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.

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. 3.1.2. Энергия связей колеблется от примерно 3 до 7 ккал/моль.

Таблица 3.1.2

Типичные размеры водородных связей

Связь	Длина, нм
О – Н …О	0,270нм
О – Н …О─	0,263нм
О – Н … N	0,288нм
N – H … O	0,304нм
N+ – H … O	0,293нм
N – H … N	0,310нм

Водородные связи прочнее, чем связи, обусловленные вандерваальсовыми взаимодействиями, но значительно слабее, чем ковалентные связи. 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:

Роль водородных связей во взаимодействии субстрата с ферментом хорошо видна на примере связывания уридинсодержащей части субстрата с панкреатической рибонуклеазой – ферментом, расщепляющим рибонуклеиновую кислоту (рис. 3.1.1).

Рис. 3.1.1. Образование водородных связей при связывании субстрата рибонуклеазой

В этом случае образуются три водородные связи:

1. Одна из С=О-групп уридинового кольца соединена водородной связью с N-Н-группой пептидной цепи;

2. N–Н-группа уридинового кольца соединена водородной связью с

–ОН-группой остатка треонина;

3. Другая С=О-группа уридинового кольца соединена водородной связью с –ОН-группой остатка серина.