Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

ем натриевый насос, функция которого сводится к поддержанию высокой внутриклеточной концентрации К+ и низкой концентрации Na+. Кальций, по-видимому, также активно выводится из клеток. В этих случаях энергия для переноса обеспечивается за счет гидролиза АТР. Однако диффузия Сахаров и аминокислот к важнейшим клеточным объектам — пример простого опосредованного пассивного переноса.

5.1.3. Ионофоры

Теперь можно будет упомянуть о важной роли некоторых природных хела-гообразующих агентов — ионофоров. На рис. 5.5 приведены некоторые примеры таковых. Все они — полимерные соединения, содержащие амидные, простые эфирные и сложноэфирные связи, причем большинство этих соединений циклические. Ионофоры обладают свойством селективно связывать ионы металлов и осуществ лять перенос через мембраны [151].

Ион (катион) слишком гидрофилен, чтобы эффективно проникать через толстый (~10 нм) гидрофобный слой липидов и липопротеинов, входящих в состав природных и искусственных мембран. Однако селективно связываясь с полярными группами, находящимися внутри макропиклического кольца, катион оказывается покрытым гидрофобной оболочкой, что позволяет ему легче проходить через мембрану.

Природные ионофоры найдены в основном в микроорганизмах, и многие ич них используются как антибиотики. Образуя комплексы с ионами металлов, они, очевидно, нарушают систему контроля ионной проницаемости в биологических мембранах. Например, антибиотик нонактин переносит ионы натрия в бактерии до тех пор, пока создающееся осмотическое давление не вызовет разрушения клеточной стеики. Валиномицин селективно связывает ионы К+, для которых клеточные мембраны обычно непроницаемы. В отличие от валиномицина анта-манид — декапептид, содержащий только L-аминокислоты, — имеет полость связывания другой геометрии, и он преимущественно связывает ионы Na+, а не К+-Нигерицин также вызывает эффект, противоположный действию валиномицина п его аналогов, причем при связывании ионов металла происходит обратимое замыкание кольца. Помимо переноса ионов ионофоры, по-видимому, участвуют и в других ингибиторных процессах в клетке, таких, как контроль переноса гормонов через мембраны, регуляция метаболических процессов и проникновение ней ромедиаторов в нервные клетки.

Интересно, что некоторые ионофоры содержат аминокислоты с D-конфигура-цией. Такого не было обнаружено в высших организмах.

Моделирование ферментативных систем

283

[Вдохновленные открытием в 60-х годах природных ионофоров, химики с ус-хом синтезировали ряд соединений, состоящих из природных фрагментов, спо-1ых связывать неорганические и органические ионы. Приведем лишь один при-Блаут [152] сообщил о разделении энантномеров солей D- и L-аминокислот

3, 4) (рис. 5.6). (±)-Рго-

о

н

N

О-

OR*

Н

С1®

|комплексах с цикло-(L-Pro-Gly) „-пептидами (п 3z-HCl, Phe-OMe-HCl или jil-OMe-HCl смешивали в хло-1форме с циклопептидом и полу-рные комплексы анализировали [годом 18С-ЯМР. Образовывались астереомерные пары комплексов, (наблюдаемые резонансные сиг-¦i были приписаны различным ¦нтационным эффектам, связан-

¦ с комплексообразованием D-№ L-аминокислот. ПНа рис. 5.6 показано, что свя-двание происходит с участием бтырех карбонильных групп гли-ниовых остатков, ориентирование внутрь кольца и образующих

рдородные связи с а-ИНз-группой опорной молекулы, находящейся центре полости. Соединения паута, хотя и напоминают по уктуре ионофоры, функцио-ьно ближе к соединениям |ама.

Заканчивая обсуждение систем Крама и Блаута, отметим, что в ближайшем Ьущем подобные системы найдут применение в синтезе диссимметричных моле-

¦ Ьутем асимметрической индукции прохиральных молекул.

Рис. 5.6. Комплекс цикло-(L-Pro-Gly)4 с эфиром аминокислоты [152].Воспроизведено с разрешения. © 1974 by the American Chemical Society.

i. Мицеллы

ЩПоверхностно-активные вещества (ПАВ) представляют собой бифильные единения, т. е. они обладают гидрофобными и гидрофильными свойствами (пре-расный пример — моющие средства). В растворе такие низкомолекулярные элек-ролиты образуют ионные пары с противоионами. По мере увеличения концен-рации мономера образуются кластеры, а затем и низкомолекулярные агрегаты.

конце концов возникают крупные агрегаты, называемые мицеллами [153— 68]. Мицеллообразование мономерных поверхностно-активных веществ наблю-аеТся, когда концентрация их превысит так называемую критическую кон-ентрацию мицеллообразования [ККМ]. В общем случае ККМ варьирует от Ю-2 Ю-4 моль/л, и при повышении концентрации проводимость раствора резко еияется.

Чаще всего мицеллы имеют сферическую форму. В полярном растворителе, аком, как вода, гидрофобные углеводородные цепи поверхностно-активных ве-вств сосредоточены внутри сферы, по поверхности которой распределены по-ррные или ионные «головки», ориентированные в иаправленин противоионов, Сходящихся в водном растворе. Объединяясь вместе, гидрофобные группы обеспечивают благоприятное изменение энтропии, так как при этом молекулы воды *Уходят» из водноорганической интерфазы и гидрофобные группы приобретают ^значительную свободу движения внутри мицеллы. Именно это увеличение энтро-¦Ии приводит к благоприятному изменению свободной энергии при мицеллообра-Врвании.

На рис. 5.7 приведена идеальная сферическая модель мицеллы. В результате "Иделлообразования с помощью такого ПАВ, как додецилтриметиламмонийбро-

284

Глава 5

мид, возникают положительно заряженные поверхности, образованные катион, ными «головками» ПАВ. Под действием кулоновских сил притяжения ионы бро. ма собираются вблизи четвертичных атомов азота. Вокруг мицеллы формируется так называемый слой Штерна, где и проявляются наиболее интересные особенно, сти химии мицелл. Внутри мицелла содержит очень мало молекул воды и обра-зует углеводородное ядро. Именно это различие в полярности между внутренней частью и поверхностью делает мицеллы сходными с глобулярными белками. По. лярность мицеллярных поверхностей в общем случае близка к полярности белков и занимает промежуточное положение между водой и этанолом. Поскольку активный центр фермента, очевидно, вовсе не полярен, даже когда фермент раство-рим в воде, весьма полезно и необходимо изучение мицелл [154, 155].

слой Штерна,соЭержащий „головки" и „связанные'1 противоионы

Эиффуэный Эвойнг/й слой Гуи-Чепмена, соЭержащий. „несвязанные" противоионы

Рис. 5.7. Идеальная сферическая модель ионной мицеллы в поперечном сечении [156]. Воспроизведено с разрешения. © 1977 by the Chemical Society.

Хорошо известно, что органические соединения, особенно иеполярные, мопт абсорбироваться иа поверхности или внутри мицелл. Это приводит к увеличению их растворимости в водных растворах и часто к изменению химической активности. В то же время именно мицеллы, а не индивидуальные молекулы ответственны за изменение скорости органических реакций в водных растворах, содержащих ПАВ. Следовательно, удачный выбор поверхностно-активного вещества может способствовать увеличению скорости в 5—1000 раз по сравнению со скоростью реакции, протекающей в его отсутствие. В зависимости от типа мицелл создается повышенная концентрация ионов Н+ или ОН- в слое Штерна, что и обусловливает увеличение скорости реакции. Другие основные или нуклео-

ильные группы в мицелле также должны оказывать каталитическое действие.

ораздо более слабые взаимодействия между мицеллой и противоионамн существуют в более широком слое Гуи — Чепмена, ширина которого (от поверхности мицеллы) составляет несколько сотен ангстрем; в этом слое содержание ионов меняется плавно( плавный градиент ионов).

Увеличение скорости наблюдалось для катионных, анионных и неионных мицелл.

Например, бис-2,4-динитрофенилфосфат быстро гидролизуется при рН 8 в присутствии катионных мицелл. Анионные мицеллы ингибируют эту реакцию из-за отталкивания отрицательно заряженным продуктом и конкуренции с отрицательно заряженным ионом ОН-, который участвует в реакции.

Моделирование ферментативных систем

285

0,N

^N62

О

+ 02N-Q-0-P"09 ^N02 О9

I С другой стороны, цвиттер-ионные мицеллы (обычно неэффективные катализаторы) оказываются эффективными в следующей реакции декарбоксилирования [154]:

/=\ XN /=\ „CN

N

соое

0"СН^ 5bWoO-CHi_CN

+

со2

Объяснить это можно следующими благоприятными кулоновскими взаимодействиями:

СОО9 СОО9 СОО9 СОО9 N СОО6

СН—CN СН,

сн.

С CHj

--l9---ffl I

СН — N—

Следовательно, многие особенности кинетики реакций в мицеллярных систе-¦х сближают их с реакциями, протекающими в монослоях и на поверхности "олиэлектролитов.

Широкоизвестное поверхностно-активное вещество додецилсульфат натрия l3(CH2)nSOiNa+ (ДСН) образует сферы, содержащие от 50 до 100 молекул. Инициал между мицеллой и раствором составляет 50— 100 мВ, и важ-Юшими факторами, обеспечивающими стабильность мицелл, оказываются силы ¦ектростатических и гидрофобных взаимодействий.. ДСН часто используют для ?натурации белков, у которых аналогичные электростатические и гидрофобные взаимодействия участвуют в формировании третичной структуры.

Ниже приведены мицеллообразующие системы, в которых по-ррхностно-активное вещество опосредует катализ, но само по себе

284

Глава 5

мид, возникают положительно заряженные поверхности, образованные катион, ными «головками» ПАВ. Под действием кулоновских сил притяжения ионы бро. ма собираются вблизи четвертичных атомов азота. Вокруг мицеллы формируется так называемый слой Штерна, где и проявляются наиболее интересные особенно, сти химии мицелл. Внутри мицелла содержит очень мало молекул воды и обра-зует углеводородное ядро. Именно это различие в полярности между внутренней частью и поверхностью делает мицеллы сходными с глобулярными белками. По. лярность мицеллярных поверхностей в общем случае близка к полярности белков и занимает промежуточное положение между водой и этанолом. Поскольку активный центр фермента, очевидно, вовсе не полярен, даже когда фермент раство-рим в воде, весьма полезно и необходимо изучение мицелл [154, 155].

слой Штерна,соЗержащий „головки" и „связанны

страница 49
< 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
(29.05.2017)