ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Физика фермент-субстратного взаимодействия из "Биофизика" Физическое своеобразие ферментативного ката.тгиза определя- тся прежде всего ролью глобулы, размеры которой на порядок больше размеров субстрата. Естественно возникает вопрос о причинах большой эффективности именно такой системы при осуществлении химического превращения в водной среде, при нормальном давлении и физиологической температуре. [c.192] Белковая глобула представляет собой динамическую систему. Имеется ряд заслуживающих внимания попыток физического истолкования поведения такой системы при ее взаимодействии с субстратом. [c.193] Очевидно, что энергия, которую фермент может израсходовать на ускорение реакции (т. е. на эффективное понижение активационного барьера), может иметь единственное происхождение — это часть свободной энергии, выделяемой при сорбции субстрата на ферменте. Предположение о накоплении тепловой энергии окружающей среды в ферменте и ее использовании в реакции означало бы вечный двигатель второго рода. Итак, энергия выделяется при сорбции субстрата. Была предложена гипотеза, согласно которой эта энергия трансформируется в энергию упругих колебаний глобулы, ведущей себя подобно капле жидкости. Частоты таких колебаний попадают в гиперзвуковую область — до 10 с . Стоячие волны в капле могут образовать пучность в области активного центра и энергия упругих колебаний может активировать молекулу субстрата. Количественные оценки, основанные на этой идее, показали, что энергия упругих колебаний глобулы действительно может достигать 20— 40 кДж/моль и обеспечивать значительное понижение эффективного активационного барьера. [c.193] Гипотеза эта привлекательна, но пока не имеет доказательств. Остается неясным также, с какой скоростью упругая энергия глобулы диссипирует в окружающую среду. [c.193] Порядок кв отвечает произведению линейного размера глобулы на модуль упругости Ье. Для белка Ь 5 нм, е 10 Дж см . Следовательно, /се 5 10 Н/см. Наибольшая энергия упругой деформации сосредоточивается в наиболее слабом месте молекулы субстрата. Деформация валентных углов происходит значительно легче, чем валентных связей. Вместе с тем энергия, запасенная на угловых степенях свободы молекулы, может перейти на валентную связь и уменьшить энергию активации ее разрыва. Коэффициент упругости /сз, отвечающий низкочастотным деформационным колебаниям (V 10 с ), равен примерно 0,15 П/см. Допустим, что АЁ = 31,5 кДж/моль (при уменьшении энергий активации на такую величину скорость реакции увеличивается в 10 раз). Тогда л 0,08 нм, г/ 0,23 нм, упругая энергия фермента 88 кДж/моль. Значит, суммарная энергия, расходуемая при сорбции на упругую деформацию, составляет 171 кДж/моль. Эта величина не чрезмерна, если учесть, что сорбция происходит за счет многоточечного связывания, т. е. образования многих химических и слабых связей между ферментом и субстратом. Наблюдаемая энергия сорбции представляет собой разность истинной энергии сорбции и энергии упругой деформации фермента и субстрата. [c.194] Рассмотренная модель дыбы — статическая. Если предположить, что упругая система динамическая и возникает резонанс колебаний молекул субстрата и фермента, то для тахсог же ускорения реакции потребуется средняя упругая энергия,, в четыре раза меньшая, чем в статическом случае, так как биения периодически удваивают амплитуду колебаний. [c.194] В зтой наглядной модели рассматриваются колебания атомных ядер, возникающие в результате образования ФСК, т. е. взаимодействия фермента с субстратом. При этом взаимодействии изменяются состояния электронных оболочек субстрата и атомных групп активного центра. Электронные оболочки испытывают возмущение вследствие взаимодействий в ФСК. Превращение субстратов в продукт есть химический процесс, т. е. изменение состояния электронных оболочек молекул. Как и в любой иной химической реакции, при этом происходят перемещения атомных ядер. Среди движений атомных ядер наименьшей энергии требуют низкочастотные деформационные колебания и повороты вокруг единичных связей, т. е. изменения конформаций, В 6.4 уже рассматривались конформационные изменения в ФСК. Важнейшее значение для ферментативного катализа имеют взаимодействия электронных и конформационных степеней свободы — электронно-конформационные взаимодействия (ЭКВ), ЭКВ рассмотрены в работах Волькенштейна, а также Блюмен-фельда, Чернавского и их сотрудников. [c.194] Для понимания природы ЭКВ полезна наглядная модель взаимодействия электронов и атомных ядер — электроны в потенциальном ящике с бесконечно высокими подвижными стеикайи. Совокупность атомных ядер молекулы или ее функционального участка моделируется таким ящиком (рис. 6.10). [c.195] Б равновесии эти силы компенсированы внешними по отношению к ящику взаимодействиями. Изменение равновесия возникает либо вследствие возбуждения электронов в системе, либо вследствие добавления электронов. И то, и другое повышает давление. Не находящиеся более в равновесии стенки ящика перемещаются и переходят в новое равновесное положение на увеличенном расстоянии друг от друга Ь + А . Иными словами, работа перемещения ядер /А производится за счет уменьшения энергпи электронов — согласно (6.44) электронная энергия убывает при увеличении Ь. [c.195] Теоретические подходы к ЭКВ развиты Догонадзе с сотрудниками и Шайтаном. Движения атомных ядер в белках характеризуются амплитудами и временами, представленными в табл. 6.2. [c.196] Сравнительно крупные конформационные движения в белковой глобуле возможны вследствие наличия или возникновения в ней свободных, пустых участков — дырок . Дырки возникают в свободном объеме глобулы или проникают в глобулу из растворителя. [c.197] Таким образом, с точки зрения динамики белковая глобула есть сложная структурированная система, обладающая целым набором конформационных движений с различными временами. Задача физики состоит в построении теории диффузии в сильно структурированной среде. Такая теория необходима для понимания-как проникнопения субстрата к активному центру фермента, так и прохождения ионов через каналы биологических мембран (см. гл. 10, И). [c.197] Движение к активному центру есть движение конформона. Оно происходит путем конформационного раскрытия некоторой щели в глобуле, характеризуемой определенной микровязкостью. Структурное соответствие фермент — субстрат имеет динамический характер количественной мерой соответствия может служить критическая энергия деформации щели, соответствующей размеру и форме молекулы субстрата. При значении модуля Юнга е Ю эрг/см и длине краев щели 1 нм средняя амплитуда тепловых флуктуаций ширины щели составит 0,07 нм. Согласно этим оценкам скорость проникновения субстрата и образование ФСК составит 10 —10 с . Это не обязательно лимитирующая стадия ферментативного катализа. [c.198] Дальнейшее рассмотрение ЭКВ и неразрывно связанной с ЭКВ концепции релаксационных конформационных переходов (Блюменфельд) проведено в 13.4 в связи с переносом электрона в процессах окислительного фосфорилирования. [c.198] Конечно, подлинная теория ЭКВ и ферментативного катализа в целом требует последовательного применения методов квантовой механики и квантовой химии. Ввиду большой сложности систем последовательные расчеты здесь пока невозможны. Реализуются, однако, приближенные оценки, основанные иа качественных идеях квантовой химии (см. 6.9). [c.198] К проблеме ЭКВ эффективно применяются качественные методы квантовой химии, позволяющие наглядно представить электронную оболочку субстрата, находящегося под возмущающим действием групп активного центра. В физике ферментов сейчас особенно существенны обоснованные качественные модели, позволяющие понять смысл наблюдаемых явлений и оценить порядки величин характерных параметров. [c.199] Как правило, эти особенности объясняются наличием у фермента четвертичной структуры и взаимодействием субъединиц. Тем самым, поведение фермента кооперативно — сродство к субстрату и каталитическая активность данной субъединицы (протомера) зависят от того, в каких состояниях находятся остальные субъединицы — связали они субстрат или нет. [c.199] Приведенная модель выражает прямую кооперативность — константы скоростей для состояний системы, в которых субстратом заняты один или два нтра, различны. [c.200] Выражение Y (S) обращается в формулу изотермы адсорбции Ленгмюра при = 1. При р 1 кривая Y (S) может иметь перегиб, но пе максимум. [c.200] Вернуться к основной статье