Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

е'1 противоионы

Эиффуэный Эвойной 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:

С009 С009 С009 С009 N соое

СН—CN СН,

сн.

с сн4

--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. И'енциал 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

286

Глаза Б

не участвует в реакции. Например, N-ацетилгистидин может осуществлять гидролиз и-нитрофениловых эфиров через образование ацилимидазольного интермедиата.

f~\ /СООН *? NH—С—СН3

у-ч *

02N—( /—О—С—R

с°

Нуклеофильность имидазольного кольца относительно эфирной группы увеличивается, если система находится в мицелляр-ной форме, т. е. в присутствии додецилсульфата натрия, что связано с благоприятной повышенной концентрацией катализатора и субстрата в мицелле.

Известно, что цианид-ионы реагируют с н-алкилпиридиние-выми солями:

Однако скорость этих реакций значительно возрастает в присутствии катионных ПАВ: чем длиннее алкильная цепь, тем выше екорость. Это означает, что в данной реакции увеличение скорости замещения обусловлено в основном гидрофобными взаимодействиями.

Цианид-ионы также могут присоединяться к 3-карбамоилпи-ридинийбромиду (аналогу NAD+).

R R

R - С16Н33

При содержании цетилтриметиламмониевых солей [СНз-(СНг)15—N+(CH3)3] 0,02 моль/л константа скорости присоединения CN- к N-гексадецильному (R = С^Нзз) субстрату увеличивается в 950 раз, а соответствующая константа ассоциации — в ~ 25 ООО раз [159]. Отметим, что в ходе реакции заряженный

Моделирование ферментативных систем

287

f so3e г-

'Эи-2.-этилаексилсильфосикцинат натрия

субстрат становится нейтральным, так что продукт реакции будет переориентирован и втянут в объем мицеллы. Гидрофобные взаимодействия делают реагент менее устойчивым, чем продукт, Наесть основание полагать, что сильное увеличение скорости атаки CN~-hohom вызвано присутствием поверхностно-активного вещества. В результате в мицеллярной системе равновесие смещается в сторону образования продукта. ¦Следует также упомянуть об обращенных мицеллах [160]. Сульфосукцинатные ПАВ, растворенные в октане, образуют обращенные мицеллы, в объем которых может включаться довольно большое количество воды (50 молей на 1 моль растворенного вещества).

I Менджер [160] для описания природы образующейся внутри обращенных мицелл полости выдвинул концепцию «водных пулов». При добавлении и-нитрофенилацетата в присутствии ими-дазола к такой мицеллообразующей системе происходит 53-кратное увеличение скорости гидролиза ацетата по сравнению с той же реакцией в воде. Очевидно, имидазол, находясь в мицелле, способен очень близко подходить к субстрату и катализировать его гидролиз. Следовательно, удивительное свойство обращенных мицелл увеличивать скорость реакций может быть приписано благоприятной ориентации субстрата в объеме мицеллы; при этом перенос протона может содействовать разрыву связи. I Додециламмонийпропионат (ДАП) в бензоле при концентрации 0,10 моль/л также образует обращенные мицеллы, причем концентрация воды в объеме мицелл может достигать 0,55 моль/л. На этой системе Фендлер изучал протонирование пирен-1-карбо-новой кислоты, используя метод флуоресценции с наносекундным •временем разрешения [161]. Самым поразительным среди наблюдавшихся явлений оказалась необыкновенно высокая константа скорости протонирования карбоксильной группы в водном пуле ¦ ~10-'2 л-моль-1-с-1), образованном поверхностно-активным ве-Вцеством. На рис. 5.8 приведена модель такой системы сверхбыстрого переноса протона в обращенной мицелле, возможного только в том случае, если донор и акцептор расположены очень близко друг к другу. ДАП частично гидролизуется до пропионо-вой кислоты, которая втягивается в водный пул, а перенос

288

Глава 5

протона происходит в гидратной оболочке поверхностно-активного вещества.

Предполагается, что каталитическая эффективность ферментов связана с передачей заряда и протона через водородные связи; в этом отношении обращенные мицеллы являются подходящей моделью для установления влияния подобных факторов на

Рис. 5.8. Предполагаемая модель сверхбыстрого переноса протона в гидратной оболочке, образованной головками ПАВ, обращенной мицеллы ДАП в бензоле. Поскольку ПАВ присутствует в концентрации, значительно превышающей концентрацию субстрата, перенос протона должен происходить от додециламмоний-пропионовой кислоты к пирен-1-карбоксилату. Для наглядности изображены два пиреновых остатка в одной мицелле. На самом деле в среднем на одну мицеллу приходится гораздо меньше, чем одна молекула субстрата. Затененная область — водный слой, гидратирующий головки ПАВ [161]. Воспроизведено с разрешения. © 1978 by the American Chemical Society.

активный центр фермента. Поверхности мицелл обеспечивают также удобное средство ограничения пространства, что способствует увеличению скорости реакции. Они также служат хорошими моделями для демонстрации возможности сверхбыстрого переноса протона в условиях, когда реагенты находятся в соответствующем окружении, таком, как поверхности мембран и другие сложные биомакромолекулы.

Известны также мицеллы с «привязанными» к ним каталитическими группами; такие мицеллы могут действовать как катализаторы. Например, сложные эфиры и эфиры угольной кислоты

Моделирование ферментативных систем

289

гут гидролизоваться поверхностно-активными веществами, производными N-ацилгистидина [162].

О

Вге

субстрат (карбонат)

Юн Ы-додецил-Ы',Ы'-диметиламиноэтилкарбоната гидроли-^ется в 2240 раз быстрее в присутствии изображенного ниже Поверхностно-активного вещества, чем в присутствии N-ацилги-(тидина.

-NH—СН

ооое

катализатор (М-йцилгистиВин)

|В связи с этим упомянем, что получены многочисленные ми-Ьллярные аналоги сернновых протеаз [131]. Однако цистеино-вые протеазы, такие, как папаин и фицин, смоделированы лишь *едавно [163].

н © " »NH3

2С19

CH2SH

ПАб с каталитической тиольной группой

.Приведенная выше содержащая цистеин длинная yглeвoдopoДi кая цепь образует мицеллы при содержании 0,003—0,05 моль/Л; константа скорости гидролиза n-нитрофенилацетата в присутствий ртого ПАВ соответствует реакции псевдопервого порядка. Это поверхностно-активное вещество в 180 раз активнее, чем цетилтри-гетиламмонийхлорид — мицеллообразующая система, не содержащая каталитических групп.

^Наглядным примером миЦеллярного катализа [164] служи! ацилоиновая (бензоиновая) конденсация й присутствии N-лауриЛ-тиазолийбромида (разд. 7.3):

а

СНО r-n3 «г»

-ели R — бутил, реакция не идет; если R — додецил, образуются .Мцеллы, молекулы бензальдегида интеркалируют в них и выход ¦родукта достигает 95%.

Ю Зак 549

Подводя итоги, скажем, что значительные каталитические эф. фекты наблюдаются при включении реагентов в мицеллы, тем самым увеличивается эффективная концентрация реагентов и уменьшаются энтропийные потери в переходном состоянии благодаря улучшению условий протекания реакции. Из других полезных свойств мицеллообразующих систем можно отметить следующие:

а) благоприятные гидрофобные взаимодействия;

б) моделирование в определенном приближении процессов с участием ферментов и мембранных процессов (каталитического эффекта фосфолипидных везикул);

в) силы, удерживающие мицеллы, аналогичны силам, стабилизирующим третичную структуру белков;

г) увеличение локальной концентрации ионов усиливает каталитический эффект;

д) скорость реакции в присутствии ПАВ в некоторых слу

страница 50
< 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
(22.10.2017)