КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ, 2007, том 48, № 4, с. 499-509
МЕХАНИЗМЫ КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
УДК 542.97:57715
ФИЗИЧЕСКАЯ И СТРУКТУРНАЯ ХИМИЯ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД: ОТ ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ
ДО ЭЛЕМЕНТАРНОГО АКТА
© 2007 г. С. Д. Варфоломеев
Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова E-mail: sdvarf@sky.chph.ras.ru Поступила в редакцию 01.11.2006 г.
Анализируется современное состояние исследований в области катализа ферментами с точки зрения физической и структурной химии. Рассмотрены основные химико-кинетические и структурные подходы, позволяющие получить детализированную картину элементарных процессов в многостадийных каталитических циклах трансформации молекул в активных центрах ферментов. Продемонстрировано, что знание последовательности аминокислот в белке достаточно для построения третичной структуры и выявления каталитических групп и молекулярного механизма катализа. Этот подход обеспечен высокоэффективными методами, основанными на информационных и вычислительных технологиях. Анализируются архитектура активных центров ферментов, геометрические инварианты и наблюдаемые характерные расстояния и углы каталитических групп в активном центре. Рассмотрена методология "шаблонов", позволяющая идентифицировать каталитические центры в трехмерной структуре белка. На примере "компьютерного мутагенеза" анализируются возможности молекулярной механики в изучении активных центров ферментов. Рассмотрены возможности квантово-химических расчетов элементарных актов каталитического цикла как физического базиса, обеспечивающего понимание механизмов катализа и природы эффективности и специфичности ферментов.
С момента обнаружения петербуржским естествоиспытателем К.С. Кирхгофом в 1814 г. явления ускорения химической реакции под действием биологической субстанции прошло почти 200 лет. За это время биологический (ферментативный) катализ прошел большой путь эволюции представлений о природе этого явления и в настоящее время составляет область, глубоко понимаемую с фундаментальной точки зрения и находящую широкое применение в различных сферах человеческой деятельности.
Феномен ускорения биологическими молекулами химических реакций интересовал практически всех великих химиков XIX столетия. Один из основателей современной химии, родоначальник катализа Я. Берцелиус в 1836 г. писал: "В живых растениях и животных протекают тысячи каталитических процессов между тканями и жидкостями, осуществляя большое количество различных химических синтезов из одного исходного материала" [1, 2].
Основоположник базисных представлений о катализе Вильгельм Оствальд классифицировал все наблюдаемые явления ускорения химических реакций под действием "третьего тела" как гомогенный, гетерогенный катализ, действие "зародышей", ферментативный катализ. При этом с
самого начала исследований было ясно, что ферментативный катализ обладает рядом абсолютно выдающихся свойств:
1) Как правило, катализ ферментами в 10121015 раз более эффективен по сравнению с "классическими" химическими катализаторами, например, ионами водорода.
2) Белковые молекулы - материальные носители ферментативной активности - способны "узнавать" молекулы реагентов и селективно проводить реакции с молекулами определенной структуры. Последнее свойство является абсолютно важным в биологических системах, поскольку оно обеспечивает направленный поток химических изменений в сложных многокомпонентных биологических смесях веществ.
Исторический прорыв в понимании ферментативного катализа и развитии многообразных применений ферментов произошел в течение последних 20-30 лет. Существующие достижения определяются колоссальным объемом современной информации о структуре белков, прогрессом в области исследования кинетики и механизмов реакций, катализируемых ферментами, созданием методов, позволяющих манипулировать структурой белка на основе модификации его гена, использованием современных компьютерных информационных и
499
2*
вычислительных методов. Последнее следует подчеркнуть. Создание, развитие и активное применение методов хранения и обработки больших объемов информации, появление возможности проведения вычислительных операций в больших объемах и с высокими скоростями обусловили успех этой области науки и техники.
Детальное исследование ферментов и их применение обеспечили возникновение, становление, развитие и успех целых областей современного естествознания. Фермент - точный и высокоэффективный инструмент в проведении сложных реакций, требующих точности в расщеплении и синтезе определенных химических связей. Генетическая инженерия, обеспечившая возможности направленной генетической модификации организмов и получения белков с полезными свойствами в необходимых количествах, базируется на способности ферментов селективно гидролизовать определенные связи в молекулах нуклеиновых кислот и, при необходимости, синтезировать фосфоди-эфирные связи и сращивать отдельные цепи ДНК или РНК.
Революцию в молекулярной биологии, генетической инженерии и геномике, в медицинском анализе и медицинской генетике сделало открытие, исследование и применение термостабильных ДНК-полимераз. Способность этого класса ферментов синтезировать комплементарную цепь ДНК позволила провести "размножение" отдельных участков ДНК в пробирке, выделить отдельные участки информационной молекулы и изолировать ген того или иного белка.
Ферменты составили основу многих современных технологических процессов. Крупномасштабное получение пищевых углеводов, синтез многих антибиотиков, тонкий органический синтез многих лекарственных препаратов, получение полимеров и биотоплив в настоящее время невозможно представить без использования ферментов. Сфера применения ферментов непрерывно расширяется по мере получения новой информации об их свойствах и новых возможностях их синтеза в достаточных количествах. Следует подчеркнуть, что за последнее время большое развитие получили методы создания новых молекул белков с нужными свойствами. При этом разнообразие новых белков и их возможности далеко выходят за рамки, обеспеченные природой.
В настоящее время наши знания о молекулярной природе ферментативного катализа приобретают системный характер: знание первичной структуры (последовательности аминокислот в полипептидной цепи) обеспечивает возможности построения трехмерной структуры с атомарным разрешением. В свою очередь, это дает молекулярную картину активных центров ферментов, что при знании кинетики реакции выводит исследователя на
квантово-химические расчеты элементарных актов катализа. В данной работе на некоторых примерах иллюстрируются принципы этого подхода.
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА
И СТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ -ОСНОВА СОЗДАНИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МЕХАНИЗМАХ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА
Значительный прогресс в настоящее время достигнут в понимании механизмов функционирования ферментов. Планомерное и разностороннее исследование ферментов позволило обеспечить системный подход к изучению этого природного феномена.
Современные представления о механизме действия ферментов базируются на двух принципиально важных базисных исследованиях:
1) Исследование кинетических схем процесса с идентификацией точек ввода в каталитический цикл субстратов, детекцией и определением химической природы лабильных промежуточных соединений, анализом различных состояний активного центра.
2) Изучение структуры ферментов и их активных центров.
Создание экспериментально обоснованных представлений о механизмах катализа строится на использовании структурных данных и изучении кинетики реакций с идентификацией промежуточных соединений, принимающих участие в механизме процесса. Формально-кинетический анализ реакций, катализируемых ферментами, - предмет интенсивных исследований, проводимых в течение последних десятилетий. Базовые принципы анализа и основные результаты представлены в ряде монографий, учебников и учебных пособий [3-7]. Результатом данной работы является подробный анализ различных кинетических схем, связывающих скорости реакций с концентрациями участников каталитического процесса (субстратов, активных центров, интермедиатов), а также описание развития каталитического процесса во времени. В большинстве случаев, при изучении как стационарных, так и нестационарных процессов существенными факторами, упрощающими анализ, являются структурно-гомогенный характер активного центра фермента и линейность по концентрации фермента основных уравнений, описывающих элементарные стадии каталитического процесса. Это существенно упрощает формально-кинетическое описание реакции и делает возможным адекватное сопоставление теоретических уравнений с экспериментальными данными.
Основной вывод формально-кинетического анализа заключается в том, что каталитический цикл действия фермента представляет собой многосту-
пенчатый химический и физический процесс с участием большого набора лабильных промежуточных соединений, включающих как химические интермедиаты, так и конформеры каталитических групп, субстратов и интермедиатов. Формально-кинетическое исследование различных кинетических схем и соответствующее экспериментальное изучение как в стационарном, так и в нестационарном режимах позволили получать подробную информацию о числе и природе интермедиатов, характеристики кинетических процессов их образования и трансформации [8].
В качестве примеров задач, которые расширили возможности кинетического подхода, можно привести исследования многосубстратных многостадийных процессов на примере трансформации полиненасыщенных жирных кислот в простаглан-дины с учетом инактивации фермента в процессе реакции [9-11], исследования механизмов включения дополнительного нуклеофила в гидролазные реакции, что позволило перевести гидролитический процесс в синтетазный [12-14]. Непрерывно расширяются теоретические и экспериментальные методы кинетического анализа. Обнаружение феномена биоэлектрокатализа [15] - явления ускорения окислительно-восстановительными ферментами электрохимических реакций при непосредственном "электрическом" контакте между прово
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.