Делать невозможное: катализируемая ферментами реакция Дильса-Альдера

Известно, что такие преобразования, проводимые в химических лабораториях, требуют жестких условий реакции. Например, необходимы высокие температуры около 80-120 ° C, чего нельзя достичь в живых клетках. Ферментативный катализ имеет уникальную особенность — способность ускорять химические реакции с выдающейся возможностью проводить желаемые превращения при гораздо более низких температурах. В такой реакции катализатор — это вещество, которое направляет химические процессы превращения субстрата в продукт таким образом, что для его осуществления требуется меньше энергии активации.

В результате катализа реакция протекает намного быстрее, чем соответствующий некаталитический процесс. Несмотря на активное участие катализатора в химической реакции, он полностью восстанавливает свою структуру и снова успешно выполняет ускорение.
В классической модели ферментативного катализа одна стадия некаталитической реакции с высокой энергией активации заменяется многоступенчатым каталитическим процессом с несколькими низкоэнергетическими переходными состояниями и промежуточными соединениями. Согласно этой хорошо известной энергетической поверхности, невозможно объяснить каталитические реакции циклоприсоединения в синтезе Spinosyn A. Вычислительное моделирование показало лишь небольшое уменьшение энергии активации, что делает заметное увеличение скорости реакции маловероятным.

В исследовании проф. V.п.

Анаников с коллегами из Института органической химии им. Зелинского. Авторы предложили новый путь ферментативного катализа, чтобы объяснить больший каталитический эффект.

Модель предполагает, что гибкая циклическая молекула субстрата может быть ограничена под влиянием ферментного окружения, что приводит к сближению диеновых и диенофильных фрагментов молекулы с определенной геометрией, которая ближе к переходному состоянию.
Однако в результате такого сжатия энергия молекулы увеличивается.

Это увеличение энергии компенсируется водородными связями субстрата с аминокислотными остатками активного центра фермента. Из-за нескольких шагов такого сжатия / компенсации общая энергия системы немного изменяется, но структура подложки существенно приближается к переходному состоянию. В реагирующей молекуле необходимы лишь незначительные смещения атомов, чтобы достичь точки переходного состояния и превратить ее в продукт реакции.

Таким образом, весь процесс включает несколько промежуточных соединений только с одним переходным состоянием.
Энергетически сбалансированная координата реакции дает возможность синтезировать продукт, достигнув значительного активационного барьера по сравнению с обычным некаталитическим путем реакции.

Важно отметить, что такой путь реакции происходит только через одно переходное состояние. Эти результаты продвигают наше понимание ферментативного катализа и открывают новые возможности для разработки новых каталитических реакций.

Портал обо всем