4.4.1.Реакция превращение l-аланина в d-аланин

Рассмотрим более подробно физические причины снижения потенциальных барьеров при многостадийном процессе химического превращения. В качестве первого примера выберем простейшую реакцию превращения левого изомера аминокислоты аланина в правый (рис. 4–8).

Рис. 4–8. а – схема превращения L–аланина в D–аланин; б – изменение энергии системы в процессе превращения.

Прямая некаталитическая реакция

Структура левого изомера изображена на рис. 4-8а слева. Атом углерода находится в центре тетраэдра и соединен четырьмя гибридными sp³ -орбиталями с группами атомов CH₃, COOH, NH₂ и Н. Связь с атомом Н направлена за плоскость рисунка. У правого изомера (рис. 4–8а, справа) водородная связь направлена зеркально симметрично (в сторону читателя). Энергии обоих изомеров одинаковы.

Переход между двумя состояниями осуществляется путем разрыва связей у левого изомера, отрыва водорода Н⁺. При этом образуется промежуточный продукт реакции – отрицательный "плоский" ион аминокислоты (карбанион К^–).

Величина потенциального барьера E (рис. 4–8б) равна энергии ионизации атома водорода (разрыва связи), то есть энергии К^– и составляет около 100 ккал/моль или (4 ÷ 5) эВ. Скорость такой прямой реакции, оцененная по формуле (4.9) ничтожно мала: 1 акт за 10⁵⁰ лет (при возрасте Вселенной ~10¹⁰ лет).

Рис. 4–9. Реакция превращения L–изомера аминокислоты в D–изомер: 1 – модельная реакция в вакууме без участия катализаторов, 2 – в водной среде, 3 – с участием катализатора ПЛФ, 4 – ферментативная реакция в клетке

Если проводить эту реакцию в воде, то между атомом водорода Н и атомом кислорода молекулы воды Н₂О образуется водородная связь, которая несколько (очень немного) ослабит энергию связи С–Н, то есть уменьшит величину потенциального барьера. Кроме того, образовавшийся карбоанион К^– связывается водородной связью с молекулой воды. Связанному состоянию К^–Н₂О будет соответствовать небольшой минимум в области максимума исходной кривой (рис. 4–9, кривая 2).

Реакция с участием кофермента

В клетках эта реакция идет с участием фермента рацемазы (фермента класса изомераз, катализирующих обратимое превращение стереоизомеров), связанного с коферментом – витамином В₆ (пиридоксальфосфатом, ПЛФ).

Посмотрим, как будет проходить реакция в пробирке с участием одного кофермента В₆, без рацемазы. Реакция является чисто каталитической, так как ПЛФ после реакции остается в неизменном виде, а L-изомер превращается в D и наоборот: реакция обратима (рис. 4–9). Скорость этой реакции уже достаточно высока: ~10 ^–4 актов/с. Такой скорости (на основании (4.9)) соответствует высота барьера Е_а~10 ккал/моль. Катализатор (кофермент) понизил барьер приблизительно в ~10 раз. При этом в процессе реакции появились промежуточные соединения – альдимины (А_L, A_D, см. ниже рис. 4–10) и комплекс карбаниона К^– ПЛФ (ему соответствует центральный минимум на кривой 3), в котором К^– и ПЛФ связаны ковалентными связями. Вид потенциального барьера, разделяющего исходное вещество L и продукт реакции D, иллюстрируется кривой 3 на рис. 4–9.

Таким образом, сильные ковалентные взаимодействия в процессе реакции привели к понижению потенциального барьера в ~10 раз. Величина потенциального барьера стала сравнима с энергией нековалентных взаимодействий.