Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 2 - Д. Мецлер 1980
Типы реакций, катализируемых ферментами
Реакции нуклеофильного замещения (реакция типа 1)
Факторы, влияющие на скорости реакций замещения
В предыдущей главе (разд. Д) рассматривалась реакция замещения гидроксильным ионом иодид-иона из метилиодида. Можем ли мы подобным образом замещать метальную группу этана (СН3—СН3), разрывая при этом связь С—С и образуя СН3ОН? Нет, не можем. Этан устойчив в растворе щелочи; и в нашем организме он тоже не может расщепляться путем простых реакций замещения. Аналогично этому длинные углеводородные цепи, входящие в состав жирных кислот, не могут быть расщеплены подобным путем в процессе метаболизма жирных кислот. Таким образом, реакции нуклеофильного замещения имеют место в тех случаях, когда замещение совершается легко, однако они не происходят в случаях, когда замещение сильно затруднено. К тому же не каждый анион или основание В может замещать другую группу.
Можно отметать по крайней мере четыре фактора, определяющие вероятность протекания реакции замещения: 1) положение равновесия суммарной реакции, 2) реакционноспособность (нуклеофильность) входящего нуклеофила, 3) химическую природу уходящей группы, замещаемой в реакции, и 4) специфическую особенность структуры субстрата.
Первый фактор — термодинамический. В качестве примера рассмотрим гидролазы, катализирующие расщепление амидов, эфиров и фосфодиэфирных связей при участии воды в качестве входящего нуклеофила. Поскольку ферменты обычно работают в среде с высоким содержанием воды, равновесие фактически всегда сдвинуто в сторону гидролиза, а не в сторону обратных реакций синтеза.
Нуклеофильная реакционноспособность (нуклеофильность) частично определяется основностью: соединения, относящиеся к сильным основаниям, обычно быстрее вступают в неферментативные реакции, чем более слабые основания. Гидроксильный ион (ОН-) служит лучшим нуклеофилом, чем —СОО-. Однако ферменты обычно работают с оптимальными скоростями при значениях pH, близких к нейтральным. При pH 7 —СОО--группа обладает более высокой реакционноспособностью, чем более сильные основные группы, такие, как —NH2 или ОН-, поскольку при нейтральных значениях pH эти группы будут почти полностью протонированы, и концентрация активного нуклеофила должна быть очень низкой.
Вторым фактором, влияющим на нуклеофильность, является поляризуемость. Под этим понятием мы подразумеваем легкость, с которой нарушается распределение электронов вокруг атома или внутри какой-либо химической группы. Увеличению поляризуемости способствует большой атомный радиус и наличие двойных связей в группе. В общем случае чем сильнее поляризована группа, тем быстрее она будет реагировать в реакции нуклеофильного замещения (очевидно, это связано с тем, что поляризуемая группа способна образовывать частичные связи на большем расстоянии, чем неполяризуемая группа). Так, анион I- более реакционноспособен, чем Вr-, а последний в свою очередь более реакционноспособен, чем Сl-. Поляризуемые основания, такие, как имидазол, часто гораздо более реакционноспособны, чем неполяризуемые, такие, как, например, —NH2. Соединения серы проявляют высокую нуклеофильность, и этим, возможно, объясняется важная роль SH-гpyпп в биохимических процессах. Интересно отметить, что в реакциях замещения у карбонильных групп (в табл. 7-1 реакция типа 1.Б) труднополяризуемые (жесткие) нуклеофилы более реакционноспособны, чем легко поляризуемые, такие, как І-.
Часто делаются попытки выразить нуклеофильность через основность в совокупности с каким-либо другим свойством, например поляризуемостью [1].
Другое явление, которое, может быть, не играет большой роли в ферментативном катализе, но позволяет объяснить действие некоторых ядов, называют a-эффектом. Имеется в виду тот известный факт, что определенные комбинации атомов (в которых атом с неподеленной парой электронов непосредственно связан с нуклеофильным центром протекающей реакции) обладают большей нуклеофильностью, чем другие соединения, обладающие сходной основностью. Высокая реакционно- способность некоторых ядовитых веществ — гидроксил амина (NH2OH) и цианид-иона (CN-) — может быть объяснена именно таким образом [4].
Химическая природа уходящей группы сильно влияет как на скорость реакции нуклеофильного замещения, так и на положение равновесия. Уходящая группа должна иметь пару электронов и часто несет отрицательный заряд. Метильная группа, отщепляемая от этана или метана в виде СН-3, должна быть очень плохой уходящей группой (Ка метана как кислоты по имеющимся данным равно 47 [5]). Йодид-ион является хорошей уходящей группой, a F- — значительно (более чем в 104 раз) худшей [5] В водной среде фосфат-ион — гораздо лучшая уходящая группа, чем ОН-, а пирофосфат и триполифосфат — даже еще лучшие уходящие группы.