Ускорение реакций из-за гидрофобных взаимодействий

Ферментативная реакция — это, как правило, многостадийный процесс, в котором на первой стадии образуется комплекс между ферментом и субстратом (комплекс Михаэлиса), Чаще всего эта стадия представляет собой сорбцию субстрата на ферменте, обусловленную, например, их гидрофобным, полярным и (или) ионным взаимодействием (см, гл. I), На образование комплекса Михаэлиса, предшествующее химическому взаимодействию, указывают многочисленные экспериментальные данные, в том числе и кинетические (см, гл. V и VI) некоторые фермент-субстратные комплексы были выделены в чистом виде [1]. Возникает вопрос, в какой мере способствует (и способствует ли) образование фермеит-субстратного комплекса ускорению катализируемой реакции. [c.34]

Еще одним примером системы, полностью аналогичной только что рассмотренной, может служить аминолиз тех же п-нитрофениловых эфиров (V) длинноцепочечными алифатическими аминами, изученный в работе [14]. Масштабы и природа эффектов, наблюдаемых в обеих системах, одинаковы. Другие примеры ускорения реакций за счет гидрофобных взаимодействий, приводящих к концентрированию реагентов, будут рассмотрены в разделах, посвященных катализу полимерами и мицеллами. [c.77]

Важная роль в ферментативном катализе отведена сорбции на активном центре боковых фрагментов субстратной молекулы, не претерпевающих в ходе реакции никаких химических изменений. Теоретический анализ двухцентровой модели химического взаимодействия, проведенный в гл. II, показал, что кинетическая роль подобного комплексообразования реагентов сводится фактически к стабилизации переходного состояния реакции и, тем самым, к понижению свободной энергии активации катализируемой реакции. В этом параграфе будут рассмотрены кинетические показатели некоторых неферментативных моделей, на примере которых удобно проиллюстрировать то, что реализация дополнительных взаимодействий реагентов за счет их боковых химически инертных групп действительно приводит к ускорению реакции. Это взаимодействие (типа E-R, см. схему 2.10) может быть электростатическим или гидрофобным, а также протекать с образова- [c.72]

В последнее время внимание исследователей привлекают вопросы, связанные с кинетикой и механизмом органических реакций в присутствии поверхностноактивных веществ (ПАВ) [1]. Эти соединения, называемые также амфифильными, или детергентами, обычно содержат длинную углеводородную цепь — гидрофобную часть и полярную или ионную группу — гидрофильную часть. В разбавленных растворах они образуют агрегаты с высоким молекулярным весом, или мицеллы. Взаимодействие между субстратом реакции и специфически ориентированными гидрофобной и гидрофильной частями молекул в мицеллах является основной причиной поразительного ускорения или ингибирования поверхностноактивными веществами многих органических реакций. Во многих случаях в мицеллярном катализе обнаруживается отчетливая субстратная специфичность, а кинетика подчиняется уравнению Михаэлиса — Ментен (с насыщением по концентрации субстрата), и в этом отношении мицеллярный катализ во многом аналогичен ферментативному. Кинетическая аналогия мицеллярных катализаторов с ферментами и известное структурное сходство мицелл и белковых глобул явились существенным стимулом исследований в этой области. Мицеллы детергентов, значительно более простые в структурном отношении, чем белки, позволяют подойти к объяснению кинетических свойств ферментативных и мицеллярных систем. Изучая изменения физических свойств системы при образовании мицелл, можно оценить роль гидрофобных взаимодействий и, таким образом, моделировать гидрофобные взаимодействия в белках и липидах. [c.222]

Исследования катализируемых мицеллами органических реакций в значительной мере стимулировались использованием мицеллярных систем в качестве моделей ферментов как в кинетическом аспекте, так и с точки зрения изучения гидрофобных взаимодействий. Структура мицелл действительно очень грубо моделирует белки, хотя, конечно, структура последних неизмеримо сложнее. Характер взаимодействия солюбилизатов с мицеллами установить намного проще, чем в случае ферментов (разд. П). Ускорение или ингибирование органических реакций в мицеллярных растворах связано с различной скоростью реакции в мицеллах и в растворителе и с распределением субстрата между этими двумя фазами. В основном изменения скорости связаны с электростатическими и гидрофобными взаимодействиями между субстратом и мицеллами и в некоторых случаях, возможно, с изменением структуры воды, окружающей мицеллу. Используя самые простые электростатические соображения (см., например, [104]), нетрудно предсказать, что катионные мицеллы будут ускорять реакции нуклеофильных анионов с незаряженными субстратами анионные мицеллы будут замедлять такие реакции, а неионные детергенты, вероятно, не должны оказывать на них существенного влияния. [c.239]

Задача этой работы, так же как и работ [109, 138], состояла в раздельном изучении влияния электростатических и гидрофобных взаимодействий (рис. 14) на скорость катализируемых основаниями реакций в мицеллярной модельной системе. БЦТА не влиял на константы скорости гидролиза эфиров 13а—13д, так же как и 14, взятый в отдельности или в смеси с БЦТА. Однако в присутствии смеси БЦТА и 15 было достигнуто значительное ускорение процесса (табл. 11). Результаты согласуются с кинетической схемой реакции псевдопервого порядка для образования фенолов по трехступенчатому механизму [c.304]

Известны также и другие системы, которые обнаруживают ускорение или специфичность реакции, обусловленную электростатическим или гидрофобным взаимодействием или также взаимодействиями с переносом заряда между реагирующими молекулами и катализатором. Некоторые из таких реакций будут рассмотрены в соответствующих главах, посвященных этим взаимодействиям. [c.40]

Ускорение реакций из-за гидрофобных взаимодействий [c.87]

Сорбционное взаимодействие между реагентами, которое вызывает ускорение ферментативной реакции, может быть гидрофобным, электростатическим или зависеть от образования водородных связей. Так, погружение бензильной группы субстрата из воды в гидрофобную среду активного центра приводит к снижению энергии активации до —29,4 кДж/моль и ускорению реакции до 10 раз. Боковые группы субстратной молекулы могут взаимодействовать с белком при наличии противоположно заряженных групп в реагируюш их частицах, что приводит к электростатической стабилизации переходного состояния (гидролиз трипсином метиловых эфиров). [c.421]

Дополнительное сорбционное взаимодействие Е-Н между реагентами (схема 2.10), которое приводит к ускорению ферментативной реакции второго порядка (уравнение 2.19), может быть гидрофобным, [c.42]

И стабилизирующее переходное состояние, может быть, очевидно, и другим, чем гидрофобным. Так боковые группы К молекулы субстрата могут взаимодействовать с белком Е также и электростатически (при наличии противоположно заряженных групп в реагирующих частицах), но ион-дипольному механизму или же, наконец, образовывать водородные связи. Для каждого из этих механизмов стабилизации переходного состояния химической реакции соответствующее ускорение может достичь весьма больших значений (10 —10 ) [1, 3]. [c.210]

Из сказанного можно сделать вывод, что при гидрофобном фермент-субстратном взаимодействии типа Е-Н (схема 2,10) величина Д 5,ВНУ1Р (уравнение 2.19) принимает существенные значения даже при не слишком больших гидрофобных фрагментах Н. Так, для весьма распространенной в живой природе бензильной группы (встречающейся в молекулах производных фенилаланина) понижение свободной энергии активации, обусловленное погружением ее (переносом из воды) в гидрофобную среду активного центра (при образовании переходного состояния химической реакции), может составить величину вплоть до —7 ккал/моль (—29,4 кДж/моль) в зависимости от значения а с 2, которое реализуется в данной энзиматической системе. Это соответствует ускорениям реакции вплоть до 10 раз. [c.45]

Столь подробное рассмотрение роли гидрофобных взаимодействий между субстратом и ферментом в ускорении реакции оправдано тем, что данный тип взаимодействия встр.ечается в огромном числе энзиматических систем, например в реакциях, катализируемых ацетилхо-линэстеразой [10], пепсином [11], липоксигеназой [12], цитохромом Р-450 [13], коэнзим А синтетазой [14], а-химотринсином (см. гл. IV) и многими другими ферментами [1, 15, 16]. [c.45]

При анализе значений наблюдаемых констант скорости второго порядка 2 следует иметь в виду в принципе два возможных эффекта, вызываемых увеличением длины (п) алифатических групп в молекулах реагентов возрастание стерических препятствий, тормозящих реакцию, и, с другой стороны, возрастание свободной энергии гидрофобного взаимодействия реагентов, приводящего к стабилизации переходного состояния реакции и тем самым к ее ускорению. В нуклеофиле (VI) алкильный заместитель отделен от реакционного центра ими-дазольным кольцом. Поэтому при увеличении п в имидазолах (VI) стерические эффекты должны быть выражены в гораздо меньшей степени, чем для сложных эфиров (V), где заместитель расположен непосредственно у атакуемого карбонильного атома углерода. Следовательно, можно допустить в первом приближении, что стерические эффекты зависят только от свойств эфира. И если принять, наконец, что стерический эффект торможения реакции алкильным заместителем в ацильной группе вносит одинаковый вклад как в щелочной, так и в катализируемый имидазолами (VI) гидролиз, то необходимая поправка может быть внесена простым делением величин на соответствующее для данного сложного эфира (V) значение константы скорости щелочного гидролиза н. [c.75]

Зависимость 1й( 2/ он) от числа углеродных атомов п в ацильной части сложного эфира (V) [при различных значениях числа углеродных атомов в алкильном заместителе в имидазолах (VI)) представлена на рис. 19. При значениях п < 5—6 величина слабо зависит отп при изменении длины углеводородных цепей как в том, так и другом реагенте. Это может быть связано с тем, что при образовании переходного состояния реакции имидазольное кольцо и сложноэфирная группа должны быть взаимно расположены таким образом, что короткие алкильные цепи реагентов просто не могут дотянуться друг до друга. При больших значениях п контакт цепей становится возможным и их взаимодействие приводит к значительному ускорению реакции. Система симметрична в том смысле, что увеличение п как в сложном эфире, так и в нуклеофиле (VI) приводит к одинаковому возрастанию скорости. В среднем введение каждой метиленовой группы (свыше первых 5—6) приводит к ускорению реакции в 2,5 раза. Это отвечает понижению свободной энергии активации реакции на 550 кал/моль (2,3 кДж/моль) на каждую метиленовую группу, что представляет собой величину, типичную для гидрофобных взаимодействий углеводородов [5, 9, 13]. [c.76]

И, наконец, укажем на одновременное проявление электростатических и гидрофобных эффектов в катализе гидрофобизованными полиэлектролитами. Так, полистиролсульфокислота обнаруживает повышенную каталитическую активность (по сравнению с мономером) в кислотнокатализируемой реакции гидролиза сложных эфиров алифатических кислот [72]. Механизм ускорения заключается, по-видимому, в следующем. Гидрофобное взаимодействие между углеводородными фрагментами молекулы сложного эфира и аполярными областями в полимерной частице обеспечивает концентрирование субстрата на полимере. Кроме того, необходимо также принять во внимание концентрирование ионов водорода в поверхностном слое полимерной частицы за счет их электростатического взаимодействия с отрицательным зарядом полимера. Этот эффект приводит к локальному понижению pH вблизи сорбированных реагентов и благоприятствует протеканию кислотнокатализируемой реакции. [c.106]

С помощью линейных зависимостей типа Igk /Ks — n R можно описать реакционную способность метиловых эфиров также и других N-ацилзамещенных a-L-аминокислот (Val, Туг, Phe и др.), причем наклон сохраняет постоянное значение, равное примерно 0,6 [62]. Это означает, что гидрофобное взаимодействие с ферментом субстратного фрагмента R вносит аддитивный вклад в ускорение реакции, поскольку величина вклада не зависит от природы специфической боковой группы R в молекуле аминокислоты. [c.159]

Наиболее тонкий пример этого типа дает дифенил (12), в котором имеется одна ионная группа, а другая группа -М1е3 имеет экранированный и слабо взаимодействующий заряд. В этом случае щелочные га-логениды ускоряют рацемизацию примерно на 5 — 10% при концентрации 1 моль/л. Большие органические катионы оказывают более сильное влияние, например в присутствии Na+OTs (1 моль/л) наблюдается ускорение на 80%, а в присутствии (С6Н5)4Р+С1 (0,06 моль/л) -на 19% [149]. Полагают, что при рацемизации происходит сольватация —NMe -группы в переходном состоянии. Ускорение реакции в присутствии больших ионов можно объяснить усилением гидрофобных взаимодействий объемного иона с переходным состоянием, которое [c.190]

В регуляции скорости важную роль могут играть аминокислотные остатки, окружающие координационный центр. Белок может ускорить реакцию путем связывания субстрата вблизи металла в предравновесном состоянии, что приведет к увеличению времени контакта, или путем более благоприятной ориентации субстрата по отношению к металлу. В этом отчасти состоит механизм, удерживающий ион НОг вблизи активного центра (см. выше), который способствует ускорению реакций Ре -каталазы и Ре -пероксидазы с перекисью водорода (разд. 8.6). Порфириновый лиганд также может играть определенную роль в связывании гидрофобных субстратов. Связывание субстратов белком и лигандами, вероятно, должно быть довольно слабым и происходить в зависимости от природы субстрата при участии водородных связей, электростатических или вандерваальсовых взаимодействий. Очевидное условие протекания реакций, в которых участвуют несколько активных центров, состоит в том, чтобы эти центры находились вблизи друг друга. Так, по всей вероятности, осуществляется фиксация азота, для которой требуется один активный центр (по-видимому. [c.242]

В ряде работ было показано, что кинетические эффекты мицелл в присутствии и в отсутствие мочевины и других денатурирующих агентов более чувствительны к характеру и величине гидрофобных взаимодействий, чем величина ККМ. В работе [302] удалось таким путем установить некоторые особенности катализируемого основаниями гидролиза мицеллярного /г-нитрофенилдоде-каноата константа скорости его гидролиза резко уменьшается при увеличении начальной концентрации эфира (от 10 до 10 М), а константа скорости реакции второго порядка основного гидролиза этого эфира в мицеллярной форме (1,0-10 М) в 800 раз меньще, чем константа скорости гидролиза п-нитрофенилацетата. Уменьшение скорости, естественно, объясняется исходя из гидрофобного связывания молекул п-нитрофенилдодеканоата друг с другом, которое защищает функциональную группу эфира от атаки ионом гидроксила. В присутствии мочевины, м-бутилмочевины, диоксана и бромистого тетраметиламмония наблюдалось поразительное ускорение реакции (табл. 23). Поскольку все эти добавки уменьшают константу (табл. 23), то ускорение гидролиза мицеллярного п-нитрофенилдодеканоата можно отнести за счет нарушения гидрофобных взаимодействий, а не за счет влияния среды на эфирную группу [302]. В работе [236] также- было отмечено, что введение в раствор 5,0 М мочевины снижает константу скорости реакции производного гистидина 17 с длинной цепью с катионным эфиром 18 с длинной углеводородной цепью примерно в 10 раз (разд. IV, Д). [c.351]

Более значительное увеличение скорости, вызываемое гидрофобным взаимодействием, было найдено при сравнении аминолиза и-нитрофениловых эфиров уксусной и декановой кислот этиламином и дециламином [15]. После поправки на гидролиз и на 30-кратное уменьшение реакционной способности эфира с более длинной цепью по сравнению с ацетатом (что следует из сравнения скоростей реакций с этиламином и, по-видимому, вызвано стерическими препятствиями) найдено увеличение скорости приблизительно в 100 раз в реакции дециламина с эфиром декановой кислоты по сравнению с ацетатом. Это ускорение можно объяснить сближением реагентов за счет гидрофобного взаимодействия углеводородных цепей. Увеличение скорости не является результатом мицеллообразования, потому что скорость имеет первый порядок по концентрации амина и ускорение наблюдается нри его концентрациях значительно ниже критической концентрации мицеллообразо-вання. [c.307]

Высокая плотность положительного заряда на поверхности мицеллы бромида цетилтриметиламмония должна стабилизировать отрицательно заряженные ионы и переходные комплексы, так что в этих случаях наблюдаемое ускорение реакций можно рассматривать как результат возрастания локальной концентрации ионов гидроксила вблизи субстрата, адсорбированного на поверхности мицеллы. Активность иона гидроксила должна быть постоянной для системы в целом, так что понижение коэффициента активности вблизи мицеллы должно приводить к возрастанию концентрации ионов гидроксила в этой области. Ускорение можно описать более непосредственно как следствие понижения коэффициента активности переходного комплекса реакции на поверхности мицеллы по сравнению с коэффициентами активности реагентов в объеме раствора. Это понижение вызывается гидрофобным взаимодействием с неполярными компонентами и электростатическим с заряжен-ныхми колшонентами переходного состояния. Этот вид бифункционального взаимодействия с малой молекулой, различные части которой при посредстве разных механизмов стабилизированы каждая в своем микроокружении на макромолекуле, по-видимому, полностью аналогичен взаимодействию субстратов с активными центрами ферментов. [c.311]

Это различие объясняется тем, что в водной среде сближение длинноцепочечных амина и сложного эфира облегчено. Гидрофобные взаимодействия объединяют реагирующие молекулы в микромицеллы (группы от 2 до б соседних молекул). Предварительные опыты показали, что ускорение гораздо меньше, если реакцию проводят в смеси диоксан — вода (50 50), т. е. в такой смеси растворителей, в которой гидрофобные взаимодействия должны быть существенно слабее [68]. [c.88]

Наблюдаемое ускорение ферментативной реакции,обусловленное катализом активной поверхностью (за счет сорбции ( химически инертных фрагментов молекулы субстрата), может быть значительным. Из рис. 1 видно, что свободная энергия гидрофобного взаимодействия производного фенилаланина с активным центром а-химотринсина составляет 7 ккал/моль (при переносе субстрата из свободного состояния в воде в переходное состояние любой из химических стадий). Это соответствует ускорению реакции более чем в 10 раз [5]. [c.210]

Детальный кинетикотермодинамический анализ наблюдаемого явления стал возможным лишь в рамках предложенной в МГУ кинетической теории мицеллярного катализа [14—16]. Наиболее существенный вклад в ускорение реакции вносит процесс, аналогичный сорбции субстрата на ферменте (схема 4) — это концентрирование реагентов в мицеллах, которое происходит за счет гидрофобных и электростатических взаимодействий отдельных фрагментов молекул реагентов с поверхностным слоем мицелл (что приводит, в частности, к кажущемуся сдвигу р/ 1 нуклеофила). [c.214]

Мицеллярный катализ оказывает сильное влияние на скорости реакций. Мицеллы — это агрегаты с большим содержанием молекул мыла или детергента, довольно рыхло связанные преимущественно за счет гидрофобных (неполярных) взаимодействий. При увеличении концентрации детергента в водном растворе происходит постепенное изменение физико-химических свойств раствора поверхностного натяжения, плотности, pH и электропроводности. Однако наступает такой момент, когда изменения перестают быть плавными и при небольшом увеличении концентрации детергента какое-либо из свойств раствора резко меняется. Концентрация детергента, при которой наступает такой скачок, называется критической концентрацией ми-целлообразования (ККМ). Мицеллы обычно образуются в водном растворе полярные и неполярные группы находятся соответственно на поверхности и внутри мицелл. Известны и обращенные мицеллы, т. е. агрегаты поверхностно-активных веществ в неполярных растворителях, в которых полярные и неполярные группы расположены соответственно внутри и на поверхности мицелл. За счет неполярных взаимодействий мицеллы связывают множество органических субстратов, что приводит к ускорению химических реакций (или порой к их замедлению). Катализируемые мицеллами реакции обычно протекают на поверхности мицелл. Более того, мицеллярный катализ носит определенные ферментоподобные черты например, кинетика мицеллярных процессов подчиняется уравнению Михаэлиса— Ментен, и катализ характеризуется заметной стереоспецифичностью. Все это указывает на то, что мицеллы можно использовать для моделирования ферментативного катализа [22]. [c.337]

Если заряженная группа, например карбоксилат-анион, находится в гидрофобной области активного центра фермента и поэтому плохо сольва-тирована, то ее нуклеофильная реакционная способность будет увеличенной. Однако соответственно с этим возрастает также и основность такой группы, поскольку дестабилизация аниона, обусловленная плохой сольватацией, должна способствовать любому процессу, который понижает заряд на анионе. Этот эффект объясняет, по-видимому, высокие значения рК (вплоть до 7 и более) для замаскированных карбоксильных групп в ферментах и других белках [73], и, хотя данный эффект способствует увеличению нуклеофиль-ности этих групп, соотношение нуклеофильностп и основности остается практически неизменным. Следовательно, на основании этого эффекта вряд ли дшжно ожидать больших ускорений, если только нуклеофил не защищен от протонирования под действием растворителя и в то же время сохраняет свободу для атаки субстрата. Это возможно в том случае, когда присоединение субстрата к ферменту вызывает конформационное изменение, в результате которого нуклеофил становится доступным и атакует субстрат в гидрофобной среде. Это может служить еще одним примером, когда силы связывания между ферментом и субстратом используются для продвижения системы вдоль координаты реакции, что облегчает каталитический процесс нри одновременном уменьшении наблюдаемой свободной энергии связывания (более подробно этот вопрос будет рассмотрен в гл. 5 в рамках теории индуцированного напряжения). В общем случае, когда увеличение скорости обусловлено изменением природы растворителя , окружающего субстрат в активном центре фермента, причиной этому всегда должно быть специфическое взаимодействие, использующее энергию связывания фермента с субстратом. Так, скорость реакции двух противоположно заряженных реагентов будет больше в гидрофобной среде активного центра фермента (по сравнению с реакцией в воде), поскольку в неполярном окружении заряженные реагенты дестабилизированы и в тоже время дестабилизация менее зарянч енного переходного состояния будет не столь значительной [схема (46)]. [c.83]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология