химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

ЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

57

либо по реакции прямого замещения [схема (19)]

lAiTx! ^ |А в-х[ (17>

| А-В 1 *± | В | Ш | А-В J (18)

IaIiTa'I ^ |А В-А[ <19>

Существование промежуточного соединения фермент — В в таких реакциях можно предполагать, однако, на основании других критериев. Рассмотрим реакцию, в которой прямой перенос насыщенного атома углерода (входящего в группу В) от А к X должен бы идти с обращением конфигурации, однако на опыте протекание реакции конфигурацию не изменяет. В этом случае следует полагать, что реакция идет по механизму двойного замещения, согласно которому фермент замещает А с обращением, образуя соединение фермент — В, а последующее вытеснение фермента заместителем X приводит ко второму обращению и, следовательно, к образованию продукта В — X, в котором сохранена исходная конфигурация [схемы (20) и (21)].

R< о R'

AJ-B<-. Enz ^ В — Enz (20)

R3 R3

-I-Enz =t X — В + Enz

Ra R*

Реакция переноса глюкозы между фруктозой и фосфатом, катализируемая фосфорилазой сахарозы, протекает с сохранением конфигурации. На этом основании можно полагать, что реакция идет с образованием промежуточного глюкозилфермента. Ряд родственных ферментов также катализируют реакции переноса с участием Сахаров при сохранении конфигурации [22]. Образование глюкозилфермента получило недавно подтверждение. Этот промежуточный продукт удалось выделить в реакции фосфорилазы сахарозы с меченой сахарозой [23]. Следует отметить, что в данном.контексте термин «замещение» вовсе не характеризует химический механизм, но отражает лишь стереохимию реакции; эти реакции с таким же успехом могут протекать с той же стереоспецифичностыо через экранированные ионы карбония, а не по механизму Эк2-замещения.

Чтобы реакция обмена А* с А — В могла протекать по механизму прямого замещения [так, как это показано на схеме (19)], необходимо, чтобы соединение А* было комплементарным по отношению к центру, с которым обычно связывается акцептор X. Реакция обмена может идти по механизму (19) в том случае, когда фермент является неспецифическим по отношению к акцептору или когда фермент вовсе не имеет акцепторного центра. Очевидно, в данной ситуации нельзя рассматривать наличие реакции обмена как свидетельство того, что ферментативная реакция протекает с образованием промежуточного соединения фермент — В. Однако в том случае, когда фермент является высокоспецифичным по отношению к акцептору X и когда продукт А структурно отличается от X, трудно ожидать, чтобы А* могло быть комплементарным по отношению к акцепторному центру, и, следовательно, наличие реакции обмена указывает, что реакция протекает по механизму (18) с промежуточным образованием соединения фермент — В.

58

ГЛАВА 2

Аналогичные рассуждения справедливы и по отношению к реакциям переноса.

Изложенную точку зрения можно проиллюстрировать на примере реакций лизоцима, который катализирует реакцию переноса атома углерода Ct гликозидных субстратов к воде, спиртам и сахарам [24]. Тот факт, что продукты реакций переноса (к спиртам) имеют ту же ^-конфигурацию, что и исходные соединения, означает, что реакция осуществляется не как единичное Эн2-замещение, приводящее к обращению конфигурации. Это должен быть либо механизм двойного замещения, либо механизм с участием экранированного иона карбония, либо относительно неправдоподобный механизм фронтального замещения. Тот факт, что специфические акцепторы — сахара, такие, как N-ацетилглюкозамин, действуют приблизительно на три порядка более эффективно, чем вода или простые спирты, означает, что молекула акцептора связывается со специфическим центром. Уходящая группа Ai, структурно подобная акцептору А2, должна сперва покинуть этот центр, чтобы могло произойти связывание акцептора. В то же время группа, которая подлежит переносу (В), остается в некотором активированном состоянии на ферменте; это значит, что реакция протекает с образованием промежуточного соединения [схема (22)].

(22)

Другого типа доказательство существования промежуточного соединения фермент — В следует из количественного анализа реакции обмена. Если увеличить концентрацию акцептора на столько, чтобы образование В — X происходило с максимальной скоростью, то данная скорость часто оказывается равной скорости образования промежуточного соединения фермент — В [уравнение (23)]. Если же максимальная скорость реакции

х В-Х+Е

А-В + Е ^ В-Е^ (23) А>*А*-В + Е

обмена А* с образованием А*— В совпадает с максимальной скоростью образования В — X, то это дает основание полагать, что в обоих случаях измеряют скорость образования промежуточного соединения фермент — В, общего для обеих реакций. Невозможно представить себе, что эти скорости могли бы быть одинаковыми в случае простого механизма прямого замещения, поскольку А* и X не могут вытеснять А с идентичными скоростями. С другой стороны, если скорости образования В — X и А*— В не совпадают, то это не исключает существования промежуточного соединения фермент — В. Эти скорости могут отличаться из-за медленной десорбции В — X или А*— В с фермента. В этом случае максимальная скорость образования продукта В — X может быть меньше максимальной скорости образования промежуточного соединения фермент — В, если только тот факт, что скорость при высоких значениях концентрации X стремится к пределу, обусловлен насыщением центра связывания акцептора, а не вызван тем, что образование промежуточного соединения фермент — В стало скорость определяющей стадией.

Для объяснения равенства максимальных скоростей образования продукта В — X и реакции обмена с образованием А* — В можно представить альтернативный, но менее вероятный механизм реакции, протекающей без

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

59

участия промежуточного соединения фермент — В [схема (24)]. Допустим, что в результате индуцируемого

медленно ±А, ±Х

Е + А — В ^ Е-А — B^_Z!:_ Е'-А—В ( ~»" Е'-Х—В

+А*, ±А

Е + А* — В Е-А* —В <~>" Е'-А*—В

ч

Е.Х—В

и

Е + Х—В

(24)

•субстратом конформационного изменения фермента происходит медленное образование активированного промежуточного соединения Е' -А — В. Это соединение может реагировать с акцептором X (образуя В — X) или подвергаться обмену при участии А* (давая А* — В) с одинаковыми максимальными скоростями. Однако из кинетического анализа схемы реакций (24) следует, что кинетические закономерности этого механизма нельзя представить в координатной системе обратных величин (скорость реакции — концентрация субстрата) в виде параллельных прямых («пинг-понг»-кинетика). Кроме того, закономерности ингибирования, присущие механизму (24), также являются иными по сравнению с теми, которым подчиняется «пинг-понг»-механизм.

Примером системы, для которой наблюдали равенство максимальных скоростей реакций обмена и образования продукта, служит реакция, катализируемая КоА-трансферазой в присутствии ацетоацетил-КоА [20]. Результаты эксперимента приведены в табл. 4. Максимальная скорость реакции обмена, в которой взаимодействие промежуточного соединения фермент — КоА с ацетоацетатом приводит к образованию ацетоацетил-КоА, совпадает с максимальной скоростью реакции этого промежуточного соединения с сук-цинатом при образовании в качестве продукта сукцинил-КоА.

Таблица 4

Реакция обмена ацетоацетата с ацетоацетил-КоА, катализируемая КоА-трансферазой [20]

Концентрация ацетоацетата, М Скорость обмена ацетоацетата, нмоль/мин

4-10-* 134

2-Ю-з 193

ЬЮ-2 276

При экстраполяции к бесконечно большой кон- 280

центрации

Максимальная скорость образования сукци- 260

нил-КоА

7. РЕАКЦИИ ОБМЕНА И ИНГИБИРОВАНИЯ

При условии, что реакция протекает при «насыщающей» концентрации акцептора X, скорость образования продуктов отражает, как правило, скорость образования промежуточного соединения Е — В [схема (25)]. Если

60

ГЛАВА 2

теперь добавить в систему первый

А — в +Е

медленно

В+Е

(25)

быстро $

В+Е

продукт А, это приведет к ингибированию реакции, поскольку промежуточное соединение будет реагировать с А, регенерируя исходное вещество, вместо того чтобы взаимодействовать с X, образуя продукт реакции, как это было описано выше. Найденная при этом степень ингибирования должна совпадать с вкладом в суммарный процесс обратной реакции и при использовании меченого соединения А* соответствовать содержанию изотопа в исходном веществе. Этот подход весьма полезен и представляет собой чувствительный способ проверки механизма, поскольку маловероятно, чтобы степень обмена А* с А — В, наблюдаемая в случае простого механизма замещения, могла оказаться равной степени ингибирования реакции под действием А. Фактически в данном случае имеется та же ситуация, что и при распределении общего промежуточного соединения между двумя реакциями с постоянной общей скоростью распада [схемы (7) и (9)1, с той лишь разницей, что одним из продуктов является меченое исходное вещество.

Как было показано в предыдущем разделе, различия в степенях ингибирования и обмена, наблюдаемые на опыте, еще не исключают возможности существования промежуточного соединения, поскольку его образование не обязательно является скорость определяющей стадией.

При помощи этого подхода было доказано промежуточное образование фосфорилфермента в реакции, катализируемой глюкозо-6-фосфатазой [25]. В качестве ингибитора была использована глюкоза. В условиях, когда фермент, по всей вероятности, насыщен обычным для него акцептором, а именно водой, степень ингибирования ферментативной реакции глюкозой соответствует содержанию меченой глюкозы, вошедшей в глюкозо-6-фосфат.

Если концентрация акцептора X настолько низкая, что продукт В — X образуется со скоростью, меньшей чем максимально возможная скорость образования промежуточного соединения Е — В, последнее будет в системе накапливаться, т. е. его концентрация будет возрастать. В присутствии меченого продукта А* в результате его взаимодействия с промежуточным продуктом будет возникать исходное вещество. Это приведет к уменьшению скорости образования конечного продукта В — X за счет уменьшения стационарной концентрации промежуточного соединения Е — В. В данных условиях, однако, эффект ингибирования будет относительно меньше, чем в предыдущем случае, а глубина обмена А* с А — В будет больше, чем это следует из степени ингибирования. Это обусловлено тем, что скорость образования промежуточного соединения в этих условиях больше, чем следовало бы из скорости образования продукта В — X. В данном случае можно считать, что реакции первой стадии являются быстрыми и поэтому первая стадия близка к равновесию, в то время как образование продукта — это стадия, лимитирующая скорость процесса в целом [схема (26)]. Таким образом, первая стадия, в результате которой осуществляется реакция обмена, успевает пройти многократно в прямом и обратном направле-

±А ±А*

Е + А—В ~ * Е —В ~--* Е + А*—В быстро

I х

I медленно

(26)

Е+ВХ

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

61

ниях, прежде чем во второй стадии образуется небольшое количество продукта. Предельным случаем этой ситуации является, естественно, процесс, в котором в отсутствие акцептора X протекает лишь реакция обмена.

Обе кинетические картины, соответствующие высоким и низким концентрациям сукцината (т. е. акцептора промежуточного соединения фермент — КоА), имеют место в механизме действия сукцинил-КоА — ацетоацетат-КоА-трансферазы [20]. В условиях насыщения сукцинатом и в отсутствие ацетоацетата каждая молекула фермент — КоА, которая образовалась из ацето-ацетил-КоА, может реагировать только с сукцинатом, давая сукцинил-КоА. В присутствии ацетоацетата в качестве ингибитора те молекулы промежуточного соединения фермент — КоА, которые прореагировали с ацетоаце-татом, становятся недоступными для реакции с сукцинатом, и поэтому падение скорости в результате ингибирования равно скорости обмена ацетоацетата с ацетоацетил-КоА (табл. 5, первые две строки). При низких концентрациях сукцината скорость первой реакции, в результате которой образуется промежуточное соединение фермент — КоА, превышает скорость взаимодействия промежуточного соединения с сукцинатом. Поэтому эффективность обмена ацетоацетата с ацетоацетил-КоА становится больше, чем степень ингибирования реакции образования сукцинил-КоА (табл. 5).

Таблица 5

Соотношение скоростей реакций ингибирования и обмена, протекающих с участием ацетоацетата в процессе ацетоацетил-КоА+сукцинат-* сукцинил-КоА +ацетоацетат, катализируемом КоА-трансферазой [20]

Ингибитор, ацетоацетат Сукцинат, М Образование сукцинил-КоА, нмоль/мин Ингибирование, нмоль/мин Скорость обмена ацетоацетат-* -* ацетоацетил-КоА, нмоль/мин Обмен/ингиби-рование

0,014 213

+ 0,014 107 106 114 1,1

0,004 68

+ 0,004 29 39 165 4,2

— 0,0008 27

+ 0,0008 23 4 30 7,4

В. НУКЛЕОФИЛЬНЫЙ КАТАЛИЗ

1. ИМИДАЗОЛЬНЫЙ КАТАЛИЗ ПЕРЕНОСА АЦИЛЬНЫХ ГРУПП

Нуклеофильный катализ реакции переноса ацильной группы в неферментативных процессах удобно пояснить на примере катализируемых имидазолом реакций гидролиза и переноса ацетильной группы и-нитрофенилаце-тата и родственных ему активированных ацилпроизводных [26, 27]. Каталитическому превращению подвергаются лишь активированные ацилпроизвод-ные, содержащие хорошую уходящую группу, которую имидазол способен вытеснить; иными словами, для катализа важно, чтобы ацилпроизводное по своей реакционной способности походило на ангидрид. Реакция протекает согласно механизму, приведенному в виде схемы (27), с промежуточным образованием ацетилимидазола, который можно обнаружить по характерной для него полосе поглощения при 245 нм. В отсутствие акцепторов ацильной группы, помимо воды, единственным процессом, который можно наблюдать,

62

ГЛАВА 2

является гидролиз. В данном случае происходит накопление промежуточного ацилимидазола, гидролиз которого протекает медленно. В присутствии

II Г=\ СН3СОН + N^NH

О 0^0 сн,сох + iCnH Л* CHsCN^NH CH,CSR + NH

±-ox N*&,A

±H Shtcmpo

pK3,G

0

ch3cnhr + n^nh

0

II r=\

GH.GN^N

(27)

других нуклеофильных реагентов, таких, как тиолы или амины, вместо гидролиза идет реакция переноса ацильной группы. Катализ таких реакций переноса в присутствии огромного избытка воды обусловлен их большой селективностью; так, благодаря высокой нуклеофильной реакционной способности тиолов по отношению к ацильным соединениям реакция переноса ацильной группы к тиолу (с образованием тиолового эфира) происходит при концентрации тиола, равной 10~8 М, и преобладает над реакцией с водой, концентрация которой составляет 55 М. В присутствии умеренных концентраций реакционноспособных нуклеофильных реагентов вторая стадия протекает быстро, и поэтому скорость определяющей стадией становится атака имидазолом ацильного соединения.

Если имидазол заменить N-метилимидазолом, то промежуточный продукт реакции (ацилимидазолиевый ион), поскольку он не может терять протонт либо быстро гидролизуется, либо реагирует с ацил-акцептором. Реакции переноса ацила, катализируемые N-метилимидазолом и имидазолом, протекают с одинак

страница 10
< 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

Скачать книгу "Катализ в химии и энзимологии" (4.04Mb)


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

 

 

Реклама
обучение ремонта холодильников
участки на новой риге без подряда до 50 км цена
обучение парикмахеров в москве
полки белые

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
(03.12.2016)