Новости химической науки > Не все ферменты стабилизируют переходное состояние

Исследователи из Великобритании и Испании заявляют, что способ связывания фермента с молекулой субстрата не настолько прост, как считалось ранее – при связывании ферментов с субстратами происходит не столько стабилизация переходного состояния реакции, сколько минимизация барьера активации реакции. Использование этой концепции к разработке новых молекулярных катализаторов может увеличить их эффективность.

Плоское связывание с карбонильными соединениями (слева) обеспечивает наиболее высокую стабилизацию переходного состояния, однако искаженное связывание (справа) приводит к понижению барьера активации. (Рисунок из J. Org. Chem., 2009, DOI:10.1021/jo901503d)

Джонатан Гудман (Jonathan Goodman) из Кембриджа отмечает, что часто люди связывают активность ферментов со стабилизацией ими переходного состояния, которое, стабилизируясь, понижает величину энергетического барьера, что способствует более быстрому протеканию реакции.

Тем не менее, подробный анализ информации по взаимодействию фермент-субстрат, взятой из базы данных о белках [protein databank (PDB)], который Гудман провел совместно с Луисом Симоном (Luis Simón) из Университета Саламанки показал, что конфигурация групп, способных к водородному связыванию в активном центре фермента не способствует максимальной стабилизации переходного состояния, что, по словам Гудмана, выглядит необычно, особенно – в рамках того, что эволюция белков протекает уже сотни миллионов лет.

Оксианионные полые ферменты (oxyanion hole-type enzymes) катализируют реакции присоединения к карбонильным группам. Гудман поясняет, что он ожидал увидеть, что ответственные за образование водородных связей фрагменты в структуре активного центра фермента будут располагаться в той же плоскости, что и карбонильная группа, обеспечивая наиболее эффективную стабилизацию переходного состояния.

Однако исследователи обнаружили, что при образовании комплекса фермент-субстрат расположение доноров водородной связи искажалось, эти группы выходили из плоскости карбонильной группы. Ряд квантово-химических расчетов, проведенных исследователями, показал, что при таком расположении субстрата в активном центре фермента реализуется гораздо менее эффективная стабилизация переходного состояния, чем могла бы быть, что, по словам, Гудмана не позволяет говорить об энергетических факторах, как движущей силе образования комплексов фермента с субстратом.

Гудман и Симон обнаружили, что планарное связывание фермента с карбонильным соединением будет стабилизировать не только переходное состояние, но и субстрат (причем – в большей степени, чем переходное состояние). В свою очередь, это обстоятельство обозначает, что при одновременной стабилизации реагента и переходного состояния реакции приводит к увеличению энергетического барьера и замедлению реакции. Гудман отмечает, что при искаженном связывании субстрата с активным центром фермента и меньшей стабилизации переходного состояния, реагент не стабилизируется вообще, что в результате, понижает общую величину энергетического барьера и ускоряет реакцию.

Эрик Якобсен (Eric Jacobsen), специалист из Гарварда по разработке биомиметических низкомолекулярных катализаторов проявляет глубокий интерес к работе своих коллег, замечая, что ими получены такие результаты, которые сразу не дают возможности усомниться в их истинности.

Гудман добавляет, что результаты его совместного исследования с Симоном позволяют по новому взглянуть на механизм ферментативного катализа, он полагает, что в соответствии с выявленными в его работе принципами, появляется возможность разработки новых низкомолекулярных катализаторов, механизм функционирования которых будет имитировать механизм действия ферментов.

Источник: J. Org. Chem., 2009, DOI:10.1021/jo901503d

метки статьи: #биохимия, #квантовая химия, #кинетика и катализ, #химия поверхности