Напряжение в ферментативном катализе

Изучение металлоферментов важно для дальнейшего проникновения в физику ферментативного катализа. Область белка, взаимодействующая с ионом металла в активном центре, представляет собой полидентатный лиганд, образуя несколько координационных связей с металлом. Это справедливо для кофакторов — ионов металлов, но не для простетической группы гема в НЬ и МЬ, в которой такая связь одна. Благодаря мягкости -электронной оболочки, ее большей деформируемости, чем з- и р-обо-лочки, она приобретает напряженное, энтатическое состояние в активном центре (Уильямс и Валли). Это проявляется в от личии электронных свойств переходных металлов в ферментах от этих свойств в модельных низкомолекулярных соединениях. Разнятся спектры ЭПР, спектры поглощения и т. д. [c.218]

Процессы в каталитическом центре могут стабилизировать переходное состояние. До сих пор подчеркивался тот факт, что дальние взаимодействия поставляют свободную энергию активируемым группам в каталитическом центре фермент-субстратного комплекса. Однако взаимодействия и в самом каталитическом центре могут стабилизировать переходное состояние и тем самым вносить вклад в эффективность ферментативного катализа. В химотрипсине выигрыш энергии, обеспечивающийся образованием двух водородных связей между активированным субстратом и атомами азота остова, а также частичной компенсацией заряда скрытого внутри белка остатка Азр-102 (рис. 11.1), способствует компенсации энергии образования напряженной связи между ферментом и субстратом в тетраэдрическом комплексе [5371. [c.281]

Для каталитической активности фермента существенное значение имеет пространственная структура, в которой жесткие участки а-спиралей чередуются с гибкими, эластичными линейными отрезками, обеспечивающими динамические изменения белковой молекулы фермента. Этим изме-неням придается больщое значение в некоторых теориях ферментативного катализа. Так, в противоположность модели Э. Фищера ключ-замок Д. Кощлендом была разработана теория индуцированного соответствия , допускающая высокую конформационную лабильность молекулы белка-фермента и гибкость и подвижность активного центра. Эта теория была основана на весьма убедительных экспериментах, сввдетельствующих о том, что субстрат индуцирует конформационные изменения молекулы фермента таким образом, что активный центр принимает необходимую для связывания субстрата пространственную ориентацию. Иными словами, фермент только в присутствии (точнее, в момент присоединения) субстрата будет находиться в активной (напряженной) Т-форме в отличие от неактивной Я-формы (рис. 4.10). На рис. 4.10 видно, что присоединение субстрата 8 к ферменту Е, вызывая соответствующие изменения конформации активного центра, в одних случаях приводит к образованию активного комплекса, в других—неактивного комплекса вследствие парущения пространственного расположения функциональных групп активного центра в промежуточном комплексе. Получены экспериментальные доказательства нового положения о том, что постулированное Д. Кощлендом индуцированное соответствие субстрата и фермента создается не обязательно изменениями [c.132]

Нерешен также и вопрос о ковалентном катализе. В ряде ферментативных реакций образуются промежуточные соединения с ковалентной связью между ферментом и субстратом [29, 48, 49]. В качестве примера можно указать на протеазы, где в ходе ферментативной реакции образуется ацилфермент (см. гл. IV). Трудно сказать, почему реакция не протекает прямо, а идет через образование промежуточного соединения с ферментом (или коферментом). В этом отношении Дженкс [29] указал, что именно здесь могут быть заложены важные химические закономерности ферментативного катализа, которые в настоящее время почти или вообще не поняты . Не исключено, однако, что причина простая, а именно, что в ковалентно-связанном промежуточном соединении легче, чем в сорбционном фермент-субстратном комплексе, реализуются различного рода механизмы напряжения, которые позволяют использовать свободную энергию сорбции химически инертных субстратных фрагментов на ферменте на понижение активационного барьера скоростьлимитирующей химической стадии (см. 4 этой главы). Возможно, наличие промежуточных соединений в ферментативных механизмах отражает лишь сложную картину участия в реакции большого числа функциональных групп, многие из которых вообще склонны образовывать ме-тастабильные продукты (как, например, имидазольная группа [29]). Иными словами, образование промежуточных соединений хотя и сопровождает ферментативный катализ, но, возможно, не имеет прямого отношения к наблюдаемым ускорениям. [c.66]

Значительные дополнения и изменения внесены во вторую часть — Скорость химических реакций при высоких давлениях , — особенно в главы, посвященные реакциям в жидкой фазе (обш,ие положения, реакции гомолитического разрыва химических связей, реакции ароматического замещения, кислотный катализ, реакции Арбузова, ферментативные реакции и др.) в главе о скорости реакций в твердой фазе рассмотрены превращения, происходящие при одновременном воздействии давления и напряжений сдвига. Новые главы — Некоторые количественные соотношения и корреляции и Влияние давления на скорость пространственно затрудненных реакций — написаны в основном по материалам исследований, проведенных за истекшие годы в Институте органической химии им. Н. Д. Зелинского АН СССР. [c.7]

Прежде всего — и это самое основное — мы можем понять значение чрезвычайно высокого энергетического барьера для реакций, сопровождающихся образованием или разрывом ковалентных связей. Большая часть реакций промежуточного обмена такова, что при отсутствии ферментов имеющейся энергии не хватало бы, чтобы поддерживать интенсивность химических процессов на уровне, необходимом для поддержания жизнедеятельности слишком много энергии требовалось бы для растяжения и напряжения молекулярных связей, приводящего к образованию активированного промежуточного продукта. Ферменты — белковые катализаторы — уменьшают свободную энергию активации соответствующих реакций настолько, что имеющейся в организме тепловой энергии оказывается достаточно для активации реагирующих молекул (рис. 72). При обычных физиологических температурах скорости ферментативных реакций на 8— 12 порядков выше, чем скорости аналогичных реакций без катализа. Таким образом, самая основная проблема температурной адаптации была разрешена в ходе эволюции путем выработки катализаторов — ферментов. [c.212]

Исключительно высокие скорости и степень селективности ферментативных реакций с давних пор интригуют химиков-органиков. Многочисленные предположения, начиная с более чем столетней давности идеи ключ-замок Э.чи-ля Фишера и до более современной ковдегшии взаимоиндуцированного соответствия Кошланда были выдвинуты для объяснения этих явлений. Каковы бы ни были конкретные подробности различных интерпретаций, все они предполагают тот или иной род фиксации субстрата внутри полости активного центра конформационно подвижной молекулы фермента вблизи его реакционноспособных групп. Возникающее в результате взаимодействие между реакционными центрами фермента и реакционноспособной конформацией субстрата считается одной из главных причин высоких скоростей и селективности, свойственных ферментативным реакциям. Дизайн химических структур, пригодных для экспериментального исследования относительной важности различных факторов, определяющих скорости и селективность органических реакций как моделей определенных аспектов ферментативного катализа, был и остается областью, вызывающей напряженное внимание. [c.486]

Энтропийные факторы, таким образом, могут являться причиной очень больших ускорений и, безусловно, представляют собой один из наиболее общих факторов, связанных с высокой эффективностью ферментативного катализа. Однако и в простых внутримолекулярных реакциях могут наблюдаться эффективные мольности, намного превышающие те, которые можно было бы ожидать, учитывая только энтропийный фактор. В этих случаях имеет место, по-видимому, напряжение в основном состоянии. Связь этого явления с ферментативным катализом будет рассмотрена в следующем разделе. [c.524]

Понижение энтропийной части происходит в результате фиксации субстрата на ферменте в конфигурации активных групп, обладающей и более низкой энтропией по сравнению со свободным сочетанием реагентов. Следовательно, в таком комплексе, исходно близком к переходному состоянию, уменьшение энтропии при образовании самого переходного состояния не должно быть уже столь большим по абсолютной величине, как в случае свободных реагентов. Значит, роль энтропийного фактора (е / <С 1) в (XIV.1.1), (XIV.1.2), снижающего скорость реакции, уменьшается в ферментативном процессе по сравнению с обычной реакцией. Избыток энергии, выделяющейся при связывании субстрата, должен хотя бы частично переходить в теплоту, чтобы скомпенсировать уменьшение энтропии при образовании комплекса. С энергетической точки зрения, происходящая стабилизация и уменьшение собственной энергии комплекса должны были бы замедлять катализ, где требуется преодоление активационного барьера. Однако в схемах энергетического катализа предполагают, что осуществляется не только фиксация конфигурации субстрата, но и создание напряжения фермент-субстратного комплекса, способствующего реакции. При этом происходит и снижение энергии активации химической реакции за счет концентрации энергии напряжения на атакуемой связи. [c.420]

Этот механизм гидролиза пептидов использует некоторые общие представления о природе высокой эффективности ферментативного катализа. Так, в результате формирования циклической структуры с участием Туг-248, воздействия металла на субстрат и образования солевой связи между остатком Arg-145 и СОО -груп-пой субстрата может возникнуть напряжение [59—62]. Геометрия лигандов у цинка в фермент-субстратном комплексе такова, что переходное состояние энергетически выгоднее исходного. В этом отношении интерес представляет смещение атома цинка в комплексах с Phe-Gly-Phe-Gly [65] и Gly-Tyr. Кроме того, локализация заряда на атоме металла [22] может влиять независимо от геометрического напряжения [132], поскольку она дает фермент-субстратный комплекс с относительно высоким содержанием энергии. [c.547]

Гетерогенный катализ является слишком обширной темой, чтобы можно было охватить ее здесь сколько-нибудь детально. Ряд аспектов гетерогенного катализа имеют прямое отношение к ферментативному катализу стереоспецифичность гетерогенных реакций, которая зависит от способа присоединения субстрата к катализатору образование ковалентной связи между субстратами и катализаторами и, наконец, необходимость такого пространственного расположения атомов катализатора, чтобы при связывании субстрата могли возникнуть напряжения и деформации. Химизм катализа металлами отличается от большинства ферментативных реакций, однако несколько примеров гетерогенного катализа, протекающего не на металлах, заслуживают краткого упоминания. [c.40]

Основная причина того, что гипотезе напряжений и деформаций не уделяли должного внимания, заключается в том, что трудно найти экспериментальные методы, чтобы ее подтвердить или отвергнуть. В настоящее время нет строгих экспериментальных свидетельств в пользу того, что напряжения и деформации играют важную роль в ферментативном катализе, однако можно показать, что эти факторы почти определенно имеют место в катализе, осуществляемом ферментами. Существуют два наиболее важных теоретических соображения, указывающих на то, что гипотеза напряжений и деформаций заслуживает более пристального внимания во-первых, трудно удовлетворительно объяснить природу ферментативного катализа некоторых реакций при помощи каких-либо других известных механизмов во-вторых, известен факт, что ферментативная специфичность чаще всего проявляется в максимальных скоростях процесса, а не в связывании субстратов ферментом, как можно было ожидать. Кроме того, необходимо найти объяснение тому факту, что ферменты представляют собой большие молекулы определенной структуры, которая должна быть интактна, чтобы проявилась каталитическая активность. [c.224]

Ряд экспериментов показывает, что в фермент-субстратном комплексе наблюдается два одновременно быстро протекающих процесса. Первый — изменение электронной плотности комплекса, вызывающее поляризацию связей, и второй — геометрическая деформация (напряжение) отдельных валентных связей как в молекуле субстрата, так и в активном центре белка-фермента. Оба эти фактора — деформация и поляризация ковалентных связей повышают термодинамический потенциал этих связей, т. е. способствуют преодолению активационного барьера переходного состояния фермент-субстратного комплекса. Таким образом, в современных теориях ферментативного катализа большое значение придается гибкости третичной структуры ферментов и, [c.140]

Ионы металлов могут участвовать в каждом из четырех известных типов механизмов, с помощью которых ферменты ускоряют химические реакции 1) общий кислотно-основный катализ 2) ковалентный катализ 3) сближение реактантов 4) индукция напряжения в ферменте или субстрате. Помимо ионов железа, которые функционируют в гемсодержащих белках, в ферментативном катализе чаще всего участвуют Мп + и Са +, хотя в работе некоторых ферментов важную роль играют и другие ионы (например, К+). [c.97]

Согласно относительно старой гипотезе о механизме ферментативного катализа, в субстрате при взаимодействии с поверхностью фермента индуцируется напряжение (деформация или дестабилизация) разрываемой связи прн этом предполагается, что в промежуточном соединении или комплексе разрываемая связь оказывается менее стабильной, чем в исходном субстрате. Эффект напряжения можно проиллюстрировать путем сопоставления скоростей катализируемого основанием гидролиза этилен- [c.290]

Отдельные этапы взаимодействия фермента и субстрата при ферментативном катализе все более проясняются. В частности, установлено, что за стадией адсорбции субстрата в активном центре фермента наступает узнавание субстратным центром фермента той части молекулы субстрата, которая непосредственно не подвергается химическому преобразованию. За счет возникающих при этом многоточечных контактов, реализующихся в виде сил слабого взаимодействия (гидрофобные, водородные и др.), связь субстрата с ферментом упрочняется. Одновременно с этим в активном центре фермента стабилизируется та часть субстрата, которая в дальнейшем участвует в химической реакции,—она фиксируется в напряженной конфигурации, близкой к переходному состоянию субстрата при превращении его в продукт. В результате реагирующий фрагмент молекулы субстрата и каталитические группы фермента образуют продуктивный комплекс, где уже частично осуществлены электронно-конформационные переходы, необходимые для протекания собственно химической стадии ферментативного процесса. Это приводит к понижению энергии активации, необходимой для осуществления химической реакции, благодаря энтропийному эффекту вследствие иммобилизации, закрепления, жесткой ориентации субстрата в актив- [c.104]

В заключение отметим еще один вид катализа — ферментативный катализ. Ферменты — катализаторы биологического происхождения— ускоряют химические процессы, проходящие в живом организме. Ферменты имеют либо чисто белковую природу, либо представляют собой белки, связанные с небелковыми соединениями (коферментами). Иногда в состав обоих типов ферментов включаются металлические или иные ионы (ионные кофакторы). Несомненно, что для ферментативного катализа нет единого простого механизма. Имеются примеры ферментативного катализа, обусловленного концентрированием и ориентацией реагентов на активном центре фермента (катализ сближением), а также образованием ковалентных фермент-субстратных промежуточных соединений. Ферментативный катализ может проходить по механизму общего кислотно-основного катализа. По-видимому, специфические ферментативные ускорения могут йызываться конформа-ционными изменениями ферментов в присутствии субстратов, т. е, деформированием ферментов и (или) субстратов (напряжение, на тяжение, искривление и т. п.). Проблемы ферментативного катализа равным образом рассматриваются в физической химии, биохимии, биоорганической химии. Интересующихся мы отсылаем к специальной литературе (см. список литературы в конце главы). [c.198]

Следовательно, формаль1го переход сахаридного остатка у расщепляемой связи от конформации кресла к конформации полукресла в переходном состоянии реакции может привести к ускорению ферментативного превращения в 10 —Ю раз [90]. Несколько позже эти данные и расчеты серьезно пересматривались [89], и было показано, что лактонная концевая группа (153) связывается с участком D активного центра лизоцима лишь в 30 раз более эффективно, чем обычный N-ацетилглюкозаминный остаток. При этом карбонильный атом кислорода лактонной группы образует дополнительную водородную связь с остатком Asp 52 лизоцима и тем самым может вносить дополнительный вклад в связывание с активным центром тем самым достоверность данных о необычно эффективном взаимодействии лактона с лизоцимом становится вообще неопределенной [89]. Однако в любом случае, взаимодействует ли лактон с ферментом прочно или нет, не имеет никакого отношения к напряжению или деформации субстрата в активном центре лизоцима. Даже если лактон и является аналогом цереходного состояния в катализе лизоцимом, опыты по его связыванию с ферментом не могут дать никакого ответа на то, в какой форме — искаженной или обычной (стабильной) — субстрат находится в комплексе Михаэлиса с ферментом. Таким образом, по эффективности связывания лактонов с лизоцимом нельзя судить о деформациях в активном центре. [c.167]

В связи с моделированием ферментативного катализа особый интерес представляет способность циклоамилоз индуцировать конформацию субстрата, близкую к переходному состоянию реакции. Прщие-ром такого конформационного ускорения, обусловленного созданием напряжения в молекуле субстрата, может служить влияние диклоами-лоз на внутримолекулярную реакцию [c.113]

На основании этих экспериментальных данных и модельных построений Филлипс с сотр. [18] предположили, что при связывании субстрата с активным центром лизоцима сахаридный остаток в участке D деформируется и переходит от наиболее стабильной конформации кресла в конформацию полукресла (см. рис. 18), которая более комплементарна активному центру. Поскольку эта деформация должна происходить с затратой энергии, именно она, по гипотезе Филлипса [18, 20], и является причиной резко пониженного сродства участка D активного центра к саха-ридным остаткам. При образовании карбокатиониого переходного состояния, имеющего структуру полукресла, напряжение в активном центре снимается, что, в свою очередь, приводит к ускорению ферментативного катализа [18]. [c.164]

Различные варианты самой простой модели понижения энергии активации в ферментативном катализе получили название модели дыбы (Г. Эйринг, Р. Ламри, Дж. Д. Спайке). Здесь силы сорбции также идут на создание напряжений (деформаций), способствующих протеканию реакций (рис. XIV.3). Согласно модели дыбы , для установления связей с ферментом субстрат претерпевает деформацию и [c.422]

Общая схема ферментативной реакции, включает, как мы знаем, образование единого фермент-субстратного комплекса, в активном центре которого и происходит разрыв старых и образование новых связей с появлением продукта. В различных теоретических моделях механизма действия ферментов предлагаются разные способы понижения барьера реакции в фермент-субстратном комплексе. В результате фиксации субстрата на ферменте происходит некоторое снижение энтропии реагентов по сравнению с их свободным состоянием. Само по себе это облегчает дальнейплие химические взаимодействия между активными группами в фермент-субстратном комплексе, которые должны быть взаимно строго ориентированы. Предполагается также, что избыток энергии сорбции, который выделяется при связывании субстрата, не переходит полностью в тепло. Энергия сорбции может быть частично запасена в белковой части фермента, затем сконцентрироваться на атакуемой связи в области образовавплихся фермент-субстратных контактов. Таким образом, постулируется, что энергия сорбции идет на создание низкоэнтропийной энергетически напряженной конформации в фермент-субстратном комплексе и тем самым способствует ускорению реакции. Однако экспериментальные попытки обнаружить упругие деформации, которые могли бы храниться в белковой глобуле фермента, не диссипируя в тепло в течение достаточно длительного времени между каталитическими актами (10 - 10" с), не увенчались успехом. Более того, нужная для катализа взаимная ориентация и сближение расщепляемой связи субстрата и активных [c.126]

Предположение о том, что фермент связывает субстрат с нарушением его конформации, было впервые высказано в 1930 г. Дж. Холдейном [224] и в 1946 г. детализировано Л. Полингом [225]. В согласии с идеей Холдейна и Полинга в концепции, предложенной в 1954 г. Г. Эйрингом, Р. Ламри и Дж. Спайксом [226], фундаментальное значение в ферментативном катализе придается напряжению и принудительной деформации субстрата, возникающим при сорбции и приводящим к перераспределению электронной плотности в определенной его части. Такая трактовка механизма биологического катализа получила название концепции "дыбы", или принципа "лилипутов . Частичная дестабилизация невалентного фермент-субстратного взаимодействия приближает структуру субстрата к переходному состоянию и тем самым снижает активационный барьер и увеличивает скорость последующей стадии каталитического акта [227]. [c.53]

Гипотеза напряжения представляется весьма вероятной в случае ферментативного катализа. Интересным примером может служить действие эстеразы печени лошади. Прн изучении гидролиза серии эфиров ж-оксибензойной кислоты [c.291]

Традиционный подход к анализу процессов ферментативного катализа, сформировавшийся на основании химических исследований задолго до определения кристаллической структуры ферментов, основывается на следуюш,их факторах общий кислотно-основный катализ катализ ионами металлов нуклеофильный катализ электростатический катализ эффекты подобия (сочетание внутримолекулярной реакции и правильной ориентации) напряжение (деформация субстрата) индуцированное соответствие (деформация фермента). Наличие всех этих факторов в настоящее время в той или иной степени установлено. Наиболее распространен общий кислотно-основный катализ [реакции, катализируемые дегидрогеназами, сериновыми протеазами (а также, по-видимому, тиоловыми протеазами и карбок-сипептидазами), рибонуклеазами, лизоцимом]. Ускорение реакций ионами металлов в его классической форме стабилизации аниона имеет место при функционировании карбоксипептидазы [c.413]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология