Биологическая химия. Том 31 - Карасев В.А.
Скачать (прямая ссылка):
В заключение отметим, что общим недостатком рассмотренных в данном разделе объяснений «флип-флоп»-механизма катализа является, на наш взгляд, отсутствие эволюционного подхода к его трактовке. Исходя из этих идей невозможно представить, как могло возникнуть это свойство ферментов,
как оно совершенствовалось в процессе эволюции. Разработанная нами модель катализа на основе ССИВС, как нам представляется, учитывает многочисленные взгляды, рассмотренные выше, на природу ферментативного катализа, на роль олигомерной организации в катализе, а также позволяет рассмотреть возможные пути предбиологической эволюции ферментов.
5.2. Модель катализа олигомерными ферментами на основе ССИВС: становление механизмов и пути их совершенствования
5.2.1. Основные принципы модели катализа олигомерными ферментами на основе ССИВС
Экзергонический характер катализируемой реакции. В соответствии с теорией эволюционного катализа (разд. 2.2), единицей эволюционного процесса являются элементарные открытые каталитические системы — ЭОКС, которые обладают спонтанной каталитической активностью. Иными словами, в них должен иметь место базисный процесс, идущий с выделением энергии, то есть, экзергонический. Мы учитываем это положение и закладываем его, так же как представления о ССИВС как основы построения надмолекулярных структур и каналах передачи энергии в них, в фундамент излагаемой модели ферментативного катализа.
Предположим, что взаимодействие субстрата S в области активного центра с какой-либо ССИВС приводит к формированию комплекса, свободная энергия которого меньше суммы энергий субстрата и ССИВС, взятых по отдельности:
В результате образования такого фермент-субстратного комплекса (ФСК) будет выделяться избыточная свободная энергия
Эта энергия, в принципе, может рассеиваться, но может быть использована ферментом для снижения потенциальных барьеров катализируемой реакции. Назовем такое ее использование, вслед за Кобозевым [14], рекуперацией энергии. В эволюционном плане сказанное выше означает, что исходными предками ферментов должны были быть лишь такие надмолекулярные образования, в которых существовали протяженные ССИВС, способные передавать энергию, выделяющуюся в ходе образования комплекса субстрат-макромолекула, и использовать эту энергию для последующего превращения субстрата в продукт.
Fes<Fs+Fe.
(5.1)
Fr— (Fs+Fe) —Fes.
(5.2)
Механизм рекуперации энергии на основе обратной связи.
Для того, чтобы переносимая по ССИВС энергия могла быть использована субстратом для перехода в новое качество, ССИВС должны иметь связь с активным центром как на входе (при образовании комплекса субстрат-структура), так и на выходе — энергия (далее мы будем использовать более общий термин — сигнал, в значении переноса энергии) по ССИВС возвращается обратно к субстрату. Иными словами, ССИВС в структуре фермента должны формировать петлю обратной связи:
Из многочисленных вариантов расположения ССИВС в пред-ковых структурах ферментов наиболее перспективными могли быть лишь те структуры, в которых ССИВС формировали петлю обратной связи.
Синхронизация прохождения сигнала со стадиями состояния субстрата. В результате взаимодействия субстрата S с ферментом он может, кроме того, что отдавать избыточную свободную энергию в ССИВС фермента, сам претерпевать изменения, например, переходить спонтанно из состояния в S21. Однако для перехода в следующее состояние, в частности Бг1—ИР1, необходимо преодолеть потенциальный барьер
Необходимая энергия для преодоления такого барьера может быть доставлена по ССИВС фермента. Однако для того, чтобы совершился переход Зг'-^-Р1 за счет сигнала, передаваемого по ССИВС, необходимо, чтобы время перехода Si1-»--^Бг1, равное Ts, которое включает также время существования состояния S21, было равно времени прохождения сигнала по ССИВС Т ссивс Иными словами, эти два процесса должны быть синхронизованы:
• • • НИЦ— R —• •
(5-3)
Активный
центр
Фермент
AF.
на,—r=x,
S-
H.
*%,= R — Q„H
Qi=R-XtH.
(5Л)
. Q,= R *1»
H*
I — R= Qn
В тех случаях, когда такая синхронизация отсутствует, то есть Ts<Tcchb2 или Ts>TCchec, эффективность рекуперации энергии будет резко снижаться. Равенство Ts=Tcchbc может быть обеспечено: изменением длины ССИВС, включением в их состав различного числа простых и резонансных групп; введением специальных элементов, задерживающих сигнал, то есть элементов задержки и инверсии. Как мы показали в разд.
4.4, элементами коммутации, обеспечивающими прохождение сигнала по ССИВС, могут служить полярные группы аминокислот с числом входов и выходов от 1 до 4, а также системы HN—С = 0-групп, соединяющие кластеры из полярных аминокислот; на роль элементов задержки могут претендовать функциональные группировки с одним входом — одним выходом (гистидин, тирозин, метионин, цистеин), а элемента инверсии — триптофан, имеющий один вход-выход.
