4. Согласованный кислотно-основный катализ

В органической химии известно достаточно большое количество реакций, катали-зируемых кислотами и основаниями, но только ферменты могут в результате струк-турной перестройки молекулы последовательно менять окружение у промежуточного соединения, создавая в нанопространстве активного центра полярную и аполярную среду, кислую или щелочную среду. В качестве примера можно привести катализи-руемую лиазой реакцию гидратации фумаровой кислоты

Фермент фумараза присоединяет молекулу воды по двойной связи фумаровой кислоты с образованием L-яблочной кислоты. Это превращение протекает при температуре не превышающей 40С быстро и избирательно благодаря тому, что в активном центре фермента на разные атомы углерода, соединенные двойной связью, одновременно действуют кислота и основание. Понятно, что создать аналогичные условия в растворе не удастся. Для гидратации двойных связей синтетическим путем приходится нагре-вать вещество с серной кислотой.

Ингибирование ферментов представляется важным как с токсикологической, так и с фармакологической точки зрения. Особое место занимают процессы необратимого ингибирования ферментов. Чаще всего это связано с нарушением нативной структуры апофермента. В частности, такими ингибиторами являются ионы тяжелых металлов, образующих прочные связи с сульфгидрильными группами, алкилаторы, например иодуксусная кислота, которая реагирует по имидазольным фрагментам белка (из гисти-дина) и по другим нуклеофильным центрам. Необратимыми ингибиторами металло-протеиновых ферментов (каталаза, супероксиддисмутаза) являются сильные восста-новители (арсин, фосфин), которые переводят ионы участвующих в катализе тяжелых металлов (марганец, кобальт, железо) в металлическое состояние и некоторые кислоты (сероводород, синильная кислота), образующие прочные соли с этими металлами. Однако, возможны необратимые блокировки ферментов и в результате превращения простетических групп и коферментов. Так, например, некоторые гидразиды кислот переводят в гидразоны формильные группы пиридоксальфосфатзависимых декарбок-силаз и нарушают, в частности, биосинтез аминных нейромедиаторов.

С фармакологической точки зрения наиболее интересны обратимые ингибиторы фер-ментов. Причем здесь можно выделить три вида ингибирования – конкурентное, не-конкурентное и бесконкурентное. В случае конкурентного ингибирования речь может идти о взаимодействии с активным центром фермента вещества, строение которого подобно строению естественного субстрата (метаболита), поэтому такие вещества час-то называют антиметаболитами. В качестве примера можно привести реакцию дегид-рирования янтарной кислоты сукцинатдегидрогеназой, протекающую по схеме:

Эта реакция блокируется многими соединениями, сходными по строению с янтарной кислотой, но неспособными к реакции дегидрирования. Антиметаболитами янтарной кислоты являются малоновая кислота, щавелевая кислота, глутаровая кислота, фенил-пропионовая кислота. В частности, сродство малоновой кислоты к активному центру фермента даже выше чем у естественного субстрата: 50 %-ное ингибирование фер-мента происходит при концентрации малоната в 50 раз ниже концентрации сукцината.

Еще один пример – антиметаболит фолиевой кислоты метотрексат. Фолиевая кислота переносит одноуглеродные фрагменты с образованием пятичленного цикла (см. вы-ше), а ее структурный аналог метотрексат с третичной аминной группой не может реагировать по этой схеме

Фолиевая кислота синтезируется бактериями с участием п-аминобензойной кислоты (обязательный фактор роста многих микроорганизмов). Близкий ей по структуре и по многим свойствам п-аминобензолсульфамид (антиметаболит п-аминобензойной кисло-ты) блокирует биосинтез фолата

Этим определяются бактериостатические свойства стрептоцида и таких сульфамидных препаратов, как, сульфодиметоксин и другие. Животные должны получать фолат в готовом виде (это витамин В_с), поэтому их клетки не усваивают п-аминобензойную кислоту и стрептоцид для них малотоксичен. А вот метотрексат транспортируется в клетки животных вместе с фолатом, но связывается с соответствующим апоферментом настолько прочно, что ингибирование им носит необратимый характер.

Метотрексат применяют в качестве противоракового средства, а для борьбы с инфек-циями его использовать нельзя (он не проходит в бактериальные клетки). В то же время, более простые антиметаболиты фолата на основе диаминопиримидина, напри-мер, хлоридин и триметоприм представляют собой антибактериальные препараты:

При конкурентном ингибировании пониженную ингибитором скорость реакции можно повысить до прежнего значения повышением концентрации субстрата. В качестве еще одного примера конкуретного ингибирования можно привести пару глутаминовая кислота – 4-метилфосфинил-2-аминомасляная кислота:

Фосфорорганический аналог глутаминовой кислоты блокирует фермент глутаминсин-тетазу, так как фрагмент метилфосфиновой кислоты не может быть переведен в соот-ветствующий амид биохимическим путем. Аммонийная соль этой фосфорорганичес-кой аминокислоты используется в качестве экологически чистого гербицида БАСТА.

Неконкуретное ингибирование имеет место в тех случаях, когда его эффективность зависит только от концентрации ингибитора и не зависит от концентрации субстрата. Это означает, что неконкуретные ингибиторы связываются белковой молекулой фер-мента не в активном центре, а в другом (гр. алло) месте, причем это может быть регу-ляторный центр аллостерического фермента или «гидрофобный карман». С кинетичес-кой точки зрения возможно образование двух заблокированных комплексов по схеме:

или

Поэтому структуры неконкуретных ингибиторов не имеют ничего общего с субстра-тами и чаще всего их взаимодействие с ферментами носит необратимый характер.

По типу второй реакции протекает и так называемое бесконкуретное ингибирование, но в этом случае ингибитор вместе с субстратом занимает активный центр.