Химия протеолиза - Антонов В.К.
Скачать (прямая ссылка):
8.3.3. Индуцированное соответствие
Если в теории напряжения энергия связывания субстрата с ферментом расходуется на деформацию субстрата, то в теории индуцированного соответствия эта энергия расходуется на изменение фермента [3019,3352,3406]. Предполагается, что хороший субстрат эффективно изменяет конформацию фермента в направлении энергетически невыгодной, но каталитически более активной структуры. Разные субстраты вызывают различный "конформационный ответ" фермента, чем и определяется их способность к превращению.
Кинетическую схему такого процесса можно записать в виде:
Ер *—» EpS---------- продукты,
Ч к:
Е S
где Е - каталитически активная форма фермента; Еп - его неактивная форма; Кр=[Ер]/[Еп1 и K*=[EpS]/[EnS]. Таким образом, мевду двумя формами фермента существует равновесие, сдвинутое в сторону неактивной формы (Еп). поскольку она является энергетически предпочтительной (Кр«1), а субстрат изменяет это равновесие в пользу комплекса с активным ферментом так, что К*»Кр.
Скорость превращения субстрата опЕСквае' 'ся уравнением
-----ЛЕ HS ]
1+К ° °
V = --------------------- (18)
КР
К ------^-r— +LS ]
3 К (ПК*) °
pv Р
(учитывая условие Яр«1).
Отсюда следует, что наблюдаемая константа скорости второго порядка
Рис.130. Влияние индуцированного соответствия на свободную енергию основного и переходного состояний ферментативной реакции
cat
кгкР
(19)
т.е. эта константа, а следовательно, и специфичность фермента не зависят от структуры субстрата, поскольку величина Кр характеризует равновесие между двумя формами свободного фермента.
Как видно из рис.130, чем выше разница в энергии двух состояний свободного фермента
(чем меньше Кр), тем выше Кт и тем меньше Если же весь фермент на-
ходится в активной конформации, то выражение для Кт в знаменателе формулы (18) будет:
К =К
1+К
(20)
a , т.е. приобретает то же значение, что и в отсутствие инду-
цированного соответствия.
Хотя теория индуцированного соответствия в общем случае не решает проблем эффективности и специфичности катализа, были проанализированы случаи, когда специфичность может быть связана с индуцироЕаннымл субстратом конфор-мационными изменениями [3407]. Нет сомнения в том, что явление индуцирования субстратом конформационных изменений в ферменте существует. Эти изменения могут играть положительную роль в катализе, увеличивая ориентационные факторы, изменяя сольватацию или вызывая деформации субстрата. Заслугой теории является то, что она впервые привлекла внимание к важной роли конформационных изменений фермента в катализе.
Кроме того, представление об индуцированном соответствии хорошо применимы для объясньния аллостерии. В модели Кошланда-Немети-Филмера [3408] субъ-единичный белок в отсутствие лигандов существует в одной конформации, а при связывании лиганда последний индуцирует конформационные изменения, передающиеся на другую субъединицу. Эта модель хорошо объясняет особенности связывания кислорода гемоглобином.
8.4. СтаСилизац-л переходного состояния
Как мы убедились, ни одна из рассмотреных выше теорий не объясняет понижения активационного барьера ферментативной реакции №саЛ/Кт) по отношению к барьеру неферментативного процесса, если считать, что обе реакции идут через сдно и то же переходное состояние. Рассмотренные механизмы лишь изменяют уровень основного состояния ферментативной реакции. Очевидно, что ис
Рис.131. Энергетический профиль реакции при условии компл<=. кэнт арности фермента переходному состоянию субстрата
кать объяснения эффективности и специфичности ферментов необходимо на пути, рассматривающем переходные состояния ферментативной и неферментативной реакций как различные.
Представим себе [,16131, что субстрат, связываясь с ферментом, реализует лишь часть возможных взаимодействий вследствие того, что фермьнт некомплементарен основному состоянию субстрата (см. разд.8.2). Ком-плементарность достигается лишь в переходном состоянии, и при этом субстрат реализует еще не использованные возможности связи с ферментом.
При этом, как видно из рис.131, уровень свободной энергии основного состояния увеличивается по сравнению с уровнем полной комплементарное™ на некоторую величину aGr, а уровень свободной энергии переходного состояния уменьшается на ту же величину.
Чтобы оценить эффективность катализа, обратимся вновь к схеме 1. В рас-
сматриваемом
как:
случае величины ДСЕЗ и
(дС
ЕЗ'
И AGjg.
) можно представить
д G.
JE3 ’ LGES
(21) (22)
где AGtot - полная энергия фермент-субстратного взаимодействия. В соответствии с равенством (2) можно записать, что:
дС
ЕВ’
- t,G
ES'
- AG* - ДGT.
(23)
Подставляя сюда выражения (21) и (22) и учитывая, что по-прежнему лС*3=лС*, получим:
Таким образом, понижение энергии переходного состояния ферментативной реакции по сравнению с конгруэнтной модельной реакцией будет равно полной энергии фермент -субстратного взаимодействия. Оценки этой энергии для производных ациламинокислот (см. разд. 6.6) дают значения, доходящие до 25 ккал/моль. Это с избытком покрывает все наблюдаемые различия в скоростях ферментгтивного и неферментативного гидролиза.
