хи-мотрипсину (разд. Г,1), карбоксипептидазе (разд. Г,4), рибонуклеазе (разд Д,2), реакциям множественного замещения (разд. Е), иминам (разд. 3, 3), реакциям присоединения к связям С—С (разд. 3,5), реакциям р-отщепления и конденсации (разд. К).

В. Реакции нуклеофильного замещения (реакция типа 1)

Нуклеофильное замещение является простой реакцией замещения, в которой нуклеофильный агент (основание) приближается к атому углерода или фосфора с дефицитом электронов (электрофильный центр) и образует с ним связь, замещая при этом какой-либо другой атом, например О, N или S. Замещаемый атом уходит вместе с неподеленной парой электронов и с любой другой присоединенной к нему химической группировкой, причем все это вместе называется уходящей группой. Обычно для завершения реакции необходимо, чтобы одновременно с замещением или после него к атому О, N или S уходящей группы присоединился протон, происходящий из кислотной группы фермента или воды. Заметим, что основание В (которое может нести отрицательный заряд или быть электронейтральным) часто образуется путем ферментативного удаления протона от сопряженной кислоты ВН.

Для классификации реакций метаболизма реакции нуклеофильного замещения можно разбить на четыре подтипа (табл. 7-1). К ним относятся реакции замещения у насыщенного атома углерода (очень часто у метильной группы) (А), у карбонильной группы сложного эфира или амида (Б) у фосфатной группы (В) или у сульфатной группы (Г). Кроме того, многие ферменты осуществляют последовательно одно замещение у атома углерода и второе у атома фосфора (или же vice versa).

1. Факторы, влияющие на скорости реакций замещения [1—3]

В предыдущей главе (разд. Д) рассматривалась реакция замещения гидроксильным ионом иодид-иона из метилиодида. Можем ли мы подобным образом замещать метильную группу этана (СН3—СН3), разрывая при этом связь С—С и образуя СНзОН? Нет, не можем. Этан устойчив в растворе щелочи; и в нашем организме он тоже не может расщепляться путем простых реакций замещения. Аналогично этому длинные углеводородные цепи, входящие в состав жирных кислот, не могут быть расщеплены подобным путем в процессе метаболизма жирных кислот. Таким образом, реакции нуклеофильного замещения имеют место в тех случаях, когда замещение совершается легко, однако они не происходят в случаях, когда замещение сильно затруднено. К тому же не каждый анион или основание В может замещать другую группу.

Можно отметить по крайней мере четыре фактора, определяющие вероятность протекания реакции замещения: 1) положение равновесия суммарной реакции, 2) реакционноспособность (нуклеофильность) входящего нуклеофила, 3) химическую природу уходящей группы, замещаемой в реакции, и 4) специфическую особенность структуры субстрата.

Первый фактор — термодинамический. В качестве примера рассмотрим гидролазы, катализирующие расщепление амидов, эфиров и фос-фодиэфирных связей при участии воды в качестве входящего нуклеофила. Поскольку ферменты обычно работают в среде с высоким содержанием воды, равновесие фактически всегда сдвинуто в сторону гидролиза, а не в сторону обратных реакций синтеза.

Нуклеофильная реакционноспособность (нуклеофильность) частично определяется основностью: соединения, относящиеся к сильным основаниям, обычно быстрее вступают в неферментативные реакции, чем более слабые основания. Гидроксильный ион (ОН-) служит лучшим нуклео-филом, чем —СОО-. Однако ферменты обычно работают с оптимальными скоростями при значениях рН, близких к нейтральным. ПрирН7 —СОО~-группа обладает более высокой реакционноспособностью, чем более сильные основные группы, такие, как —NH2 или ОН~, поскольку при нейтральных значениях рН эти группы будут почти полностью про-тонированы, и концентрация активного нуклеофила должна быть очень низкой.

Вторым фактором, влияющим на нуклеофильность, является поляризуемость. Под этим понятием мы подразумеваем легкость, с которой нарушается распределение электронов вокруг атома или внутри какой-либо химической группы. Увеличению поляризуемости способствует большой атомный радиус и наличие двойных связей в группе. В общем случае чем сильнее поляризована группа, тем быстрее она будет реагировать в реакции нуклеофильного замещения (очевидно, это связано с тем, что поляризуемая группа способна образовывать частичные связи на большем расстоянии, чем неполяризуемая группа). Так, анион 1~ более реакционноспособен, чем Вг~, а последний в свою очередь более реакционноспособен, чем С1~. Поляризуемые основания, такие, как ими-дазол, часто гораздо более реакционноспособны, чем неполяризуемые, такие, как, например, —NH2. Соединения серы проявляют высокую нуклеофильность, и этим, возможно, объясняется важная роль SH-rpynn в биохимических процессах. Интересно отметить, что в реакциях замещения у карбонильных групп (в табл. 7-1 реакция типа 1.Б) трудно-поляризуемые (жесткие) нуклеофилы более реакционноспособны, чем легко поляризуемые, такие, как I-.

Часто делаются попытки выразить нуклеофильность через основность в совокупности с