ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Физические аспекты ферментативной активности из "Молекулярная биофизика" Сходные результаты получены для глицеральдегидфосфатде-гидрогеназы, но здесь нет такой четкой корреляции, как для первого фермента (дальнейшие подробности см. в [68, 87]). Ряд данных о влиянии pH среды на вторичную структуру белков приводит Жоли [102]. [c.399] Описанные выше результаты подтверждают общие представ-вления об определяющей роли конформационных явлений в ферментативной активности и в этом смысле согласуются с теорией Кощланда. Установленная для лактатдегидрогеназы корреляция степени спиральности и скорости реакции весьма показательна. Конечно, нет оснований считать подобную корреляцию обязательной во всех случаях. [c.399] Но пока не существует метода — теоретического или экспериментального—для учета относительной роли всех трех механизмов механизма, рассмотренного в феноменологической теории Михаэлиса и Давидзона (см. стр. 394), механизма Кирквуда и Шомейкера и конформационного механизма. Следует отметить, что наряду с флуктуациями зарядов, исследованными Кирквудом, должны существовать пространственные флуктуации, определяемые подвижностью полипептидных цепей. [c.399] Основная нерешенная задача физики и физической химии ферментов состоит в количественном объяснении их высокой каталитической активности. [c.399] Несомненно, что все рассмотренные выше эффекты дают свои вклады в ферментативную активность. Однако количественные оценки здесь недостаточно достоверны и не решают проблему. [c.399] В физическом аспекте должно поставить вопрос об едином механизме ферментативной активности, определяемом физическими свойствами глобулы как целостной системы. Мы не знаем пока, существует ли такой механизм или ферментативная активность полностью определяется уже рассмотренными химическими и физико-химическими факторами. Очевидно, что здесь интересен и положительный, и отрицательный ответ на вопрос о существовании единого физического механизма. [c.399] Следует подчеркнуть, что свойства глобулы как целого, за исключением наличия в ней полости с неполярными остатками, не учитываются ни в теории Кошланда, ни, тем более, в химических теориях взаимодействий в активных центрах ферментов. [c.399] Выше уже были приведены аргументы, опровергающие представления об особых электронных свойствах белков (см. стр. 109). Эти аргументы безусловно справедливы применительно к подавляющему большинству известных ферментов. Следует, однако, согласиться с Перутцом, указывающим, что специальные механизмы могут быть существенны в ферментах, участвующих в переносе электронов или в превращении различных форм энергии (таких, например, как энергия фотонов) в химическую энергию [88]. [c.400] Белковая глобула представляет собой не статистическую, а динамическую систему. Это своего рода машину, работа которой в конечном счете определяется конкретными деталями ее устройства. Как пишет Эйген ...мы встречаемся здесь с видами молекул, которые кажутся проявляющими некоторую степень разумности , в отличие от своих неорганических коллег , которые просто говорят да , когда они реагируют, или нет , когда они не реагируют [103]. Тем не менее не только законно, но и необходимо рассмотреть эту машину как целостную физическую систему. [c.400] Естественная физическая идея состоит в предположении о способности глобулы служить неким энергетическим резервуаром. Энергия теплового движения или энергия, приобретенная глобулой при сорбции субстрата, конвертируется в энергию ФСК, в результате чего происходит эффективное понижение энергии активации. Неполная упорядоченность глобулы и малые различия в свободных энергиях упорядоченного и неупорядоченного состояний (порядка 1 ккал/моль) означают наличие конформационных флуктуаций [104, 105]. Косвенные свидетельства в пользу таких флуктуаций состоят в заметном дейтеро-обмене с водородами пептидных связей —СО—NH— при температурах, значительно меньших температуры денатурации белка, при которой водородные связи рвутся [104]. О том же говорит повышенная жесткость ФСК по сравнению со свободным ферментом— ФСК труднее расщепляется трипсином [105—107]. По-видимому, связывание субстрата уменьшает конформационную подвижность глобулы. Наличие значительных флуктуаций следует также из общей феноменологической теории полимерной глобулы, развитой Лифшицем (см. стр. 143, 236). [c.400] Идея эта заманчива, но ошибочна, Как показывает теория мономолекулярного распада [1, 108], накопление колебательной энергии не влияет на энергию активации, необходимую для разрыва связи, но сказывается лишь на предэкспоненциальном множителе Ь, имеюшем смысл средней частоты колебательной системы (ср. (6,10)). Средняя частота в ФСК не может сильно отличаться от частоты коЛебаний субстрата [68]. [c.401] Другое предположение состоит в том, что энергия, выделяемая при сорбции субстрата, трансформируется в энергию упругих колебаний глобулы, ведушей себя подобно капле жидкости. Частоты таких колебаний попадают в гиперзвуковую область (максимальная дебаевская частота порядка 10 сек ). Стоячие волны в капле могут образовать пучность в области активного центра, и энергия упругих колебаний может активировать молекулу субстрата [109]. Количественные оценки, основанные на этой идее, показали, что энергия упругих колебаний глобулы действительно может достигать 5—10 ккал/моль и обеспечивать значительное понижение эффективного активационного барьера [110]. Однако такая гипотеза ничем не доказана и, в частности, она не объясняет, почему энергия колебаний не диссипирует в окружающую среду. [c.401] Из ненадежности капельной гипотезы не следует, однако, невозможность понижения эффективной энергии активации за счет энергии сорбции субстрата. Структурное соответствие фермент — субстрат приводит и белок и малую молекулу в напряженное состояние. Можно сказать, что молекула субстрата растянута на дыбе [21]. [c.401] Порядок величины ке отвечает произведению линейных размеров глобулы на модуль упругости 6. Для белка L яг 50 А, е. 10 эрг-Следовательно, 5-10 duH-Наибольшая энергия упругой деформации сосредоточивается в наиболее слабом месте молекулы субстрата. Деформация валентных углов происходит значительно легче, чем валентных связей [111]. Вместе с тем энергия, запасенная на угловых степенях свободы молекулы, может перейти на валентные связи и уменьшить энергию активации, нужную для разрыва. Коэффициент упругости, отвечающий низкочастотным деформационным колебаниям (v 10 се/с ), примерно равен 1,5-10 дин-смг . Допустим, что АЕ = 7,5 ккал/моль (при такой величине АЕ скорость реакции увеличивается в 10 раз). Тогда л л 0,8 А, г/ 2,3 А, упругая энергия фермента /гкеУ 21 ккал/моль. Значит, суммарная энергия, расходуемая при сорбции на упругую деформацию, составляет приблизительно 30 ккал/моль. Эта величина не чрезмерна, если учесть, что сорбция происходит за счет многоточечного связывания, т. е. образования нескольких химических и нехимических связей между субстратом и ферментом. Наблюдаемая энергия сорбции равна разности истинной энергии сорбции и упругой энергии фермента и субстрата. [c.402] Этот элементарный расчет проведен в предположении об однородных упругих свойствах белковой глобулы. Если область присоединения субстрата в ФСК имеет повышенную жесткость, то энергия упругой деформации фермента уменьшится и может оказаться даже меньше энергии молекулы субстрата. [c.402] Рассмотренная модель имеет статический характер. В действительности механизм дыбы следует считать динамическим, что может сушественно изменить приведенные оценки. Так, при резонансе колебаний молекул субстрата и фермента для ускорения реакции в 10 раз нужны средние упругие энергии, в четыре раза меньшие, чем в статическом случае, так как биения периодически удваивают амплитуду колебаний. [c.402] Механизм дыбы должен следовать из теории глобулы Лиф-шица (см. стр. 236), согласно которой даже гомогенная глобула представляет собой систему с дискретными уровнями свободной энергии. Флуктуации ее оболочки могут обеспечить гшдуциро-ванное структурное соответствие, предполагаемое Кошландом, а изменение уровня свободной энергии глобулы при сорбции субстрата эквивалентно накоплению энергии упругой деформации. Возможно, что эти представления окажутся полезными для понимания работы ферментов. [c.402] Исследование поведения фермента как среды реакции требует, с одной стороны, экспериментального моделирования, с другой—пйстроения теории скоростей реакций в растворах. [c.403] Имеются пока немногочисленные работы, в которых ферменты частично моделируются синтетическими полиэлектролитами. Остановимся на исследованиях, опубликованных в работах [113—116]. [c.403] В формуле (6,81) суммирование и интегрирование проводятся по частотам, соответствующим классическим степеням свободы. [c.405] Вернуться к основной статье