Катализ
Катализаторы это вещества, которые влияют на
скорость реакции, но сами при этом не расходуются. В живых клетках основным и
катализаторами являются ферменты (см. с. 94). Очень немногие реакции
катализируются молекулами РНК ("рибозимы", см. сс. 242, 248).
А. Основы катализа
Причиной низкой скорости большинства
органических реакций является высокий энергетический барьер (энергия активации,
см. с. 28), который должны преодолеть молекулы прежде, чем вступить в реакцию. В
водных растворах энергия активами расходуется на разрушение гидратной оболочки
молекул реагентов. Часто во время реакции происходит разрушение мезомерных
структур, что также требует затрат энергии. Наиболее высокая точка
энергетической кривой обычно соответствует энергетически неблагоприятному
переходному состоянию (1). Катализатор снижает энергию активации и
направляет реакцию по другому пути (2). Если все переходные состояния
характеризуются более низкой энергией активации по сравнению с реакцией в
отсутствие катализатора, то альтернативная реакция протекает с более высокой
скоростью несмотря на образование большого числа промежуточных продуктов.
Поскольку реагенты и продукты реакции в обоих случаях идентичны, реакция,
протекающая в присутствии катализатора, не влияет на изменение свободной энергии
ΔG, Катализаторы, в том числе ферменты, в принципе не влияют на равновесное
состояние реакции (см. с. 24).
Утверждение о том, что катализатор снижает
энергию активации, строго говоря, не корректно, так как реакция в присутствии
катализатора не идентична исходной реакции. Просто это совершенно иная реакция,
имеющая более низкий активационный барьер.
Б. Каталитический гидролиз сложных эфиров
в присутствии имидазола
В качестве простого примера рассмотрим гидролиз эфиров карбоновых
кислот. В отсутствие катализатора (верхняя часть схемы Б)
речь идет о нуклеофильном замещении (см. с. 20). В качестве
нуклеофильного заместителя выступает атом кислорода молекул воды, местом атаки
является C-атом карбонильной группы (1), который
из-за сильной поляризации двойной связи имеет частичный положительный заряд
(см. с. 14). На первой стадии образуется нестабильное тетраэдрическое
переходное состояние (2); на второй стадии элиминируется
молекула спирта и образуется анион карбоновой кислоты (3).
Большинство реакций замещения, представляющих биохимический интерес, протекают
по аналогичному механизму присоединения — элиминирования.
Несмотря на то, что ΔG в данном случае величина отрицательная,
гидролиз сложных эфиров в воде идет с низкой скоростью, поскольку вода обладает
слабыми нуклеофильными свойствами. В щелочной области pH гидролиз идет гораздо
быстрее, поскольку в этом случае в реакции принимает участие сильный нуклеофил
— ОН-ионы. Однако реакцию при нейтральных значениях pH можно ускорить, если
в среду добавить основание, например имидазол. Катализируемая имидазолом
реакция (нижняя часть схемы Б), протекает в
две стадии. На первой стадии в роли нуклеофильного реагента выступает молекула
самого катализатора. В качестве относительно стабильного промежуточного продукта
образуется N-ацилимидазол. На второй стадии идет гидролиз промежуточного продукта.
При этом, как и в первом случае. образуется анион карбоновой кислоты и высвобождается
молекула катализатора. Энергетическая диаграмма показывает, что энергия активации
промежуточных реакций существенно ниже по сравнению с реакцией в отсутствие
катализатора. Поэтому гидролиз сложного эфира ускоряется в присутствии имидазола.
Как и в случае ферментативного катализа (см. с. 98), скорость
катализируемой реакции пропорциональна концентрации катализатора.