Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

чень часто комплементарным

202

Глава 4

путем. Понятие «матрица», предполагающее неизменяемость «ключа» и «замка», служит для грубого приближения в понима иitII процесса связывания субстрата и фермента [55, 56].

Отличительное свойство фермента — специфическое связыва ние субстрата; реакция ограничена ферментсубстратным комплексом. Таким образом, чтобы понять, как работает фермент, необ ходимо знать не только структуру нативного фермента, но также структуру комплексов, образуемых ферментом с субстратом, про межуточными соединениями и продуктами.

Последовательность аминокислот, или первичная структура фермента, определяет вторичную и третичную (трехмерную) структуры, т. е. свертывание пептидной цепи в макромолекуляр ную глобулу, имеющую некоторую определенную полость для взаимодействия с субстратом или, если необходимо, с кофермен том. Ферменты обладают сложной и компактной структурой в которой боковые цепи полярных аминокислот, находящиеся на поверхности молекулы, направлены к растворителю, а боковые цепи неполярных в общем случае ориентированы внутрь молекулы, от растворителя. Трехмерная структура поддерживается боль шим количеством внутримолекулярных нековалентных взаимодей ствий аполярной, или гидрофобной, природы, а также благодаря ионным взаимодействиям, дисульфидным мостикам, водородным связям, иногда солевым мостикам [57]. Гидрофобные взаимодей ствня имеют наиболее важное значение, поскольку они, вероятно, ответственны за большую величину свободной энергии связыва пня, которая наблюдается при ферментсубстратных взаимодей ствиях.

Почему ферментами могут быть только высокомолекулярные соединения? Причина заключается в том, что активный центр должен иметь определенное, высокоупорядоченпое строение, поскольку все аминокислотные остатки, ответственные за связывание и каталитические превращения, должны располагаться вполне определенным образом, чтобы создать условия для оптимального катализа. Это накладывает на систему жесткие энтропийные требования, которые могут быть компенсированы за счет другой, уже упорядоченной области биополимера [58].

Наиболее очевидный способ, с помощью которого фермент увеличивает скорость бимолекулярной реакции,— способствовать простому сближению реагирующих молекул в активном центре фермента. В этой связи возникают два важнейших вопроса: boi первых, какого увеличения скорости можно ожидать при таком сближении реагентов и, во-вторых, каков механизм этого увели-i чепия скорости. В настоящей главе мы постараемся прояснить эти вопросы. Изменение степени сольватации также способно] вызвать значительный эффект увеличения скорости как в межмолекулярных, так н в ферментативных реакциях. Неполярнац внутренняя область фермента напоминает своей низкой днэлект-]

Химия ферментов

203

рнческоп проницаемостью органический растворитель. Электростатические взаимодействия более не затрудняются экранированием молекулами растворителя и благодаря этому становятся сильнее. Прежде чем установить факторы, ответственные за специфичность действия ферментов, вновь следует подчеркнуть важность хиральности.

4.2.1. Молекулярная асимметрия и прохиральность

Ферменты катализируют биохимические реакции стереоспеци-фично. Вследствие этого асимметрический синтез в природе происходит повсеместно и чаще всего в единственном направлении. Следовательно, большинство природных соединений оптически активно, потому что получены при каталитическом действии ферментов, обладающих определенной трехмерной структурой. В самом общем виде можно сказать, что между субстратом и активным центром фермента существует точное геометрическое соответствие. Например, фермент триозофосфатизомераза катализирует превращение оптически неактивного дпоксиацетонмонофос-фата до D-глицеральдегид-З-фосфата [59]. Субстрат имеет прохи-ральный центр *, и один атом водорода специфически переносится с одной стороны (ге-поверхности) двойной связи на карбонильную

* Понятие «прохиральность» и ранее предложенная номенклатура npo-S-, лро-Я-конфигураций были в окончательном виде разработаны Хапсоном в 1966 г.: «Если при замене точечного лиганда в конечной ахиральнон совокупности точечных лигандов новым лпгандом образуется хпральная совокупность, то исходная совокупность прохиральна». Точечные лиганды — это химические группы, присоединенные к прохиральному центру. На .практике группу обозначают как npo-fi(HR)-заместитель, если при ее замене или модификации возникает хнраль-аая молекула с /^-конфигурацией [60]. Хансон также предложил систематический способ обозначения поверхности тригоиальных атомов, как, например, углерод в карбонильной группе С=0. Трнгональный прохиральный центр планарен в изображается следующим образом:

re-поверхность «Г-конфигурация

атаки

Трем группам, окружающим атом углерода, приписываются приоритеты а, Ь п с • соответствии с R, S-номенклатурой Кана — Ингольда — Прелога. Если последовательность приоритетов замещающих групп а, Ъ, с расположена по ходу часовой стрелки, то поверхность, обращенная к читателю, называется /-е-поверхностью (от лат. rectns), если против часовой стрелки, то si-поверхностью (sinister). Всл)чае необходимости учитывают атомы, присоединенные к С и О, чтобы приписать приоритеты на основании атомных номеров атомов, окружающих карбо-вильную группу.

204

Глава 4

группу. Именно первоначальная хиральность фермента определяет правильное направление реакции.

Приведем еще один пример — это предпочтительный обмен с протоном молекулы воды протона Hs, а не Н« в реакции образования дифосфата фруктозы, катализируемой альдолазон, если в ней участвуют оба субстрата.

сн20Р032_

о

но—

•UiOMepQ>a

-он пГ

-он н, (

сн2оро32_ н^

Фр1)ктпо10-1,Б-Зифосфйт

ОР03

Эиокси ацетон» монофосфат

нД-он

%/

н^ ^РОз26

п-глицеральЭегиб-Э-фосфагп

В основе этой стереоселектпвностн лежит специфическое явление, называемое эффектом Огстона [61]. В 1948 г. Огстои выдвинул предположение о том, что фермент асимметрическим образом взаимодействует с симметричным субстратом, если связь с субстратом осуществляется по крайней мере в трех точках. Только в этом случае возможно стереоселективное взаимодействие или стереоселективная реакция синтеза. В общем виде для соединения типа

У

фермент может выбирать между похожими группами х, поскол ку оба переходных состояния при атаке любого хирального ре гента по любому из х представляют собой стереоизомеры, следовательно, скорости реакций, проходящих через эти состояния, различны. Эта гипотеза лежит в основе понятия «прохираль-ность» и является отправной точкой в стереохимическнх исследованиях ферментативных реакций, проходящих в прохиралытом центре.

Например, алкогольдегидрогеиаза дрожжей VADH — первая алкогольдегнд-рогеназа, которую удалось получить кристаллической и для которой было показано, что возможен прямой перенос атома водорода между субстратом и ко-ферментом. В 1953 г. Вестхаймер [62] использовал этанол, меченный дейтерием, чтобы показать, что процесс стереоспецифнчен и что только один из энантиотоп-ных протонов, присоединенных к С-1 первичного спирта, переносится на С-4 З-ацетамидпириднпиевого цикла кофермента NAD+ (RPPRA — остаток коф

Химия ферментов

205

мента). При использовании R-1 -дсйтероэтанола весь дейтерий обнаруживается на верхней стороне плоскости ароматического остатка кофер.мента (более подробно об этом коферменте см. гл. 7). Новый асимметрический атом углерода в NAD2H обладает ^-конфигурацией. Если вместо этого использовать S-1-дейте-роэтанол, вся метка обнаруживается в ацетальдегнде, но не в восстановленном коферменте. Эта реакция, когда кофермент и субстрат удерживаются в активном центре фермента специфическим образом, представляет собой особенно удачный пример эффекта Огстона. Фермент способен однозначно делать выбор между двумя идентичными атомами водорода, связанными с прохиральным углеродным атомом этанола. Обратная реакция, разумеется, также стереоспецнфнчпа.

Еще более ярким примером асимметрического синтеза является процесс фотосинтеза в растениях, где солнечная энергия превращается в химическую с помощью молекул хлорофилла. В этом многостадийном процессе ахиральный диоксид углерода превращается в конечном счете в D-глюкозу.

Суммируя сказанное, можно сделать вывод, что множество природных соединений (гормоны, витамины, биополимеры и т. д.) становятся хиральными вследствие диссимметрического воздействия, оказываемого па них ферментами и другими органическими соединениями при биохимических превращениях.

' 4.2.2. Чувственное восприятие на молекулярном уровне

Все люди, в том числе н мы с вами, воспринимаем мир с по-I нощью пяти органов чувств: обоняние, вкус, осязание, зрение и слух. Чувственное восприятие представляет собой хороший при-л, мер адаптации на молекулярном уровне, и в этой связи рассмот-1- рим далее возможности первых двух видов восприятия. Запах, 4 , как и вкус, возникает при прямом контакте молекул с обопя

RPPRA

i

206

Глава 4

тельным (или вкусовым) эпителием. На его мембране или по-| верхности находятся хеморецепторы, при действии стимулирующего вещества па которые развивается характерное органолеп-1 тическое ощущение. Специфическое взаимодействие между не-1

большими молекулами и рецепторами j II о связано с установлением равновесия ! \ \* между процессами абсорбции и десорб-I kyJ ции, которое химик может изучать, ис-I 1^ пользуя модели.

1 Например, r- и 5-карвон — энантио-

Л-к.арвон ^-карвсн меры; /?-изомер пахнет тмином, тогда

как у 5-изомера запах мяты. /?-Карвон можно химическим путем превратить в другой тер! пен, встречающийся в природе, (+)-лимонен. Запах последнего похож на запах апельсина. (-|-)-Лимонен можно восстановить либо до цис-, либо до транс-л-ментена-8. Соединение с транс-конфигурацией сохраняет запах, напоминающий запах апельсина,

н

СН3

Н

транс —^ У^-СЯз сн3 / ¦ Н

Н (+)-лимонен

н

que

а цис-соединение обладает неприятным запахом, напоминающим запах углеводородов. Эти примеры показывают, что запа

страница 35
< 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
(24.09.2017)