Э. Фёршт - Структура и механизм действия ферментов (1128692), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Низкочастотные колебания, при которых движение атомов менееограничено, могут дать вклад, составлякпций несколько энтропийных единиц. Энтропия внутримолекулярного вращения равна 13 — 21Дж (град. моль)-'[3 — 5 кал (град моль)-'] (табл. 2.3). [30 кал (град моль)-'], т. е. является довольно большой величиной. Для 25оС (298 К) она равна примерно 40 кДж моль-г (9 ккал моль-'). Энтропия поступательного движения пропорциональна объему, занимаемому молекулой; чем меньше объем, тем меньше возможностей для движения молекулы итем меньше энтропия. Аналогичным образом энтропия уменьшается с увеличением концентрации вещества, поскольку средний объем, занимаемый молекулой, обратно пропорционален концентрации.
Отметим, что зависимость энтропии отмассыслабая (табл. 2.3). 1О-кратное увеличение молекулярного веса (от 20 до 200) приводит лишь к небольшому изменению энтропии поступательного движения. Для больших органических молекул энтропия поступательного движения также весьма велика — до 120 Дж. (град. моль)-' [30 кал (град моль)-'!. Она слабо растет с увеличением массы, но не зависит от концентрации. ГЛАВА 3 в. Уменьшение энтропии при образовании из двух молекул одной Образование из двух молекул одной приводит к потере одного набора энтропии вращательного и поступательного движения.
Эти энтропийные составляющие для продукта слияния двух молекул лишь ненамного превышают соответствующие Рис. 2.5. Каждая из изображенных в верхней части рисунка молекул имеет три поступательных степени свободы и три вращательных. Молекула, образующаяся при слиянии двух таких молекул, имеет только три поступательных степени свободы и три вращательных. Соответствующее уменьшение знтропии частично компен. сируется за счет увеличения энтропии внутримолекулярного колебательного и вращательного движения про. дукта, значения для одной из исходных молекул, поскольку слабо зависят от размера молекулы (табл. 2.3).
Уменьшение энтропии составляет примерно 190 Дж (град моль)-' (45 кал (град Х ;и',моль)-'], т. е. 55 — Б9 кДж-моль-' (13 — 14 ккал.моль †') при 25'. Это уменьшение может частично компенсироваться за счет возрастания энтропии внутримолекулярного движения, обусловленного появлением новых типов вращений и колебаний.
Приведенное выше значение уменьшенияэнтропииотносится к стандартному состоянию 1 М растворов. Если раствор более разбавлен, энтропия уменьшится еще больше, поскольку энтропия поступательного движения зависит от концентрации.
ХИМИЧЕСКИЙ КАТАЛИЗ г. Энтропийное преимущество мономолекулярных реакций над бимолекулярными Сравним реакцию двух молекул, А и В, в результате которой образуется третья молекула, с аналогичной внутримолекулярпой реакцией: (2.22) (2.23) А+В-э АВХ -+ АВ А В-+АВ+ -АГАВ В соответствии с вышеизложенным образованиепереходного состояния АВФ сопровождается уменьшением энтропии поступательного и врашательного движения. Внутримолекулярная пиклизация [уравнение (2.23)] приводит лишь к небольшому уменьшению энтропии внутримолекулярного вращения. Однако уменьшение энтропии при образовании АВ+ частично компенсируется за счет некоторого увеличения энтропии внутримолекулярного вращения.
В зависимости от относительного увеличения и уменьшения энтропии внутримолекулярного вращения при внутримолекулярной реакции увеличение энтропии может достигать 190 Дж (град моль)-' [(45 кал (град моль) — '], или 55— 59 КДж моль ' (13 — 14 ккал.моль-') при 25'. Это увеличение эквивалентно повышению эффективной концентрации соседней группы. Подстановка величины 190 Дж (град моль)-' [(45 кал (град моль)-'] в энтропийный член уравнения (2.7) дает для максимальной эффективной концентрации соседней группы значение 6.10' М. Уменьшение внутримолекулярного врашения весьма существенно снижает эффективную концентрацию. В случае сукцината теряется три вращательные степени свободы. Согласно опенкам Пейджа и Дженкса, потеря врашательных степеней свободы метиленовой группы приводит к уменьшению энтропии примерно на 1ЗкДж (град моль)-' [(Зккал ° (град моль) — '], а потеря вращательных степеней свободы при ограничении врашения вокруг связи между метиленовой и карбоксильной группами — на 25кДж (град моль)-' [(6 ккал ° (град моль) — '].
Это эквивалентно множителю 2 10'. Если же свободное вращение групп в молекулах производных янтарной кислоты заморозить, то эффективная концентрация карбоксильнойгруппы будет равна -5 10'М. Поправка на энергию зкраннрования атомов водорода метиленовых групп при образовании пятичленного кольца дает увеличение концентрации ешс в 10 раз.
глхвл т СО,Н сн, ~Р' сн, ь СО,Н Эти расчеты до конца справедливы толькодля газовой фазы. Однако до работы Пейджа и Дженкса вообще не предполагали, что реакции в растворе сопровождаются аналогичными изменениями энтропии, считая, что эффективная концентрация соседней группы достигает 55М, т.е. концентрации молекул воды в воде. Это то значение, которое характерно для внутрнмолекулярного общего основного катализа. д. Зависимость эффективной концентрации от «жесткости» переходного состояния Более низкая эффективная концентрация, полученная для внутримолекулярного оснбвного катализа, связана с тем, что переходное состояние для этих реакций менее «жестко».
В нук. леофильных реакциях нуклеофил и электрофил довольно точно фиксированы, что и приводиткзначительномууменьшению энтропии. При общем оснбвном или кислотном катализе атомы в переходном состоянии обладают довольно большой свободой перемещения. Положение катализатора фиксировано не столь жестко, как в случае нуклеофильного катализа. Следовательно, общий основный катализ сопровождается меньшим снижением энтропии, т. е. внутримолекулярные реакции менее выгодны, чем аналогичные им нуклеофильные. Прн расчете эффективных концентраций Кошланд вначале предполагал, что концентрация внутримолекулярных групп примерно равна концентрации молекул воды в водном растворе, поскольку в растворе молекула полностью окружена водой (20).
Это дает верхний предел эффективной концентрации, равный 55 М, что эквивалентно изменению энтропии на 34 Дж .(град. моль)-' ((8 кал (град моль) †']. Данная величина определяет вероятность нахождения в растворе друг возле друга двух молекул. Однако, как только две молекулы жестко связываются друг с другом, энтропия существенно уменьшается. «Разрыхленное» переходное состояние, вероятно, можно рассматривать как систему из двух молекул, находящихся рядом друг сдругом, но сохранивших большую энтропийную свободу. В заключение можно сказать, что энтропия является одним нз важнейших факторов ферментативного катализа.
Реакции, катализируемые в растворе, протекают медленно, поскольку хнмнчаскня кхтализ сближение катализатора и субстрата приводит к значительному уменьшению энтропии. Ферментативные реакции протекают в пределах фермент-субстратного комплекса; каталитические группы являются частью той же молекулы, что и субстрат, так что в переходном состоянии уменьшения энтропии поступательного или вращательного движения не происходит. В результате этого <эффективные концентрации» каталитических групп становятся очень высокими по сравнению с таковыми для бимолекулярных реакций в растворе.
Этот выигрыш в энтропии «оплачивается» энергией связывания субстрата ферментом. Уменьшение энтропии поступательного и вращательного движения субстрата происходит при образовании фермент-субстратного комплекса, а не на химических стадиях реакции. (Уменьшение энтропии при образовании фермент-субстратного комплекса увеличивает константу диссоциации последнего.) 5.
«Орбитальное управление» 12Ц Были предприняты попытки объяснить увеличение скорости реакции при внутримолекулярном катализеповышением эффективной концентрации каталитических групп до 55 М и необходимостью очень точной ориентации электронных орбиталей реагирующих атомов («орбитальное управление»). Несомненная заслуга Шторма и Кошланда состоит в том, что они обратили вннмание на роль точной ориентации в фермент-субстратном комплексе, однако эти авторы переоценили важность данного фактора, поскольку, как теперь известно, при использовании значения 55 М сильно недооценивается вклад в эффективную концентрацию энтропии поступательного движения. В настоящее время считается, что, хотя перекрывание орбиталей в переходном состоянии и должно быть, оно может иметь точность -1О' (22, 23).
Напряжение, обусловленное деформацией даже полностью образовавшейся углерод-углеродной связи на 10', составляет всего 11 кДж моль-' (2,7 ккал моль-'). Для деформации на 5' необходимо только 2,8 кДж моль ' (0,68 ккал ° моль-') [19). 6. Электростатический катализ Химические исследования с использованием модельдых соединений не выявили сколько-нибудь заметного ускорения реакций за счет электростатических сил.
В результате некоторые химики пришли к отрицанию самой идеи такого механизма, однако это было связано с недопониманием тех особенностей электростатических взаимодействий, которые имеютместо вбелковых молекулах. Энергия электростатического взаимодействия ГЛАВА 3 двух точечных зарядов е1 и е„находящихся друг от друга на расстоянии г в среде с диэлектрической постоянной б, равна Е = е,ез7РГ. (2.24) Для протона и электрона, находяшихся в вакууме на расстоянии 3,3 А, энергия взаимодействия составляет — 418 кДж моль-' ( †1 ккал моль-').
В воде„ для которой диэлектрическая постоянная равна 79, эта величина уменьшается до — 5,4 кДж моль-' ( — 1,3 ккал моль-'). Как мы видим, чтобы энергия взаимодействия между двумя заряженными частицами не уменьшалась, они не должны находиться в водной среде. Рассмотрим протонирование двух оснований аминов в воде: НзХ1ЧНз ', Нз1Ч1ЧНз — '- —,— Нз1ЧХНз (2.25) Энергия дестабилизации дикатиона с двумя расположенными рядом положительными зарядами, образуюшимися при протонировании гидразина, составляет -920 кДж моль-' (220 ккал моль-'), что соответствует энергии взаимодействия двух положительных зарядов, находяшихся в вакууме на расстоянии 1,5А.
Однако в действительности два значения рК, различаются только на 9 единиц, что соответствует разности энергий 50,2 кДж моль-' (12 ккал моль — '). Атомы азота в тризтилендиамине разделены расстоянием 2 6 А (уравнение (2.26) ]. Можно было бы ожидать, что в вакууме энергия взаимодействия двух положительных зарядов в этом дикатноне составит -546 кДж моль-' (130 ккал моль-'), однако второе значение рК, соответствует изменению энергии только на 33,4 кДж (8 ккал). По-видимому, в обоих случаях эффективная диэлектрическая проницаемость среды между этими двумя атомами азота равна примерно 17.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
