торый при комплексообразовании с солями а-аминоэфиров образует промежуточное соединение, соответствующее реакции переацилирования (тиолизу) между каталитической группой (тиольной) хирального акцептора и энантиомерными солями донора [143]. Однако сразу же следует учесть, что эти модельные системы имитируют только одну стадию, катализируемую сери-новой протеазой,— стадию ацилирования. До сих пор для стадии деацилирования не наблюдали увеличения скорости. Был получен изображенный ниже циклический хиральный акцептор, и его сравнивали по способности к комплексообразованию с аналогичным «линейным» акцептором.

о <х

СГ

hs

.СОО—(ч />-N02 /COOEt

r-chc ш ^-^ r-ch; . + но-<ч />-no2

nh3 nh3 ^—V

С этой целью данные акцепторы изучены при гидролизе п-нит-рофениловых эфиров ь- и D-аминокислот. Реакцию проводили в смеси EtOH — СН2С12 (1:4), насыщенной буфером, содержащим 0,2 моль/л СНзСООН и 0,17 моль/л CH3COONa (рН 4,8). Выделение n-нитрофенола сопровождалось образованием этилового эфира аминокислоты.

Наблюдения показали, что эфиры ь-аминокислот реагируют с циклическим полиэфиром в 102—103 раз быстрее, чем с его разомкнутым аналогом. Очевидно, вынужденное сближение центров связывания в значительной степени способствует комплексообразованию. В то же время пролиновые эфиры реагируют с обоими акцепторами с одинаковой скоростью. Следовательно, как было показано ранее, для эффективного комплексообразования

Моделирование ферментативных систем

277

^бходимо наличие трех протонов на а-атоме азота. В более трном растворителе (40% Н20 — CH3CN) скорость умень-Иется в 10 раз. Это говорит о том, что молекулы воды обра-Щрт водородные связи с a NH.3- группами и тем самым создают ¦куренцию молекулам акцептора. Во всех случаях 5-акцептор Истрее реагирует с природными ь-аминокислотами, чем /?-акцеп-В. Отношение их каталитических активностей зависит от размера 1местителя R в глициновом остатке.

R ^катАкат

СН3—СН— I

СНз Ph—СН2— (СНз)2—СНСК2-СНз—

9,2

8,2 6,0 1,0

Эти реакции напоминают переацилирование, при котором син-Вированный акцептор обладает некоторыми свойствами трип-па (узнает ЫНз-группу) и папаина (имеет остаток цистеина |активном центре).

J Следующие структурные формулы демонстрируют взаимную эриентацию S-акцептора и донора (эфира ь- или D-аминокислоты) 1 состоянии, подобном «переходному» [143].

4SH

Ьаимная ориентация .^-акцептора ь-аминок,ислоты, более стабильная структура

взаимная ориентация '^-акцептора и D-аминокислоты, менее стабильная структура

[Теперь довольно легко понять, почему предпочтительно «отбирается» и гидролизуется S-изомер. Удаленность боковой цепи Jot хирального барьера сводит к минимуму стерич<еские фак-|)ы и приводит к образованию более устойчивого интермедиата. (Руководствуясь такими соображениями, Лен и Сирлин [148] (Получили хиральный макроциклический молекулярный катализатор, несущий цистеиновые остатки. Катализатор связывает ал-Киламмониевые соли, вызывает увеличение скоростей внутримолекулярного тиолиза связанных с ним субстратов, обнаруживая Структурную селективность к эфирам дипептидов, и обладает ярко выраженной тенденцией к хиральному узнаванию ь-энан-

278

Глава 5

тиомера (в 70 раз большей, чем для D-энантиомера) в рацемической смеси «-нитрофениловых эфиров глицилфенилаланина. Ниже приведен комплекс, образованный хиральным краун-эфи-ром и солью «-нитрофенилового эфира глицилглицина. Благодаря

NO

нук-леофил закреплен на хиральном носителе (рецепторе)

.COOR

субстрат связан путем ион-9йпольных езаимоЭействиц (воЭороЭные связи)

ROOC

COOR

связыванию алкиламмониевой соли в полости краун-эфира и участию SH-группы цистеиновых остатков в образовании S-ациль-ного интермедиата происходит возрастание скорости реакции (в Ю3—104 раз). Эта модель «искусственного фермента» обнаруживает свойства образовывать молекулярные комплексы, увеличивать скорость реакции, осуществлять аналогично природным биологическим катализаторам структурное и хиральное узнавание.

5.1.2. Стереоселективный транспорт

После открытия краун-эфиров высказывались предположения, что хиральные носители могут обеспечивать хиральную специфичность при переносе доноров через жидкие мембраны. Действительно, Крам и сотр. обнаружили разделение энантиомеров при переносе солей аминоэфиров (донорных соединений) из одного водного раствора через слой хлороформа в другой водный раствор, что достигалось с помощью синтетических нейтральных липофильных и хнральных акцепторов [136].

Был взят бинафтильный асимметричный [r, r)-акцептор, а в качестве донорной молекулы — рацемический метиловый эфир фенилглицина:

Моделирование ферментативных систем

279

хиральный

50РЬ-,н,с

J0 о. комплексо-обраэиющий центр

Н,С

О

о

а

качестве ячейки служила U-образная трубке (рис. 5.4). Pa-lop акцептора в хлороформе помещают на дно трубки. Донор кодится в rx-колене. .В р-колене можно измерять УФ-поглоще-1е и удельное вращение (через различные промежутки вре-1и). Таким методом были определены константы скорости

р-колено

войный раствор " 0,1 М НС1

магнитная мешалка,

а -колено

еоЗный раствор 0,08 М HCL —. 0,80 М LIPFg

0,20 М раствор бонЬра

0,03 м раствор оптически чистого акцептора в СНС1-

ис. 5.4. Ячейка для изучения хирального узнавания в процессе транспорта. ¦Средняя длина пути составляет 6,5 см [136]. Воспроизведено с разрешения Techniques of Chemistry (1976).

гереноса подвижных и малоподвижных энантиомеров. Через 12— 19 ч ^-изомер (оптическая чистота 80%) оказался селективно ¦перетянут» в р-колено. Энтропия разбавления и изменения энергии сольватации, связанные с «высаливанием» органической соли [из исходного хлороформного раствора неорганической солью, ¦беспечивали термодинамическую движущую силу переноса.

^Благодаря введению дополнительной мостиковой связи молекула краун-акцептора приобрела «трехмерную» структуру; такие Г молекулы Лен назвал криптандами [149]. Подобные соединения, >Имеющие макроциклическую структуру с внутримолекулярной

280

Глава 5

пОлостъю («криптом»), были недавно использованы для се-лективного переноса катионов щелочных металлов через жидкую мембрану [150].

Мл

5-1 т — п — \

5-2 m = 1, п = 2 "

5-3 m = и = 2

5-4 m = 1, и = —(СНг)8—

Криптанды образуют комплексы включения криптатого типа (криптаты) с пикратами щелочных металлов (Na+, К+ или Cs+). Криптанды функционируют как переносчики катионов, растворяя пикрат щелочного металла в жидкой хлороформной мембране в виде ионной пары криптат — пикрат (1 : 1), а затем освобождая его в интерфазу наружного водного слоя [149]. Путем сравнения установлено, например, что 5-4 переносит Na+ и К+ гораздо быстрее, чем 5-1. Это означает, что в результате удаления двух кислородсодержащих связывающих центров криптанд превращается из специфического рецептора К+ (5-1) в специфический переносчик К+ (5-4). Работа Лена по криптатам позволила создать лиганды, которые в зависимости от структуры могут быть либо рецепторами, либо переносчиками катионов. Например, для 5-1 как переносчика эффективность

н,с СН,

Н3С. СН3

\/ \/ \/

сн сн сн3 сн

I I I I

—о—сн—с—NH—сн—с—о—сн—с—NH—сн—с

о

о

о

о.

валиномицин

CH3CH3CCH3

нигерицин

соон

Pro -> Ala -> Phe Phe -у Pro t i Pro <- Val «- Phe <- Phe <- Pro

антаманиЭ

Циклический пептид, нейтрализующий действие токсина фаллииа В (также циклического пептида) из ядовитого гриба Amanita phalloid.es.

Рис. 5.5. Структура некоторых ионофоров.

Моделирование ферментативных систем

281

алйметицин

H0HO.KTmJHR1=R5=R3==R',=ch3 монактин R'=R2=R3=ch3, R"=c2h5 Зинактин r'=r3=ch3, r?=R*=cxHj

Рис. 5.5. Продолжение.

ичивается в ряду К+ < Na+ щ Эту новую область координационной химии можно распространить на анио-1111 и другие органические лиганды. Криптанды обладают интересным свойством

282

Глава 5

преимущественно связывать один какой-нибудь ион. По желанию полости можно сделать любой формы — сферической или цилиндрической. Поэтому такой большой набор макроциклических и макрополициклических комплексов катионов металлов перспективен для конструирования специфических рецепторов при ионном и молекулярном уенаваиии, а также для создания молекулярных катализаторов и селективных переносчиков. Это позволит создавать минимолекулы (миниатюрные катализаторы), обладающие свойствами белков, молекулы которых намного крупнее.

Все эти примеры служат иллюстрацией пассивного, но стереоселективного переноса, когда органические модельные системы осуществляют асимметричное узнавание. Однако можно провести аналогию между этими результатами и процессом опосредованного переноса через биологические мембраны. Все липидные мембраны практически непроницаемы для внутриклеточных белков и высокозаряженных органических и неорганических ионов, находящихся с обеих сторон мембраны. Диффузия Na+ через клеточную мембрану из клетки и К+ в клетку происходит в направлении отрицательного градиента химического потенциала и называется" пассивным переносом. Пассивный перенос ионов через мембраны может быть вызван ионофорами [см. разд. 5.1.3]. К счастью, концентрации катионов по обе стороны мембраны различные, и такое состояние поддерживается активным переносом, который зависит от метаболической энергии. Механизм этого процесса известен под названи