Стадии комплексообразования субстратов с активными центрами ферментов

В настоящее время при использовании методов нестационарной кинетики [270-279] были непосредственно измерены константы скорости процессов образования промежуточных соединений для большого числа ферментативных систем. Эти данные в табличной форме собраны в работе [254].

Результаты статистического анализа констант образования (k₁) и обратного распада (k_-1) фермент-субстратных комплексов приведены на рис. 10 и рис. 11 соответственно. "Типичная" константа скорости образования фермент-субстратного комплекса равна 10⁷ М^-1⋅с^-1. Это в 10³ раз ниже константы скорости диффузионно-контролируемого процесса. Анализ диффузионно-контролируемых стадий в ферментативных реакциях дан в работах [265, 266].

Бимолекулярые стадии ферментативных реакций, величины константы скорости которых лежат в диапазоне 10¹⁰-10⁸ М^-1⋅с^-1, попадают в разряд реакций, контролируемых диффузией реагентов в растворе. Как видно из рис. 11, в большинстве случаев константы скорости образования фермент-субстратных комплексов существенно ниже этого предела. В ряде случаев наблюдается высокая чувствительность этой константы скорости к структуре органического лиганда.

Так, введение в аспарагиновую кислоту метильной группы почти в 10⁴ раза уменьшает константу скорости комплексообразования этого субстрата с активным центром аспартатаминотрансферазы [279]. При переходе от профлавина к родамину 6G процесс комплексообразования лиганда с активным центром химотрипсина замедляется почти в 10⁶ раза, в то время как константа равновесия изменяется лишь в 2-4 раза [280]. Интересно отметить, что аналогичный эффект резкого изменения константы скорости образования молекулярных комплексов при изменении структуры лиганда был найден при исследовании модельной системы взаимодействия некоторых азокрасителей с циклодекстранами [281]. При замещении 3′водорода в 4-оксифенилазо-1-нафталин-4-сульфоне на этильную группу константа скорости комплексообразования уменьшается более чем в 10³ раз при сохранении неизменной константы равновесия процесса. Такого рода соединения представляют собой молекулярные комплексы "включения".

Эффекты существенного уменьшения константы скорости образования фермент-субстратного молекулярного комплекса по сравнению с диффузионно-контролируемым предельным значением и чувствительности константы скорости комплексообразования к структуре лиганда обсуждаются в работе [280]. Для объяснения этих эффектов предложено два принципиально различающихся механизма.

А. Первый механизм предполагает наличие "жесткой" конформации связывающего центра, находящегося на поверхности белковой глобулы. В этом случае малое значение константы скорости следует объяснить высокими стерическими затруднениями при образовании комплекса со сложно организованной структурой активного центра. Необходимость высокой ориентации лиганда при образовании комплекса должна приводить к малому значению предэкспоненциального множителя в выражении для константы скорости процесса. Что касается энергии активации, то ее значение должно быть мало, как и для всех процессов, контролируемых диффузий.

Б. Альтернативный механизм комплексообразования более сложен. Он исходит из модели активного центра, расположенного внутри белковой глобулы. Возможность достижения субстратом или эффектором комплексующего центра связана с конформационными изменениями активного центра в переходном состоянии комплексообразования. Образовавшийся комплекс представляет собой фактически соединение "включения". Известно, что конформационные изменения в белках характеризуются, как правило, значительными изменениями энтальпии [282]. Поэтому следует ожидать, что такому механизму комплексообразования присущи высокие значения энергии активации.

Очевидно, что выбор между альтернативными механизмами можно сделать на основе изучения температурной зависимости кинетики комплексообразования. К сожалению, в литературе практически отсутствуют данные по температурным зависимостям кинетики образования фермент-субстратных и фермент-ингибиторных комплексов. Однако существуют примеры, показывающие, что механизм комплексообразования, обладающий характерными чертами механизма "включения", возможен. Так, энергия активации комплексообразования родамина 6G с активным центром химотрипсина равна 17±1 ккал/моль [280], в то время как энергия активации процессов, контролируемых диффузией, определяется в основном температурной зависимостью коэффициентов диффузии и не превышает 2-3 ккал/моль. Это свидетельствует в пользу механизма, связывающего энергетический барьер комплексообразования с термодинамически невыгодной конформационной перестройкой активного центра в переходном состоянии образования комплекса.