химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

анием на участие в механизме окисления продукта присоединения LXVIII, а не свободного альдегида, может служить образование в качестве продукта реакции не карбоновой кислоты, а ацилированного нуклеофила. Так, окисление альдегидов бромом [174] и хромовой кислотой [175] в присутствии спирта, а также другой молекулой альдегида в реакциях Канниццаро [176] и Тищенко [177] приводит к образованию эфира. Уравнение скорости для реакции Канниццаро содержит члены как первого, так и второго порядка относительно концентрации основания {схема (108)} [178]. Член второго порядка указывает на возросшую тенденцию к переносу водорода в виде гидрид-иона, который, возможно, происходит через образование дианиона гидрата альдегида [схема (108), к2]. В случае

О (О (О О

II Ч /---Ol ft, II

R'CH + OR ;= R'-C-H -* R'-C-OR + R'CH2OH

(108)

R'-COO- + R'CH2OH

полуацеталя, который образуется в результате присоединения спирта, возможна лишь однократная, ионизация, и перенос водорода должен осуществляться от моноаниона, приводя к образованию в качестве продукта реакции непосредственно сложного эфира [схема (108), ki]. Реакция Тищенко — дисмутация альдегида в спирт и эфир, катализируемая алко-голятом алюминия, по-видимому, протекает по внутримолекулярному варианту того же механизма {схема (109)} [179]

R'Ox /OR'

? (109)

2RCHO + (R'O).Al P=i R-C-H* С RCOR'+ (R'O^AlOCHzR

' R^ H R'O

Примерами ферментативного окисления альдегидов до эфиров являются реакции окисления полуацеталей Сахаров, в которых происходит образование лактонов в качестве первичных продуктов, а также окисление формальдегида и метанола до метилформиата, катализируемое алко-гольдегидрогеназой {схема (НО)} [180].

Н Н О

I I НАД+ ||

Н—С —ОН + НОСНз ^ Н —С-ОСН3 + Н20 ~Zl НСОСН3 (НО)

ОН ОН

Окисление полутиоацеталей до «энергетически богатых» тиоловых эфиров, которые имеют большое биологическое значение, облегчается

9-0500

130

ГЛАВА 2

высокой способностью тиоловой группы присоединяться к карбонильным соединениям. Реакция, катализируемая глицеральдегид-3-фосфатдегидро-геназой, почти определенно включает присоединение субстрата к сульф-гидрильной группе активного центра фермента, что приводит к образованию полутиоацеталя, за которым следует перенос гидрид-иона к НАД+ -образованием тиоэфира, и, наконец, перенос ацила на неорганический фосфат с образованием ацилфосфата [схема (111)].

—SH + RCHO О II

aCNH2

14 +

I

R'

-S-G-R

N +

I

R'

О II

—SH + RCOP03z" О

HN.H II I

R'

(111)

О II

—S-C-R О

,Н "

CNH2

N

I

R'

Аналог нормального субстрата г>-треозо-2,4-дифосфат окисляется до стабильного промежуточного фермент-тиолового эфира, который может быть выделен и который реагирует с гидроксиламином, давая гидроксамовую кислоту, но не взаимодействует с фосфатом с образованием ацилфосфата, по-видимому, вследствие присутствия в молекуле двух фосфатных групп [181].

Фермент глиоксилаза I катализирует внутримолекулярное" окисление — восстановление метилглиоксаля в присутствии глутатиона, образуя тиоловый эфир молочной кислоты и глутатион [GSH, схема (112)]. Как эта реакция, так и аналогичная реакция

О (О OJ НО О

II к, II г глиоксалаза! I II

СН3ССНО + GSH ^—- CH3C-C-SG^= *CH3-C-CSG (112)

^—1 I

н н

внутримолекулярной дисмутации фенилглиоксаля в миндальную кислоту, катализируемая ионом гидроксила [схема (113)], протекают без обмена мигрирующего атома водорода со средой, что позволяет предположить наличие механизма гидридного переноса [182]

О (О ОТ НО о

II ч11 V I II

CeH5CCHO + OH--i=f С6Н5С-С-ОН -> С6Н5С-С-0 (11<})

^-1 I н Н

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

131

Доказательством того, что субстратом ферментативной реакции является полуацеталь, служит тот факт, что наблюдаемая скорость реакции не зависит от концентрации фермента при его высоких концентрациях, если реакция начинается добавлением глутатиона, однако скорость становится зависящей от концентрации фермента, если глутатион и метилгликосаль инкубируются совместно перед добавлением фермента [183]. В первом случае образование полуацеталя из глутатиона и метилглиоксаля [ki, уравнение (112)] является скорость определяющей стадией, так что увеличение концентрации фермента не повышает скорости реакции.

В метаноле или в воде при рН 7,5 эта реакция катализируется диме-тилцистамином, но не катализируется ни триметиламином, ни тиолом [184]. Эта модельная реакция также протекает без обмена водорода с растворителем, и можно полагать, что она включает внутримолекулярное промотиро-вание гидридного переноса, как это показано на схеме (114). Детальное кинетическое исследование этой реакции представляло бы значительный интерес

R,

О II

RCCHO + HS I

СНг I

CHj

I

NR2

4 V

R-C-C.

H

NN \

/СН,

-сн2

"О о

I II

R-C-C-S

но о

I II

R-C-COR' + HS

Н

R'OH

сн2

I

сн2

. I ¦

Н NR2

(114)

I I н сн2 I

сн2 I

NR2

Образование из альдегида активированной ацильной группы в реакции внутреннего окисления — восстановления может быть вызвано также цианид-ионом, но в данном случае имеет место, по-видимому, совершенно другой механизм {схема (115)} [136].

О

II

HCCH = CHCOO"

HCN

н

I

нос-I

с 111

N

•сн = CHCOO-

HCN + нооссн,сн,соон

НОС^СН —CHCOO"

(-)

N

-СН2СОО"

LXIX НОС = СН-СН2СОО_

I

с III

N

(115)

HCN + ROOCCH2CH2COOH

132

ГЛАВА 2

Присоединение цианида к альдегиду с образованием циангидрина делает возможным потерю протона с образованием резонансно-стабилизованного аниона LXIX. Обратное присоединение протона, но уже к атому углерода, соседнему с карбоксильной группой, с последующей котонизацией дает ацилцианид — активный ацилирующий агент, который быстро реагирует с водой или спиртом, давая предельную кислоту или эфир.

Окислительная активация карбоновой кислоты и, возможно, также фосфата сульфидом в присутствии иода была описана в гл. 1, разд. В.

Одной из основных проблем современной биохимии является выяснение механизма превращения энергии, выделяющейся в результате взаимодействия связей С — Не кислородом с образованием двуокиси углерода и воды в энергию фосфоангидридной связи АТФ — единой «платежной единицы» в процессах переноса химической энергии, используемой для большого числа синтетических и метаболических функций. Если энергетическое сопряжение имеет химический механизм (хотя это еще не очевидно [185]), то оно может происходить либо непосредственно через окисление некоторых легко образующихся «низкоэнергетических» фосфатных производных до «высокоэнергетических» форм, которые могут затем переносить фосфат на АДФ, давая АТФ, либо через окисление некоторых других «низкоэнергетических» молекул до «высокоэнергетических» форм, которые могут дать макроэргический фосфат через серию реакций переноса. В последнее время стало известно несколько примеров такого активационного процесса, в котором происходит образование высокоэнергетического тиолового эфира при окислении альдегида. Тиоловый эфир может реагировать дальше, давая ацилфосфат и при известных обстоятельствах АТФ. Этот тип активации является ответственным за образование макро-эргических фосфатных связей на «субстратном уровне» фосфорилирования, в котором метаболит, подвергающийся окислению, превращается в активированный продукт. В настоящее время, однако, еще нет уверенности, что аналогичный процесс происходит при многоступенчатом переносе электронов между субстратом и кислородом, который является ответственным за освобождение большей части энергии в аэробном метаболизме. Интерес к этой проблеме стимулировал поиски реакций, в которых фосфатная группа превращается в энергетически богатую форму посредством окислительного процесса, что может служить моделью реакций с природным коферментом. Хотя в настоящее время еще нет доказательств, что какой-либо процесс такого рода ответствен за окислительное фосфорилирование, эти исследования интересны с химической точки зрения и в качестве источника некоторых потенциально полезных синтетических методов.

Одним из простейших примеров активации фосфата посредством окисления является перенос фосфорильной группы тиоловых эфиров фосфорной кислоты на воду или другие акцепторы, который индуцируется окислением иодом {схема (116)} [186]. Подобным же образом окисление фосфогидрази-дов приводит к переносу фосфатной

2-0 2-0 2-0

| | I ХН I RS-

0 —Р— SR + I2 О —Р—SR--*• О—Р—X + ISR-->- RSSR + I- (116)

8 S* 8

группы к акцепторам (при использовании спиртов получаются эфиры, при использовании фосфатов — пирофосфаты) и иллюстрирует возможное применение этого типа активации в синтетической химии {уравнение (117)} [187J

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

133

СГ R'OH ^

I

ROPNHNH2 + окислитель II

0 R'OPO.H"

0~ I

ROPOR' II О

O'O-

I I

ROPOPOR'

(117)

о 0

Очень интересно изучение окисления гидрохинонфосфатов, так как хинонные группы витамина К, витамина Е и коэнзима Q могут претерпевать обратимое окисление — восстановление и участвовать в механизме транспортировки электронов при окислительном фосфорилировании. Окисление гидрохинонфосфатов некоторыми окислительными агентами приводит к гидролизу фосфата, а при низком содержании воды — к переносу фосфориль-ной группы на акцептор, которым может служить другая молекула фосфата, что приводит к образованию пирофосфата в качестве продукта [188, 189]. Детальный механизм этих реакций неизвестен, но принцип окислительной активации можно проиллюстрировать схемой (118). Оттягивание электронов

0-Р=0

хн

г-(

ХН. бимолекулярно 0_р_Х

О

z-o

I

0-Р = 0

I

о

I ¦

НС= N(CH3)4

ХН

от связи фосфат — кислород, которое осуществляется за счет окислительного процесса, делает этот кислород центром хорошей уходящей группы и облегчает отщепление фосфата либо реакцией бимолекулярного замещения с акцептором, либо через мономолекулярное элиминирование с образованием моноаниона метафосфата, который реагирует с акцептором на последующей стадии. Растворитель может принимать непосредственное участие в этих реакциях: диметилформамид, например, действует в качестве переносчика активированного фосфата в форме имидофосфата, который реагирует с акцептором на конечной стадии [190]. Привлекательность этих реакций в качестве модельных была в некоторой степени уменьшена в результате опытов с водой, меченной по кислороду, в которых было показано, что только часть индуцированного окислением гидролиза протекает с переносом фосфата на воду; реакция идет главным образом с расщеплением связи С — О и представляет собой скорее результат активации хинонового кольца, чем фосфата {схема (119)} [191]. В метаноле в качестве основного продукта реакция

134

ГЛАВА 2

дает продукт присоединения LXX (R = СН3) [192]

+ НОР03

/=-. OR

°-сх

ОРОз2"

ibj. 0=(Z)=° + нор°з2"

(119)

Особенно яркий пример образования активированного фосфата за счет окислительного процесса представляет собой окисление бромом эфиров фосфониевой кислоты в пиридине с образованием диэфиров фосфорной кислоты или пирофосфатов {схема (120)} [193]

"О "О

ROPH + Вгг ^5 po-P-V^

II II \=/

О о

R'OH

R'OPO.H"

"0

I

ROPOR' II О

0 О2"

1 I

ROPOPOR'

(120)

О О

Эта реакция аналогична окислению альдегидов до активированных ацил-соединений, но, по-видимому, протекает по другому механизму, в соответствии с чем удаление электронов приводит к переносу фосфата на растворитель с образованием активного промежуточного фосфорилпиридиния, за которым следует перенос фосфата на акцептор. Аналогичной реакцией, важной с биологической точки зрения, является реакция обратимого окисления сульфита в присутствии АДФ или АМФ с образованием энергетически богатого смешанного ангидрида фосфорной и серной кислот [схема (121)].

О

О О

2-

RO-P-Oz~^~"\ SO-ll I

о о

окисл.

О" о-RO - Р - О - s'- О \D восст.

О

I

О

(121)

Было показано, что очищенный фермент, катализирующий эту реакцию с участием АМФ, содержит флавинадениндинуклеотид, железо и каталитически активную сульфгидрильную группу [194]. Эта реакция является наиболее простым и непосредственным примером окислительной активации в биологической системе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Massey V., Gibson Q. Н., Veeger С, Biochem. J., 77, 341 (1960).

2. Hartley В. S., Kilby B. A., Biochem. J., 56, 288 (1954).

3. Sartorelli L., Fromm H. J., Benson R. W., Boyer P. D., Biochemistry, 5, 2877 (1966); Tokuyama H., Kubo S., Tonomura Y., Biochem. Z., 345, 57 (1966) and references therein.

4. McDonald С. E., Balls A. K. J. Biol. Chem., 227, 727 (1957).

5. Kezdy F. J., Clement G. E., Bender M. L., J. Am. Chem. Soc, 86 , 3690 (1964).

6. Bender M. L., Schonbaum G. R., Zerner В., J. Am. Chem. Soc, 84, 2540 (1962); ibid 84, 2562 (1962).

ЛИТЕРАТУРА

135

7. Inward P. W., Jencks W. P., J. Biol. Chem., 240, 1986 (1965); Caplow M. Jencks W. P., Biochemistry, 1, 883 (1962).

8. Bernhard S. A., Guttfreund ff., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 53, 1238 (1965).

9. Kirsch J. F., Igelstrom M., Biochemistry, 5, 783 (1966).

10. Gutfreund H., Sturtevant J. M., Biochem. J., 63, 656 (1956).

11. Inagami Т., Sturtevant Jy My

11. Inagami Т., Sturtevant J. M., Biochem. Biophys. Res. Commun., 14, 69 (1964).

12. Caplow M., Jencks W. P., J. Biol. Chem., 239, 1640 (1964).

13. Epand R. M., Wilson I. В., J. Biol. Chem., 238, 1718 (1963); ibid., 240, 1104 (1965).

14. Alberty R. A., Advan. En/ymol., 17, 1 (1956); Dalziel K., Acta Chem. Scand., 11, 1706 (1957); Cleland W. W., Biochim. Biophys. Acta, 67, 104(1963); ibid., 67,173 (1963); ibid., 67, 188 (1963).

15. Fromm ff. J., Zewe V., J. Biol Chem., 237, 1661 (1962).

16. Velick S. F, Vavra J., J. Biol. Cem., 237, 2109 C1962).

17. Massey V., Veeger C, Ann. Rev. Biochem., 32, 579 (1963).

18. Ray W. J., Jr.,Roscelli G.A., J. Biol. Chem., 239, 1228 (1964); Mourad N., Parks R. E., Jr., ibid., 241, 271 (1966).

19. Silverstein R., Voet J., Reed D., Abeles R. ff., J. Biol. Chem., 242, 1338 (1967).

20. Hersh L. В., Jencks W. P., J Biol. Chem., 242, 3468 (1967); ibid., 242, 3481 (1967).

21. Henson C. P., Cleland W. W., Biochemistry, 3, 338 (1964).

22. Koshland D. E., Jr., in Mechanisms of Enzyme Action (W. D. McElroy and B. Glass, eds.), J. Hopkins Press, Baltimore, 1954 p. 608.

23. Voet J., Abeles R. ff., J. Biol. Chem., 241, 2731 (1966).

24. Rupley J. A., Gates V., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 57, 496 (1967); Pollock J. J., Chipman D. M., Sharon N., Arch. Biochem. Biophys., 120, 235 (1967).

25. ffass L. F., Byrne W. L., J Amer. Chem. Soc, 82, 947 (1960).

26. Bruice Т. C, Schmir G. L., J. Am. Chem. Soc, 79, 1663 (1957); 80, 148 (1958); Bender M. L., Turnquest B. W., ibid., 79, 1656 (1957); BrouwerD. M., Vlugt M. J., Havin-ga E., Proc. Koninkl. Ned. Akad. Wetenschap. (Amsterdam), В 60, 275 (1957).

27. Jencks W. P., Carriuollo J., J Biol. Chem., 234, 1272 (1959); ibid., 234, 1280 (1959); Wolfenden R., Jencks W. P., J. Amer. Chem. Soc, 83, 4390 (1961).

28. Stadtman E. R., in Mechanisms of Enzyme Action (W. D. McElroy and B

страница 22
< 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
курсы мытищи компьютера вектор
Зеркало в овальной раме Kant ОМ-12
evrodizain
где в твери можно выучиться на массажиста

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
(04.12.2016)