Химия протеолиза - Антонов В.К.
Скачать (прямая ссылка):
Наиболее существенная из них следующая: стабилизация переходного состояние требует, чтобы в этом состоянии возникали новые взаимодействия между ферментом и субстратом, отсутствовавшие в основном состоянии фермент-субст-ратного комплекса. Это означает, что образование переходного состояния должно сопровождаться или конформационными изменениями фермента [19631 или, го крайней мере, переориентацией ряда груш фермента. Однако образование переходного состояния, т.е. элементарный акт реакции, - флуктуация, гцЗэис-ходящая за 10-1г-10—13 с [34161. Ва это время соударяющиеся частицы не успевают обменяться энергией, и полная энергия атомов остается неизменной на протяжении элементарного акта. Очевидно, что конформационные изменения белка, происходящие со скоростями порядка 10б-104 с-1, никак не могут совершаться в течение элементарного акта.
Можно предположить, что ответственные за стабилизацию переходного состояния группы как бы "осциллируют" между двумя состояниями, и если элементарный акт происходит в момент благоприятного для стабилизации переходного состояния положения групп, то переходное состояние стабилизируется. Но и в этом случае несогласование временных интервалов процессов делает, по моему мнению, вероятность стабилизации весьма малой.
Влияние факторов синхронизации на скорость процесса можно оценить по формулам, приведенным в разд.3.4.8. Для образования трех водородных связей необходимо синхронное движение не менее шести тяжелых атомов, что резко снизит скорость процесса даже при энергии активации
Далее, стабилизация переходного состояния фактически предусматривает использование энергии дестабилизации основного состояния (или энергии напряжения). Иначе говоря, выитчш энергии и ее расходование происходят на разных стадиях процесса. Это требует формулирования каких-то механизмов "запасания" энергии в ходе каталитического акта.
Такой механизм был предложен в работах [3417,34181, в которых белковая молекула рассматривалась как твердое тело, неоднородное по "плотности". Наименьшая "плотность" приписывалась области активного центра. В этой модели энергия сорбции субстрата запасается глобулой белка в виде упругих деформаций и "стекает" в область актийного центра без,диссипативным путем в виде большого числа когерентных по частоте и фазе фононов. Вопрос о правомерности моделирования белка упругим твердым телом остается открытым.
Наконец, трудно объяснить в рамках этой модели постоянство величин Кд в сериях субстратов, сильно отличающихся по числу возможных контактов с ферментом (например, субстраты пепсина). Почему практически постоянная часть полной энергии взаимодействия реализуется в наблюдаемых значениях Кд? Кажется, логичнее предположить, что чем больше полная энергия взаимодействия субстрата с ферментом в основном состоянии, тем меньшая часть должна использоваться на стадии переходного состояния. Собственно, такой механизм и наблюдается для эфиров ациламинокислот - субстратов химотрипсина, где как Кд, так и &cat пропорциональны гидрофобности боковой цепи. Однако, у пептидных субстратов этого не наблюдается.
8.5. Фермент - "машина"
В работах [?450,3419-34гг] была проанализирована применимость теории активированного комплекса к реакциям с участием биополимеров. Был сформулирован вывод, в соответствии с которым теория активированного комплекса и ее эмпирические предшественники (уравнения Аррениуса и Вант-Гоффа) неприменимы к таким реакциям и, возможно, даже неприменимы к реакциям в конденсированной фазе. Это обусловлено, главным образом, тем, что любая тепловая флуктуация приводит к изменению структуры "среды" - фермента, его "конструкции". Следствием этого является возникновение кинетической неравновесности в ходе процесса, и тогда бессмысленно говорить о комплементарное™ и существовании активационного барьера. Изменение последнего связано с конформационными и конфигурационными превращениями макромолекулы, а собственно химическое превращение - с ростом числа богатых энергией молекул, т.е. с явлением, не связанным с состоянием макромолекулы. Макромолекула фермента - фактически
своеобразная машина, в которой пространственно совмещены механические и статистические компоненты. Такая машина обладает выделенными степенями свободы и способна использовать внутреннюю энергию для совершения полезной работы.
Эти соображения позволили предл >жить релаксационную концепцию ферментативного катализа, согласно которой конформационные измьнения фермент-субстратного комплекса, индуцированные присоединением субстрата, носят характер релаксации и сопровождаются химическим прэЕращением молекулы субстрата.
В соответствии с этой гипотезой присоединение субстрата вызывает локальные, очень быстрые (за времена колебательной релаксации 10-1г-1СГ13 с) изменения в геометрии и электронной структуре активного центра. При этом субстрат и его окружение оказываются в новом равновесном состоянии, тогда как вся глобула продолжает оставаться в прежнем состоянии. Это ведет к возникновению стерических напряжений. Релаксация всей макромолекулы к новому состоянию происходит за времена порядка миллисекунд, и именно на данной стадии происходит каталитическое превращение субстрата.
