химический каталог




Химия протеолиза

Автор В.К.Антонов

Большинство моделей внутримолекулярного катализа характеризуется акш-конформацией карбоксилат-иона. Построение моделей, в которых этот ион участвует в переносе протона на и от остатка имидазола в син-конформации (например, XXX) показало, что в этом случае рК имидазола повышается на 1,5 единицы [1б01,16021:

XXX

Известно много примеров внутримолекулярного катализа ионами металлов. При этом металл может способствовать катализу другой, например карбоксильной, группой,,стабилизируя благоприятную для этого конформацюо, а также промотировать катализ ОН_-ионами или водой [1603-16051.

Внутримолекулярный катализ имидазолом, как и 'межмолекулярный, происходит по разным механизмам в зависимости от рКа уходящей группы [1606,1607]. Так, гидролиз метилового зфира 2-имидазолил0ензойной кислоты происходит по меха-

134

Глава третья. Неферыентативный гидролиз. Модели

низму общего основного катализа имидазолом, а фениловый эфир гидролизуется с образованием трициклического соединения [16081:

О 'О

OPh

- (сГ>.

N-

Еще один пример бифункционального катализа - это гидролиз метилового эфира 2,6-диоксибензойной кислоты [16091. Фенольные оксигруппы в этом соединении участвуют в расщеплении эфирной связи по кинетически эквивалентным механизмам (XXXI) или (XXXII):

-он

XXXI

О)

XXXII

Это соединение гидролизуется в 10-10 раз быстрее, чем 2,6-диметилбен-зоат.

Сравнение эффективности внутри- и межмолекулярного катализа (табл.31) встречается с рядом трудностей. Во-первых, это возможное различие в механизмах катализа. Так, ацетат-ион в межмолекулярных реакциях обычно функционирует как общий катализатор, а во внутримолекулярных может выступать как нуклеофильный реагент. Во-вторых, не всегда удается провести сравнение в одинаковых условиях. Далее, внутримолекулярный катализ очень чувствителен к конформации субстрата И6Ю]. Наконец, оба типа катализа отличаются порядком реакции.

Обычно эффективность внутримолекулярного катализа выражают в эффективной

молярной концентрации каталитических групп. Долгое время считалось, что эффективная концентрация соседних групп не может превышать 5Б М [16151, т.е. концентрации воды в воде. Однако, как показали работы Пейджа и Дженкса И616,1617], максимальная эффективная концентрация соседней группы может достигать 6-109 М. Это обусловлено ограничением при внутримолекулярных реакциях поступательных и вращательных степеней свободы реагирующих групп, вследствие чего свободная энергия основного состояния в этих реакциях выше, чем в межмолекулярных процессах. При одном и том же или близком уровне свободной энергии переходного состояния это приводит к понижению активационного барьера (рис. 40) [15781.

Рис.40. Изменение свободной энергии по координате (г) реакции для внутримолекулярной (») и межмолекулярной (2) реакций

3.4. Катализ

135

Таблица 31• Сравнение констант скорости внутримолекулярного (к ) и межмолекулярного (й) катализа

Субстрат кл, с 1 кг, м 1с 1 \/\, м Литературный источник

ососн3 CHgCOO +сн3соо-^0^ 83.8.10-6 10,2.Ю-6 8,2 [1590] [15461

соосн3 СН3С00 + ^О^-СООСгЦ 5,9-10_s 1 ,2.Ю-6 49 [1611 1 [1611 1

0,043 24 [16121

+ СН3С00С6Н5 0,18-10-2 115721

CH„COOCcH.NO„-n j 2 6 4 2 CHgCOO" CH0COO"+CH„COOCrH,N00-n 3 3 6 4 2 0,8 4-10""6 2-105 [16131 [16131

СООН icoo-юсосн3 0,02 2-108 [16141

сснсососн„ + сгнссоо_ 6 5 3 6 5 - 1.10-10 [16141

сн,. соо" II СН3 NCONHPr СгЦСОГШВи + сн3соо_ 1 ,04 1 ,6-109 6,5-Ю9 [15831 [1552 J

Роль энтропийных факторов видна из приведенных выше примеров внутримолекулярного катализа, а также из примеров реакций лактонизации в стзрически затрудненных кислотах типа (XXXIII) [1618-1621):

НООС^

он

Го.

R

XXXIII

136

Глава третья. Неферментативный гидролиз. Модели

Лактонизация вещества (XXXIII; R =Rg=R3=CH3) происходит в «5-1010 быстрее, чем лактонизация не содержащего метальных групп соединения (XXXIII; R1=R2=R^=H). По сравнению с реакцией образования эфирной связи из фенола и уксусной кислоты эффективная концентрация соседних групп здесь увеличивается примерно на 15 порядков!

При этом, по-видимому, допустима определенная свобода внутреннего вращения реагирующих групп. Во всяком случае ангулярное смещение примерно на 10° при переходе от соединения (XXXIV) к (XXXV) не сказывается на скорости лак-тонизации [16221:

ш ^соон

СООН

XXXIV XXXV

В реальных системах, однако, уровень свободной энергии переходного состояния меж- и внутримолекулярной реакции редко остается одинаковым из-за различий в механизмах катализа.

Эффективность полифункционального межмолекулярного катализа обычно не намного выше, чем эффективность монофункционального катализа тем же соединением. Это обусловлено увеличением порядка реакции в первом случае, что приводит к уменьшению энтропии активации реакции: Такое уменьшение энтропии компенсирует уменьшение энтальпии, и свободная энергия активации остается почти неизменной И623). Для того чтобы реализовать эффективный полифункциональный катализ, необходимо, не изменяя порядка реакции, увеличить число каталитически функционирующих групп, т.е. реализовать внутримолекулярный полифункциональный катализ. Однако и в этом случае остаются ограничения, обусловленные возможностями синхронизации элементарного акта химического превращения.

Действительно, если полифункциональная внутримолекулярная реакция происходит в одном элементарном акте, образуя сложное переходное состояние типа: Q-

го W 6D 80 /ОО П

РИС.41. Зависимость фактора синхронизации (а) от числа степеней свободы (п) для элементарных актов с различной энергией активации синхронной реакции (указана у кривых в ккал/моль) [1625]

Y—С—X

то такая реакция требует реализации синхронных колебаний нескольких тяжелых атомов по координате реакции. Теоретическое рассмотрение этой проблемы [1624-1626] показало, что в этом случае в выражение для константы скорости необходимо вводить поправку на так называемый коэффициент синхронизации а, т.е.

КТ

ag*

ае

ВТ'

где а =

(-)

п-1

3.4. Катализ

137

п - общее число степеней свободы т реагирующих атомов: n=(3m-6); Ес - энергия активации синхронного процесса. На рис.41 показаны значения а при различных п и Eq. Видно, что уже для малых значений Eq при п=18 (т.е. т=8) величина а будет вносить значительный отрицательный вклад в наблюдаемую константу скорости.

3.4.9. Мицеллярный катализ

Еще один вид катализа, имеющий отношение к функционированию ферментов, -это мицеллярный катализ. Липофильные вещества могут концентрироваться внутри мицеллярной фазы, и если эта фаза содержит функционально активные группировки, то реакция будет происходить более эффективно, чем в гомогенном растворе. Например, n-нитрофенилацетат гидролизуется щелочью или в присутствии этиламина быстрее, чем п-нитрофенилдеканоат [16271. Однако в смешанных мицеллах п-нитрофенилдеканоата и дециламина скорость гидролиза сложно-эфирной связи примерно в 100 раз превосходит скорость гидролиза п-нитрофе-нилацетата тем же амином (табл.32).

Таблица 32. Константы скорости гидролиза п-нитрофенилацетата и n-нитрофенилдеканоата в смешанных мицеллах

Субстрат Щелочь ft.,, М-1 с-1 Этиламин Й2, М-1с-1 Дециламин к2, М~1с"1

П-Нитрофенилаце т ат (XXXVI) 9,45 5,74 39,1 6,8

П-Нитрофенилдеканоат (XXXVII) 1,19 0,19 133 700

ft (XXXVII )/ft (XXXVI) 0,13 0,033 3,4 100

Причины эффективности мицеллярного катализа становятся понятными при кинетическом анализе этого явления [1628,16291. Субстрат в растворе, содержащем мицеллярную фазу, распределяется между фазами

Р

S ^-*¦ S , (22)

tv т

где Р - константа равновесия, а индексы шит означают соответственно водную и мицеллярную фазы. В воде и в мицеллах протекают реакции:

ft

W

n?,w ¦ > продукты и (23)

ft

m

rcSm ->продукты, (24)

где п - кинетический порядок реакции. Наблюдаемая скорость будет

ft PnCV+ft (1-CV)

m ш

ft' = -, (25)

(1+KC)n

138

Глава третья. Неферыентативный гидролиз. Модели

где С - концентрация поверхностно-активного вещества; V - его мольный объем; К=(Р-1 W- При k'»kw величина ускорения равна

К (п-1

(к'/к ) =--Рп~\ (26)

* lij max х-

к „п

Мз формулы (26) видно, что эффективность является произведением двух параметров: показывает, насколько эффективнее происходит реакция за счет изменения состава среды, ориентационных и стабилизирующих переходное состояние факторов и (n-1)""1Рп"1/пп характеризует эффект концентрирования реагентов. Этот эффект сильно зависит от порядка реакции. Таким образом, мицеллярный катализ может быть весьма эффективен для реакций высокого порядка.

Были исследованы многочисленные системы, содержащие различные поверхностно-активные вещества в качестве мицеллярной фазы и разные нуклеофильные группы (см. обзоры: [1628,1630,1631]). Наблюдаемые ускорения достигали 104-105 [1632,1633].

Использование знантиомерных мицеллярных катализаторов позволяет моделировать стереоспецифичность [1634,1635], комплексообразование, ацилирование и деацилирование катализатора [1636,1637], а также другие особенности ферментативного катализа. Каталитические эффекты наблюдаются при гидролизе не только эфиров, но и амидов (анилидов) [1638].

3.4.10. Макроыолекулярные модели амидгидролаз

Полимерные катализаторы проявляют многие свойства, характерные для ферментов. Среди первых таких катализаторов были поли-4-винилпиридин и поли-N-bh-нилимидазол [1639,1640]. Гидролиз этими полимерами замещенных нитрофенил-ацетатов проявляет типичную колоколообразную рН-зависимость. Весьма эффективными оказались полимеры на основе полиэтиленимина, содержащие различные каталитически активные группы [1641,1642]. Так, полимеры типа (XXXVIII) гидролизуют п-нитрофенилкапроат с константой скорости 6,5-104 М~1с~1, причем наблюдается быстрое ацилирование катализатора с последующим более медленным деацилированием. Были предложены полимерные катализаторы, содержащие несколько разных функциональных групп И 6431-

-CH2CH2NCH2CH2N-

С=0 R

N

XXXVIII XXXIX

Полиэлектролиты - сополимеры стирола с малеимидами гистидина и фенилала-нина (XXXIX) - способны образовывать комплексы с белками (казеин) и катали-

3.4. Катализ

139

зировать гидролиз амидной связи [1644,16451.

Другой тип моделей амидгидролаз, хотя и не относится формально к макро-молекулярным соединениям, но близок им по способности образовывать комплексы с субстратом. Речь идет о краун-эфирах (XL) и близких им по структуре соединениях [16461:

AL XLI

Эти эфиры способны связывать ионы металлов и заряженные группы (например, ион аммония), а боковые цепи могут содержать каталитически активные группировки. Связывание хиральных молекул является стереоспецифичным. Впечатляющим примером является ацилирование макроцикла (ХЫ) п-нитрофениловым эфиром аланина [16471. По сравнению с переносом ацильного остатка на 3-фе-нилбензиловый спирт перенос его на вещество (ХЫ) ускоряется в 1011 раз.

Еще один тип искусственных катализаторов гидролитических реакций - это а,р- и 7-циклодекстрины (рис.42) - циклические олигомеры глюкозы соответственно из шести, семи или восьми остатков. Циклодекстрины связывают небольшие молекулы и могут быть модифицированы введением функциональных групп [1402,16481. Гидроксильные группы циклодекстринов ацилируются при связывании в полости катализатора п-нитрофенилавых эфиров. Ацильная группа затем отщепляется, по-видимому, при участии в катализе этого процесса соседних гидроксильных групп. Скорость -ацилирования в некоторых случаях сравнима со скоростью гидролиза n-нитрофенилацетата химотрипсином [16491- Очень близкая по свойствам модель этого фермента была получена в 1985 г. (XLII). Это соединение, названное р-бензимом, катализирует гидролиз m-третбутилфенилацетэта с константой скорости, близкой к ферментативной [16501:

XL II

140

Глава третья. Неферментативный гидролиз. Модели

Была предпринята попытка получить гибридный белок со свойствами амидгидролазы путем экспрессии в Escherichia coll гена, кодирующего в рамке считывания галактокиназы семь повторов октапептида GluAlaHisAlaSerPhePhePhe [1652 3. Этот белок катализирует гидролиз п-нитрофенил-ацетата со скоростью в 1000 раз превышающей скорость гидролиза того же субстрата трипепти-дом SerHisAsp. Анализ связывания трипсином бензамидина и бычьего панкреатического трипси-нового ингибитора (БПТМ) позволил предложить

Следует отметить, что р-бензим существенно более устойчив к рН и температуре, чем химотрипсин [16511.

Рис.42. Модель циклоокта-амилозы (7-циклодекстри-на) [1648]

структуру синтетического 26-членного пептида, моделирующего участок связывания фермента [16531. Полученный пептид связывал бензамидин и БПТМ, реагировал с диизопропилфторфосфатом, но не обладал каталитической активностью. Характерно, что подавляющее большинство моделей ферментов весьма эффективно в отношении n-нитрофениловых эфиров, но, как правило, не активно в отношении амидных субстратов. Этот "синдром n-нитрофениловых эфиров" [16543, по крайней мере в случае циклодекстринов, объясняется тем, что ацил-р-цик-лодекстрины имеют высоко энергетическую S-цис-конформацию эфирной группы, и 0~-анион циклодекстрина является лучшей уходящей группой, чем алкокси- и аминогруппы.

3.5. Заключение

Отмеченные ранее особенности электронной структуры амидной группы - стабильность и чувствительность к внешним воздействиям - определяют низкие скорости некатализируемого расщепления амидов и существование многочисленных типов катализа, заметно облегчающих реакцию гидролиза. Важнейшим и наиболее энергоемким процессом является резонансная дестабилизация амида, т.е. воздействия, направленные на снижение порядка связи U-N. Это достигается или протонированием карбонильной группы (кислотный катализ), или повышением заряда на атакующей карбонильный углерод молекуле (основной катализ), а также способностью амидной группы к внеплоскостной деформации без больших энергетических затрат. Сам акт нуклеофильной атаки, по-видимому, является согласованным процессом в том смысле, что чем сильнее отрицательно заряжен ная группа приближается к карбонильному углероду, тем аффективнее происхе дит перераспределение электронной плотности, уменьшающее резонансную стаби ¦ лизацию. Атака нуклеофила завершается, как правило, образованием неустойчивого тетраэдрического промежуточного соединения, направление распада кото рого определяется как его конформацией, так и свойствами связанных с тетра-эдрическим углеродом заместителей. На этой стадии распад в направлении продуктов ускоряется по типу общего кислотно-основного катализа. Катализ особенно эффективен, если он происходит внутримолекулярно. При этом важное значение имеет взаимное расположение реагирующих атомов. В наиболее благоприятных случаях наблюдаемая величина ускорения близка той, которая достигается при ферментативном катализе.

Глава четвертая

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ ГИДРОЛИЗ. ФЕНОМЕНОЛОГИЯ

Две особенности отличают ферменты от небиологических катализаторов - эф

страница 21
< 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
компьютерный курсы для начинающих в москве серая ветка
Casio STL-S100H-1A
курсы дизайн интерьера на курской
комод купить недорого

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)