Биологическая химия. Том 31 - Карасев В.А.
Скачать (прямая ссылка):
т
зования ФСК, рекуперируется ферментом [14] и передается обратно к субстрату, понижая энергию активации последующих стадий катализа. В этом пункте мы впервые вводим представление о петле обратной связи из ССИВС, обеспечивающей упорядоченное преобразование субстрата в продукт. Для ее реализации недостаточно только наличия функциональных групп, контактирующих с субстратом (роль фермента в этом случае сводится к фиксации расположения этих групп [115]), а необходима вся структура олигомерного фермента, включая и соседнюю субъединицу.
При этом ССИВС может рассматриваться как выделенная степень свободы, но в отличие от работ [3, 27, 29, 30] мы наполняем это понятие конкретным химическим содержанием.
Существенно также, что энергия рекуперации не запасается в ферменте, как это предполагается в работах [27, 28], а постоянно мигрирует, причем динамика этих перемещений синхронизована со стадиями катализа. Подчеркнем также, что основную роль в обеспечении синхронизации, согласно нашим представлениям, выполняют боковые цепи аминокислот, а также системы HN—С=0-групп, участвующие в формировании структуры белка.
Согласно модели, быстрая миграция энергии по ССИВС обеспечивает сопряженные со стадиями катализа конформа-ционные изменения структуры белка. Близкие взгляды высказываются также в работе [3], однако при рассмотрении фермента в качестве молекулярной машины детерминирующая роль отводится именно конформационному изменению ФСК, следующему за присоединением субстрата к активному центру и носящему характер релаксации к новой равновесной конформации, появившейся в результате локальных микрохимических изменений. Существенной особенностью нашей модели работы олигомерного фермента является то, что реализация предложенного механизма переноса энергии обусловила вращательную симметрию дуплицированной структуры и связанную с этим обратимость конформационных переходов при поочередном функционировании активных центров. Близкие к нашим идеям представления о переносе зарядов с участием полярных групп развиваются, как мы рассматривали в разд. 5.1.1, в работах [21, 119, 136]. Однако авторы этих работ не учли возможной взаимосвязи каталитических механизмов с субъединичной организацией, вследствие чего колебательный режим функционирования ферментов оказался вне их рассмотрения.
Как видно из рис. 5, представленная модель допускает спектр состояний, как отклоняющихся от полной симметрии, так и симметричных. В этом отношении она близка к модели Кошланда и соавт. [104]. В то же время, модель, постулирующая лишь два состояния [121], представляется с наших позиций упрощенной.
i
5.3.3. «Флип-флоп»-механизм ферментативного катализа: гипотеза универсальности
В разд. 5.1.3. мы уже анализировали «флип-флоп»—-механизм в работе ферментов и возможные объяснения его природы с позиции современных представлений. С физическими механизмами, изложенными в нем, нашу модель сближают идеи о миграции энергии и переносе зарядов между активными центрами [107, 114]. В рамках нашей модели «реакционная способность половины от числа активных центров», являющаяся следствием «флип-флоп»-механизма, обусловлена тем, что в каждый данный момент времени перенос зарядов может осуществляться только в каком-либо одном направлении. Вследствие этого возникает различие в реакционной способности одних и тех же групп, находящихся в разных активных центрах, которые обусловлены различным расположением на них протонов, двойных и одинарных связей (HQ!—R = Xi и HXt—R=Qi на рисунке 3). В этом смысле существование, например, тио-ловых групп, по разному реагирующих с одними и теми же реагентами в креатинкиназе [58] может интерпретироваться не как асимметрия структурной организации, предполагаемая авторами работы [58], а как различные состояния одних и тех же групп, обусловленные направленностью переноса зарядов. Этим же, с позиции модели, объясняется факт существования субстратов самоубийства ферментов, реагирующих, как правило, с одним из двух активных центров и полностью инактивирующих при этом фермент. Эти «субстраты», с точки зрения модели, имеют, по-видимому, такую электронную структуру, которая нарушает механизм, обеспечивающий симметричное обращение процесса переноса зарядов по ССИВС, и вся внтренняя энергия, циркулировавшая по ССИВС фермента, расходуется на реакцию, идущую необратимо в одном активном центре. Фермент при этом как бы «деэнергизуется». Отметим, что подобные объяснения близки к идеям работы [114], однако, по сравнению с ними, наши объяснения носят более конкретный характер и увязаны как с механизмом катализа, так и с особенностями структуры фермента.
Новыми элементами в нашей модели, при сопоставлении с существующими, являются: участие ССИВС в осуществлении взаимосвязей между субъединицами, синхронизованные с переносом энергии по ССИВС и обусловленные этим переносом конформационные изменения фермента, обеспечивающие, как и в работе [126], существование двух типов активных центров — открытого и закрытого, поочередно меняющих свое состояние; симметрия направлений переноса зарядов по ССИВС, определившая, в процессе эволюции, симметричную организацию олигомерных ферментов; поочередность работы активных центров. Последняя особенность модели послужила основой к
