Химия протеолиза - Антонов В.К.
Скачать (прямая ссылка):
Легко показать, что Кп вносит вклад в свободную энергию основного состояния:
LG* . - + &G ) - aG . (12)
cat 2р р п ' '
Мз формулы (12) видно, что продуктивное связывание как бы "дестабилизи-
рует" основное состояние реакции (&Gp и b.Gn - отрицательные величины), что иллюстрируется рис. 128.
на и Нимана возможно, если правильно выб-
Рис.128. Энергетический профиль ферментативной реак'ши, демонстрирующий роль непродуктивного связывания
Предсказание значений k в теории Хей-
cat
рать значение Р.?р и определить величины Кр и К^, используя значения микроскопических констант. Предполагается, что значительно выше константы скорости соответствующей неферментативной реакции, хотя теория не объясняет причин этих различий. \
Следует подчеркнуть, что эта теория может быть использована лишь для ограниченного числа субстратов. Она не учитывает роли вторичных взаимодействий, а значения микроскопических констант определяются тем набором субстратов, который в данном случае используется. При увеличении числа экспериментальных данных эти значений могут существенно измениться.
Кроме того, как и все модели непродуктивного связывания, модель Хейна и Нимана не объясняет различии в константе скорости второго порядка (koat/K ) для разных субстратов. \
В соответствии с уравнением (7), для р-1
т.е. константа скорости второго порядка не зависит от степени непродук _'ив ного связывания.
Представления о непродуктивном связывании применимы и для объяснения различий в скоростях гидролиза промежуточных ацилферментов [1328,34051- Известно, что ацилхимотрипсины, образованные D-аминокислотами, очень медленно подвергаются гидролизу, причем чем более специфичной является аминокислота, тем медленнее идет ее рссщепление. По-видимому, в D-ациламиноацилхимотрип-синах ациль. мй остаток расположен преимущественно неправильно, но лучшие объяснения этим данным дают представления о напряжении или индуцированном соответствии (см. ниже).
cat
(13)
ш
8.3.2. Теория напряжений
Из схемы I (см. разд.8.1) можно записать, что
где КБВ и Ку- константы ассоциации фермента с субстратом и "переходным состоянием" соответственно, a и К* - константы равновесия образования активированных комплексов в катализируемой и некатализируемой реакциях, причем в соответствии с теорией абсолютных скоростей реакций
k =
kT
К*,
(15)
отсюда
(16)
Это означает, что катализ возможен лишь в том случае (fe^,»fe^), если переходное состояние эффективнее связано с ферментом, чем основное состояние реагирующей системы (т.е. К >>К„„).
Т -Cio
Эти соображения привели Холдена [1744, с.182], а затем Полинга [28431 к идее о том, что активный центр фермента структурно комплементарен не субстрату в его основном состоянии , а переходному состоянию реагирующих ве-
Рис.129. Энергетический профиль ферментативной реакции, демонстрирующий роль напряжения или деформации в основном состоянии
ществ. Таким образом, фермент, связывая субстрат, создает в нем напряжение или деформации (рис.129). Гипотетический фермент-субстратный комплекс, в котором отсутствуют напряжения (ES), имеет существенно более низкую свободную энергию, чем напряженный комплекс (ES*). Выигрыш в энергии активации соответствует энергии напряжения, т.е. энергия напряжения расходуется на дестабилизацию основного состояния, и вследствие этого активационный барьер понижается.
Теория напряжений претерпела определенную эволюцию от постулирования геометрических деформаций субстрата (теория "дыбы") [1375,24491 до трактовки напряжений как следствия десольватационных, электростатических и энтропийных эффектов [9,14041.
Важно подчеркнуть, что все эти эффекты в теории напряжений проявляются в основном состоянии. Дальнейшее развитие теории привело к убездению, что они имеют большее значение для переходного состояния, чем для основного (см. разд.8.4).
Аргументы в пользу реальности напряжений и деформаций в фермент-субст-ратных комплексах уже приводились в разд.8.2.5. Теория напряжений согласуется со. многими экспериментальными данными, хотя и сталкивается с определенными трудностями. Напряжение вызывает изменение в уровне свободной энергии основного состояния, т.е. в одинаковой степени увеличивает как ?т, так и k .. Таким образом, величина к ./К , характеризующая специфичность фер-
csx - cat m
мента, не должна изменяться. Это видно из рис.129, где высота активационного барьера по отношению к исходному состоянию свободного фермента и свободного субстрата не зависит от напряжения в основном состоянии- фермент-субет-ратного комплекса. Это не согласуется с экспериментальными данными в отношении кинетики гидролиза, катализируемого многими протеазами. В большинстве случаев изменение длины пептидного субстрата не сказывается на величине К, но изменяет feQat и соответственно &cat/^m (см разд.4.3.1.3).
