Элементы химической логики
Как упоминалось в главах, посвященных структуре белков, молекула белка представляет собой почти идеальное сочетание прочности структуры с ее подвижностью. Это сочетание поддерживается принципом организации пространственной структуры, в основе которой лежит действие слабых сил, таких как силы гидрофобного взаимодействия, силы ван дер Ваальса, водородные связи и ионное взаимодействие. Природа получила хороший пластический материал для формирования молекул с широким спектром действия. Возможность свя зываться и узнавать бесчисленное число других молекул (лигандов) обусловлено принципом геометрической комплементарности, при котором геометрическая форма молекулы лиганда и форма активных участков на поверхности молекул белков дополняют друг друга. Специфичность взаимодействия с лигандами усиливается электронной комплементарностью, при которой распределение зарядов на взаимодействующих молекулах также дополняют друг друга. Те же типы связей, которые стабилизируют пространственную структуру белка природа использовала и для образования комплекса белок- лиганд. Это уже показано ранее в разделе посвященном принципам формирования четвертичной структуры, где сочетание геометрической и электрической составляющих комплементарности обеспечивают само сборку отдельных субъединиц белка с четвертичной структурной организацией. Поистине бесконечны варианты форм активных участков антител, избирательно взаимодействующих и с созданными природой и создаваемыми человеком молекулами – антигенами. Этот же принцип узнавания был использован и при создании биологических катализаторов химических реакций. Принцип комплементарного взаимодействия белка и участвующей в реакции молекулы был дополнен возможностью использования групп радикалов аминокислот активных связывающих лиганды участков в качестве катализаторов химических реакций. Высокую специфичность взаимодействия природа дополнила высокой эффективностью катализа. Настоящая глава посвящается знакомству со структурой и механизмом действия ферментов. Вступая в мир ферментов, мы попадаем в мир химических реакций поэтому начинаем с некоторых общих принципов химической логики, основы которой излагаются в курсе биоорганической химии.
В основе химических реакций лежит образование и разрыв химических связей
Все химические реакции сопровождаются, как правило, разрывом или образованием ковалентных связей. По характеру разрыва ковалентных связей различают три типа реакций
1. Гетеролитический разрыв связи: ковалентная связь разрывается таким образом, что электронная пара остается с одним из атомов, образующим связь. Атом при этом приобретает отрицательный заряд, а у второго атома возникает положительный заряд. Такие реакции называют также ионными. Гетеролитически разрываются полярные или легкополяризующиеся ковалентные связи. Реакция катализируется кислотами или основаниями;
Гомолитический разрыв связи: при разрыве ковалентной связи электронная пара разделяется между атомами с образованием свободных радикалов. Свободные радикалы - это атомы или группы атомов с неспаренным валентным электроном.
Согласованные реакцииотличаются от 1 и 2 тем, что разрыв старых связей и образование новых происходит одновременно без образования радикалов или ионов
2. Нуклеофильные реагенты:богатые электронами соединения: а) отрицательно заряженные ионы, б) нейтральные молекулы, имеющие свободную неподеленную пару электронов, в) реагенты, способные давать карбанионы в ходе реакций. Нуклеофилы реагируют с органическими субстратами по их положительному реакционному центру. Легко образуют ковалентные связи. Биологически важными нуклеофилами являются аминогруппы, гидроксильные группы, имидазольные группы и сульфгидрильные группы аминокислот. Нуклеофильные формы этих групп одновременно являются основаниями. Связываясь с Н+,- они основания, реагируя с другими электрондефицитными центрами – они нуклеофилы.
Электрофильные реагенты : Электрондефицитные соединения: а) положительно заряженные ионы; б) нейтральные молекулы с частично положительным зарядом на одном из атомов. Электрофилы реагируют с органическими субстратами по их отрицательному реакционному центру. Легко образуют ковалентные связи. Наиболее известными электрофилами в биохимических реакциях являются Н+, ионы металлов, углерод карбонильной группы.
Группы радикалов аминокислот – плохие электрофилы.
По числу молекулреакции можно разделить на мономолекулярные и бимолекулярные. В биологических системах реакции с большим числом участвующих молекул практически не встречаются.
По направлению реакций с учетом конечного результата можно выделить следующие типы реакций
1. Окислительно-восстановительные реакции включают потерю или присоединение электронов, в результате чего меняется степень окисления атомов, которые являются реакционными центрами. Многие окислительно- восстановительные реакции в клетке включают разрыв С-Н связи с отнятием у атома углерода двух электронов и переносе их на акцептор, роль которого могут выполнять коферменты. Конечный акцептор электронов у аэробных организмов кислород, представляющий бирадикал с двумя неспаренными электронами, Молекула кислорода поэтому может принимать только неспаренные электроны. Отнимаемые у субстрата пары электронов должны быть перенесены на кислород при помощи специальной электронпереносящей системы, включающей ряд переносчиков.
2. Реакции кислотно-основного взаимодействия. Взаимодействие между кислотами и основаниями с образованием солей
3. Реакции замещения. В ходе реакции происходит замена атомов или групп атомов на другие атомы или группы. Особое место среди реакций этой группы среди биохимических реакций занимают реакции переноса групп. Они включают перенос электрофильной группы от одного нуклеофила на другой. Такие реакции можно назвать реакциями нуклеофильного замещения. Наиболее часто переносимыми группами в биохимических реакциях являются ацильная, фосфатная и гликозильные группы. Примером такой реакции может быть гидролиз пептидной связи при помощи химотрипсина.
4. Реакции отщепления. Протекают одновременно по двум соседним атомам с отщеплением групп и образованием двойной связи. Отщепляемыми группами могут быть небольшие молекулы типа Н2О, NН3. Распад связи может проходить по одному из трех механизмов: а)согласованный механизм, б)постепенно с разрывом С-О связи и образованием карбокатиона, в) постепенно, с разрывом С-Н связи и образованием карбаниона. Ферменты катализируют отщепление воды двумя механизмами или протонированием ОН группы кислотой (кислотный катализ) или отщепление протона (основной катализ). Постепенное отщепление требует стабилизации образующихся заряженных групп противоположными по заряду группами (электростатический катализ). Одна из самых интересных реакций дихотомического процесса, катализируемая енолазой относится к этому типу реакций.
5. Реакции перегруппировки
изменяют форму углеродного скелета молекул. Среди метаболических реакций такой тип реакций встречается довольно часто. Например, реакции изомеризации. В результате реакции происходит перераспределение электронной плотности и характера связей.
Могут включать внутримолекулярный сдвиг водородного атома, таким образом, чтобы изменить расположение двойной связи. В таких реакциях протон отнимается у одного углеродного атома и переносится к другому. Наиболее распространенная реакция изомеризации - взаимное превращение альдоз в кетозы
Рацемизация - реакция изомеризации, в которой водородный атом изменяет свое стереохимическое положение в молекуле в хиральном центре. Эпимеризация то же самое, но молекула имеет несколько хиральных центров
6. Реакции, которые образуют или разрывают С-С связи. Это реакции, лежащие в основе и катаболизма и анаболизма. При превращении глюкозы в СО2 протекает 5 реакций разрыва С-С связей. Синтез глюкозы требует столько же реакций образования этих связей. Наиболее часто в этих реакциях принимает участие электрофильный карбонильный углеродный атом. Примерами могут быть реакции альдольной конденсации, катализируемые альдолазой, декарбоксилирование -кето кислот (изоцитратдегидрогеназная реакция) и др.