Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 2 - Д. Мецлер 1980
Типы реакций, катализируемых ферментами
Замещение у атома фосфора
Пятиковалентные промежуточные соединения и пермутационные перегруппировки при замещении у атома фосфора
В то время как атом углерода способен образовывать только четыре прочные ковалентные связи, фосфор может образовывать пять связей. Нуклеофильная атака атома углерода приводит к образованию неустойчивого (короткоживущего) переходного состояния с пятью связями, тогда как в результате атаки атома фосфора образуется пятиковалентное промежуточное соединение, которое может быть относительно стабильным и долгоживущим. Заметим, что наш обычный способ изображения эфиров фосфорной кислоты с двойной связью между атомом фосфора и одним из атомов кислорода обычно вводит в заблуждение. Все связи Р—О обладают определенной степенью двоесвязанности, и фосфатная группа в делом проявляет свойства структуры, целиком образованной одинарными связями:
В уравнении (7-20) показано, как нуклеофильная группа X- атакует тетраэдрическую фосфатную группу со стороны, противоположной группе О—R, с образованием пятиковалентного промежуточного соединения, геометрическая форма которого изображается тригональной бипирамидой:
В этой структуре не все валентные углы одинаковы. Углы между связями, лежащими в экваториальной плоскости, составляют 120°, в то время как углы, образованные любой из этих связей и двумя связями, к которым присоединены группы в аксиальном (вершинном) положении, составляют 90°. Это неравенство углов вытекает из того простого факта, что невозможно разместить пять точек на поверхности шара так, чтобы все они находились на одинаковом расстоянии друг от друга (в то время как четыре точки можно расположить на поверхности одного шара так, что они будут на одинаковом расстоянии друг от друга, образуя тетраэдр). Если X-атакует со стороны, противоположной О—R, это приводит к образованию тригональной бипирамиды, в которой —О—R и —X занимают два аксиальных положения. Однако, если Х- атакует со стороны, противоположной одному из других кислородов, —О—R занимает экваториальное положение.
Группы, находящиеся в аксиальном и экваториальном положениях пятивалентного промежуточного соединения, существенно различаются по своей химической реакционноспособности [62]. В частности, отщепление нуклеофильной группы с образованием тетраэдрического фосфата происходит гораздо легче, если она находится в аксиальном, а не в экваториальном положении. Вновь вернемся к рибонуклеазе. В уравнении (7-19) показано, что в промежуточном пятиковалентном соединении, образующемся, когда 2'-гидроксильная группа атакует фосфор со стороны, противоположной положению 5'-кислорода второго нулеотидного звена, как атакующая, так и уходящая группы находятся в аксиальных положениях. Благодаря этому облегчается отщепление уходящей группы. На стадии б уравнения (7-19) показано (произвольно), как происходит атака молекулой воды со стороны, противоположной 3'-кислороду. Это должно привести к образованию промежуточного соединения, в котором отщепляемая группа (2'-кислород) находится в экваториальном положении. Прежде чем эта группа сможет отщепиться, она, по-видимому, должна претерпеть пермутационную перегруппировку — перенос из экваториального положения в аксиальное.
Один из типов пермутационной перегруппировки, известный как псевдовращение, можно изобразить следующим образом [63, 64]:
Аксиальные группы а и b перемещаются назад путем «вибрационного движения», в то время как экваториальные группы 2 и 3 двигаются вперед, оставаясь в той же самой экваториальной плоскости. Экваториальная группа 1 остается на месте. Это приводит к тому, что угол между экваториальными группами, равный в исходном состоянии 120°, уменьшается, а углы между группой 1 и аксиальными группами увеличиваются до тех пор, пока все четыре угла, образованных группой 1, не станут эквивалентными. Образующаяся в результате тетрагональная бипирамида является «высокоэнергетическим» переходным состоянием процесса псевдовращения, которое может либо вернуться обратно к исходному состоянию, либо при продолжающемся движении групп в том же самом направлении, что и раньше, — к структурам, показанным в правой части уравнения (7-21). В конечной структуре группы 2 и 3 находятся в аксиальном положении, а группы а и b, первоначально находившиеся в аксиальном положении, переходят в экваториальное положение. Другой механизм пермутационной перегруппировки, получивший название «турникетной перегруппировки», приводит к тому же конечному продукту реакции, что и псевдовращение [65]. Псевдовращение — процесс достаточно медленный и поэтому в некоторых ферментативных реакциях может, по-видимому, выступать в роли стадии, лимитирующей скорость.
Расположение реагентов при атаке замещающей группой в положении, противоположном уходящей группе, соответствует «линейному» механизму, в то время как атака с другой стороны, приводящая к образованию промежуточного соединения, которое претерпевает псевдовращение, представляет собой процесс, допускающий смежное положение групп (adjacent process).
Если два атома, присоединенных к фосфору, являются частью пятичленного цикла [как в случае с циклическим промежуточным производным, образующимся в рибонуклеазной реакции (7-19)], то один из них должен занять аксиальное, а другой — экваториальное положение. Это означает, что на стадии б уравнения (7-19) молекула воды должна обязательно атаковать положение, противоположное либо 2'-, либо 3'-кислородному атому, но не двум другим атомам кислорода.
Изучение стереохимического аспекта действия рибонуклеази на диастереоизомеры уридин-2',3'-циклического фосфотионата [66] наряду с другими данными [67] указывают на то, что в случае этого фермента действует линейный механизм:
