Взаимодействие фермента с свободная энергия активации

Ко второму классу химических связей мы относим так называемые слабые связи, или слабые взаимодействия. Они обладают малыми энергиями и, что самое важное, свободные энергии активации для их образования или разрыва также невелики. Поэтому слабые связи в отличие от ковалентных легко разрываются под действием кинетической энергии, имеющейся в живых системах, и для этого не требуется никакой помощи со стороны ферментов. (Есть своего рода ирония судьбы во взаимозависимости систем, построенных на основе сильных, т. е. ковалентных, и слабых связей для разрыва или образования ковалентных связей при физиологических условиях нужна каталитическая система, функционирование которой в значительной части обеспечивается огромным числом слабых связей.) [c.214]

Если AF+ равна свободной энергии активации гомогенной реакции, катализируемой такой группой, то становится известным значение свободной энергии связывания. Однако представленная здесь модель катализируемых ферментами реакций гидролиза усложняется дополнительно тем, что связывание субстрата не только приводит каталитическую группу фермента (имидазол) в соседство с реакционноспособной частью субстрата, но и другая группа фермента так располагается, что она образует ацильное соединение с кислотной частью субстрата. Изучение модельных соединений, воспроизводящих такое взаимодействие, еще далеко до завершения. [c.336]

Обычно исследователи не полностью отдают себе отчет в том, как мало известно и экспериментально, и теоретически о силах взаимодействия между молекулами в водном растворе. Знание природы и оценка величины этих сил являются фундаментально важными для понимания механизмов реакций, протекаюш их в водной среде, и особенно важны при рассмотрении реакций, в которых ускорение вызывается взаимодействием реагентов в точках, не совпадающих с реагирующими атомами. Именно благодаря этим силам взаимодействия ферменты проявляют свою специфическую каталитическую активность. При этом силы взаимодействия обеспечивают связывание субстрата и, по всей вероятности, вносят значительный вклад в понижение свободной энергии активации катализируемой реакции. [c.253]

В состав катализаторов, используемых для поликонденсационных процессов, входят перечисленные ионы металлов, однако эффективность их каталитического действия несопоставима с ферментами. Принципиальное отличие специфичности ферментативного и обычного химического катализа, как подчеркивается в работе [416], состоит в том, что активный центр фермента может претерпевать конформационные изменения в переходном состоянии. Последнее обстоятельство приводит к дополнительным взаимодействиям нереагирующей части компонента с ферментом, подчас превосходящее по эффективности взаимодействия в основной реакции, что в свою очередь вызывает дополнительное уменьшение свободной энергии активации реакции. В этом и заключается основное значение конформационной подвижности биокатализаторов [416] в отличие от химических катализаторов, которые, как правило, имеют относительно жесткую структуру и реализуемые взаимодействия с компонентом реакционной системы в лучшем случае сохраняются (но не возрастают) в переходном состоянии. [c.264]

Ферменты, как и любые другие катализаторы, ускоряют такие реакции, самопроизвольное протекание которых термодинамически возможно, т. е. реакций с уменьшением свободной энергии. Как известно, скорость реакции зависит от величины энергетического барьера (энергии активации), который должен быть преодолен реагирующими веществами. Для успешного взаимодействия реагирующим молекулам должно быть сообщено какое-то количество кинетической энергии, равное или превышающее энергию активации. Однако оказывается, что для осуществления реакции этого еще недостаточно — необходимо удачное соударение молекул строго определенным образом. Вероятность такого удачного соударения определяется энтропией активации реагирующих молекул. Из этого следует, что в принципе скорость термодинамически возможной реакции (константа скорости к) может быть повышена путем воздействия на величину энергии активации Е, а также на величину предэкспонента Р2, связанного с энтропией активации (стр. 132). [c.26]

Приведенная схема синтеза соединения, сопряженного с гидролизом АТР, неточна в том отношении, что рассмотренные синтетические процессы проходят с участием ферментов, а общий процесс, протекающий в щели белковой глобулы, часто не удается разделить на два независимых процесса — активации субстрата путем переноса на него определенной группы и взаимодействия активированного субстрата со вторым партнером. Однако эти схемы правильно передают три основные особенности сопряженных процессов биосинтеза перенос свободной энергии в форме обменной реакции АТР с субстратом, необходимость сохранения макроэргической связи в результате переноса той или иной группы на субстрат и фактическую роль АТР как эффективного водоотнимающего средства для реакций, протекающих в водной фазе. [c.149]

Те же причины, которые определяют изменение энергии связи каталитических групп с субстратом при его щелевой адсорбции, вызывают и снижение энергии активации ферментативной реакции по сравнению с эквивалентной ей реакцией в растворе. Эти вопросы подробнее рассмотрены в работе Полторака [2]. Поскольку образование активного комплекса каталитической реакции сопровождается изменением валентного состояния атомов, переход от комплекса субстрата с катализатором в активированное состояние обычно сопровождается переориентацией отдельных связей субстрата и катализатора. Как уже указывалось, связанная с этим затрата энергии может быть снижена за счет щелевого эффекта. Фактическое снижение энергии активации происходит за счет уменьшения энергии связи каталитической группы с субстратом. В общем случае эта энергия взаимодействия зависит от совокупности межъядерных расстояний и угловых переменных <р. Если индексом ф отметить величины, относящиеся к ферменту, а без индекса оставить величины, характерные для свободных каталитических групп в растворе, сказанное можно выразить соотношением [c.275]

Из уравнения (2.21) видно, что термодинамически эффективность ферментативного катализа определяется разницей свободных энергий межмолекулярного (при образовании комплекса Михаэлиса) и внутримолекулярного (в переходном состоянии реакции) образования связи Е-Я. Следовательно, в количественном отношении кинетическая роль комплексообразования Е Н в ускорении ферментативной реакции представляется несколько иной, чем в кинетическом режиме второго порядка (уравнение 2.19). Однако и здесь движущей силой катализа остается свободная энергия взаимодействия Е-Н именно в переходном состоянии реакции (а не в промежуточном комплексе). Действительно, чем более термодинамически выгодным будет внутримолекулярное взаимодействие Е-К в активированном состоянии (чем более отрицательные значения примет величина АОз внутр). тем более благоприятным должно быть отношение VI/ии для ферментативной реакции [см. (2.21)]. Это связано с тем (см. рис. 12), что барьер свободной энергии активации ферментативной реакции (ДО/. внутр) в этом случае уменьшается (по сравнению с ДОи) и, следовательно, скорость процесса [уравнение (2.20)] возрастает. Наоборот, при заданном значении ДО .ппутр термодинамически более благоприятное взаимодействиеЕ -Н в исходном состоянии реакции (фермент-субстратный комплекс ХЕ-КУ) будет тормозить ее протекание. Так, более отрицательные значения Д(3 приводят к неблагоприятным значениям VI /иц в отношении ферментативного процесса [уравнение (2.21)]. Это связано с тем, что активационный барьер Д01% утр (см. рис. 12), определяющий скорость превращения фермент-субстратного комплекса [уравнение (2.20)], при этом возрастает. [c.41]

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]

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]

Превращение основного состояния фермепт-субстратного комплекса в переходное ведет к увеличению прочности связывания фермента с субстратом (точнее, измененных или активированных фермента и субстрата) и к уменьшению активационного барьера реакции. При этом в согласии с основными положениями теории переходного состояния уменьшение свободной энергии активации соответствующей стадии ферментативной реакции определяется разницей свободных энергий реального и гипотетического фер-мент-субстратного комплекса. Иначе говоря, во сколько раз напряжения ухудшают возможное связывание субстрата с активным центром, во столько же раз возрастает скорость соответствующей стадии ферментативной реакции ири условии снятия этих напряжений в переходном состоянии на данной стадии [79—82]. Следовательно, если напряжения или деформации, существующие в фермент-субстратиом комплексе, снимаются в переходном состоянии реакции, то они выгодны для фермента на стадии каталитического превращения комплекса. Чем более выражены такие наиряжения в фермент-субстратном комплексе, тем выше каталитическая копстапта ферментативной реакции. Согласно классификации фермеит-субстратных взаимодействий именно те взаимодействия, прочность которых возрастает прн образовании переходного состояния ферментативной реакции, называются специфическими [81, 82]. [c.163]

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]

Более типичным для биологич. Ф. является случай, когда в активных центрах ферментов, участвующих в переносе фосфорильной группы, присутствуют ионы металлов. Показано, что в зависимости от природы металла могут быть образованы различные комплексы АТФ с ионами металлов. Так, ионы Mg, Са и Ха предпочтительно образуют хелатные соединения с фос-фатнь1ми группами в р- и у-положениях АТФ, Си " взаимодействуют с а- и р-фосфатными группами, а Ми , по-видимому, может взаимодействовать со всеми тремя группами. Наиболее эффективными катализаторами ферментативных реакций, как правило, являются ионы Си, Хп, Мн и Са для этих элементов, ио-видимому, общим можно считать наличие вакантных атомных орбит, на к-рые могут внедряться неподе-ленные пары электронов атома кислорода фосфорильной группы. Отмечена следующая закономерность в изменении стабильности металл-хелатных комплексов с АТФ Мд>Са>8г>Ва. Снижение свободной энергии активации на стадии, определяющей скорость реакции, в чем, по существу, и состоит смысл катализа, реализуется двумя путями а) размазыванием [c.254]

Ферментативный катализ обусловлен специфическим связыванием одной или нескольких молекул субстрата на каталитическом центре фермента и химическим взаимодействием с этим центром, которое может непосред-ственно использовать силы связывания для понижения свободной энергии активации катализируемой реакции. Цель настоящего труда — рассмотрение с единых позиций некоторых фактов и принципов, касающихся реакций и взаимодействий в водных растворах и необходимых для понимания механизмов катализа в этом необычном растворителе. Обсуждение будет ограничено главным образом гомогенными ионными реакциями, почти не будет затрагиваться гетерогенный катализ и окислительно-восстановительные реакции. Несмотря на то что в качестве примеров приведены некоторые конкретные ферментативные реакции, главный упор сделан на основные принципы взаимодействия, а не иа частные свойства данного фермента по той я е причине, по которой многие исследователи полагают, что постижение причин заболевания раком скорее всего будет достигнуто в результате исследования механизмов репликации и дифференциации, а не путем изучения самой раковой ткани. Эти принципы сами по себе также интересны для студентов и исследователей, занимающихся механизмадхи и катализом неферментативных реакций в водном растворе. Но весь материал данной монографии имеет в настоящее время прямое отношение к ферментативному катализу. Однако он является частью остова и языка знаний, которые возникли за последние годы в результате накопления новых сведений и развития новых взглядов на механизмы химических реакций и которые, хотя бы частично, должны стать основой для понимания ферментативного катализа в будущем. Перефразируя слова Хиндемита, приведенные в конце его книги Традиционная гармония [1], можно сказать, что усвоение материала данной книги ничего еще не говорит о творческой способности читателя, 1м, с другой стороны, даже одаренный энзимолог, который не владеет этим материалом, вряд ли может считаться законченным специалистом. [c.7]

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]

Таким образом, увеличение длины углеводородной цепи, которое мало сказывается на химической реакционной способности эфиров и должно было бы приводить только к более прочному связыванию, обусловливает увеличение скорости атаки ацильной группы в ферментативной реакции. В терминах теории напряжения [19] это указывает на то, что энергия взаимодействия углеводородной цепи с белком используется для индуцирования напряжения в фермент-субстратном комплексе, как это схематически показано на рис. 6. Предположим, что субстрату с короткой цепью соответствует определенная энергия связывания АР а- Более длинный субстрат должен иметь дополнительную энергию связывания А в за счет гидрофобного взаимодействия углеводородной цепи. Если эта энергия используется для индуцирования напряжения А/ Вд и уменьшения свободной энергии активации, то па такую же величину уменьшится вклад в константу связывания [c.234]

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]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология