Теоретическая биология. Часть 1 - Васильев А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Разумеется, что другой подбор параметров в данном примере, прежде всего многократное уменьшение концентрации субстрата (и связанной с ней концентрации продукта в силу неравенства Б>Р ехр(AG/RT) ) для достижения большей скорости может сделать более предпочтительным уменьшение к2 вместо к1. Однако абсолютные значения скорости реакции в этом случае оказываются очень малы. Даже при выбранной относительно высокой концентрации субстрата порядка 1 мМ рассматриваемые существенно обратимые реакции часто лимитируют биохимические превращения. Поэтому описанный выше пример, в котором
к18>>к2 гораздо более представителен для описания метаболизма, чем еще более ограничи-
вающий превращения вариант обратимой реакции при малой концентрации субстрата.
Теперь, когда стало ясно, что изменение соотношения констант может существенно повлиять на результирующую скорость ферментативного превращения, уместно уточнить использованную схему (1.1), имея ввиду перспективу рассмотрения более сложных превращений. Недостатком использованной схемы простейшего ферментативного превращения, описываемой четырьмя константами скоростей, является то, что в ней отражены не все различающиеся с физико-химической точки зрения этапы этого процесса. Более точной является схема:
квз5 кЕЗ к_ВР
Е<^ES <^>ЕР<^>Е . (4.8)
k_DS кЕР кВРР
В схеме (4.8) фигурируют шесть констант, индексация которых проведена так, чтобы отразить физико-химический характер различных этапов. Индекс «D» сопровождает константу на этапе диффузии присоединяемой молекулы (субстрата или продукта) к ферменту. Индекс «-D» относится к обратному процессу. Наконец, индексы «ES» и «ЕР» соответствуют этапу собственно химического превращения фермент-субстратного комплекса с образованием комплекса фермента с продуктом и обратно.
Для описания обратимого превращения такая схема более естественна (хотя реальная схема может оказаться еще сложнее за счет более многочисленных состояний при превращении фермент-субстратного комплекса), поскольку физико-химическая интерпретация стадий не зависит от того, в каком направлении идет процесс -- в прямом или обратном. Для схемы (1.1) из-за ее упрощенного характера константу к-1 при описании прямого процесса обычно интерпретируют как константу распада фермент субстратного-комплекса (типа «-D»), а при описании обратного -- как константу собственно химического превращения (типа «ES»).
Более точная схема позволяет разъяснить имеющиеся при конструировании молекулы фермента степени свободы с точки зрения возможности изменения значений констант на различных этапах ферментативного превращения. Формально число степеней свободы должно быть на единицу меньше числа констант в силу (4.6), поскольку есть связывающие все константы значение результирующего изменения термодинамического потенциала в результате реакции.
Для превращения, описываемого схемой (4.8), требуемые пять степеней свободы оказываются следующими. Во-первых, возможно уменьшение констант на этапе присоединения превращаемых молекул к ферменту -- за счет меньшей доступности мест связывания для субстрата или продукта, например, за счет удлинения пути к местам связывания в объеме фермента (увеличения длины «туннеля», ведущего из среды к месту связывания) или за счет создания специфических преград на этом пути — механических (сужение «тоннеля») или элекростатических (задержание молекул в «туннеле» притяжением или отталкиванием). Это две степени свободы. Еще две степени свободы получаем, если учтем, что при заданном зна-
112
чении константы типа kD возможно изменение константы равновесия диффузионного этапа — отношения kD/k-D, а вместе с ним значения обратной константы типа «k-D«. За счет изменения числа слабых электростатических связей, притягивающих или отталкивающих присоединяемую молекулу к местам связывания для большинства обычных субстратов такое изменение возможно в очень широких пределах, несмотря на то, что обычно значение константы равновесия ES-комплексов k-DS/kDS находится в гораздо более узких пределах 10-8 -10~2 М [Страй-ер, 1984, т.1, с.110]. Узость диапазона наблюдаемых значений константы равновесия вполне объяснима, как станет ясно ниже. Наконец, пятая степень свободы соответствует изменению конфигурации активного центра, за счет чего константа скорости собственно химического превращения может быть уменьшена по сравнению с ее предельным значением (которое для определенности было принято равным 103 с-1). Константа скорости химического превращения в противоположном направлении не является независимой и после определения 5 изменяемых констант может быть рассчитана из соотношения (4.6).
Разумеется, что не для всех превращений перечисленные степени свободы могут быть действительно реализованы и независимость при изменении параметров превращения относительна. При заданном числе остатков в первичной цепи фермента взаимосвязь параметров в той или иной степени неизбежна. Однако предлагаемый подход позволяет выявить предпочтительные соотношения констант с точки зрения реализации максимальных возможностей механизма ферментативного катализа. Таким образом, фактически мы решаем задачу об оптимизации констант, считая, что их в определенных выше пределах можно изменять независимо друг от друга и других общих для рассматриваемого класса качественно однородных объектов (белковых макромолекул) характеристик -- длины последовательности мономеров, способности молекулы к деструкции и т.д.
