Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

г. с помощью рентге-оструктурного анализа [108]. В отличие от cx-химотрипсина по одной стороне эллипсоидальной молекулы лизоцима проходит глубокая щель для связывания субстрата. Щель разделена на 6 участков ABCDEF. Остаток NAM может связываться только в участках В, D и F, тогда как остатки NAG синтетического субстрата могут связываться со всеми участками. Связь, которая подвергается расщеплению, находится между участками D и Е.

НО.

НО.

хо

Glu-35

н

О

Q

О.

NH 1с

о® х>

>гг'

с

н

е0

он

н

г к-°

Ac V

но.

Ac V-

О^

н

он

NH

(соль! донная пара

Ас О® ХУ

Карбоксильная группа Glu-35 в моноионизованнон форме и |йрбоксильная группа Asp-52 в ионизованной форме—именно они Участвуют в работе активного центра.

Glu-35 выполняет роль обще кислотного катализатора, а ljlsp-52 путем электростатического взаимодействия стабилизирует

240

Глава 4

промежуточный оксокарбониевый ион, который помогает образованию положительного заряда на аномерном атоме углерода. Интересно, что интермедиат принимает конформацию полукресла, чтобы устранить напряжение, возникающее в переходном состоянии, имеющем характер в/Я-гибридного состояния (двойная связь в цикле). Такое структурное изменение субстрата дает возможность уходящей группе оторваться (кольцо Е) при стереоэлектронном контроле (разд. 4.6). Механизм действия лизоцима также хороше иллюстрирует концепцию, выдвинутую в 1948 г. Полингом: «Активный центр фермента комплементарен переходному состоянию

лизоцим

NAG NAM NAG NAM NAG NAM

Рис. 4.5. Структура гсксасахарида, связывающегося с активным центром лизоцима. При связывании с ферментом происходит искажение сахарного кольца D в субстрате и катализу способствует образование оксокарбониевого иона. Это приводит к образованию полярного переходного состояния. Тем не менее важное свойство фермента заключается в его способности стабилизировать (нейтрализовать) фермеитсубстратный комплекс путем электростатического взаимодействия ^"с аминокислотными остатками в активном центре.

реакции, которую он катализирует», т. е. фермент приспособлен более эффективно связывать промежуточное соединение при переходе между субстратом и продуктом реакции, чем сам субстрат! в основном состоянии [349] -

Выполнено очень много теоретических работ с целью оценки энергии связывания субстратов с ферментами. Многообещающие! результаты получили Шерага и сотр. [ПО]. Вычисляя конформа-ционную энергию, они находили наиболее выгодные модели связывания олнгомеров p-D-N-ацетилглюкозамнна (NAG) с активным центром лизоцима. Для этого при минимизации энергии учитывались конформационные изменения и взаимные перемещения субстрата и боковых цепей фермента. Было обнаружено, что лизоцим] связывает левой частью щели активного центра преимущественно два последних остатка (NAG)6, что согласуется с ранее получен-1 ными рентгеноструктурными данными [109]. Вычисления показали также, что N-ацетильная группа в NAG-олигомере играет важную роль, обеспечивая достаточное взаимодействие с ферментом; таким образом объясняется и факт, что олнгомеры глюкозы связываются,! проявляя гораздо меньшее сродство.

Изучение искажений субстратов может, разумеется в модельный соединениях, привести к важным выводам как о механизме, так и

Химия ферментов

241

о скорости реакции. Например, изучена реакция гидролиза следующих ацеталей [111]:

а

о—сн,—о—сн,

СООН

а

г он

он

СООН

Наличие о-карбоксифенильной группы увеличивает по сравнению с иара-изомером скорость реакции гидролиза в 104 раз в ряду глюкозы и в 600 раз в ряду других, более простых молекул. Однако роль карбоксильной группы в механизме последней реакции остается неясной. Опять-таки изучение реакции в 2Н20 показывает, что в переходном состоянии имеет место миграция протона.

При этом возможны три внутримолекулярных механизма: два из них включают нуклеофильную атаку карбоксилатом и один — внутримолекулярный общекислотный катализ.

о—сн2—о—сн3

; •

ООО6

О

о +

сн3он

сх0И

Ч^^соон +

н н

2)

с^-о-снз соое

он

с^ сн2—оснэ

продукты

242

Гшва 4

СН2—ОСН3

3)

СОО оксокарбониееый

О

Однако первый механизм не реализуется, потому что цикличе! ский промежуточный продукт, синтезированный другим способом, стабилен в условиях реакции. +

Второй механизм включает миграцию СН2ОСН3. Однак! в ультрафиолетовых спектрах не наблюдается изобестических точек *, что должно бы иметь место при таком механизме.

Последний, третий, механизм наиболее предпочтителен. Д| известной степени он сходен с механизмом действия лизоцима, потому что карбоксильная группа ведет себя как общекислотный катализатор (Glu-35) и СН30-группа соответствует кислороду глюкозного кольца.

Наконец, следует упомянуть, что участие соседних карбони сильных групп в гидролизе амидов также имеет значение для понимания ферментативного гидролиза амидов. Один из таких ферментов — кислая протеаза пепсин из желудочного сока; механизм ее действия включает общекислотный катализ. Куногер и Лам синтезировали фиксированные модельные соединения, что-] бы изучить участие карбоновой кислоты в гидролизе амидов [112]. Они обнаружили, что аииловые производные эндо-^ис-5-норборнена соответствуют критериям жесткого геометрического сближения взаимодействующих функциональных групп.

Это фиксированные субстраты, поэтому энтропийный барьер образования промежуточного продукта минимален. Для этих соединений легко можно наблюдать и общеосновной, и общекислотный катализ в широком диапазоне рН.

* Изобестические точки — это точки равной амплитуды при дайной длин! волны, которые появляются при наложении трех или большего числа спектров системы, полученных для разных концентраций. Изобестические точки наблюдаются только для систем, в которых существует равновесие между двумя спектрально различными состояниями при изменении относительного количества молекул в этих состояниях.

R

CjH*—4—OCHj С«Н4—4—CI C6H4—3'—NOt С4Н4— 4"—N02 ¦

CONHR

Химия ферментов

243

YCOOH CONHR

О

NHR

тетраэ9рический интпермеои'атп.

СООН

СООН

+

RNH2

Поскольку в кислой протеазе пепсине возможно возникнове-вне ковалентной связи между группой аспарагиновой кислоты, находящейся в активном центре, и пептидным субстратом, можно предположить образование реакционноспособного ангидрида. В активном центре доступна вторая карбоксильная группа [113], поэтому, по-видимому, имеет место механизм, подобный приведенному выше.

16. Стереоэлектронный контроль в реакциях гидролиза

После предпринятого обсуждения примеров гидролитических реакций и гидролиза ацеталей ферментами можно только удивляться, насколько важную роль в этих превращениях играет стереохимия продуктов и реагирующих соединений.

Именно этой проблеме посвящен настоящий раздел, где за основу принята сравнительно новая концепция органической хи-мт, стереоэлектронного контроля, предложенная Делоншамом [114, 115]. Эта концепция учитывает свойства правильной ориентации орбнталей при расщеплении тетраэдрического интермедиата в гидролитических реакциях и совершенно отличается от гипотезы «орбитального управления» Кошланда, в которой правимое расположение орбнталей способствует образованию тетраэдрического интермедиата. Обсудим с этих позиций расщепите тетраэдрического интермедиата при гидролизе эфиров и амидов.

Считается, что обычный механизм гидролиза эфиров и амидов проходит через образование тетраэдрического интермедиата. илоншам предположил, что конформация этого тетраэдриче-схого интермедиата (гемиортоэфир из эфира и гемиортоамид из ^иида) весьма важна для понимания реакции гидролиза.

244

Глава 4

О II

R—С—X + II OR'

R—С—X

ОН "1

R—С—OR' + Н—X

О

X = OR

NR/'

или

uau

алкил

R' = И"

. OR'

тпетраэЭрический интермеяцат

С 1971 г. Делоншам развивал новую стереоэлектропную теорию, в которой точная конформация тетраэдрического интермедиата играет основную роль. Другими словами, стереохимия и ионное состояние тетраэдрического интермедиата, ориентация свободных электронных пар и относительные энергетические барьеры расщепления и молекулярного вращения являются ключевыми параметрами в стереоэлектрошю-контролнруемом расщеплении тетраэдрического интермедиата, образующегося при гидролизе амидов и эфиров. Постулировано, что точная конформация тетраэдрического интермедиата передается продукту реакции и что специфическое разложение такого интермедиата контролируется ориентацией свободных электронных пар гетероатомов.

трянс-Конформер (две группы R направлены противоположно друг другу), участвуя в реакции, требует более низких энергетических затрат, чем гош-конформер, который не может эффективно конкурировать в процессе расщепления. Следовательно, расщепление проходит под стереоэлектронным контролем тогда и только тогда, когда два гетероатома промежуточного соединения, каждый из которых обладает одной свободной электронной парой, ориентируются антиперипланарно к уходящей О-алкильной или N-алкильной группе.

Этот постулат получил экспериментальные доказательства при изучении четырех видов реакций, а именно: окисления аце-талей озоном, кислотного гидролиза циклических ортоэфнров, конкурентного углеродно-кислородного обмена и гидролиза эфиров с использованием |80-метки и, наконец, основного гидролиза Ы.М-диалкилиров'анных солей иминоэфнров основаниями. Рассмотрим кратко результаты трех последних экспериментов. Затем мы постараемся использовать эту концепцию при рассмотрении гидролиза эфирных и амндпых субстратов сериновыми про^ теазами.

R'O

X =

OR", NR2"

транс

гсш

Химия ферментов

245

Ц.1. Гидролиз иртоэфиров

Кислотный гидролиз ортоэфиров приводит к промежуточному гемнортоэфнру, который расщепляется па эфир н спирт.

OR' ОН I

R'O—С- OR'

-> R—COOR' + ROH

-> R'O-С- OR' I

R R +

ROH

Для циклического ортоэфира можно написать похожее уравнение:

/-о ,OEt

ex

OEt

Of

а—ОН ( COOEt

:oei x

+ ЕЮН

О

+ ЕЮН

Промежуточный гемиортоэфнр разлагается совершенно специфическим образом, с образованием оксиэфирэ, так что не обнаруживается никаких сл

страница 42
< 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
(25.05.2017)