илирования природного субстрата— глюкозо-1-фосфата. Наконец, ряд ациклических монофосфо-диолов, у которых между гидроксидной и фосфорнльной группами находятся еще четыре атома, фосфорилируется ферментом со скоростями в 105—107 раз большими, чем скорость фосфорилирования воды. Таким образом, связывание соединений, обладающих соответствующими структурами, с фосфатным и сахарным участками активного центра приводит к значительному снижению энергии активации реакций фосфорилирования, осуществляемых фосфоглюкомутазой. Данные табл. 9.2 убедительно свидетельствуют в пользу представления о том, что сильные взаимодействия, обусловливающие связывание субстрата с активным центром, влияют

•288

II. КАТАЛИЗ

также на характер химических процессов, что приводит к чрезвычайно большому ускорению превращения субстрата.

Имея в виду изложенные выше представления, можно перейти теперь к рассмотрению различных механизмов, которые, как полагают, обеспечивают увеличение скоростей реакций, катализируемых ферментами; эти механизмы учитывают энергию взаимодействия фермента с субстратом, проявляющуюся в субстратной специфичности фермента.

S.2.2. Индуцированное соответствие и ферментативный катализ

Предполагается, что многие ферменты в отсутствие субстратов находятся в неактивном состоянии и что функциональные группы их активных центров не ориентированы в пространстве надлежащим образом для взаимодействия с комплементарными .группами субстрата. Однако при связывании специфического субстрата происходит такое конформационное изменение фермента н, следовательно, его активного центра, в результате которого соответствующие R-группы центра занимают необходимое для взаимодействия с субстратом положение; это обеспечивает осуществление каталитического процесса. Такие индуцированные субстратом конформационные изменения называют индуцированным со-ютветствием; его иллюстрирует схема, приведенная на рис. 8.8. .Убедительные данные, свидетельствующие о конформационных изменениях при связывании субстрата, основаны главным образом гна сравнении структур фермента, полученных методом реитгеноструктурного анализа, в присутствии и в отсутствие ингибиторов. В качестве примера можно указать на соответствующие данные для карбоксипептидазы (разд. 9.3.4) и лизоцима (разд. 9.3.3). Кроме того, ряд свойств ферментов, находяшихся в растворенном ¦состоянии, указывает на различие их конформации в присутствии ¦и в отсутствие субстратов. Например, некоторые ферменты в присутствии субстратов утрачивают способность взаимодействовать со специфическими антителами; многие ферменты в присутствии ¦специфических субстратов оказываются более стабильными в отношении тепловой денатурации, у них изменяются показатели оптического вращения, они перестают диссоциировать на субъедини-ды; у некоторых ферментов изменяются седиментационные характеристики. Принято считать, что в результате индуцированного соответствия может увеличиваться скорость некоторых ферментативных реакций; однако обусловленное этим механизмом увеличение скорости, вероятно, относительно невелико по сравнению с соответствующими эффектами, обусловленными другими механизмами.

9. ФЕРМЕНТЫ. II

289

9.2.3. Эффект приближения

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 мономолекулярную внутримолекулярную реакцию. Для этого эффекта предложен ряд названий (ориентация, близость, сближение, орбитальное взаимодействие и др.); в данном разделе используется термин приближение.

Эффект приближения весьма убедительно иллюстрируют модельные интрамолекулярные реакции, в которых отчетливо проявляется влияние структуры соединений на скорости реакций. В табл. 9.3 приведены структуры ?-бромфениловых эфиров янтарной и глутаровой кислот (в форме карбоксилат-иоиов) и относительные скорости их гидролиза (в сопоставлении со скоростью бимолекулярной катализируемой ацетатом реакции гидролиза

Таблица 9.3

Структуры и относительные скорости гидролиза анионов монофениловых эфиров дикарбоновых кислот3

Структура

Относительная скорость гиЗролмаа

Структура6

Относительная скорость гидролиза

СН,СОО + CH^COOR 1,0

COOR -1 10<

соо-

COOR

соо-

COOR

соо-

3 ¦ 1018 1,3 ¦ 10"

—2,2 ¦ 10'

COOR

соо-

О

1 ¦ 107

10'

COOR

Bruice Т. С. Ann. Rev Biochem.. 45, 331. 1976. R=n-Br—СсН,—. Скорость зависит от R'

19—1148

?90

II. КАТАЛИЗ

я-бромфеннлаиетата). Каждый из эфиров гидролизуется в результате внутримолекулярной нуклеофильной атаки соседним карбоксплатным ионом согласно следующей реакции:

о о о

-С—OR ^-CN ^C—OH

о о о

В случае эфиров с более «жесткой» структурой увеличивается вероятность необходимой ориентации и эффективного приближения атакующей карбоксилатной группы к эфирной связи, поэтому они расщепляются быстрее, чем соединения с большей свободой вращения (с менее «жесткой» структурой). У многих нз приведенных соединений связи оказываются напряженными, и их можно рассматривать как пружины, упругость которых несколько изменяется в переходном состоянии. На основании приведенных данных было рассчитано, что эффективные концентрации кар-боксилатных групп около эфирных групп могут достигать очень высоких значений (105—108 моль/л). Это физически нереальные концентрации; однако с их помощью можно проиллюстрировать преимущества внутримолекулярных реакций по сравнению с межмолекулярными и возможности значительного ускорения процесса в активном центре в результате приближения реагирующих групп. По имеющимся оценкам, в результате эффекта приближения реакция может ускоряться в 108 раз; учитывая также ускорения, обеспечиваемые другими механизмами, можно объяснить те высокие скорости, которые наблюдаются в случае ферментативных реакций.

9.2.4. Дестабилизация

Согласно относительно старой гипотезе о механизме ферментативного катализа, в субстрате при взаимодействии с поверхностью фермента индуцируется напряжение (деформация или дестабилизация) разрываемой связи; при этом предполагается, что в промежуточном соединении или комплексе разрываемая связь оказывается менее стабильной, чем в исходном субстрате. Эффект напряжения можно проиллюстрировать путем сопоставления скоростей катализируемого основанием гидролиза этилен-

9. ФЕРМЕНТЫ. II

291

фосфата и диметилфосфата; первое соединение гидролизуется в 107 раз быстрее, чем второе.

з

? н

НС—сн сн3 сн

II I

V

этиленфосфат биметилфосфат

Гипотеза напряжения представляется весьма вероятной в случае ферментативного катализа. Интересным примером может служить действие эстеразы печени лошади. При изучении гидролиза серии эфиров ж-оксибензойной кислоты

соон

обнаружено, что увеличение длины цепи R почти не влияет на Km, в то время как Vmax увеличивается на несколько порядков. Поскольку гидролизуемая связь остается одной и той же, по-видимому, увеличение энергии связывания в случае длинноцепочеч-ных эфиров уменьшает энергию активации реакции, т. е. энергия связывания углеводородного фрагмента индуцирует напряжение в зоне гидролизуемой связи. Известны и другие случаи дестабилизации субстрата при взаимодействии с ферментом; одним из наиболее интересных примеров является связывание субстратов ли-зоцнмом (разд. 9.3.3).

Дестабилизация может происходить также при десольватиро-вании заряженного субстрата; перенос субстрата из водной среды в относительно гидрофобную среду активного центра может способствовать значительному увеличению скорости. В качестве модельной реакции, иллюстрирующей влияние десольватирования, можно привести декарбоксилирование аддукта пирувата с аналогом тиамннпнрофосфата (гл. 12), протекающее следующим путем:

-О.

ОН I

-с— I

сн,

сн, I "

СН,

о

СН3 QH V

с+ о

сн.

о

сн,

щ

19*

292

II. КАТАЛИЗ

Аддукт I медленно декарбоксилнруется в воде; однако в этаноле декарбоксилирование происходит в 104—105 раз быстрее (освобождаются СОг и III). В диметилсульфокснде декарбоксилирование происходит еще быстрее; при внесении I в этот растворитель наблюдается даже вспенивание раствора. Полагают, что увеличение скорости декарбоксилирования является результатом делока-лизацни заряда в структуре II (предполагаемое переходное состояние) по сравнению с аддуктом I. Имеются данные о том, что такого рода механизм увеличения скорости может осуществляться при функционировании пируватдекарбоксилазы (гл. 14), поскольку связанный с ферментом тиаминпирофосфат (кофактор) локализован, по-видимому, в относительно гидрофобной области фермента.

9.2.5. Согласованный общий кислотно-основный катализ

В органической химии известно много реакций, катализируемых кислотами или основаниями. Так, например, образование полуаце-галей катализируется либо кислотами, либо основаниями.

СН3 СНз РН

с=о + сн3он ^ с' н н \>сн3

ацетальдегиЭ метанол полуацеталь

Основание ОН- ускоряет образование полуацеталя следующим путем:

СН3—ОН + ОН" CH3O- + н2о

СН3 /ОСН3 =± С

нх V

СН3 ОСН3 СН3 /ОСНз

с + н2о^ с +ОН-н о- н он

В ходе кислотного катализа происходит образование оксониевой соли, которая реагирует далее со спиртсм:

СН3 ОСН3

X + н+

? ОН

9. ферменты, ii 293

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что многие группы в активных центрах ферментов могут функционировать как общие кислотные или общие основные катализаторы и тем самым вносить вклад в увеличение скорости процесса. Особенно эффективным является согласованный общий кислотно-основной катализ; модельной реакцией, иллюстрирующей этот тип катализа, является мутаротация (разд. 2.2.2) тетраметилглюкозы:

2,3,4,6-0 - гпеглраме