Свойства субстратов-белков.
Нативная конформация белковых макромолекул «устроена» так, что возникающие в полипептидной цепи флуктуации энергии отводятся по «хребту» главных валентностей на поверхность глобулы и там рассеиваются. Такая канализированная теплопроводность обеспечивает особую устойчивость нативной макромолекулы белка. Протеолитический фермент, атакуя пептидную связь в нативной макромолекуле, должен дожидаться для ее разрыва значительно больших флуктуации энергии, чем для разрыва такой же связи в денатурированной макромолекуле с нарушенной внутримолекулярной теплопроводностью. Существенно легче, быстрее должны разрушаться пептидные связи и в низкомолекулярных пептидах. Этого, как видно из таблицы, нет. Однако эффект резкого ускорения скорости протеолиза после денатурации белков широко известен. На этом эффекте основан метод характеристики степени нативности конформаций макромолекул белков. На этом же, в сущности, основана и кулинарная обработка мяса. Однако, несмотря на огромный исторический опыт человечества в денатурации белков для ускорения их протеолиза, достоверный механизм этого эффекта не выяснен. Принято думать, что ускорение протеолиза после денатурации белков-субстратов вполне объясняется увеличением доступности для ферментов, скрытых в нативном белке пептидных связей, гидролизуемых данной протеазой. Мне не кажется, что такое объяснение вполне обосновано. Необходимы тщательные кинетические исследования.
Более правдоподобно объяснение особой медленности — гидролиза пептидных связей, в том числе и низкомолекулярных пептидов, эволюционными причинами. В эволюции не было необходимым возникновение высокоактивных протеаз, поскольку их активность лимитирована медленностью диффузии их естественных субстратов — белков.
Общая картина функционирования ферментов представляется такой. «Голодные» макромолекулы фермента в растворе без субстратов (или встроенные в какую-либо структуру) подвергаются действию тепловых флуктуации — испытывают случайные изменения конформаций, «щелкают челюстями», т. е. иными словами, в результате анизотропии теплопроводности макромолекул тепловые удары молекул среды по всей поверхности макромолекулы фермента преобразуются в высоко амплитудные конформационные движения ее частей друг относительно друга.
При взаимодействии фермента с молекулами субстрата образуются фермент-субстратные комплексы. Теперь анизотропия теплопроводности макромолекул обусловливает подведение флуктуации энергии в активный центр, где эта энергия тратится на преодоление потенциальных барьеров, препятствующих осуществлению реакций. Преодоление этих барьеров осуществляется за счет высоко амплитудных конформационных движений (колебаний) макромолекулы фермента, которая перекусывает, разгрызает, или наоборот слепляет молекулы субстрата. Реакции могут состоять из многих элементарных стадий. Каждой стадии соответствует своя конформация макромолекулы, свое время ожидания должной по величине флуктуации энергии, свой вид конформационных движений. По завершении всех промежуточных превращений возникает конечный продукт, не образующий достаточно прочного комплекса с ферментом и этот комплекс диссоциирует. Длительность существования так®ге фермент-субстратного комплекса определяется в основном суммарным (по всем этапам) временем ожидания нужных флуктуации. Время это велико, чем и объясняется непреодолимая в эволюции медленность ферментативных процессов. Конформационные движения макромолекул ферментов при осуществлении ими каталитических реакций должны приводить к увеличению скорости диффузии макромолекул, «работающих» ферментов по сравнению с неработающими.