Биологическая химия. Том 31 - Карасев В.А.
Скачать (прямая ссылка):
70. Ressler N. «J. Theor. Biol.», 1982, 97, 195—225
71. Salemme F. R.. Freer S. Т., Xuong Ng.-H„ et al. «J. Biol. Chem.», 1973
- 248, 3910—3921
72. Schulz G. E„ Schirmer R. N.. Pai E. F. «J. Mol. Biol.», 1982, 166, 287—308
73. Sprinzl MGauss D. H. «Nucl. Acids Res.», 1982, 10, rl—r55
74. Takano T„ Dickerson R. E. «J. Mol. Biol.», 1981, 153. 79—94
75. Takano Т., Dickerson R. E. Ibid., 1981, 153, 95—115
76. Timkovich R„ Dickerson R. E. «J. Biol. Chem.», 1976, 251, 4033—4046
77. Watson J. D„ Crick F. H. C. «Nature», 1953, 171, 737—738
78. Williams R. J. P. In: The enzymes of biological membranes. Ed. A. N. Mar-tonosi. V. 4. N. Y., «Plenum Press», 1985, 71—110
ПРИМЕНЕНИЕ ЭВОЛЮЦИОННОГО СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПОДХОДА К НАДМОЛЕКУЛЯРНЫМ БИОСТРУКТУРАМ
5. ОЛИГОМЕРНЫЕ ФЕРМЕНТЫ
Согласно теории эволюционного катализа (разд. 2.1.), системы, обладающие каталитической активностью, могут эволюционировать, причем с максимальной вероятностью осуществляются те пути эволюции, которые сопровождаются увеличением абсолютной каталитической активности. К числу простейших надмолекулярных биоструктур, обладающих каталитической активностью, относятся ферменты. Как мы видели в гл. 3, наши представления о белках-ферментах сейчас существенно иные, чем лет 30 назад. Главное, что изменилось — это признание того, что большинство ферментов состоит из субъединиц, т. е. являются олигомерными, причем число субъединиц, как правило, четно [100]. Показано также, что многие ферменты могут функционировать по механизму «флип-флоп», т. е. попеременной работы активных центров [109]. Все это нельзя не учитывать при решении вопроса о происхождении ферментов и особенностей их организации и функционирования. Эти же факты, как мы увидим далее, дают нам подсказку, как могли возникнуть олигомерные ферменты. Однако для полного понимания происхождения ферментов необходимо знание принципов, заложенных в основу их организации и функционирования, способов формирования новых генераций структур и критериев отбора, которые могли обеспечить совершенствование исходных механизмов катализа. Данная глава, в которой изложено содержание наших работ [11, 12], посвящена анализу этих и ряда связанных с ними проблем, исходя из принципов эволюционного структурнофункционального подхода.
5.1. Развитие представлений о сущности ферментативного катализа
5.1.1. Общие концепции
По-видимому, одним из первых, кто наиболее четко сформулировал представления о природе взаимодействий субстрата с ферментом, явился Э. Фишер [71], который предположил, что субстрат подходит к ферменту как ключ к замку. В дальнейшем эта концепция уступила место идее комплементарности фермента переходному состоянию субстрата [84, 130], предполагающей, что при связывании субстрата с ферментом про-
исходят изменения конформации субстрата, подготавливающие его превращения на последующих стадиях катализа. Идея деформации структуры субстрата на ферменте получила развитие в работах Эйринга и Ламри [66, 115]. Роль фермента в понижении энергии активации ферментативной реакции состоит, согласно [115], в предоставлении им групп, вызывающих перераспределение электронной плотности в субстрате, его деформацию и растяжение по одной из связей, что приводит в конце концов к образованию продукта («концепция дыбы»). В рамках этой концепции ферменту отводится роль носителя активных групп при связывании субстрата, выполняющих, например, функции обобщенных кислот и оснований [13].
Другой группой подходов к проблеме ферментативного катализа являются представления об активной роли фермента в каталитическом процессе. Согласно Кошланду [102, 103], субстрат индуцирует в ферменте такие конформационные изменения, которые приводят к образованию структурного соответствия фермента и субстрата («теория индуцированного соответствия»), Связывание субстрата и определенная ориентация перестраиваемых электронных оболочек приводит к снижению энергетического барьера реакции в фермент-субстратном комплексе.
Развитием идеи конформационных перестроек является концепция электронно-конформационных взаимодействий (ЭКВ-концепция), частично рассматривавшаяся нами в разд. 3.2.2. В работе [162], с использованием модели взаимодействия электронов и атомных ядер в потенциальном ящике с высокими стенками предпринята попытка дать простое физическое объяснение сути ферментативного катализа. Предполагается, что в случае параболической формы этого ящика электроны как бы расширяют своим давлением стенки ящика-параболы. Точка пересечения •со второй параболой, отвечающей конечному состоянию фер-мент-субстратного комплекса, перемещается, и ее ордината, представляющая собой энергию активации, понижается. Смысл ЭКВ, согласно [8, 9], состоит в том, что электронная перестройка в активном центре влечет за собой изменение конформации всего фермент-субстратного комплекса. В конечном счете, изменение поверхностной потенциальной энергии и приводит к эффективному ускорению ферментативной реакции.
