Cтраница 2
Межмолекулярные взаимодействия заряженных 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. 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 - 10ккал / моль ( - 42 - Ю3 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. [16]
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 ( / Ст 10 - 5 М от тримера до гсксамера, см. табл. 38), но эффективность каталитической деградации коротких олигосахаридов мала. Согласно второй концепции, при переходе от коротких олнгоса-харидов к длинным последние не реализуют потенциальные возможности фермент-субстратных взаимодействий п комплексе Ми-хаэлиса ( что и приводит к их относительно 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 больше 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. [17]
Если мы рассмотрим участок фермента, к которому подходит субстрат, то этот участок является асимметричным и, грубо говоря, соответствующим но своим очертаниям молекуле асим метрического субстрата. Пусть, например, такой уча-етш напоминает собой перчатку для правой рукн. Тогда очевидно, что с ним может вступать во взаимодействие лишь субстрат, похожий на правую руку ( вспомним ключ и замок), а для субстрата с формой левой руки такая возможность исключается. Конечно, в случае фермент-субстратных взаимодействий отношения являются значительно более сложными, до их принципиальный характер вполне отражается в приведенном примере. [18]
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. [19]
Сам по себе субстрат обладает рядом особенностей, по-видимому, не слишком благоприятных для его эффективного связывания. Во-первых, его молекула мала и не обладает развитой стереохимической структурой; поэтому у нее очень мало групп, способных взаимодействовать с поверхностью фермента. Во-вторых, она лишена электрического заряда. А поскольку при фермент-субстратных взаимодействиях заряд играет обычно важную роль, фермент опять-таки ограничен в своих возможностях притянуть к себе молекулу СО2 и удерживать ее у своей поверхности. Действительно, в других реакциях карбоксилирования ( например, в реакциях пируваткарбоксилазы или ацетил - КоА - карбоксилазы) каталитически активным и предпочитаемым субстратом служит не СО2, а НСОГ; по-видимому, заряд молекулы является необходимым добавочным источником энергии для стабилизации фермент-субстратного комплекса. [20]
В том, что структура белков существенно зависит от слабых связей, действительно есть большой смысл. Взаимодействие ферментов с субстратами и с модуляторами ферментов в большинстве случаев, если не всегда, сопровождается изменениями в третичной и четвертичной структуре фермента. С точки зрения стереохимии эти изменения могут быть большими или незначительными; для биологической, функции они абсолютно необходимы. Скорость, с которой фермент катализирует определенную химическую реакцию, вероятно, зависит от того, насколько быстро его конформация может подвергнуться обратимому изменению в результате фермент-субстратных взаимодействий. Надлежащая реакция фермента на присоединение регулирующего метаболита тоже зависит от способности фермента изменять свою структуру высшего порядка. В одних случаях эти изменения затрагивают третичную конформацию фермента, в других ( например, в случае гликогенфосфорилазы) регуляторный эффект связан с изменением четвертичной структуры. [21]