химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

рмационного изменения, исчезает в результате предварительной инкубации фермента с пируватом. Период индукции не может быть связан с изменением ассоциации субъединиц фермента, поскольку скорость изменения ферментативной активности не зависит от концентрации фермента и молекулярный вес фермента в очень разбавленных растворах не меняется в присутствии пирувата [47]. Существуют и другие примеры медленных, зависящих от концентрации субстрата изменений в ферментативной активности [48].

В последнее время появилась возможность изучать физические свойства белков такими методами, как температурный скачок, которые позволяют исследовать процессы с временами, соизмеримыми с временами каталитического превращения субстрата на ферменте, так что стало возможным непосредственно установить взаимосвязь между скоростями субстратзависи-мых конформационных изменений и скоростями самой реакции. В настоящее время имеется уже несколько свидетельств в пользу существования изомеризации ферментов и ферментсубстратных комплексов, которые могут представлять собой конформационные изменения такого рода [49—52]. Скорость мономолекулярной изомеризации глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы характеризуется константой порядка 1 с-1 и является слишком медленной, чтобы этот процесс имел место при каждом обороте фермента; по-видимому, этот процесс относится к явлениям контроля ферментативной активности. Рентгеноструктурный анализ лизоцима [28], химотрипсина [54] и карбоксипептидазы [55] дал прямое доказательство существования изменений в конформации фермента при взаимодействии с субстратами или ингибиторами. Гемоглобин, хотя и не является ферментом, но может быть поучительным примером использования всех этих методов для демонстрации конформационных изменений при взаимодействии этого белка с кислородом [56].

Во многих случаях конформационные изменения белков связаны с ассоциацией или диссоциацией субъединиц. Маловероятно, что такие процессы могут протекать достаточно быстро, чтобы они были существенны при каждом превращении молекулы субстрата, так что их роль, по-видимому, сводится к контролю ферментативной активности. На вопрос, связаны ли все эти процессы с изменением конформации отдельных субъединиц, до настоящего времени не было найдено определенного ответа, однако весьма вероятно, что в большинстве случаев такие изменения имеют место, и было бы весьма удивительно, если бы столь большие структурные перестройки происходили бы без соответствующего конформационного изменения субъединиц. В случае щелочной фосфатазы из Е. coli было показано, что зависящее от времени конформационное изменение кислотно диссоциирующих субъединиц должно иметь место до того, как частицы ассоциируются в нативный фермент [57].

1в»

244

ГЛАВА 5

Не исключено, что конформационные изменения могут быть частично или полностью лимитирующей стадией катализируемой реакции [49]. Это должно иметь особое значение, если скорость этих изменений одинакова для различных субстратов [56], так как одинаковые скорости реакций структурно различных субстратов обычно трактуют как свидетельство существования общего ковалентного фермент-субстратного промежуточного соединения, как, например, в случае серии различных эфиров с той же ацильной группой, гидролизуемых химотрипсином или папаином (гл. 2, разд. 5,2).

Если конформационное изменение и разрушение связи происходят синхронно [уравнение (11)1, то маловероятно, что будут наблюдаться одинаковые скорости, поскольку энергетический барьер в этом случае должен представлять сумму барьеров двух этих процессов:

E + S ^ ES JLZllL*. Е'р. (11)

Так как второй барьер должен быть различным для различных субстратов, наблюдаемые скорости реакции также должны различаться. Однако если субстрат связывается только с формой Е и превращение в форму Е1' является необходимой стадией, предшествующей расщеплению связи [схема (12)], то образование и разрушение ковалентных связей не обязательно будет происходить на скорость определяющей стадии.

E + S ^ ES

н н <12>

Е' E'S —*¦ продукты

Если конформационное изменение индуцируется силами связывания субстрата, как в механизмах индуцированного соответствия или деформационном, индуцирующие силы не могут быть одинаковыми для различных суб-. стратов, и маловероятно, однако не невозможно, что для различных субстратов будут наблюдаться одинаковые скорости. Если конформационные изменения являются спонтанными и происходят в присутствии и в отсутствие субстрата, они не могут вызвать индуцирования напряжения, но могут привести к изменению каталитически активной конформации фермента. Такое изменение может произойти со скоростью, которая не зависит от природы субстрата. В связи с этим интересно отметить, что максимальные константы скорости для реакции родственных субстратов, которые, как полагают, имеют общее ковалентное промежуточное соединение, часто, точно не эквивалентны. Такие малые различия, которые, по-видимому, превышают экспериментальные ошибки определения констант скоростей, наблюдаются, например, для папаина и ацетилхолинэстеразы [59]. Причиной этого может быть либо то, что разложение общего ковалентного промежуточного соединения не является полностью лимитирующей стадией, так как скорость его образования вносит известный вклад в наблюдаемую максимальную скорость реакции, или то, что скорость определяющей стадией является конформационное изменение, а не разложение промежуточного соединения.

Д. ОБРАТИМОСТЬ

Нельзя не учитывать того обстоятельства, что фермент катализирует реакцию в обоих направлениях и что некоторые механизмы, такие, как простое растяжение субстрата, могут объяснить катализ реакции только в одном направлении. Чтобы механизмы деформации и напряжения могли объяснить ускорение реакции в обоих направлениях, необходимо, чтобы в результате деформационных взаимодействий как исходные вещества, так и продукты реакции приближались к переходному состоянию. Это значит,

НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕФОРМАЦИИ И КОНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ 245

например, что для нуклеофильных реакций, реакций гидролиза сложных эфиров и других ацилсоединений будет наблюдаться вынужденный переход карбонильного атома, имеющего sp2-гибридизацию, к тетраэдрической структуре, близкой к sp3 и характерной для переходного состояния.

Соотношение между кинетическими параметрами ферментативной реакции уравнения (13) в прямом и обратном направлениях дается уравнением Хелдена [уравнение (14)], в котором Ks и КР — константы диссоциации комплексов фермент-субстрат и фермент-продукт соответственно.

E + S ^ ES ^ ЕР ^ Е+Р, (13) Ks К

Существует ряд примеров, свидетельствующих как будто о том, что ферменты катализируют реакцию более эффективно в одном направлении, чем в другом. Однако это никоим образом не противоречит принципу микроскопической обратимости, поскольку условия, в которых проводили измерения, различаются для двух направлений реакции; в условиях равновесия фермент должен осуществлять равный катализ в обоих направлениях. Чтобы удовлетворять соотношению Хелдена, отношение констант скоростей kf/kT, которое отлично от Keq, должно согласовываться с величинами Ks и Кр. Так, если катализ реакции в прямом направлении много больше, чем в обратном (в условиях, в которых фермент насыщен субстратом или продуктом при измерении начальных скоростей реакции в каждом направлении), константа диссоциации Ks должна быть больше, чем Кр. Такие малые значения Кр часто приводят к сильному ингибированию продуктом реакции в прямом направлении.

В согласии с моделями напряжения и индуцированного соответствия использование сил связывания вызывает увеличение максимальной скорости реакции. Согласно этим моделям, можно объяснить катализ одного направления реакции, если превращение энергии связывания в энергию напряжения или ориентацию каталитических групп будет более важным в прямом направлении реакции, чем в обратном, так что Кв и kf будут больше, чем Кр и kr. Такое поведение особенно вероятно в рамках деформационной модели, если активный центр соответствует субстрату или продукту больше, чем переходному состоянию. Например, если активный центр комплементарен продукту реакции, то это будет приводить к использованию энергии связывания для увеличения скорости реакции субстрата путем перевода его в структуру, соответствующую продукту реакции, однако продукт будет хорошо связываться без увеличения скорости реакции в обратном направлении.

Пример «однонаправленного» катализа был найден в реакции метионин-активирующего фермента, первая стадия которой [схема (15)] представляет собой почти необратимый процесс

уСН3 + хСНз

АТФ + S^ ^ Аденозин — Sx • • • РРР • • • Enz -»- PP + P + Enz (15)

В этом случае соотношение Хелдена удовлетворяется благодаря очень сильному связыванию продукта — неорганического трифосфата,— который, по оценкам, имеет энергию связывания, превышающую —9,4 ккал/моль (—38,5-Ю3 Дж/моль). Аналогичная энергия связывания должна была бы реализоваться при связывании трифосфатной группы АТФ, и большую скорость реакции в прямом направлении частично можно объяснить превращением энергии связывания в энергию напряжения. Значительная величина

246

ГЛАВА 5

этой энергии связывания является выражением того, что, хотя индивидуальные силы связывания слабы, сумма связывающих сил между ферментом и субстратом часто достаточно велика, чтобы вызвать существенное увеличение скорости при превращении в энергию напряжения.

Е. ЭНТРОПИЯ, ЭНТАЛЬПИЯ И СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ

Из теоретических соображений следовало бы ожидать, что индуцирование напряжения при изгибании или растягивании связей или при сжатии атомов должно приводить к изменению теплоты активации реакции. Достижение соответствующей взаимной ориентации фермента и субстрата, что характерно для гипотез непродуктивного связывания и индуцированного соответствия, подразумевает достижение минимальной разупорядоченности и должно приводить к изменениям энтропии активации. Однако существует несколько причин, по которым трудно или невозможно провести четкую грань между этими механизмами при исследовании энтропии и энтальпий активации реакций. Это положение заслуживает обсуждения, поскольку существует распространенное мнение, что измерение теплоты реакции или теплоты активации дает более фундаментальное проникновение в механизм реакции и особенно в природу эффектов заместителей, чем измерение соответствующих свободноэнергетических параметров.

Для интерпретации полярных влияний заместителей, стерических и резонансных эффектов, роли деформаций и родственных эффектов необходимо знать влияние этих факторов на потенциальные энергии реагирующих веществ, различных возможных переходных состояний и продуктов реакции. Первая трудность заключается в том, что экспериментально определяемая теплота реакции или теплота активации не является прямой мерой искомой потенциальной энергии, поскольку она содержит члены, включающие функции распределения и будет существенно отличаться от потенциальной энергии при любой температуре выше абсолютного нуля, при которой существенны колебательная и вращательная энергии- Фактически измеренные значения АН и АН* — не лучшая, а может быть, даже и худшая, мера искомых разностей потенциальной энергии по сравнению с AF и AF=?, которые непосредственно экспериментально определяются из константы равновесия или константы скорости [61].

Вторая трудность, которая особенно существенна для реакций в водных растворах, заключается в том, что наблюдаемые термодинамические величины сильно искажены за счет сольватационных эффектов и необходимо вводить поправки на эти эффекты, прежде чем делать заключения о внутренних энергиях реакции. Так, можно ожидать, что индуктивные и резонансные эффекты заместителей при ионизации фенолов и карбоновых кислот будут проявляться в энергиях кислоты и аниона, однако различие в кислотностях этих соединений определяется в большей степени энтропиями, а не тепло-тами ионизации [62]. Это видно из данных для замещенных бензойных кислот, приведенных в табл. 2. То же явление наблюдается для констант скоростей реакций производных фенола: различие в скоростях щелочного гидролиза замещенных фенилацетатов в воде вызывается только различиями в энтропии активации [63]. Влияние растворителя на величины термодинамических параметров активации видно из того факта, что в смешанном растворителе ацетон (60%) — вода различие в скоростях гидролиза тех же эфиров почти полностью определяется различием в энтальпии активации [64]. Одна из причин влияния полярных свойств заместителей на энтропию реакции заключается в том, что диэлектрическая проницаемость, которая определяет передачу электростатического влияния от заместителя на реакционный центр, зависит от температуры и эта зависимость проявляется в энтропии реакции.

НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕФОРМАЦИИ И КОНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ 247

Таблица 2

Ионизация замещенных бензойных кислот

СООН в воде при 25 °Са [75]

X AF° ДЯ° TAS°

п-ОН 4,582 —0,24 0,65 0,89

Н 4,213 —0,75 0,53 1,28

и-Вг 4,002 -1,03 0,22 1,25

п-С1 3,986 -1,06 0,34 1,40

М-С1 3,827 -1,27 -0,07 1,20

ж-Вг 3,809 -1,30 0,05 1,35

ж-CN 3,598 -1,58 0,07 1,65

я-CN 3,551 —1,65 0,14 1,79

«-N02 3,442 —1,80 0,14 1,94

а Briegleb в., Bieber A., Z. Elektrochem., 55, 250 (195 1).

Этот своеобразный механизм влияния растворителя объясняет большую ¦часть эффектов заместителей в термодинамике ионизации замещенных бензойных кислот [65].

В качестве примера обсудим тот факт, что «-нитрофенол как кислота в 15 раз сильнее, чем ж-нитрофенол, хотя теплоты ионизации одинаковы; различие проявляется полностью в энтропиях реакции. Это становится понятным, если наряду с внутренними энергиями рассмотреть энергии •сольватации, как зто делает Хеплер [66]. Наблюдаемое различие в свободных энергиях ионизации AAFobs складывается из разностей в энтальпии и энтропии кислот и анионов (AAHim, AASiat) и соответствующих разностей, возникающих в результате взаимодействия реагирующих веществ и продуктов реакции с растворителем (AA#soiv, AA5so!v) [уравнение (16)]:

AAFobs = ДД Я lnt - TAASlni + ДД Я so! v - T\ASsolv. (16)

При сравнении членов серии структурнородственных соединений различие во внутренней энтропии ионизации AASmt мало, и им обычно можно пренебречь, поскольку в пределах одной реакционной серии изменение в упорядоченности реагентов и продуктов реакции постоянно [66, 67], откуда следует уравнение

AAFot)s = AAtflnt + ДДЯво1у - TAASaolv. (17)

Далее можно ожидать, что сольватационные члены AAZfSO]V и AASsoiv меняются таким образом, что они частично или полностью будут взаимно компенсироваться при температурах большинства экспериментальных измерений. Это следует как из теории растворов, так и из экспериментальных измерений большого числа различных систем. Так, в случае замещенных нитрофенолов причина того, что «ара-изомер более кислотен, заключается, по-видимому, в большей резонансной стабилизации аниона п-, чем .и-нитро-группой. Поэтому плотность заряда на фенольном атоме кислорода аниона ¦будет больше для мета-заме

страница 44
< 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
шашка такси купить тула
зеркало купить в москве дешево
курсы рынок ценных бумаг
распродажа импортных кухонь в москве

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
(25.03.2017)