное положение между ковалентными связями н связями, обусловленными вандерваальсовыми взаимодействиями. Важная особенность водородных связей состоит в том, что их энергия зависит от геометрии. Водородная связь оказывается наиболее сильной, если донор, водород н акцептор лежат на одной прямой.
Если же атом-акцептор расположен под углом по отношению к линии, соединяющей атом-донор и водород, то связь будет тем слабее, чем больше этот угол: Мы уже упоминали о водородных связях при обсуждении структуры миоглобина н гемоглобина. В е спирали водородная связь соединяет друг с другом — й)Н- и — СО-группы пептидной цепи.
При этом атом азота служит донором водорода, а атом кислорода-акцептором. Расстояние между атомами азота и кислорода составляет 2,9 А; атом водорода находится бли- же к азоту, чем к кислороду, на 0,9 А. Другой пример водородной связи в миоглобине и гемоглобине — связь между гидроксильной группой тирозина НС2 и пептидным карбонилом РО4. Атом кислорода в гидроксильной группе тирозина является донором водорода, а атом кислорода в пептилной С=О-группе †акцептором: М вЂ” Н ...О=С Роль водородных связей во взаимодействии субстрата с ферментом хорошо видна на примере связывания уридинсодержащей части субстрата с панкреатической рибонуклеазой — ферментом, расщепляющим рибонукленновую кислоту (рнс. 6.25).
В этом случае образуются три водородные связи. Е Одна из С:О-групп уридинового кольца соединена водородной связью с Х вЂ” Н-группой пептцдной цепи. 2. Х вЂ” Н-группа уридннового кольца соединена водородной связью с — ОН-группой остатка треоннна. 3. Другая С:-О-группа урндинового кольца соединена водородной связью с — ОН-группой остатка серина. 6.22. Белки обладают выраженной способностью к образованию водородных связей Боковые цепи аминокислот и основная пептидная цепь могут давать большое число Таблица 6.3.
Твиизвые размеры ве- ларелиыл сввзс» 6. Введение в энзимологию уридннсвов кольца в субстрата Н вЂ” !т Н чь Ж :С=-н Н вЂ” Н ср 'н Донорнал группа ° одородв в молвкулв вргмнннв Доморнвн группа ° тдсрода ° внжвкулв трмнюфама различных водородных связей. Так, из 20 встречающихся в белках аминокислот у 11 боковые пепи способны участвовать в образовании водородных связей. Удобно распределить эти аминокислоты на группы в зависимости от образуемых ими типов водородных связей. !. Боковые цепи триптофана и аргинина могут служить талька донаритп водорода: и О" Н вЂ” и нс "сФ ! С нс н с н...о — с, l о н тлвонинввм Н боновав цепь фптивнта Свринавви баксана о 2 цвнь фарнвнта Образование водородных свя- зей при связывании субстрата рибонуклеазой.
(К!С)тасс(з Г. М., %ус(сой' Н.%., А11еаей Х., Т)2е Хецгозс)епсез: Яесопг) Б!цт)у Ргоягаш, Г. О. БСЬпи(, ед., Вос)се(е!!ег ()и!тета!!у Ргезз, 1970, р. 970.) 2. Боковые группы аспарагипа, глутамина, серина и треонина могут служить как донорами, так и акцсптарами водорода, и в этом отношении они подобны пептидной группе. 3. Способность образовывать водоролные связи у лизина (и вообще у соединений с концевыми аминогруппами), у аспарагиновой и глутаминовой кислот (и у других соединений с концевыми карбоксильными группами), а также у пиридина и гистиднна зависит от рН.
В определенных границах рН они могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водорода, тогда как при других значениях рН -либо донорами, либо акцепторами, как это показано для аспартата и глутамата на рис. 6.26. Иными словами, образуемый этими иа2тизируюи)имися астатпкалти тип водородной связи зависим! ат рн. Может служить акцвптором водорода Ф О вЂ” СН вЂ” С 2 й — Н Макет служить донором водорода дспврвгнн млм глутвммн Часть ! Коиформацив и динамика 6.23. Ввпдерваальсовы взаимодействия играют важную роль в случаах стерической комплементарности Если два каких-либо атома находятся нв расстов2ии 3-4 2)ь друг от друга, то между ними возникает неспецифическое притяжение. Такое притяжение, называемое вандерваальсовым взаимодействием, менее специфично и значительно слабее, чем электростатические взаимодействия или водородные связи, однако оно имеет не менее важное значение в биологических системах.
В основе возникновения вандерваальсовых взаимодействий лежит тот факт, что распределение электронного заряда вокруг атома меняется во времени. В любой взятый момент времени распределение заряда не является полностью симметричным. Эта преходящая асимметрия электронного заряда одного атома вызывает изменение распределения электронов вокруг соседних атомов.
По мере сближения двух атомов до так называемого расстояния сандсрвааяъсава контакта сила притяжения между ними возрастает (рис. 6,27). На расстоянии, более коротком, чем контактное, начинают преобладать очень большие силы отталкивания, поскольку происходит перекрывание двух внешних электронных облаков. Контактное расстояние между атомами кислорода и углерода, например, составляет 3,4 А, т.е. сумму контактных радиусов атома О (1,4 А) и С (2,0 А).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
