Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

зования аниона имидазола ~ 14, то невозможно на этом полимере изучать поведение каталитической системы как функцию (полной) диссоциации в гидроксилсодержащей системе. Для этого лучше использовать поливинилбензимидазол, для которого рК ~ 12,2. Скорость гидролиза того же субстрата действительно резко возрастает при щелочных значениях рН. Интересно, что полимер N-винилимидазола, который не может перейти в анионную форму, гораздо менее эффективный катализатор.

При использовании анионных субстратов, таких, как 4-ацетокси-3-нитробензойная кислота (АНБК) и 4-ацетокси-З-нитробензолсульфо-нат (АНБС), наблюдаются другие кинетические зависимости (рис. 5.12). Для обоих субстратов с поливинилимидазолом как катализатором получены колоколообразные кривые с максимальной активностью, когда 75% имидазольных остатков не ионизованы (а = 0,75). Эти результаты лучше всего объяснимы, если предположить, что для связывания субстрата необходимо достаточное количество катионных центров (25%), но в то же время большая часть остатков в полимере должна быть неионизованной (75%)- Именно неионизованные имидазоль-ные кольца, по-видимому, способствуют гидролизу эфиров.

_ зоо -

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

а

Рис. 5.12. Сольволиз АНБК (2 и 4) и АНБС (1 и 3), катализируемый поливинилимидазолом (1 и 2) и имидазолом (3 и 4) (28,5% этанол — вода, ионная сила 0,02, 26°С) [170].

Моделирование ферментативных систем

297

Если при нейтральных или близких к нейтральным значениях ЬН имеет место бифункциональный катализ, т. е. взаимодействие между незаряженными имидазольными группами, то для описания [взаимодействий между полимерным катализатором и субстратом доожно предложить три механизма.

Первый из них — общий основный нуклеофильный катализ-.

Н—n

чч*-7^ь нуклеофил

^4n Х-Т0 ° OR'

Механизм общего основного катализа.

Он не может реализоваться при слишком малых рН, так как ^ервое имидазольное кольцо будет протонировано и не будет действовать как нуклеофил.

Второй вероятный механизм — общий кислотный нуклеофиль-1' ш катализ; однако из общих соображений вызывает сомнение сзможность депротонирования имидазола с помощью RO~:

Н—n никлеофил-т^

Механизм общего кислотного катализа.

Наконец, третий возможный механизм заключается в cra6w Щизации тетраэдрического интермедиата:

н—n

OR'

I Оснований для опровержения предложенных механизмов пока [нет. Однако, чтобы объяснить каталитическую роль полимера, сле-1дует учитывать два обстоятельства. Во-первых, возрастание прото-

298

Глава 5

нирования имидазольных остатков приводит к уменьшению гидрофобных взаимодействий с нейтральными и заряженными субстратами. Во-вторых, следует ожидать, что с увеличением степени протонирования полиионная частица будет находиться в более развернутой конформаций из-за отталкивания зарядов. Это затрудняет взаимодействие двух имидазольных остатков. Следовательно, эффективность катализа, по-видимому, зависит от кооперативного действия двух имидазольных колец, а не одного отрицательно заряженного кольца. Более того, в высокополярном растворителе важная роль отводится молекулам воды, которые каким-то образом могут способствовать кооперативному функционированию имидазольных колец. Действительно, значение kKar реакции в воде больше, чем в среде, содержащей 30% спирта.

Было показано, что синтетические сополимеры также проявляют каталитические эффекты, сравнимые с ферментативным катализом. С целью выяснения возможности кооперативного взаимодействия имидазольной и гндроксильной групп получен сополимер винил-имидазола и винилового спирта. Он напоминает фермент а-химо-трипсин. Однако сополимер лишь немногим более активен, чем поливинилимидазол в реакциях гидролиза эфиров.

Возможно, более четким указанием на бифункциональный катализ является сольволиз положительно заряженного субстрата иодида З-ацетокси-Ы-триметиланилина (АНТИ) сополимером ви-ннлимидазола и акриловой кислоты.

Очевидно (рис. 5.13), что при высоком содержании имидазола в сополимере не хватает анионных центров для связывания положительно заряженного субстрата. Однако при низком содержании имидазола полимерная молекула начинает вести себя как полианион. Как и ожидалось, полимерный катализатор оказался гораздо менее эффективным с нейтральными субстратами.

сополимер винилимиЭазола, и винилового спирта

сополимер винилимиЭазола и акриловой кислоты

АНТИ

Моделирование ферментативных систем

299

Каталитическая селективность сополимера к положительно [заряженному субстрату объясняется электростатическим притя-\жением между субстратом и анионами карбоксильных групп полимерной матрицы, что создает высокую локаль-Вю концентрацию субстрата вблизи нуклеофильных имидазольных групп. Jtot тип кооперативности может моде-тировать работу фермента нервной системы ацетилхолинэстеразы. Фермент катализирует гидролиз положительно кряженного субстрата — ацетилхо-1ша.

Было установлено, что синтетический полимер, содержащий длинные боковые алкильные цепи (10 мол. %), юсобен сильно увеличивать скорость какций. Клотц и сотр. [171] создали такую систему. Они присоединили

эдецильные цепи к небольшой сшитой растворимой в воде поли-гилениминной матрице (средняя степень полимеризации 600).

20 40 60 80 100

Состав сополимера, /о (моль.) винил имийазола

Рис. 5.13. Сольволиз АНТИ, катализируемый . сополимерами винилимидазола и акриловой кислоты (рН 9,0, 28% этанол-вода, ионная сила 0,02, 26°С) [170].

I

I

I

с=о

i

H,N—Г

СН

лаурилэамещенная s полиэтилениминная матрица

Г Взаимодействие этого полимера с метиленимидазолом (или хлорметилимидазолом) приводит к 15%-ному включению имида-зола в полимерный остов. Был изучен 02N 0 гидролиз фенольных сульфоэфиров (ка-Рехинсульфата). Скорость гидролиза оказалась в 1012 раз больше, чем в случае ¦Несвязанного имидазола! Значения каталитических констант для этого замечательного макромолекулярного катализатора, обладающего высокой локальной концентрацией связывающих и каталитических

-S—OR

II

ън о 4-нитрокате*инсцль<рат

300

Глава 5

групп, приближаются к значениям, наблюдаемым для гидролиза нитрофениловых эфиров сс-химотрипсином. Более того, скорости, наблюдаемые для сульфоэфиров в присутствии полимерного катализатора, в 100 раз превышают скорость гидролиза этих соединений в присутствии фермента арилсульфатаза типа НА (хотя надо отметить, что эти соединения не являются природными субстратами данного фермента).

Предложенная Клотцем и сотр. [171] жесткая макромолеку-лярная матрица, обладающая каталитическими имидазольными группами и мицеллообразующими гидрофобными участками,— самый близкий к ферментам синтетический полимер из всех полученных до сих пор. Клотц назвал его «синзимом» (синтетическим энзимом), так как его активность близка (того же порядка) к активности ферментов.

Естественно, что не все полимерные катализаторы способны в такой же степени увеличивать скорости реакций, но за последнее десятилетие работы по моделированию ферментов существенно продвинулись вперед. В ближайшие годы следует ожидать значительного развития этой области, кульминацией которого будет получение моделей, обладающих специфичностью и скоростью, присущими ферментам.

Другой изящный пример моделирования свойств биополимеров с помощью синтетических полимеров взят из работы Байера [172]. Для разделения оптических антиподов были получены хиральные полисилоксановые полимеры. В качестве прохирального полимерного остова взят сополимер поли-2-карбоксипропилметилсилоксана, октаметилциклотетрасилоксана и гексаметилдисилоксана. Чтобы создать хиральную поверхность, к этому полимеру были ковалентно пришиты аминокислоты или короткие пептиды. Для этого проводили реакцию между свободными карбоксильными группами полимера и ь-аминокислотой в присутствии ДЦГК (гл. 2). Между отдельными хиральными центрами (аминокислотами) на поверхности полимера находились силоксановые цепи определенной длины; задача состояла в создании оптимального сочетания таких свойств полимера, как вязкость и способность взаимодействовать с субстратом. Например, весьма ценным для оптического разделения является хирасил-VaI, содержащий 0,86 ммоля N-трег-бутил-ь-валинамида на грамм полимера (рис. 5.14).

Полимер-субстратные взаимодействия были изучены методом газовой хроматографии; данные использованы для определения степени рацемизации аминокислот и других природных соединений. Во всех случаях D-энантиомер рацемической смеси аминокислот элюировался из ь-аминокислотной (полимерной) фазы раньше ь-формы. Из рис. 5.14 следует, что преимущественно взаимодействует один энантиомер. Такой благоприятный стэкинг между «акцепторной» поверхностью полимера и субстратом невозможен, если субстрат имеет D-конфигурацию. Значение диметилсилоксановых

Моделирование ферментативных систем

301

(Л с н К < —-к-с-"'

V

сн3

сн2 сн3

\ '\н сн3\./ \h-4/ ^1

сн3

С^СНз

|\

I 5.14. Хирасил-Val, диастереомерный ассоциированный комплекс с N-цикло-вил-О-пентафторпропионил-ь-лактамидом [172]. Воспроизведено с разрешения. © 1978 by Verlag Chemie GMBH.

п также очевидно, так как они удерживают молекулы ь-вали-амида на некотором расстоянии друг от друга и предотвращают бразование внутримолекулярных водородных связей, что могло бы ридать полимеру квазикристаллическую структуру.

В качестве другого примера применения таких полимеров мо-» служить разделение оптических антиподов антибиотиков, антиомерный состав которых легко и быстро может быть уста-овлен методом газовой хроматографии. Усилия Байера и сотр. риблизили химиков-органиков еще на один шаг к синтезу иральных матриц с заранее заданными свойствами. Как и белки, ни могут активно взаимодействовать с энантиомерами самых раз-f>ix соединений.

ПВ заключение еще раз перечислим требования, которые предъ-вляются к полимерам, функционирующим как катализаторы. |кие катализаторы должны:

П1) создавать высокоэффективную концентрацию каталитиче-р« групп на полимерном остове;

J2) создавать мицеллоподобный участок связывания за счет рисоединенных к полимеру

страница 52
< 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
(27.04.2017)