Химия протеолиза - Антонов В.К.
Скачать (прямая ссылка):
ьыло показано [3378], что имеется критическая степень гидратации белка для проявления им каталитической активности.
8.2.4. Электростатические эффчкеъг
Эти эффекты тесно связаны с <эффе] :тами сольватации и уже частично обсузда-лись в предыдущем разделе. Здесь целесообразно обсудить собственно явление стабилизации заряда на фо^менте и вклад этого явления в катализ [2939,3379-3382]. Реакции, происходящие в водном растворе, практически нечувствительны к электростатической стабилизации'зарлда 133831, поскольку в средах с высо кой диэлектричиской проницаемостью энергия взаимодействия двух противоположно заряженных частиц очень невелика (для протоне ¦'•и электрона, нахо«ящих-
о
ся на расстоянии 3,3 A, ASf-1 ккал/моль). ОДнако в аполярной среде, как показали расчеты, проведенные, для катализа лизоцимем [?939], стасилизация карбоний-иона (промежуточного продукта реакции) карбокеилат-ионом остатка Asp52 составляет 9 ккал/моль, а в сериновых протеазах стабилизация оксиани-
она тетраэдрического промежуточного соединения - 30 ккал/моль [3381].
Необходимо отметить, что этот эффект обусловлен как непосредственным взаимодействием зарядов, так и взаимодействием между зарядом и перманентными и индуцированными диполями фермента [3380]. Представления о стабилизации переходного состояния за счет электростатических взаимодействий были развиты в ряде работ [3190,3257,3382], однако, если справедливы представления о возможности неадиабатического "туннельного" переноса протона (см. разд. 8.2.7), то само понятие заряда переходного состояния становится весьма неопределенным.
Существенным для белков-ферментов является микрогетерогенность в значениях диэлектрической проницаемости, что приводит к возможности взаимодействия заряда-с водным окружением, а также предорганизация полярной среды -высоко полярные группы в белке фиксированы и не могут изменять свою ориентацию под действием внешнего поля. Заряд, появляющийся внутри белковой глобулы, например в ходе превращения субстрата, не может из-за фиксации диполей эффективно реорганизовать белковую "среду", однако внешняя среда (вода, окружающая глобулу) может достаточно сильно поляризоваться таким зарядом.
Расчет}-1 показывают, что энергия реорганизации среды зарядом, экранированным белковой глобулой существенно меньше, чем зарядом, расположенном целиком в водной фчзе. Это может быть существенным фактором снижения энергии активации (см. обзоры: [3384,3385]).
8.2.5. Деформация субстрата
Всякое изменение длины связи или валентного угла в реагирующей группе субстрата приводит к ее дестабилизации и облегчает разрыв связи. В ходе химической реакции происходят существенные изменения этих параметров. Если активный центр фермента представляет собой жесткую "конструкцию", то возможна ситуация, когда связывание субстрата за счет взаимодействий с удаленными от реагирующей группы участками будет приводить к возникновению деформаций в самой реагирующей группе. Это приведет к продвижению системы в направлении переходного состояния. Если активный центр является конформационно подвижным, а субстрат - "жестким", то субстрат может индуцировать деформацию (скорее всего, энергетически неблагоприятные конформацжллые изменения) в ферменте. Эти ’представления лежат в основе многих современных теорий и гипотез ферментативного катализа, и они будут подробнее разобраны ниже. Здесь же укажем, что концепция деформации субстрата получила вначале экспериментальное подтверждение в работах по рентгеноструктурному анализу лизоцима и его комплесов с ингибиторами [3379,3386]. Однако в дальнейшем [3387] было показано, что в каталитическом участке этого фермента (участок D) связывание сахарного остатка не сопряжено с затратами энергии. Это все же не означает отсутствия деформации, а может быть связано с компенсацией энергетических затрат другими энергетически благоприятными факторами.
Как было показано в разд. 6.5.2 и 7.3, связывание ингибиторов амидгидро-лазами также приводит к деформации потенциально гидролизуемой амидной связи за счет вращения вокруг связи С-N и пирамидализации амидной группы.
Еще одним примером дисторсионного механизма катализа является цис-транс-изомерия некоторых азокрасителей, которая практический не ускоряется низко-
молекулярными веществами, но заметно катализируется такими белками, как сывороточный альбумин [ЗЗЯ8]. Спектральными методами показано, что в комплексе краситель-белок азогруппа искажена в направлении переходного состояния цис-транс-изомеризации.
Нообы^нче спектральные характеристики многих металлсодержащих белков и их комплексов с лиганда™ показывают, что атом металла в них нахсдится в особом деформированном (в отношении распределения электронной плотности) состоянии, которое было названо "энтатическим состоянием" [3389,3390]. Предполагается, что это состояние имеет важные преимущества в отношении каталитической эффективности.
Спектральными методами была установлена поляризация карбонильных групп субстратов в цитратсинтазе ?3391,3392], дрожжевой альдолазе [33931 и триозофосфатизомеразе [33941 -
