химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

, Jonsson В.,Acta Chem. Scand., 15, 1532 (1961); Eberson L. ibid., 18,2015 (1964); Thanassi J. W., Bruice Т. C, J. Am. Chem. Soc, 88, 747 (1966).

13. Jencks W. P., Barley F., Barnett R., Gilchrist M., J. Am. Chem. Soc, 88, 4464 (1966).

14. Higuchi Т., Miki Т., Shah A. C, Herd A. K., J. Am. Chem. Soc, 85, 3655 (1963).

15. Higuchi Т., Eberson L., McRae J. D., J. Am. Chem. Soc, 89, 3001 (1967).

16. Conn J. В., Kistiakowsky G. В., Roberts R. M., Smith E. A., J. Am. Chem. Soc, 64, 1747 (1942).

17. Wadso I., Acta Chem. Scand., 16, 471 (1962); ibid., 16, 479 '1962).

18. Thanassi J. W., Cohen L. A., J. Am. Chem. Soc, 89, 5734 (1967).

19. Gerstein J., Jencks W. P., J. Am. Chem. Soc, 86, 4655 (1964).

20. Kailan A., Z. physik. Chem. (Leipzig), 101, 63 (1922).

21. Kreilick R. W., Weissman S. I., J. Am. Chem. Soc, 88, 2645 (1966).

22. Westheimer F. H., Ingraham L. L., J. Phys. Chem., 60, 1668 (1956).

23. Schlager L. L., Long F. A., Advan. Phys. Org. Chem., 1, 1 (1963).

24. Koshland D. E., Jr., J. Cellular Сотр. Physiol, 47, suppl. 1, 217 (1956).

25. Koshland D. E., Jr., J. Theoret. Biol., 2, 75 (1962).

26. Bunnett J. F., Hauser C. F., J. Am. Chem. Soc, 87, 2214 (1965).

27. Allinger N. L., Zalkow V., J. Org. Chem., 25, 701 (1960).

28. Bruice Т. C, Benkovic S. J., J. Am. Chem. Soc. 86, 418 (1964).

29. Harper E. Т., Bende M. L., J. Am. Chem. Soc, 87, 5625 (1965).

30. Albery W. J., Bell R. P., Powell A. L., Trans. Faraday Soc, 61, 1194 (1965).

31. Bernhard S. A., Berger A., Carter J. H., Katchalski E., Sela M., Shalitin Y., J. Am. Chem. Soc, 84, 2421 (1962).

32. Shafer J. A., Morawetz H., J. Org. Chem., 28, 1899 (1963).

33. Behme M. Т., Cordes E. H., J. Org. Chem., 29, 1255 (1964).

34. Bender M. L., Kezdy F. J., Zerner В., J. Am. Chem. Soc, 85, 3017 (1963).

35. Capon В., Ghosh В. C, J. Chem. Soc, 1966 B, 472.

36. Pierre T. St., Jencks W. P., J. Am. Chem. Soc, 90, 3817 (1968).

37. Edwards L. J., Trans. Faraday Soc, 46, 723 (1950); ibid, 48, 696 (1952); Garrett E. Д., J. Am. Chem. Soc, 79, 3401 (1957).

38. Fenht A. R., Kirby A. J., J. Am. Chem. Soc, 89, 4853 (1967); ibid., 89, 4857 (1967); ibid., 89, 5960 (1967); ibid., 89, 5961 (1967) and personal communication.

39. Bender M. L., Chloupek F., Neveu M. C, J. Am. Chem. Soc, 80, 5384 (1958).

40. Bender M. L, Lawlor J. M., J. Am. Chem. Soc, 85, 3010 (1963).

41. Benkovic S. J., J. Am. Chem. Soc, 88, 5511(1966).

42. Kupchan S. M., Eriksen S. P., Friedman M., J. Am. Chem. Soc, 88, 343 (1966); Kupchan S. Af., Eriksen S. P., Liang Y-T. S., ibid., 88, 347 (1966).

43. Overberger C. G., Pierre T. St., Yaroslavsky S., J. Am. Chem. Soc, 87 , 4310 (1965).

44. Peer H. G., Rec. Trav. Chim., 79, 825 (1960).

42

ГЛАВА 1

45. Letsinger R. L., Dandegaonker S., Vullo W. J., Morrison J. D., J. Am. Chem. Soc, 85, 2223 (1963); Letsinger R. L., Morrison J. D., ibid, 85, 2227 (1963).

46. Neece S., Fridovich I., Arch. Biochem. Biophys., 108, 240 (1964).

47. Tanner D. W., Bruice Т. C. J. Am. Chem. Soc, 89, 6954 (1967).

48. Breslow R., personal communication.

49. Breslow R., Chipman D., J. Am. Chem. Soc, 87, 4195 (1965).

50. Packer Y., Meany J. E., J. Am. Chem. Soc, 89, 631 (1967).

51. Capon B, Capon R., Chem. Commun., 1965, 502.

52. Bender M. L., Reinstein J. A., Silver M. S., Mikulak R., J. Am. Chem. Soc, 87,4545 (1965).

53. Grant N. H., Clark D. E., Alburn H. E, J. Am. Chem. Soc, 83, 4476 (1961).

54. Pincock R. E., Kiousky Т. E., J. Am. Chem. Soc, 88, 4455 (1966).

55. Kiovsky Т.Е., Pincock R. E., J. Am. Chem. Soc, 88, 4704 (1966).

56. Grant N. R~., Clark D. E., Alburn H. E., J. Am. Chem. Soc, 88 4071 (1966).

57. Dickey F. R~., J. Phys. Chem., 59,695 (1955).

58. Prelog V., Wilhelm M., Helv. Chim. Acta, 37, 1634 (1954).

59. Tsuboyama S., Bull. Chem. Soc. Japan, 35, 1004 (1962); ibid., 38, 354 (1965).

60. Wegler R. Ann. Chem., 506, 77 (1933); Wegler R., Ruber А., Вег., 68B, 1055 (1935); Pracejus H., Ann. Chem., 634, 9 (1960); Bird C. W., Tetrahedron, 18, 1 (1962).

61. Sheehan J. C, Hunneman D. H., J. Am. Chem. Soc, 88, 3666 (1966).

?2. Sheehan J. C, Bennett G. В., Schneider J. A., J. Am. Chem. Soc, 88, 3455 (1966).

63. Higuchi Т., Gensch K.-H., J. Am. Chem. Soc, 88, 3874 (1966); Higuchi Т., Pitman I. H., Gensch K.-H., ibid., 88, 5676 (1966).

64. Hennrich N., Cramer F., J. Am. Chem. Soc, 87, 1121 (1965).

65. VanEtten R. L., Sebastian J. F., Clowes G. A., Bender M. L., J. Am. Chem. Soc, 89, 3242 (1967); VanEtten R. L., Clowes G. A., Sebastian J. F., Bender M. L., ibid., 89, 3253 (1967).

66. Krane S. M., Glimcher M. J., J. Biol. Chem., 237, 2991 (1962K

67. Adams J. В., Biochim. Biophys. Acta, 62, 17 (1962).

68. Sluyterman L. A. E., Veenendaal H. J., Rec. Trav. Chim., 71, 137 (1952); Sluyterman L. A. E., Kooistra M., ibid., 71, 277 (1952).

69. Natta G., J. Pol. Sci., 34, 21 (1959); Natta G., J. Inorg. Nucl. Chem., 8, 589 (1958).

Глава 2

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

А. ВВЕДЕНИЕ

Некоторые ферменты химически реагируют с субстратами с образованием ковалентносвязанных фермент-субстратных промежуточных соединений. Это открытие больше чем что-либо другое помогло опровергнуть мистические механизмы и виталистические теории ферментативного действия, поскольку оно позволило понять, что механизм ферментативного действия принципиально не отличается от механизма любой другой химической реакции. В частности, именно благодаря ковалентной природе многих фермент-субстратных промежуточных соединений к изучению ферментативных реакций можно было применить методы физико-органической химии, а также и другие химические подходы, которые ранее оказались полезными в поисках объяснения механизмов неферментативных реакций. Быстрый успех, достигнутый при описании ферментативных реакций в рамках химической теории, и плодотворность приложения методов химии к энзимологии дали возникнуть некоторому оптимизму в кругах энзимологов. Стали появляться даже работы, озаглавленные «Механизм действия такого-то фермента...». Однако, несмотря на значительные успехи, которые были достигнуты, необходимо иметь в виду, что понимание механизма и движущих сил, обусловливающих огромные специфические ускорения ферментативных реакций, не является сколько-нибудь детальным или количественным. И хотя нет необходимости возвращаться к витализму, следует помнить, что в ферментативном катализе могут быть заложены важные химические закономерности, которые в настоящее время почти или вообще не поняты.

В табл. 1 приведены ферментативные реакции, для которых с разной степенью достоверности известно, что они протекают через образование

Таблица 1

Некоторые ферментативные реакции

Класс ферментов Реагирующая группа Ковалентное промежуточное соединение

Химотрипсин, трипсин, эстеразы, субтилизин, тромбин, эластаза Папаин, фицин, глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогенава Щелочная фосфатаза, фосфоглюкомутаза Сукцин и лтиокиназа, фосфоенолпировино- градной кислоты — гексоза трансфосфо- рилаза Альдолазы, декарбоксилазы и пиридокса-левые ферменты ОН (серии) SH (цистеин) ОН (серии) Имидазол (гистидин) >С = 0 h>C = N — (лизин и аминогруппа субстрата) Ацилсерин Ацилцистеин Фосфосерин Фосфорилимидазол Основание Шиффа

ковалентных промежуточных соединений фермента и фрагмента субстрата (субстратов). В первую очередь следует указать на протеазы и эстеразы, которые катализируют реакции гидролиза и переноса ацильной группы,

44

ГЛАВА 2

причем в ходе ферментативной реакции происходит промежуточный перенос ацильной группы на гидроксильную или сульфгидрильную группу остатков серина или цистеина, входящих в молекулу фермента. Глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа катализирует окисление альдегида до «энергетически богатой» сложноэфирной связи, входящей в цистеиновую группу активного центра; затем ацильная группа может быть перенесена на фосфат, чтобы сохранить энергетически богатую связь в виде ацилфосфата. Несколько ферментов, переносящих фосфатный остаток, также образуют промежуточные соединения (фосфорилферменты) с ковалентной связью фосфата с остатком серина или с имидазольной группой остатка гистидина. Некоторые декарбоксилазы, альдолазы и пиридоксалевые ферменты образуют ковалент-ные промежуточные соединения, в которых субстрат связан с ферментом в виде шиффова основания (или, более правильно, в виде имина), что создает в активном центре электрофильную группу, участвующую в катализе. Фактически действие большинства коферментов сводится к промежуточному образованию ковалентных связей между субстратным остатком и кофер-ментом. Принципиально нет особой разницы между ситуацией, когда субстрат реагирует с функциональной группой, ковалентно связанной с ферментом, и ситуацией, когда кофермент связан с белком нековалентно.

Основная проблема ковалентного катализа заключается в выяснении причины, почему реакции выгодно протекать не прямо, а через образование промежуточного соединения с ферментом или коферментом. Разумный ответ на этот вопрос можно найти лишь в некоторых случаях, прежде всего в реакциях с участием коферментов; для многих других систем это пока невозможно, по крайней мере в количественной форме. Прежде чем приступить к анализу этой проблемы, рассмотрим экспериментальные данные, доказывающие, что в реакциях, катализируемых многими ферментами, действительно образуются в качестве промежуточных соединений фермент-субстратные ковалентные соединения.

Б. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ОБРАЗОВАНИЯ КОВАЛЕНТНЫХ ФЕРМЕНТ-СУБСТРАТНЫХ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

В качестве критериев, доказывающих, что данное фермент-субстратное соединение является ковалентным промежуточным соединением ферментативной реакции, можно выдвинуть следующие:

1. Выделение. Необходимо выделить и химически охарактеризовать промежуточное соединение, которое образуется в результате реакции фермента с субстратом.

2. Кинетика. Необходимо показать, что это промежуточное соединение образуется и далее реагирует с константами скоростей, которые исчерпывающе могут объяснить наблюдаемую скорость ферментативной реакции. При этом следует убедиться, что это относится к тому самому промежуточному соединению, которое было охарактеризовано в п. 1, т. е. что при выделении промежуточного соединения не произошло его перегруппировки или изомеризации.

3. Обобщение. Следует показать, что при использовании хотя бы одного или большего числа «нормальных» субстратов также образуется промежуточное соединение. Дело в том, что первые два из рассматриваемых критериев удается, как правило, реализовать лишь в случае «плохих» субстратов, которые реагируют достаточно медленно, чтобы можно было выделить фермент-субстратное соединение в свободном виде и изучить его стехиометрию. Кроме того, следует учесть, что субстраты, которые сами по себе являются химически высокореакционноспособными веществами, могут реагировать

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

45

с ферментом неспецифически, образуя соединения, которые не являются промежуточными соединениями в реакциях специфических субстратов.

Лишь для очень немногих ферментативных реакций (у которых отсутствует быстро устанавливающееся равновесие с коферментом) удалось удовлетворить все перечисленные условия. Особенно трудно измерить скорости образования и дальнейшего превращения промежуточных соединений, которые получаются из нормальных субстратов, поскольку именно эти промежуточные соединения реагируют настолько быстро, что обнаружить их в стехиометрических количествах по отношению к ферменту можно лишь при использовании специальных методов быстрой кинетики. Тем не менее работы по приложению таких методов к ферментативным реакциям уже выполнены, и в ближайшем будущем можно ожидать существенного прогресса в этом направлении. Один из самых первых и ярких примеров использования метода остановленной струи это исследование механизма действия липоилдегидрогеназы [1]. Было показано, что восстановление фермента восстановленной липоевой кислотой до окрашенного промежуточного соединения, по-видимому семихинона, является скорость определяющей стадией восстановления никотинамид адениндинуклеотида этим субстратом и, следовательно, скорость образования промежуточного соединения адекватна общей скорости катализируемой реакции; скорость определяющей стадией процесса в обратном направлении является восстановление окисленной липоевой кислоты этим же промежуточным соединением.

При отсутствии прямых доказательств того, что ковалентное фермент-субстратное соединение является промежуточным соединением, используют обычно косвенные критерии; некоторые из них будут рассмотрены ниже.

1. НАБЛЮДЕНИЕ ЗА ОБРАЗОВАНИЕМ И ИСЧЕЗНОВЕНИЕМ ПРОМЕЖУТОЧНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Хартли и Килби показали, что при гидролизе га-нитрофенил-ацетата (НФА), катализируемом большими количествами химотрипсина, происходит вначале быстрый «выброс» га-нитрофенола, за которым следует медленное стационарное образование этого продукта (рис. 1) [2]. Для быстрого выделения продукта в первый момент после смешивания фермента с субстратом можно дать несколько объяснений: а) фермент может подвергаться сильному ингибированию продуктом; это приводит к тому, что после первоначального быстрого образования продукта из фермент-субстратного комплекса [схема (1), константа скорости реакции kt] в дальнейшем продукт образуется из тройного комплекса фермент-субстрат-продукт с другой, меньшей ско-

0 1 4 6 8 10 12 Время, мин

Рис. 1. Первоначальный «выброс» га-нитрофенола в реакции n-нитрофенилацетата с а-химотрипсином (при большой концентрации фермента). Различные линии соответствуют разным концентрациям а-химотрипсина при б-Ю^моль/л п-нитрофенилацетата.

46

ГЛАВА 2

ростью (к[);

E + S Tjl ES —+¦ Е + Р

±v[\ (1)

hi

ESP-> EP + P

б) наличие субстрата может приводить к относительно медленному конфор-мационному изменению начальной активной формы фермента Е с образованием менее активной формы Е' [схема (2)]

E + S ^ ES ->- Е + Р медленно || j | медленно (2)

I _^ i fti

E'+S^ E'S -> Е' + Р

в) фермент может быстро взаимодействовать с субстратом с выделением одного из продуктов и образованием промежуточного соединения, в которое входит фермент и субстратный остаток; затем происходит более медленный стационарный распад этого промежуточного соединения, как это показано на схеме (3) для гидролиза НФА, катализируемого химотрипсином

быстро медленно Е+ НФА ~* Е-НФА—-—*¦ ацетил — Е--*¦ Е + ацетилОН /оч

к7 *2 + кз (6>

НФА-

Случай б) — это возможное объяснение быстрого образования продукта в начальный период при гидролизе АТФ, катализируемом миозин-АТФ-азой [3]. При некоторых экспериментальных условиях величина «выброса» продукта соответствует выделению 1 моля фосфата на каждый моль миозина. Если ситуация б) правильно объясняет данное явление, то это значит, что связывание АТФ с эквимолярным количеством фермента вызывает конфор-мационное изменение (возникающее, возможно, параллельно с реакцией гидролиза), которое приводит к образованию менее активной формы фермента Е'. Возможность поя

страница 7
< 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 1с солнцево
Kekkila Duomatic
курсы массажа в москве и области
качели для дачи распродажа цена

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
(03.12.2016)