Химия протеолиза - Антонов В.К.
Скачать (прямая ссылка):
E-TS
Рис.133. Иллюстрация трех типов изменений свободной энергии по координате реакции при ферментативном катализе [3348]
А - униформное связывание, Б - дифференциальное связывание, В - связывание (катализ) элементарных стадий (см. текст)
альный" фермент с наименьшими энергетическими барьерами будет в случае, когда стабилизируется переходное состояние. Следует подчеркнуть, что термодинамический анализ этих случаев справедлив, если в качестве стандартного состояния выбраны реальные концентрации субстрата, существующие in vivo. г1о-видимому, существуют ферменты, отвечающие каждому из перечисленных типов связывания [3348]. Примером "идеального” фермента может служить (З-лак-тамаза (J435]- Количественный анализ этих случаев и условия равенства свободных энергий "внутренних" стадий дан в работе [3436].
8.8. Основное состояние элементарного акта ¦Iерыентативной и тдодьльноЛ реакций
Ферментативный процесс - многостадийная реакция, реализующаяся посредством серии последовательных элементарных актов. Каждый акт в той или иной степени изменяет состояние субстрата, и поэтому основное состояние лишь самого первого элементарного акта идентично основному состоянию в модельной конгруэнтной системе. Сравнение активационных барьеров последующих элементарных датой ¦ дагивационаымк ¦-'.рьетзами неферментативной реакции возможно ппм> при
Рассмотренные выше теории и гипотезы прямо или косвенно игнорируют это обстоятельство. Так, трудности, возникающие при поштках объяснения эффективности и специфичности ферментов дестабилизацией основного состояния фер-мент-субстратного комплекса, возникают в основном в силу того, что барьер химической стадии в отсутствие дестабилизации признается равным барьеру химической стадии неферментативного процесса. Это понятно, так как исключая какой-либо фактор, влияющий на скорость реакции, мы тем самым считаем, что в отсутствие этого фактора скорости сравниваемых процессов должны быть одинаковы. Далее, сравнивая скорости превращения дестабилизированного на ферменте субстрата с неферментативной реакцией, в качестве основного состояния для последней выбирают состояние субстрата в отсутствие каких-либо дестабилизирующих. факторов. Таким образом, сопоставляются два элементарных акта, имеющих различные основные состояния. Очевидно, что для того, чтобы оценить понижение активационного барьера элементарного акта химической ставни (и мобой другой), нужно выбирать одинаковые основные состояния реагирующих веществ.
Это можно формализовать следующим образом. Если на ферменте субстрат находится в состоянии Sa, то можно себе представить, что в растворе имеется некоторая доля молекул, находящихся в том же состоянии, т.е. существует равновесие
Кп LSJ
S ------» S , где К = ------- «1. (27)
п а п [g ]
п
Формы Sn и могут обладать совершенно разной реакционной способностью. Для простоты можно полагать, что реакция происходит только с молекулами активной формы (S^) с константой скорости ka- Тогда наблюдаемая скорость превращения всего субстрата будет:
v = к К IS] . (28)
п ап о
Следовательно, выбор одинакового основного состояния означает, что при сравнении активационных барьеров ферментативной и неферментативной реакций должны сравниваться константа ka для неферментативного процесса и константа скорости соответствующей стадии каталитической реакции.
8.9. Фермент не понижает энергию активации элементарного акта химической реакции
Предлагаемая в этом разделе концепция сформулирована автором совместно с М.Я.Карпейским и Г.М.Яковлевым [3437]. Она использует многие идеи, изложенные выше, и развивает представления, высказанные в работах [1715,3438]. Основные положения этой концеiTJjra заключаются в следующем: а) фермент не понижает свободную энергию активации элементарного акта химического превращения субстрата, если в качестве основного состояния выбираются идентичные для катализируемой и некатализируемой реакций состояния субстрата; б) фермент стабилизирует термодинамически невыгодное в растворе, но реакционно-способное состояние субстрата, образуя с ним продуктивный фермент-субстрат-
ный комплекс; в) образование продуктивного фермент-субстратного комплекса происходит ступенчато, так что на каждой стадии процесса фермент комплементарен структуре субстрата. Каждая стадия протекает в оптимальных условиях, создающихся в результате завершения предыдущей стадии (см.: [3438]).
8.9.1. Описание модели
Рассмотрим подробнее процесс фермент-субстратного взаимодействия (рис.134). Как уже отмечалось в предыдущем разделе, для субстрата в растворе всегда можно найти состояние, максимально близкое по структуре и распределению электронной плотности к состоянию, которое он имеет в продуктивном фермент-субстратном комплексе. Это состояние (Sa) находится в равновесии с "неактивной" формой (Sn), причем равновесие сдвинуто в сторону последней (К «1)-Особенности этого состояния применительно к реакциям, катализируемым амид-гидролазами, обсуждаются в разд.8.10.
