Э. Фёршт - Структура и механизм действия ферментов (1128692), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Это обусловлено тем, что положительно заряженные ионы поляризуют растворитель и индуцируют образование диполей.Электростатическоеполе этих диполей н любых противоионов частично нейтрализуют положительное поле катионов, в связи с чем окружаюшие ионы, даже не находясь между катионами, понижают энергию их взаимодействия. То обстоятельство, что исследования модельных соединений проводились в воде, привело к сильной недооценке роли электростатического катализа в случае белков.
В органических растворителях электростатическое взаимодействие гораздо сильнее, нежели в воде, из-за более низкой диэлектрической проницаемости. Это обстоятельство было ис« пользовано химиками-синтетиками для повышения скоростей ХИМИЧЕСКИН КАТАЛИЗ 7. Катализ ионами металлов [26] а. Электрофильный катализ Одна из функций, которую выполняют металлы в металло- ферментах, состоит в том, что они выступают в роли электрофильных катализаторов, стабилизирующих образующиеся отрицательные заряды.
В карбоксипептидазе (гл. 12) карбонильный кислород амидной группы субстрата связан координационной связью с ионом цинка этого фермента, что приводит к поляризации амида, подвергающегося нуклеофильной атаке, и эффективной стабилизации тетраэдрического промежуточного соединения. ЕП44 АЕ4+ он — с — Г4 — С (2.27) а о/ ао Такой механизм действия ионов металлов был продемонстрирован на модельных соединениях, которые дают увеличение скорости реакций в 104 — 1О' раз 127, 28].
Например, при образовании координационной связи между (Этилендиамин)ЗСо'4 и этиловым эфиром глицина скорость катализируемого основанием гндролиза возрастает в 2 10' раз. ~С ] ОЕТ «,-Ке м-'«-' НФСН.СО,Е ио- (2.29) реакций. Сказанное справедливо также и для ферментов. Здесь уместно привести слова Перутца: «Для живой клетки неполярные внутренние области в молекулах ферментов играют ту же роль„что и органический растворнтель для химика-синтетика» 124]. Проведенные недавно расчеты показали, что энергия стабилизации карбоний-иона в реакции, катализируемой лизоцимом, составляет 37,6 кДж (9 ккал);стабилизация осуществляется за счет взаимодействия с карбоксилат-ионом Азр-52 (относительно неионизированной карбокснльной группы) [25].
Это эквивалентно увеличению скорости в 4.10' раз. ГЛАВА 3 6. Источник гидроксил-ионов при нейтральном значении рН Другой очень важный результат, полученный недавно при кинетических исследованиях в области неорганической химии, состоит в том, что связанные с металлом гидроксильные ионы являются мощными нуклеофилами [29 — 31]. Связанная с кобальтом молекула воды [см.
уравнение (2.30)] имеет рК, = 6,6; это на 9 единиц ниже рК. свободной воды Очна),соз+он, я=в (мнй,со"он+ н+. (2.30) Однако связанная с кобальтом гидроксильная группа только в 40 раз менее эффективна, чем свободный гидроксил-ион, в отношении ускорения гидратации двуокиси углерода [29]. Подобное отсутствие связи между высокой реакционной способностью н рК, является довольно общей закономерностью, проявляющейся независимо от того, ион какого именно металла связан [31]. Таким образом, источником нуклеофильных гидроксильных групп при нейтральном значении рНслужатсвязанпые с металлом молекулы воды. Подобно тому как основание с рК, = 7 является наиболее эффективным общим оснбвным катализатором (разд.
Б, 2, б), связанная с металлом молекула воды с рК, = 7 является наиболее эффективным соединением при нуклеофильной атаке, поскольку обладает высокой реакционной способностью и с большой вероятностью находится в ионизированном состоянии. Изложенные соображения применимы и к механизму действия карбоангидразы.
Этот фермент, катализирующий гидратацию СО,, содержит в активном центре ион цинка, связанный координационной связью с имидазольными кольцами трех гистидиновых остатков. Согласно классическим представлениям о механизме этой реакции, четвертый лиганд — это молекула воды с рК, = 7 [32]. Полагают, что реакционноспособной единицей является связанный с цинком гидроксил; это согласуется с результатами химических исследований, согласно которым связанные с цинком гидроксильные группы обладают высокой реакционной способностью. Молекула воды в составе комплекса, представленного на схеме (2.3!), имеет рК, = 8,7 и катализирует гидратацию двуокиси углерода и ацетальдегида [33]. ХИМИЧЕСКИИ КАТАЛИЗ 89 Возможно, механизм действия карбоангидразы включает следующую реакцию: Š— Хп~' — О "~ Š— Еп~'+НСО,.
Н О (2.32) Наличие связанной с металлом гидроксильной группы в сочетании с внутримолекулярной реакцией привело к одному из самых больших увеличений скорости реакции„характерному для ненапряженных систем. Комплекс глицилглицина с (Этилендиамин)зСо~+ и цис-гидроксилом [уравнение (2.33)] гидролизуется при рН = 7 почтив 10" раз быстрее,чем свободный глицилгли. цин [341. 3"",.Т -- -"- (2.33) В. Ковалентный катализ 1. Электрофильный катализ с образованием шиффова основания [37) Примером того„как кратковременная химическая модификация может активировать субстрат, является образование шиффова основания при конденсации амина с карбонильным соединением. К' — С=г1К (2.34) г' Н КФ К' С=(ЧК К" НАО К' К" Известны более сложные примеры катализа ионами металлов.
Кобальт в реакциях с участием витамина Вы образует ковалентные связи с углеродными атомами субстратов [35, 36]. Металлы могут также выступать в качестве проводников электронов в окислительно-восстановительных реакциях. Например, в цитохроме с геминовое железо обратимо окисляется и восстанавливается. то ГЛАВА 2 При нейтральных рН шиффово основание может протониро- ваться. Оно действует как электронный сток, стабилизируя об- разование отрицательного заряда на одном из а-углеродных атомов: СН, СН С=ХК С вЂ” ХК (2.35) К Н (елкин) После таутомеризации, в результате которой образуется енамин„атом углерода метиленовой группы активируется как нуклеофил. Вше одним следствием образования шиффова основания является облегчение атаки нуклеофилом карбонильного углерода вследствие сильного отгягивания электронов протонированным атомом азота. а.
Ацетоацетатдекарбоксилаза (38, 391 Этот фермент катализирует декарбоксилированиеацетоацетата до ацетона и двуокиси углерода. В ходе неферментативной реакции происходит отщепление сильно оснбвного енолят-иона при нейтральном рН [уравнение (2.36) ], (о („=о СН,С С СН О (2.36) а в ферментативной реакции эта стадия отсутствует, но зато образуется шиффово основание с остатком лизина. Затем протонированный имин легко отшепляется.
Этот процесс можно промоделировать в растворе, используя в качествекатализатора анилин, СН С=ЯК Н К" Π— ' СНзС СН, хнмнчвскни катализ СН, Š— )Ч вЂ” С Н СН, н (2.37) СН, Н'+Š— )чн,+СН,СОСН, ~-"'=" Š— Я=с Н СН, В пользу образования такого промежуточного соединения свидетельствует тот факт, что при добавлении к комплексу с субстратом боргидрида натрия происходит необратимое ингибирование фермента. Известно, что боргидрид восстанавливает шиффовы основания, а в гидролизате ингибированного белка обнаружен изопропиллизин.
СН СН, Š— )Чнх+ Сн~соснзсоз — Š— ХН С ДИ'+ Š— ХН~С вЂ” СНз Сн Н / (2,38) Снз СО~ СН3 С 1 1Н~(СН2)4СН "+ Н ЯН1 Активация углеродного атома шиффова основания происходит в результате переноса гидрид-иона от боргидрида. — )ч=с Н вЂ” ВН3 (2.39) б. Альдолаза [40, 41] Альдольная конденсация и обратная реакция расщепления, катализируемые альдолазой, протекают с образованием шиффова основания. Механизм реакции расщепления аналогичен механизмудействия ацетоацетатдекарбоксилазы — в обоих случаях СН, — -,,г' Š— )чн, о=~ ,СН -о~ 'о СНз Š— )ч=С Н ~ СН, С -о о 72 ГЛАВА 3 сн,— о-(р) СН, с Др ~=о Нзй — Е е а ~1 1чн Е сн -он Н вЂ” СН вЂ” ОН сн,— о — ® ~" — о-® С вЂ” 'Ън — е но-7-н но ( н н — с-он н' и' ~н,-о-® С О ! НΠ— С вЂ” н +н,х — Б я+он (2.40) Промежуточное соединение можно обнаружить так, какука- вано выше.
2. Пиридоксальфосфат: электрофильный катализ [37, 421 Рассмотренные выше реакции лежат в основе ряда важных метаболических превращений, протекающих с участием кофермента пиридоксальфосфата [схема (2.41) ], О Н ФО 241 С Н О вЂ” Р— Π— СН, О ( !! О + сн отщепляется протонированный имин. В ходе реакции конденса- ции выявляется другая функция шиффова основания — актива- ция углеродного атома через образование енамина.
ХИМИЧЕСКИЙ КАТАЛИЗ 73 Пиридоксальфосфат конденсируется с аминокислотами, образуя шиффово основание ~схема (2.42)]. к нсо; С Н (2.42) Н В шиффовом основании пиридиновое кольцо оттягивает на себя электроны, эффективно стабилизируя отрицательный заряд. Любая из групп, окружающих хиральный атом углерода аминокислоты, может отщепиться, образуя анион, стабилизируемый шиффовым основанием и пиридиновым кольцом.
а. Отщепление а-водородного атома Отщепление и-водородного атома приводит к образованию ключевого промежуточного соединения, которое в дальнейшем может претерпевать различные превращения. ~2.43) Н 1. Рацемизоция. Последующее присоединение к аминокислоте протона может привести к рацемизации, если это присоединение происходит нестереоспецифично. 2. Трансаминирование.
Присоединение протона к карбонильному атому углерода пиридоксаля приводиткобразованию соединения, представляющего собой шиффово основание и-кето- кислоты и пиридоксамина. Гидролиз шиффова основания дает и-кетокислоту и пиридоксамин, который может реагировать с другой и-кетокислотой в обратной последовательности. к н со; 5~' н с-.н-н о ( „) СН К СОХ 4 н сн-н '3 6- -н "Ъ ГЛАВА 3 74 н (2.44) о инг н н Суммарная реакция имеет вид й'СН(МНВ)СО~ + В"СОСО~ ~=В К'СОСОВ + В"СН(ХНА)СОВ. (2.45) 3. 5-Декарбоксилирование. Если аминокислота — это ас- (2.46) Н СО.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
