Ферментативный катализ

Итак, в естественном отборе выживают матричные полимерные макромолекулы, способные к более быстрому результирующему конвариантному воспроизведению. В этом состоит кинетический принцип, критерий естественного отбора. Как подчеркивалось выше, кинетическое совершенство — сложное понятие, и на степень такого совершенства влияет не только скорость матричного воспроизведения, но и скорость синтезов мономеров, а также кинетические («барьерные») механизмы сохранения уже синтезированных макромолекул, кинетические механизмы осуществления реакций, обеспечивающих энергией «противотермодинамиче-ский» ход биологической эволюции.
Все аспекты кинетического совершенствования в ходе эволюции определяются эволюционным совершенствованием белков, полипептидов, т. е. полимеров, состоящих из достаточно разнообразных в химическом отношении мономеров (аминокислот).
Та или иная биохимическая реакция достигает в ходе эволюции необходимой скорости, целесообразно (в соответствии с нуждами данного этапа существования) регулируемой различными факторами, только при эволюционном совершенствовании соответствующего фермента.
Следовательно, эволюция аппарата матричного воспроизведения, процессов энергетического обеспечения (фотосинтез, гликолиз) и аппарата синтеза белка — есть эволюция ферментов.
Рассмотрим поэтому, пользуясь, как и раньше, методом анализа предельно совершенного этапа эволюции, общие свойства ферментов. При этом мы будем иметь в виду множество книг и обзоров, посвященных частным и общим вопросам ферментативного катализа. Наш эволюционно-дедуктивный подход может способствовать выявлению нерешенных вопросов.
Для этого сформулируем эволюционные задачи, из которых следует необходимость высоко совершенных ферментов; учтем физические и химические свойства материалов, образующие биологические системы; попробуем представить себе, что получилось бы при неограниченно большом времени совершенствования ферментов, и, наконец, сравним полученную нами картину с действительной.
Эволюционные задачи мы уже неоднократно формулировали. Кратко их можно определить так: достижение предельно возможного биологического (кинетического) совершенства. В качестве материала, подлежащего эволюционному совершенствованию, мы уже выбрали полипептиды. Итак, необходимы белковые катализаторы, способные катализировать множество различных химических процессов и изменять свою каталитическую активность при взаимодействии с веществами-регуляторами, причем по принятому условию обе эти способности должны быть предельно совершенными. Все менее совершенные считаются погибшими в ходе эволюции.
Уточним сначала смысл основных понятий. Что значит «катализировать»? Меня не смушают при постановке этого наивного вопроса великие имена Я. Берцелиуса или В. Оствальда. Вовсе не лишнее раз в 50—100 лет возвращаться к таким вопросам. Катализ — это ускорение одной из в принципе многих возможных реакций, в которых опять же в принципе способны участвовать реагенты. В закрытых системах катализатор ускоряет как прямую, так и обратную реакции. В открытых системах катализатор определяет направление превращения веществ, которые в отсутствие катализатора вообще могут не взаимодействовать друг с другом с заметной скоростью. В этих системах катализатор может ускорять превращение лишь в одну сторону. Такая роль катализаторов следует из концепции маршрутов реакций Хориути и М. И. Темкина. Вещество А может превратиться через целый ряд промежуточных реакций в вещество X — термодинамически наиболее стабильный конечный продукт. В достаточно сложной системе, содержащей множество различных веществ, превращение А в X может идти множеством путей— маршрутов. В принципе, только один маршрут «самый быстрый». Однако высокая итоговая скорость прохождения по маршруту отнюдь не обязательно означает высокую скорость на всех этапах пути. Вполне вероятно медленное, затрудненное прохождение по начальным этапам маршрута, оказывающегося в конце концов самым быстрым. Для некатализируемых реакций верен принцип Хиншелвуда, а именно, спонтанное прохождение их в конечном итоге по самому быстрому маршруту. Однако принцип Хиншелвуда отнюдь не обеспечивает высокой скорости реакции, не гарантирует самого быстрого из вообше возможных маршрутов (имеется в виду система без катализатора). Внесение в систему катализатора увеличивает разнообразие возможных маршрутов, среди которых оказывается и наиболее быстрый. На самом же деле, задачи ферментов и сложнее — речь идет не только об ускорении превращения А в X, но и о накоплении определенного промежуточного продукта Р. Такой продукт не обязательно «лежит» на самом быстром маршруте. Следовательно, катализатор — вещество, так изменяющее возможные маршруты реакций, что среди них оказывается маршрут, проходимый быстрее всех, возможных в отсутствие катализатора. А дальше работает, по существу, статистический принцип Хиншелвуда. Такое понимание роли катализаторов означает, что если бы и в отсутствие катализатора можно было обеспечить маршрут реакций, идентичный самому быстрому в его присутствии, то мы полностью имитировали бы каталитический процесс. Система реакций, в которых осуществляется наиболее быстрый маршрут, называется конгруентной. В соответствии с таким представлением о катализаторе последний лишь обеспечивает необходимый набор конгруентных промежуточных реакций.







Материалы

Яндекс.Метрика