химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

D. R., Jenks W. P., J. Am. Chem. Soc, 87, 2462 (1965).

34. Karush F., Advan. Immunol., 2, 1 (1962).

35. Rupley J. A., Butler L., Gerring M., Hartdegen F. J., Pecoraro R., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 57, 1088 (1967).

36. Green N. M., Biochem. J., 89, 599 (1963).

37. Gordy W., Stanford S. C, J. Chem. Phys., 9, 204 (1961).

38. Amett E. M., Progr. Phys. Org. Chem., 1, 223 (1963).

39. TamresM., SearlesS., Leighly E. M.,MohrmanD. W.,1. Am. Chem. Soc, 76,3983(1954).

40. Epley T. D., Drago R. S., J. Am. Chem. Soc, 89, 5770 (1967).

41. Rubin J., Panson G. S., J. Phys. Chem., 69, 3089 (1965); Rubin J., Senkowski B. Z., Panson G. S., ibid., 68, 1601 (1964).

42. Drago R. S., Wayland В. В., J. Am. Chem. Soc, 87, 3571 (1965).

43. Eigen M., Angew. Chem. Intern. Ed., 3, 1 (1964); Grunwald E., Progr. Phys. Org. Chem., 3, 317 (1965).

44. Clementi E., J. Chem. Phys., 46, 3851 (1967).

45. Pitzer K. S., Westrum E. F., J. Chem. Phys., 15, 526 (1947); McGaw B. L., Ibers J. A., ibid., 39, 2677 (1963); Cote G. L., Thompson H. W., Proc. Roy. Soc. (London), 210A, 206 (1951); Ibers J. A., J. Chem. Phys., 41, 25 (1964).

46. Bacon G. E., Curry N. A., Acta Cryst., 10, 524 (1957); 13, 717 (1960).

47. Colic L., Speakman J. C, J. Chem. Soc, 1965, 2521, 2530; Shrivastava H. N., Speak-man J. C, ibid., 1961, 1151; Speakman J. C, Mills H. H., ibid., p. 1164.

48. Blinc R., Hadzi D., Novak A., Z. Elektrochem., 64, 567 (1960); Blinc R., Hadzi D., Spectrochim. Acta, 16, 853 (1960).

49. Cardwell H. M. E., Dunitz J. D., Orgel L. E., J. Chem. Soc, 1953, 3740.

50. Hadzi D., Marciszewski H., Chem. Commun., 1967, 2.

51. Jonson S. L., Rumon K. A., J. Phys. Chem., 69, 74 (1965).

52. Hadzi ?>., Kobilarov TV., J. Chem. Soc, 1966 A, 439.

53. Williams J. M., Kreevoy Af., J. Am. Chem. Soc, 89, 5499 (1967).

54. Coulson C. A., Research (London), 10, 149 (1957).

55. Coulson C. A., Danielsson U., Arkiv Fysik, 8, 239 (1954); Tsubomura H., Bull. Chem Soc. Japan, 27, 445 (1954).

56. Bowen H. C, Linnett J. W., J. Chem. Soc, 1966A, 1675.

57. Cambell R. D., Gilow H. M., J. Am. Chem. Soc, 82, 5426 (1960); Forsen S., Acta Chem. Scand., 18, 1208 (1964); Barnum D. W., J. Inorg. Nuc. Chem., 21, 221 (1961).

18—0500

Глава 7

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Взаимодействия между заряженными группами, безусловно, вносят вклад в специфичность фермент-субстратного взаимодействия- Однако, в какой степени электростатическое притяжение в состоянии обеспечить движущую силу межмолекулярных взаимодействий в водном растворе, еще не вполне ясно. Также недостаточно полно разработаны теоретические основы ионных взаимодействий в водных растворах. Существует обширная литература по теории ионных взаимодействий, однако при отсутствии детальных сведений о структуре воды и о природе микроскопических взаимодействий ион-вода и ион-ион в воде существующие теории не дают в общем случае возможности количественно описать их. В этой главе будет рассмотрен эмпирический подход, основанный на описании различных проявлений этих взаимодействий. Будут также сделаны, в основе своей феноменологические, попытки их корреляции и объяснения. Читатель может ознакомиться более подробно е теоретическими и экспериментальными основами проблемы электростатических взаимодействий в воде по другим источникам [1].

А. МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ИОННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

1. СВЯЗЫВАНИЕ ИОНОВ

Типичным примером проявления электростатических сил в фермент-субстратных взаимодействиях может служить связывание положительно заряженной группы ацетилхолина и подобных ему субстратов и ингибиторов с анионным центром фермента ацетилхолинэстеразы (I) [2].

Субстрат диметиламиноэтилацетат (II) подобен ацетилхолину, за исключением того, что одна метальная группа замещена в нем на способный к дис-социации_ атом водорода, так что при высоких значениях рН субстрат переходит в незаряженную форму свободного амина. Активность фермента к этому субстрату при возрастании рН и потере им положительного заряда уменьшается в три раза по сравнению с ацетилхолином. Аналогично константа Михаэлиса для незаряженного субстрата изоамилацетата (III) в во-

внионный центр

Эствролитический центр

СН3—N —СН2—СН2—О—С —СН3 СН3 О

I

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

275

семь раз больше, чем для протонированного диметиламиноэтилацетата СН3 О СН3 О

СН3 — +N — СН2СН2ОССН3 СН3—С - СН2СН2ОССН3

I I Н СН3

II III

Для установления того, чем вызваны эти различия — изменением в связывании или в скоростях ацилирования фермента субстратом,— необходимо детальное кинетическое исследование, однако, во всяком случае, очевидно, что присутствие положительного заряда усиливает фермент-субстратное взаимодействие в небольшой, но вполне ощутимой степени. Аналогично ингибирование ацетилхолинэстеразы соединением с четвертичной аммониевой группой неостигмином (IV) не зависит от значения рН, в то время как ингибирование третичным амином физостигмином (V) уменьшается в 16 раз при потере положительного заряда.

О О II НИ сн-

ОСШСНзЬ CH3NCO

N-H

+ N(CH3)3 н3С СН3

Ш Y

Катионный ингибитор диметиламиноэтанол (VI) связывается с ферментом в 30 раз сильнее, чем незаряженный ингибитор изоамиловый спирт (VII).

СН3 СН3

I I CH3-NCH2CH2OH СН3ССН2СН2ОН

I I

н н

VI VII

Таким образом вклад электростатических сил в энергию взаимодействия четвертичного аммониевого иона, заряд в котором довольно хорошо экранирован, с анионным центром этого фермента имеет порядок 1—2 ккал/моль (AF — — RT In 3—30). В дальнейшем будет видно, что даже такая сравнительно малая энергия вряд ли обеспечивается простым электростатическим притяжением, так как для тетралкиламмониевых ионов в воде наблюдают очень малые энергии электростатического взаимодействия. Связывание может вызываться силами, отличающимися от простого электростатического взаимодействия, а отрицательный заряд в связывающем центре фермента может служить только для правильной ориентации субстрата на активном центре и обеспечивать специфичность, так как связывание нейтральных и анионных субстратов энергетически становится менее выгодным. Из рН-зависи-мости ингибирования катионами алкиламмония следует, что в анионный центр фермента входит карбоксильная группа [3].

Взаимодействия моноанионов с ферментами и другими белками часто происходят с намного большими энергиями связывания [4—8]. Ингибирую-щая способность анионов по отношению к ацетоацетатдекарбоксилазе убывает в следующем ряду: SCN- >СЮ">1- >NO; >С103> Вг~ > Ch > BrOi > >F~ ~ 103 (ионы HS03 и Ci3CCOO", по-видимому, оказывают специфическое влияние на этот фермент и поэтому исключены из списка). Значения констант диссоциации комплексов с этими ионами лежат в пределах 1,1-10~*... 0,1 моль/л, что соответствует свободным энергиям связывания от —1 до —5

18*

276

ГЛАВА 7

Таблица 1

Взаимодействие анионов с белками, анионообменной смолой и этиловым эфиром ацетилтетраглицина (ЭЭАТГ). Анионы приведены в порядке уменьшения силы взаимодействия

Концентрация 50%-ного ингибирования ацетоацетат декарбоксилазы а, моль/л Сродство к шерсти при 0 °С, log К 6 Сродство к смоле дауэкс 2, К* Изменение температуры плавления 5%-ного геля желатины в присутствии 1 моль/л соли, °С г Взаимодействие с ЭЭАТГ, hg д

Пикрат 3,86 _ _

СЮт 0,0007 — 32 — -0,33

SCN- 0,001 — 19 -14,4 -0,25

cisccoo- 0,33 1,16 18 —17,7 —0,27

га-Тозилат — 1,04 14 —14,9 е -0,31

I- 0,001 — 8-13 —14,4 -0,23

Вг- 0,01 0,69 3,4 -7,6 0

NOg 0,013 0,89 3,3 -8,1 —0,08

GI- 0,05 0,43 1,0 -2,4 0,05

BrOj 0,076 — 1,0 — 0,09

H2POj 0,12 0,34 — 0,36

СН3СОО- — 0,17 — 0,23

F- 0,10 — 0,10 +4,1 0,23 ж

а См. [4].

" Константы связывания для шерсти в кислом растворе [5]. в Сродство по отношению к C1- [6].

г Натриевые соли [7]. Температура плавления в воде 30,4 °С. я Константа высаливания для натриевых солей [8]. е Бензолсульфонат. ж Калиевая соль.

ккал/моль (от —4,2 до —21.-10s Дж/моль) [табл. 1]. Интересно, что термодинамические параметры связывания этих ионов изменяются в чрезвычайно широких пределах: АН изменяется от —28 ккал/моль (—127-Ю8 Дж/моль) для SCN" до +1 ккал/моль (4,18-103 Дж/моль) для 10;, a AS — от —74 энтр. ед. (—31.1 Дж/моль -К) для SCN" до +8 энтр. ед. (33,6 Дж/моль -К) для 10^. Таким образом, наблюдаемое сравнительно небольшое изменение свободной энергии связывания является результатом почти полной компенсации намного больших изменений энтальпии и энтропии. Это может служить еще одним примером того, как большие изменения в энтальпии и энтропии, которых следует ожидать для прямого взаимодействия, могут взаимно компенсироваться и приводить к относительно малым изменениям свободной энергии. Большие изменения энтропии, по-видимому, отражают изменения в структуре растворителя и белка, которые происходят таким образом, что компенсируют энтальпийные изменения. Так, энтропийно неблагоприятное увеличение структурированности воды может сопровождаться энергетически благоприятным образованием водородных связей, так что свободная энергия изменяется лишь незначительно.

Подобным же образом располагаются анионы по эффективности связывания с другими белками, такими, как шерсть или бычий сывороточный альбумин, и с анионобменными смолами, такими, как тетралкиламмоние-вая смола дауэкс 2 (табл. 1). Связывание может быть очень сильным: константы связывания ионов хлорида, тиоцианата и трихлорацетата с высокоэффективным центром бычьего сывороточного меркаптоальбумина равны .2400; 24 000 и 120 000 л/моль соответственно, что дает в свободных энергиях связывания величины от —5 до —7 ккал/моль [9].

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

277

Для приведенного выше ряда очень характерна взаимосвязь между эффективностью связывания и размером и плотностью заряда иона, особенно в ряду галогенидов. В ряду 1~ >Вг~ >СГ" порядок изменения эффективности связывания противоположен тому, который следовало бы ожидать в случае чисто электростатического характера связывания аниона с катион-ным центром. В общем линейной зависимости между прочностью связи и размером иона нет, так как многие большие анионы, такие, как фосфат и ацетат, связываются очень слабо.

Непосредственной мерой силы межионных взаимодействий могли бы быть константы равновесия образования ионных пар в водном растворе, однако для одновалентных ионов такие пары чрезвычайно неустойчивы. Измерение констант равновесия при слабой ассоциации связано с большими экспериментальными трудностями, но, по-видимому, можно считать, что константы ассоциации образования ионных пар из обычных одновалентных ионов не превышают 1,0 л/моль и близки к значению, которое следовало бы ожидать для механизма случайных столкновений сольватированных ионов [10]. Даже если один из ионов является двухвалентным, константа ассоциации остается незначительной, однако, если оба иона двухвалентны, наблюдаются большие значения констант. Характерными величинами являются: 9 л/моль для K + 'SO^", 5 л/моль для Na+-SO|~, 190 л/моль для Са2+-•SOJ- и 140 л/моль для Mg2 + .SO|- [И].

Взаимодействие зарядов слабо влияет на скорости нуклеофильных реакций монокатионов диаминов с дианионом ге-нитрофенилфосфата (гл. 5, разд. Г,5), и вообще изменения скоростей других реакций под влиянием таких взаимодействий обычно не превышают одного порядка. Более значительные электростатические эффекты наблюдаются, если один из реагентов — полиэлектролит, как, например, в случае реакций частично протонирован-ных поливинилпиридина и поливинилимидазолов с анионными субстратами [12,13]. Поли-(4)-винилпиридин является несколько менее эффективным катализатором (по активности на одну пиридиновую группу) для гидролиза нейтрального субстрата 2,4-динитрофенилацетата (VIII), чем низкомолекулярный аналог 4-метилпиридин, по-видимому, вследствие меньшей доступности атомов азота пиридина в полимере. Однако по отношению к анионному субстрату З-нитро-4-ацетоксибензосульфонату (IX) полимер намного более реакционноспособен, чем мономер

О N02 0 N02

СН3СО _^— N02 СН3СО — <^_^— SOj

vTFT ix-

Максимальная скорость реакции достигается при промежуточной степени ионизации, когда пиридиновые остатки находятся частично в виде свободного основания, частично в катионной форме (рис. 1, кривая 2). Сравнение максимальной скорости этой реакции и скорости, ожидаемой при том же значении рН для реакции с незаряженным субстратом, имеющим такую же реакционную способность (эта скорость, вычисленная на основании скорости реакции с незаряженным полимером при высоком значении рН и рН-зависи-мости для реакции полимера с 2,4-динитрофенилацетатом, приведена на рис. 1, кривая 3), показывает, что происходит 80-кратное ускорение, которое можно приписать электростатическому взаимодействию катионного полимера с анионным субстратом. Это взаимодействие, по-видимому, приводит к связыванию субстрата и возрастанию его эффективной концентрации в области активных пиридиновых групп. Максимальной активностью обладает, естественно, частично нейтрализованный полимер, так как необходимо наличие как катионных групп для связывания, так и нейтральных для осуществления нуклеофильной атаки на субстрат [12].

278

ГЛАВА 7

х

Электростатический эффект может привести к большим ускорениям в разбавленном растворе, если и субстрат, и катализатор являются полиэлектролитами. Так, скорость гидролиза крахмала, содержащего протони-рованные диэтиламиноэтиловые группы, в присутствии полистиролсульфо-новой кислоты в 500 раз больше, чем в растворе хлористоводородной кислоты той же кислотности. Механизм ускорения приводит к некоторой специфичности: продукты гидролиза под действием полимерного катализатора содержат большие олигосахариды, чем те, которые образуются в реакции, катализируемой минеральной кислотой, причем размеры их возрастают с понижением степени замещения амина в субстрате [14]. Электростатические эффекты могут также вызывать ускорения реакций, протекающих на поверхности заряженных мицелл; несколько таких примеров приведено в гл. 8.

Влияние солей на скорости реакций между заряженными реагентами при низких концентрациях солей обычно можно адекватно описать на основании теории Дебая — Хюккеля. Однако при больших концентрациях солей вызываемые солью эффекты часто в большей степени зависят от природы используемой соли, чем от ионной силы раствора. Эти специфические солевые эффекты, по-видимому, являются результатом прямого взаимодействия противоионов с заряженными реагентами, переходными состояниями или и тем и другим и могут быть описаны таким же образом, как и другие прямые ионные взаимодействия [15].

Рис. 1. Каталитическая активность поли-4-винилпиридина в гидролизе З-нитро-4-ацет-оксибензолсульфоната (IX) [12].

1 — 0,016 моль/л 4-метилпиридина; 2 — поли-4-ви-шшпиридин, содержащий 0,01 моль/л пиридина; 3 — кривая для реакции с полимером, вычисленная на основании рН-зависимости для реакции с динитро-фенилацетатом (VIII).

2. КОНЦЕНТРИРОВАННЫЕ РАСТВОРЫ СОЛЕЙ

Описанные выше взаимодейст

страница 50
< 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
баннер 80 на 500см
комплекты домашнего кинотеатра
флористом с обучением в москве
буква у для учебной машины

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)