Эффект сближения субстрата и фермент

Ранее упоминалось, что высокая эффективная концентрация внутримолекулярных групп — одна из основных причин эффективности ферментативного катализа. Таким образом, функция фермента прежде всего заключается в сближении субстрата с функциональными группами фермента путем связывания с активным центром. При этом происходит изменение энтропии системы. Отсюда следует, что различие при катализе внутримолекулярной реакции и межмолекулярной определяется энтропийным эффектом. При межмолекулярной реакции происходит соединение двух или большего числа молекул в одну, что вызывает увеличение упорядоченности и, следовательно, уменьшение энтропии. [c.210]

Большое сродство фермента и субстрата, т. е. большая вероятность образования ФСК, эквивалентная резкому увеличению концентрации реагентов (эффект сближения). [c.186]

Таким образом, теория Кошланда рассматривает комплементарность как динамическое свойство активных центров фермента. По-видимому, при сближении субстрата с активным центром фермента вследствие их взаимного влияния происходит трансформация структуры обоих реагирующих молекул. Если эта трансформация способствует лучшей комплементарности субстрата и активного центра, то это дает большой выигрыш в скорости реакции, т. е. значительный каталитический эффект. Представления Кошланда помогают понять многие стороны механизма каталитического действия ферментов, отличие последних От небиологических катализаторов, а также механизм активации и ингибирования ферментов (см. гл. X). Поэтому трудно согласиться со скептической оценкой, которую дает Косовер [8] теории Кошланда. [c.30]

Представим себе, что фермент не несет никакой другой функции, помимо того, что, адсорбируясь на его поверхности, реагирующие субстраты попадают в непосредственную близость друг к другу. При этом концентрация субстратов на поверхности фермента оказывается высокой даже в том случае, когда общая их концентрация в растворе очень низка. Эта ситуация аналогична той, с которой мы встречаемся при рассмотрении внутримолекулярных реакций в отличие от межмолекулярных. Кошланд [1, 2] исследовал эту возможность, включая также-вопрос о надлежащей ориентации субстратов относительно друг друга. Его расчеты являются, естественно, приближенными, однако полученные значения дают правильное представление о порядке величины. На основании этих расчетов Кошланд пришел к заключению, что простое сближение и взаимная ориентация субстратов це могут объяснить эффект ферментативного катализа. Рассчитанные им скорости отличались [c.101]

Иммобилизованные полиферментные системы. В последние годы получено немало доказательств того, что многие ферменты в клетках работают в виде структурно и кинетически единых комплексов. В них проходит цепь последовательных процессов, когда продукт первого фермента является субстратом для второго фермента и т. д. В полиферментных комплексах активность каждой компоненты, как правило, превышает активность изолированного фермента в гомогенном растворе. Основная причина этого заключается в том, что в комплексе за счет пространственного сближения и диффузионных ограничений могут локально концентрироваться промежуточные соединения субстраты, активаторы, ингибиторы. Эффекта локального концентрирования удается добиться при иммобилизации нескольких ферментов вместе на одном носителе. [c.117]

Наиболее вероятный механизм, благодаря которому фермент может увеличивать скорость бимолекулярной реакции, состоит в том, что в активном центре субстраты настолько приближаются друг к другу (в надлежащей ориентации), что их эффективные концентрации оказываются значительно большими, чем в разбавленном растворе. По существу это крайне маловероятное состояние, однако благодаря сильным и множественным взаимодействиям между субстратом и структурами активного центра ферменты увеличивают вероятность сближения двух субстратов и эффективно превращают бимолекулярную реакцию в мономолеку-лярную внутримолекулярную реакцию. Для этого эффекта предложен ряд названий (ориентация, близость, сближение, орбитальное взаимодействие и др.) в данном разделе используется термин приближение. [c.289]

Когда взаимодействуют две молекулы, распределение электронов в одной молекуле может влиять на химические сдвиги ядер другой. Если ядро находится в полимере, проявляется взаимное влияние различных участков или остатков, которые отдалены в цепи полимера, но находятся по соседству в трехмерном пространстве. Иначе говоря, при свертывании молекулы и формировании третичной структуры полимера могут оказаться сближенными удаленные химические группы, в результате чего создается новое окружение ядер и изменяются химические сдвиги эти изменения могут быть меньше тех, которые наблюдались вследствие внутримолекулярных эффектов, описанных в предыдущем разделе. Межмолекулярные эффекты имеют большое значение для биохимии, так как с их помощью можно контролировать связывание лиганда с макромолекулой (например, взаимодействия между ферментом, кофактором и субстратом) и описать пространственную структуру участка полимера. [c.488]

Отметим, что уменьшение степеней свободы на единицу увеличивает скорость реакции в 200 раз. В случае жестких молекул реакционноспособные группы соответствующим образом расположены для реакции, и скорость реакции гораздо выше. Б результате ускорение реакции — прямое следствие эффекта сближения, т. е. простраиствеиной близости реакционных групп. Это приводит к выгодному изменению поступательной и вращательной энтропий активации. Брюс считает, что основным объяснением эффективности ферментов служит замораживание внутреннего вращения субстрата, а также энч-ропийный эффект. [c.211]

В сущности, согласно гипотезе Кошланда, повышение скорости реакции образования лактонов во внутримолекулярной реакции вызвано тем, что нути сближения реагирующих групп ограничены некоторыми вполне определенными направлениями в противоположность статистической ориентации, наблюдаемой при бимолекулярной реакции. Кошланд считает, что орбитальное управление способно объяснить, почему ферменты столь эффективны. Вероятно, ферменты выстраивают связывающие орбитали реагирующих молекул и каталитических групп с точностью, невозможной при обычном бимолекулярном столкновении в растворе. Фермент не только сближает субстраты, (эффект сближения Брюса) существует еще фактор ориентации, связанный с формой электронных орбиталей реагпиюнноспособных атомов. Это-то и должно вызывать уникалы, ю каталитическую активность ферментов. Удивительная каталитическая активность ферментов, следовательно, вытекает не только из их способности приблихоть реагирующие атомы, но также и направлять орби- [c.212]

Одно из самых первых предположений состояло в том, что ферменты просто сближают реагенты и удерживают их в таком положении достаточно долго, чтобы реакционноспособные группы могли столкнуться и в конце концов прореагировать. Интуитивно ясно, что фактор сближения должен играть очень важную роль, но ранние попытки количественно оценить этот эффект приводили к заключению, что роль его невелика. Позднее Пейдж и Дженкс показали, что проведенные оценки неверны и что исключительно за счет уменьшения энтропии двух реагентов при их сближении и удерживании на поверхности молекулы фермента можно Ожидать увеличения скорости в 10 и более раз [60, 61]. Поскольку энтропия при связывании субстрата уменьшается, то становится ясным, что энтальпия этого процесса должна быть высока, а в таком случае связывание субстратов ферментом уже само по себе во многом определяет движущую силу катализа. Подобная идея была впервые высказана Вестхеймером [62], который считал, что ферменты за счет способности связывать субстрат создают как бы энтропийную ловушку. [c.61]

Если исходить из предположения, что в ферментативном превращении двух субстратов участвуют три соседние каталитические группы молекулы фермента, то на основании одних только эффектов сближения и ориентации удается объяснить увеличение скорости в 10 9 раз при переходе от некаталитическон реакции, к каталитической. [c.142]

Следует ожидать, что для перенесения молекулы субстрата из разбавленного раствора в активный центр фермента и переведения их в положение, которое отражает переходное состояние реакции, необходимы изменения как в энтальпии, так и в энтропии. Эти изменения трудно разделить даже теоретически, поскольку достижение продуктивного связывания с соответствующей ориентацией и упорядочением как фермента, так и субстрата почти наверное будет включать изгибание и деформацию связей и атомных групп, т. е. изменения в энтальпии, и маловероятно, что эти процессы могут иметь место без сопровождающего энтропийного вклада, связанного с ограничением движения молекул. Таким образом, можно с одинаковым правом говорить как о энтропийном напряжении , так и о энтальпийном напря-н ении , однако так же как и в случае анализа эффектов сближения (гл. 1), ясное различие между этими эффектами трудно получить только на основе экспериментально определяемых термодинамических величин. [c.248]

Эффекты сближения и ориентации особенно значительны при высоких порядках реакций. Так, если два субстрата превращаются в продукт под действием трех катализаторов, то б растворе эта реакция имеет пятый порядок. На ферменте такой процесс может происхсдить в 10 раз быстрее [ 615]. Была предложена довольно простая формула для оценки относительной скорости реакций в растворе и на ферменте, учитывающая ориентационные эффекты [1615] [c.352]

Связывание двух отдельных молекул в активном центре фермента превращает бимолекулярную реакцию в мономолекулярную, внутримолекулярную реакцию. Внутримолекулярные модельные реакции являются наиболее простым средством определения ускорения, которое может быть получено в результате сближения реагентов [631, 745]. Другими словами, энтропийный эффект фермента сказывается в увеличении эффгктивной концентрации субстрата. Пос-скольку скорости химических реакций пропорциональны концентрациям реагентов, то увеличения скорости в 10 раз можно ожидать на локальных участках с высокой концентрацией и упорядоченностью [631, 744]. [c.278]

Прежде всего — это высокая степень сродства фермента с субстратом, резко повышающая вероятность образования фер-мвнт-субстратного комплекса. Если мы рассмотрим какую-либо обычную химическую реакцию между двумя веществами в растворе, то эффективность ее протекания будет зависеть от вероятности встречи, соударения молекул этих двух веществ в растворе. Чем больше концентрация реагируюпдах веществ, тем больше вероятность такой встречи, тем выше ско- рость реакции. Эффект направленного сближения фермента и Субстрата 6 этом случае равносилен огромному увеличению концентрации реагирующих веществ и, следовательно, приводит к резкому ускорению превращения. [c.54]

Лучше всего изучены такие модельные системы, в которых реагирующими колшонентами являются составные части одной молекулы. Это внутримолекулярные реакции или реакции, в которых функциональная группа, расположенная рядом с реакционным центром, оказывает анхимер-ное содействие протеканию процесса. Можно предположить, что аналогичное сближение реагирующих групп происходит и на ферменте за счет сил взаимодействия между ферментом и субстратом. В обоих случаях сближение реагентов но сравнению с их состоянием в разбавленном растворе приводит к понижению свободной энергии активации реакции, и, по-видимому, такого рода концентрационный эффект приведет к изменению энтропии активации. [c.15]

Поскольку активный центр определяет и специфичность и каталитическую активность фермента, ои должен представлять собой структуру определенной степени сложности, приспособленную для тесного сближения и взаимодействия с молекулой субстрата или по крайней мере с теми ее частями, которые нег осред-ственно участвуют в реакции. Первоначально предполггалссь, что в каждой молекуле фермента имеется много активных центров, однако сейчас стало ясным, что в большинстве случаев на каждую молекулу приходится только один или два активных центра. Поверхность любого белка состоит из множества разнородных химических групп, принадлежащих боковым цепям аминокислот. Любая из них может играть в молекуле фермента ту или иную роль, влияя на конформацию фермента и на его взаимодействие с субстратом в силу своих химических особенностей и даже просто своим присутствием (стерический эффект). Значение функциональных групп белка для структуры и каталитического действия ферментов очень многообразно. Атомы кислорода, азота, серы участвуют в образовании водородных связей и комплексов с металлами. Кислые и основные группы в 3 2 Е И С И Г Л ОСТИ от состояния и диссоциации функционируют в активных центрах ферментов в качестве кислотных и основных, нуклео- и электро-фильных катализаторов. Эти группы могут действовать непосредственно на субстрат или изменять своим электростатическим воздействием реакционноспособность соседних групп молекул фермента. Аминные, имндозольные, гидроксильные, тиоловые и некоторые другие группы во многих ферментных реакциях выполняют функции промежуточных акцепторов и переносчиков [c.137]