химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

ры LXII. В структуре LXII на атоме азота основания Шиффа имеется более положительный заряд, чем в LXI. Этот положительный заряд, стабилизированный частичным отрицательным зарядом на феноль-ном атоме кислорода, служит дополнительной движущей силой, способствующей оттягиванию электронов. На это указывает тот факт, что активность аналогов пиридоксаля в неферментативных реакциях значительно уменьшается или она вообще отсутствует, если эти соединения не содержат ОН-группы в положении 3 [144]. Пиридиновый атом азота в пиридоксале-вом основании Шиффа имеет jtK ~ 5,9, и поэтому при нейтральных значениях рН значительная часть его должна существовать в виде LXII, т.е. с протонированным атомом азота кольца [145]. В случае самого пиридоксаля его биполярная форма является даже более стабильной, так как значения трК, соответствующие потере протона фенольной гидроксильной группой и пиридиниевым атомом азота, равны 4,2 и 8,7 соответственно. Такая последовательность значений трК для этих групп, противоречащая обычным представлениям, была установлена однозначно сравнением спектров и кислотно-основных свойств оксипиридиновых модельных соединений, содержащих метильные группы у пиридинового атома азота и фенольного атома кислорода. Эти необычные значения трК для данных групп свидетельствуют о том, что пиридиновый атом азота оказывает большое влияние на ионизацию фенольной группы, усиливая ее кислотные свойства, и наоборот, фенолят-ион влияет на пиридиновый атом азота, усиливая его основность [146].

Говорят, что бог создал организмы, специально приспособленными для того, чтобы помочь ответить биологам на любой вопрос, касающийся физиологии живых систем. Если это так, то следует заключить, что пирид-оксальфосфат был создан именно для того, чтобы утолить любопытство тех энзимологов и химиков, которые находят наслаждение в «игре с электронами», ибо нет другого кофермента, который бы принимал участие в столь разнообразных ферментативных и модельных реакциях (которые в свою очередь можно разумно Объяснить на основании химических свойств этого соединения). Большинство этих реакций, на первый взгляд представляющихся совсем разными, обусловлено одним и тем же структурным свойством пиридоксальфосфата. А именно в промежуточном соединении LXIII происходит оттягивание электронов от а-атома углерода присоединенной к пиридоксальфосфату аминокислоты по направлению к катионному азоту имина и далее в пиридоксалевый цикл. В результате сдвига электронов все три заместителя при атоме а-углерода становятся активными в тех реакциях, для которых необходимым условием является оттягивание электронов от этого атома углерода (LXIII, R' = Н или же в некоторых

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

115

модельных соединениях R'

сект

Lxm

Для значительно меньшего числа реакций требуется аналогичная активация 6-атома углерода, происходящая под действием того же иминного атома азота. Тем не менее если принять оба эти положения, то на их основании можно объяснить почти все реакции, для которых было показано, что в них принимает непосредственное участие пиридоксальфосфат.

11

А

R-C-COCT

LXIV

R-C-COCT

н-с н

(82)

И

R-C-COO" II О

+ NH2 СН2

N+ Н

R-C-COO' II

н-с-н

н

8*

116

ГЛАВА 2

Предлагаемые объяснения являются в основном результатом умозрительных заключений, однако многие из этих реакций удалось уже воспроизвести в модельных системах. Те немногочисленные подробные исследования их механизмов, которые были до сих пор выполнены, подтверждают представления о механизме действия пиридоксальфосфата, которые впервые были детально сформулированы Снеллом и Браунгятейном и их сотрудниками [147].

Рассмотрим вначале три типа реакций, общим для которых является оттягивание электронов от трех заместителей при а-атоме углерода аминокислоты.

а) Отщепление протона от а-атома углерода. Отщепление протона от а-атома углерода — важнейшая реакция, промотируемая пиридоксаль-фосфатом. В этой реакции образуется стабилизированное промежуточное соединение [схема (82), LXIV,], которое можно считать карбанионом аминокислоты (LXIV, структура А) или основания Шиффа пиридоксамина (LXIV, структура Б). Этот промежуточный продукт представляет собой исходное соединение для целого ряда последующих реакций. Обратное присоединение протона к тому же атому углерода в аминокислоте, но с противоположной стороны, приводит к рацемизации. Присоединение протона к карбонильному атому углерода пиридоксаля дает основание Шиффа пиридоксамина и а-кетокислоты, которое затем гидролизуется [схема (82)]. Этот процесс, идущий в обратном направлении с участием различных а-кетокислот, приводит к регенерации пиридоксаля и к образованию новой аминокислоты. Поэтому суммарным результатом реакции, протекающей в соответствии с уравнением (82) в обоих направлениях, является трансаминирование а-амино- и а-кетокислот [схема (83)].

Н Н

Ri—С—COO--T-R2-C—СОО- 7t Ri—С—СОО- +R2—i—СОО~ (83)

I II II I

+NH3 О О +NH3

Если при 6-атоме углерода имеется хорошая уходящая группа, то наличие электронной пары на анионоподобном промежуточном соединении служит движущей силой для отщепления этой группы с образованием ненасыщенного соединения LXV

RX-!-ch,-c-coo-

нгс = с —соо" н2с-с—соо" nh3+

н-с=о

±rx"

HjC-C-COO"

II

+ NH,

н

н3с-с-соо"

II о

+

NH3

LXV

(84)

Образовавшийся продукт может далее либо гидролизоваться и в результате перегруппировки дать пируват, либо он может присоединить новый анион

R'X~ (по реакции, обратной первоначальному отщеплению), что приведет

+

к образованию новой аминокислоты R'XCHaCH(NH3)COO~ [схема (84)]. Реакции этого типа, протекающие с участием кислородных, тиоловых и индольных групп, выступающих в роли как уходящих, так и атакующих реагентов, ответственны за катализируемые пиридоксалем реакции

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

117

расщепления и взаимного превращения серина, треонина, фосфатов серина и треонина, цистеина, цистатионина и триптофана.

б) Оттягивание электронов присоединенной аминокислоты от карбоксильной группы. Результатом именно такого сдвига электронов является декарбоксилирование. Эта реакция приводит к образованию аниона LXVI, подобно рассмотренному выше промежуточному соединению LXIV

r—с- н-в

Н

I

r— С

н-с н

LXVI

rch2nh2

(85)

Соединение LXVI может присоединить протон либо к оставшейся части аминокислоты и дать при этом простой продукт декарбоксилирования [уравнение (85), путь А), либо к пиридоксалю с образованием производного пиридоксамина, который затем гидролизуется до пиридоксамина и альдегида или кетона (путь Б).

в) Оттягивание электронов из боковой цепи. Оттягивание электронов из боковой цепи соответствующих аминокислот, например серина, приводит к реакции отщепления. В случае серина в качестве начальных продуктов образуются формальдегид и анионоподобное промежуточное соединение, которое затем присоединяет протон к а-атому углерода и дает в качестве конечного продукта глицин [уравнение (86)].

Большинство этих реакций, для протекания которых необходима активация при а-атоме углерода, идет также и в неферментативных процессах при взаимодействии производных пиридоксаля с соответствую-

Н8

ГЛАВА 2

| <86) нгс-сосг

H2NCH2COO_ I

щими амино- или кетокислотами в присутствии ионов металлов при повышенной температуре [133, 147]. Роль фермента частично может выполнять ион металла — он сближает реагенты в подходящем относительном расположении и вносит в реакцию дополнительный электрофильный центр, содействующий оттягиванию электронов. Это, однако, не отражает сущности ферментативного катализа, поскольку было показано, что некоторые очищенные ферменты с пиридоксальфосфатом в качестве кофермента не содержат в молекуле металлов. Детальные кинетические исследования механизмов этих реакций в отсутствие ионов металлов начали проводить лишь в последнее время. Было показано, что реакция трансаминирования включает общий кислотно-основной катализ и скорость определяющей стадией процесса является либо отщепление протона от се-атома углерода аминокислоты, либо присоединение протона к карбонильному атому углерода пиридоксаля, как это показано на схеме (82) [148, 144]. В реакции с аланином скорость процесса определяется отщеплением протона, на что указывает наличие изотопного эффекта при использовании дейтерирован-ного аланина [144]. Реакция трансаминирования а-аминофенилуксусной кислоты в присутствии пиридоксаля и имидазола подчиняется сложной кинетике, свидетельствующей об участии в катализе двух молекул имидазола при его низких концентрациях и о достижении предела по скорости реакции при его высоких концентрациях, что указывает на образование промежуточного комплекса [149]. Не исключено, что катализ протекает по механизму согласованного отщепления и присоединения протона; однако в более простых реакциях подобного рода согласованный катализ, по-видимому, отсутствует (гл. 3, разд. Г,2), и поэтому окончательная трактовка кинетических данных для этой системы потребует дополнительных исследований.

Промежуточное соединение LXIV, которое играет основную роль в механизме катализа, пока не удалось однозначно идентифицировать. Однако имеются данные, свидетельствующие, что оно образуется и накапливается в модельных системах при реакциях производных пиридоксаля с аминокислотами, содержащими в молекуле заместители, обладающие сильными электронооттягивающими свойствами. Аминомалонат и а-метиламино-малонат претерпевают декарбоксилирование в присутствии производных

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

119

пиридоксаля при физиологических температурах, по-видимому, в соответствии с механизмом, представленным в виде схемы (85) [150, 151]. Менее согласующимся с обычными представлениями является тот факт, что диэтиловый эфир аминомалоновой кислоты быстро гидролизуется и претерпевает декарбоксилирование в присутствии 10_5М пиридоксальфосфата при рН 6 [150]. Очевидно, кофермент оказывает электронооттягивающее влияние и тем самым облегчает протекание этой реакции, содействуя расщеплению углерод-углеродной связи либо до [уравнение (87), путь А],

ГО О I vll г* А I II

-CTC-OEt -С + HOCOEt -* С02 + HOEt,

„Кг н .

ПиР -о-н Пир

j-EtOH О

-С-гС-О- -с+со2

к II /87)

Пир* пир у°'>

но о но

I II -н+ s\ II п. в н о I 11

-C-C-OEt ^=± -C-C-!-OEt -с=с=о -С-С-0

1 1 + 1 + J ¦

Лир * Лир Пир* Пир

н f

I

-с + со2 II

Пир

либо после ]уравнение (87), путь Б] гидролиза сложноэфирной группы. Не исключено, что реакция идет по пути отщепления этанола с образованием кетена и с последующим присоединением воды и декарбоксилированием [уравнение (87), путь В]. Наконец, возможно, что реакция протекает по механизму внутримолекулярной атаки эфирной группы аминоспиртом, образовавшимся из пиридоксаля и аминомалонового эфира, подобно тому, как это происходит в реакции гидролиза к-нитрофенилового эфира лейцина, катализируемой бензальдегидом (гл. 1, разд. Б).

Наиболее важное наблюдение, связанное с этой реакцией, заключается в том, что при смешивании пиридоксальфосфата с диэтиловым эфиром аминомалоновой кислоты быстро образуется промежуточное соединение, для которого характерна полоса поглощения с максимумом при 460 нм. В спектрах простых производных пиридоксаля этот максимум поглощения отсутствует, и поэтому кажется вероятным, что на самом деле это промежуточное соединение представляет собой ключевой промежуточный анион LXIV. На справедливость этого указывает также тот факт, что в этаноле из N-метилпиридоксаля и диэтиламиномалоната образуется аналогичное соединение с максимумом поглощения при 480 нм. Это соединение может вступать в реакцию с альдегидами с образованием, по-видимому, оксиме-тилированного продукта присоединения {схема (88)} [152]. При этом исчезает полоса поглощения при 480 нм. Известно, что продукт взаимодействия аминомалоновой кислоты и пиридоксальфосфата также либо декарбоксилируется, либо присоединяется к альдегидам с образованием а-амино-р-оксикислот. Эта реакция идет, по-видимому, через подобное же промежуточное соединение [151]. В реакции превращения аланина до пирувата, которая идет в присутствии катиона N-метилпири-дин-4-альдегида, образуется промежуточное соединение с максимумом

120

ГЛАВА 2

-C-COEt

(88)

поглощения при 500 нм, которое имеет, по-видимому, аналогичное строение [153]. Во многих ферментативных реакциях также были обнаружены промежуточные соединения с максимумом поглощения вблизи 500 нм. Их строение, по-видимому, подобно структуре промежуточного соединения LXIV [154].

В

(

н н н

с-соо" +пир—сао

NHj+

(89)

н

К'Х-СН2-СНг-С-СОО- + Пир- СНО +NH3

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

121'

Для протекания некоторых ферментативных реакций с участием пиридоксальфосфата (например, р-декарбоксилирование или у-отщепление) необходима активация тех атомов углерода, которые менее тесно связаны с пиридоксалевым циклом, чем а-атом углерода аминокислоты. Роль активирующей группы в этих реакциях выполняет, по-видимому, протонирован-ный атом азота основания Шиффа. После отщепления протона от а-атома углерода эта группа способствует отщеплению протона от р-атома углерода. При этом образуется промежуточное соединение типа р-карбанион-енамина. Как видно [схема (89)], механизм этой реакции похож на механизм альдольной конденсации, катализируемой аминами. Образовавшееся промежуточное соединение способно также легко отщеплять хорошую уходящую группу от у-атома углерода. Именно так протекает расщепление цистотионина и отщепление фосфата от фосфогомосерина в процессе синтеза треонина [схема (89)]. Ненасыщенный продукт, образовавшийся в реакции отщепления, может либо присоединить нуклеофил к любому положению по двойной связи, либо гидролизоваться и перегруппироваться в несколько стадий *). Аналогичный механизм наблюдается, по-видимому, также и при р-декарбоксилировании. В данном случае катионный атом азота в основании Шиффа активирует субстрат так, что вместо отщепления протона идет декарбоксилирование [схема (90)]. Эти реакции не удалось

Н s~\

ООС-СН2-С-СО(Г .с-сн2-с-соо- H2C = C-COO"

4и .„+ 0 Л. |

NH ±н+ +NH

NH

// / -СО, /

н_с н2с " Н2С

J 1 1

Пир Пир Пир

LXVII I

.с-сн2-с-соо- CHj-CH-COO-

0 1 J

О +NH3

+ +

NH2 Пир -cm

нгс I

Пира

неактивный

пока наблюдать в модельных системах, вероятно, потому, что в отсутствие-фермента быстрее протекают другие, более простые реакции. Интересно, что в отсутствие карбонильных соединений происходит постепенная инактивация аспартат-р-декарбоксилазы, вызванная гидролизом промежуточного основания Шиффа LXVII до пиридоксаминфосфата и а-кетокислоты; в отсутствие избытка пиридоксальфосфата или карбонильного соединения, приводящих к регенерации активной пиридоксалевой формы, пиридокс-аминовая форма комплекса фермент-кофермент не способна катализировать превращение аминокислоты [155].

* Студентам полезно выписать хотя бы некоторые из множества возможных (но недоказанных) механизмов, которые можно предложить для этих стадий, а также для заключительных стадий приведенной ниже реакции р-декарбоксилирования.

122

ГЛАВА 2

Кат

страница 20
< 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
Купить дом в Петелино в поселке Зелёная Роща -1
бутсы в новокузнецке купить
автостекла китай
sem_15

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
(27.02.2017)