чаях увеличивалась в ^ 1000 раз по сравнению с контрольной.

Однако достичь большего увеличения скорости реакции с помощью мицелл трудно из-за неопределенности структуры их реакционного центра. Поэтому их применение как биохимических моделей ограниченно, что объясняется следующим:

а) структура мицелл недостаточно известна;

б) структура зависит от концентрации поверхностно-активного вещества и субстрата;

в) нельзя ожидать жестких ориентационных эффектов, если только не будут получены поверхностно-активные вещества, иммобилизованные на полимерном носителе;

г) ничего не известно об относительной ориентации активных Групп.

Таким образом, мицеллы в настоящее время остаются очень несовершенными Моделями ферментов,

5.2.1. Стереохимическое узнавание

Что можно сказать о стереохимичесКом узнавании? До сих пор Мицеллы лишь нескольких оптически активных ПАВ были использованы в качестве катализаторов в некоторых реакциях с хираль-ными субстратами, но в общем эффекты оказывались небольшими. Приведем здесь два примера, когда хиральные мицеллы могут стереоселективно катализировать гидролиз хиральных эфиров.

Катионные ПАВ, полученные из аналогов d(—)-эфедрина, обнаруживают различную каталитическую эффективность при гидролизе n-нитрофениловых эфиров d- и ь-миндальной кислоты [165]. Для d(—)-изомера ПАВ гидролиз рацемической смеси протекает медленнее, чем гидролиз энантиомеров; можно предположить, что в каждую мицеллу включается больше одной молекулы субстрата. Следовательно, энантиомерная молекула субстрата нарушает мицеллярную структуру и образующийся комплекс

Моделирование ферментативных систем

291

Ьявляет уже существенно различную активность к каждому из ух энантиомеров.

сн—соо

I

ОСН,

N02

о(-)-эфир миноальной кислоты ц+)-эфир минВальной кислоты субстраты

СН3 Вге

I •

\\ //-СН—СН—N—R

ОН СН3 СН3 R = СюН21

= C,jH,5

о(-)-.изомер ЛАВ

J За освобождением и-нитрофенола при 25°С, рН 9,0 в 0,01 М ратном буфере, содержащем 0,5% диоксана, и концентрации Тбстрата Ю-3 моль/л можно наблюдать спектрофотометрически

Ьс. 5.9).

я(-)-зфир

X (+)- эфир

к А 6 в

Концентрация ПАВ* 10s, моль/л

ис. 5.9. Селективный гидролиз эфира миндальной кислоты хиральной мицеллой

[165].

I Происходит стереоселективный гидролиз эфира d(—)-миндаль-ой кислоты в смеси с ь(+)-энантиомером. При высокой концен-рации ПАВ наблюдается некоторое ингибирование, вероятно из-за (присутствия противоионов (солевые эффекты).

Еще более наглядные результаты (вновь исследования Бантона) [166] получены при использовании оптически активной ь-гистидил-,катионной мицеллы. При этом для гидролиза аминокислотных

10*

292

Глава 5

производных наблюдалась еще большая стереоселективность (в ~3 раза выше, чем в предыдущем примере).

1 осноесжие

2) С„Н„Х

О / О

Б-калролашам

СН,

11 HjO® 1) CHjBr

L-His-OCHj

СНз-ВДГГуЭ ^(СНз)з (CHACOOHN(CH3)3

сС

С выходом 33% образуется одкн энантиомер этого ПАВ, который действует как мощный катализатор реакции деацилировапия и-нитрофенил-2-фенилпропионата в 0,02 М фосфатном буфере при рН 7,4 и 25°С:

..О

СН3—СН—С

Скорость реакции зависит от рН; это говорит о гом, чго участвующая в катализе группа имеет рД' в диапазоне 6,4—7,5. Для R- и 5-изомеров наблюдается увеличение скорости в 260 и 283 раза соответственно по сравнению со скоростью реакции в буфере, не содержащем катализатора, но константы связывания одинаковы для обоих изомеров.

Еще большая стереоселективность наблюдается для N-ацетил-фенилаланиновых эфиров:

L \-съг—сн—cf /=\

I-

с=о

S-Изомер деацилируется быстрее, причем отношение констант скоростей реакций энантиомеров составляет 3:1 [рис. 5.10]. Констан-

Моделирование ферментативных систем

293

связывания опять оказались одинаковыми для обоих энантио-LepoB, так что различие в скоростях объясняется, по-видимому, Значениями AG стадии образования переходных состояний для |нантиомеров эфира аминокислоты.

J Поскольку начальные скорости одинаковы, стереоспецифичность [реакции зависит от переходного состояния, а не от взаимодействий

исходных реагентов. При добавлении конкурентных поверхностно-активных веществ, таких, как цетиламмониевые соли, отношение скоростей реакций для S- и /^-изомеров также сохраня-Вся равным 2—2,5 в зависимости от концентрации ПАВ. Следовательно, менно функциональные группы в ми-¦лле, а не молекулы поверхностно-ак-¦вного вещества, как таковые, обеспе-¦вают наблюдаемую селективность, причем остаток имидазола функционирует как нуклеофильный катализатор.

В таком случае структуру гипотетического промежуточного соединения,

эбразуемого хиральной мицеллой и 5-изомером, можно предстать следующим образом:

N(CH3)3 СН3

J-NH {_J И" Kmc.

^-изомер

л-изомер

Концентрация ПАВ*10, моль/л

Рис. 5.10. Селективный гидролиз N-ацетил-Рпе-эфира катионной L-гистидиловой мицеллой [166].

сн,оос

NO,

случае /?-изомера будет наблюдаться сильное отталкивание 1ежду имидазолом и фенильным остатком (кольцом).

Этот подход, основанный на использовании мицеллярной сте-реоселективности, создаваемой функциональными ПАВ, был распространен на случай расщепления дипептидных диастереомер-Шх субстратов [167].

В заключение отметим, что изменение степени сольватации и Уменьшение энтропии при образовании переходного состояния — рот два важнейших фактора, ответственных за катализ и возрастание скорости в мицеллярных системах. В этом отношении последние напоминают ферменты. Другое формальное сходство между Ферментативным и мицеллярным катализом заключается в сильном

294

Глава 5

гидрофобном связывании с субстратом. Однако oi раниченная жесткость мицелл приводит к низкой специфичности катализа и даже достигаемое увеличение скорости весьма умеренно.

Тем не менее мицеллярные системы нашли применение в фармакологии и промышленности, в частности при эмульсионной полимеризации. Более того, химики-органики, занимающиеся синтезом, часто сталкиваются с проблемой осуществления реакции между нерастворимым в воде органическим соединением и водорастворимыми реагентами (ОН", Мп04", Ю4", ОС!" и др.). Использование поверхностно-активных веществ может облегчить решение этой проблемы: с помощью двухфазных реакций, в которых поверхностно-активное вещество диспергирует органическую жидкость в воде, обеспечиваются более высокие выходы и более короткие времена протекания реакций [157].

5.3. Полимеры

Ферменты — это сополимеры, состоящие из различных аминокислотных мономеров. Поэтому легко понять, почему использованию синтетических органических полимеров для воздействия на активность низкомолекулярных соединений уделяется в последнее время все большее внимание [168]: эти реакции могут служить в качестве моделей для более сложных ферментативных процессов. Хотя полимерные катализаторы значительно менее эффективны, чем ферменты, обнаружено некоторое сходство между природными и синтетическими макромолекулярными системами. В частности, полимер с заряженными группами склонен концентрировать и/или отталкивать находящиеся вблизи него низкомолекулярные ионные реагенты и продукты, и, следовательно, он будет функционировать как ингибитор или ускоритель реакции, протекающей между двумя молекулами. Однако если к такому полимеру присоединить еще и каталитически активные группы, то уже сама молекула полимера, а не его противоионы, будет принимать участие в катализе [169, 170].

Приведем здесь некоторые примеры высокомолекулярных соединений-катализаторов, в частности содержащих имидазол, которые обладают омыляющей способностью и во многом напоминают сериновые протеазы.

Ранее проведенные исследования с полиметакриловой кислотой показали, что этот полимер может катализировать нуклеофильное замещение иона брома в а-бромацетамиде.

полимере

CONH2

69

Моделирование ферментативных систем

295

'Однако с увеличением степени ионизации этой поликислоты Ьталитические свойства полимера заметно ухудшаются.

полимеризация СООН

СООН

соое

метакрилоеая кислота

лолиметакрилоеая кислота

1Поли-4-винилпиридин обладает способностью ускорять сольво-1ИЗ 2,4-динитрофенилацетата, но константа скорости реакции уве-тичивается лишь с увеличением числа нейтральных пиридиниевых хтатков. Для катализа, по-видимому, необходимы и нейтральные, ионизированные частицы, причем последние обеспечивают элект-эостатическое связывание.

4-бинилпирийин*

полц-4-винилгшриоин

t Из двух этих примеров следует, что для функционирования полимера как эффективного катализатора должно соблюдаться [определенное соотношение между нейтральными и ионизованными' [группами в полимере. Полиметакриловая кислота и поли-4-винил-пиридин можно рассматривать соответственно как анионную и катионную смолы (по аналогии с ионообменными смолами). Лет-цингер одним из первых нашел применение способности субстрата связываться с полимерным катализатором, пользуясь концепцией электростатического взаимодействия.

¦ Овербергер с сотр. [170] показал, что виниловые полимеры, со-, держащие имидазол и бензимидазол, осуществляют кооперативные

поливинилимийазол

у полимеризация

NH

поливинилбензимиЭаэол

296

Глава 5

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 а

Рис. 5.11. Сольволиз ПНФА, катализируемый поливинилимид-азолом (1) и имидазолом (2) (28,5% этанол — вода, ионная сила 0,02, 26°С) [170].

полифункциональные взаимодействия, что также ведет к возрастанию каталитической активности полимеров по сравнению с низкомолекулярными предшественниками.

Однако эти полимеры отличаются своеобразным поведением. На рис. 5.11 приведено изменение константы скорости сольволиза

л-нитрофенилацетата (ПНФА) в вод-но-этанольном (28% С2Н5ОН) растворе поливинилимидазолом и имидазолом в зависимости от степени диссоциации а функциональных групп. При низких значениях рН имидазольное кольцо протонировано и а мало.

Ясно, что протонированное имидазольное кольцо (низкое значение а) не участвует в катализе. Очевидно, что полимерный катализатор менее эффективен при а<0,8, но более эффективен при а>0,8. Однако поскольку рК обра