Интернет олимпиада (1126271), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

для высокой каталитической константы: наличие второй карбоксильной группы, длина субстрата, отсутствие заместителей в положении 2.

для каталитической константы не так критичны заместители в положениях 3 и 4.

О связывании однозначные выводы сделать тяжелее: любое изменение увеличивает значение константы Михаэлиса, но примерно одинаково (на порядок), в то время как каталитическая константа существенно более чувствительна к природе и положению заместителей.

Участникам, отвечавшим на данный вопрос, удалось обнаружить многие из приведенных выше закономерностей.

В отсутствие субстрата, пиридоксальфосфат связан внутренней альдиминной связью с остатком лизина самого фермента. При связывании субстрата происходит замещение остатка лизина, причем реакция проходит через стадию образования диамина.

9. Приведите схему реакций, протекающих при замещении остатка лизина субстратом.

В промежуточном соединении также приемлема структура, в которой атом азота, принадлежащий аминокислоте, незаряжен, а атом азота -аминогруппы лизина заряжен (на самом деле, детектируются обе структуры). Большинство участников справилось с данным вопросом.

Установлено, что ключевую роль в катализе глутаматдекарбоксилазой играют два остатка аргинина.

10. Выскажите предположение, с какими группами взаимодействуют данные остатки аргинина.

Из анализа структуры кофермента и субстрата, а также механизма реакции можно заключить, что есть только два потенциальных сайта для взаимодействия с заряженными положительно остатками аргинина: это фосфатная группа кофермента и дистальная карбоксильная группа субстрата.

Большинство участников правильно назвало дистальную карбоксильную группу, однако на взаимодействие с фосфатной группой кофермента указал только один участник. В качестве второго «партнера» остатка аргинина гораздо чаще предлагался вариант -карбоксильной группы, но это неверно, поскольку -карбоксильная группа является одной из потенциальных уходящих групп и, в связи с этим, должна присутствовать в свободном виде.

Ниже приведена последовательность реакций, протекающих при декарбоксилировании L-глутамата, а также - при побочной реакции трансаминирования этой аминокислоты (боковой радикал глутамата обозначен как R). Под исходным веществом и буквами, обозначающими промежуточные продукты, приведены соответствующие им значения максимумов поглощения.

11. Расшифруйте последовательность (приведите формулы соединений А-G, продукта₁ и продукта₂). Учтите, что Enz и Enz’ обозначают, что формы фермента в части кофактора по завершении реакций декарбоксилирования и трансаминирования неидентичны.

11. К решению данного вопроса можно подходить различными путями. Ниже предложен один из путей. Основой нашей стратегии будут химические превращения, а длины волн максимума поглощения мы будем использовать во вспомогательных целях.

Декарбоксилирование, как было сказано в начале текста задачи, происходит непосредственно из соединения (II). Соответственно, установлена структура соединения В, а также продукта его депротонирования – соединения С. Соединение А уже приводилось в ответе на вопрос 9, при этом в пользу тетраэдрического состояния С-атома и отсутствия сопряжения в соединении А говорит низкое значение его _макс. Теперь зайдем с другой стороны и разберемся с продуктами. В случае декарбоксилирования (см. ответ на вопрос 7) – это -аминомасляная кислота, которую для удобства обозначим как Х. Тогда Y – продукт побочной реакции трансаминирования – янтарный полуальдегид. Вещество Х образуется в результате реакции гидролиза, при этом другой продукт, Е, – это регенерированный фермент с кофактором – пиридоксальфосфатом. Исходя из этого, находим структуру соединения F. Теперь мы можем определить соединение D, депротонированный предшественник соединения F. Сравнивая структуры соединений B и D, приходим к выводу, что D получается непосредственно из В в результате декарбоксилирования. Значит Х = продукт₁, а Y = продукт₂. Наряду с продуктом₂, образуется фермент с измененной формой кофактора – пиридоксаминфосфатом. Учитывая, что эти продукты также образуются в результате гидролиза, определяем структуру соединения G. Наконец, находим структуру соединения Е, учитывая, что оно, с одной стороны, находится в равновесии с соединением D, а, с другой стороны, является депротонированным предшественником соединения G. В пользу такого вывода свидетельствует большое различие в значениях длин волн максимумов поглощения соединений F и G (в соединении G сопряжение гораздо меньше, чем в соединении F). Отметим также, что в соединениях D и Е протонами атакуются положения с наибольшим отрицательным зарядом: в соединении D – С-атом аминокислоты, а в соединении Е – С-4’-атом кофактора.

Это, пожалуй, самая трудоемкая часть задачи, хотя некоторым участникам удалось дать полный или практически полный ответ на вопрос 11.

Все вопросы, оставшиеся непроясненными, рад буду обсудить лично. Пишите:

gladilin@direct.ru

С уважением,

Александр Кириллович Гладилин

профессор кафедры химической энзимологии

Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Литература

1. Ленинджер А. Основы биохимии. В 3-х т. тт. 1, 2. М.: Мир, 1985.

2. Элиот В., Элиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М.: НИИ Биомед. химии РАМН, 1999.

3. Фершт Э. Структура и механизм действия ферментов. М.: Мир, 1980.

4. Сухарева Б.С., Дарий Е.Л., Христофоров Р.Р. Глутаматдекарбоксилаза: структура и каталитические свойства // Успехи биологической химии, т. 41, с. 131-162, 2002.

Химическая термодинамика

Условие, вопросы и ответы

В 1990 году Кратчмер и его соавторы (W.Kratschmer et al, Nature,1990) сообщили, что им удалось получить несколько миллиграммов новой аллотропной формы углерода – фуллерена. Важнейшей стадией синтеза Кратчмера-Хоффмана было извлечение фуллеренов из углеродной сажи в бензольный раствор. Оказалось, что в отличие от графита, алмаза и аморфного углерода, фуллерены растворимы в ароматических растворителях. Эта растворимость служит теперь основой методов очистки и разделения фуллеренов (т.е. отделения фуллерена С₆₀ от фуллеренов С₇₀, С₈₄ и т.д.).

Бакминстерфуллерен С₆₀ обладает интересным свойством. Его растворимость в некоторых ароматических растворителях – C₆H₆, C₆H₅CH₃, C₆H₅Br – при увеличении температуры Т (давление Р = const) проходит через острые максимумы (Т_max). С другой стороны, растворимость С₆₀ в р-C₆H₄(CH₃)₂ с температурой плавно падает и не имеет экстремумов. Концентрация С₆₀ в обсуждаемых насыщенных растворах составляет 10^–4 – 10^–5 моль/л. Молекулярная масса С₆₀, определенная из осмотического давления толуольного раствора, равна 720 ± 30.

Вопросы.

I. Как изменяется химический потенциал вещества при его переходе из чистого твердого вещества: а) в насыщенный раствор; б) в ненасыщенный раствор?

Запишите термодинамическое уравнение, описывающее температурную зависимость растворимости химического вещества с образованием идеального и неидеального растворов. Могут ли эти уравнения объяснить падение растворимости с температурой? Могут ли они объяснить появление максимумов растворимости? Объясните.

Условия фазового равновесия требуют равенства химических потенциалов растворяемого вещества А в твердой фазе и в насыщенном растворе. В ненасыщенном растворе химический потенциал А ниже, чем в твердой фазе. Предполагается, что давление и температура твердой фазы и раствора – одинаковые.

(Участники Олимпиады прислали в ответ 62 разумные реплики, «прислано 62 р.р.»)

В общем случае (реальные растворы) зависимость растворимости х от температуры Т описывается уравнением

(∂x/∂T)_P,нас = ΔH_раст./ RT²/ (∂lna/∂x)_T,P (1)

Здесь ΔH_раст – энтальпия растворения. Если насыщенный раствор является разбавленным и подчиняется закону Генри, получается очень полезное для нас уравнение

(∂lnх/∂T)_P,нас = ΔH_раст./ RT² (2)

Для случая идеального раствора (1) превращается в (3), т.н. уравнение Шредера :

(∂lnх/∂T)_P,нас = ΔH_пл./ RT² (3)

Здесь ΔH_пл - энтальпия плавления. Энтальпия плавления, конечно, положительна при температуре плавления. Однако, если учесть ее зависимость от температуры,

ΔH_пл(Т) = ΔH_пл(T_пл) + ∫ (с_p(ж) – c_p(тв)) dT (4)

то даже в идеальном случае при температурах много ниже температуры плавления можно и изменить знак в числителе правой части (3). Тогда растворимость с температурой будет падать.

Отрицательные энтальпии растворения – вещь вполне обычная. Поэтому уравнение (1) вполне допускает уменьшение растворимости при увеличении температуры. Производная (∂lna/∂x)_T всегда больше нуля, иначе раствор расслаивается.

Допускается ли возможность экстремумов? В принципе, да. В уравнениях (1) и (2) ΔH_раст может изменить знак при изменении температуры. В уравнении (3) знак ΔH_пл может поменяться за счет интеграла в правой части. Температура, которой будет соответствовать ΔH_раст =0 (или ΔH_пл = 0) – есть экстремум растворимости. Едва ли, однако, экстремумы будут острыми. И едва ли такие фокусы возможны в разбавленных растворах.

Обратим внимание еще на одно обстоятельство. Очевидно, что

ΔH_раст = (Н(А, раствор) – Н(А, твердая фаза) (4)

Н(А, раствор), Н(А, твердая фаза) – парциальные энтальпии растворяемого вещества А в растворе и твердой фазе. Н(А, твердая фаза) может измениться скачком. Например, за счет фазового перехода, превращения одной кристаллической модификации А в другую. Это даст резкий скачок ΔH_раст (и ΔH_пл), возможно, смену знака, и, следовательно, экстремум растворимости.

(Прислано 32 р.р.)

II. Было выдвинуто несколько гипотез, объясняющих необычную температурную зависимость растворимости С_60. Проанализируйте каждую из них и укажите, насколько она соответствует перечисленным в условии экспериментальным фактам:

а) Фуллерен С₆₀ растворяется за счет образования комплексов с растворителем (явление напоминает химический транспорт); равновесная концентрация комплексов с температурой падает;

Имеются в виду, конечно, комплексы в жидком растворе.

Зададимся таким вопросом: « Что нового вносит эта гипотеза? Разве уравнение (1), а для разбавленных растворов фуллеренов уравнение (2), не описывают такую ситуацию ? »

Конечно, описывают ! В том-то и сила термодинамических уравнений, что они справедливы при любом молекулярном составе растворов.

Да, можно предположить, что комплексы С₆₀ с растворителями в растворе существуют. Тогда ΔH_раст можно связать с энтальпиями диссоциации этих комплексов. Вы смоделируете ΔH_раст, вот, и все. А дальше – разговоры о зависимости этой энтальпии от температуры (см.выше, см пункт IIд).

(Прислано 0 р.р.)

б) Фуллерен С₆₀ образует кинетически устойчивые нанокластеры в растворе, которые с повышением температуры выше Т_max начинают разрушаться, мономеры С₆₀ нерастворимы из-за очень высокой энергии активации этого процесса;

Этот вариант не связан с термодинамическими уравнениями и предполагает отсутствие равновесия. Уравнения (1-4) не работают. Чистая кинетика! Первое, что нужно сделать, - доказать существование кластеров. Данные по осмотическому давлению подсказывают, что во всяком случае в толуольном растворе кластеров нет. Молекулярный вес равен весу мономера.

Хотя, может быть, и уравнение Вант-Гоффа для осмотического давления не работает?

(Прислано 34 р.р.)

в) Фуллерен С₆₀ образует соединения с растворителями в твердой фазе. Они разлагаются точно при температурах Т_max.

Впоследствии мы узнаем, что это верный ответ. Пока же вспомним, что твердые «соединения с растворителями» называют кристаллосольватами. Их разложение на твердое вещество А и жидкий растворитель называется инконгруентным плавлением. По своим свойствам инконгруентное плавление – фазовый переход первого рода. Скачком изменится Н(А, твердая фаза) и, следовательно, энтальпия растворения фуллерена в уравнении (1). Если ΔH_раст сменит знак с плюса на минус, это и приведет к появлению максимума. Разные растворители могут образовывать с С₆₀ сольваты разного состава и разной устойчивости. Следовательно, максимумы растворимости будут наблюдаться при разных температурах. А в некоторых растворителях (допустим, в пара-ксилоле) сольвата может не быть совсем!

(Прислано 21 р.р.)

г) В твердом фуллерене С₆₀ происходит фазовый переход первого рода при Т = Т_max.

Эта гипотеза похожа на (в). Разница между (в) и (г) в том, что фазовый переход в чистом твердом фуллерене обязан дать максимум (или во всяком случае особую точку) во всех растворителях и при одной и той же температуре. Почему же нет максимума в пара-ксилоле?

Характеристики

Список файлов учебной работы