член-корреспондент РАН С. Д. ВАРФОЛОМЕЕВ
(Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт биохимической физики им. Н.М.Эмануэля
Российской академии наук
«ФЕРМЕНТЫ – СОВЕРШЕННЫЕ МАКРОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАШИНЫ»
Несмотря на колоссальный прогресс теоретических и экспериментальных работ в области молекулярной энзимологии, удивительная эффективность ферментов как катализаторов химических реакций (в 1012 – 1018 раз более эффективных по сравнению с ионом водорода), продолжает интриговать исследователей.
В последнее десятилетие благодаря методам биоинформатики, молекулярной механики и супервычислениям на основе квантовой механики ферментативный катализ стал наиболее изученным и понятным разделом науки о катализе.
В лекции будут рассмотрены следующие проблемы:
– Парадокс структуры ферментов, а именно – бесконечная вариабельность структуры макромолекул ферментов при ограниченном (счетном) числе структур каталитических центров. Природа оперирует небольшим числом каталитических центров при бесконечной вариабельности структур макромолекулы. Применение методов биоинформатики практически по всему набору первичных последовательностей полипептидных цепей ферментов обнаружило структурно-консервативные и структурно-вариабельные подгруппы аминокислот, выявило консервативные аминокислоты, функциональные группы каталитических центров и ключевые аминокислоты, формирующие макромолекулярную структуру белка.
Принципиальным в формировании любой макромолекулярной структуры фермента играет вращательная подвижность глицина, обеспечивающая возможность нужного сворачивания биополимерной цепи.
– Отобранные природой каталитические центры используются часто в разнонаправленных реакциях, например, гидролиз – синтез.
– Базовой химической основой ускорений в ферментах является общий кислотно-основной катализ, квантово-химические супервычисления дают объективную картину молекулярных превращений в активных центрах и демонстрируют роль тех или иных функциональных групп в катализе.
– Принципиальная роль макромолекулы заключается не только в пространственной сборке функциональных групп каталитического центра, но и в обеспечении конформационных изменений каталитических групп в процессе каталитического акта. Анализируется молекулярная природа конформационных изменений каталитических групп в процессе катализа. Рассмотрена теория молекулярно-конформационной машины, обеспечивающей структурное соответствие каталитических групп элементарному акту с минимизацией энергетических барьеров.
– Анализируются успехи генетической инженерии ферментов и возможности построения белков из неприродных аминокислот.
– Ферментная система человека. Рассмотрены проблемы и проявления молекулярного полиморфизма ферментов человека и квантово-химические модели, объясняющие природу некоторых молекулярно-физиологических явлений.