Переходное состояние субстрата стабилизация

Рассуждая с термодинамических позиций, можно сказать, что энергия переходного состояния комплекса металл — аминокислота благодаря стабилизации зарядов значительно понижена по сравнению с энергией переходного состояния при гидролизе свободной аминокислоты. Кроме того, на стадии катализа металлом составляющая связанная с перегруппировкой растворителя, по-видимому, небольшая величина. Следовательно, важна именно матричная роль иона металла при связывании с субстратом. Ионы металла ускоряют также гидролиз ряда амидов, но каталитический эффект не столь велик, как для соответствующим образом связанных эфиров. Причина этого — различия в природе уходящей группы. Худшая уходящая группа, амидная, нарушает контроль скорости реакции тетраэдрическим промежуточным соединением. [c.353]

Ионы металлов способны существенно ускорять гомогенные реакции. В конечном итоге катализ обусловлен способностью иона металла координировать субстрат или реагент (рис. 9.1) и таким образом стабилизировать переходное состояние, однако характер этой стабилизации может быть различным. [c.220]

Молекулы белков не являются жесткими структурами — они подвижны л, следовательно, достаточная лабильность молекул ферментов (молекулярная вибрация) играет важную роль в узнавании субстрата и стабилизации переходного состояния [c.71]

Белл также рассматривает отклонения, которые могут возникнуть в результате наличия некоторого стабилизирующего эффекта в переходном состоянии, но при отсутствии его либо в начальном, либо в конечном состояниях. Эти отклонения найдены в реакциях бромирования различных кетонов и эфиров, катализируемых карбоксилат-анионами [11]. Было найдено, что, если субстрат и катализатор содержат большие группы, такие, как галогены или углеводородные радикалы, вблизи реакционного центра, положительные отклонения могут достигать 300%. Близость этих двух больших групп в переходном состоянии рассматривается как причина этих отклонений. Возможно, что стабилизация переходного состояния частично обусловлена силами Ван-дер-Ваальса между этими группами. Несомненно, однако, что более существенным является уменьшение взаимодействия между молекулами воды, вызванное тем, что для размещения переходного состояния с близко расположенными большими группами атомов требуется полость в растворителе меньшего размера, нежели для размещения двух реагентов, когда большие группы расположены далеко друг от друга. При этом в переходном состоянии выделяется меньшее число молекул воды и, как следствие этого, возникает стабилизация состояния. [c.162]

В предыдущем разделе было показано, насколько разнообразны способы воздействия на скорость реакций замещения в комплексах. Они основаны на а- и п-транс-вли-янии, цис-влняния, изменении заряда комплекса или стабилизации переходного состояния. Эти же способы можно применить и для активирования каталитических реакций, чтобы ускорить стадию вхождения субстрата в координационную сферу катализатора. [c.80]

Как мы уже говорили, алкильные заместители при образующейся двойной связи влияют на энергию переходного состояния двояко. С одной стороны, увеличение числа алкильных заместителей при двойной связи, как правило, стабилизирует олефин и, следовательно, должно понижать энергию переходного состояния, обладающего некоторой двоесвязностью. Это должно способствовать относительной стабилизации переходного состояния VHI и образованию более замещенного олефина, т. е. течению реакции в соответствии с правилом Зайцева. С другой стороны, поскольку в переходном состоянии на субстрате появляется некоторый отрицательный заряд, увеличение числа алкильных заместителей при реакционном центре будет оказывать дестабилизирующее влияние за счет их -j-f-эффекта, т. е. за счет электронных эффектов пере- [c.352]

Leu, не влияя Н8 снижает активность г5олее, чем в 200 раз. Авторы [2122] рассматривают этот факт, как подтверждение гипотезы стабилизации ферментом переходного состояния субстрата (см. гл.7 и 8). [c.199]

Помимо эффекта сближения и эффекта ориентации следует учитывать также третий фактор — стерическое сжатие. Тем не менее эти факторы не объясняют повыщення констант скорости реакций ио крайней мере еще в 10 —10 раз. Среди возможных объяснений следует упомянуть электростатическую стабилизацию переходного состояния и снятие напряжения в основном состоянии. Следует учесть и такой фактор, указанный Бендером, как замораживание субстратной специфичности . Примером этого служит ароматическая полость в, а-химотрипсине (см. ниже), создающая благоприятную стерическую ситуацию для боковой цепи аминокислоты субстрата. [c.215]

Каталитическую активность а-химотрипсина нельзя приписать исключительно наличию системы переноса зарядов. Из рентгено структурных исследований следуют многие другие факторы, от ветственные за каталитический процесс. Было обнаружено де вять видов специфических ферментсубстратных взаимодействий которые повышают эффективность а-химотрипсина. Например стабилизация тетраэдрического интермедиата, а следовательно понижение энергетического барьера переходного состояния, со провождается образованием водородной связи между карбониль ной группой субстрата и амидным атомом Ser-195 и Gly-193 В химотрипсиногене эта водородная связь отсутствует. Действи тельно, уточнение структур химотрипсиногена и а-химотрипсина с помощью рентгеноструктурного анализа показывает различия в расположении каталитической триады в зимогене и ферменте. Это конформационное изменение в общей трехмерной структуре фермента, возможно, вызывает значительные изменения химических свойств каталитического центра, что может играть важную роль в увеличении ферментативной активности при активации зимогена. [c.221]

В реакции полимерных или олигомерных субстратов, где наблюдается несколько разных по своей природе сорбционных эффектов, ускорение реакции за счет стабилизации (концентрирования) переходного состояния может быть огромным, как, например, при гидролизе сложноэфирной связи в пептидных п-нитрофенилкарбоксилатах, катализируемом папаином. Ферментативный процесс идет через промежуточное образование ацилфермента, образующегося при ацилировании субстратом остатка Суз-25 (см. схему на стр. 19, где X — это п-нитро- [c.47]

Более того, при сольволизе и 30 и его стереоизомера 32 образуется одна и та же смесь продуктов, что свидетельствует об отсутствии стереоселективности, наблюдавшейся при сольволизе 25. Различие между соединениями 30 и 25 заключается в том, что в субстрате 30 положительный заряд, генерируемый в положении 7 в переходном состоянии, в значительной мере стабилизируется л-анизильной группой. По-видимому, стабилизация п-анизильной группой настолько велика, что участие связи С = С не дает дополнительного выигрыша [94]. Использование фениль- [c.37]

Факторы, приводящие к стабилизации переходного состояния (т. е. к уменьшению АО ), повышают скорость реакции. Вообще говоря, роль катализатора именно в том и состоит, чтобы способствовать образованию переходного состояния, обладающего меньшей энергией (более стабильного), чем переходное состояние для 1некатализируемой реакции. Стабилизация переходного состояния реакции ферментом означает, что фермент проявляет более высокое сродство к переходному состоянию, чем к субстрату или продуктам. Эта идея была впервые сформулирована Полингом [48] Я думаю, что ферменты шредставляют собой молекулы, которые комплементарны по структуре активированным комплексам, образующимся в ходе реакций, которые они катализируют. Притягивание астивирова,иного комплекса молекулой фермента должно, таким образом, приводить к уменьшению его энергии и, следовательно, к уменьшению энергии активации реакции и повышению ее скорости . [c.49]

НОМ центре фермента в положение, оптимальное для реакции, стабилизация преобразуемых в субстрате групп относительно их переходного состояния и кислотно-основный катализ. Необходимая для увеличения скорости энергия, по-видимому, черпается из свободной энергии образования фермент-субстратных комплексов. [c.292]

Детальные исследования механизмов многих ферментативных реакций привели к установлению еще одной важнейшей причины их предельно высоких скоростей. Этой причиной является стабилизация переходных состояний (ПС) этих реакций. В стабилизацию ПС большой вклад вносит гидрофобное взаимодействие системы фермент—субстрат, которое возникает между углеводородными остатками фермента и субстрата. Чем больше длина К, тем выше скорость реакции. Скорость минимальна для -СН3 и -С2Н5 и максимальна у -СаНп- [c.727]

Особенно велики энергии переноса бензольной группы С НзСНг-, которая сильно ускоряет реакцию, если входит в состав субстратов. Энергия стабилизации за счет этого фактора доходит до 30 кДж/моль. Другой фактор стабилизации переходного состояния ферментативной реакции определяется электростатическим взаимодействием противоположно заряженных функциональных хрупп активного фермента и субстрата. Наблюдаемые значения [c.727]

Большое значение для эффектианости действия фермента может иметь сопряженный кислотно-осноаный катализ, а также нуклео-фильный катализ с образованием реакционноспособного промежуточного соединения- Немалую роль играет и фактор микросреды. Совокупность факторов, вносящих вклад а повышение каталитической активности ферментов, обеспечивает снижение энергетического барьера реакции. Согласно получившей весьма широкое признание концепции, снижение энергетического барьера достигается благодаря стабилизации переходного состояния или, точнее, благодаря приближению структуры субстрата а фермент-субстратном комплексе к структуре переходного состояния. Приближение к структуре переходного состояния требует в общем случае затраты энергии согласно рассматриваемой концепции, необходимая энергия обеспечивается за счет части энергии связывания субстрата с ферментом. [c.188]

Стадия ионизации. Результаты предыдущего раздела могут быть объяснены (с некоторой идеализацией и экстраполяцией) следующей картиной сольватации при ионизации предельных субстратов, подобных f-Bu l она служит отправной точкой для последующего усовершенствования. Ионизация в типично протонных растворителях требует около 50 ккал/моль энергии сольватации для полностью сформированного R+ плюс то, что требует Х . Это осуществляется главным образом за счет общей диэлектрической сольватации и специфической электрофильной сольватации формирующегося Х водородными связями. Диэлектрической сольватации формирующегося R достаточно для разрушения структуры окружающего растворителя без образования хорошо сформированной гидратной сферы. Такая отрицательная гидратация R+ 5 легко совместима с энергией сольватации А/ 50 ккал/моль (табл 2.12). Специфическая близкодействующая сольватация R+ в переходном состоянии, если она действительно имеет место, должна быть предпочтительной в более поляризуемых растворителях. С другой стороны, полностью сформированный R+ лучше сольватируется более основными растворителями. Взаимодействия R+ с водой и пиридином связаны с относительно сильными ковалентными взаимодействиями. В смешанных водных растворителях зависимость стабилизации растворителем реагентов в исходном состоянии от состава может быть исключительно сложной поведение переходного состояния проще и напоминает поведение ионных моделей. [c.449]

Протеканию элиминирования по механизму Е2 благоприятствуют такие изменения структуры субстрата, которые способствуют стабилизации образующегося аллена или, что важнее, предшествующего ему переходного состояния. К ним относятся увеличение числа алкильных групп как у а-, так и у р-углерод-ных атомов (что увеличивает термодинамическую стабильность алкенов) и введение фенильной группы, которая может оказаться сопряженной с образующейся двойной связью. [c.282]

Что касается факторов (а) или (б), то следует отметить, что доля элиминирования зависит от строения углеродного скелета субстрата и увеличивается в ряду первичный < вторичный < третичный. С точки зрения электронных эффектов, это является следствием увеличения относительной стабилизации переходного состояния для реакции элиминирования, так как число алкильных групп у атомов углерода, образующих двойную связь, возрастает (ср. разд. 9.4.2). Так, найдено, что при действии EtO в ЕЮН на первичные алкилбромиды выход алкена составляет ж 10 %, на вторичные— л 60 7о и на третичные— > 90 % Это объясняется не только увеличением скорости отщепления, но и уменьшением скорости замещения. Аналогично, такие заместители, как С=С и Аг, которые могут стабилизировать образующуюся двойную связь с помощью сопряжения (ср. разд. 9.4), также сильно благоприятствуют отщеплению при сравнимых условиях СН3СН2ВГ дает 1 % алкена, тогда как РЬСНгСНгВг— iii 99 %. [c.291]

Гипотеза, сформулированная Полингом [241 ], о природе переходного состояния фермент-субстратных комплексов утверждает, что функция ферментов определяется их способностью к более прочному связыванию форм переходного состояния, чем молекулы субстрата, и что это свойство обусловливает понижение свободной энергии активации реакции. На основании структурных исследований Липскомба и сотр. [29, 188, 189], свидетельствующих о координации карбонильного кислорода субстрата катионом металла, можно предполагать, что такой же способ координации существует в переходных фермент-субстратных коплексах металлсодержащих аналогов КПА. Следовательно, прочность связи металл— кислород, образующейся при присоединении субстрата, может давать существенный вклад в стабилизацию переходного фермент- [c.96]

Кооперативный эффект может реализоваться в виде дальнодей-ствующих кулоновских взаимодействий, водородных связей или гидрофобных взаимодействий. Кооперативные эффекты играют большую роль, например, в химии энзимов. Общепринятая теория ферментативного действия энзимов базируется на том, что различные части энзима находятся в кооперативном взаимодействии друг с другом и с различными участками молекулы субстрата. Типичным примером этого является взаимодействие ацетилхо-линэстеразы. В этом случае эстеразное положение энзима атакует сложноэфирную группу, в то время как анионное положение отвечает за стабилизацию переходного состояния с помощью электростатического взаимодействия отрицательно заряженного конца молекулы энзима с положительно заряженным концом молекулы субстрата [63]. [c.25]

Увеличение числа а- или р-алкильных заместителей в субстрате всегда приводит к замедлению бимолекулярного замещения в результате роста стерических препятствий. В то же время эти заместители стабилизируют в большинстве случаев переходное состояние, приводящее к продукту отщепления, за счет стабилизации возникающей двойной связи. Правда, в случае сильноанионных переходных состояний реакций Е2 введение алкильных заместителей может привести к дестабилизации переходного состояния и к замедлению реакции, однако это менее важно, чем замедление реакции замещения. Если рассматривать чисто стерические влияния алкильных заместителей, можно сделать вывод, что увеличение числа и объема заместителей должно способствовать реакции отщепления, так как стерическое отталкивание уменьшается при переходе от исходной молекулы к активированному комплексу реакции бимолекулярного отщепления. В результате увеличение числа заместителей всегда приводит к росту вклада реакции отщепления [44, 1959, т. 81, с. 3330] [c.359]

Характер влияния указанных выше факторов сохраняется и тогда, когда замещение протекает по более общей схеме, включающей образование ионных пар [8, 9]. Это понятно, так как переходное состояние реакций у является промежуточным по своей структуре между исходным субстратом ВУ и ионной парой В+У". При рассмотрении механизма закономерно возникает вопрос о том, как изменяется степень подобия переходного состояния ионной пары (или исходного субстрата) при варьировании ВУ и электрофильных свойств среды. Такой вопрос может, в принципе, решаться на основе постулата Хэммонда [10] в его расширенной Стрейтвизером трактовке [4]. Согласно этим представлениям факторы, вызывающие, например, стабилизацию конечного состояния (ионной нары или свободных ионов В+ и У"), должны смещать переходное состояние по координате реакции в сторону исходных веществ. Следствием такого смещения будет понижение чувствительности скорости реакции к изменению структуры субстрата, варьированию уходящей группы и электрофильных свойств среды. [c.39]

Более строго о соотношении вертикальной и невертикальной стабилизации карбкатионов (или переходных состояний), возни-каюш их в реакциях замещения, можно судить по данным, полученным Рамзаем с сотр. [7] при сравнительном изучении внутримолекулярных комплексов с переносом заряда бензилборанов и реакции замещения р-арилзамещенных субстратов. [c.164]

Отклонения от корреляционного соотношения Брёнстеда могут наблюдаться в том случае, если переходное состояние характеризуется специфическими взаимодействиями. Вследствие небольшого размера протона обычные стерические затруднения почти не влияют на кислотно-основное равновесие. Вместе с тем наличие объемных групп у одного или обоих реактантов, сказывается на кинетике реакции, поскольку такие группы препятствуют сближению частиц А] и В2 в переходном состоянии. Известно несколько примеров, отчетливо демонстрирующих этот эффект в реакциях, катализируемых кислотами или основаниями. Так, стерические затруднения проявляются при катализе замещенными пиридинами и их катионами гидратации ацетальдегида [45], когда наличие заместителей в положениях 2 и 6 приводит к уменьшению каталитической активности. Аналогично замедление процесса, обусловленное пространственными затруднениями, наблюда-. ют при катализе алкилпирилннами или их катионами галогенирования кетонов [46], мутаротации глюкозы [47] и инверсии ментона [47]. Противоположный эффект был обнаружен в катализируемых анионами реакциях галогенирования различных кетонов и эфиров [48]. Для большинства субстратов и карбоксилат-анионов соотношение Брёнстеда выполняется точно. Однако, если и катализатор и субстрат содержат вблизи реакционного центра заместители большого размера (алкильную или арильную группу или бром), наблюдаемая скорость реакции превышает ожидаемую на величину, достигающую 300%. Это означает, что близкое расположение в переходном состоянии двух больших групп должно понижать его энергию. Стабилизация переходного состояния, вероятно, определяется не столько энергетикой любого непосредственного притяжения между группами, сколько эффектом образования полости в растворителе путем подавления некоторых взаимодействий между молекулами воды. Две находящиеся на близком расстоянии группы будут приводить к разрыву меньшего числа связей между молекулами воды при образовании полости, чем группы, удаленные друг от друга. Этот фактор оказывает стабилизующее действие на переходное состояние. Порядок величины указанного эффекта можно проиллюстрировать, воспользовавшись данными из работы Батлера по изучению изменения растворимости в воде последовательно расположенных членов некоторых гомологических рядов. Батлер нашел [49], что каждая дополнитель- [c.261]

В реакциях переаминирования, катализируемых пиридокса-лем, Метцлер, Икава и Снелл [51] постулировали, что ионы металлов (Ре +, Си +, А15+) вызывают образование кольца внутреннего комплекса между катализатором и субстратом, которое облегчает протекание различных электромерных замещений, ведущих к переаминированию, декарбоксилированию и другим реакциям. Металлу в металлофлавопротеинах приписывается действие агента, связанное с тс-электронными электромерными переходами считается также, что он облегчает резонансную стабилизацию переходных состояний [52]. [c.320]

Изложенные соображения о механизме реакции согласуются с отчетливо выраженным ингибирующим действием неорганических катионов на катализируемую ДДС реакцию гидролиза метилортобензоата [111, 143]. В случае катионов щелочных металлов ингибирующее действие повышается с увеличением размеров иона (ионного радиуса). Для катионов щелочноземельных металлов ингибирующий эффект почти не зависит от природы иона. Для ряда н-алкил- и замещенных н-алкиламмониевых ионов степень ингибирования мицеллярного катализа увеличивается параллельно с усилением гидрофобности иона [111]. Эти солевые эффекты можно объяснить, предположив, что при связывании катионов протоны вытесняются из слоя Штерна. Поскольку реакционная способность субстрата по отношению к протону выше на поверхности анионной мицеллы, чем в объеме раствора, то вытеснение протонов в раствор должно приводить к подавлению мицеллярного катализа. Те же соображения использовались для объяснения ингибирующего действия анионов при катализе реакций гидролиза сложных эфиров катионными детергентами [101]. С другой стороны, ингибирование может быть объяснено (частично или полностью) уменьшением электростатической стабилизации переходного состояния вследствие вызванного противоионами снижения степени ионизации сульфатных групп и тем самым поверхностного заряда мицеллы. Величина ускорения гидролиза ортоэфиров ДДС уменьшается с повышением температуры, что, по-видимому, свидетельствует о контроле скорости каталитической реакции энтальпийным фактором [111]. [c.267]

Известно большое число разнообразных гидролитических ферментов (группа сериновые протеазы - трипсин, химотрипсин и т.п. ферменты, гиролизующие нуклеиновые кислоты, типа рибонуклеазы и т. п. ферменты, гидролизующие сахара, типа лизоцима и т. п.). В самом общем смысле субстрат для ферментов такого типа удобно рассматривать в виде плоскости (гидрофобная полимерная подложка) с активными точками , обладающими чрезвычайно высокой избирательностью. Каталитической активностью такой поверхности можно было бы управлять, например регулируя молекулярные вращения или дегидратируя субстрат, который является стабильным в гидратированном состоянии. Стабилизация переходных состояний в этом случае осуществлялась бы в результате как электростатических сил, так и водородных связей. Практическое воплощение таких планов является, разумеется, очень трудной задачей. Например, при использовании лизоцима возникают сложности, связанные с тем, что глюкозное кольцо в процессе связывания субстрата переходит из устойчивой конфигурации типа кресло в неустойчивую конфигурацию типа ванна . [c.103]

При перечислении способов, которыми ионы металлов могут промоти-ровать органические реакции, следует подчеркнуть необходимость расположения иона металла в молекуле субстрата в соответствующем положении. По-видимому, в реакциях, катализируемых ионами металлов, обычно происходит образование хелата иона металла с субстратом. Это означает, что субстрат должен иметь донорный атом вблизи от реакционного центра, чтобы произошло хелатирование. Каталитические свойства некоторых ионов металла обычно соответствуют константам образования при комплексообразовании с одинаковыми или родственными хелатирующими агентами. Это указывает на то, что комплекс иона металла должен стабилизировать переходное состояние в реакции. Если бы происходила стабилизация основного состояния, то присутствие иона металла должно было бы замедлять реакцию (см. VIII и X). [c.549]

Оба этих пограничных механизма пригодны для объяснения катализа лизоцимом. Группа карбоновой кислоты в активном центре фермента, по-видимому, передает протон уходящему атому кислорода. Это можно рассматривать либо как общекислотный катализ, либо как стабилизацию протонированной уходящей группы карбоксилатным ионом. Карбоксилатная группа в активном центре может ускорять реакцию или обеспечивая электростатическую стабилизацию образующегося иона карбония, или помогая замещать уходящую группу [92]. Первое предположение кажется более предпочтительным, поскольку организация атомов на активной поверхности фердшнта препятствует обычному 8 к2-замещению с линейным переходным состоянием, в то время как перевод субстрата в конформацию полукресла обеспечивает дополнительную стабилизацию образующегося иона карбония. Тем не менее трудно провести четкое разграничение между ионом карбония, стабилизированным соседней карбоксилатной группой [Ха, схема (88)], и напряженной связью между атомом углерода 1 и карбоксильной группой (Хб) [c.184]

Концепция, согласно которой активный центр фермента уменьшает свободную знергию активации, обеспечивая максимальное связывание для переходного состояния, шире, чем термины напряжение или искажение . Невозможно, однако, провести четкую грань между различными механизмами, сущность которых заключается в использовании энергии связывания субстрата для уменьшения свободной энергии активации реакции. Так, электростатическая дестабилизация пиридина или тиоэфира отрицательным зарядом может осуществляться лишь в том случае, если эти группы приходят в соприкосновение с отрицательным зарядом за счет связывающих сил остальной части молекулы. Даже обычный тип папря кения трудно отличить от механизма индуцированной ориентации реагирующих групп каждая данная молекула проводит разное время в различных конформациях, зависящее от энергий и энтропий каждой конформации, и связывание на активном центре одной из этих конформаций, которая легче всего ведет к образованию переходного состояния, оплачивается менее предпочтительной свободной энергией связывания. Так как ускорение реакции зависит от стабилизации связыванием такой особой конформации, то совершенно безразлично, вызы вается ли малая вероятность этой конформации за счет неблагоприятной энтропии или энтальпии. Представление об оптимальном связывании переходного состояния можно даже использовать для объяснения увеличения скорости, которое является результатом сближения двух реагентов из разбавленного раствора на активном центре. [c.227]

Введение заместителя, проявляющего злектронодонорные свойства, в субстрат не должно сильно сказываться на положении переходного состояния на линии 1-3, т.е. на смещении переходного состояния по ксординатг реакции, так как оно будет сравнительно мало изменять устойчивость начального и конечного состояний. В то же время донорный заместитель будет приводить к значительному увеличение "рыхлости переходного состояния за счет большой стабилизации катиона 4, т.е. переходное состояние сместится в точку е. [c.52]