Биологическая химия. Том 31 - Карасев В.А.
Скачать (прямая ссылка):
5.2.5. Возможные эксперименты по моделированию предбиологической эволюции ферментов
Сформулированный выше механизм развития ферментов путем рекомбинации и отбора активных дуплицированных
структур позволяет предложить ряд возможных экспериментов по проверке изложенных представлений.
Моделирование процесса самоорганизации популяции ЭДОКС. Для моделирования этого процесса необходимо:
— выбрать удачную энергодающую базисную реакцию;
— синтезировать неупорядоченные рацемические полимеры белковой структуры;
— создать герметическую стерильную среду, в которую были бы помещены неупорядоченные полимеры, ионы металлов, необходимые для формирования активных центров, и через которую проходил бы субстрат базисной реакции.
Такую открытую систему нужно поместить на длительный срок в термостат и контролировать убыль неупорядоченных полимеров в результате спонтанного гидролиза, а также концентрацию субстрата и продукта на выходе.
Моделирование процесса самовоспроизведения популяции ЭДОКС. Данный процесс можно смоделировать следующим образом:
— синтезировать неупорядоченные полимеры;
— выбрать фермент, который может служить затравкой для создания популяции ЭДОКС;
— создать открытую стерильную систему, содержащую неупорядоченные полимеры, фермент-затравку и субстрат для этого фермента.
В качестве контрольных необходимо использовать систему субстрат -(-фермент (первый контроль), а также субстрат+не-упорядоченные полимеры (второй контроль). В процессе длительного выдерживания в термостате при постоянном контроле за содержанием субстратов можно ожидать пополнения популяции ферментов структурами, наиболее близкими по составу и функциональным свойствам к исходному ферменту. Следить за этим процессом можно, по-видимому, по изменениям в кинетике израсходования субстрата в присутствии фермента и неупоря-доченых полимеров и сравнивать с поставленными контролями.
В описанных выше экспериментах можно также исследовать роль хиральности. В каталитически активных популяциях ЭДОКС должны преобладать полимеры, содержащие мономерные звенья преимущественно одного знака.
Выше мы попытались представить, исходя из совместного использования принципов эволюционного катализа и концепции ССИВС, возможные пути предбиологической эволюции ферментов. Ряд особенностей модели катализа олигомерными ферментами на основе ССИВС мы подробно не рассматривали, в силу несуществености их для анализа механизмов развития ферментов. Однако эти особености, тем не менее, заслуживают специального рассмотрения и сопоставления с изученными механизмами ферментативного катализа, что осуществлено в следующем разделе.
5.3. Модель биокатализа на основе ССИВС и современные ферменты
?.3.1. Механизмы образования фермент-субстратного комплекса, аллостерической регуляции и конформационных переходов в модели: сопоставление с экспериментальными данными
Формирование фермент-субстратного комплекса. Первым этапом в формировании ФСК в нашей модели считается образование водородной связи между субстратом и ССИВС фермента. При этом, поскольку предполагается, что к моменту образования такой связи фермент уже обладал каким-то запасом внутренней энергии, то первое, что в результате происходит-— это образование активированного субстрата:
При этом, как показано на схеме, происходит отрыв протона ¦от атома X субстрата и присоединение протона из среды к атому Q- [12]. Данный элемент модели, связанный с активацией субстрата и сопровождающийся отрывом протона от субстрата, находит подтверждение в целом ряде экспериментальных работ, обобщенных в обзоре [163].
Аллостерическая регуляция активности ферментов. Дальнейший процесс прохождения сигнала от активированного субстрата в ССИВС фермента описывается схемой 5.9:
Предположим, что группа Q,—R = Xj на этой схеме принадлежит не самому ферменту, а какому-либо низкомолекулярному соединению, обеспечивающему непрерывность ССИВС. Тогда в отсутствие этого соединения (в нашем понимании — алло-стерического регулятора, т. е. агента, не претерпевающего в ходе катализа химических превращений) фермент будет неактивен— такой регулятор будет активатором. Аллостериче-ский ингибитор, наоборот, замыкает ССИВС вне каталитической области с отводом энергии из активного центра. В присутствии ингибитора фермент будет неактивным, а в его отсутствие, когда отводящая ССИВС разомкнута, фермент будет функционировать. Таким образом, суть аллостерической регуляции, согласно модели, — замыкание ССИВС агентами, не подвергающимися в ходе катализа химическим превращениям.
[S<]
R2—R —ХНQ, —R=X1... R4 — R = X... R.-Q+H+ “*¦ Rt-Q'H*
(5.8)
HQ,-ft=X1
HQt —R=Xj.
X„=R-QnH
(5.9)
4Ц
Фермент
Как мы уже упоминали в разд. 5.2.1., в нашей модели катализа олигомерными ферментами на основе ССИВС (см. рис. 3) требование симметрии обусловливает присутствие субстрата не только в каталитическом активном центре, но и в некаталитическом, который в этом случае замыкает ССИВС и выполняет роль аллостерического регулятора. На возможность участия второй молекулы субстрата в качестве такого регулятора указывали многие авторы [5, 17, 159]. Таким образом, и эта особенность современных ферментов находит в рамках модели свое объяснение.
