Э. Фёршт - Структура и механизм действия ферментов (1128692), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Точка пересечении прямых с осью ординат, в которой концентрация буфера равна нулю, дает константу скорости «спонтанного» гидролиза при данном рН. Зависимость константы снорости «спонтанного» гидролиза от рН дает константы скорости для катализа ионами Н+ и ОН-. Видно, что пиридин более эффективный катализатор, чем ацетат.ион, который является более слабым основанием.
Уравнения Бренстеда справедливы и в случае общего кислотного катализа, например для гидролиза некоторых ацеталей [8 — 10[. В этом случае соответствующее соотношение имеет вид 1н йя — — А — арК„ (2.1 4) т.е. вместо р используется а, Для кислотно-оснбвного катализа значения а и р лежат в интервале между 0 и 1 (за исключением некоторых карбоновых кислот) [11[, поскольку при полном переносе протона а = 1, а когда переноса не происходит совсем, а =О.
Обычно же для гидролиза эфира эти значения лежат в интервале от 0,3 до 0,5, а для гидролиза ацеталей — вблизи 0,6. бб ХИМИЧЕСКИН КАТАЛИЗ В табл. 2.! и 2.2 приведены данные по увеличению скорости реакций в присутствии общих оснбвных и кислотных катализаторов. Все величины рассчитаны из уравнения Вренстеда при значениях рК.
15,74 и — 1,74 для ионизации Н,О и НзО+ (т. е. из -о И Г г У 4 К б У б уьуп Рпс. 2Л. График зависимости Бренстеда для гидролиза зтилдихлорапетата по механизму общего оснбвного катализа. Логарифмы констант скорости второго поридка, полученные из графика рис. 2.3, отложены в зависимости от РК, кислоты, сопряженной каталитическому основанию. Наклон прямой равен р. Обратите внимание, что точки, отвечающие азотистым основаниям 1 ° ), ложатся на ту же прямую, что и точки, отвечающие основаниям типа оксианноны 10), показывая, что катализ зависит в первую очередь от силы основания, а не его химической природы.
соотношения [Н+[ [ОН-[ = 1О-'4 и в предположении, что концентрация воды равна 55 М). Эффективность катализа сильно зависит от сс, р и значения рК, катализатора. Определяющим фактором является состояние ионизации катализатора в условиях протекания реакции. Кислота с рК. = 5 является гораздо более эффективным общим кислотным катализатором, нежели кислота с рК. =7. Однако при рН 7 в активной форме находится только 1% молекул кислоты с рК, = 5, остальные 99% молекул ионизированы, Кислота с рК. = 7 при рН 7 ионизирована только на 50%, остальные 50% составляет активная форма, Нз табл.
2.2 видно, что при а < 0,85 кислота с рК, = 7 при рН 7 является более эффективным катализатором, чем кислота с ГЛАВА й Таблица 2Л Влияние р иа общий основный каталин Скорость реакции в 1М растворе основания Скорость реакции в воде РКа 5 Риз 7 1 8,5 427 2,4 ° 101 4,9 ° 10' ! 07 Таблица 2.2 Влиииие а и стеиеии иоииааиии иа общий основный катилиз Скорость реакции в 1М растворе пр» Ряу а! Скорость реаиций в 1М растворе кислоты Скорость реакцкк в воде и Скорость реакции в воде РК =5 РАа=у РК =9 рка 5 рка РК 9 в1 Скорости реакций а 1М растворе кислоты и основания сравнивались со скоростьш иекаталазируемой вахой реакции. Следует отметить, что протон становится аффективным катализатором при более высоких значеиинх и.
При к=О,З; 0,5; 0,7; 0.55 и 1,0 скорость реакции возрастает при РН 7 в 1,ОООЗ; 9,3 1ОЧ 1,3 10' и 5,5 10з раз соответственно, оттесняя иа второй план при больших значениях и катализ посредством других кислот. рК, = б. Аналогичным образом основание с рК. = 7 при рН 7 — более эффективный катализатор, чем основание с рК, =9 !при й ( 0,85), поскольку по своей природе более реакционно- способное основание при значениях рН ниже его рК, находится главным образом в протонированной форме. При рН 7 наиболее эффективными кислотно-оснбвными катализаторами являются те соединения, рК, которых близко к 7, Этим объясняется цуирокая распространенность в ферментативном катализе гистидина, имидазольное кольцо которого имеет рК.
6 — 7. 0 0,3 0,5 0,7 0,85 1 0 0,3 0,5 0,7 0,85 1 1 31 4,3 1О' 5 10' 2 5 107 10з 1 8,6 427 2,4 10' 4,9. 105 10' 1 2,9 44 951 9,7 ° 10' 10' 1 2,9 44 951 9,7 1О' 10' 1 1,3 42 5 10а 2,4 Гоа 107 1 4,8 214 1,2 10' 2,4 10а 5 ° 1О' 1 2,9 43,2 940 9,7 1О' 9,9 1О' химическин кхтхлиз 3.
Внутримолекулярный катализ: «эффективная концентрация» групп на молекуле фермента Как мы видели, кислотно-основный катализ является эффективным средством ускорения химических реакций. Можно ли нз этих данных определить, какова роль данного механизма в ферментативном катализеР Непосредственное перенесение результатов предыдущего раздела на ферменты встречает принципиальные затруднения. Дело в том, что каталитические реакции в растворе — это реакции второго порядка (скорость реакции возрастает с увеличением концентрации катализатора), тогда как реакции, протекающие в пределах фермент-субстрат- ного комплекса, представляют собой реакции первого порядка, причем кислоты и основания являются составной частью молекулы фермента.
Возникает вопрос: какую концентрацию кислоты или основания следует использовать в расчетах7 Экспериментальный тюдход к этой проблеме состоит в синтезе соединений с каталитической группой, являющейся частью молекулы субстрата, и в последующем сравнении скоростей реакций с участием этих соединений со скоростямисоответствующих внутримолекулярных реакций. Типичным примером внутримолекулярно катализируемой реакции является гидролиз аспирина 112). Гидролиз эфирной связи ускоряется с помощью внутримолекулярного общего оснбвного катализа. Сравнение со скоростью некатализируемого гидролиза аналогичных соединений показывает, что в результате катализа скорость реакции возрастает примерно в 100 раз 113). Если принять, что р7(.
основания равно 7, а не 3,7, как у аспирина, то экстраполяция дает более высокое значение ускоре« ния — в 5000 раз. С вЂ” О "Н СО~ — Я 1 — ОН+СНзСО~Н (2.15) Д Н 1! О Внутримолекулярный общий основный катализ гидролиза также можно охарактеризовать количественно Сравнение кон. станты скорости такого гидролиза с константой скорости 58 ГЛАВА 2 а) Скорости переноса ацильной группы в производных янтарной кислоты [14[ 11 О СН,СО, О l~ СН вЂ” С ! О+ ( ) НО2 к,=о,во '.
СН,— С О О СН,СО2 + СН»С -О-"'— (2.16) О О (2.17) П П СН»С О ССН»+ О) НО« й»=4 ' 10 М с Зффективная -СО„, = й /1. = 2 10' й4 кониентпрпция внутримолекулярной реакции показывает, что для получения такого же значения константы скорости первого порядка, как и в случае внутримолекулярной реакции, необходимо взять 13М раствор основания [12[. Следовательно, «эффективная концентрация» карбоксилат-иоиа в аспирине составляет 1ЗМ. Это типичная величина для внутримолекуляриого кислотно-оснбвного катализа.
Эффективные концентрации нуклеофилов для внутримолекуляриых реакций часто значительно превышают это значение. В приведенных ниже примерах рассматриваются «ненапряженные» системы; химик может синтезировать «напряженные» соединения. Снятие напряжения в ходе реакции существенно увеличивает ее скорость. В случае рассматриваемых здесь производных янтарной кислоты и аспирина атакующий нуклеофил может уйти в сторону от эфирной связи и снять напряжение.
Наблюдаемые увеличения скорости полностью обусловлены высокой эффективной концентрацией соседней группы. ХИМИЧЕСКИИ КАТАЛИЗ б) Скорости переноса ацильной группы в производных аспирина [15] СОгН l~ , (2.18) ΠΠ— С вЂ” СН, ),~О,Огс-' О СНА сн О О !! !! С вЂ” Π— ССН, О + О (, — 1Оть М-'с-' (г 19) дФФектиенан — СО =), !);>2 10'М.
коНцентрация в) Константы равновесия для реакций переноса ацильной группы в производных янтарной кислоты 1!б, 171 ~~О ! СН,С СН,С О СНЗСО2Н К 8. 10-7 (г,го) СНТСО,Н ЗЯЯектиеная концентрация -СО,Н = 3 10' ы. О О !! !! 2СН,СО,Н вЂ” СН,С вЂ” Π— ССНз К„= 3 10 " м (2,21) ГЛАВА 2 ео Эти примеры показывают, что огромное увеличение скоростей реакций обусловлено внутримолекулярным нуклеофильным катализом.
4. Энтропия: теоретические основы внутримолекулярного катализа и эффективная концентрация 118, 191 Высокая эффективная концентрация внутримолекулярных групп — один из наиболее важных факторов, обусловливающих эффективность ферментативного катализа. Теоретически это можно понять с позиций теории переходного состояния и из анализа энтропийного члена в уравнении (2.7) для константы скорости. Эффективные концентрации можно определить путем подстановки изменения энтропии в член ехр(АЗ~/К) уравнения (2,7). а. Физический смысл энтропии Смысл понятия «энтропия» (быть может, не совсем точно, но вполне удовлетворительно для данного контекста) можно сформулировать так: энтропия — это мера неупорядоченности системы, Чем неупорядоченнее система, тем больше вероятность ее существования и тем выше энтропия.
Аналогичным образом энтропия связана с пространственной свободой атомов и молекул. Преимущество внутримолекулярной реакции по сравнению с аналогичным межмолекулярным процессом с точки зрения катализа обусловлено энтропийным фактором. В межмолекулярной реакции участвуют две или большее число молекул, а в результате образуется одна. Это ведет к возрастанию «порядка» и, следовательно, к уменьшению энтропии, Из уменьшения энтропии можно рассчитать «эффективную концентрацию». б. Значения энтропии Энтропия молекулы — это сумма энтропий поступательного, вращательного и внутримолекулярного движений.
Энтропию поступательного и вращательного движения можно точно рассчитать для молекулы вещества, находящегося в газообразном состоянии, из ее массы и геометрии. Энтропию колебательного движения рассчитывают из частот колебаний, а энтропию внутримолекулярного вращения — из энергетических вращательных барьеров.
Энтропия поступательного движения небольших молекул в 1 М растворе составляет примерно 120 Дж(град моль)-' ХИМИЧЕСКИЙ КАТАЛИЗ 61 Таблица 2.3 Энтропия поступательного, вращательного н колебательного двиисениа прн 298К [181 Энтропия дннменне дм <град моль) — ' нал !град моль) 3 поступательны» степени свободы для мол. весе 20 †2 (Стандартное состояние-1М) 3 еращагельны» сгслеии свободы Вода и-11ропаи нндогДиииклопентадиен Внугримолекуллрнос вращение Колебания, см 1000 800 400 200 100 120 †!50 29-36 10,5 21,5 27,2 3 — 5 44 90 114 13 — 21 0,4 0,8 4,2 9,2 14,2 0,1 0,2 1,0 2,2 3,4 Для большинства ковалентных связей неупругие колебания вносят в энтропию очень небольшой вклад.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
