9.0.4. Простые модели ферментов

Все известные ферменты — это белки. Однако для изучения механизмов их действия и установления природы их высокой специфичности в отношении и продуктов и субстратов были созданы модельные соединения небелковой природы.

По свойствам наиболее близки ферментам циклодекстрины (циклоамилазы), получаемые при расщеплении крахмала [Cra­mer, 1956]. Циклодекстрины действуют как эффективные эсте­разы, субстратами которых служат фенилацетат и его произ­водные. По данным рентгеноструктурного анализа молекулы циклодекстринов представляют собой тор из шести остатков a-D-глюкозы в обычной конформации. Гидроксильные группы образуют короны вокруг верхней и нижней части тора, внутрен­ний диаметр которого составляет около 0,5 нм. При гидролизе карбонильная группа ацетата («гость») приближается к вторич­ным гидроксильным группам циклодекстрина («хозяин»): чем теснее этот контакт, тем быстрее проходит гидролиз. Сложный эфир («гость») ацилирует одну из гидроксильных групп «хо­зяина», высвобождая при этом фенол. Затем в результате реак­ции внутримолекулярного катализа происходит регенерация циклодекстрина в неацилированную форму. Процесс при этом может повторяться неограниченно. Этот цикл реакций напоми­нает ферментативные превращения еще и тем, что он подчиня­ется кинетике Михаэлиса — Ментен (разд. 9.1) и легко ингиби­руется нормальными субстратами [Bender, Komiyama, 1978].

Ковалентным присоединением двух имидазольных групп к циклодекстрину можно получить искусственную рибонуклеазу, имеющую достаточно высокую специфичность в отношении как субстрата, так и продукта [Breslow, 1983]. Присоединяя кова­лентно к циклодекстрину пиридоксамин, можно получить син­тетическую трансаминазу. Эти модельные соединения вызывают ускорение соответствующих реакций в 200 раз, однако в бли­жайшем будущем можно надеяться на значительно большее увеличение скорости [Breslow, 1983].

Исследования этих модельных соединений и данные рентге­ноструктурного анализа природных ферментов показали, что для гидролиза необходимы сближение нуклеофильной группы (аниона глутаминовой кислоты, аспарагиновой кислоты или имидазола) с электрофильным центром — атомом углерода кар­бонила амидной группы и одновременный подход протона к атому азота этой же группы. На циклодекстриновых моделях было установлено, что ферментативноподобная активность мо­жет быть свойственна веществам с ОММ несколько ниже 1000, имеющим простую структуру и симметрию. Более подробные сведения о моделях ферментов можно получить из работ Jencks (1969) и Bender, Komiyama (1978). В литературе есть данные о синтезе микроцикла, ускоряющего ацетилирование аминокис­лот в 10¹¹ раз [Cram, 1983].

Действие ферментов в значительной степени зависит от ми­целл амфифильных молекул, катализирующих многие химиче­ские реакции и нередко рассматриваемых как очень простые модели ферментов (определение понятий «амфифильный» и «мицелла» приведено в разд. 14.0). Расположение гидрофобных (внутри) и гидрофильных (снаружи) групп в мицелле напоми­нает расположение этих групп в молекуле фермента. Подобно ферментам мицеллы денатурируют нагреванием или действием мочевины; как и ферменты, они обладают избирательностью по отношению к субстратам [Jencks, 1969]. Реакции, сопровож­дающиеся высвобождением анионов, такие как гидролиз слож­ных эфиров, катализируются катионными мицеллами, например мицеллами цетилтриметиламмоний бромида (14, 16) [Menger, Portnoy, 1967]. Субстрат концентрируется в мицелле. При этом образуются ван-дер-ваальсовы связи, о чем свидетельствует повышение эффективности катализа при увеличении размеров молекул субстрата. Заряженные группы мицеллы создают заряд в среде, окружающей субстрат (это окружение может стабили­зировать переходное состояние субстрата); предполагается, что фактически они и являются катализаторами. Низкая ди­электрическая постоянная остальной части мицеллы может приводить к дестабилизации любого заряда на субстрате, его переходном состоянии и продуктах.

Эффективность мицеллярного катализа иллюстрирует доде- цилсульфат натрия, ускоряющий связывание ионов Си²⁺ пор- фиринами в 500 000 раз [Lowe, Phillips, 1961]. О катализе мицел­лами см. Cordes (1973), Fendler и Fendler (1975).