Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

орости реакции может служить также снятие напряжения во внутримолекулярной реакции.

Поскольку энтропия молекулы слагается из суммы колебательной, вращательной и внутренней энтропии, Брюс предположил, что увеличение скорости, наблюдаемое во внутримолекулярных реакциях, видимо, обусловлено уменьшением количества возможных конформеров [63]. Чтобы доказать это положение, он исследовал внутримолекулярное замещение я-бромфенола (с образованием промежуточного ангидрида) в зависимости от увеличения жесткости молекулы в следующей серии соединений:

относительная

скорость образования

Отметим, что уменьшение степеней свободы на единицу увеличивает скорость реакции в ~200 раз. В случае жестких молекул реакционноспособные группы соответствующим образом расположены для реакции, и скорость реакции гораздо выше. В результате ускорение реакции — прямое следствие эффекта сближения, т. е. пространственной близости реакционных групп. Это приводит к выгодному изменению поступательной и вращательной энтропии активации. Брюс считает, что основным объяснением эффективности ферментов служит «замораживание» внутреннего вращения субстрата, а также энтропийный эффект.

Напротив, Дженкс считает, что один из наиболее важных факторов, объясняющих большое увеличение скорости во внутримолекулярных реакциях,— уменьшение поступательной энтропии (уменьшение числа степеней свободы). В ферментативных реак-

212

Глава 4

циях это уменьшение энтропии компенсируется выигрышем энергии при связывании субстрата с ферментом, что является движущей силой катализа. Другими словами, Дженкс предполагает, что, помимо уменьшения свободы вращения и снижения колебательной энтропии, за высокую специфичность и большую скорость ферментативных реакций в значительной степени ответственна внутренняя энергия связывания, выделяющаяся при образовании выгодных нековалентных связей с субстратом в каталитическом центре [64].

Изучая внутримолекулярную реакцию образования лактонов, в которой наблюдается увеличение скорости на 3—6 порядков по сравнению с бимолекулярной реакцией, Кошланд [65] предложил новое понятие — орбитальное управление. Исходя из проведенных экспериментов, он предположил, что управление реагирующими атомами может вызвать (или объяснить) высокие скорости реакции. Реагирующие группы не только должны быть сближены, но и правильным образом ориентированы. При использовании таких представлений важную роль играют эффекты и сближения, и ориентации. В более жестких молекулах реакция идет с большей скоростью. Согласно представлениям Кошланда, уменьшение поступательной энтропии имеет не столь важное значение, как это предполагал Дженкс.

CHjCHjOH

+

CH3COOH

относительная

скорость лактонитции 1

В сущности, согласно гипотезе Кошланда, повышение скорости реакции образования лактонов во внутримолекулярной реакции вызвано тем, что пути сближения реагирующих групп ограничены некоторыми вполне определенными направлениями в противоположность статистической ориентации, наблюдаемой при бимолекулярной реакции. Кошланд считает, что орбитальное управление способно объяснить, почему ферменты столь эффективны. Вероятно, ферменты выстраивают связывающие орбитали реагирующих молекул и каталитических групп с точностью, невозможной при обычном бимолекулярном столкновении в растворе. Фермент не только сближает субстраты (эффект сближения Брюса); существует еще фактор ориентации, связанный с формой электронных орбиталей реакционноспособиых атомов. Это-то и должно вызывать уникальную каталитическую активность ферментов. Удивительная каталитическая активность ферментов, следовательно, вытекает не только из нх способности приближать реагирующие атомы, но также и «направлять» орби-

Химия ферментов

213

тали этих атомов таким образом, чтобы они сближались под оптимальным углом. На примере бициклического соединения видно, каким образом «орбитальное управление» способно влиять на образование химических связей.

шменение угла при оБрозовонии у-лолгпона ± io°; большие отклонения могут еьиеоть значительное уменьшение скорости.

Однако Брюс считает, что повышение скорости реакции, наблюдаемое для многих модельных соединений, гораздо больше, чем этого можно было бы ожидать с учетом эффектов ориентации. Например, «орбитальное управление» не может служить объяснением повышения скорости реакции на 8 порядков.

Возражая Брюсу, Кошланд привел результаты, касающиеся бицнклнческих жестких молекул, содержащих атом не кислорода, а серы в качестве нуклеофильного центра [67, 68].

152 1,5 • 10"2 2,9 «КГ* 3 ¦ 10"»

Приведенные выше результаты показывают, что полученные константы скорости не всегда согласуются со структурной

214

Глава 4

жесткостью, хотя группы находятся на одинаковом расстоянии. Большое различие в скорости (иа ~ 102—104) наблюдается меж-жду бнцнкло-[2.2.2] - и бпцпкло- [2.2.1] -системами, причем во второй из них реакционноспособные группы находятся лишь несколько дальше. Поэтому орбитальная ориентация должна быть различной и обусловливать различие в скоростях реакций.

Тиолактонизацпя протекает с особенно низкой скоростью. В этом случае ориентация менее выгодна, чего н следует ожидать из-за искажения электронных орбнталей. Сходным образом при замене гидроксплыюй группы активного остатка серпна фермента субтилнзпна на SH-группу активность этой протеазы существенно уменьшается. Такая замена (О -*¦ S) оказывает существенное влияние (снижая) на константу скорости деацплнрованпя ацплфермен-та [69]. Кошланд считает, что подобного ингибирования можно было бы ожидать в том случае, если орбитальная ориентация имела бы важное значение.

Слсдовате.ьно «орбитальное управление» объясняет высокие скорости некоторых*-внутримолекулярных реакций, используя понятия благолрнятиой ориентации орбнталей, подвергающихся ре-гнбрнднзанин в переходном состоянии. Однако ие очень понятно, каким образом влияние этого фактора можно отделить от влияния других структурных факторов. В настоящее время существует больше аргументов против того, чтобы приписывать орбитальному управлению решающее значение. Например, эффективная концентрация соседних групп принимается равной 55 моль/л; это соответствует концентрации чистой воды. Считают, что при этом существенно недооценивается вклад поступательной энтропии (согласно предположению Дженкса) в эффективную концентрацию [70]. Хотя некоторое необходимое перекрывание орбнталей должно происходить в переходном состоянии, оно соответствует изменению ориентации не больше чем на 10°. Такое искажение способно вызвать угловое напряжение (не больше 11 кДж/моль, т. с. 2,7 ккал/моль) связи между углеродными атомами [58].

Вопрос о том, возникает ли эффект ориентации вследствие орбитального управления или же благодаря устранению невыгодных конформационных состояний, имеет значение лишь потому, что, согласно первой концепции, орбитальное управление влияет на переходное состояние, тогда как второй эффект возникает вследствие ограничения возможных основных состояний. Из полученных данных совершенно ясно, что сближение внутримолекулярного нуклеофила с реакционным центром может привести к значительному увеличению скорости реакции. Согласно точке зрения Брюса, преимущество внутримолекулярных реакций имеет энтропийную природу вследствие ограничения числа степеней свободы в основном состоянии. Дискуссия Брюса и Кошланда составляет часть более обширного вопроса о том, почему внутримолекулярные реакции столь выгодны. Истина, вероятно, заклю-

Химия ферментов

215

чается в сочетании этих и других эффектов. В разд. 4.6 мы увидим, что соответствующая ориентация свободных орбитален является важным стереоэлектронным требованием, позволяющим объяснить увеличение скорости в реакциях гидролиза.

Помимо эффекта сближения и эффекта ориентации следует учитывать также третий фактор — стерическое сжатие. Тем не менее эти факторы не объясняют повышения констант скорости реакций по крайней мере еще в 102—104 раз. Среди возможных объяснений следует упомянуть электростатическую стабилизацию переходного состояния и снятие напряжения в основном состоянии. Следует учесть и такой фактор, указанный Бендером, как сзамораживание субстратной специфичности». Примером этого служит «ароматическая полость» в а-хнмотрипсине (см. ниже), создающая благоприятную стерическую ситуацию для боковой цепи аминокислоты субстрата.

В общем энтропия — один из важнейших факторов в ферментативном катализе. Когда химическая реакция протекает в растворе, катализатор и молекулы субстрата должны тесно сблизиться, что приводит к большому уменьшению энтропии. Однако можно считать, что для понимания химизма ферментативной реакции можно ограничиться изучением ферментсубстратного комплекса, в котором каталитические группы кооперативно действуют на одну и ту же молекулу. Таким образом, в переходном состоянии отсутствует потеря поступательной и/или вращательной энтропии. Из этого следует, что эффективная концентрация каталитических групп фермента очень высока по сравнению с бимолекулярными реакциями в растворе, что приводит к выигрышу энтропии, который компенсируется энергией связывания фермента с субстратом. Другими словами, вращательная и поступательная энтропии уменьшаются при образовании ферментсубстратного комплекса, а не во время последующих стадий каталитического акта [58].

4.3. Полифункциональный катализ и простые модели

Для объяснения ферментативного катализа было использовано еще одно фундаментальное представление, а именно бифункциональный или полифункциональный катализ. Другими словами, с субстратом взаимодействуют несколько функциональных групп активного центра, так что %меет место сопряженный катализ.

Одно из первых исследований такого катализа [71] в растворах было посвящено изучению скорости мутаротации О-тетра-метил-о-глюкозы в присутствии а-пиридона. Раствор а-пиридона (Ю-3 моль/л) был в 7000 раз эффективнее, чем раствор фенола и пиридина в эквивалентной концентрации.

Для объяснения этого явления был предложен сопряженный механизм, при котором катализатор одновременно действует и<

страница 37
< 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
(11.12.2017)