химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

возможна для

активированное соединение

(7)

L

±E'1Z 1 „~

АТФ+ L-COOH -г=± АМФ-СО-ПФ ±ПФ

- ^

стабильное соединение

L

I

АМФ-СО

L EnZ H.0 I

L — СООН + АМФ «-7Г- АМФ- СО - АТФ *±АТФ АТФ

гидролиза валил-АМФ под действием изолейцил-РНК-синтетазы. которая активируется в присутствии транспортной РНК, содержащей изолейцин-специфические цепи [27].

6. ЛИЗОЦИМ

Рентгеноструктурное изучение лизоцима и комплексов лизоцима с ингибиторами [28] позволило существенно конкретизировать и сделать более-реальными рассуждения, изложенные выше. Лизоцим катализирует расщепление N-ацетилмурамидных связей в чередующемся сополимере N-ацетил-глюкозамин-1Ч-ацетилмурамовая кислота, содержащемся в стенках клеток бактерий, а также расщепляет олигосахариды с той же чередующейся структурой и даже полимеры, содержащие только N-ацетилглюкозамин. Рентгеноструктурное изучение показало, что область, связывающая субстрат на ферменте, представляет собой щель, которая может взаимодействовать с шестью гексозными остатками; их центры обозначены буквами А — F (XII)

Ж

Гексасахарид N-ацетилглюкозамина расщепляется между остатками 4 и 5; фермент катализирует расщепление у углеродного атома G-1 гёксозной группы, связанной с центром D.

Измерения констант диссоциации и констант Михаэлиса N-ацетилглю-козаминных олитосахаридов показывают, что в данном случае происходит увеличение энергии связывания при росте числа гексозных остатков от одного до трех, но при дальнейшем росте цепи заметного улучшения связывания не наблюдается [29]. Тем не менее дальнейший рост длины цепи приводит к резкому увеличению скорости расщепления; так, гексамер реагирует более чем в 30 ООО раз быстрее, чем мономер, несмотря на то, что они имеют почти одинаковые константы связывания [30]. Этого следовало ожидать, если допустить наличие непродуктивного связывания, что согласуется и с рентгеноструктурной моделью: короткие олигосахариды преимущественно связываются с центрами А — С, которые непродуктивны. Связывание субстратов с более длинной цепью происходит с участием центров D и Е, что • и обеспечивает протекание реакции. Отсутствие увеличения общей энергии связывания при росте длины цепи показывает, что взаимодействие с центрами D и Е происходит с очень небольшой энергией связывания. Как видно из уравнений (4) и (5), наблюдаемая максимальная скорость для коротких субстратов определяется высокой константой скорости реакции очень небольшой доли

НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕФОРМАЦИИ И КОНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ 239

субстрата, связанного продуктивно центрами D и Е, а наблюдаемая константа связывания представляет собой в основном сумму констант связывания с непродуктивными центрами с незначительным вкладом за счет слабого связывания с продуктивными центрами.

Затруднения, возникающие при продуктивном связывании субстрата с активным центром, наиболее четко были продемонстрированы измерением констант связывания для олигосахаридов с чередующейся N-ацетилглюкоз-амин (G) — N-ацетилмурамовая кислота (М)-структурой [31]. Для этих субстратов наблюдается увеличение энергии связывания с ростом длины цепи (как и в случае полимеров N-ацетилглюкозамина) вплоть до трех гексозных остатков, однако добавление четвертого остатка М с образованием структуры G-M-G-M приводит к уменьшению энергии связывания на 2,9 ккал/ моль (12,2 - 10s Дж/моль). Эта неблагоприятная энергия связывания с D-цент-ром означает, что недсформированный остаток гексозы некомплементарен этому центру, так что связывание в этом положении происходит в том случае, если остаток М вводится в этот центр за счет энергии связывания соседних гексозных остатков.

Эти факты становятся понятными при изучении кристаллографической структуры молекулы фермента и химии катализируемой реакции. Как было описано в гл. 3, разд. Д,3, расщепление у С-1 атома углерода гексозы, связанной с центром D, протекает, по всей вероятности, при участии карбокси-латного иона и карбоксильной группы активного центра фермента через переходное состояние, которое имеет некоторое сходство со структурой иона карбония. Существование реакций переноса на специфические акцепторы с сохранением конфигурации С-1 атома углерода показывает, что распад этого переходного состояния ведет к образованию промежуточного соединения аналогичной структуры с временем жизни, достаточным для того, чтобы уходящая группа могла диффундировать с центра Е и заместиться молекулой акцептора [30, 32]. Образование похожего на ион карбония переходного состояния требует искажения гексозного кольца из конформации кресла (XIII) в конформацию полукресла (XIV) с тем, чтобы произошла резонансная стабилизация при взаимодействии положительного заряда атома углерода и соседнего атома кислорода. Данные рентгеноструктурного анализа и результаты, описанные выше, показывают, что фермент снижает энергию, необходимую для достижения переходного состояния, путем принудительного перевода гексозного кольца на центре D в конформацию полукресла. Этот процесс представляет собой превращение энергии связывания в энергию напряжения или деформации, понижающее" энергию активации.

Отсюда следует, что активный центр связывает переходное состояние в конформации полукресла лучше, чем субстрат.

На вероятность того, что напряжение может изменять реакционную способность групп в ферментах, особенно реакционную способность комплексов с металлами, указал Виллиамс [33]. Эффективная основность, кислотность или окислительно-восстановительный потенциал реагирующих групп могут изменяться вследствие стерических особенностей белка, увеличивая реакционную способность этих групп, и необычные спектры многих метал-лопротеинов, по-видимому, свидетельствуют о существовании таких изменений.

Ж

240

ГЛАВА 5

7. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Существует много примеров химических реакций, в которых напряжение способствует увеличению скорости, и в некоторых иэ них это увеличение близко по величине к ферментативным ускорениям. Одним из наиболее ярких примеров подобного влияния является щелочной гидролиз этилен-фосфата (XV) при сравнении его с гидролизом структурно родственного соединения диметилфосфата (XVI) [34—36].

°\р-/° °\р/°

II I т

СН2 — GH2 GH3 GH3

XV XVI

Гидролиз циклического соединения с расщеплением связи Р — О происходит по крайней мере в 108 раз быстрее, чем реакция нециклического соединения. Это различие в скоростях является следствием напряжения и дестабилизации, вызываемых циклической структурой соединения (XV), что приближает его частично к структуре переходного состояния. Интересно отметить, что, хотя напряжение должно снижаться в переходном состоянии, это, однако, не определяет природу продукта реакции, поскольку гидролиз пятичленного циклического триэфира при нейтральных значениях рН дает в качестве продуктов как циклический эфир, так и диэфир с открытой цепью. Это значит, что напряжение, вносимое пятичленным кольцом, не представляет собой простого отталкивания атомов в кольце, которое облегчало бы раскрытие кольца. Быстрый, катализируемый кислотой обмен меченых атомов кислорода воды с атомами этиленфосфата без раскрытия кольца является другим выражением того же явления [35]. Если фермент мог бы индуцировать аналогичную специфическую дестабилизацию фосфорного эфира или другого субстрата относительно переходного состояния реакции, это служило бы объяснением значительной доли эффекта увеличения скорости, вызываемого ферментами.

В качестве другого примера увеличения скорости приблизительно в 10* раз можно рассмотреть реакцию замещения тиоловой группы в напряженном триметилендисульфидном кольце [схема (8)] по сравнению с соответствующей реакцией дисульфида с открытой цепью [схема (9)].

CiH9S

"S-S

/ \

Н9С4 С4Н9

I

C4H,

(9)

Интересно предположение, что большое увеличение скорости в этой реакции, по-видимому, отражает более предпочтительную энтропию активации реакции циклического соединения, хотя это мнение нельзя считать окончательным [38].

К несколько другому типу стерических ускорений могут приводить громоздкие группы, которые принуждают реагирующие группы принять реакционноспособную конформацию. Так, разложение трет?г-бутил-1Ч-нитро-карбамата протекает в 108 раз быстрее, чем в случае к-бутильного соединения. Громоздкая трете-бутильная группа дестабилизирует исходное состоя-

НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕФОРМАЦИИ И КОНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ 241

ние, приводя во взаимодействие нитро- и карбометокси-группы [схема (10)].

N

I

©N

0-R'

>0-R'

©

N-0 I I N—С*

...o-

>OR'

(10)

продукты

Уменьшение этой дестабилизации в переходном состоянии ведет к увеличению скорости, которое полностью проявляется в уменьшении энтальпии активации на 5,4 ккал/моль (22,7-103 Дж/моль) [39]. Четкой грани между этим типом увеличения скорости и увеличением скорости, вызываемым эффектом сближения, как описано в гл. 1, не существует.

Значительно меньше имеется примеров неферментативных реакций в растворе, в которых скорость реакции возрастает за счет индуцирования напряжения в субстрате при связывании с катализатором. Катализ рацемизации оптически активных молекул 1,1'-бинафтила (XVII) и 9,10-дигидро-3,4; 5,6-дибензофенантрена (XVIII) тринитрофлуороном (XIX) представляет собой простой и четкий пример такого типа ускорений, хотя максимально наблюдается лишь двукратное увеличение скорости [40]. Образование комплекса между асимметрическим субстратом и плоским катализатором облегчает образование планарного переходного состояния, которое требуется для реакции рацемизации.

N02

02N

ХЕШ

22Ж

Более сложный пример, который, возможно, представляет аналогичный тип катализа,— это реакция iiuc-ттграис-изомеризации растворимого в воде азокрасителя хризофенина (XX) под действием некоторых белков* [41].

XX

Скорость изомеризации возрастает в 30—80 раз в присутствии сывороточного альбумина и Р-лактоглобулина. Величину этих ускорений нельзя объяснить простыми сольватационными эффектами, и, кроме того, малые молекулы, которые соответствуют функциональным группам боковых цепей белка, не обладают заметной каталитической активностью. Катализируемая реакция обнаруживает максимум скорости в области рН, в которой, как было отмечено, белки претерпевают конформационные изменения. Это указывает на то, что при адсорбции красителя могут происходить конформационные изменения, приводящие к индуцированию напряжения и увеличению реакционной способности связанного красителя.

16—0500

242

ГЛАВА 5

Весьма вероятно, что индуцирование напряжения существенно в гетерогенном катализе и в реакциях, включающих твердые тела и полимеры. Так, в системе кристаллы триоксана — пары формальдегида происходит полимеризация с образованием полиоксиметиленового полимера, в котором цепи выстраиваются параллельно оси симметрии шестого порядка исходного кристалла, однако никакой реакции не наблюдается с тетроксаном [42]. Поскольку тетроксан с его напряженным восьмичленным циклом должен обладать большей реакционной способностью, чем триоксан, очевидно, кристаллическая структура сообщает последнему соединению повышенную реакционную способность и определяет структуру продукта. Механическая деформация полимеров вызывает напряжения и разрывы химических связей, что приводит к увеличению реакционной способности. Так, растяжение-резины приводит к увеличению скорости реакции с озоном, который, вероятно, реагирует со связями, претерпевающими напряжение или полностью расщепляющимися с образованием свободных радикалов при механической деформации.

Г. СКОРОСТИ КОНШОРМАЦИОННОГО ИЗМЕНЕНИЯ

Изменение конформации фермента является существенной особенностью механизма индуцированного соответствия и может происходить также в деформационном механизме, поэтому возникает вопрос, каковы временные соотношения между такими конформационными изменениями и самим каталитическим процессом. Очевидно, небольшие изменения в положении аминокислотных остатков вблизи активного центра фермента могут происходить очень быстро, кроме того, известно, что переход спираль — клубок большой молекулы полиглутаминовой кислоты также протекает с высокой скоростью [44, 45]. С другой стороны, большинство структурных изменений белков, которые можно обнаружить физическими методами, в большинстве случаев протекает за время от нескольких секунд до нескольких часов, по-видимому, вследствие того, что скорость определяющей стадии (которая сама по себе быстра) предшествуют неблагоприятные равновесные стадии. Такие относительно медленные конформационные изменения не могут происходить в каждом каталитическом обороте фермента, однако могут иметь значение для осуществления контроля ферментативной активности, как и в случае механизма индуцированного соответствия.

Несмотря на то что обычными физическими измерениями трудно обнаружить небольшие конформационные изменения, однако в некоторых случаях были найдены свидетельства, указывающие на то, что такие конформационные изменения индуцируются субстратами. Совершенно очевидно, что взаимодействие двух конформационно подвижных молекул в растворе должно приводить к обратимым конформационным изменениям в этих молекулах, и было бы весьма удивительно, если бы этого не происходило. Поэтому в настоящее время главным вопросом является не доказательство существования таких конформационных изменений, а выяснение их природы, скоростей, с которыми они происходят, и выявление роли, которую они играют в ферментативном катализе.

Простой и непосредственный метод обнаружения субстрат-зависимых конформационных изменений заключается в демонстрации того, что субстрат вызывает увеличение скорости реакции белка с добавленным соединением, таким, как сульфгидрильный реагент или протеолитический фермент, которое нельзя приписать электростатическому эффекту. Другое простое средство, которым часто пренебрегают, основано на том, что вследствие малой скорости многих конформационных изменений следует ожидать, что зависящая от субстрата активация фермента потребует заметного периода времени, т. е. при достижении максимальной активности наблюдается период

НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕФОРМАЦИИ И КОНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ 243

индукции. Трудно объяснить этот период индукции каким-либо другим механизмом, помимо изменения конформации фермента или химической реакцией с ферментом, которые протекают с константой скорости, меньшей, чем константа скорости, характеризующая число оборотов фермента. Существование таких медленных конформационных изменений приводит к серьезным сложностям при изучении ферментативной кинетики методами быстрого смешивания, поскольку состояние фермента в отсутствие субстрата может отличаться от состояния фермента в его присутствии и взаимное превращение этих форм фермента может быть сравнительно медленным по сравнению с максимальной скоростью превращения субстрата.

Пример активации субстратом, которая зависит как от времени, так и от температуры, был найден Финчем при изучении дегидрогеназы мутанта Neurospora [46]. Период индукции был обнаружен при восстановлении пирувата НАДН2, катализируемом D-лактатдегидрогеназой из Escherichia coli. Этот период индукции, который является следствием медленного кон-фо

страница 43
< 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

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
(20.02.2017)