Донецкий национальный университет
Химический факультет
Реферат по молекулярным основам действия ферментов
на тему
«Внутримолекулярный катализ»
Выполнила студентка 4 курса, группы «Г» Бовт Елизавета
Руководитель Моренко Владислав Владиславович |
Донецк-2015
СОДЕРЖАНИЕ
Значение катализа в промышленности 3
Внутримолекулярный катализ 4
Внутримолекулярный катализ – модель ферментативного катализа 5
Проблемы кинетической неразличимости механизмов внутримолекулярного катализа 9
Концепции эффективности внутримолекулярных реакций 11
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 12
Значение катализа в промышленности
Явление катализа известно почти со времени становления химии как науки. Применение катализа в промышленности охватывает широкую область от теоретического предсказания каталитической активности до искусства приготовления катализаторов. Для обеспечения этого необходимы и исследования на переднем крае каталитической науки, и разработка подробных рекомендаций по созданию промышленного катализатора, перерабатывающего определенный вид сырья в реакторе данной конструкции. Кроме выбора катализатора нужно указать способ его регенерации, методы испытания его активности и контроля качества [1].
В настоящее время катализ играет центральную роль в прикладных исследованиях, создании технологических процессов, проектировании и работе промышленных предприятий. Успехи химической промышленности базируются главным образом на каталитической технологии. На применении катализа основывается около 70 % всех химических производств. Из новых химических процессов 90 % являются каталитическими. Создание новых катализаторов и их применение определили пути совершенствования химической технологии [2].
Область применения катализа в органической химии в настоящее время чрезвычайно широка, и изучение каталитических процессов необходимо как для успешного развития химической промышленности, так и для лабораторной практики и для развития теории катализа.
Внутримолекулярный катализ
Внутримолекулярные реакции обычно протекают значительно легче, чем соответствующие межмолекулярные процессы. Влияние соседних групп на реакционную способность впервые было обнаружено в реакциях нуклеофильного замещения. Теперь же хорошо известно, что во внутримолекулярных реакциях можно встретить практически все виды катализа: от общего кислотно-основного до нуклеофильного и электрофильного. Установление механизма внутримолекулярного катализа обычно сводится к дифференциации между общим основным и нуклеофильным катализом, общим основным и комбинацией катализа общей кислотой и гидроксид-ионом, общим кислотным и комбинацией катализа, общим основанием и ионом гидроксония. Иными словами, те неопределенности, с которыми может встретиться исследователь при изучении межмолекулярных систем, сохраняются и в случае внутримолекулярных. В таких случаях выбор механизма катализа проводится по той же схеме, что и для межмолекулярных каталитических реакций.
В последние годы в установлении механизмов внутримолекулярных каталитических реакций были достигнуты значительные успехи. Исследования в этой области стимулировались известной гипотезой, согласно которой внутримолекулярные реакции моделируют реализующийся в ферментативных системах внутрикомплексный катализ. В этом смысле вклад внутримолекулярного катализа в развитие наших представлений о тонких механизмах действия ферментов трудно переоценить.
Внутримолекулярный катализ – модель ферментативного катализа
Внутримолекулярный катализатор всегда характеризуется высокой эффективной локальной концентрацией, и если он вдобавок соответствующим образом ориентирован в пространстве, то катализируемая реакция должна протекать достаточно быстро. Следовательно, если отношение эффективной концентрации внутримолекулярного общего катализатора к концентрации внешнего иона гидроксония или гидроксид-иона достаточно велико, то внутримолекулярный катализатор будет эффективно конкурировать с внешним катализатором [3].
Интерес к внутримолекулярному катализу вызван и до сих пор стимулируется гипотезой о том, что он является наиболее удачной моделью ферментативного катализа. Действительно, первая стадия ферментативного катализа представляет собой равновесный процесс связывания субстрата с белковой частью фермента за счет боковых «химически инертных» групп молекулы. Последующие химические превращения в фермент-субстратном комплексе (одна или несколько стадий) осуществляются фактически во внутримолекулярном режиме при каталитическом участии функциональных групп в активном центре фермента.
Современному представлению о модели ферментативной реакции отвечает сложная, но синтетически доступная система, которая благодаря своей структурной организации достаточно полно позволяет исследовать факторы, усиливающие реакционную способность функциональных групп. Среди них в ферментативном катализе основное место отводится эффектам сближения, ориентации, напряжения, полифункциональным взаимодействиям, приводящим к системе «эстафетной передачи заряда» и др. Перечисленные факторы определяют эффективность внутримолекулярного катализа.
Наиболее обширный экспериментальный материал накоплен по внутримолекулярному катализу процессов нуклеофильного замещения в ряду различных производных карбоновых кислот. И это не случайно, так как важнейшие реакции, протекающие в живой клетке (синтез и расщепление пептидной связи в белках, эфирной связи в жирах и т. д.), относятся именно к данному типу превращений. Поэтому некоторые приемы моделирования ферментативного катализа с использованием внутримолекулярного будут продемонстрированы далее на примере определенных реакций.
Такой подход был применен для установления механизма каталитического действия химотрипсина – представителя сериновых протеаз. В биохимических процессах химотрипсин расщепляет амидные связи в белках, полипептидах и эфирные связи в производных аминокислот и пептидов. В настоящее время принято, что катализ химотрипсином протекает в три стадии, включающие быстрое образование фермент-субстратного комплекса и две медленные стадии ацилирования (рис.1) и деацилирования (рис.2).
В стадии ацилирования в активном центре фермент-субстратного комплекса 3.I осуществляется атака атома кислорода серина (Ser-195) карбонильного центра пептидного фрагмента субстрата с одновременным переносом протона по цепи Ser-195 – имидазольный атом азота гистидина (His-57) – карбоксилат-анион аспарагиновой кислоты (Asp-102). Это приводит к тетраэдрическому интермедиату 3.II, выброс аминного продукта из которого дает ацилфермент 3.III.
Во второй стадии деацилирования молекула воды занимает место амина (3.IV) и повторяется процесс, аналогичный первой стадии
Рис.1 Ацилирование в активном центре химотрипсина
Протон от молекулы воды по цепи H2O – His-57 – Asp-102 поступает в систему переноса заряда при одновременном присоединении гидроксид-иона к ацилферменту, что, как и в первой стадии, приводит к тетраэдрическому интермедиату 3.V. Выталкивание из интермедиата 3.V аниона Ser-195 с одновременной передачей к нему протона по системе Asp-102 – His-57 – Ser-195 приводит к гидролизованному субстрату (ацильному продукту) и полной регенерации фермента (ср. 3.I и 3.VI).
Доказательство схемы достигнуто благодаря рентгеноструктурным исследованиям строения активного центра химотрипсина и его каталитической активности при расщеплении простых субстратов, с одной стороны, и изучению эффективности внутримолекулярного катализа в системах, в которых участвуют те же функциональные группы, что и в активном центре фермента – с другой.
Рис.2 Деацилирование в активном центре химотрипсина
Грубой моделью стадии ацилирования можно считать внутримолекулярную нуклеофильную атаку амидной группы неионизированной гидроксильной группой в гидроксизамещенных амидах карбоновых кислот (рис.3).
Рис.3 Внутримолекулярный механизм реакции
Реакция осуществляется только во внутримолекулярном режиме, межмолекулярные процессы неизвестны. Она чувствительна к общему кислотно-основному катализу, который проявляется на стадиях переноса протона во взаимопревращающихся друг в друга тетраэдрических интермедиатах. Эту функцию выполняют любые общие основания (или сопряженные им кислоты); в указанной модели она реализуется либо межмолекулярно, либо внутримолекулярно.
Наиболее трудным в изучении внутримолекулярного катализа является доказательство механизма. Как правило, последний нельзя строго идентифицировать без тщательных и трудоемких исследований. Идентификация и теоретическая интерпретация эффективности катализа осложняются тем, что многие реакции протекают в несколько стадий, в ходе которых образуются неустойчивые интермедиаты, необнаруживаемые с помощью прямых наблюдений. При этом одна и та же функциональная группа может в зависимости от стадии, в которой она участвует, выполнять различные функции, т.е. быть кислотным, основным или нуклеофильным катализатором [4].