Биокатализ / Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики [4ед., Высш. шк., 1984]

Например, окисление тиосульфат иона перекисью водорода, которое катализируется ионами Г, протекает по схеме

Н

10 -|-

(вторая и третья стадии, по-видимому, не являются элементарными).

Эта схема представляет собой циклический маршрут с итоговым уравнением

в двух первых стадиях которого катализатор Г расходуется, а в по

RCOCl + NH2R'-vRCONHR'

которая может быть существенно ускорена добавлением диметиламинопиридина. Это ускорение связано с возникновением циклического маршрута, приводящего к превращению субстратов в продукт реакции — амид — и к регенерации диметиламинопиридина

Общим в приведенных примерах является то, что в первой части маршрута один из субстратов (Sj) реагируете катализатором Е с образованием продукта превращения катализатора Е', а во второй части маршрута продукт превращения катализатора взаимодей-

Такой механизм катализа часто встречается в окислительновосстановительных реакциях, и роль катализатора в этом случаг сводится к созданию нового, более эффективного пути переноеа электрона от восстановителя к окислителю.

Наиболее отчетливо это видно на примере катализа реакций переноса электронов между ионами. Например, реакция

2 С е 4 + + T I + - ^ 2Сез++Т1=+

идет очень медленно, так как требует одновременного участия трех

.ионов. Добавление ионов Мп2+ резко ускоряет процесс в результате

возникновения нового маршрута, состоящего только из бимолекулярных стадий:

п°-+ ->-Се2 + + Мп3 +

• Се3 + + Мп4 +

Реакция (VI.16) представляет собой нуклеофильное замещение при карбонильном атоме С. В данном случае более сильный, чем ароматический амин, нуклеофил — диметиламинопиридин — обеспечивает быстрое превращение хлорангидрида в ацилдиметиламнно- пиридиний-катион, который благодаря наличию положительного заряда обладает высокой электрофильностью и легко атакуется амином. Такой тип катализа известен как нуклеофильный катализ.

Второй, наиболее распространенный механизм действия катализаторов включает в качестве первой стадии обратимое взаимодействие одного или нескольких субстратов с катализатором с образованием комплекса катализатор — субстрат. Так протекает катализ химических превращений ионами металлов и их координационными соединениями и катализ ферментами. К этому же типу можно отнести катализ кислотами, поскольку он включает, как правило, присоединение протона к одному из субстратов, что можно рассматривать как образование комплекса протон—субстрат.

Комплексообразование может приводить к нескольким различным эффектам, обеспечивающим ускорение реакции.

1. В комплексе с катализатором может происходить существенное перераспределение электронной плотности в молекуле субстрата, приводящее к изменению его реакционной способности. Например, присоединение к субстрату протона или образование субстратом координационной связи с ионом металла повышает электрофильность субстрата, делая возможным взаимодействие его с относительно слабыми нуклеофильными реагентами. Так, ноны Си2+ являются эффективными катализаторами гидролиза эфиров аминокислот. Это прежде всего связано с тем, что последние образуют хелатный комплекс с ионом Си2+, в котором положительный заряд иона Си2+ поляризует связь С=О и облегчает нуклеофильную атаку молекулы воды на электрофильный атом углерода:

страта, катализатор обеспечивает их пространственное сближение, благоприятное для протекания реакции. Например, ионы меди катализируют реакцию между нитрилом изоникотиновой кислоты и трис(оксиметил)-аминометаном (трисом), описываемую стехио-

322

метрическим уравнением

сн2он

+ носн2—• -NH2 — *

Основными факторами при этом являются поляризация связи C = N в нитриле, облегчающая нуклеофильную атаку на атом Q (в результате этого ионы Си+ являются катализаторами щелочного гидролиза нитрила), и одновременная координация обоих субстратов, обеспечивающая в лимитирующей стадии процесса атаку ОНгруппы триса на поляризованный атом С нитрила (замыкание цикла с отщеплением аммиака происходит, по-видимому, в последующих стадиях, возможно, уже вне комплекса):

сн3 он

'\;н2рн

"\\

Н2о

(стрелкой показано направление атаки атома О триса на атом С нитрила).

3. Помимо чисто пространственного эффекта сближения реагирующих групп, образование комплекса с катализатором может облегчить синхронное протекание разрыва и образования нескольких новых связей, необходимое для превращения молекул субстратов в молекулы продуктов. Например, это имеет место, когда для протекания реакции необходимо синхронное каталитическое участие и кислотной и основной групп. Так, превращение циклической формы 2,3,4,6-тетраметилглюкозы в открытую форму включает яротонирование атома кислорода ь цикле, расщепление связи С—О, синхронную передачу протона какому-либо основанию и образование двойной связи С=О.Обращение процесса может привести кизменению конфигурации при атоме Q циклической формы (реакция мутаротации):

Реакция катализируется эквимолярнои смесью фенола (кислота

Гораздо более эффективным катализатором реакции мутаротации является а-оксипирадин, несмотря на то, что ОН-гр*уппа в этом соединении, выполняющая роль донора Н+, менее кислая, чем ОН-группа фенола, а атом азота в а-оксипиридине, выполняющий роль акцептора протона, менее основен, чем в пиридине. Это случай бифункционального катализа. Протонирование атома кисло-

разованием двойной связи протекают синхронно в восьмицентровом циклическом активированном комплексе:

осп.

Наиболее полно и совершенно все перечисленные факторы, обеспечивающие воздействие катализатора на субстраты, используются в биологических катализаторах — ферментах. В настоящее время в результате успешного развития рентгеноструктурного анализа белков установлена полная пространственная структура ряда ферментов и их комплексов с субстратами. В качестве примера на рис. 87 приведена схема взаимодействия фермента карбоксипептидазы с субстратом.

Карбэксипептидаза катализирует отщепление С-концевой аминокислоты от пептидной цепи, причем наиболее эффективно отщепляются кислоты, содержащие гидрофобные ароматические остатки!

NH—CHR—С—NH—СН—cf° + Н,0 —*-

— N H — C H R — С — ОН + H2 N— CH—С

324

На рис. 87 изображен концевой фрагмент расщепляемой полипептидной цепи и функциональные группы фермента, принимающие то или иное участие в каталитическом процессе. Два имидазольных кольца (остатки аминокислоты гистидина) и карбоксильная группе остатка глутаминовой кислоты координированы с ионом цинка, заряд которого тем самым наполовину нейтрализован.Протонированная гуанидиновая группа (остаток аминокислоты аргинина) взаимодействует с ионизованной концевой карбоксильной группой субстрата. Этот же концевой аминокислотный остаток

Рис. 87. Схема активного центра фермента карбоксипептидазы (по данным Липскомба, Рика, Хартсака, Кешо и Бетджа):

Показаны фрагменты пептидной цепи с функциональными боковыми группами. Цифры обозначают порядковые номера остатков аминокислот, которым принадлежат эти функциональные группы. Молекула субстрата изображена с утолщенными связями. В шестичленном активированном комплексе штрихами показаны образующиеся связи, а сплошными линиями — разрывающиеся связи

связан своим ароматическим кольцом с тремя гидрофобными радикалами фермента (остатки аминокислот изолейцина, тирозина и глутамина).

В результате этих взаимодействий, которые закрепляют в двух точках С-концевой остаток субстрата, пептидная связь в случае, если С-концевая аминокислота представляет собой L-изомер, оказывается направленной на каталитический центр фермента, представленный ионом цинка и оксигруппой тирозина. Поляризация связи С=О ионом цинка облегчает нуклеофильную атаку молекулы воды на электрофильный атом С. Участие оксигруппы тирозина обеспечивает синхронное протекание разрыва трех связей и образования трех новых связей в циклическом шести центровом активированном комплексе.

325

На этом примере видны некоторые важнейшие черты, свойственные большому числу ферментов. Во-первых, катализатор имеет как бы два центра — связывающий (контактный) и собственно каталитический. Один из них, представленный в рассмотренном случае протонированной гуанидиновой группой и тремя гидрофобными радикалами, обеспечивает образование комплекса фермент — субстрат (связывание субстрата ферментом), в результате чего расщепляемая связь направляется на каталитический центр. Собственно каталитический центр представлен в рассмотренном случае ионом цинка и оксигруппой тирозина.

Во-вторых, на этом примере видны структурные основы высокой специфичности ферментов, в частности стереоспецифичности. Так, если бы С-концевая аминокислота была D-изомером, то в рассматриваемом случае в сторону каталитического центра оказался бы направленным атом Н, а не группа — NH—СО—, и каталитический процесс не смог бы произойти.

Из изложенного ясно также, почему фермент катализирует разрыв пептидной связи именно С-концевой аминокислоты и имеет преимущественное сродство к остаткам ароматических аминокислот. Действительно, именно взаимодействие заряда концевой карбоксильной группы и наличие гидрофобного ароматического остатка обеспечивает взаимодействие субстрата с контактным центром фермента, которое обеспечивает нужную ориентацию гидролизуемой связи относительно каталитического центра.

Кинетические уравнения каталитических процессов

Каталитический процесс, протекающий по схеме (VI. 17), может быть описан с помощью двух кинетических уравнений, например

и чегырех соотношений материального баланса, которые в замкнутой системе имеют вид

Система кинетических уравнений (VI.18) может быть приведена к одному кинетическому уравнению, если можно считать квазистационарной концентрацию промежуточной формы катализатора Е'. В' этом случае kx [SJ [Е] = ^ [Ss] [E'] и, с учетом (VI. 19).

1Е'] = - гп е°

Поскольку процесс в квазистационарном приближении представлен одним маршрутом, то скорость накопления Ря может быть

326

обозначена как скорость процесса в пелом и первое уравнение системы (VI. 18) можно записать в виде

«о

или, с учетом (VI.20), в виде

Если ^! [St] <J &а [Sa], т. е. или промежуточная форма катализатора Е' много более реакционноспособна, чем исходная, или концентрация второго субстрата намного превышает концентрацию первого, (VI.21) преобразуется к виду

т. е. первая стадия становится лимитирующей. Например, кинетическое уравнение реакции окисления V3+ ионами Fe3+, катализируемой ионами Cu2*, в результате последовательности стадий

Си++ Fe'+ -»- Fe>++Си»+

имеет вид

поскольку взаимодействие ионов V8+ с ионами Cu** является лимитирующей стадией всего процесса.

Если катализатор образует комплекс с субстратом (в общем случае с несколькими субстратами), простейшая схема каталитического процесса может быть записана в виде (V.30)

Этот тип катализа наиболее характерен для катализа ионами металлов и их комплексами, а также для ряда реакций, катализируемых ферментами.

Кинетика реакции, протекающей по схеме (VI.22) и включающей стадию образования комплекса катализатор—субстрат, описывается двумя кинетическими уравнениями:

Обычно процесс рассматривается в квазиравновесном или квазнстационарном приближении.

В квазиравновесном приближении предполагается, что равновесие образование—диссоциация комплекса катализатор—субстрат

327

не нарушается образованием продукта реакции. Это эквивалентно^ допущению, что константа скорости диссоциации комплекса много больше константы скорости его превращения в продукт: k^ J> k2. Пусть Ki = k Jkx — константа диссоциации комплекса. Тогда |E][S]4ES] ='КХ и, с учетом (VI.25),

[ES] = -

Как правило, при катализе ионами металлов и ферментами концентрация катализатора мала по сравнению с концентрацией субстратов и концентрация свободного (не связанного в комплекс) субстрата [S] практически не отличается от полной концентрации субстрата s. Тогда

Единственным отличием (VI.30) от (VI.27) является замена константы диссоциации комплекса катализатор—субстрат Кх на более сложную константу

которая впервые была введена для реакций, катализируемых фер-

лизируемых ферментами. Однако оно в равной мере применимо для любого случая катализа, происходящего по механизму образования комплекса катализатор—субстрат.

328

водящей к образованию эпоксида циклогексена:

В этой реакции образование координационной связи гидроперекиси с ванадием поляризует связь О—О гидроперекиси и облегчает гетеролитическое расщепление этой связи слабым нуклеофилом циклогексеном (лимитирующая стадия реакции). Далее следуют быстрые стадии передачи протона от протонированной молекулы

ках ароматических аминокислот, поэтому они могут взаимодействовать со связывающим (контактным) участком фермента карбокснпептидазы (см. с. 325). Они не подвергаются каталитическому превращению, так как не содержат пептидных связей, но конкурируют с пептидами за контактный участок фермента^ и тормозят

ззо