Биологическая химия. Том 31 - Карасев В.А.
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотрение фермента как флуктуирующего тела, с быстрыми флуктуациями в качестве необходимого кинетического свойства фермента как макромолекулы проводится в работе {48]. Близкие идеи, учитывающие роль конформационных переходов, развиваются также в работах [49, 77].
В качестве альтернативных подходов в литературе имеются также концепции, рассматривающие фермент как устройство, способное превращать теплоту в электромеханохимическую энергию катализа [81, 82], являющиеся отголоском вечного двигателя второго рода. Важную роль в ускорении ферментативной
реакции придают также эффектам, связанным с заменой окружающей субстрат полярной среды на неполярную среду фермента [105]. При этом конформационные переходы могут обеспечивать ту среду, которая наиболее благоприятна для той или иной стадии ферментативной реакции.
Важным аспектом проблемы катализа является вопрос о путях и механизмах переноса энергии в структуре фермента. Частично данной темы мы уже касались ранее, в разд. 3.2. Подробный анализ современных представлений по переносу энергии в ферментах проведен в обзоре [147]. Как часть этой общей проблемы можно рассматривать вопрос о путях использования энергии, выделяющейся в ходе образования фермент-субстратного комплекса. Впервые этот вопрос был поднят, по-видимому, Э. Бауэром [2], который предполагал, что белки находятся в деформированном состоянии, которое восстанавливается до нормального благодаря образованию комплекса субстрата с ферментом, а освобождающаяся при этом энергия идет на преодоление энергетического барьера реакции. В конечном счете эта энергия расходуется на восстановление деформированного состояния фермента, то есть на подготовку следующего акта. В работе Н. Кобозева [14] для обозначения использования ферментом энергии, выделяющейся в ходе реакции, был введен термин «рекуперация энергии». К тем же идеям пришел В. Дженкс, использующий термин «утилизация энергии» [94].
Развитием идеи «рекуперации энергии» следует считать концепцию, в которой молекула фермента рассматривается как «машина» то есть устройство, предназначенное для транспорта и преобразования энергии с минимальной диссипацией ее (концепция «белок-машина» [3, 27, 29, 30]). Основное свойство машины — наличие одной выделенной степени свободы. Эта выделенная степень свободы играет функциональную роль. Согласно концепции «белок-машина» в ходе каталитического акта происходит перенос энергии вдоль выделенной степени свободы, сопряженный с продвижением системы (фермент-субстратного комплекса) по координате реакции. В соответствии с этими представлениями Блюменфельд [3, 42] предполагает, что химическое превращение субстрата происходит одновременно с конформационными превращениями фермент-субстратного комплекса — его релаксацией по пути с выделенной степенью свободы. Блюменфельд рассматривает элементарный ферментативный акт как четырехстадийный процесс. Первая стадия — быстрое образование фермент-субстратного комплекса; вторая стадия — медленная релаксация фермент-субстратного комплекса к новому состоянию и одновременное превращение субстрата в продукт. Третья стадия — распад комплекса фермент-продукт, и четвертая стадия — медленная релаксация фермента к исходному состоянию.
В качестве примера выделенной степени свободы в работе [29] приводится замкнутая цепь переноса заряда (протона) в химотрипсине. Предполагается также [27, 28], что энергия может запасаться в молекуле фермента в виде упругой деформации и сохраняться достаточно долго (вплоть до начала следующего ферментативного акта). Согласно [5] энергия связи субстрата с активными группами почти не рассеивается в среду, а передается в конформационную подсистему, при этом последняя переводится в конформационно-возбужденное состояние, которое и приводит к изменению конформации фермента. Трактовка процесса рекуперации энергии как пересечения поверхностей потенциальной энергии для реакций, содержащих экзотермический и последующий эндотермический этапы, дается в работе [60].
Как и в разделе 3.2, посвященном анализу биоэнергетических механизмов, для случая ферментативного катализа наибольшую ценность, по-видимому, имеют представления, основанные на наших знаниях конкретной молекулярной структуры ферментов. Обнаруженная впервые в структуре активного центра химотрип-сина «система передачи заряда» [41], позволила связать нахождение группы из трех аминокислот — серина, гистидина и аспарагиновой кислоты, образующих между собой водородные связи, с процессом катализа. Было высказано предположение, что эта протонно-релейная система осуществляет активацию С—ОН-группы серина, играющей важную роль в гидролизе пептидной связи. В дальнейшем, по мере обнаружения таких систем в других ферментах, стали появляться концепции, более широко трактующие этот вопрос. В частности, с позиции теории цепей перераспределения связей О. М. Полторака [21] анализируется уже целый ряд ферментов, изученных методом РСА. Предполагается, что в процессе катализа осуществляется перенос электронов и, в противоположном направлении, протонов по этим системам, находящимся в области активного центра. Близкая трактовка механизма переноса зарядов в активных центрах дается также в работе Ресслера [136], а также, на основе представлений о кето-енольной таутомерии в подобных системах— в работе Мецлера [119]. Мы уже останавливались на них ранее (разд. 3.2.3, 4.3.4). Существенно отметить, однако, что хотя авторы работ [41, 119, 136] допускают как прямой, так и обратный перенос электронов и протонов по этим системам, мало уделяется внимания механизмам, обеспечивающим обратимость этих процессов.
