Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

х зависит от геометрии молекулы. Похожие запахи, вероятно, присущи молекулам с близкими размерами, и эти размеры обусловливают^ взаимодействие со специфическими рецепторами. Таким образом] паша обонятельная система достигла такого уровня молекулярной сложности, что может «чувствовать форму молекул».

Вкус также «чувствует» различие в строении энантиомероя ь-Глутаминовая кислота придает вкус мяса и раньше использовалась для усиления вкусовых качеств мяса. В то же время d-изо-! мер почти безвкусен. Обнаружено, что белки таумалин (М «| « 21 000) и монеллин (М « 10 700) придают сладкий вкус. Еще) более сильнодействующее вещество, меняющее вкусовые ощущения,— миракулин (М« 44 000), найденный, как и первые два, в африканских ягодах; это вещество меняет вкус кислот на сладкий. Монеллин содержит 92 аминокислотных остатка. Для того, чтобы вызвать ощущение сладкого вкуса, необходимо, чтобы ои сохранял свою нативную третичную трехмерную структуру. На

Химия ферментов

207

самом деле этот белок построен из двух ковалентно-несвязанных цепей, содержащих 50 и 42 остатка. Ни одна из них в отдельности не вызывает сладкого вкуса. Это пример молекулярного узнавания на конформационном уровне.

Важное значение геометрии молекул для процессов жизнедеятельности покажем еще на одном, последнем, но красивом и практически важном примере. Самкн некоторых насекомых (а иногда и самцы) способны выделять несложные органические вещества, например бомбикол (Bombyx inori) или ювеннльнын гормон из гемолимфы личинок Manduca sexta. Обычно эти вещества имеют изо-преноидную структуру. Ювенильные гормоны служат для задержки развития

НО

1

бомбикол (10- транс-12- цис-гексадекадиено i-1

ювенильный гормон

насекомых па стадии личинки или препятствуют выведению насекомых из янц. Эти гормоны продуцируются corpus allatum и участвуют в регуляции морфогенеза и виталогенеза. Эти соединения — высокоактивные химические медиаторы. С помощью некоторых подобных соединении осуществляется связь насекомых иежду собой: они могут восприниматься антеннами мужской особи того же вида с очень большого расстояния н привлекать ее с целью спаривания. Такого рода половые аттрактанты, как, например, бомбикол, называются феромонами. Другие геометрические изомеры не оказывают влияния на тех же насекомых. Найденные закономерности помогают ученым в разработке биологических средств (бноселек-тивиые инсектициды) борьбы с сельскохозяйственными вредителями, благодаря чему можно отказаться от применения химикатов, которые более опасны для здоровья животных и человека. Возможно также использование синтетических аналогов, имитирующих подобное действие.

42.3. Факторы, определяющие специфичность ферментов [55, 56]

Известно, что ферменты проявляют три уровня специфичности: структурную специфичность, региоспецифичность и стереоспеци-Ачность. Во-первых, фермент должен узнать некоторые общие пруктурные свойства субстрата (и кофермента) для проведения специфического катализа. Во-вторых, каталитический акт должен произойти в определенном районе субстрата (или кофермента), причем стереохимия изменения контролируется ферментом.

Удачным примером вновь может служить восстановление ке-тонов коферментом ннкотпнамидаденнндннуклеотидом (NADH) и алкогольдегндрогеназон (см. в разд. 7.1.2 возможное использова-

208

Глава 4

ние в органическом синтезе).

энсштиотопные „„__„.„„..„

ошомыдВоИо,^ JjTbToBc^a

Нв,. ,НД '

npo-S

R /•патока

NADH

энантиотопные атомы воЗороВа

I

X/CONHj, СН3 /Нз

Г

R

'он hs

NAD"1

Виастереотопные атомы войорова

^¦-конфигурация

Карбонильная группа кетоиа имеет две поверхности, поэтому говорят, что она энантиотопна. В присутствии фермента кофер-мент NADH избирательно отрывает атом водорода Нд только с задней стороны плоскости карбонильной группы, причем образуется хиральный спирт, в котором метиленовые атомы водорода становятся диастереотопными. Однако метильные атомы водорода неразличимы для фермента и называются гомотопными. В данном примере атом водорода НА (npo-R) кофермента переходит к субстрату, а другие дегидрогеназы обладают иной региоспецифич-ностью, так что мигрирует атом водорода Нв (npo-S).

Реакции, катализируемые ферментами, подчиняются принципу микроскопической обратимости. Согласно этому принципу, механизм любой обратной реакции соответствует лишь обращенному механизму прямой реакции. Эта термодинамическая концепция очень полезна при исследовании природы переходного состояния на основании сведений об обратной реакции. Конечно, ферменты — это наиболее специфичные и мощные катализаторы в природе. Ни один из катализаторов, изготовленных человеком, не обладает той огромной катализирующей способностью, которую ферменты проявляют в мягких физиологических условиях. При этом наблюдается повышение скорости реакции в 10'°—10м раз по сравнению со сходными неферментативными реакциями.

Наиболее глубокое отличие ферментов от других катализато-; ров состоит в их способности связывать субстраты в непосредственной близости друг от друга и от каталитических групп фермента. Таким образом, ферменты ускоряют реакцию путем сиШ

Химия ферментов

209

жения реагирующих атомов (эффект сближения), а также благодаря соответствующей ориентации нужных химических групп. Разумеется, эффекты сближения и ориентации играют очень важную роль при катализе. Статистическое столкновение молекул — слишком ненадежный процесс для того, чтобы прошел специфический и эффективный катализ. Необходимо задать направление взаимодействия. Это направление может быть определено путем образования стереоспецифического комплекса с субстратом. Нужная стереохимическая ориентация катализатора и субстрата приведет к выигрышу в энтропии активации, что способствует эффективности катализа.

Вообще говоря, возможны четыре типа факторов, определяющих каталитическую активность фермента. Во-первых, необходим химический аппарат в активном центре, способный деформировать или поляризовать химические связи субстрата, что делает последний более реакционноспособным, во-вторых,— связывающий центр, иммобилизующий субстрат в правильном положении к другим реакционным группам, участвующим в химическом превращении, в-третьих,— правильная и точная ориентация субстрата, благодаря которой каждая стадия реакции проходит с минимальным колебательным или вращательным движением вокруг связей субстрата, и, наконец, в-четвертых, способ фиксирования субстрата должен способствовать понижению энергии активации ферментсубстратного комплекса в переходном состоянии. Соответствующее распределение зарядов в активном центре и геометрия активного центра входят в число факторов, определяющих снижение суммарной энтропии переходного состояния. Все эти факторы в той или иной степени влияют на структуру активного центра фермента, и их нельзя рассматривать изолированно, вне связи друг с другом. В совокупности они увеличивают скорость ферментативной реакции и позволяют ферменту выступать в роли мощного катализатора [77].

Влияние указанных факторов можно оценить экспериментально с помощью модельных систем. В нескольких биохимических моделях удалось достигнуть увеличения скорости реакции примерно на такой же порядок, что и в аналогичных реакциях, катализируемых ферментами.

4.2.4. Внутримолекулярный катализ

Внутримолекулярный кислотно-основной катализ представляет собой эффективный способ ускорения реакций в органических системах. Однако было бы полезно оценить вклад этого вида катализа в ферментативный катализ. Существует принципиальное различие между ферментативными химическими реакциями и реакциями в растворе. Скорость каталитических реакций в растворе описывается уравнениями второго порядка; скорость увеличивается с увеличением концентрации катализатора. Реакции

210

Глава 4

в ферментсубстратном комплексе — реакции первого порядка, а кислотные и основные группы входят как составная часть в молекулу. Влияние кислотных и основных катализаторов на такую систему можно оценить, синтезируя модельные соединения, так чтобы каталитические группы входили в состав субстрата. В этом случае можно сравнить скорости реакций со скоростями соответствующих межмолекулярных реакций. Рассмотрим две реакции:

При внутримолекулярной реакции наблюдается увеличение скорости по сравнению с межмолекулярной реакцией в 1015 раз, так что молекула образует лактон даже в щелочной среде! Ароматическая метильная группа располагается между геминальны-ми метальными группами боковой цепи, что обусловлено стериче-ским напряжением, и «запирает» систему. При циклизации устраняется также сильное напряжение, присущее молекуле. Кроме того «эффективная концентрация» карбоксильных групп вблизи гидроксильной группы, подвергаемой атаке, очень высока.

Ранее упоминалось, что высокая эффективная концентрация* внутримолекулярных групп — одна из основных причин эффективности ферментативного катализа. Таким образом, функция фермента прежде всего заключается в сближении субстрата с функциональными группами фермента путем связывания с активным центром. При этом происходит изменение энтропии системы. Отсюда следует, что различие при катализе внутримолекулярной реакции и межмолекулярной определяется энтропийным эффектом. При межмолекулярной реакции происходит соединение двух или большего числа молекул в одну, что вызывает увеличение «упорядоченности» и, следовательно, уменьшение энтропии.

Следует учитывать и другие факторы, особенно влияние сольватации. Внутримолекулярный нуклеофил в основном состоянии меньше сольватирован, чем отдельная нуклеофильная частица в

* Эффективную концентрацию данной группы определяют путем деления наблюдаемой константы скорости первого порядка внутримолекулярной реакции на константу скорости второго порядка соответствующего межмолекулярного процесса [349]. Для ферментативных реакции можно ожидать величин в интервале от 10' до 109 моль/л.

Химия ферментов

211

разбавленном растворе. Кроме того, внутримолекулярный нуклеофил более жестко удерживается относительно реакционного центра. В существенной степени увеличению ск

страница 36
< 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
(25.11.2017)