Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

в то время как [Н+] в нейтральных условиях составляет только 10"7 моль/л. Кромке того, процесс энергетически более выгоден, так как ион металла образует с субстратом комплекс, который более устойчив, чем свободные его компоненты, поскольку ДО образования комплекса и AG^ образования переходного состояния имеют более низкие значения.

I Например, если молекула щавелевоуксусной кислоты связывается с ионом Си (II), то легко происходит декарбоксилирование:

ОН2

+ со2

352

Глава 6

Ион металла может образовывать множество связей с субстратом и оттягивать на себя их электронную плотность. Таким образом, он ведет себя как сверхкислота. Более того, такие лиганды, как СНзСОО- или ОН- (по сравнению с Н20) способны увеличивать электроположительный характер металла и повышать его эффективность. К тому же, например, Fe (III) —более эффективный катализатор, чем Fe (II), так как имеет добавочный положительный заряд.

Фермент благодаря своей жесткой трехмерной структуре образует каталитический центр, в котором и осуществляется каталитическая реакция. В то же время небольшой по размеру пептид имеет слабожесткую структуру и не обладает каталитическими свойствами. Интересно, что если ион металла связан с пептидом, то может происходить гидролиз амидной связи, аналогичный гидролизу, наблюдаемому в присутствии гидролитических ферментов. Таким образом, гидролиз амидов (и эфиров) подвержен каталитическому действию различных ионов металлов, поскольку а-ами-ногрупна и кислород карбонильной группы — два хороших потенциальных лиганда при комплексообразовании. Другими словами, координированные лиганды (пептид) приобретают удивительную активность благодаря эффекту оттягивания электронной плотности положительно заряженными ионами металла.

Со (II) и Си(II) могут инициирвать гидролиз этиловых эфиров глицина при рН 7—8, 25°С, т. е. в условиях, при которых последние обычно стабильны. Комплексообразование происходит между ионом металла М2+ и эфиром аминокислоты с образованием пятичленного хелата. Затем, как результат координации иона металла с аминной или эфирной группами аминокислоты, происходит уже и каталитическая реакция. В любом случае ион металла может увеличивать полярность карбонильной группы, вызывая тем самым атаку ОН-. Скорость гидролиза увеличивается с возрастанием рН, что говорит об участии в механизме гидроксил-иона. С термодинамической точки зрения гидролиз, по-видимому, происходит из-за того, что образующийся карбоксильный анион дает

R OEt R о

m2++h2n-ch( ,=-н2< V h2n/ XOEt

XCOOEt 2 X

- -1?

Gly: R = н M2+ M2

/СН-СГ + EtOH <— VH_C OEt

M+

Ионы металлов

353

с катионом металла более прочную координационную связь, чем ^сходный эфир.

Экспериментально установлено, что ионы металла не катализируют гидролиз эфиров, если только молекула эфира не содержит второй координационный центр помимо карбонильной груп-ы, однако при гидролизе эфиров аминокислот такой каталити-1 еский эффект проявляется.

\ Рассуждая с термодинамических позиций, можно сказать, что нергия переходного состояния комплекса металл — аминокислота лагодаря стабилизации зарядов значительно понижена по срав-ению с энергией переходного состояния при гидролизе свободной минокислоты. Кроме того, на стадии катализа металлом состав-яющая АБФ, связанная с перегруппировкой растворителя, по-ви-имому, небольшая величина. Следовательно, важна именно матичная роль иона металла при связывании с субстратом. Ионы еталла ускоряют также гидролиз ряда амидов, но каталитиче-кий эффект не столь велик, как для соответствующим образом вязанных эфиров. Причина этого — различия в природе уходящей руппы. Худшая уходящая группа, амидная, нарушает контроль корости реакции тетраэдрический промежуточным соединением.

[Рассмотрим несколько моделей. Скорость гидролиза эфирной группы в фе-иловом и салициловом эфирах пиридин-2,6-дикарбоновой кислоты значительно взрастает при комплексообразовании с ионами Ni(II) или Zn(II) f225].

IВ присутствии Ni(II) скорость гидролиза фенилового эфира увеличивается 9300 раз, а салицилового — в 3100 раз. В последнем случае скорость меньше, о-видимому, из-за того, что два анионных центра кон-урируют за связывание с катионом металла. Но скорость реакции повышается почти вдвое, если вторая карбоксильная группа ионизована. Это означает, что карбоксильная группа проявляет слабые каталитические [свойства.

Комплекс пиридинкарбаксальдоксим — Zn (II) — великолепный катализатор деацилирования 8-ацетоксихи-нолин-5-сульфоната. Здесь опять важнейшую роль играет двойственная функция иона Zn(II) [226, 227].

Аналогично фосфорилированию 2-оксиметилфенант-ролина с помощью АТР благоприятствует образование комплекса с Zn(II).

I Этот пример иллюстрирует каталитическое влияние релатированного иона металла. Металл оказывает направляющее, или матричное, действие, как это видно ' из одновременного связывания АТР и фенантролина. К тому же он выполняет Функцию нейтрализации заряда, уменьшая электронное отталкивание между

12 Зак. В48

354

Глава 6

в

атакующей оксиметильной группой и фосфатом АТР. Естественно, что для фиксации расщепляемой связи важна и природа металла. Комплекс также снижает р^о спиртовой группы фенантролинового остатка до 7,5, так что ОН--группа в значительной степени ионизована в условиях эксперимента. Далее электронная делокализация в системе ароматических колец при комплексообразовании с ионом металла значительно увеличивает кислотность спиртовой группы.

Итак, можно сказать, что ион металла облегчает гидролиз или нуклеофильное замещение какими-нибудь другими группами, в сущности, двумя путями: прямой поляризацией субстрата, который затем атакуется нуклеофилом извне, или генерацией (путем ионизации) особенно активного (основного) реагента. Таким образом, одна из первостепенных функций иона металла в любой биологической системе состоит в обеспечении необходимой концентрации сильного нуклеофила при биологически приемлемых значениях рН.

Ионы кобальта также могут проявлять интересные каталитические свойства при гидролизе эфиров и амидов. Например, Со(Ш) гораздо более эффективен, чем Zn(II), при поляризации карбоксильной группы пептидной связи. Однако было установлено, что карбоксипептидаза А катализирует гидролиз бензоилглицил-ь-фенилаланина в ~ 104 раз быстрее, чем это могло бы обеспечивать присутствие Со(III). Следовательно, в случае фермента должен проявляться дополнительный эффект.

Бекингэмом и сотр. [228, 229], а затем в лаборатории Австралийского национального университета был получен ряд устойчивых комплексов Со(III) с аминокислотами и пептидами, причем

Ионы металлов

355

в качестве лигандов обычно использовали этилендиамин и три-этилендиамин. Здесь приведен пример с участием этилендиамино-(вого комплекса, причем реакция активируется с помощью Hg(II).

Cl Cl Н2| Н2 H2I Н2 /COOR'

У /А v/ /+r-c< —> / /с<+7 R

H2 i к Cl

OR' I

н2 i 4

h2n^/,

Н21 f

. Ц-\-JNH,

//cP;

нгг >

h2nV

+ HgCl2

I В присутствии комплексного ионного катализатора цис-В-гидроксоаквотри-этилентетраминкобальта(1П), сокращенно [Co(trien) (Н20)ОН]2+, гидролиз пептидной связи в дипептиде L-аспартилглицине происходит, но только при продуктивном связывании.

СГ (Г

^N-1— ОН2 --N-I—NH,

(it I Ori\-

TtN—rl—NH,--с—» „N——NH2 Vй

¦ NH2 H

CONH—CH2—COOH

ih \ o-c4

tCo[trien)(H20)OH]1+ пройултиеный °

комплекс . 4. \ непрооуктивиое сбязыбание

\

О

H,N—СН—Or-NH—СН—СООН I

СН

I 1 „N—j—NH2 CH—CH2—COOH

соон H N / '

PnA-NH2

/

\ О

,g еиЭролизоеанный О АипептиЭ

l-Asp-GIy ^_С + Gly

О

356

Глава 6

Первая скоростьлимнтлрующая стадия включает замещение координирован, иой молекулы воды концевой NH2-rpynnofl пептида. Затем оставшийся ОН-ли-ганд действует как нуклеофил, инициирующий гидролиз. Такая внутримолекулярная атака координированной водой или гидроксогруппой очень распространена в координационной химии.

Со(Ш)-триеновые системы удобны тем, что обмен и замещение воды в координационной сфере иона металла — всегда очень медленный процесс (ty2 от минут до часов), т. е. кинетические параметры можно легко оценить. Медленный обмен лигандов в водном растворе позволяет использовать изотопную метку 180 для прослеживания реакционного пути координированной молекулы воды или гидроксогруппы и, таким образом, дает возможность различить прямой нуклео-фильный и общий основной механизмы гидролиза. Однако помимо указанных преимуществ у этих систем имеются и очевидные недостатки, если рассматривать соответствие их (или отсутствие такового) ферментативным процессам. Например, Со(Ш)-триеновые комплексы, инициирующие реакции, находятся в сте-хиометрическом, а не каталитическом соотношении с продуктом гидролиза или гидратации, который остается прочно связанным с находящимся в комплексе металлом. По этой причине комплексы Со(III) не столь пригодны, как могли бы быть, для моделирования ферментов. Тем не менее нз-за благоприятного понижения АБФ (АНФ практически не меняется) при комплексообразовании с подходящими лигандами наблюдалось увеличение скорости в ~ I04 раз. Несмотря ни на что, обсуждаемая здесь система все же неплохая модель, что обусловлено способностью металлов поляризовать прилегающие молекулы субстрата и активировать координированные нуклеофильные группы.

Рассмотрим другой пример: гидролиз глицил-Ь-аспарагиновой кислоты в присутствии [Co(trien) (Н20)ОН]2+." Ситуация немного сложнее, чем в предыдущем случае, так как можно представить себе существование трех структур:

Н

N

NH2 СН2

Н

N

NH2 СН2

СН—СООе

сн2—соое

о

6-1

6-2

н

NH2 СН

соое

6-3

Ионы металлов

357

Структура 6-1 предпочтительнее, как следует из данных ЯМР и изотопного обмена протон — дейтрон, и гидролиз протекает с выходом ~20%. Опять-таки с ионом кобальта связывается сначала N-конец, а затем карбонил амидной связи. Лг-Карбоксильная группа аспарагиновой кислоты может участвовать в гидролизе, способствуя стабилизации комплекса.

Г В общем для пептида, ие имеющего полярных боковых це

страница 60
< 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
(23.11.2017)