ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ РЕЛЬЕФЫ В АЦ АХТ

и с помощью туннелирования (квантово-механические эффекты) [ROMANOVSKY, CHIKISHEV & KHURGIN, 1988; РОМАНОВСКИЙ, ХУРГИН, ЧИКИШЕВ 1997]. При этом параметры потенциального рельефа и, в частности, энергетического барьера между ямами будут флуктуировать вместе с колебаниями кластеров, к которым привязаны атомы О и N, и неизменяемой части субстрата в активном центре. Так как потенциальный барьер для перехода протона в предположении “линейной” водородной связи очень велик (более 40 ккал/моль), то непосредственный перенос протона мало вероятен. Поэтому важно рассмотреть альтернативный путь, связанный с появлением в потенциальном рельефе третьего минимума, возникающего из-за влияния субстрата [ХУРГИН, БУРШТЕЙН, 1974; НЕТРЕБКО и др., 1994; EBELING et al., 1994; НЕТРЕБКО и др.,1996]. Заметим, что в биофизике мембран также возникают задачи о переходе протонов в цепочке разделенных барьерами энергетических ям. Такой процесс носит солитонный характер [МАНЕВИЧ и др., 1994]. Мы еще остановимся на этом, рассматривая замечательный молекулярный мотор-генератор АТФазу.

ПОСЛЕДУЮЩИЕ ЭТАПЫ В ЦИКЛЕ РАБОТЫ МОЛЕКУЛЯРНЫХ НОЖНИЦ

Итак, ферментативный акт или цикл работы молекулярных ножниц слагается из нескольких последовательных стадий.

1) Молекула субстрата диффундирует в карман АЦ. При этом, как правило, молекула фермента создает электростатическое поле, которое «затягивает» субстрат». Субстрат либо имеет электрический заряд, либо является диполем.

2) Молекула субстрата закрепляется в кармане АЦ, часто, как в случае АХТ с помощью водородных связей.

3) Субстрат меняет статические электрические поля в АЦ и может стимулировать процесс переноса протона от атома О к атому азота (см. рис……)

4) Атом О приобретает отрицательный заряд и становиться активным ионом, расположенным вблизи атакуемой ПС.

5) В результате О^- «разрыхляет» электронное облако, определяющее валентную. связь C-N. Этому же способствует флюктуационные тепловые сближения О^- и ПС. Эти процессы существенно снижают энергетический барьер валентной связи.

6) При этом тепловые флюктуации уже могут разорвать эту ослабевшую связь.

7) Последний этап – выход продуктов реакции из кармана АЦ.

Аналогичные этапы можно усмотреть и в работе другого гидролитического фермента – АХЭ.

Заметим, что, если диффузионные этапы можно описать методами классической молекулярной динамики, то процессы внутри кармана АЦ приходиться рассматривать методами квантовой механики.

С другой стороны, модель каждого этапа для разных ферментов будет иметь свои особенности и будет представлять самостоятельный интерес для стохастической молекулярной динамики.

Рассмотрим примерные модели осуществления этих этапов в следующей последовательности. Проблемы «входа» молекул субстрата в карман АЦ и «выхода» молекул продуктов из него обсудим на примере ацетилхолинэстеразы.(АХЭ) (см. главу 6 в [1] и главу 7 в [2]). События внутри АЦ молекулярных ножниц рассмотрим на примере альфахимотрипсина (АХТ). (глава 7 в [1] и глава 8 в [2], [Shuv], [Karg]).

Но сначала мы представим общую «качественную» модель АХЭ.

Роль ацетилхолинэстеразы в процессе синаптической передачи

Введение

Для иллюстрации возможных приложений рассмотренных выше задач мы выбрали проблему взаимодействия гидролитического фермента ацетилхолинэстеразы (АХЭ) с ее субстратами по ряду причин. Во-первых, АХЭ играет первостепенную роль в процессе синаптической передачи нервных импульсов. Во-вторых, на ее примере видно, какие сложные и разнообразные задачи броуновского движения здесь приходится ставить и решать для понимания ее функционирования как молекулярной машины.

Фермент АХЭ, также как a-ХТ, является сериновой гидролазой. Он катализирует быстрый разрыв сложно-эфирной связи в молекуле нейромедиатора ацетилхолина (АХ). Если без a-ХТ невозможны процессы пищеварения, то без АХЭ невозможна синаптическая (химическая) передача электрического возбуждения от одного нейрона к другому или от нервных окончаний к мышечным волокнам.

Рассмотрим кратко процесс синаптической передачи. Синапс есть функциональный межмембранный контакт двух возбудимых клеток. В соответствии с механизмом передачи импульса от нейрона к нейрону синапсы делятся на химические, электрические и смешанные. Химические синапсы составляют большую часть синаптического аппарата центральной нервной системы высших животных и человека. Нервно-мышечная передача осуществляется посредством только химических синапсов.

Синапсы состоят из трех основных элементов: пресинаптической мембраны, постсинаптической мембраны и синаптической щели (рис. 6.1). Пресинаптической называется мембрана, покрывающая нервное окончание, которое представляет собой своеобразный нейросекреторный аппарат. Здесь содержится и выделяется медиатор, оказывающий возбуждающее или тормозящее воздействие на раздражаемую клетку. В межнейронных синапсах медиатором может служить ацетилхолин (АХ), адреналин, норадреналин, дофамин и некоторые другие вещества. В скелетных мышцах человека, как и всех позвоночных, роль медиатора играет АХ.

В пресинаптических окончаниях медиатор АХ содержится в "пузырьках" диаметром около 50 нм. При достижении распространяющегося потенциала действия области пресинаптического окончания АХ освобождается из "пузырьков" и выходит в синаптическую щель. При этом осуществляется принцип: один нервный импульс обеспечивает выход ограниченной порции молекул АХ. Напомним, что импульсы следуют с периодом порядка 1мс. Ширина щели составляет примерно 50 нм. Медиатор быстро диффундирует через щель, воздействуя на мембрану раздражаемой клетки. Та часть мембраны этой клетки, которая непосредственно граничит с нервным окончанием, называется постсинаптической. На постсинаптической мембране расположены ацетилхолиновые рецепторы, отвечающие на действие АХ изменением проницаемости для ионов и , что приводит к генерации потенциала действия в постсинаптическом мышечном волокне или в теле другого нейрона.

Рис. 6.1. Схема передачи нервного импульса в химическом синапсе.

1 - окончание пресинаптического нейрона; 2 - постсинаптический нейрон;

3 - пресинаптическая мембрана; 4 - постсинаптическая мембрана;

5 - синаптическая щель; 6 - пузырьки, содержащие нейромедиатор;

7 - высвобождаемый нейромедиатор; 8 - ацетилхолиновые рецепторы;

9 - фермент ацетилхолинэстераза.

Установлено, что на постсинаптической мембране в больших концентрациях присутствует фермент АХЭ, способный расщеплять АХ на ацетат (А) и холин (Х). Он является одной из разновидностей молекулярных ножниц, о которых мы говорили ранее. Значение этого процесса становится ясным, если учесть, что в естественных условиях к постсинаптической клетке поступают быстро следующие друг за другом нервные импульсы, и постсинаптическая мембрана, деполяризованная предшествующей порцией АХ, становится малочувствительной к действию следующей порции. Чтобы идущие друг за другом нервные импульсы могли осуществлять нормальное возбуждающее действие, необходимо к моменту прихода каждого из них "убрать" предшествующую порцию медиатора. Эту функцию и выполняет АХЭ.

Существует ряд фармакологических агентов, обладающих способностью резко угнетать активность АХЭ. Их называют ингибиторами. Они используются для устранения мышечного расслабления при наркозе, а также при заболеваниях типа миастении. С другой стороны, известны отравления людей инсектицидами на основе этих ингибиторов. При этих отравлениях возникают судороги ¾ результат пролонгированной активации ацетилхолинергетических синапсов, особенно в вегетативной нервной системе. Большинство отравляющих веществ направляют свое действие на АХЭ.

Таким образом, изучение механизма работы данной молекулярной машины представляет собой важную задачу с точки зрения медицины и полезно для понимания общих принципов ферментативного катализа.

На сегодняшний день в Интернете содержится около 20000 статей, посвященных АХЭ.

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

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

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

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...

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