Кислотно-основные стадии ферментативных реакций

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]

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]

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]

Стадии переноса протона в ферментативном катализе. Характерная особенность ферментативных реакций — участие в активных центрах многих ферментов в качестве каталитически активных групп сильных кислот и оснований. Основные закономерности кислотно-основного катализа в ферментативном действии рассмотрены в гл. П. Здесь оста- новимся на кинетике элементарной стадии переноса протона. [c.273]

Влияние pH на ферментативную активность иногда можно объяснить в рамках модели, предполагающей, что катализ зависит от состояния ионизации некоторых аминокислот. Тогда, если зависимость кат//См от pH описывается колоколообразной кривой, по ней можно определить константы ионизации Ки и К е каталитически важных групп в свободном ферменте. Константы ионизации, относящиеся к комплексу Е5, можно получить из зависимости кат от pH [101]. В случае КПА определение величин К е и Кге было бы полезным для установления роли тирозина и других остатков, расположенных вблизи субстрата. Однако имеющиеся данные довольно скудны. Пептидный субстрат КБЗ-01у-01у-РЬе был исследован недавно в условиях, при которых интерпретация результатов не осложняется ингибированием или активацией [7]. Кривые зависимости кат/-/См от pH оказались колоколообразными, что предполагает участие в катализе как кислой, так и основной групп. Кривые, описывающие влияние pH на кат, для этого субстрата имеют точку перегиба около pH 6. В щелочной области (до pH 10,5) кат практически постоянна . Отсутствие данных, указывающих на титрование второй группы в комплексе Е5, не исключает возможности участия в реакции кислотного катализа, если предположить, например, что соответствующая стадия не лимитирует скорость реакции (ср., однако, работу [103]). Зависимость гидролиза КГФ от pH представлена в нескольких ранних работах. Данные, полученные при высокой концентрации субстрата, указывают на с./южный характер влияния pH на кат и [26]. По зависимости начальной скорости от pH [104] были определены величины р/Се51 равные 6,5 и 8,6, однако сравнение с ацилтрипептидами показывает, что эти данные нуждаются в уточнении. При более низкой концентрации КГФ влияние pH на кат менее выражено [85]. [c.536]

Система полвиериый катализатор — полимерный субстрат. Немногочисленные работы, посвященные изучению каталитич. превращений полимерных реакционноспособных эфиров в присутствии К. п., обнаружили, что эти превращения напоминают ферментативные реакции. Прежде всего, использование определенного типа полимерных систем дает возможность осуществить гораздо большую степень ассоциации между катализатором и субстратом, чем в случае низкомолекулярных субстратов, а именно эта стадия и отвечает за селективность и, отчасти, за эффективность процесса. Естественно ожидать, что в таких системах для образования прочных ассоциатов достаточно, чтобы каждый компонент содержал очень небольшое число связывающих центров. В общем случае можно считать, что молекулярные ассоциаты образуются тогда, когда смешение двух полимерных р-ров, один из к-рых содержит каталитически активные, а другой — реакционноспособные группы, происходит экзотермически. Такие эффекты обычно наблюдаются,когда между макромолекулами осуществляется взаимодействие кислотно-основного типа. [c.481]

КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ СТАДИИ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ [c.158]

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]

Независимо от механизма участия ионогенных групп фермента в каталитическом эффекте исследование влияния pH на скорость ферментативной реакции позволяет количественно охарактеризовать кислотно-основные свойства этих групп, а это, в свою очередь, дает возможность по величине рК в первом приближении идентифицировать природу ионогенных группировок, связанных (прямо или косвенно) с каталитическим действием. В связи с этим нельзя не согласиться с мнением много работавшего в области ферментативной кинетики Лейдлера [5], что строго количественное исследование влияния pH на скорость энзиматических реакций, может много дать для расшифровки механизма элементарных стадий этих реакций. [c.104]

Круг ферментов, осуществляющих ускорение реакций по механизму кислотно-основного катализа, оказывается значительно более широким, чем это можно было бы ожидать при рассмотрении только типа проводимых ими брутто-реакций. Механизмы большинства ферментативных реакций содержат стадии кислотно-основных процессов. [c.159]

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]

Этот фермент изучен недостаточно детально, и химизм его действия построен скорее на основе набора брутто-реакций, необходимых с точки зрения общей органической химии для проведения подобного процесса каталитического превращения, чем на анализе элементарных актов ферментативной реакции. Поэтому, как и в предыдущих случаях, проводимые схемы отражают скорее суммарный процесс переноса водорода между различными участками фермента и субстрата и могут не являться элементарными стадиями каталитического процесса. Однако на современном этапе изучения пиридоксалевых ферментов ПJДoбныe сведения представляют определенный интерес, а самое главное, их достаточно для суждения о типе и общем облике кислотно-основного центра этого фермента. Изменения в активном центре катализатора в общем аналогичны предыдущим, и каталитический механизм реакции можно представить в виде [c.236]

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]