Стабилизация переходного состояния

Стабилизация переходного состояния является центральной идеей, объясняющей каталитическую силу ферментов: фермент ускоряет реакцию главным образом за счет более прочного связывания мимолетного переходного состояния, чем субстрата, тем самым снижая свободную энергию активации. Этот принцип, впервые сформулированный Полингом, объединяет многие каталитические стратегии и предсказывает, что молекулы, напоминающие переходное состояние, должны быть исключительно прочно связывающими ингибиторами.

Definition

Стабилизация переходного состояния — это предположение, что фермент достигает катализа путем связывания переходного состояния реакции с большей аффинностью, чем субстрата в основном состоянии, снижая свободную энергию активации; каталитическая эффективность количественно определяется как отношение константы скорости второго порядка катализируемой реакции к константе скорости некатализируемой реакции.

Scope

Тема охватывает теорию о том, что ферменты комплементарны переходным состояниям реакции, количественные показатели каталитической эффективности, полученные путем сравнения катализируемых и некатализируемых скоростей, использование аналогов переходного состояния в качестве ингибиторов и каталитические антитела, полученные против имитаторов переходного состояния. Это справочный материал, а не клиническое руководство.

Core questions

• Почему более прочное связывание переходного состояния снижает активационный барьер?
• Как измеряется каталитическая эффективность и насколько большой она может быть?
• Почему аналоги переходного состояния действуют как мощные ингибиторы?
• Что каталитические антитела показывают о данном принципе?

Key concepts

• Свободная энергия активации
• Комплементарность переходного состояния
• Каталитическая эффективность (kcat/Km, деленная на kuncat)
• Ингибиторы — аналоги переходного состояния
• Электростатическая стабилизация переходного состояния
• Каталитические антитела (абзимы)

Key theories

Комплементарность переходного состояния

Полинг предположил, что фермент структурно и электростатически комплементарен переходному состоянию, а не субстрату, так что взаимодействия, которые преимущественно стабилизируют переходное состояние, являются источником усиления скорости катализа.

Каталитическая эффективность

Сравнение скорости ферментативной реакции со скоростью соответствующей некатализируемой реакции определяет эффективность, иногда охватывающую многие порядки величины, которая устанавливает верхнюю границу аффинности связывания, которую мог бы достичь идеальный аналог переходного состояния.

Mechanisms

Согласно термодинамической связи, фермент, который связывает переходное состояние более прочно, чем субстрат, обязательно снижает свободную энергию активации катализируемого пути, поскольку разница в свободных энергиях связывания напрямую приводит к уменьшению барьера. Активные центры достигают этой комплементарности с помощью тех же химических инструментов, которые используются в катализе, при этом электростатическая преорганизация часто определяется как доминирующий фактор, способствующий стабилизации развивающегося заряда переходного состояния. Принцип проверяется эмпирически: стабильные молекулы, разработанные для имитации переходного состояния, часто связываются на порядки более прочно, чем субстраты, а измерения некатализируемых скоростей реакции устанавливают эффективность, которую достигает фермент. Каталитические антитела, полученные против аналогов переходного состояния, демонстрируют умеренный катализ, что обеспечивает дальнейшую, хотя и ограниченную, поддержку концепции.

Clinical relevance

Стабилизация переходного состояния является основой для основного класса ферментных ингибиторов — аналогов переходного состояния, которые связываются с целевыми ферментами с очень высокой аффинностью. Эта тема объясняет принцип и его последствия для разработки ингибиторов в качестве справочного материала; она не является основой для индивидуальных диагностических или лечебных решений.

History

Полинг сформулировал комплементарность переходного состояния в 1948 году, представив катализ как преимущественное связывание активированного комплекса. Идея развивалась благодаря разработке ингибиторов — аналогов переходного состояния и систематическому измерению Вольфенденом некатализируемых скоростей реакции, которые выявили необычайную эффективность некоторых ферментов. Усилия по получению каталитических антител против имитаторов переходного состояния с 1980-х годов как использовали, так и проверяли этот принцип, в то время как вычислительные исследования прояснили электростатические истоки стабилизации.

Debates

Насколько полно стабилизация переходного состояния объясняет катализ?

Большая часть каталитической силы может быть отнесена к стабилизации переходного состояния, особенно к электростатической преорганизации, но относительный вклад дестабилизации основного состояния и динамических эффектов продолжает обсуждаться.

Key figures

• Linus Pauling
• Richard Wolfenden
• Arieh Warshel
• William Jencks
• Donald Hilvert

Seminal works

• pauling-1948
• radzicka-wolfenden-1995
• warshel-2006

Frequently asked questions

Почему аналоги переходного состояния являются такими мощными ингибиторами?

Поскольку фермент создан для более прочного связывания переходного состояния, чем субстрата, стабильная молекула, напоминающая переходное состояние, использует эту комплементарность и может связываться гораздо прочнее, чем природный субстрат.

Что такое каталитическая эффективность?

Это мера каталитической силы, полученная путем сравнения константы скорости ферментативно катализируемой реакции с константой скорости той же реакции в растворе без фермента; для некоторых ферментов она может достигать чрезвычайно больших значений.