Биологическая химия. Том 31 - Карасев В.А.
Скачать (прямая ссылка):
Динамика конформационных перестроек структуры ферментов. Необходимость в конформационной подвижности структуры фермента обусловлена уже тем, что размер активного центра должен изменяться, чтобы обеспечить процесс катализа и замену образовавшегося продукта на новую молекулу субстрата. Известно, что активные центры ряда ферментов локализованы в области контакта субъединиц [65, 151]. Примем также во внимание, что в этой области наиболее частым типом контакта субъединиц является антипараллельная p-структура (см. разд. 3.1.4). Предположим, что в области контактов субъединиц не все водородные связи реализованы (рис. 4).
Рис. 4. Динамика перестройки водородных связей в области контакта субъединиц
Это создает возможность учета в нашей модели конформационной лабильности ферментов. При этом необходимо ввести допущение [12], что перенос энергии через водородную связь сопровождается сокращением длины этой связи. Такое допущение вполне оправдано, поскольку перенос зарядов по ССИВС, согласно предложенному механизму (разд. 4.3.2) сопровождается усилением ион-дипольных взаимодействий. В то же время, по данным работы [75], сокращение длины водород-
X
ных связей приводит к резкому усилению степени сопряжения, что благоприятствует передаче энергии. Кроме того, конфор-мационные перестройки должны сопровождаться упорядоченным разрывом старых и образованием новых водородных связей, что обнаруживается при машинном моделировании конфор-мационной лабильности ферментов [113]. Существенные перестройки водородных связей наблюдаются при этом на концах ^-структур. Как показано на рисунке 4,а перенос энергии в области контакта субъединиц, согласно нашей модели, будет приводить к сближению последующих контактов. При этом расположение их придет в состояние 4,6. В силу симметрии структуры контактов, данное конформационное состояние, как показано на рисунке, будет обратимым.
Полное описание модели работы олигомерного фермента. В общем виде динамика процесса катализа олигомерным ферментом, синхронизованная с конформационными переходами, как она происходит согласно нашей модели, показана на рисунке 5. Сигнал, проходя по ССИВС обеспечивает синхронизацию переноса энергии со стадиями превращения субстрата (рис. 5,а). В области контакта субъединиц перенос энергии обусловливает сближение групп, до этого удаленных, с последующим формированием непрерывных ССИВС. При этом происходит изменение конформации фермента, что в конце концов
Рис. 5. Обратимая динамика конформационных изменений, опосредуемых ССИВС в модели катализа олигомерными ферментами а, в — начальное состояние; б, г — конечное состояние
приводит к закрытию второго активного центра (где субстрат выполнял роль аллостерического регулятора) и открыванию первого активного центра, что обеспечивает замену продукта на новую молекулу субстрата (рис. 5, б). На этой стадии сигнал передается молекуле S2, образуется ФСК2. Далее реакция происходит во втором активном центре, причем все процессы (рис. 5, в, г) полностью симметричны по отношению к первым двум этапам и неотличимы от них. Таким образом, в нашей модели ССИВС обеспечивают индукцию изменений конформации при образовании ФСК, синхронизацию конформационных перестроек со стадиями превращения субстрата и симметричное обращение процесса после образования продукта в одной из субъединиц. Кроме того, при локализации активных центров в области конформационной подвижности (на рисунке, как мы предположили, в области контакта субъединиц), данный механизм позволяет осуществить автоматическую смену продукта и субстрата в одном активном центре (открытое состояние) и преобразование субстрата в другом активном центре (закрытое состояние).
Современные данные по динамике конформационных переходов пока не позволяют с такой подробностью осуществить описание их механизма, так что экспериментальная проверка данного динамического варианта нашей модели — дело будущего.
5.3.2. Сопоставление модели биокатализа
на основе ССИВС с существующими представлениями
Хотя в процессе построения модели катализа олигомерными ферментами на основе ССИВС мы исходили из эволюционного структурно-функционального подхода, и в этом отношении она принципиально отличается от существующих подходов при изучении механизма действия ферментов, в целостном виде данная модель может быть сопоставлена с современными взглядами на биокатализ. Как было высказано в работе [8], всякая новая концепция ферментативного катализа должна включать старые в качестве частных случаев. Такое сопоставление позволит нам выявить, в какой степени наша модель подходит под это определение.
Как и в концепции Кошланда и соавт. [103], в нашей модели связывание субстрата обеспечивает индуцированное соответствие структуры фермента промежуточному состоянию субстрата. При этом предлагается конкретный путь — реально существующие в структуре фермента и участвующие в катализе (см. разд. 4.2) ССИВС, опосредующие согласованные перестройки конформации в соответствии с изменениями состояния субстрата (см. рис. 5). Энергия, выделяющаяся в ходе обра-
