Ферментативный механо-химический преобразователь энергии
Таким образом, предельно совершенным молекулярным аппаратом перемещения в пространстве будет предельно совершенный фермент, максимально возможно изменяющий свою третичную (конформацию) или четвертичную (конфигурацию комплекса макромолекул) структуру сопряженно с превращением субстрата в продукт.
Мы видели в главе 4, что изменение конформаций — необходимое условие совершенного ферментативного катализа. Однако вообще в ферментативном катализе изменение конформаций — лишь необходимое условие, средство проведения реакции по наиболее выгодному маршруту. В аппаратах перемещения циклические изменения конформаций в некотором смысле — «основной продукт» реакции. Поэтому в ходе эволюции должны возникнуть специализированные на механо-химических преобразованиях ферменты.
Рассмотрим общие принципы работы идеальных ферментативных механо-химических преобразователей, следуя в основном работам А. Е. Букатиной и сотр..
Представим себе макромолекулярную «пружину» с двумя одноименными (пусть это будут Ф) электрическими зарядами на концах (21, Е). Из-за отталкивания одноименных зарядов пружина находится в максимально растянутом состоянии. При появлении в среде вещества S-молекулы с двумя отрицательно заряженными концевыми (например, карбоксильными) группами пружина сжимается (21, Е) и производит механическую работу. При завершении сжатия мэкромолекулярной пружины на макромолекуле образуется каталитический центр, в котором осуществляется реакция (в нашем примере) «дека-питации», S — обе отрицательно заряженные группы уничтожаются в реакции декарбоксилирования (21, ЕР) пружина распрямляется. Такая молекулярная пружина будет циклически совершать механическую работу за счет энергии, выделяющейся при расщеплении субстрата S. Замечательно, что сама по себе реакция разрушения субстрата может и не быть экзэргонической. Энергия может выделяться и на другой стадии цикла, например, при связывании субстрата. Поэтому определяющим условием работы такого механо-химического преобразователя будет целесообразное изменение кинетических потенциальных барьеров — целесообразное изменение каталитических свойств в определенных фазах цикла. Субстрат S не должен расщепляться несократившимся ферментом, что обеспечивается большим потенциальным барьером, препятствующим расщеплению. Этот барьер должен резко понижаться в конце процесса укорочения «пружины» и вновь резко возрастать, как только субстрат превратится в продукт. Иначе будет идти обратный процесс — ресинтез субстрата из продукта за счет механического напряжения макромолекулы под влиянием нагрузки. Новая молекула субстрата не должна соединяться с ферментом до его полного распрямления — иначе амплитуда перемещения (Д/) уменьшится, и соответственно уменьшится выполняемая работа. Это может быть обеспечено целесообразным изменением потенциального барьера, препятствующего образованию комплекса (22). Понижение барьеров аналогично открыванию клапанов в паровой машине или двигателе внутреннего сгорания. Открылся первый клапан, т. е. понизился первый барьер (в результате растяжения пружины при отталкивании одноименных зарядов в нашей модели) — субстрат получил доступ к центру связывания фермента, пружина в ?5-комплексе сократилась, совершилась механическая работа одновременно повысился первый барьер, т. е. закрылся первый клапан, образовался каталитический центр, резко понизился второй барьер, т. е. открылся второй клапан, субстрат превратился в продукт, пружина (каждая макромолекула в отдельности) распрямилась, второй барьер повысился, второй клапан закрылся, но снова открылся первый, и т. д. Так работает механо-хпмический ферментативный «трехтактный» преобразователь энергии (23).
Наш трехтактный ферментативный механо-химический двигатель построен на основании общих соображений, теоретического анализа, проведенного в работах. Реальные механизмы биологической подвижности не обязательно должны соответствовать этой абстрактной схеме. Разным видам биологической подвижности могут отвечать различные модификации предельно совершенного образца. Однако во всех случаях речь идет о ме-хано-химических, вернее, химико-механических преобразованиях энергии. В связи с этим необходимо подчеркнуть, что сам принцип механо-химических ферментативных преобразований был сформулирован, и его первые экспериментальные подтверждения были получены В. А. Энгельгардтом и М. Н. Любимовой в 1937— 1946 гг.. Непреходящая ценность работ М. Н. Любимовой и В. А. Энгельгардта, открывших АТФ-азную активность миозина (актомиознча пи современной терминологии), состоит именно в обнаружении экспериментальных оснований для формулирования общего принципа. Этот механо-химический принцип должен по праву называться принципом Энгельгардта. По существу, ставшее столь популярным представление о конформа-ционных движениях макромолекул фермента в связи с его функцией есть развитие принципа Энгельгардта. Естественно, что наиболее явственно он выступает в механизмах биологической подвижности.
В последовавшие за работами Энгельгардта годы принцип механо-химических преобразований при ферментативном катализе получил широкое признание и развитие.
Особое, весьма большое значение для развития этой области имели работы А. Качальского и В. Куна и их учеников и сотрудников. Созданные ими на основе биополимерных материалов двигатели осуществляли механо-химические преобразования энергии. Строгий анализ термодинамических и кинетических закономерностей при механо-химических преобразованиях был осуществлен А. Е. Букатиной и В. Н. Морозовым, как это отмечено выше.