Фермент-субстратные взаимодействия

Рис. 44. Изменение свободной энергии фермент-субстратного взаимодействия по координате реакции (4.28) для химотриптического гидролиза метиловых эфиров Ы-аце-тил- -фенилаланина (сплошная линия) и Ы-ацетилглицина (пунктирная линия) [116]. (Для диаграммы использованы значения стандартных свободных энергий, полученные интерполяцией линейных зависимостей, приведенных на рис. 43).

Рис. 2.20. Гипотетические механизмы специфического межклеточного узнавания и адгезии с участием олигосахаридов плазматической мембраны. I — водородное связывание II — взаимодействие типа антиген-антитело III —фермент-субстратное взаимодействие.

Влияние среды на гидрофобное взаимодействие активного центра химотрипсина с субстратами и ингибиторами. Исследование эффектов среды — это классический подход к изучению природы комплексообразования. В-приложении к химотрипсину результаты таких исследований подтвердили гидрофобный характер фермент-субстратных взаимодействий. [c.143]

Исследования фермент-субстратных взаимодействий, особенно проведенные в последние 25 лет, подтвердили и расширили эти идеи. Ферменты, обладающие подлинной специфичностью и использующие только один субстрат, трудны для систематических исследований. Существует, однако, много ферментов с весьма широкой специфичностью. Для них становится возможным измерение влияния изменения структуры субстрата на /Скат и /(м в условиях, оптимальных для природного субстрата. Другим полезным подходом является использование соединений — конкурентных ингибиторов реакции. Последние представляют собой соединения, связывающиеся в том же участке фермента, что и субстрат, обычно в силу близости их структур, и тем самым мешающие протеканию реакции между ферментом и субстратом, так как занимают места, в обычных условиях занимаемые субстратом. Эффект ингибирования четко зависит от концентрации, и каждый отдельный ингибитор можно охарактеризовать, измеряя влияние изменения его концентрации на скорость ферментативной реакции. Эффективность процесса выражается посредством константы ингибирования /С , которая, подобно Кч, в пределе равняется константе диссоциации. [c.511]

В настоящем параграфе будут рассмотрены главным образом динамические аспекты данной проблемы, а именно будет показано, как изменяется свободная энергия гидрофобного фермент-субстратного взаимодействия по координате реакции [116]. [c.150]

Нуклеофил в активном центре химотрипсина при отсутствии сорбционных фермент-субстратных взаимодействий. ................... 310-= fe ) [c.162]

Изучение переходного состояния имеет важнейшее значение не только для органической химии. Все биохимические процессы фермент — субстратного взаимодействия также протекают через активированный комплекс. Специфичность биохимических процессов обусловлена не тем, что субстрат и фермент строго соответствуют друг другу как ключ и замок, такое соответствие приводило бы лишь к комплексообразованию с минимумом энергии для системы. Как показал Кошланд, подобное соответствие является индуцированным, оно возникает в момент взаимодействия фермента и субстрата и сопровождается деформациями молекул. Так, гидролиз гликозидной связи лизоцимом сопровождается изменением конформации пиранозы в полу-кресло только такая конформация соответствует стереохимии реакционного центра фермента. [c.164]

Физика фермент-субстратного взаимодействия [c.192]

Зачастую зависимость доза — ответ описывается не гиперболой, а сигмоидальной кривой. В основе теории занятости лежит простой закон действующих масс. При сигмоидальной кривой он, очевидно, не приложим, и следует искать более сложные зависимости между связыванием лиганда и биологическим действием. Первоначально для объяснения была предложена теория свободных рецепторов, которые, как предполагалось, работают только при высокой концентрации лиганда. Однако более многообещающей кажется здесь опять аналогия с фермент-субстратным взаимодействием, на этот раз — с аллостерическими ферментами. [c.247]

СП < п] незначительные изменения или отсутствие таковых для кинетических параметров, если СП > п возможность непродуктивного связывания с ферментом субстратов с СП < п. Теория позволяет связать специфичность действия фермента и структуру его активного центра в данном случае важную роль играет число сайтов и расположение каталитического участка активного центра относительно сайтов, обеспечивающих фермент-субстратное взаимодействие. [c.61]

Важно отметить, что в пролиферативно покоящихся клетках происходит модификация ферментов, за счет изменения их конформации, либо изменяется структура субстрата, что в любом случае влияет на фермент-субстратные взаимодействия. [c.92]

Сказанное здесь не следует понимать в том смысле, что ферментативная активность и другие свойства белков могут быть объяснены только на основании знания пространственной структуры на самом деле фермент-субстратные взаимодействия достаточно сложны, и вряд ли какая-либо одна теория сможет охватить все разнообразие явлений, связанных с биологическими функциями белков. Однако сохранение нативной конформации всегда необходимо для того, чтобы белок мог функционировать. [c.359]

Взаимодействия между заряженными группами, безусловно, вносят вклад в специфичность фермент-субстратного взаимодействия. Однако, в какой степени электростатическое притяжение в состоянии обеспечить движущую силу межмолекулярных взаимодействий в водном растворе, еще не вполне ясно. Также недостаточно полно разработаны теоретические основы ионных взаимодействий в водных растворах. Существует обширная литература по теории ионных взаимодействий, однако при отсутствии детальных сведений о структуре воды и о природе микроскопических взаимодействий ион-вода и ион-ион в воде существующие теории не дают в общем случае возможности количественно описать их. В этой главе будет рассмотрен эмпирический подход, основанный на описании различных проявлений этих взаимодействий. Будут также сделаны, в основе своей феноменологические, попытки их корреляции и объяснения. Читатель может ознакомиться более подробно е теоретическими и экспериментальными основами проблемы электростатических взаимодействий в воде по другим источникам [1]. [c.274]

Типичным примером проявления электростатических сил в фермент-субстратных взаимодействиях может служить связывание положительно заряженной группы ацетилхолина и подобных ему субстратов и ингибиторов с анионным центром фермента ацетилхолинэстеразы (I) [2]. [c.274]

Динамика фермент-субстратных взаимодействий 427 [c.427]

Из сказанного можно сделать вывод, что при гидрофобном фермент-субстратном взаимодействии типа Е-Н (схема 2,10) величина Д 5,ВНУ1Р (уравнение 2.19) принимает существенные значения даже при не слишком больших гидрофобных фрагментах Н. Так, для весьма распространенной в живой природе бензильной группы (встречающейся в молекулах производных фенилаланина) понижение свободной энергии активации, обусловленное погружением ее (переносом из воды) в гидрофобную среду активного центра (при образовании переходного состояния химической реакции), может составить величину вплоть до —7 ккал/моль (—29,4 кДж/моль) в зависимости от значения а с 2, которое реализуется в данной энзиматической системе. Это соответствует ускорениям реакции вплоть до 10 раз. [c.45]

Гидрофобное фермент-субстратное взаимодействие вносит важный вклад в специфичность химотрипсинового катализа (см. 2, 4, 5 этой главы). Это связано с тем, что составной нукЛеофил, входящий в активный центр фермента и принимающий участие в атаке сорбированной молекулы субстрата, расположен в поверхностном слое белковой глобулы [17—19, 66, 67]. Реакции, катализируемые химотрипсином, протекают таким образом вблизи поверхности раздела фаз вода — белок и сопровождаются термодинамически выгодным переносом (полным или частичным) гидрофобных фрагментов молекулы субстрата из одной среды (вода) в другую (белок). Свсбодная энергия такого рода гидрофобного взаимодействия, сопровождающего химическую реакцию между ферментом и субстратом, зависит от структуры субстрата, а также от геометрической конгруэнтности ее по отношению к активному центру (см. 5 этой главы). [c.150]

Из рис. 43 видно, что все эти величины (ДС , ДОа, ДС , ДС ), характеризующие свободную энергию фермент-субстратного взаимодействия в различных промежуточных состояниях реакции, линейно зависят от свободной энергии переноса субстратного фрагмента К из воды в органический растворитель (ДО итр) - Поэтому на рис. 44 профиль свободная энергия — координата реакции приведен лишь для крайних членов исследуемого ряда субстратов. При построении диаграммы были сделаны два допущения 1) свободная энергия валовой реакции 5 + Н2О Р1 + РдН — это постоянная величина для всех членов изохимического ряда субстратов и равная приблизительно нулю [116, 117 ] 2)/Ср.н Кз, поскольку константа Михаэлиса в реакциях, катализируемых химотрипсином, слабо зависит от природы уходящей группы (см. табл. 25 и 26) [6, 7, 119]. Проанализируем далее, как изменяется профиль свободная энергия — координата реакции при вариации структуры субстрата. [c.151]

Наблюдаемому эффекту [уравнение (4.39)] трудно найти объяснение с помощью простой экстракционной модели (схема 4.18), где механизм гидрофобного фермент-субстратного взаимодействия представляет собой лишь перенос субстратного фрагмента Н из воды в невод-ную среду и, следовательно, выигрыш свободной энергии не может превысить величину АОэкстр-, Очевидно, механизм гидрофобного фермент-субстратного взаимодействия более сложный, чем (4.18). По-видимому, гидрофобная полость в активном центре фермента контактирует в свободном состоянии с водой и образование комплекса с субстратом КХ полностью или частично (в зависимости от размеров субстратной группы К) экранирует [c.154]

Такой процесс должен быть термодинамически более выгодным, чем (4.18), поскольку в него вносит свой вклад не только субстрат (за счет переноса гидрофобного фрагмента R из воды в органическую среду белка), но также и фермент, гидрофобная полость которого при взаимодействии с субстратом теряет термодинамически невыгодный контакт с водой [15, 116]. При условии полного вытеснения воды, из гидрофобной полости активного центра выигрыш свободной энергии гидрофобного фермент-субстратного взаимодействия должен быть по сравнению с (4.18) двойным и, следовательно, равным 2АСэкстр. [c.155]

В согласии с механизмом (4.40) субстратоподобный ингибитор действительно вытесняет из активного центра несколько молекул воды, как это было обнаружено при рентгеноструктурном анализе кристаллического химотрипсина [123]. Однако этот механизм не согласуется с данными по влиянию среды на гидрофобное фермент-субстратное взаимодействие (см. 4 этой главы). Кроме того, механизм (4.40) противоречит тому, что двойной выигрыш свободной энергии экстракции реализуется лишь в переходном состоянии химической реакции [см. уравнение (4.39)], в то время как в комплексе Михаэлиса вклад гидрофобного фермент-субстратного взаимодействия меньше [см. уравнение (4.29)]. Иными словами, в химотрипсиновом катализе не вся потенциальная свободная энергия сорбции, которую предполагает модель (4.40), равная 2АСэкстр, реализуется в виде прочного связывания субстрата с ферментом. Из диаграммы, представленной на рис. 44, видно, что в комплексе Михаэлиса (или ацилферменте) реализуется в виде свободной энергии связывания E-R лишь инкремент свободной энергии сорбции, отражающий перенос субстрата из воды в неводное окружение (в среду белковой глобулы), равный АО кстр [см. также уравнение (4.29)]. Для объяснения этих фактов следует допустить, что гидрофобное фермент-субстратное взаимодействие идет в две стадии 1) образование фермент-субстратного комплекса протекает по механизму (4.19), который не противоречит данным по солевому эффекту (на их основании он был и предложен), и термодинамические закономерности его согласуются с уравнением (4.29). Этот механизм также предполагает вытеснение нескольких молекул воды из [c.155]

В свое время Фишер предложил модель ключ — замок для рассмотрения фермент-субстратного взаимодействия. Фермент и субстрат обладают жесткими структурами, причем фермент подогнан к субстрату как замок к ключу. Ряд фактов противоречит такой модели — взаимодействие фермента с субстратом имеет, по-видимому, не статический, а динамический характер. Кошланд предложил модельную теорию индуцированного структурного соответствия фермента и субстрата. Перечислим исходные положения этой теории, задачи которой состояли прежде всего в объяснении специфичности ферментов, катализируюхцих реакции переноса связи [c.189]

Значительное специфическое влияние на скорость реакции (4.42) оказывает гидрофобное фермент-субстратное взаимодействие E-R (см. 2 этой главы). Весьма простая взаимосвязь структуры и реакционной способности существует для соединений, в которых углеводородная группа R имеет не слишком большие размеры и, следовательно, может полностью погрузиться в гидрофобную полость активного центра (см. 5 этой главы). В этом случае эффективность химотрипсинового катализа линейно возрастает с увеличением гидрофобности варьируемого субстратного фрагмента (см. рис. 43). Вклад гидрофоб- [c.158]

Внутренняя реакционная способность нуклеофила, действующего в свободном ферменте. В итоге проведенного анализа можно считать доказанным постулат Бендера и Кежди [7] о том, что эффекты субстратных заместителей в химотрипсиновом катализе имеют аддитивный характер. Такое свойство ферментативного процесса означает, что свободная энергия того или другого сорбционного фермент-субстратного взаимодействия (стабилизирующего переходное состояние) входит в общую свободную энергию активации химической реакции в виде взаимно независимых слагаемых, а именно [c.160]

Более детализированная картина фермент-субстратного взаимодействия была получена при исследовании реакций аспартатаминотранс-феразы с модифицированными субстратами [44, 45]. Так, реакция транс-аминирования эритроизомера 3-1-оксиаспарагиновой кислоты протекает медленно и поэтому удалось обнаружить восемь времен релаксаций. В соответствии с этим простейший механизм релаксации должен включать семь промежуточных соединений и имеет вид [c.213]

Более внимательное рассмотрение изложенной выше концепции приводит к выводу, что для специфических фермент-субстратных взаимодействий "вовсе не обязательны напряжение или деформация субстрата. Достаточно, чтобы взаимодействие фермента с субстратом было лучнге в переходном состоянии по сравнению с основным состоянием фермент-субстратного комплекса. Этот вопрос детально рассмотрен в первой части книги [81]. Например, если субстрат в ходе его ферментативного превращения и, следовательно, структурной перестройки изменяет свою конформацию так, что прочность его взаимодействия с ферментом в переходном состоянии возрастает, то уменьшается свободная энергия активации и ускоряется реакция. При этом субстрат совершенно не обязательно должен подвергаться какой-либо деформации (т. е. изменению длин ковалентных связей и искажению валентных углов) при образовании комплекса Михаэлиса. Он может связаться с ферментом, помещая свою реакционноспособную связь в непосредственной близости от каталитически активных групп, но так, что прочность связывания при этом еще достаточно далека от потенциально достижимой. Тем самым субстрат как бы резервирует свободную энергию связывания для переходного состояния, что также приводит к ускорению ферментативной реакции. [c.163]

КИМ образом, эффект, изложенный Рапли, можно объяснить без привлечения гипотезы непродуктивного связывания, а именно с точки зрения возрастания специфичности ферментативного катализа за счет использования все возрастающей части свободной энергии нековалентного фермент-субстратного взаимодействия при увеличении длины цепи олигосахаридиого субстрата. [c.196]

Другими словами, существуют две концепции, с противоположных (на первый взгляд) позиций объясняющие субстратную специфичность лизоцима (в отношении длины цепи олигосахаридных субстратов). Согласно первой концепции, при переходе от длинных олигосахаридов к коротким непропорционально возрастает константа ассоциации последних с ферментом за счет резкого увеличения степени непродуктивного (геометрически неправильного) связывания. В итоге константы ассоциации длинных и коротких олигосахаридов с ферментом оказываются одинаковыми Кт = = 10" М от тримера до гексамера, см. табл. 38), по эффективность каталитической деградации коротких олигосахаридов мала. Согласно второй концепции, ири переходе от коротких олнгоса-харидов к длинным последние пс реализуют потенциальные воз-можр[ости фермент-субстратных взаимодействий п комплексе Михаэлиса (что и приводит к их относнтельпо малым величинам констант ассоциации с активным центром), но полностью реализуют взаимодействия в переходном состоянии ферментативной реакции. Чем выше степень полимеризации субстрата (в пределах активного центра фермента), тем бoльнJe он резервирует возможностей для уменьшения свободной энергии переходного состояния реакции за счет дополнительных взаимодействий (по сравнению с взаимодействиями в комплексе Михаэлиса) и тем выше скорость ферментативного гидролиза. [c.196]

АОЙ ХИМИИ Количественная же оценка изменений при межмолекулярных взаимодействиях, т.е. конкретная реализация известных конформацион-цЬ1Х возможностей модифицированного пептида, требует как минимум знания структуры рецептора. О сложности возникшей здесь задачи убеди- пъио свидетельствует богатый опыт, накопленный за последние десятилетия энзимологией, где проблема идентификации лиганда и рецептора решается несравненно проще. При этом условии и даже при известной геометрии субстрата и активного центра фермента, а также знании чисто химических аспектов фермент-субстратных взаимодействий количественное описание каталитического акта как взаимообусловленного на всех своих стадиях и спонтанно протекающего процесса наталкивается на большие трудности и часто не может быть вьшолнено однозначным образом. [c.353]

Неоднократно предпринимались попытки количественно оценить вклады различных эффектов (например, сближенности, направленности орбиталей, дестабилизации, общего кислотно-основного катализа и др.) в увеличение скорости, к которому приводит действие данного фермента. Однако пример химотрипсина показывает, что эти эффекты представляют разные способы описания одного и того же действия в активном центре и в действительности их нельзя отделить друг от друга. С другой стороны, представления, развитые при анализе фермент-субстратных взаимодействий, расширили наши представления о химическом катализе и способствовали созданию аналогов ферментов на основе полимеров непептидной природы [745, 750J. [c.282]

Подобные рассуждения приложимы и к электростатическим взаимодействиям. Ионные пары между моновалентными ионами существенны в неполярных растворителях, однако их стабильность в воде мала. Значительные эффекты наблюдаются в том случае, когда один из ионов является полиэлектролитом 85], в этом случае могут образовываться стабильные комплексы с полиэлектролитами противоположного заряда. Полилизин, например (поликатион при нейтральном pH), образует нерастворимый комплекс с ДНК (полианионом) 86]. Во многих внутрибелковых и фермент-субстратных взаимодействиях электростатические силы усиливают водородные связи, как в солевом мостике СО НзМ описанном выще для химотрипсина, а также в случае бифункциональных взаимодействий (52) между карбоксилат- или фосфат-анионом и гуанидиновой группой аргинина, наблюдаемых, например, в активном центре креатинкиназы [87]. [c.504]

Окончательный переход к новому этапу завершился после работ С.Соренсена (43), показавшего зависимость активности ферментов от величины pH, и работ Л.Михаэлиса (44) развившего теорию фермент-субстратного взаимодействия и заложившего основы кинетики ферментативных реакций. [c.176]

Изучение специфичности действия ферментов по отношению к субстрату позволило выявить центры молекулы стероида, наиболее суп1,ественно сказывающиеся на степени связывания, и тем самым пролить свет на механизм фермент-субстратного взаимодействия. При этом оказалось, что все трансформирующие стероиды ферменты, за исключением гидролитических (Р-глюкозидаза, р-глюкуронидаза, эстераза), специфичны по отношению к стероидам как классу соединений, и лишь в некоторых случаях с небольшой скоростью трансформируют другие соединения. Все эти ферменты имеют абсолютную специфичность по отношению к природным энантио,-мерам стероидных соединений, что уже нашло применение для расщепления рацематов. Изучение специфичности по отношению к субстрату наряду с другими данными позволяет также сделать вывод об индивидуальности ферментов каждого микроорганизма и отличии их от соответствующих ферментов из тканей млекопитающих (см. гл. II). [c.28]

Боковая цепь производных холана, содерн<ащая пять атомов углерода, не создает непреодолимых препятствий для гидроксилирования, хотя и значительно его затрудняет. Так, например, За,7а-диокси-5р-холановая кислота еще способна гидроксилироваться в Иа-положение при ферментации с Aspergillus o hra eus [109]. Наиболее существенным препятствием для введения оксигрупп являются длинные боковые цепи производных холестана и эргостана, о гидроксилировании которых имеются лишь отдельные и не совсем надежные данные [39, 40] длинная боковая цепь, по-видимому, препятствует либо фермент-субстратному взаимодействию, либо проникновению стероида в клетку. [c.81]

Для установления того, чем вызваны эти различия — изменением в связывании или в скоростях ацилирования фермента субстратом,—необходимо детальное кинетическое исследование, однако, во всяком случае, очевидно, что присутствие положительного заряда усиливает фермент-субстратное взаимодействие в небольшой, но вполне ощутимой степени. Аналогично ингибирование ацетилхолинэстеразы соединением с четвертичной аммониевой группой неостигмином (IV) не зависит от значения pH, в то время как ингибирование третичным амином физостигмииом (V) уменьшается в 16 раз при потере положительного заряда. [c.275]

Межмолекулярные взаимодействия зарял енных и полярных и некоторых нейтральных молекул в растворах, как правило, обеспечиваются электростатическими силами, водородной связью или переносом заряда. Однако-в водном растворе эти типы взаимодействий малоэффективны (гл. 6, 7 и 9) ввиду высокой сольватирующей способности молекул воды, прочности образуемых ими водородных связей и слабости обычных взаимодействий с переносом заряда в основном состоянии. Чтобы объяснить большие энергии связывания, обнаруживаемые для фермент-субстратного взаимодействия, и связывания малых молекул с белками часто необходимо учитывать еще один тип взаимодействия, который за неимением точного термина условно назовем гидрофобной связью . Гидрофобные силы , вероятно, являются наиболее важным фактором, обеспечивающим нековалентное межмолекулярное взаимодействие в водном растворе. Свободные энергии связывания субстратов и ингибиторов с активными центрами ферментов часто равны примерно —10 ккал/моль (—42-10 Дж/моль) и менее, причем лишь небольшую долю-этой величины можно отнести за счет других типов взаимодействия. Сила и специфичность связывания малых молекул белками видны особенно четко при взаимодействии гаптенов с антителами, движущей силой которого обычно является гидрофобное взаимодействие. Свободная энергия связывания е-дини-трофениллизина специфическим для него антителом, которая почти полностью обусловлена взаимодействием с динитрофенильной группой, приблизительно равна —12 ккал/моль (—50-10 Дж/моль), а энергии связывания малых слабополярных гаптенов обычно лежат в интервале от —5 до —10 ккал/моль (от —21 до —42-10 Диг/моль) [1, 2]. [c.303]

ЦИИ (нанример, щелочного гидролиза). Однако совершенно иную картину можно наблюдать в ферментативном катализе. На рис. 1 показано, как изменяется стандартная свободная энергия фермент-субстратного взаимодействия по координате реакции для двух соединений производных фенилаланина (К = С НаСН. , сплошная линия) и глицина(К = Н,пунктир). В случае специфического соедипения — метилового эфира К-аце-тил-Ь-фени.паланина свободная энергия термодинамически выгодного процесса, каким является экстракция углеводородного фрагмента субстрата В из воды в органическую среду белка, приводит к существенному понижению барьера стандартной свободной энергии активации и тем самым к ускорению реакции. [c.210]

Наиболее обширную информацию о фермент-субстратных взаимодействиях получают при исследовании кристаллических ферментов и их комплексов с ингибиторами и субстратами методом рентгеноструктурного анализа. Найденные этим способом координаты атомов фермента и субстрата затем оптимизируются путем минимизации энергетических потенциалов, задаваемых суммой атом-атомных взаимодействий (см. гл. VIII-IX). Построенные в результате энергетические карты (см. 1, гл. IX) фермент-субстратных комплексов позволяют сравнивать конформации отдельных фрагментов белка и аминокислотных остатков в связанном и свободном состояниях. В настоящее время насчитывается сравнительно небольшое число таких исследований. [c.422]