Э. Фёршт - Структура и механизм действия ферментов (1128692), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Йфйбйсстать+ сН,— СН хн,+ Н СО; вн .- ) =. 4:— Н СО, н,о~~ н Со; хнмичвскии катализ партат, то второе соединение на схеме (2.44) представляет собой аналог шиффова основания в реакции, катализнруемой ацетоацетатдекарбоксилазой, и может легко декарбоксилироваться. (См. уравнение (2.46)). 4. Взаимопревращения боковых цепей. Если КХ вЂ” легко уходящая группа (тиоловая, гидроксильная илн индольная), ее отщепление может происходить по следующей схеме: кх СН2 Со~ !1, С Н О (3 Й КХ" + НхС СОх Н 'СФН н (2.47) Таким образом протекают взаимопревращения или расщепле* ние серина, треонина, цистеина, триптофана, цистатионина, а также серинфосфата и треонинфосфата.
б. а-Декарбоксилирование К Н Н.СЖН (2.48) со. Декарбоксилированный продукт присоединяет протон либо к углеродному атому карбонильной группы аминокислоты с последующим гидролизом и образованием амина и пиридоксаля, либо к углеродному атому карбонильной группы пиридоксаля Декарбоксилирование облегчается при наличии оттягивающей электроны группы: 76 ГЛАВА 3 с последующим гидролизом и образованием альдегида и пирид. оксамина: К~на н "сФ!ч н О КСН,!чн, + Лирийксаль Х Н К Н НС ОН -"-*~+ КСНО+ Ллрняркгамин Х Н (2.49) (2.50) 3.
Тиамиипирофосфат: электрофильиый катализ Тиаминпирофосфат [схема (2.51) ] — еще один кофермент, который образует с субстратом ковалентную связь и стабилизирует отрицательный заряд. Н ~ =С вЂ” СНАСНА — Π— Р— Π— Р— О (2.51) сн, СН О О !! !! (2.52) Положительный заряд на атоме азота облегчает ионизацию атома С-2 с помощью электростатической стабилизации.
Этот ионизированный атом углерода является мощным иуклеофилом. ХИМИЧЕСКИЙ КАТАЛИЗ Атом азота может быть стабилизирован и делокализацией отрицательного заряда на продукте взаимодействия тиамина с многими соединениями, например в оксизтилтиаминфосфате !уравнение (2.53)! — форме кофермента, довольно распространенной !и ч!Чо. .! ! НΠ— Ж~~н ~н "~'~ ~~ — Но-~=С ~~- <255) Снэ Снз 5 Сочетание зтих реакций приводит к декарбоксилированию пирувата по следующей схеме: 0 с,! д,н но — с — с" т Сн, со (2.54) +! но — ~ — с СН, О О +! о=с -с"н „- 1" ~! +! -с СнзснО н,! Н Ъ~СгС ~~ -н Аналогичным образом расщепляются и другие углерод-угле» родные связи, образуемые карбонильной группой.
Оксиэтилтиаминпирофосфаты — мощные нуклеофилы и могут присоединяться к карбоннльным соединениям с образованием углерод-углеродных связей. Характерным примером реакций, в ходе которых образуются и разрываются углерод-углеродные связи, являются реакции, катализируемые транскетолазой.
Этот фермент содержит прочно связанный тнаминпирофосфат и обратимо переносит диоксизтильную группу от Р-ксилулозо-5-фосфата на Р-рибозо-5-фосфат с образованием ГЛАВА 2 тз ЯСНО носн, +! ~-„~;5 носн, .( с с ). Но — с — ~' ~~ но — с — н н<Р-~н К ! К (2.55) он 1 Ь) " Йа.ь'-) сн,он О-О ~:Х-„- но — Н и-5 (2.5б) Оксиэтилтиаминпирофосфат является нуклеофилом и по отношению к тиольной группе восстановленной липоевой кислоты. Образующийся полутиоацеталь разлагается с образованием тиоэфира.
н ,1 ~ ~с~') сн, н сн (;)н т С вЂ” С л= сн~ (2.57) Р-седогептулозо-7-фосфата и Р-глицеральдегид-3-фосфата [уравнения (2.бб) и (2.56)): химичиския кАТАлиз 4. Нуклеофильный катализ Таблица у4 Нуклеофнльные группы ферментов Промежуточное еоелнненае Иуклеофнл Фермент — ОН (серии) Сериновые протеазы Кислотные и шелочные фосфатазы, фосфоглюкомутаэа Карбоангидраза Ацилфермент Фосфорилфермент ОН (связанная с атомом цинка) — ЗН (цистеин) Ацилфермент Тиоловые протеазы, глицеральдегид-3-фосфат †дегидрогеназа Пепсин АТРаза (К+/)Ча+, Сан+) Ацетоацетатдекарбоксилаэа, альдолаза, пиридоксалиевые ферменты Фосфоглицеромутаэа, сукцинил-СоА — синтетаза, нуклеозиддифосфокиназа, гистонфосфокиназа Глутаматсинтетаза — СО, (аспартат) — )Чнт (лизин) Ацилфермент Фосфорилфермент Шиффово основание Имидазол (гистидии) Фосфорилфермент — ОН (тироэин) Аденилфермент Гидролиз пептидов этими протеазами — пример классического нуклеофильного катализа.
Относительно инертный пептид превращается в значительно более реакционноспособный эфир или тиоэфир (ацилфермент), которь|й затем быстро гидролизуется. Использование гидроксила серина вместо осуществления прямой атаки субстрата молекулой воды дает ряд преимуществ. Спирты часто являются лучшими нуклеофилами, чем вода, как в случае общего оснбвного катализа, так и при прямой нуклеофильной атаке; реакция с остатком серина является внутримолекулярной и, следовательно, энтропийно более выгодной; реагирующие гидроксильпые группы серина фиксированы более жестко, чем в случае связанной молекулы воды. К нуклеофильным группам ферментов, которые чаще всего участвуют в катализе, относятся гидроксильная группа серина (сериновые протеазы, холинэстеразы, эстеразы, липазы, кислая и щелочная фосфатазы) и тиоловая группа цистеина (глицеральдегид-3-фосфат — дегидрогеназа, тиоловые протеазы; папани, фнцин и бромелаин и т.
д.). Имидазол гистидина обычно является кислотно-оснбвным катализатором, который увеличивает нуклеофильность гидроксильных и тиоловых групп, но при переносе фосфата в реакциях фосфорилирования он иногда выступает в роли нуклеофила. во ГЛАВА 2 Г. Зависимость реакционной способности реагентов от их структуры Один из наиболее плодотворных подходов при исследовании механизмов органических реакций состоит в сопоставлении изменения реакционной способности реагентов с изменением их структуры. Эти исследования дали ценную информацию об электронной структуре переходных состояний и факторах, определяющих реакционную способность, и позволили установить, чем является конкретная группа — хорошим нуклеофилом или хорошей уходящей группой.
При исследовании зависимости реакционной способности от структуры выявляют влияние изменений в структуре субстрата на его взаимодействие с ферментом, а не на изменения электронной структуры переходного состояния. Из подобных исследований обычно трудно получить информацию о требованиях, предъявляемых в ферментативной реакции к электронной структуре субстрата, поскольку в субстрат могут быть внесены лишь минимальные изменения, а индуктивные эффекты, обусловленные введением заместителей, часто замаскированы эффектами, обусловленными связыванием. Однако полученные данные оказались неоценимыми для выяснения механизмов ферментативных реакций. 1.
Нуклеофильная атака карбонильной группы Исследования зависимости реакционной способности от структуры позволили получить представление о распределении заряда в переходном состоянии с помощью анализа влияния оттягивающих и отдающих электроны заместителей на скорость реакции. Например, было установлено, что скорость нуклео фильной атаки эфиров возрастает а) при оттягивании электронов ацильным фрагментом эфира (СНС!зСО,Е( значительно более реакционноспособен, чем СН~СО~Е1); б) при оттягивания электронов уходящей группой (и-нитрофенилацетат более реакционноспособен, чем фенилацетат); в) при увеличении основности нуклеофила, т. е.
при передаче электронов на нуклеофил (гидроксил-ион более реакционноспособен,чем ацетат-ион). Используя положение теории переходного состояния, заключающееся в том, что скорость реакции зависит от разности энергий переходного и основного состояний, мы можем сделать вывод, что в данной реакции отрицательный заряд субстрата увеличивается, поскольку скорость реакции возрастает при оттягивании электронов, а заряд нуклеофила уменьшается, поскольку скорость реакции увеличивается при отдаче электронов (т.
е. при отталкивании электрона). При этом реакция может протекать химический кАтАлиз в соответствии либо со схемой (2.58), где лимитирующей ста- дией является образование тетраэдрического промежуточного соединения, либо со схемой (2.59), где лимитирующей стадией является разрыв связи. ,О К вЂ”,С .Ф ОК' (2.58) пс О О l~ К вЂ” С вЂ” К вЂ” С '6' ОК' т ОК' О К вЂ” С' л.'г ,6— т' ОК' пс (2.59) а. Линейные зависимости свободной энергии, уравнения Бренстеда н Гаммета Количественно оценить чувствительность реакции к изменению электронной плотности атакующего нуклеофила можно путем измерения констант скорости второго порядка для реакций, где определенный эфир атакуется рядом нуклеофилов.
Аналогично тому, как это делалось для общего оснбвного катализа, строят график зависимости логарифма константы скорости от рК, нуклеофила. Обычно в тех случаях, когда используются лишь нуклеофилы сходной химической природы и когда диапазон значений рК. невелик, получается линейная зависимость, Наклон прямой обозначается буквой р, как и в случае общего осибвного катализа. Эти линейные зависимости между логарифмом константы скорости и рК, известны под названием линейных зависимостей свободной энергии, поскольку логарифм константы скорости пропорционален энергии активации Гиббса для данной реакции, а логарифм константы равновесия — изменению энергии Гиббса реакции (раньше энергия Гиббса называлась свободной энергией), Наличие корреляции между нуклеофильностью нуклеофила и его основностью указывает на то, что энергия активации Гиббса для образования связи с углеродом карбонильной группы пропорциональна энергии Гиббса для переноса протона к пуклеофилу.
Аналогичная корреляция (соотношение Бренстеда) существует между константой скорости и рК, уходящей группы в том 82 ГЛАВА 2 случае, когда определеннь)й нуклеофил взаимодействует с рядом эфиров, имеющих разные уходящие группы. Другой способ графического представления данных, который используется для ароматических соединений, основан на применении уравнения Гаммета и констант Гаммета для заместителей. Эти константы, характеризующие способность заместителей в бензольном кольце отдавать или принимать электроны, связаны с рКа замешенных бензойных кислот следующей эмпирической зависимостью: (рда)х (рда)р х' (2.60) где Х вЂ” заместитель в бензойной кислоте в мета- или пара- положении, (рК,)х — это рК, замешенной кислоты, Тлблмял 2,5 Константы„ хараитериауюгдне различные заместители а) Алнфатнчесное соеднненне б) Ароматнческое соединение а) Заместнтель ом о! — 0,66 ( — О 17) г) ') Нз Сьаг!оп и., У, ога.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
