Переходное состояние субстрата

Специфичность в отношении конкурирующих субстратов зависит от относительной прочности связывания ферментом их переходных состояний. Комплементарность фермента переходному состоянию субстрата позволяет достичь максимально высокой специфичности, поскольку этим обеспечивается оптималь- [c.334]

Фермент, в свою очередь, оказывает значительное влияние на субстрат. Под влиянием фермента структура субстрата изменяется сначала образуется переходное состояние, а затем продукты ферментативной реакции. Оказалось, что для фермента каталитически выгодно комплементарное соответствие не основному, а переходному состоянию субстрата. Это также было доказано при помощи синтетических аналогов переходного состояния субстрата. Л. Полинг и Дж. Холдейн предложили концепцию деформации субстрата, связанную с его модификацией под действием фермента. Однако главным является то, что субстрат в переходном состоянии взаимодействует с ферментом многократно [c.69]

Е — фермент, 5 — субстрат, Р — продукт, 5 — переходное состояние субстрата. Изменения свободной энергии относятся к следующим реакциям ДС — образование ЕЗ из [c.277]

Одна из важнейших функций белков состоит в специфическом катализе химических реакций. Лигандом в этом случае служит молекула субстрата, связывание которой ферментом - необходимая предпосылка химической реакции (рис. 3-52, Б). Ферменты способны очень сильно ускорять химические реакции - значительно сильнее, чем любые искусственные катализаторы. Столь высокую эффективность можно приписать нескольким факторам. Во-первых, ферменты увеличивают локальную концентрацию молекул субстрата в каталитическом центре и удерживают соответствующие атомы в ориентации, необходимой для последующей реакции. Но наиболее важное значение имеет тот факт, что часть энергии связывания непосредственно используется для катализа. Дело в том. что молекулы субстрата, перед тем как превратиться в продукты реакции, проходят через ряд промежуточных форм с измененной геометрией и измененным электронным распределением. Свободная энергия всех этих промежуточных форм и особенно наименее стабильных переходных состояний существенно снижена, если молекула связана с поверхностью фермента. Обычно ферменты имеют значительно большее сродство к нестабильным переходным состояниям субстратов, чем к их стабильным формам. Используя энергию связывания, ферменты помогают субстратам принять определенное переходное состояние и таким образом значительно ускоряют одну определенную реакцию. [c.158]

Понижение свободной энергии активации реакции посредством выгодных связывающих взаимодействий с переходным состоянием субстрата. [c.534]

Аналоги переходного состояния субстрата зонды для исследования комплементарности [б, 6] [c.299]

Достижение переходного состояния субстрата возможно двумя путями придать реагирующим молекулам избыточную энергию (например, за счет увеличения температуры) или снизить энергию активации соответствующей химической реакции (рис. 6.1). Общие черты всех каталитических реакций заключаются в том, что они связаны со снижением энергии активации. [c.68]

Включение в схему механизма процесса размножения микроорганизмов стадии, характеризующей переходное состояние субстрата, позволило понять сущность лаг-фазы и описать ее аналитически. [c.203]

По-видимому, одним из первых, кто наиболее четко сформулировал представления о природе взаимодействий субстрата с ферментом, явился Э. Фишер [71], который предположил, что субстрат подходит к ферменту как ключ к замку. В дальнейшем эта концепция уступила место идее комплементарности фермента переходному состоянию субстрата [84, 130], предполагающей, что при связывании субстрата с ферментом про- [c.101]

Рис.131. Энергетический профиль реакции при условии комплементарности фермента переходному состоянию субстрата

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]

Комплементарность фермента переходному состоянию субстрата означает, что имеет максимальное значение [c.295]

Экспериментальные данные об использовании энергии связывания в катализе и комплементарности фермента переходному состоянию субстрата [c.297]

Зная механизм органической реакции, можно получить представление о структуре переходного состояния ферментативной реакции, синтезировать соединения, близкие к переходному состоянию субстрата, и сравнить присоединение к ферменту этих соединений с присоединением исходного субстрата. [c.299]

Аналоги переходного состояния субстрата, которые были синтезированы до настоящего времени, позволили проанализировать ту часть каталитического процесса, которая связана с различием в комплементарности фермента переходному состоянию субстрата и исходному субстрату. В приведенных выше четырех примерах аналоги переходного состояния связываются в 10 —10 раз прочнее самих субстратов. Это свидетельствует об эволюции ферментов в сторону структурной комплементарности [c.301]

Изучение комплементарности фермента переходному состоянию субстрата с использованием аналогов переходного состояния субстрата может быть осложнено наличием лишних связей с группами, введенными в молекулу аналога. В гл. 9 было показано, что связывание небольшой группы дает существенный вклад в энергию связывания, когда в процесс вовлекается специфический для этой группы центр связывания. Например, вклад метиленовой группы в энергию связывания может составлять 12 кДж моль (3 ккал-моль ), а вклад гидроксильной группы за счет образования водородной связи — 25 кДж моль (6 ккал-моль- ). Даже если специфические центры связывания не затрагиваются, большой энергетический вклад могут дать гидрофобные эффекты замена в фенильном кольце ацетильной группы на атом С1 приводит к 50-кратному увеличению прочности связывания этого кольца в гидрофобном кармане химотрипсина [13]. [c.302]

Б. Эволюция фермента в сторону увеличения максимальной скорости реакции сильное связывание переходного состояния субстрата — слабое связывание самого субстрата [c.303]

В предыдущем разделе было показано, что ферменты эволюционировали в сторону более сильного связывания переходных состояний субстратов, а не самих субстратов. Ниже будет [c.303]

Умозрительные процессы а) фермент эволюционирует в сторону обеспечения комплементарности переходному состоянию субстрата и максимально высокого значения отношения са1/Км- "Р сохранении максимально высокого значения фермент эво- [c.304]

Рис. 10.3. Два случая эволюции фермента. Переходные состояния субстрата связываются с ферментом одинаково хорошо, но в случае А сам субстрат связывается прочно, тогда как в случае Б в результате эволюции фермента — слабо (концентрация субстрата в обоих случаях одинакова). А. Энергия активации равна ДО 4- ДО имеет место процесс Е8 Б. Энергия ак-

Итак, мы обсудили в общих чертах, какие каталитические преимущества дает комплементарность фермента переходному состоянию субстрата и высокое значение /См, и увидели, что эта ситуация реализуется на практике. Рассмотрим теперь, какие механизмы используются для достижения этой цели. [c.311]

Важнейшие особенности Ф. к.- эффективность, специфичность и чувствительность к регуляторным воздействиям. Фер-мегтгы увеличивают скорость хим. превращения с страта по сравнению с неферментативной р-цией в 10 -10 раз. Столь высокая эффективность обусловлена особенностями строения активного центра. Принято считать, что активный центр комплементарен (см. Комплементарность) переходному состоянию субстрата при превращении его в продукт. Благодаря этому стабилизируется переходное состояние и понижается активац. барьер р-ции. [c.80]

Молекулярный вес энзима в тысячи раз превышает молекулярный вес субстрата. Размеры частиц ферментов лежат в коллоидной области, во много,раз превышая размеры молекул субстрата. Поэтому при образовании промежуточного соединения на молекуле фермента должна быть область, к которой присоединяются как продукт, так и субстрат. Промежуточное соединение представляет собой своеобразное переходное состояние субстрат-фермент и фермент-продукт. Имеется ряд доказательств того, что в молекуле фермента каталитически активными являются определенные группы. Активная часть ферментов составляет малую долю от всей его молекулы. Для выявления этой активной части применяют специфические реагенты, не вызывающие денатурации фермента, но реагирующие с активной группой. Такой реагент должен тормозить действие фермента и связывать определенную группу в низкомолекулярных соединениях. Торможение активности под действием ингибитора обычно обратимо и по удалении ингибитора активность восстанавливается. Так, например, п-хлормеркурибензоат реагирует с 5Н-группой низкомолекулярных веществ, образуя меркаптиды. 5Н-группа часто является активной функциональной группой ферментов, в частности дегидраз. При добавлении п-хлормерку-рибензоата происходит торможение дегидраз за счет реакции [c.258]

Необходимость нспользовакия для корреляции радикальных реакций замещения электрофильных констант заместителей подчеркивает тот факт, что в переходном состоянии субстрат, стремясь передать атакующему радикалу вместе с атомом водорода недостающий электрон, приобретает некоторый катионный характер, о чем свидетельствуют также отрицательные знаки р. Эти соображения совпадают с принятым в настоящее время рассмотрением механизма радикального замещения [149, 150, 173 — 175], предполагающим, что строение переходного состояния этой реакции можно пред-станить, пользуясь терминологией метода валентных связей, как линейную комбинацию следующих трех структур, среди которых VI содержит в электронной системе субстрата положительный заряд. Очевидно, что делокализация последнего, например, в бензильной группе в реакции с замещенными то-луолами потребует вовлечения электронодонорных /г-заме-стителей в прямое полярное сопряжение с катионным центром. [c.285]

Подобная ситуация, по-видимому, реализуется в механизме действия рибонуклеазы. На примере синтетических аналогов переходного состояния субстратов было предположено [307], что в гидролизе рибозилфосфатных эфиров, катализированном рибонук-леазой, участвуют соединения типа переходного состояния субстрата, в которых фосфатная группа напоминает пентаковалентную тригональную бипирамиду. Присоединение и отщепление групп происходит вдоль оси симметрии. Соединения типа переходного состояния субстрата, стереохимия которых аналогична бипира-мидальпой стереохимии фосфата, могут быть представлены с помощью рис. 28 на примере нуклеазы стафилококка и образуются, вероятно, при нуклеофильной атаке кислородным лигандом, координированным ионом Са(П). [c.119]

Уравнение (7) устанавливает зависимость константы сжоростн реакции от концентрации катализатора для тех случаев, когда роль последнего сводится только к комшгек-сообразованию с основным и переходным состояниями субстрата. При этом скорость расти вместе с концентрацией х припадать— арлКперККосн. [c.548]

В приведенных выше циклических переходных состояниях субстрат, таким образом, связан с одной молекулой обобщенной кислоты и одной молекулой нуклеофильного реагента (растворитель или специально добавленный нуклеофильный реагент). Вышеприведенные механизмы могут быть подвергнуты критике, так как в них игнорируется образование тетраэдрического проме-жуточ1ного продукта присоединения на первой стадии процесса. Эту трудность можно, однако, преодолеть, если допустить, что в цикл переходного состояния включается карбонильный атом кислорода, а не отщепляющаяся грз а. [c.56]

Предположение о деформации кольца В при посадке субстрата в активный центр согласовывалось с предложенным К. Верноном в 1967 г. химическим механизмом катализа лизоцима, по которому требуется ослабление расщепляемой связи между сахарными кольцами В и Е [222]. Позднее Филлипс и соавт. получили кристаллическую структуру комплекса лизоцима с аналогом переходного состояния субстрата - тет-расахаридлактоном [223]. Плоское лактонное кольцо по своему положению оказалось близким конформации четвертого кольца В-гекса-Ы-ацетилглюкозамина в модельном невалентном комплексе лизоцима. [c.52]

При нуклеофильном (и электрофильном) как и при общем катализе катализатор входит в переходное состояние субстрата. Различив между этими вщ.ами катализа заключается в том, что атака нуклеофильного катализатора направлена на атом углерода карбонильной группы производного карбоновой кислоты, а атака общего основного катализатора - на атом водорода (или в случае оище -и кислотного катализа - на гетероатом). [c.117]

Leu, не влияя Н8 снижает активность г5олее, чем в 200 раз. Авторы [2122] рассматривают этот факт, как подтверждение гипотезы стабилизации ферментом переходного состояния субстрата (см. гл.7 и 8). [c.199]

В следующем разделе мы обсудим вопрос о комплементар пости фермента переходному состоянию субстрата, используя подразделение энергий активации на две составляющие, одна из которых отвечает стадии химического превращения, а другая равна изменению энергии связывания в ходе реакции. [c.295]

Сравнение уравнений (10.7) и (10.10) показывает, что, когда фермент комплементарен переходному состоянию субстрата, а не самому субстрату, k atlKsi возрастает в ехр(АОкЩТ) раз. [c.297]

Сравним эту величину с константами диссоциации для НА04 и НАО-НАМ-НАО-НАО (связывающимися с подцентрами АВСО),которые равны 10 и5-10 Мсоответственно [7,8].Стократное увеличение прочности связывания переходного состояния субстрата частично может быть обусловлено электростатическим взаимодействием отрицательно заряженного Азр-52 с положительным зарядом карбонильного атома углерода этого лактона. [c.300]

Хотя комплементарность фермента переходному состоянию субстрата максимизирует кса1 Кш, это не означает, что максимальной является и суммарная скорость реакции. Дело в том, что максимальная скорость реакции при данной концентрации субстрата зависит от величин и Кш как таковых, а не от их [c.304]

Максимизация k tlKm за счет повышения комплементарности фермента переходному состоянию субстрата. [c.306]

Деформация вносит положительный вклад в катализ при условии комплементарности фермента переходному состоянию субстрата, увеличивая fe at и Кн, что приводит к увеличению [c.324]

Механизм катализа и структура промежуточных соединений, образующихся в ходе реакций с участием сериновых протеаз, определены с помощью более прямых экспериментов, чем в случае любого другого фермента или класса ферментов. Выяснить структуру сериновых протеаз удалось главным образом благодаря установлению кристаллической структуры сокристал-лизованных комплексов трипсина и некоторых природных поли-пептидов-ингибиторов, имитирующих субстраты (гл. 1, разд. Г). Из этих исследований известно, что активный центр фермента комплементарен переходному состоянию субстрата, которое структурно очень близко к тетраэдрическому аддукту остатка 5ег-195 и углеродного атома карбонильной группы субстрата. Более того, структура фермента при связывании субстрата не искажается. Исследование связывания небольших пептидов с помощью ЯМР-спектроскопии показывает, что при связывании эти пептиды также не деформируются. (Определение кристаллической структуры комплекса трипсина с панкреатическим ингибитором трипсина при высоком разрешении ясно показывает, что реакционноспособная пептидная связь деформируется таким образом, что ее конфигурация приближается к конфигурации пептидной связи в тетраэдрическом промежуточном соединении. Однако, поскольку эта связь уже деформирована до присоединения к ферменту, сконструированный ингибитор связывается очень прочно, т. е. является аналогом естественного переходного состояния.) [c.363]