химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

зывания, составляет неотъемлемую часть каталитического процесса.

Оценить ферментативное ускорение по сравнению с действием других катализаторов или по отношению к скорости неферментативной реакции в воде довольно трудно. Это связано с тем, что неферментативные реакции протекают часто с неизмеримо малой скоростью при тех же экспериментальных условиях, что и ферментативный катализ. В этом случае можно найти лишь нижний предел ускорения ферментативной реакции, как это иллюстрирует табл. 2 в гл. 1. Кроме того, ферментативные реакции подчиняются, как правило, совершенно иному кинетическому закону, чем скорость неферментативной реакции. Так, трудно сравнивать на разумной основе ферментативную реакцию, протекающую при рН 7 и контролируемую распадом фермент-субстратного комплекса (реакция первого порядка), не зависящим от рН, и процесс распада того же субстрата, катализируемый кислотами и подчиняющийся кинетике реакции второго порядка. Иными словами, ферментативная реакция чаще всего имеет механизм, отличный от того, которому следует неферментативная реакция. Тем не менее нет никаких сомнений, что фермент понижает свободную энергию активации, поскольку свободная энергия активации аналогичного механизма, но без участия фермента является обычно столь высокой, что этот механизм в заметной степени не осуществляется. Однако оценить величину этого понижения трудно.

Часто спрашивают, понижает ли фермент энтальпию или энтропию активации реакции? Этот вопрос очень сложен по тем же причинам, которые ¦были рассмотрены выше, а именно вследствие различий в кинетике и механизме ферментативной и неферментативной реакций, а также потому, что наблюдаемые термодинамические величины искажены изменениями в структуре фермента и сольватационными эффектами и, во всяком случае, они не отображают прямым образом поверхность потенциальной энергии, которую пересекает фермент-субстратный комплекс. Оценить уменьшение энтальпии и свободной энергии активации можно для реакции гидролиза мочевины, катализируемой уреазой. Неферментативный гидролиз не зависит от рН и характеризуется константой скорости первого порядка, равной 4,15-Ю-5 с-1 при 100 °С, и энергией активации 32,7 ккал/моль {137 кДж/моль) [2]. Гидролиз мочевины, связанной с уреазой в фермент-субстратный комплекс, протекает при 20,8 °С и рН 8 с константой скорости первого порядка*, равной 3-10* с-1, и с энергией активации примерно 11 ккал/моль (46 кДж/моль) [3], что на 22 ккал/моль (92 кДж/моль) меньше энергии активации неферментативной реакции. Значение константы скорости неферментативной реакции, экстраполированное к 20,8 °С, составляет 3-10-10 с-1, и, следовательно, фермент ускоряет реакцию в 1014 раз. Такое ускорение соответствует понижению свободной энергии активации на 19 ккал/моль (79,5 кДж/моль). Не исключено, что ферментативная и неферментативная реакции имеют разные механизмы и поэтому увеличение скорости ферментативного процесса по сравнению с неферментативным (ненаблюдаемым), протекающим по тому же механизму, превышает, возможно, величину 1014.

Проблему установления механизма ферментативного действия можно решать тремя путями: теоретическими построениями, исследованием свойств

*цПри вычислении приведенного значения константы скорости реакции молекулярный вес фермента принимали равным 483 000. Если же, как это кажется вероятным, каждая молекула фермента содержит более чем один активный центр, то удельную константу скорости для каждого активного центра нужно уменьшить пропорционально ^их числу.

14

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ферментов и изучением механизмов химических реакций и их катализа. Выводы чистой теории не претерпели сильного развития со времен Бейлиса, хотя теоретические и спекулятивные предположения послужили известным стимулом для экспериментальной работы и широко используются в гл. 5. Дальнейшее решение проблемы ферментативного катализа, безусловно, должно базироваться на развитии химии ферментов и фермент-субстратных комплексов. Однако современное состояние этой области весьма часто не позволяет глубоко и количественно проникнуть в природу движущих сил каталитического процесса. Поэтому решению поставленных вопросов, по-видимому, должно предшествовать развитие третьего подхода. Действительно, для того чтобы понять механизм катализа в ферментативной реакции, необходимо сперва понять механизм неферментативной реакции и установить те пути, гто которым реакцию можно ускорить. В связи с этим в настоящее время мы похожи на пьяного, который ползает под фонарем в хорошо освещенном месте в поисках своего ключа, хотя потерял его где-то в темном закоулке.

В дальнейшем будут рассмотрены четыре механизма, которые, как можно ожидать, обусловливают ускорение реакции при действии ферментов: сближение реагентов, ковалентный катализ, общий кислотно-основной катализ и деформирование (напряжения, натяжения, искривления и т. п.) молекулы субстрата и(или) фермента. Как будет показано, не всегда возможно провести строгую границу между этими механизмами; несомненно, каталитическая активность фермента обусловлена не одним простым механизмом. При изложении будет сделан упор прежде всего на те механизмы, о которых имеется больше всего сведений, т. е. главным образом на механизмы неферментативных реакций. Ферментативные реакции, а также и некоторые простые теории будут обсуждаться лишь в тех случаях, когда известно что-либо о движущих силах каталитического процесса или когда к объяснению катализа можно приложить простую теорию без существенных оговорок. Рассмотрение неферментативных, и в еще большей степени ферментативных, реакций носит по необходимости эмпирический и качественный (в лучшем случае полуколичественный) характер. Однако во многих областях катализа намечаются значительные успехи, и поэтому автор не сомневается, что через несколько лет в результате развития науки данная книга устареет.

ЛИТЕРАТУРА

1. Bayliss W. М., The Nature of Enzyme Action, 2d ed., Longmans, Green & Co.,

Inc., New York, 1911.

2. Shaw W. И. В., Walker D. G., J. Am. Chem. Soc, 80, 5337 (1958).

3. Wall M. C, Laidler K. J., Arch. Biochem. Biophys., 43, 299 (1953).

Глава 1

КАТАЛИЗ СБЛИЖЕНИЕМ [1]

Наиболее очевидное средство, при помощи которого фермент может увеличить скорость бимолекулярной реакции, это прежде всего сближение реагирующих молекул на активном центре. При рассмотрении этой проблемы самыми важными являются следующие два вопроса:

1. Какого ускорения реакции можно ожидать в результате сближения реагентов ?

2. Каков механизм ускорения, обусловленный сближением? Удобным подходом к решению первого вопроса является анализ величин ускорения реакций, наблюдаемых в модельных системах, где сближение реагентов произошло либо в результате ковалентного связывания их в пределах одной молекулы, либо под действием слабых сил, приводящих к их обратимому связыванию, аналогично тому, как это происходит при связывании субстратов на ферменте. В настоящее время нельзя дать исчерпывающий ответ на второй вопрос, однако на основании эмпирического использования ряда простых принципов можно высказать предположения о факторах, обеспечивающих ускорение при механизме сближения. %

А. ВНУТРИМОЛЕКУЛЯРНЫЕ РЕАКЦИИ И АНХИМЕРНОЕ СОДЕЙСТВИЕ

1. примеры

Лучше всего изучены такие модельные системы, в которых реагирующими компонентами являются составные части одной молекулы. Это внутримолекулярные реакции или реакции, в которых функциональная группа, расположенная рядом с реакционным центром, оказывает анхимер-ное содействие протеканию процесса. Можно предположить, что аналогичное сближение реагирующих групп происходит и на ферменте за счет сил взаимодействия между ферментом и субстратом. В обоих случаях сближение реагентов по сравнению с их состоянием в разбавленном растворе приводит к понижению свободной энергии активации реакции, и, по-видимому, такого рода концентрационный эффект приведет к изменению энтропии активации.

В ряде случаев трудно оценить величину ускорения, обусловленного тем, что реакция протекает внутримолекулярно или с анхимерным содействием, поскольку соответствующие межмолекулярные реакции либо вовсе не идут, либо протекают по другому механизму. Это обстоятельство затруднило анализ ряда известных внутримолекулярных реакций, которые, возможно, характеризуются значительно большим эффектом ускорения. Тем не менее можно указать несколько ярких примеров. Реакция гидролиза полуанилида тетраметилянтарной кислоты, протекающая при рН 5 с внутримолекулярным участием карбоксильной группы [уравнение (1)], имеет время полупревращения 30 мин, в то время как оценка времени полупревращения для реакции гидролиза ацетанилида при рН 5 составляет приблизительно 300 лет [2]. Как видно, отношение скоростей этих реакций достигает значения 1,6 -Ю8. Интересно отметить также, что тетраметилзамещенное соединение [уравнение (1)] подвергается гидролизу в 1200 раз быстрее, чем полуани-

16

ГЛАВА 1

Н3С О Н3С О

СНз-С-С —NHCeH5 СН3-С-СОН W

-С —С —(

" I II

Н3С о Н3С о

+ H2NCeH5

СН3-С-С-ОН сня-с-сон

лид незамещенной янтарной кислоты. Это свидетельствует о том, что метиль-ные группы способствуют такому взаиморасположению реакционной и каталитической групп, в результате которого происходит продвижение системы вдоль координаты реакции на 4 ккал/моль (16,8 кДж/моль) по сравнению с незамещенным соединением. Важно отметить, что изменение скорости при переходе от замещенного к незамещенному соединению сопровождается уменьшением энтальпии активации более чем на 6 ккал/моль (25 кДж/моль).

Время полупревращения реакции гидролиза эфира о-карбоксифеилфосфор-ной кислоты (I) в 30%-ном диметилсульфоксиде при 36 °С составляет 15 мин, в то время как при тех же условиях в случаях ияря-замещенного соединения (II) реакцию гидролиза так и не удалось обнаружить в течение 77 690 ч [3].

О О

II II

он

С НООС

I • л

Увеличение скорости реакции, обусловленное наличием карбоксильной группы в opmo-положении, превосходит величину в 7 -107 раз. Если проэтери-фицировать opmo-карбоксильную группу, то аномальная реакционная способность соединения (I) исчезает. Авторы [3] полагают, что наблюдаемое ускорение обусловлено внутримолекулярным катализом с переносом протона, однако столь большое увеличение скорости реакции позволяет предположить механизм с нуклеофильной атакой соседней карбоксильной группой.

Внутримолекулярный перенос ацильной группы к соседней гидроксиль-ной группе, катализируемый основаниями, протекает значительно быстрее, чем реакции гидролиза или межмолекулярного алкоголиза. С точки зрения биохимии интересна реакция миграции ацетильной группы между гидро-ксильными группами в положениях 2' и 3' рибозного остатка О-ацетилури-

о о

Д 11

с-сн3 н3с-,с l0S

or ^о о- о (^)

-с-с- -с-с-

II II

дина (модель аминоацилрибонуклеиновой кислоты). Время полупревращения этой реакции [уравнение (2)] в 0,1 М фосфатном буфере при 20° С составляет 7,5 с, т. е. она протекает в 350 ООО раз быстрее, чем межмолекулярный перенос ацетильной группы к окружающим молекулам воды. Время полупревращения последней реакции составляет 30 сут при тех же условиях [4]. Можно не сомневаться, что наблюдаемое различие в скоростях реакций частично обусловлено тем, что гидроксильная группа рибозы легче образует анион, чем вода. Тем не менее вклад, который вносит в увеличение скорости реакции близость соседней к ацетилу гидроксильной группы, должен быть значительным. Миграция протекает существенно быстрее в случае высокореакционных аминоацильных производных. Поэтому из раствора, который

КАТАЛИЗ СБЛИЖЕНИЕМ

17

находился некоторое время при нейтральном значении рН, невозможно выделить только один изомер аминоацилрибонуклеиновой кислоты. Для известной реакции образования циклических фосфатов из диэфиров нуклео-зидфосфатов, катализируемой основаниями, кислотами и рибонуклеазой, также было обнаружено аналогичное увеличение скорости процесса.

Сопоставленные выше меж- и внутримолекулярные реакции нельзя строго считать аналогичными, поэтому важно найти количественную меру эффекта ускорения, наблюдаемого в реакциях с участием одних и тех же реагирующих групп в меж- и внутримолекулярном процессах. Подобное сравнение меж- и внутримолекулярной реакций между реагентами А и В осложнено тем, что межмолекулярная реакция является, как правило, бимолекулярной и ее протекание подчиняется уравнению (3) с константой скорости к2, которую можно выразить в единицах л-моль-1-с-1:

в то время как внутримолекулярная реакция является мономолекулярной и ее скорость следует уравнению (4) с константой скорости ki, которую можно выразить в единицах с-1

Отношение к^кг имеет размерность концентрации, и оно представляет собой молярность избыточного реагента, при которой реакция второго порядка протекает псевдомономолекулярно с константой скорости, численно равной константе скорости внутримолекулярного превращения. Так, если отношение ki/k2 равно 5, то реакция А с В при малой концентрации реагентов А и В = 5 М будет характеризоваться константой скорости псевдопервого порядка, равной константе скорости внутримолекулярного превращения

соединения АВ. Следовательно, это отношение можно рассматривать как оценку «эффективной концентрации» компонента В в непосредственной

близости от компонента А в молекуле АВ. Иными словами, отношение kjk2

отражает усредненную концентрацию В около А в молекуле АВ, если полагать, что эффект ускорения в случае внутримолекулярной реакции полностью обусловлен увеличением локальной концентрации В.

Следует отметить, что числовое значение этого фактора зависит от единиц, в которых представлена концентрация в выражении для константы скорости второго порядка. Тем самым использование шкалы молярности раствора вносит некоторый произвол в сравнение кинетических данных. Поэтому для целей подобного сравнения представляется более удобным выражать концентрацию в мольных долях. В этом случае предельное значение константы скорости второго порядка можно представить как константу скорости псевдопервого порядка для реакции малого количества вещества А, полностью окруженного молекулами В. Если же окажется, что константа скорости для соответствующего внутримолекулярного превращения значительно больше этой величины, то следует полагать, что наблюдаемое увеличение скорости обусловлено другими факторами, чем просто эффектом высокой локальной концентрации. Более подробно к этому вопросу вернемся ниже.

Подобного рода сравнение кинетических характеристик удобно провести на примере реакций нуклеофильного замещения фениловых эфиров с участием аминов и карбоксилат-ионов. Константу скорости второго порядка межмолекулярного аминолиза фенилацетата триметиламином [уравнение (5)] при 20 °С, равную 1,33 -Ю-4 л/моль -с, можно сравнить с константой скорости первого порядка, равной 0,165 с-1 для аналогичной внутримолекулярной реакции фенилового эфира •у-(1Ч,1Ч-диметиламино)-масляной кислоты {уравнение (6)} [51.

скорость = к2[А] [В],

(3)

скорость = fri[AB] ,

(4)

18

ГЛАВА 1

0CeH5

СН3 О

J И H3C-*N-ССН3

СН,

"ОС6Н5

(5>

H,C-N<-»C-i-OC6Hs -> Н3С— N—С + "OCjHs

страница 2
< 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
керамогранит alaska bianco
Установка электромеханического замка Defen.time CLASSIC
аксессуары николацци
курсы машинописи екатеринбург

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
(05.12.2016)