химический каталог




Химия протеолиза

Автор В.К.Антонов

аются для пептидов, содержащих рядом с гидролизуемой связью свободные амино- или карбоксильные группы. Это является следствием заметного изменения рй^ амино- и карбоксильных групп в свободных аминокислотах по сравнению с их N- или С-замещенны1-ми производными. Такие производные аминокислот; как анилиды или эфиры, также существенно отличаются от замещенных пептидов по величине дб„.

Изменение свободной энергии гидролитической реакции (Дбн) в области рН, близкой к 7, является функцией основности уходящей группы. Было предложено несколько эмпирических зависимостей, связывающих эти величины, например [14101:

(7)

Рис.28. Зависимость от рН суммарной свободной энергии гидролиза этилового эфира N-ацетил-Х-фенилаланил-Х-тирозина

(1) (амидная связь) и метилового эфира N-аце тил-Х-фенилаланина

(2) (эфирная связь) [1413]

agh = 0,3 + О.брЯ,

ВН"

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что в таких корреляционных зависимостях, являющихся формой более общего уравнения Бренстеда (см. разд. 3.4.2), коэффициент р при значении переменной р#вн всегда близок 0,6. Это: значение сохраняется для большинства реакций ацильного переноса на соединения, содержащие атомы о или N (но не S) ¦ [14093. Реакция гидролиза включает не только процессы 1-3, показанные на схеме (1). Само присоединение нуклео-фила (воды) является сложным процессом.

Амиды - резонансно-стабилизированные структуры, и присоединение нуклео-фила к карбонильной группе приводит к потере энергии резонансной стабилизации. Таким образом, присоединение нуклеофила можно рассматривать как ¦совокупность по крайней мере двух процессов: электронной перестройки, приводящей к локализации связей и потере резонансной стабилизации, и собственно присоединение нуклеофила. Была предпринята попытка [1417J оценить свободные энергии этих двух процессов раздельно, используя данные по барьерам враще-

100

Глава третья. Неферментативный гидролиз. Модели

Таблица 22. Значения ag и ДС„ для некоторых пептидов, амидов и эфиров

Соединение ккал/моль (рН 7; 25°C) PKBH ккал/моль Литературный источник

HC0-NH2 -3,54 3,75 9,26 4,1 t1 407 J

CH3CH2C0-NH2 -2,1 4,87 9,26 4,0 [1408]

ChoC0-NHCcH,- о о о -3,7 4,75 4,58 -0,36 [1409]

AoPhe(N02)-NH2 -2,05 3,2 9,26 6,2 [1410]

AcPhe-NHCcH.N0_ 6 4. 2 -3,94 3,3 1 ,02 1 ,1 [ 1 411 ]

AcPhe-GlyNH? -0,8 3,3 7,93 5,4 [1412]

AoPhe-AlaNH2 -0,91 3,3 8,2 5,8 [1412]

AcPhe-TyrOEt -0,05 3,3 7,5 5,84 [1 413]

Giy-Gly -4,3 2,35 9,78 3,9 [1414]

AcPhe-OMe -6,0 3,3 - 1 ,2 [1415]

сн3со-осн2сн3 -4,72 4,75 - 1,6 [1416]

ния вокруг связи C-W и данные по присоединению нуклеофилов к кетонам [1418] с соответствующими поправками на индуктивные и резонансные эффекты заместителей. Полученные значения показывают, что основной вклад в свободную энергию присоединения нуклеофила вносит изменение резонансной стабилизации (табл.23).

Таблица 23. Изменения свободной энергии присоединения нуклеофила (дС1) и свободной энергии резонансной стабилизации

амидов (AG2)[1417J

Амид Нуклеофил uG1 , ккал/моль AG2, ккал/моль

HC0NHCH3 сн3он 2.2.103 -4,6 22,0

CH3C0NH(CH3)2 CH30H 1 ,2 0,11 18,7

fl cp3ch2oh 3.8.10-2 1,96 18,7

II CcHc0H о 5 1 ,7-10-2 2,44 18,7

II c2h5sh 60 -2,45 18,7

HC0N(CH3)2 сн3он 2.2.103 -4,6 21 ,0

C6H5C0N(CH3)2 CHgOH 6.0.10"3 3,07 15,8

HC0NHCcH.-о b NH(CH3)2 4.9-107 -10,6 17,7

Приведенные в табл.23 величины, конечно, нельзя сопоставлять со значениями aGh из табл.22, поскольку в этом случае рассматривается лишь часть общего процесса, включающая только образование, но не распад промежуточного продукта присоединения нуклеофила к карбонильному атому углерода:

О ОН

R-C-NHR1 + НХ R-C-NHR1.

1

Этот промежуточный продукт обычно называют тетраэдрическим промежуточным

3.2. Кинетика

101

соединением, и о нем подробно будет говориться в разделе 3.3.2.

Калориметрические исследования гидролиза пептидной связи [1419-1422] показали, что реакция сопровождается относительно небольшим отрицательным тепловым эффектом. Этот эффект тем больше, чем выше р#а образующихся продуктов гидролиза. Так, uG° для гидролиза BzTyr-GlyNH2 по связи Tyr-Gly составляет -1,55 ккал/моль, а для гидролиза BzTyrNHg имеет значение -5,84 ккал/моль.

Поскольку ионизация образующегося амина сопровождается сильным отрицательным изменением энтальпии (-12,4 ккал/моль [1423]), реакция гидролиза соответственно характеризуется поглощением тепла, тем большим, чем меньше рКа отщепляемого амина.

Оценка изменения энтропии для двух приведенных выше соединений дает значения соответственно -5 и -12,5 э.е. При ионизации аминогруппы изменение энтропии близко к нулю, тогда как ионизация карбоксильной группы дает uS°Положение равновесия в системе сильно смещается в сторону синтеза при изменении полярности среды (рис.29) [1408,1424].

3.2. Кинетика

Положение равновесия в системе К

RC0NHR1 + Н,0 *==^ RC00H + R1NH„

2 Ъ 2 в

достигается очень медленно. Прямое определение скорости гидролиза пептидной связи при нейтральном рН и комнатной температуре [1425] дало значение константы скорости псевдопервого порядка 3-10-9 с-1 (т1/2 7 лет), а та же константа для N-метилацетамида, полученная экстраполяцией данных щелочного гидролиза к нулевой концентрации ионов ОН- оказалась всего лишь 3,5-Ю-13 с-1 [1426].

В реальных условиях скорости гидролиза амидов существенно выше, поскольку при любых значениях рН в водном растворе присутствуют ионы ОН- и Н30+, катализирующие реакцию гидролиза. Таким образом, наблюдаемая в эксперименте константа скорости гидролиза №') является величиной эффективной и складывается по крайней мере из трех величин, характеризующих скорости катализируемого водой гидролиза {k^ 0), гидролиза, катализируемого гидроксил-ионом

(йш) и ионом гидроксония (fejj):

fe' =Чо + йон[0Н_] +VH30+]" <8)

РИС.29. Изменение относительной константы равновесия синтеза-гидролиза пропионамида в зависимости от концентрации Н-пропанола в воде Построено по данным [1408]

102 Глава третья. Нефериентативный гидролиз. Модели

V,o'

В определенных интервалах рН, где можно пренебречь концентрацией гидрок-сил-ионов или ионов гидроксония, уравнение (8) редуцируется до уравнений (9) и 00):

(9) (Ю)

Эти уравнения описывают соответственно щелочной и кислотный гидролиз или, точнее, гидролиз, промотируемый ионом ОН- и катализируемый ионом гидроксония. Чтобы получить константы fejj, строят зависимости

наблюдаемой константы скорости от концентрации ОН-- или Н30+-ионов (рис.30). Пересечение получающихся прямых с осью ординат дает значение fejj 0, а наклон - йш (или к^).

Линейность графиков типа представленного на рис.30 указывает на первый порядок реакции по концентрации 0Н~-или Н30+-ионов. Однако первый порядок может соблюдаться не во всем интервале концентраций, и это является указанием на более сложный механизм гидролиза (см. разд.3.4.2).

Константы скорости щелочного и кислотного гидролиза амидов значительно выше, чем константы скорости некатализируемого процесса [1429]. Их значения

рис.30. Типичный график зависимости наблюдаемой константы скорости щелочного гидролиза от концентрации гидроксил-ионов

для большинства амидов лежат в области 1-10 4—1.10 5 М 1 с 1 (табл.24).

Можно видеть, что щелочной гидролиз сложных эфиров происходит значительно быстрее, чем амидов. В то же время кислотный гидролиз сложноэфирной связи идет на три-четыре порядка медленнее, чем щелочной. Для амидов различия в константах скорости щелочного и кислотного гидролиза невелики.

Таблица 24. Константы щелочного и кислотного гидролиза некоторых амидов и других производных карбоновых кислот (25°С)

Соединение М-1с"1 ккал/моль &s* е.е. V104, М~1с-1 дН? ккал/моль ДБ? э.е. Литературный источник

ch3C0NH2 38 13,3 -32,8 2,1 22,0 -18,4 [1426]

CH3C0NHCH3 3,29 16,6 -29,1 0,145 20,6 -21 ,6 [1426]

CH3C0NHC3H7-M 1 ,06 16,4 -32,7 0,143 17,6 -31 ,8 [1426]

CH3C0N(CH3)2 6,8 15,1 -31,4 0,134 20,5 -22,2 [1426]

сн3соос2н5 980 - - 1 ,12 - - [1427]

BzPheOC2H5* 500 - - 0,033 - - [1428]

СН_С00СЛ1„Ж> -Л 5,5-Ю4 - - 0,19 - - [1427]

ch3cosch3** 400 12,5 - 166 16,5 - [1401 ]

*B 85% С H OH №он> и 70% диоксане (&„).

**B 62% ацетоне.

3.2. Кинетика

103

3.2.1. Влияние структуры

Скорость гидролиза производных карбоновых кислот зависит от строения заместителей при расщепляемой группе. Эта зависимость определяется полярным, стерическим и резонансным эффектами заместителей (см. обзоры:(1430-14333). Полярный, или индуктивный, эффект включает все процессы, с помощью которых заместитель может изменить электростатические взаимодействия в реакционном центре по сравнению с некоторым заместителем, выбранным в качестве стандарта. Это может быть разделение зарядов, делокализация электронов и т.п. Если заместитель находится в сопряжении с реагирующей группой, то такого типа полярный эффект рассматривают отдельно как резонансный эффект.

Стерический эффект возникает при появлении отталкивающих взаимодействий при сближении двух валентно не связанных атомов. Различают первичный стерический эффект, обусловленный непосредственно отталкиванием взаимодействующих атомов или групп, и вторичный стерический эффект, обусловленный изменением за счет отталкивания полярного и резонансного эффектов. Существует большое число уравнений, связывающих один или несколько из этих эффектов с константами скорости или равновесий в химических реакциях. Наиболее известным из них является уравнение Гаммета:

lgk = lgko + ро, (11)

где к - константа скорости превращения данного вещества; &о - константа скорости для вещества, выбранного в качестве стандарта; о - константа заместителя, являющаяся мерой полярного эффекта заместителя и не зависящая от типа реакции; р - константа реакции, показывающая чувствительность данной реакции к изменению полярного эффекта.

Тафт предложил [14311 другое корреляционное уравнение, позволяющее разделить полярные (в том числе и резонансные) эффекты и стерические эффекты заместителей:

о* = Qg(fe/fco)B lg№/feo)AV2,48, (12)

где индексы А и В относятся соответственно к кислотному и щелочному гидролизу, а величина 2,48 введена для того, чтобы величины о и о* имели сопоставимые значения.

В основу этой корреляции положено несколько допущений, а именно: 1) полярные, стерические и резонансные эффекты вносят аддитивный вклад в свободную энергию активации; 2) стерический и резонансный эффекты вносят одинаковый вклад в реакции щелочного и кислотного гидролиза; 3) полярные эффекты в реакциях щелочного гидролиза значительно выше, чем в реакциях кислотного гидролиза.

Таким образом, если эти допущения верны, то отношение скоростей кислотного гидролиза двух соединений, одно из которых выбрано в качестве стандарта, характеризует сумму стерических и резонансных эффектов, а при отсутствии сопряжения заместителей с реагирующими атомами - только стерические эффекты. Выражение (12) может быть поэтому записано как

lg№/fco) = о*р* + ЬЕ3, (13)

где Е - стерическая постоянная; б - постоянная, показывающая чувствитель-

*

ность данной реакции к стерическим эффектам; р - постоянная, характеризую-

104

Глава третья. Неферментативный гидролиз. Модели

щая чувствительность реакции к полярным эффектам. Следует отметить, что роль полярных эффектов в гидролизе производных алифатических карбоновых кислот неоднократно подвергалась сомнению и, по-видимому, во многих работах преувеличивалась [1433-1435].

Данные по кинетике гидролиза амидов и сложных эфиров неоднократно подвергались корреляционному анализу по уравнению (13) или его модифицированным вариантам (см., например: [1436-1438]). Для алкильных заместителей как при карбонильном углероде, так и при атоме азота амидной группы значение о* лежат в области 0-0,4 и, по-видимому, вносят очень небольшой эффект в наблюдаемую скорость гидролиза. Было высказано мнение, что величина о* может

быть составляющей стерической постоянной (Е„), т.е. для алкильных групп су-*

ществует связь между о и Es, выражаемая уравнением [1439]: Es = 0,88 + 27,780* - 1,9(п-3),

где п - число атомов водорода при а-углеродном атоме.

Стерический эффект может включать и резонансную составляющую. Было предложено [1440] использовать исправленную стерическую постоянную E°=Eg-h(n-3), где h - реакционная константа, учитывающая сверхсопряжение, и п - число атомов а-Н. Наконец, было предложено учитывать число протонов при шестом атоме углерода [1441] или число протонов в положении 7 (Н - 7) [14371, влияющих на стерический эффект заместителя.

В табл.25 приведены некоторые корреляционные уравнения для гидролитических реакций.

Таблица 25. Корреляцирнные уравнения для гидролиза некоторых производных уксусной кислоты [1437]

Реагент Растворитель Температура, °С Корреляционное уравнение

СБ C0HHR+0H- 1 н. NaOH 75 lgfe=-1,67+0,9E^+0,056(H-7) Д=0,984; s=0,056

CH3C00R+0H~ 40%-ный диоксан 35 lgft=1 ,31+1 ,Ю*+0,78Ее+0,068 (Н-7) Д=0,998; в=0,044

CH3C00R+H30+ 14%-ная h2so4 25 lgfe=-1,78-0,042(Н-7) д=0,866; в=0,04б

CH3C0SR+0H~ 40%-ный диоксан 35 lgfe=1 ,14+0,66О*+0,23Е^ Д=0,955: в=0,0б1

Константа скорости реакции часто поддается корреляции с основностью уходящей группы или кислотностью образующей амид кислоты, т.е. соблюдаются зависимости типа уравнения Бренстеда [1442,1443]:

lgfe = lgfto + о>рЯа.

Более информативен анализ влияния структуры на константы скорости отдельных стадий гидролитической реакции (см., например: [1444,14451). Как будет подробнее показано ниже, перенос"Ъцильной группы у производных карбоновых кислот описывается как минимум двухстадийной схемой:

3.2. Кинетика

105

1 J. 3 R-COX + Y -=~-- R-C-XH -• R-COY + HX.

Изменения в структуре субстратов могут влиять на наблюдаемую константу (ft'), на величину fe1 и на отношение &2/?3 [83 (табл.26).

Таблица 26. Влияние структурных изменений на скорость реакции RC0X + Y

Увеличение електронно-акцепторных свойств заместителя в группе ^1 <х=й2/Й3

R Увеличение Увеличение Увеличение

X it Уменьшение и

Y Уменьшение Увеличение Уменьшение

До сих пор мы рассматривали поведение "нормальных" амидов в реакциях гидролиза и ацильного переноса. Уже упоминалось, что среди субстратов амидгидролаз существуют "аномальные" амиды, а именно р-лактамы, входящие в состав бициклической системы пенициллиновых антибиотиков. Особенность р-лак-тамной группировки заключается в том, что в ней сильно снижено или отсутствует резонансное взаимодействие неподеленной пары электронов атома азота с и-электронами карбонильной двойной связи. Это заметно сказывается на устойчивости

страница 16
< 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

Скачать книгу "Химия протеолиза" (8.49Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
ограничитель открывания двери напольный цена
обручевский ремонт холодильников
курсы дизайна с дипломом
Нож для овощей Twin 1731 100 мм

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(06.12.2016)