Общий кислотно-основной катализ ферментативные реакции

ОБЩИЙ КИСЛОТНО-ОСНОВНОЙ КАТАЛИЗ ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ РЕАКЦИИ [c.137]

ОБЩИИ КИСЛОТНО-ОСНОВНОЙ КАТАЛИЗ- ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ РЕАКЦИИ Т [c.147]

Помимо имидазола и его сопряженной кислоты, в боковых цепях аминокислот и коферментов имеется целый набор групп, таких, как карбоксильная, сульфгидрильная, аммонийная, фенольная, которые являются эффективными общекислотными и общеосновными катализаторами и которые, как известно, содержатся в активных центрах ферментов. К сожалению, общий кислотно-основной катализ — это тема, о которой проще размышлять, чем проводить четкие эксперименты. Известно всего лишь несколько ферментативных реакций, в механизме которых было доказано участие общеосновного или общекислотного катализа. Несколько больше описано реакций, для которых существуют косвенные доказательства такого катализа, и для огромного числа реакций общий кислотно-основной катализ предполагается без соответствующих доказательств, поскольку он является разумным и привлекательным путем увеличения скорости реакции. [c.142]

Ионы металлов могут участвовать в каждом из четырех известных типов механизмов, с помощью которых ферменты ускоряют химические реакции 1) общий кислотно-основный катализ 2) ковалентный катализ 3) сближение реактантов 4) индукция напряжения в ферменте или субстрате. Помимо ионов железа, которые функционируют в гемсодержащих белках, в ферментативном катализе чаще всего участвуют Мп + и Са +, хотя в работе некоторых ферментов важную роль играют и другие ионы (например, К+). [c.97]

Необычен и механизм ферментативного катализа. В отличие от огромного разнообразия типов гомогенных и гетерогенных каталитических реакций общие механизмы почти всех ферментативных реакций одинаковы. Речь идет о специфическом виде кислотно-основного катализа, осуществляемого путем построения ЦПС. Последние возникают в ферментативных глобулах за счет объединения каталитических групп и отдельных фрагментов субстратов и простетических групп и создают высокоэффективную систему перераспределения связей. Многообразие каталитических и простетических групп ферментов лишь иллюстрирует единство механизма их действия, поскольку необходимость в использовании тех или иных элементов активного центра определяется лишь возможностью построить эффективную цепь перераспределения связей. [c.282]

Как видно из разд. 7.1, суть большинства химических реакций, протекающих в биологических системах, заключается в окислении или восстановлении одного или более реагентов. Однако особенно важный тип реакций, к которому, очевидно, относятся многие ферментативные реакции, не связанные с окислением — восстановлением,— это реакции, включающие перенос протона и сопровождающиеся общим основным или кислотным катализом. Естественно, многие из этих ферментативных превращений осуществляются с помощью небелковых кофакторов или коферментов. К таким коферментам относятся некоторые серосодержащие коферменты, среди которых тиаминпирофосфат (часто называемый витамином В1) имеет наибольшее значение. Сейчас уже очевидно, что механизм действия тиаминпирофосфата включает участие карбаниона в качестве промежуточного соединения. Правда, некоторые особенности этого процесса еще недостаточно изучены. [c.458]

Наиболее распространенный механизм катализа химических и биохимических реакций включает одну или несколько стадий переноса протона. То же самое можно сказать и о ферментативных реакциях, которые также часто включают стадии общего основного или общего кислотного катализа [c.117]

То обстоятельство, что среда протекания ферментативных реакций характеризуется почти нейтральным значением pH, накладывает жесткие ограничения на величину рКа кислотных (основных) групп, способных выступать в роли эффективных общих кислотных (общих основных) катализаторов. Этот вывод является прямым следствием обратной взаимосвязи между эффективностью катализатора и его способностью к ионизации. Ниже приводится доказательство существования такой взаимосвязи для общего основного катализа I" ]. В случае общего кислотного катализа ход рассуждений аналогичен. Для констант скорости реакций, протекающих по механизму общего основного катализа кв, справедливо следующее соотношение (уравнение Бренстеда — Педерсена) (гл. 5) [c.138]

Общий основной и кислотный катализ как в химических, так и в ферментативных системах лучше всего изучен для реакций, в которых перенос протона — наиболее важный процесс, происходящий в переходном состоянии. Большинство таких реакций включает перенос протона от атома или к атому углерода и имеет весьма высокие энергии активации, что определяет энергетический барьер реакции в целом. Классическим примером такого катализа является енолизация кетона [схема (6)1. Общий кислотно- [c.142]

Для того чтобы решить, какой именно катализ имеет место в данной ферментативной реакции — общий или специфический кислотный или основный,—нужно измерить скорость реакции в следующих условиях 1) при различных pH, но при постоянной концентрации буфера 2) при фиксированном pH, но при различных концентрациях буфера. [c.95]

При подходящих условиях ионные реакции и полярные перегруппировки протекают очень быстро, но для органических соединений, претерпевающих превращения по механизмам общего основного или кислотного катализа, этап появления промежуточного иона — заряжение молекулы субстрата обычно затруднен и относится к лимитирующим стадиям суммарной реакции. Характерной особенностью ферментативных аналогов тех же процессов является пуш-пульный механизм — одновременное присоединение и отщепление протона от различных участков превращаемого субстрата, которое не связано с общим заряжением молекулы и протекает достаточно быстро. Это и есть тот путь, по которому в ферменте создаются подходящие условия для протекания ионных переходов. При этом очень важно, что участки присоединения и отщепления протонов разделены химическими связями, претерпевающими перестройку только в таком случае не возникает цвиттер-иона (двухзарядного промежуточного продукта), и электрон беспрепятственно переносится по системе перестраиваемых связей. Однако для этого необходимо не простое изменение кратностей всех связей по пути перераспределения электронной плотности, а альтернирующее изменение кратности на 1 при условии, что ни одна из связей не остается в результате реакции неизменной. Частным, но не очень существенным для ферментативного катализа примером такой системы может служить сдвиг электронов в системе сопряженных связей. Для катализа гораздо более важную роль играет расщепление и возникновение связей в активном комплексе, т. е. переход от кратности 1 к О и обратно. Это позволяет участвовать в системе переноса электрона химически независимым молекулам, если при образовании и распаде активного комплекса новые связи возникают на месте разрывов, а простые — либо рвутся, либо становятся двойными. Такую совокупность связей назовем ЦПС — цепью пере- [c.264]

Как и в случае внутримолекулярных реакций, эффективная концентрация этих кислот (оснований) намного выше той, которая может быть достигнута при использовании аналогичных катализаторов, действующих межмолекулярно. Кроме того, при протекании реакции в активном центре фермента дополнительный выигрыш обеспечивается благодаря правильной ориентации реагирующих групп. Общее ускорение реакции достигается за счет как высокой эффективной концентрации общих кислот н оснований, так и правильной ориентации. Первым указанием на важную роль переноса протона в ферментативном катализе явился тот факт, что зависимость скорости большинства ферментативных реакций от pH описывается сравнительно простыми сигмоидными или колоколообразными кривыми. Отсюда следует, что для осуществления ферментативной реакции требуется небольшое число кислотных (основных) групп, находящихся в определенном состоянии ионизации. Действительно, проведенные позже исследования показали, что во многих случаях эти группы, которые обычно удается идентифицировать на основг -нии найденных из рН-зависимости константы скорости значений р/Са, на лимитирующей стадии каталитической реакции выступают в роли доноров или акцепторов протона (табл. 6.1). В биологических системах ферментативные реакции почти всегда протекают в среде с близкими к нейтральному значениями pH, когда концентрации ионов гидроксония и гидроксида минимальны. Неудивительно поэтому, что ферменты столь широко используют механизмы общего кислотно-основного катализа. [c.137]

На основании проведенного анализа можно заключить, что в силу нейтральности реакционной среды в биологических системах общий кислотно-основной катализ в ферментативных реакциях может осуществляться только теми аминокислотными остатками, у которых значения р/Са боковых функциональных групп лежат в интервале от 4 до 10. Действительно, было установлено, что в роли групп, ответственных за общий кислотноосновной катализ, в молекулах ферментов наиболее часто выступают остаток гистидина и к арбоксильные группы аспарагино- [c.139]

В ферментативных реакциях, которые включают перенос протона к атомам или от атомов кислорода, азота или серы, точно доказать прохождение общего кислотно-основного катализа еще труднее. В настоящее время самые строгие свидетельства в пользу его существования в ферментативных реакциях имеются для хилютрипсина. В гл. 2 было показано, что гидролиз этим ферментом субстратов, которые содержат активированную ацильную группу, протекает в процессе ковалентного катализа с промежуточным образованием ацилсеринового эфира [схема (76)]. [c.177]

Традиционный подход к анализу процессов ферментативного катализа, сформировавшийся на основании химических исследований задолго до определения кристаллической структуры ферментов, основывается на следуюш,их факторах общий кислотно-основный катализ катализ ионами металлов нуклеофильный катализ электростатический катализ эффекты подобия (сочетание внутримолекулярной реакции и правильной ориентации) напряжение (деформация субстрата) индуцированное соответствие (деформация фермента). Наличие всех этих факторов в настоящее время в той или иной степени установлено. Наиболее распространен общий кислотно-основный катализ [реакции, катализируемые дегидрогеназами, сериновыми протеазами (а также, по-видимому, тиоловыми протеазами и карбок-сипептидазами), рибонуклеазами, лизоцимом]. Ускорение реакций ионами металлов в его классической форме стабилизации аниона имеет место при функционировании карбоксипептидазы [c.413]

Прежде всего остановимся на кислотно-основном катализе, который известен, по-видимому, наиболее давно и представляет собой простейшую (по крайней мере на первый взгляд) разновидность катализа. Затем будут рассмотрены общий кис-лотпо-основной катализ, нуклеофильно-электрофильный катализ, реакции с участием коферментов, катализ окружением и ионами металлов. Наконец, заключительные главы книги посвящены таким разновидностям катализа, которые имеют более прямое отношение к ферментативным процессам. Речь идет о полифункциональном и внутримолекулярном катализе, а также о катализе путем комплексообразования. В необходимых случаях для иллюстрации изложения привлекаются соответствующие ферментативные реакции и модели ферментов. [c.21]

Вопрос об енолизации будет рассмотрен кратко, поскольку взаимные кето-енольные пресращеиия не являются главной темей данной главы. Так как, однако, большинство реакций гидратации протекает путем енолпзации, целесообразно рассмотреть некоторые доказательства общего катализа в реакциях, сопровождающихся кето-енольными превращениями. Кроме того, представляет значительный интерес обсудить возможность согласованного общего кислотного и общего основного катализа Б реакции енолизации, поскольку очень соблазнительно рассматривать такие процессы как модели ферментативных реакций. [c.372]

Если от частных характеристик отдельных ферментативных реакций перейти к общим закономерностям механизмов ферментативных процессов, то прежде всего следует указать на две характерные особенности последних. Это необычайно высокая эффективность осуществления ферментами кислотно-основных превращений и, вероятно в связи с этим, протекание большинства ферментативных реакций по механизмам кислотно-основного катализа. Для большинства известных механизмов ферментативных реакций, включая и окисли гельно-восстановительные процессы, большую роль в увеличении эффективности катализа играют кислотно основные стадии реакции, а совместное действие нескольких функциональных групп часто приводит к достижению необыкновенно высокого уровня каталитической активности. В связи с этим рассмотрим прежде всего общие закономерности кислотно-основного 4 рментативного катализа на примерах, которые более подробно разобраны в гл. V—IX. [c.264]

В общем случае можно высказать следующее положение каталитически активной является только та часть молекулы фермента, у которой группы, принима-юид1е участие в общем кислотном катализе, протонированы, а принимающие участие в общем основном катализе — не протонированы. Доля каталитически активной формы фермента в связи с этим зависит от pH раствора, и именно это является главным фактором, определяющим влияние pH на скорость ферментативной реакции. В свете сказанного выраясение для максимальной скорости реакции можно записать в виде [c.213]

Эксперименты Эйгена [74] устанавливают верхний предел скорости реакций, протекающих по механизму общего кислотноосновного катализа. Например, из табл. 1-5 следует, что скорость процессов общего основного катализа с участием имид-азола и воды (реакций, имеющих больщое значение при физиологических значениях pH) не может превыщать величину 2,5-10 се/с . Очевидно, такой же предел характерен н для ферментативных реакций, включающих аналогичные каталитические стадии. Следует иметь в виду, что, хотя скорость переноса протона возрастает при переходе к основным катализаторам с большим значением рк а (таки.м, как фенолят-ион и ион аммония), увеличение р/(а приводит к снижению концентрации каталитически активного свободного основания при нейтральных pH, в результате чего наблюдается общее снижение скорости реакции. Следовательно, имидазол остается наиболее эффективным обобщенным основанием в физиологической области pH. Были измерены также константы скоростей переноса протона между органическими кислотно-основными парами [74], которые [c.45]

Неизученность или неполнота сведений о ферментативном катализе не позволяют сейчас сделать общего заключения о том, что все ферментативные реакции содержат стадии каталитических кислотно-основных превращений, но такой вывод кажется весьма вероятным на основании анализа всех имеющихся сейчас данных. [c.270]