Фёршт Э. Структура и механизм действия ферментов

Подождите немного. Документ загружается.

ХИМИЧЕСКИЙ

КАТАЛИЗ

воды приобретает положительный заряд,

кислород карбо-

нильной

группы

—

отрицательный.

—

-F\ (2.8)

/ OR

Некатализируемый гидролиз ацеталя сопровождается образо-

ванием переходного состояния, близкого

по

своей

структуре

карбоний-иону

алкоксид-иону.

/—О

(2/----OR

(2.9)

В обеих реакциях переходное состояние крайне невыгодно,

поскольку возникают нестабильные положительный

отрица-

тельный заряды. Стабилизация этих зарядов ускоряет реакцию,

понижая энергию переходного состояния. Положительный

за-

ряд

на

атакующей молекуле воды можно стабилизировать

переносом

процессе реакции одного

из

протонов

на

основание.

Такой механизм ускорения реакции носит название

общий ос-

новный

катализ.

На

приведенной ниже

схеме

роль общего

ос-

новного катализатора играет ацетат-ион.

R'-C * R'-C

d (2.Ю)

ГГН CCH

Отрицательный заряд

на

молекуле спирта, образующегося

из

ацеталя, можно стабилизировать

путем

переноса протона

от

кис-

лоты. Такой механизм называется

общим

кислотным

катализом.

ГЛАВА 2

На

приведенной ниже

схеме

роль общего кислотного катализа-

тора играет уксусная кислота.

-9*

а№

)ссн, >,

о о

Рассмотренный

кислотно-основный катализ называется

об-

щим,

с тем

чтобы отличать

его от специфического

кислотного

или

основного катализа,

котором катализатором является

протон

или

гидроксил-ион.

Положительный

отрицательный заряды можно стабилизи-

ровать

и с

помощью электростатического

катализа.

Так,

поло-

жительно заряженный карбоний-ион

не

удается

стабилизиро-

вать

путем

общего основного катализа, поскольку

он не

ионизи-

руется, однако

его

можно стабилизировать электрическим полем

отрицательно заряженного карбоксилат-иона. Отрицательный

заряд

на

оксианионе также может быть стабилизирован

с по-

мощью таких положительно заряженных ионов металлов,

как

или

. Стабилизация отрицательного заряда,

т. е.

элек-

трона, называется

электрофильным

катализом.

Рассмотренные выше типы катализа основаны

на

стабилиза-

ции

переходного состояния реакции

без

изменения

ее

механиз-

ма.

Но

каталитический процесс может изменить

путь

протекания

реакций.

Типичный пример такого рода

— нуклеофильный

ката-

лиз

переноса ацила

или

реакции гидролиза. Гидролиз уксусного

ангидрида существенно ускоряется

присутствии пиридина

благодаря быстрому образованию высокореакционноспособного

ацетилпиридиний-иона.

сн/ /

™ СН

/Г

(2.12)

ХИМИЧЕСКИЙ

КАТАЛИЗ

Для эффективного нуклеофильного катализа необходимо,

чтобы замещающее нуклеофильное соединение имело более

сильно выраженный нуклеофильный характер, чем замещаемое,

а промежуточное соединение было более реакционноспособным,

чем исходное.

Нуклеофильный катализ —это типичный

случай

ковалентно-

го

катализа:

субстрат

временно модифицируется

путем

образо-

вания

ковалентной связи с катализатором, в

результате

чего

образуется реакционноспособное промежуточное соединение.

Известно также множество примеров электрофильного катализа

путем

ковалентной модификации. Как мы увидим ниже, в реак-

циях, протекающих с

участием

пиридоксальфосфата и тиамин-

пирофосфата, и в реакциях образования шиффовых оснований

электроны стабилизируются

путем

их делокализации.

2. Общий кислотно-основный катализ

а.

Обнаружение

количественный

анализ

Эффективность общего катализа реакции гидролиза эфира

оценивается по возрастанию константы скорости реакции гидро-

лиза при увеличении концентрации кислоты или основания.

Обычно это делается при постоянном значении рН, что обеспе-

чивает постоянство отношения кислых и основных форм катали-

затора. Важно, чтобы ионная сила реакционной смеси сохраня-

лась постоянной, поскольку многие реакции чувствительны к

изменению концентрации солей. Чтобы выяснить, какой формой

катализатора — кислой или основной—-осуществляется ката-

лиз,

необходимо провести измерения, меняя состав буфера.

Скорость гидролиза эфира обычно пропорциональна концентра-

ции

основного компонента буфера, т. е. имеет место общий

основный катализ. Наклон прямой, представляющей собой за-

висимость константы скорости от концентрации основания,

дает

константу скорости второго порядка для общего основного ка-

тализа (рис. 2.3).

б.

Эффективность

кислотно-основного

катализа:

уравнение

Брёнстеда

[6]

Установлено, что эффективность общего основного катализа

в реакциях гидролиза эфира пропорциональна основности ката-

лизатора [7]. Зависимость константы скорости этой реакции от

концентрации

основания определяется уравнением

(2.13)

ГЛАВА

Выражение

(2.13)

представляет собой одно из уравнений

Брёнстеда. р — Коэффициент Брёнстеда, который является ме-

рой

чувствительности реакции к р/(

сопряженной основанию

кислоты,

А — константа, характерная для данной реакции.

0,2

0,4 0,6

[Основание],

0,8

Рис.

2.3. Определение констант скорости гидролиза этилдихлорацетата, ката-

лизируемого по механизму общего основного катализа [Jencks W. Р., Саг-

riuolo J.,

Amer.

chem. Soc, 83, 1743

(1961).]

На графике изображена зависи-

мость констант скорости первого порядка от концентрации основания. Наклон

прямых

дает

константы скорости реакций второго порядка для случая об-

щего основного катализа (кг). Точка пересечения прямых с осью ординат,

которой концентрация буфера равна нулю,

дает

константу скорости «спон-

танного» гидролиза при данном рН. Зависимость константы скорости «спон-

танного» гидролиза от рН

дает

константы скорости для катализа ионами Н+

ОН~. Видно, что пиридин более эффективный катализатор, чем ацетат-ион,

который является более слабым основанием.

Уравнения Брёнстеда справедливы и в

случае

общего кис-

лотного катализа, например для гидролиза некоторых ацеталей

[8—10]. В этом

случае

соответствующее соотношение имеет вид

= A —

арЛ:

(2.14)

т. е. вместо р используется а. Для кислотно-основного катализа

значения

аир лежат в интервале

между

0 и 1 (за исключением

некоторых карбоновых кислот) [11], поскольку при полном пе-

реносе протона а= 1, а когда переноса не происходит совсем,

а = 0. Обычно же для гидролиза эфира эти значения лежат в

интервале от 0,3 до 0,5, а для гидролиза ацеталей — вблизи 0,6.

ХИМИЧЕСКИЙ

КАТАЛИЗ

В табл. 2.1 и 2.2 приведены данные по увеличению скорости

реакций в присутствии общих основных и кислотных катализа-

торов. Все величины рассчитаны из уравнения Брёнстеда при

значениях р/Са 15,74 и —1,74 для ионизации Н

О и Н

О+ (т.е. из

Рис.

2.4. График зависимости Брёнстеда для гидролиза этилдихлорацетата

по механизму общего оснбвного катализа. Логарифмы констант скорости вто-

рого порядка, полученные из графика рис. 2.3, отложены в зависимости от

р/Са кислоты, сопряженной каталитическому основанию. Наклон прямой ра-

вен р. Обратите внимание, что точки, отвечающие азотистым основаниям (•),

ложатся на ту же прямую, что и точки, отвечающие основаниям типа окси-

анионы

(О), показывая, что катализ зависит в

первую

очередь от силы

основания,

а не его химической природы.

соотношения [Н+] [ОН-] = 10~

и в предположении, что кон-

центрация воды равна 55 М). Эффективность катализа сильно

зависит от ос, р и значения р/Са катализатора. Определяющим

фактором является состояние ионизации катализатора в усло-

виях протекания реакции. Кислота с р/С

= 5 является гораздо

более эффективным общим кислотным катализатором, нежели

кислота с

р/(а=7.

Однако при рН. 7 в активной форме нахо-

дится только 1% молекул кислоты с р/Са = 5, остальные 99%

молекул ионизированы. Кислота с рКа = 7 при рН 7 ионизиро-

вана только на 50%, остальные 50% составляет активная форма.

Из

табл. 2.2 видно, что при а ^ 0,85 кислота с р/(

= 7 при рН

7 является более эффективным катализатором, чем кислота с

ГЛАВА

Таблица

2.1

Влияние

р на общий основный

катализ

0,3

0,5

0,7

0,85

Скорость реакции

в 1М

растворе

основания

Скорость реакции

2,9

951

9,7-10

воде

Р*а=7

8,6

427

2,4

•

4,9

•

10'

Таблица

2.2

Влияние

а и степени ионизации на общий основный

катализ

0,3

0,5

0,7

0,85

Скорость реакций

в 1М

растворе кислоты

Скорость реакции

4,3

•

6-10

2,5

•

рК

8,6

427

2,4

•

4,9

•

воде

Р*а=

2,9

951

9,7

•

Скорость реакции

в 1М

при

рН7

а)

Скорость реакции

Р*а

1,3

2,4

•

рК

4,8

214

1,2

•

2,4

•

5-10

растворе

воде

Р*

2,9

43,2

940

9,7

•

9,9

•

) Скорости реакций

1М растворе кислоты

основания сравнивались

со

скоростью

некатализируемой водой реакции.

Следует

отметить,

что

протон становится эффективным

катализатором

при

более высоких значениях

а. При а =

0,3;

0,5; 0,7; 0,85 и 1,0

скорость

реакции

возрастает

при рН 7 в

1,0003;

2,3' 10

;

1,3-10*

5,5-10»

раз

соответственно, оттесняя

на

второй план

при

больших значениях

катализ посредством

других

кислот.

р/Са

= 5.

Аналогичным образом основание

рКа

= 7 при рН

—

более эффективный катализатор,

чем

основание

р/С

= 9

(при

p=sC0,85), поскольку

по

своей природе более реакционно-

способное основание

при

значениях

рН

ниже

его р/(

находится

главным образом

протонированной форме.

При

рН

наиболее

эффективными

кислотно-основными катализаторами являются

те соединения,

р/С

которых близко

к 7.

Этим объясняется

ши-

рокая

распространенность

ферментативном катализе гисти-

дина, имидазольное кольцо которого имеет

р/(

6—7.

ХИМИЧЕСКИЙ

КАТАЛИЗ 57

3. Внутримолекулярный катализ:

«эффективная

концентрация» групп

на

молекуле фермента

Как

мы видели, кислотно-основный катализ является

эффек-

тивным средством ускорения химических реакций. Можно ли из

этих данных определить, какова роль данного механизма в

ферментативном катализе? Непосредственное перенесение ре-

зультатов предыдущего раздела на ферменты встречает

прин-

ципиальные

затруднения. Дело в том, что каталитические реак-

ции

в растворе — это реакции второго порядка

{скорость

реак-

ции

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

расчетах?

Экспериментальный

подход

к этой проблеме состоит в синтезе

соединений

с каталитической группой, являющейся частью мо-

лекулы субстрата, и в последующем сравнении скоростей реак-

ций

с участием этих соединений со скоростями соответствующих

внутримолекулярных реакций.

Типичным

примером

внутримолекулярно

катализируемой

ре-

акции

является гидролиз аспирина [12]. Гидролиз эфирной свя-

зи

ускоряется с помощью внутримолекулярного общего основ-

ного катализа. Сравнение со скоростью некатализируемого гид-

ролиза аналогичных соединений показывает, что в

результате

катализа скорость реакции возрастает примерно в 100 раз [13].

Если

принять, что р/Са основания равно 7, а не 3,7, как у аспи-

рина,

то экстраполяция

дает

более высокое значение ускоре-

ния

— в

5000

раз.

,со

(2.15)

Внутримолекулярный общий основный катализ гидролиза

также можно охарактеризовать количественно Сравнение кон-

станты скорости такого гидролиза с константой скорости

ГЛАВА

внутримолекулярной реакции показывает,

что для

получения

такого

же

значения константы скорости первого порядка,

как

случае

внутримолекулярной реакции, необходимо взять 13

раствор основания

[12].

Следовательно, «эффективная концен-

трация» карбоксилат-иона

аспирине составляет 13 М.

Это

типичная

величина

для

внутримолекулярного кислотно-основ-

ного катализа.

Эффективные

концентрации нуклеофилов

для

внутримолеку-

лярных реакций часто значительно превышают

это

значение.

В приведенных ниже примерах рассматриваются «ненапряжен-

ные» системы; химик может синтезировать «напряженные»

со-

единения.

Снятие напряжения

ходе

реакции существенно

увеличивает

ее

скорость.

случае

рассматриваемых здесь

про-

изводных янтарной кислоты

аспирина атакующий нуклеофил

может уйти

сторону

от

эфирной связи

снять напряжение.

Наблюдаемые увеличения скорости полностью обусловлены

вы-

сокой

эффективной концентрацией соседней группы.

а)

Скорости

переноса ацильной

группы

в производных

янтарной

кислоты

[14]

сн

—с

,о

СН

С—О-ССН

0,8

(2.16)

(2.17)

Эффективная

концентрация

ХИМИЧЕСКИЙ

КАТАЛИЗ

б)

Скорости

переноса ацильной группы

в производных

аспирина

[15]

СО

со;

СН

,о

О—С—СНз

к, >

0,02с"

COJ

СН

С—О—ССНз

Эффективная

концентрация

о-

~10-

М-

С-

(2.19)

в) Константы

равновесия для реакций переноса

ацильной группы в производных

янтарной кислоты

[16,

17]

*О

СН

СО

СН

СО

О К

=8-10-

(2.20)

СН

2СН

СО

^=±

СН

С—О—ССН

еч

3-10~

м (2.21)

Зффектюная

концентрация

—СО

= 3

•

м.

ГЛАВА

Эти примеры показывают, что огромное увеличение скоростей

реакций

обусловлено внутримолекулярным нуклеофильным ка-

тализом.

4. Энтропия: теоретические основы

внутримолекулярного катализа

эффективная концентрация [18, 19]

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 exp(AS*/R) уравнения

(2.7).

а.

Физический

смысл

энтропии

Смысл понятия «энтропия» (быть может, не совсем точно, но

вполне удовлетворительно для данного контекста) можно сфор-

мулировать так: энтропия — это мера неупорядоченности систе-

мы.

Чем неупорядоченнее система, тем больше вероятность ее

существования и тем выше энтропия. Аналогичным образом

энтропия

связана с пространственной свободой атомов и моле-

кул.

Преимущество внутримолекулярной реакции по сравнению с

аналогичным межмолекулярным процессом с точки зрения ка-

тализа обусловлено энтропийным фактором. В межмолекуляр-

ной

реакции

участвуют

две или большее число молекул, а в

результате

образуется одна. Это

ведет

к возрастанию «порядка»

и,

следовательно, к уменьшению энтропии. Из уменьшения энт-

ропии

можно рассчитать «эффективную концентрацию».

б.

Значения

энтропии

Энтропия

молекулы — это сумма энтропии поступательного,

вращательного и внутримолекулярного движений. Энтропию

поступательного и вращательного движения можно точно рас-

считать для молекулы вещества, находящегося в газообразном

состоянии,

из ее массы и геометрии. Энтропию колебательного

движения рассчитывают из частот колебаний, а энтропию внут-

римолекулярного вращения — из энергетических вращательных

барьеров.

Энтропия

поступательного движения небольших молекул в

М растворе составляет примерно 120 Дж(град-моль)-