Химия протеолиза - Антонов В.К.
Скачать (прямая ссылка):
8.2.1 Сближение и ориентация
В отличие от реакций в растворе реакции на ферменте происходят в ограниченном участке активного центра, где реагирунмге группы сближены между собой.
Это приводит к увеличению локальной концентрации реагирующих групп, что эквивалентно уменьшению ьв* (1)-
-CjO
Разные исследователи давали различную оценку вклада этого фактора. Так, исходя из тех соображений, что для молекул, соответствующих по размеру молекулам воды, максимальная концентрация составляет 55 М. Кошлан" [16151 принимал эту величину как максимальную "эффективную концентрацию” при ферментативных реакциях. Такой концентрационный эффект соответствует изменению свободной энергии, равному 2,4 ккал/моль, или изменению энтропии на 8 э.е. При этом, естественно, не учитывается ориентационный эффект, который может достигать значительно больших величин. Так, исследоьания реакции диеновой конденсации [1616,16171 дают значения суммарной потери энтропии порядка -45 э.е. Эта величина складывается из значений, приведенных в табл.80.
Таблица 80. Изменения энтропии для различных типов движения
Тип движения &S, е.е.
Поступательное движение (3 степени свободы) 29-36
Вращательное движение (3 степени свободы)’1' 5-6
Внутреннее вращение 3-5
Колебания с частотой (см- ) 1000 0,1
400 1,0
100 3,4
*На одну связь.
О роли ориентации в катализе свидетельствуют также данные по внутримолекулярным реакциям (см. гл.З), когда наблюдаемые ускорения по сравнению с соответствующими межмолекулярными процессами достигают 10б-107.
Сходные величины эффектов сближения и ориентации получены [33541 теоре -тически на основе статистической термодинамики. Отношения констант скоростей внутри- №т) и межмолекулярной (fefc) реакций даются уравнением:
1
k/k.---------, (3)
m b №5V
где N - число Авогадро, a eV- элемент объема, в пределах которого находится центр масс реагирующих групп. Значения sV могут соответствовать сфере с да -
О
аметром, равным амплитуде колебаний образующей связи, т.е. «0,05 А, что даст отношение k /fe.-3-Ю7 М.
771 О
Эффекты сближения и ориентации особенно значительны при высоких порядках реакций. Так, если два субстрата превращаются в продукт под действием трех катализаторов, то в растворе эта реакция имеет пятый порядок. На ферменте такой процесс может происходить в 1013-1017 раз быстрее И 6151. Была предложена довольно простая формула для оценки относительной скорости реакций в растворе и на ферменте, учитывающая ориентационные эффекты [16151
1n_1
ЕЕЗ (55,5)п П 0
П П~ 1
ШБ] п / с
^ ху
(4)
телесный угол контакта мезкду соседними молекулами; / - фактор кор-
ху
где 8
рекции для числа соседних молекул, окружающих каздую реагирующую молекулу.
Существенный вклад в эффективность ферментативного катализа может внести эффект "динамичного концентрирования” [3355,3356]. В растворе длительность существования молекулярной пары составляет около 1СГ11 с. Если такой комплекс не превращается в продукт, то он распадается, и система вновь переходит на низший уровень энергии. Длительность существования комплексов ферментов с субстратами, как показывают данные ЯМР [3357-3359], порядка 1СГ4-1СГ7 с, т.е. вероятность флуктуации, приводящей к активированному состоянию, существенно увеличивается. Этот эффект может увеличить скорость реакции на 6-9 порядков [3356].
Сходные идеи были развиты [3360,3361] в "пространственно-временной гипотезе", согласно которой фермент может удерживать реагирующие молекулы на критическом для взаимодействия расстоянии достаточно долгое для прохождения реакции время. Следует отметить, что в этих случаях недооцениваются значительные энтропийные затраты, необходимые для такого удерживания [3347].
Вклад концентрационного и ориентационного эффектов изменяет уровень свободной энергии основного состояния реакции (рис.123). Система как бы продвигается по координате реакции, и тем самым понижается активационный барьер. Этот эффект может иметь как энтропийный, так и энтальпийный характер.
Рис.123. Энергетический профиль реакции, демонстрирующий продвижение исходного состояния по координате реакции при образовании комплекса между реагирующими веществами
АЕ
8.2.2. Орбитальный контроль г
Исследование внутримолекулярных реакций лактонизации и тиолактонизации привело к мысли, что важное значение в катализе должно иметь точное соответствие ориентации орбиталей реагирующих атомов [3362-3365].
