ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Конформациопные свойства ферментов из "Биофизика" Характерные особенности ферментативного катализа — большая активность и строгая специфичность по отношению к субстрату или группе субстратов. [c.182] Молекулярной активностью или числом оборотов фермента называется число молей субстрата, превращаемых в одну минуту одним молем фермента при значительном избытке субстрата, 5 . Свойства ферментов изучаются in vitro. Многие ферменты получены в кристаллической форме. [c.182] Субстраты — малые молекулы или малые группы больших молекул. Напротив, фермент макромолекулярен. Следовательно, субстрат непосредственно взаимодействует с определенным малым участком молекулы фермента — с ее активпы.и центром. Природа активного центра, т. е. совокупность и расположение аминокислотных остатков, а также кофакторов (см. с. 48), входящих в его состав, установлена для ряда ферментов. Мы уже упоминали о фермент-субстратном узнавании (с. 58). Изменения активности, возникающие в результате химической модификации белка, позволяют выявить функциональные группы активного центра. Сведения о его структуре дают оптические и спектраль- ные методы, а также рентгеноструктурный анализ комплексов фермента с конкурентными ингибиторами, строение которых близко к строению субстратов. [c.182] АТФ + креатин === АДФ + фосфокреатин + Н . [c.183] Здесь С — меченый атом углерода. В реакцию вступает только одна группа СООН, химически и геометрически неотличимая от другой. Это объясняется асимметрией активного центра. Так как группы фермента, связывающиеся с карбоксилами, различны, то неодинаковы и реакции карбоксилов. Ферменты хорошо различают стереоиэомеры, и оптический антипод данного субстрата субстратом уже не является. [c.184] Возникает пиридоксаминная форма фермента, реагирующая с другой кетокислотой, содержащей Rj вместо Ri, причем регенерируется исходный фермент и получается новая аминокислота R2 H( 00H)NHa. Такова схема реакции трансаминирования— переноса аминогруппы. [c.184] Практически все реакции, катализируемые ферментами, могут протекать и без ферментов, но с гораздо меньшей скоростью. [c.184] Поэтому можно моделировать стадии ферментативного пpoг e a в низкомолекулярных конгруэнтных системах . [c.186] Мы остановились на этих примерах, чтобы показать возможности расшифровки взаимодействий между активным центром фермента и лигандами. Химия выявляет поведение функциональных групп фермента и кофакторов. Однако этого недостаточно для количественного объяснения ферментативной активности, характеризуемой понижением энергии активации. Для ферментативного катализа необходима вся белковая глобула. Нельзя отрезать часть белковой цепп без ущерба для активности фермента. Химия не отвечает на вопрос о роли глобулярной структуры, описывая лишь события в активном центре. Эти задачи стоят перед физикой. [c.186] Суммируя результаты химических исследований ферментов, Браунштейн указал качественные факторы, ответственные за их действие. [c.186] Скорости неферментативных реакций умножены здесь на коэффициент, отвечающий вффекту сближения. Для двух молекул, имеющих размеры молекулы Н,0, этот множитель равен 55, т. е. равен молярной концентрации воды. [c.188] Физика должна рассмотреть эту картину количественно, выявив попутно, в какой мере возможно разделение указанных эффектов. [c.189] Приведем в заключение данные, характеризующие скорости ферментативных и аналогичных неферментативных процессов (табл. 6.1). [c.189] Для понимания ферментативной активности необходимо рассмотреть конформационное поведение макромолекулы белка. Конформационная лабильность белка обеспечивает возможность его специфического взаимодействия с субстратами и другими лигандами. В некоторых конформациях белок более эффективно связывает субстрат. Одновременно происходит отбор конформаций субстрата. В ФСК отбираются те конформации белка и субстрата, которые находятся в структурном соответствии друг с другом, обеспечивающем оптимальное значение свободной энергии взаимодействия. При образовании ФСК происходит взаимная подгонка конформаций белка и субстрата, т. е. их специфический отбор. Посредством конформационных превращений реализуется структурное соответствие фермента и субстрата. [c.189] Конформационные эффекты определяют значительные изменения энтропии при образовании ФСК. Понижение энтропии при отборе определенной конформации может компенсироваться понижением энтальпии. Физический анализ событий такого типа требует учета явлений, в окружающей водной среде. [c.189] Ряд фактов действительно свидетельствует о конформационных превращениях ферментов при их взаимодействиях с субстратами. В присутствии субстратов некоторые ферменты становятся более жесткими, другие, напротив, более лабильными — легче денатурируются при нагревании. Субстраты индуцируют диссоциацию глутаматдегидрогеназы и гексокиназы на субъединицы. Под действием субстрата изменяется реакционная способность аминокислотных остатков фермента. Спектр поглощения химотрипсина меняется при его взаимодействии с субстратом и эти изменения могут быть интерпретированы как вызванные изменением конформации. Изменения конформаций проявляются и в спектрах люминесценции как ароматических аминокислотных остатков, так и сорбированных на белке красителей. Методами спектрополяриметрии установлены изменения а-спирально-сти,. возникающие при взаимодействиях ферментов с субстратами, коферментами и другими лигандами. Сведения о конформационных изменениях в ФСК дают также спектры ЭПР ферментов, содержащих парамагнитные метки, спектры ЯМР и т. д. [c.190] Рентгенография фермент-субстратных комплексов дает прямую информацию о конформационных превращениях. При вхождении субстрата в полость лизоцима (с. 185) полость сужается и более плотно зажимает субстрат. Смещения аминокислотных остатков белка невелики, но заметны — остаток Трп 62 смещается на 0,075 нм. Одновременно происходит измене-ппе конформации аналога субстрата — небольшой поворот углеводных колец вокруг глико-зидной связи. [c.190] Как уже указывалось (с. 134), рептгепоструктурный анализ позволил недавно определить относительную подвижность (конформационную и колебательную) различных аминокислотных остатков в белках. Исследования метмиоглобина и лизоцима показали, что остатки, расположенные внутри глобулы, имеют значительно меньшую подвижность, чем расположенные на ее поверхности. [c.191] Па рис. 6.9 показана рентгенодинамическая картина, полученная Поляковым в Институте кристаллографии АП СССР для рибонуклеазы. [c.191] в ФСК достигается структурное соответствие, реализуемое в полости молекулы фермента. Как показывает сопоставление всех изученных рентгенографически структур, их общая особенность состоит в том, что внутренняя поверхность полости образована преимущественно неполярными остатками. Вследствие гидрофобных взаимодействий полярные остатки выведены наружу. Неполярное нутро белковой молекулы имеет малую диэлектрическую проницаемость, что облегчает электрические взаимодействия. Фермент является не только специфическим реагентом, но и средой реакции. Нерутц писал Мы можем спросить себя, почему химические реакции, нормально требующие мощных органических растворителей или сильных кислот и оснований, могут протекать в водном растворе вблизи нейтрального pH в присутствии ферментных катализаторов. Органические растворители имеют преимущества по сравнению с водой, обеспечивая среду с низкой диэлектрической проницаемостью, в которой могут иметь место сильные электрические взаимодействия между реагентами. Неполярные внутренние области ферментов обеспечивают живую клетку эквивалентами органических растворителей, применяемых химиками . [c.192] Вернуться к основной статье