Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

и с первой же молекулой субстрата, он был бы затем не способен взаимодействовать со второй молекулой субстрата. Разумеется, необходимо присутствие лишь небольших количеств ферментов для осуществления катализа.

Катализатор способен и повышать, и понижать скорость химической реакции. Однако обычно катализатором называют вещество, ускоряющее реакцию; соединение, замедляющее реакцию,

Часто в ходе последующей реакции коферменты вновь восстанавливают исходную структуру, так что при рассмотрении суммарного процесса их можно считать неизменяющимися. Подробно химия этих соединений обсуждается в гл. 7.

Согласно Бендеру, роль катализатора сводится к обеспечению нового пути реакции, в котором стадия, определяющая скорость процесса (самая медленная), имеет более низкую свободную энергию активации, чем стадия, определяющая скорость некатализируемого процесса. Далее, энергия для каждого переходного состояния катализируемой реакции ниже, чем самая высокая энергия переходного состояния некатализируемой реакции (рис. 4.1).

Согласно теории переходных состояний, процессы, происходящие при столкновении реагентов, не учитываются. Считается, что в реакции участвуют лишь два вида реагирующих веществ — сами реагенты, находящиеся в основном состоянии, и крайне неустойчивые частицы, проявляющиеся в процессе реакции,— переходные состояния (ПС).

Теория переходных состояний связывает скорость реакции с изменением свободной энергии Гиббса AG при образовании переходного состояния из основного состояния. Эту теорию можно использовать для количественной оценки реакционной способно-

Рис. 4.1. Гипотетическая диаграмма изменения свободной энергии реакции. ПС — переходное состояние.

Коорйината реакции

ПС промежуточный провукт I (интермевиат)

называют ингибитором. Согласно определению катализатора, он не тратится в процессе реакции, а повторно служит, способствуя превращению молекул. В биохимии многие ферментката-лизируемые реакции протекают в присутствии других соединений, которые также можно считать катализаторами, но которые потребляются или изменяются в ходе реакции, катализируемой ими. Это коферменты.

Химия ферментов

191

сти компонентов ферментативных реакций и специфических взаимодействии, включая отдельные изменения в структуре субстрата.

Различают гетерогенный и гомогенный катализ. Типичный пример гетерогенного катализа — гидрирование этилена в присутствии металлического катализатора (например, палладия, платины или никеля), который помогает сблизиться молекулам водорода и этилена таким образом, чтобы они могли вступить в реакцию друг с другом. В то время как реагенты сорбируются на поверхности металла благодаря наличию л-электронов в молекуле этилена, прочукт реакции (этап) десорбируется, освобождая место для следующих реагирующих молекул.

При гомогенном катализе катализатор не образует отдельной фазы. Например, кислотный гидролиз эсЬиров, в котором роль

О О

Н20 + СН3—C-O-R .*=^=* СНз-С—ОН + ROH

катализатора выполняет протон и бензоиновая конденсация с цианид-ионом как катализатором.

О ОН

J> Л II I

2Ph—СГ Ph-C—СН—Ph

NH

Механизм катализа при кислотном гидролизе состоит в следующем:

i ? т г

СНз—С—OR + Н® ^==± СН3- C-OR «-» СНз—С—OR

^:он.

J

вОН ,ОН ОН

II Ч н |

СН-С CH3-C-|JR СНз-C-OR ROH + ОН ОН «ОН,

I

\>н

Протонирование эфира делает карбонильный атом углерода более электрофильным (обратите внимание на резонансные струк-

192

Глава 4

туры карбониевого иона), и, следовательно, он легче подвергается нуклеофильной атаке молекулой воды.

Бензоиновая конденсация протекает следующим образом]

б он

Ph—СГ *—:CN ?=» Ph—С—CN \-> Ph

"ЧН

G CN +

С—CN е

н V рь

II

Н'

О он (о он оно

н i S i ii

Ph—С—С—Ph s=t Ph—С—С—Ph «=* Ph—С—С—Ph

А Г' 1 ii

H (CNH CNH

Бензоин

Альдегидный водород в бензальдегиде не проявляет кислотных свойств, поэтому не происходит атаки второй молекулой бензаль-дегида. Однако при присоединении цианид-иона и образовании циангидрина тот же водород может диссоциировать, поскольку карбанион стабилизируется цианогруппой из-за образования резонансной структуры, и происходит реакция.

Ферменты обладают свойствами, позволяющими им участво! вать в обоих каталитических процессах (гетерогенном и гомогенном). Они способствуют взаимному приближению реагирующих веществ на белковой поверхности либо экстрагируют их из водной фазы внутрь гидрофобной полости. Они связываются с реагентами, благодаря чему скорость химической реакции значительно увеличивается. Например, катализ гидролиза амидной связи ферментом происходит не только благодаря протеканию реакции на белковой поверхности, но и вследствие того, что фермент химически взаимодействует с субстратом, образуя более лабильный эфир, который затем и подвергается гидролизу (см. ниже).

Для гомогенного катализа можно далее выделить специфичШ ский кислотный, специфический основной, общий кислотный, об-\ щий основной, нуклеофильный и электрофильный. В специфическом кислотном катализе как катализатор действует простой протон, при специфическом основном — гидроксил-ион. При общекислотном или общеосновном катализе действуют любые col единения кислотного или основного характера соответственно. Ниже различные механизмы катализа показаны на реакции бро-мирования ацетона. При специфическом кислотном катализе

Химия ферментов

193

реакция может протекать через енолизацию [52]: О

|>ОН QOH СН3—С—СНЛ + Н® СН3—СтСНг У=± CHj—с=сн2

Н ^Вг-г

Вг^Вг

о

II

СН з—С— СН 2—Вг

При специфическом основном катализе она может проходить через стадию енолизации: •

О О О

II в II в II

сн3—с—СН3 + ОН т=± сн,—с—СН2 *=* СН3—С—СН2 + Вгв

V I

Вг-^Вг Вг

Реакция может также проходить по механизму общего кислотного и/или общего основного катализа. Например, в буферном растворе, содержащем ацетат натрия, могут реализоваться как общекислотный, так и общеосновной механизмы:

АсО-т-Н АсОе V О НО

СН3—С^-СН2 -» СН3—С=СН2 + АсОН

Н

1-

t в

^ОАс пройикты

Нуклеофильный катализ можно определить как катализ химической реакции вследствие нуклеофнльного замещения (ско-ростьопределяющий процесс). Так, например, если какая-то реакция нуклеофнльного замещения проходит медленно, то реагент может подвергаться атаке нуклеофильным катализатором и образовывать промежуточное соединение, для которого нуклеофильное замещение в нужном направлении происходит легче, чем для исходного реагента. Классический пример нуклеофнльного катализа — ацетилнроваиие спиртов уксусным ангидридом в пиридине:

О О ц-'Ч о

II н U и

R-OH + СН3—С— О-С—СН3 -> СН3—С—О—R + СН3СООН

1 Зон 549

194

Глава 4

На первый взгляд можно было бы подумать, что пиридин служит просто для связывания уксусной кислоты. Однако это не так:

О О О

CH3-JL0-C-CH3 СН3-СД7) + С-НзСООв

R—ОН

^~~^» проЭукты

В отсутствие пиридина ацетилирование спирта шло бы гораздо медленнее.

Другой хорошо известный пример нуклеофильного катализа -I гидролиз /г-нитрофенилацетата, катализируемый имидазолом:

О О

II „ /==\ мволенно II /=\

СНз-С-гЮ^^ь-NOj -> СНз-C-N^N + HO-H^^-N02

|Г"^\ 6"ыстро|н,о Н CHj—СООН + HN^N

Имидазол играет роль нуклеофильного катализатора, однако в щелочной среде ОН~-ион способен выполнять роль акцептора протонов, способствуя атаке нуклеофильного катализатора (ими-дазола) на субстрат. Таким образом, ОН_-ион выступает как об-щеосновнон катализатор. В качестве переходного состояния мож-| но постулировать тетраэдрическое промежуточное соединение:

О

СН3—С—О—^ ^—NO;

6

i i

н—он

тетразорический интермедиат (переходное состояние)

Катализ имидазолом гидролиза п-ннтрофеннлацетата — типич ный пример нуклеофильного катализа; он может быть назван

Химия ферментов 195

также ковалентным катализом, так как субстрат подвергается модификации, вступая в ковалентную связь с катализатором и ибразуя промежуточный продукт. | Если при нуклеофильном катализе происходит подача электронов от катализатора к субстрату, то при электрофильном катализе происходит оттягивание электронов, или перенос электронной плотности, от субстрата к катализатору. Ионы металлов — отличные электрофильные катализаторы. Электрофильный катализ особенно существен для химии фосфатов, поскольку отрицательные заряды атомов фосфора стремятся оттолкнуть нуклеофи-лы. Например, синтез З'.б'-гуанозиициклофосфата (cGMP, разд. 3.4.2) из гуанозинтрифосфата заметно ускоряется в присутствии двухзарядных катионов металлов (например, Mg2+, Мпг+, Ва2+, Zn2+, Са2+).

в е е

но он

катализ ионами металлов проявляется и в реакции гидролиза |ТР. В обоих приведенных примерах ион металла образует комплекс, соединяясь через атомы кислорода трифосфатной группы, и смещает электронную плотность от атома фосфора, делая его ¦рлее электрофильным.

[ При катализе ферментами химической реакции может реализоваться любой из вышеприведенных механизмов катализа. Например, имидазольное кольцо остатка гистидина в ферменте L-химотрипснн (разд. 4.4) способно играть роль общеосновного катализатора, тогда как в ферменте щелочная фосфатаэа тот же шаток может действовать в качестве нуклеофнльного катализатора. Действительно, ферменты — это сложные катализаторы, в ходе действия которых реализуется несколько механизмов. [Именно благодаря успешному сочетанию разных каталитических процессов скорость катализируемой реакции повышается в 10м раз (по сравнению со скоростью некатализируемой реакции). Бо-иее того, именно такая комбинация факторов приводит к специфическому катализу.

Для того чтобы полнее показать значение имидазола в ката-Ьшзе, рассмотрим его в роли основного катализатора, который |очень часто участвует в химических реакциях. Например, гидро-лнз карбоновых кислот катализируется и по общекислотному, и Iпо общеосновному механизму.

196

Глава 4

О II

R—СН,—С—OEt

¦Л,

N^NH

W

R—СН2—СООН + EtOH +

HN^N

w

о I:

R—CH2—С—OEt н' VH.

41^NH

переходное состояние

HN^NH

б w

R—CH2—

страница 33
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (8.62Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(19.08.2017)