Ферментативный катализ электронно-конформационные взаимодействия

Специфика действия фермента заключается, очевидно, в реакции распада комплекса (ЕЗ) —Р + Е, т. е. в механизмах процессов, протекающих в активном центре фермента, где происходит трансформация субстрата в продукты реакции. Теория ферментативного катализа в современной биофизике еще не сформирована в окончательном виде. Тем не менее изложенные в предыдущих главах представления о динамической организации белков и электронно-конформационных взаимодействиях находят широкое применение в этой области. [c.419]

Электронно-конформационные взаимодействия в ферментативном катализе 425 [c.425]

Кроме того, невалентные фермент-субстратные взаимодействия реализуются в системах, состоящих из многих сотен атомов, в то время как электронные, чисто химические взаимодействия происходят в активном центре между ограниченным числом атомов, принадлежащих функциональным группам. Невалентные взаимодействия приводят к конформационным изменениям, характерные времена которых намного больше, чем времена колебательной релаксации, сопровождающие чисто электронные переходы. На первом этапе катализа определяющее значение приобретает характер структурно-динамического взаимодействия фермент - субстрат. На втором этапе, после образования активного комплекса, основную роль уже играют квантово-механические электронные процессы взаимодействия между ограниченным числом атомных групп в активном центре. Следовательно, конформационно-динамические аспекты ферментативного катализа, связанные с формированием химически активной конфигурации, можно рассматривать независимо от кванто-во-механической природы элементарного акта разрыва связей субстрата в активном центре. Это обстоятельство отражает природу ферментативного акта как следствие электронно-конформационных взаимодействий в молекуле белка-фермента. [c.427]

Развитием идеи конформационных перестроек является концепция электронно-конформационных взаимодействий (ЭКВ-концепция), частично рассматривавшаяся нами в разд. 3.2.2. В работе [162], с использованием модели взаимодействия электронов и атомных ядер в потенциальном ящике с высокими стенками предпринята попытка дать простое физическое объяснение сути ферментативного катализа. Предполагается, что в случае параболической формы этого ящика электроны как бы расширяют своим давлением стенки ящика-параболы. Точка пересечения со второй параболой, отвечающей конечному состоянию фер-мент-субстратного комплекса, перемещается, и ее ордината, представляющая собой энергию активации, понижается. Смысл ЭКВ, согласно [8, 9], состоит в том, что электронная перестройка в активном центре влечет за собой изменение конформации всего фермент-субстратного комплекса. В конечном счете, изменение поверхностной потенциальной энергии и приводит к эффективному ускорению ферментативной реакции. [c.102]

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]

В действительности проблему синтеза АТФ в Н+-АТФ-синтетазе следует рассматривать исходя из общих представлений о роли электронно-конформационных взаимодействий в механизмах ферментативного катализа (гл. XIV). [c.221]

В других моделях высказывается предположение о том, что в белковой глобуле происходит бездиссипативная передача энергии тепловых колебаний от наружных слоев белка к атакуемой связи в активном центре. Однако никаких серьезных доказательств этому нет, кроме утверждения, что фермент должен быть "устроен" так, что его структура обеспечивает когерентный характер распространения флуктуационных изменений конформации без тепловых потерь по определенным степеням свободы. Помимо отсутствия экспериментальных доказательств общим недостатком этих моделей является то, что в них не учитывается в явном виде важный фактор - спонтанная внутримолекулярная подвижность белка. Шаг вперед в этом отношении сделан в конформационно-релаксационной концепции ферментативного катализа. В ней появление продукта рассматривается как результат последовательных конформационных изменений в фермент-субстратном комплексе, индуцированных первоначальными изменениями электронного состояния в активном центре фермента. Вначале, в течение короткого времени (10 - Ю с), происходят электронно-колебательные взаимодействия, затрагивающие только выделенные химические связи субстрата и функциональные группы фермента, но не остальную часть белковой глобулы. [c.127]

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]

Вследствие этого создается конформационно-неравновесное состояние, которое релаксирует к новому равновесию с образованием продукта. Процесс релаксации происходит медленно и носит направленный характер, включая стадии отщепления продукта и релаксации свободной молекулы фермента к исходному равновесному состоянию. Координата ферментативной реакции совпадает с координатой конформационной релаксации. Температура же влияет на конформационную подвижность, а не на число активных соударений свободных молекул реагентов, что просто не имеет места в уже сформированном фермент-субстратном комплексе. Вследствие больших различий в скоростях мы можем рассматривать отдельно быстрые электронные взаимодействия в активном центре, осуществляющиеся на коротких расстояниях, и более медленные конформационно-динамические изменения в белковой части. На первом этапе катализа стохастический характер динамики белковой глобулы фермента и диффузии субстрата к активному центру приводят к образованию строго определенной конфигурации, включающей функциональные группы фермента и химические связи субстрата. Например, в случае гидролиза пептидной связи для реакции необходима одновременная атака субстрата двумя группами активного центра - нуклеофильной и [c.127]

Как было показано, конформационные изменения в белковой глобуле носят релаксационный характер и характеризуются целым набором различных времен. Они происходят, как правило, намного медленнее, чем чисто электронные переходы. Быстрые изменения электронного состояния молекулы белка (например, восстановление атома Ре активного центра цитохрома) нарушают исходное равновесное конформационное состояние и приводят каскаду последовательных конфор-мационно-релаксационных актов, носяш их направленный характер (см. 1, гл. X). Именно это обстоятельство составляет физическую основу конформационно-релак-сационной концепции ферментативного катализа (Л. А.Блюменфельд). Появление продукта реакции рассматривается здесь как закономерный результат электронно-конформационных взаимодействии в комплексе фермент - субстрат. Предполагают, что конформационные изменения фермент-субстратного комплекса, следуюш ие за изменением электронного состояния субстрата в активном центре фермента, носят характер направленной релаксации и включают процессы превраш ения молекул субстрата в молекулы продукта. Элементарный акт ферментативной реакции [c.425]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология