Расщепление пептидной и сложноэфирной связи

Без участия фермента в водной среде.

Как сказано в эпиграфе любое химическое превращение определяется прежде всего разрывом определенных химических связей. Молекулярные ножницы разрезают химические связи весьма эффективно и при том «в нужном месте и в нужное время».

Реакция разрыва химической связи в молекуле А — В (не обязательно двухатомной) на части А и В может происходить в жидкой среде, когда молекула сталкивается с молекулами растворителя. Но этот процесс является маловероятным. Сначала поясним это на примерах разрыва пептидной связи (ПС) в белковой молекуле и сложноэфирной связи в молекуле нейромедиатора ацетилхолина (АХ), находящихся в воде при комнатной температуре. Затем рассмотрим, как эффективно “режут” эти связи молекулы-ножницы (гидролитические ферменты).

В процессе пищеварения ПС должны быть разорваны и белковые цепочки расщеплены до аминокислот, которые и попадают в кровь и доставляются с кровотоком ко всем клеткам организма. “Разрезание” сложноэфирной связи в молекуле ацетилхолина с образованием холина и ацетата непрерывно должно происходить в межклеточном пространстве нейронов для поддержания нормального функционирования нервной системы.

Мы выбрали эти типичные и вместе с тем замечательные ферменты потому, что их строение (геометрия) в кристаллическом состоянии хорошо известны. Достаточно хорошо изучены также и химические превращения в фермент-субстратном комплексе (ФСК) внутри активного центра (АЦ) этих ферментов.

Реакция разрыва пептидной связи может происходить в водном растворе белка. Однако, это очень медленный процесс. Он осуществляется по следующей схеме:

Здесь R¹, R² — остатки двух соседних аминокислот фрагмента пептидной цепи, ПС между которыми (показана волнистой чертой) подлежит разрыву. Более подробно эта реакция записывается следующим образом:

ПК

Здесь ПК означает промежуточный комплекс. Такой ПК образуется с участием ионов гидроксила , которые всегда присутствуют в воде и роль которых сводится к “разрыхлению” двойной связи атомов С и О. Иными словами, ион должен подойти к субстрату и временно адсорбироваться в “нужном месте”. Заметим, что описание этого процесса является особой задачей молекулярной динамики.

Реакция гидролиза АХ с образованием холина (ХОН) и ацетата происходит по подобной схеме:

или

. (1.18b)

Заметим, что АХ и продукты его гидролиза Х и А являются ионами.

Пользуясь выражением для скорости разрыва связи (или образования продукта Р), напишем общую формулу:

. (1.19)

Здесь Е — энергия разрываемой связи, [Р] и [OH^-] — концентрации продукта и гидроксила. Фактор 1/n, называемый “энтропийным”, является вероятностью того, что атака и сорбция [OH^-] произошла “в нужном месте”. Фактор k_бT/h определяет среднее число тепловых флуктуаций на разрываемой связи, а m₀ зависит от времени сорбции [OH^-].

Положим

,

где DS=-k_б ln n.

Тогда “абсолютная скорость” запишется в виде:

. (1.20)

Здесь F=E-TDS — свободная энергия разрыва связи.

Сделаем некоторые оценки. Пусть T=300 K, kT=0,6 ккал = 0,025 эВ = =4 10^-13 эрг. Тогда k_б T/h=4 10¹³ Гц. Если положить m₀ ~1, то из (1.19) и (1.20) видно, что основной вклад в скорости процессов вносят экспоненциальные множители. Напомним, что для химической связи Е ~100 k_б T!

Рассмотрим следующую таблицу, показывающую, как зависит K_абс от величины F:

			Примечания
0,4	10-7	106	Это очень высокая скорость
0,8	10-14	10-1	Так бывает с участием фермента
1,2	10-21	10-8	Так может быть без участия фермента, в воде

Что бывает, если вместо [OH^-] в качестве катализатора выступает фермент? Его роль сводится прежде всего: 1) к изменению энтропийного фактора 1 /n=exp (T D S/k_бT); 2) понижению энергетического барьера D Е. При этом для разрыва связи кроме энергии тепловых флуктуаций и энергии сорбции не требуется какого-либо другого источника энергии.

Иногда говорят, что большая и сложная молекула фермента представляет собой “структурированный растворитель” для субстрата, который может образовать с молекулой субстрата фермент-субстратный комплекс. Вспоминая слова эпиграфа, можно сказать, что молекула А — В попадает в специально организованное силовое поле и фиксируется в нем. При этом параметры потенциального рельефа все время флуктуируют. Отдельные заряженные колеблющиеся атомы или группы атомов АЦ фермента играют роль гидроксильной группы, которая работает в водном растворе. Потенциальный рельеф в кармане АЦ организован специальным образом: в образовавшемся ФСК величины Е (и D F) снижаются. Атаки разрываемой связи заряженными группами происходят не беспорядочно, как в воде со стороны ОН^-, а по фиксированным направлениям.

Ниже приводиться разбор физических основ последовательных этапов работы молекулярных ножниц на примере АХТ.

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: