Роль ионов металлов в ферментативном катализе

Механизмы биологических процессов, протекающих с участием неорганических кофакторов ферментов, в большинстве случаев окончательно не установлены. Современные данные по этому вопросу касаются главным образом роли ионов металлов в ферментативном катализе (см. раздел Роль металлов в ферментативном катализе ). [c.248]

Ион металла может участвовать в присоединении субстрата, собственно в катализе, в стабилизации оптимальной конформации молекулы фермента и т. д. (табл. 2.2). Подробнее о роли ионов различных металлов в ферментативных превращениях см. главу 4. [c.95]

РОЛЬ ионов МЕТАЛЛОВ В ФЕРМЕНТАТИВНОМ КАТАЛИЗЕ [c.252]

Было показано, что ионы металлов катализируют большое число органических и ферментативных реакций, включая гидролиз шиффовых оснований [166], декарбоксил ирование р-кетокислот [167] и карбоксилирование первичных нитросоединений и метилкетонов 1168, 169]. Роль ионов металлов в катализе органических реакций уже обсуждалась ранее [170]. Было установлено, что ионы металлов обусловливают каталитическую активность ряда ферментативных реакций, например реакции, катализируемые ферментами, содержащими пиридокс-альфосфат, некоторыми экзо-пептидазами и многими окислительно-восстановительными ферментами [171]. [c.65]

Предложено много гипотез, касающихся роли ионов металла в ферментативных реакциях. Не рассматривая эти гипотезы подробно, отметим основные общие положения 1) металл способствует связыванию субстрата с ферментом и входит в состав активного центра 2) комплекс металла с субстратом является фактически активированным субстратом и 3) образование комплекса между металлом и функциональными группами белка способствует поддержанию третичной структуры белка в конформации, необходимой для выполнения каталитической функции. Клотц [187], основываясь на данных об участии ионов металлов в связывании ииркдпн-2-азо-л-диметиланилина сывороточным альбумином быка, предположил, что для пептидаз, требующих наличия нона Мп(П) — слабого комплексообразователя, роль иона металла состоит не в связывании субстрата в основном состоянии. Он полагал, что один из возможных механизмов катализа включает стабилизацию промежуточного тетраэдрического соединения по следующему механизму [c.125]

Роль металла в катализе, по всей вероятности, заключается в том, что он в качестве кислоты Льюиса оттягивает электроны от углеродного атома карбонильной группы. Эта точка зрения нашла отражение в разнообразных предполагаемых механизмах действия КПА [128, 129]. Ее прямым подтверждением служит обнаружение связи 2п—О в кристаллическом состоянии. Кроме того, изменение природы металла сказывается прежде всего на величине кат- Тем не менее активности нескольких металло-КПА не укладываются в ряд Ирвинга—Уильямса, в котором кислоты Льюиса располагаются в порядке изменения их силы (Мп< Ре< Со< К1< Си>>2п) [5]. Для пептидных субстратов эффективность металлов изменяется в ряду o>2n=Ni>Mn> u=0, а для эфирных — в ряду d>Mn> o>2n=Ni>Hg> u=0 (табл. 15.5). Выяснение способа, которым белок изменяет естественный ряд каталитической эффективности металлов, необходимо для понимания функциональных свойств этого металлофермента. Нельзя сказать, что сейчас в этой области достигнуты значительные успехи. Особенно большую роль в ферментативном гидролизе могут иметь пространственные и геометрические факторы. Например, выпадение Си-КПА из ряда Ирвинга—Уильямса может быть результатом того, что из-за ограничений, накладываемых ориентацией белковых лигандов и геометрией иона Си +, атом кислорода карбонильной группы субстрата не может занять положение, при котором возможен перенос части заряда на ион металла. Действительно, на картах электронной плотности комплекса Си-КПА и глицилтирозина с низким разрешением [70] не наблюдается участка с положительной плотностью около остатка 01и-270, что предполагает отсут- [c.544]

Важную роль в понимании природы ферментативного катализа сыграло (и продолжает играть) изучение механизмов органического ка тализа, а также катализа ионами и комплексами металлов. Это связано с тем, что в активные центры ферментов входят боковые группы аминокислот, такие как имидазольная, карбоксильная, гидроксильная, или аминогруппа, либо ноны металлов (Си , Ре , и др.), координационно связанные с этими группами. Поэтому [c.71]

Ионы металлов играют исключительную роль в ферментативном катализе (биокатализе). Изученные биокаталитические реакции можно разделить на две большие группы гидролитические реакции и окислительно-восстановительные (к последним относится и реакция фиксации атмосферного азота). [c.570]

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]

Многие из общих подходов к исследованию механизма действия ферментов также применимы и к изучению роли ионов металлов в ферментативном катализе. Схемы координации, описывающие взаимодействие фермента, металла и лиганда, могут быть изучены методами, применяемыми при определении стехиометрии и сродства связывания белками небольших молекул. Эти методы включают гель-фильтрацию в присутствии или в отсутствие небольших молекул [49], метод скоростного диализа [50], ультрафильтрацию, метод ультрацентрифугирования по Хейесу — Велику [52], равновесный диализ [53], а также методы для измерения только сродства взаимодействия [54—58]. Выбор схемы координации ионов металлов и лигандов с ферментами с помощью этих методов возможен только при отсутствии влияния других факторов. Например, если образуется комплекс Е — лиганд — М +, фермент должен проявлять значительное сродство к иону металла только в присутствии лиганда. И, наоборот, если образуется комплекс Е — М + — лиганд, то не должно происходить значительного связывания лиганда в отсутствие иона металла. Однако практически ферменты часто проявляют склонность к связыванию обоих компонентов комплекса, невзирая на выбранную схему координации. Следовательно, важны данные, полученные с учетом стехиометрических и кинетических критериев. Такие важные типы комплексов, как Е — лиганд — М + и Е — М + — лиганд, обычно содержат все три компонента в эквимолярных количествах. Более [c.449]

В настоящее время наблюдается мощный интеллектуальный подъем в неорганической химии, который сильнее всего затронул те ее области, которые лежат на стыке с соседними дисциплинами химию металлоорганических и бионеорганических соединений, химию твердого тела, биогеохимию и др. Возрастает, в частности, уверенность ученых в том, что неорганические элементы играют важную роль в живых системах. Живые существа вовсе не являются чисто органическими. Они весьма чувствительны к ионам металлов почти всей Периодической системы Д.И. Менделеева. Некоторые ионы играют важнейшую роль в таких жизненно важных процессах, как связывание и транспорт кислорода (железо в гемоглобине), поглощение и конверсия солнечной энергии (магний в хлорофилле, марганец в фотосистеме II, железо в ферродоксине, медь во фта-лоцианине), передача электрических импульсов между клетками (кальций, калий в нервных клетках), мышечное сокращение (кальций), ферментативный катализ (кобальт в витамине В12). Это привело к взрыву творческой активности ученых в области неорганической химии биосистем. Мы начинаем изучать строение ближайшего и дальнего окружения атомов металлов в биосистемах и учимся понимать, как это окружение позволяет атому металла с такой высокой чувствительностью реагировать на изменение pH, давление кислорода, присутствие доноров или акцепторов электронов. [c.158]

Для выяснения роли ионов металлов в ферментативном катализе было изучено изменение начальных скоростей реакции как функции концентрации субстрата и иона металла. Хотя Малмстрём и Розенберг [3] показали, что реакции образования комплексов Е — М + — субстрат и Е — субстрат — М + для односубстратных систем имеют сходные кинетические уравнения, в случае многосубстратных систем можно определить порядок присоединения иона металла и субстрата по методу Клеланда [59, 60] с введением соответствующих поправок на взаимодействие металл — субстрат. Некоторые примеры с использованием этого подхода будут обсуждаться в следующих разделах (см. также гл. 18). В этой связи необходимо заметить, что часто неудовлетворительной является практика поддержания постоянной и насыщающей концентрации иона металла в ходе изучения кинетики при выяснении влияния порядка присоединения субстрата и (или) отщепления продуктов. Во многих системах незакомплексованный М + действует как активатор или как ингибитор реакции. Более того, в случае слабых комплексов, например MgAДф-, относительная концентрация промежуточных соединений является функцией общей концентрации обоих компонентов комплекса [16]. [c.450]

Катализу ионами металлов посвящена гл. 9. Это прежде всего связано с тем, что систематическое исследование механизма действия ме аллофермен-тов невозможно без знаний общих принципов катализа ионами металлов. Изложение здесь также ведется прежде всего с энзимологических позиций, ие претендуя иа всесторонний охват многочисленных вопросов металлокомплекс-иого катализа, которым посвящены специальные издания (см., например, монографию Г. Хенрици-Оливэ и С. Оливэ ). Приведенных примеров, однако, вполне достаточно, чтобы оценить ту роль, которую могут играть и играют ионы металлов в ферментативном катализе. [c.5]

Недавно была описана реакция восстановления этилбензо-илформиата Ы-бензилдигидроникотинамидом, протекающая в ацетонитриле в присутствии перхлората магния в роли катализатора. За 17 ч при комнатной температуре выход этой реакции составил 86%, т, е. ее скорость значительно ниже скорости соответствующих ферментативных реакций. Тем не менее эта система заслуживает особого внимания, поскольку ион металла здесь не связан в комплекс с молекулой субстрата, как в первом примере, а находится в свободном состоянии в растворе. Аналогичные реакции восстановления с использованием оптически активных дигидроникотина МИДОВ обладают частичной стереоспецифичностью. Ион металла образует хелатный комплекс не с субстратом, а с восстановителем. Во всех этих примерах скорость реакции невелика предстоит провести еще много исследований, прежде чем удастся достичь ускорений, наблюдаемых при катализе ферментами [4]. [c.191]

Катализ в обращенных мицеллах обсуждается в обзоре Фендлер и Фендлера [25]. Поистине громадные эффекты ускорения были получены в полярной полости, например при аква-тации трис(оксалато)хром(1П)-аниона в бензоле в обращенных мицеллах карбоксилатов алкиламмония. Поведение ионов металлов в обращенных мицеллах интенсивно исследуется, поскольку в ферментативных превращениях эти ионы играют далеко не последнюю роль [23]. [c.341]

Исследования в этой области стимулировали интерес к наиболее активным биологическим катализаторам окислительно-восстановительных процессов. В. В. Воеводский активно участвовал в работе I Всесоюзной конференции по механизму ферментативных реакций и Совещания по моделированию ферментов. Завершающийся в настоящее время цикл работ по выяснению природы биокаталитической активности фермента ка-талазы методом моделирования был выполнен в московской лаборатории при постоянном творческом контакте с В. В. Воеводским. Высказанные В. В. Воеводским представления о коллективном характере взаимодействий в случае биокатализа подобны современным представлениям о полифункциональной структуре активного центра фермента. Изучение ряда комплексов железа — от гидратированного иона до его сложного белковопорфиринового комплекса, каталазы — выявило особую роль димерных образований, ассоциатов ионов металлов в окислительно-восстановительном катализе. Эта форма коллективного участия ионов металла в элементарном акте окислительно-восстановительного катализа оказалась присущей не только биологическим, природным комплексам, но и ряду обычных комплексов, вплоть до аква-иона железа. [c.370]

На основании вышеизложенного можно сделать только предварительное заключение, что ион меди в составе фенолоксидаз выполняет каталитические функции. Подтверждение этому дают исследования модельных систем. Например [14], при использовании комплекса двухвалентной меди с морфолином в растворе метилового спирта была получена система, способная окислять монофенолы. Эта система аналогична ферменту в двух отношениях во-первых, была показана роль меди и установлено, что медь не может быть заменена ионами других металлов во-вторых, при окислении монофенолов основным направлением реакции было окисление в орто-положении. Существенное отличие модельной системы состоит в том, что истинным окислителем в ней служит перекись водорода, которая образуется вследствие спонтанного окисления фенола, в то время как при ферментативном катализе перекиси водорода не образуется. [c.257]

Участие минеральных веществ в ферментативном катализе. Действие более четвертой части известных в настоящее время ферментов тем или иным образом связано с металлами. В большинстве случаев ионы металлов вступают в непрочную связь с апоферментом, образуя с ним легко распадающийся комплекс. В виде комплекса с металлом Армент проявляет максимальную активность, приобретая соответствуюыцто пространственную конфигурацию. Таким образом, здесь ионы металлов выступают как организаторы третичной структуры фермента, в частности как организаторы активных центров ферментов. Именно так обстоит дело при взаимодействии ионов одновалентных металлов более чем с 60-ю и ионов цинка более чем с 30-ю ферментами животного, растительного и бактериального происхождения. Велика роль отдельных катионов в формировании ферментов—мультимеров, где связь между отдельными протомерами осуществляется при участии ионов металлов. К числу таких катионов относятся Са и др. Особенно подробно в указанном смысле изучена а-амилаза. В присутствии Са " стабилизируются третичная и четвертичная структуры этого фермента, устойчивые по отношению к пептидгидролазам желудочно-кишечного тракта. [c.436]