9. Гидрофобные взаимодействия.
Базируются на силах специфического отталкивания между неполярными атомными группами и молекулами воды. Гидрофобные взаимодействия определяют свойства воды, как конденсированной жидкости. Эти взаимодействия объясняются энтропийным эффектом (реализуется наиболее верояное состояние). Гидрофобное взаимодействие определяет структуру белковых молекул, а также многих надмолекулярных систем.
Связи, объединяющие неполярные молекулы в водном растворе, получили название гидрофобных. Исследование термодинамики гидрофобных взаимодействий показало, что основной вклад во взаимодействие вносит энтропийная составляющая свободной энергии. Перенос циклогексана в воду, как из газообразного состояния, так и из жидкой фазы термодинамически неблагоприятен (AG> 0). Перенос молекулы циклогексана из собственной жидкой фазы в водную вызывает существенное увеличение энтропийной составляющей свободной энергии. Силу гидрофобных взаимодействий можно оценить, изучая распределение веществ между двумя несмешивающимися фазами: водной и органической. В двухфазной системе вода — несмешивающийся с водой органический растворитель вещество А распределяется между фазами и можно найти коэффициент его распределения. Оказалось, что коэффициент распределения практически не зависит от природы органического растворителя при условии, что между растворителем и веществом нет каких-либо дополнительных, например водородных, связей. Логарифм коэффициента распределения является характеристикой гидрофобности вещества А. Понятие гидрофобное может быть отнесено не только к целым молекулам, но и к их фрагментам. Гидрофобные взаимодействия играют особую роль в белковых системах. В глобулярных белках гидрофобные взаимодействия часто формируют ядро белковой молекулы. На поверхности белковой молекулы, как правило, локализуются полярные или заряженные группы, которые взаимодействуют с молекулами воды. Гидрофобные остатки аминокислот находят энергетически выгодные положения внутри белковой молекулы, создавая внутреннюю гидрофобную среду. Важную роль гидрофобные взаимодействия выполняют при «узнавании» субстратов или ингибиторов активными центрами. Гидрофобные фрагменты субстрата взаимодействуют с гидрофобными участками активного центра, образуя специфические комплексы, ориентирующие реакционный центр субстрата относительно каталитических групп. При этом совсем не обязательно участие в этом процессе гидрофобной фазы большого объема. Достаточно вытеснения нескольких молекул воды, для того чтобы гидрофобная связь удерживала две неполярные группировки. При этом при увеличении размера молекулы субстрата на каждую группу СН2 (с учетом геометрии активного центра) выигрыш свободной энергии образования комплекса составит примерно 3 кДж/моль.
10. Кинетика ферментативных реакций.
Изучение кинетики действия ферментов позволяет получить информацию о механизмах ферментативных реакций. Впервые кинетика действия ферментов была удовлетворительно объяснена, когда был выдвинут постулат о том, что фермент обратимо соединяется со своим субстратом, образуя промежуточный комплекс фермент– субстрат. Пионерами в этой области были Генри (1903) и Михаэлис и Ментен (1913), и их концепции подтвердились, когда с помощью спектроскопических методов было доказано образование постулированных комплексов при изучении каталазы и пероксидазы (1936–1937гг.) Позднее в ряде случаев оказалось возможным выделить ковалентные фермент–субстратные соединения в количестве, достаточном для их дальнейшего исследования. Образовавшийся комплекс фермент–субстрат может претерпевать далее различные превращения.
В любой ферментативной реакции можно выделить три стадии. На первой стадии фермент Е взаимодействует с субстратом S, в результате чего образуется комплекс фермент–субстрат ES. Это взаимодействие происходит настолько быстро, что его крайне трудно исследовать без специальных приборов. В общем случае, когда количество субстрата значительно больше количества фермента, убыль свободного субстрата на этой стадии обнаружить весьма нелегко. Концентрация комплекса ES увеличивается, достигая уровня, когда скорость его образования точно равна скорости его превращения в продукты реакции, т.е. достигается стационарное состояние, при котором оно соответствует второй стадии реакции.