Химия протеолиза - Антонов В.К.
Скачать (прямая ссылка):
Требования к модельной системе включают, помимо сходства структуры реагирующих групп, промежуточных соединений и идентичности продуктов реакции в сравниваемых системах, еще и близость значений рКа, участвующих в процессе группировок [33491. Все эти требования не всегда удается соблюсти, и отношение констант скоростей ферментативной и модельной реакций может заметно изменяться а зависимости от выбора модели.
Значения эффективности, конечно, зависят от выбора субстрата ферментативной реакции. Так, часто приводимая [2424,2453,3350] величина МО5 (по ftcat/Xm) для химотрипсин8, основанная на использовании в качестве субстратов амидов N-ацетиламинокислот, на пять порядков отличается от величины, получающейся при использовании одного из лучших пептидных субстратов (см. разд.4.4).
8.1. Общие сведения
Рассмотрим диаграмму изменения свободной энергии ферментативной и неферментативной реакций (рис.121)1. Их основное различие заключается в том, что в ходе ферментативного катализа фермент и субстрат образуют комплекс, свободная энергия кототюго ниже, чем свободная энергия исходных реагентов. Если свободная энергия активации химической стадии остается одной и той же для обеих реакций, то увеличение скорости катализируемого процесса будет в точности пропорционально константе диссоциации фермент-субстратного комплекса. Это можно показать следующим образом. Рассмотрим два пути превращения субстрата - каталитический и некаталитический:
1В качестве стандартного состояния здесь и далее используются изменения свободной енергии, отнесенные к 1 молю веществ при их концентрации 1М [3351].
Л°?5^ ES
¦S ES*
^ S+^GT
E + S
до;
продукты
(1)
+
E
В этом цикл" равновесий справедливо равенство: аСея - а0ез = < ~ aGt‘
(2)
Так как по условию свободные энергии активации двух процессов одинаковы (дСЕ, = дСд), то bG-K3 - >. Тэким образом, изменение уровня свободной энергии переходного состояния ферментативной реакции по отношению к состоянию исходных реагентов (дGT) будет в точности равно изменению свободной энергии за счет комплексообразования.
JL Klw • I L. I I ^ , puivuftu JIIOIVIW1**11
по координате реакции (г) для неферментативного (I) и ферментативного (2') процессов
Для простейшей схемы ферментативного катализа:
Ks Й2
Е + S —- ES ------------> продукты
скорость равна:
ЙЛЕ] CS]
2 о с
т К +CS]
S о
Скорость соответствующей конгруэнтной модельной реакции будет: к
п
S---------* продукты
v — к [S] .
п по
Отношение скоростей ферментативной и модельной реакции будет:
vf ft2CE]o
v к (К +IS] )
п п S о
или, учитывая, что AG:
ES
AG* (т.е. &2-«п).
В условиях, когда [S] «? , vjv -[Е] /К , а при [S] »К vjv —[ЕЗ /[S3 ,
J о 8 f п о а г о з f п о о
т.е. реакция не только не будет ускоряться, но и будет происходить медленнее, так как обычно ЕЕЗ <[S] .
о о
Ясно, что образование фермент-субстратного комплекса само по себе без снижения энергии активации химического процесса не может обеспечить наблюдаемой эффективности ферментативного катализа.
Рис.122. Два способа понижения энергии активации: повышение энергии основного состояния (1) и понижение энергии переходного состояния (2)
Поникениэ свободной энергии активации ферментативной реакции по сравнению с конгруэнтной моделью можно, в принципе, реализовать двумя путями: или повысив свободную энергию основного состояния или понизив энергию переходного состояния (рис.122). В обоих случаях, используя выражение (2) и значения дG*g, aG?S и aG* из теории абсолютных скоростей реакций, можно покаядть, что различия в свободных энергиях активации двух процессов (aGt) будет определяться выражением:
*/ *2
L.G-----КПп—, где k.-------.
т к f К
п S
Все существующие теории ферментативного катализа ставят своей целью объяснение причин различий в к^ и кп, причем одни исходят из того, что это связано с изменением уровня свободной энергии основного состояния, а другие главную причину видят в понижении уровня свободной энергии (стабилизации) переходного состояния. Такая "классификация" существующих теорий и гипотез, конечно, в значительной степени условна, и четкую границу здесь не всегда можно провести, однако она удобна для изложения. Прежде чем перейти к изложению существующих концепций, необходимо познакомиться с факторами, которые
могут вносить вклад в различие k и к .
Т п
8.2. Факторы катализа
Эффективность, т.е. отношение к ./К k . для амидгидролаз может достигать
cat .in * Ti
одиннадцати - двенадцати порядков (см_ табл.50). Для некоторых других ферментов оценки эффективности дают значения 101б-1018 [3352, 3353]. Какие же факторы ферментативного катализа могут давать столь большие ускорения процесса?
