6.21. При связывании субстратов с ферментами образуются строго ориентированные водородные связи

Несмотря на то что многие субстраты не имеют заряда, они связываются с ферментами с высокой степенью специфичности и сродства. Основной вид взаимодействия таких субстратов, а также большинства заряженных субстратов с ферментами - это образование водородных связей. В водородной связи атом водорода связан сразу с двумя другими атомами. Тот атом, с которым водород связан более прочно, называют донором водорода, тогда как второй

атом - акцептором водорода. По существу водородную связь можно рассматривать как промежуточное взаимодействие, возникающее при переносе протона от кислоты к основанию. Атом-акцептор должен иметь частичный отрицательный заряд, который и притягивает водород. Короче говоря, водородная связь чем-то напоминает любовь втроем:

При образовании водородных связей в биологических системах атомами-донорами служат атомы азота или кислорода, ковалентно связанные с атомом водорода. Роль атомов-акцепторов выполняют кислород или азот. Типы водородных связей и их длины приведены в табл. 6.3. Энергия связей колеблется от примерно 3 до моль. Водородные связи прочнее, чем связи, обусловленные вандерваальсовыми взаимодействиями, но значительно слабее, чем ковалентные связи. По длине водородные связи занимают промежуточное положение между ковалентными связями и связями, обусловленными вандерваальсовыми взаимодействиями. Важная особенность водородных связей состоит в том, что их энергия зависит от геометрии. Водородная связь оказывается наиболее сильной, если донор, водород и акцептор лежат на одной прямой. Если же атом-акцептор расположен под углом по отношению к линии, соединяющей атом-донор и водород, то связь будет тем слабее, чем больше этот угол:

Мы уже упоминали о водородных связях при обсуждении структуры миоглобина и гемоглобина. В -спирали водородная связь соединяет друг с другом -группы пептидной цепи. При этом атом азота служит донором водорода, а атом кислорода-акцептором. Расстояние между атомами азота и кислорода составляет атом водорода находится ближе к азоту, чем к кислороду, на 0,9 А.

Другой пример водородной связи в миоглобине и гемоглобине - связь между гидроксильной группой тирозина и пептидным карбонилом Атом кислорода в гидроксильной группе тирозина является донором водорода, а атом кислорода в пептидной -группе - акцептором:

Роль водородных связей во взаимодействии субстрата с ферментом хорошо видна на примере связывания уридинсодержащей части субстрата с панкреатической рибонуклеазой - ферментом, расщепляющим рибонуклеиновую кислоту (рис. 6.25). В этом случае образуются три водородные связи.

1. Одна из -групп уридинового кольца соединена водородной связью с -группой пептидной цепи.

2. -группа уридинового кольца соединена водородной связью с —ОН-группой остатка треонина.

3. Другая -группа уридинового кольца соединена водородной связью с —ОН-группой остатка серина.