Какие катализаторы бывают: Типы катализаторов

Типы катализаторов

Типы катализаторов
Катализаторы могут быть гетерогенными или гомогенными в зависимости от того, существует ли катализатор в той же фазе, что и подложка . Биокатализаторы (ферменты) часто рассматриваются как отдельная группа.

Неоднородные катализаторы

Микропористая молекулярная структура цеолита ZSM-5 используется в катализаторах, используемых на нефтеперерабатывающих заводах

Цеолиты экструдируют в виде гранул для удобной обработки в каталитических реакторах.Гетерогенные катализаторы действуют в другой фазе, чем реагенты . Большинство гетерогенных катализаторов представляют собой твердые вещества, которые действуют на подложки в жидкой или газообразной реакционной смеси . Известны разнообразные механизмы реакций на поверхностях в зависимости от того, как происходит адсорбция ( Ленгмюр-Хиншельвуд , Эли-Ридеаль и Марс-ван Кревелен). Общая площадь поверхности твердого тела оказывает важное влияние на скорость реакции. Чем меньше размер частиц катализатора, тем больше площадь поверхности для заданной массы частиц.

Неоднородный катализатор имеет активные участки , которые представляют собой поверхности атомов или кристаллов, где реакция действительно происходит. В зависимости от механизма активным участком может быть либо плоская открытая металлическая поверхность, край кристалла с несовершенной металлической валентностью, либо сложная комбинация двух. Таким образом, не только большая часть объема, но и большая часть поверхности гетерогенного катализатора могут быть каталитически неактивными. Для выяснения характера активного сайта требуются технически сложные исследования. Таким образом, эмпирическое исследование для выяснения новых комбинаций металлов для катализа продолжается.

Например, в процессе Хабера тонкоизмельченное железо служит катализатором синтеза аммиака из азота и водорода . Реакционные газы адсорбируются на активных участках на частицах железа. После физического адсорбции реагенты подвергаются хемосорбции, что приводит к диссоциации в адсорбированные атомные виды, а новые связи между полученными фрагментами частично объясняются

их непосредственной близостью. Таким образом, особенно сильная тройная связьВ азоте, что было бы крайне необычным в газовой фазе из-за его высокой энергии активации. Таким образом, энергия активации общей реакции снижается и скорость реакции возрастает. Другое место, где применяется гетерогенный катализатор, заключается в окислении диоксида серы на оксиде ванадия (V)
для получения серной кислоты .

Гетерогенные катализаторы обычно « поддерживаются », что означает, что катализатор диспергируется на втором материале, который повышает эффективность или минимизирует их стоимость. Поддерживает предотвращение или уменьшение агломерации и спекания небольших частиц катализатора, подвергая большую площадь поверхности, таким образом, катализаторы имеют более высокую удельную активность (на грамм) на носителе. Иногда носитель представляет собой просто поверхность, на которой катализатор распространяется, чтобы увеличить площадь поверхности. Чаще всего носитель и катализатор взаимодействуют, влияя на каталитическую реакцию.

Опорами являются пористые материалы с высокой площадью поверхности, чаще всего оксид алюминия , цеолиты или различные виды активированного угля . Специализированные опоры включают двуокись кремния, Диоксид титана , карбонат кальция и сульфат бария .

Электрокатализаторы

В контексте электрохимии , в частности, в разработке топливных элементов , различные металлосодержащие катализаторы используются для повышения скорости полуреакций, которые содержат топливный элемент. Один из распространенных типов топливных элементов электрокатализатора основан на наночастицы из платины , которые поддерживаются на несколько крупных углеродные частицах. При контакте с одним из электродов в топливном элементе эта платина увеличивает скорость восстановления кислорода либо до воды, либо до гидроксида или перекиси водорода .

Однородные катализаторы

Однородные катализаторы функционируют в той же фазе, что и реагенты, но механические принципы, используемые в гетерогенном катализе, обычно применимы. Обычно гомогенные катализаторы растворяют в растворителе с субстратами. Один пример гомогенного катализа включает влияние H + на этерификацию карбоновых кислот, такое как образование метилацетата из уксусной кислоты и метанола . Для неорганических химиков гомогенный катализ часто является синонимом металлоорганических катализаторов .

Органокатализ

В то время как переходные металлы иногда привлекают наибольшее внимание при изучении катализа, небольшие органические молекулы без металлов также могут проявлять каталитические свойства, что видно из того факта, что многие ферменты не имеют переходных металлов. Обычно органические катализаторы требуют более высокой загрузки (количество катализатора на единицу количества реагента, выраженное в мол.% Количества вещества ), чем катализаторы на основе переходного металла (на основе), но эти катализаторы обычно коммерчески доступны навалом, что помогает уменьшить расходы. В начале 2000-х годов эти органокатализаторы считались «новым поколением» и были конкурентоспособны по сравнению с традиционными металлами(-ион) -содержащих катализаторов.


Предполагается, что органокатализаторы действуют как свободные от металлов ферменты, использующие, например, нековалентные взаимодействия, такие как водородная связь . Дислокационный органокатализ делится на применение ковалентных (например, пролина , DMAP ) и нековалентных (например, тиомочевинных органокаталитических ) органокатализаторов, относящихся к предпочтительному связыванию катализатора и субстрата , соответственно.

Фотокатализаторы
Фотокатализ — это явление, при котором катализатор может получать свет (например, видимый свет), продвигаться в возбужденное состояние, а затем подвергаться межсистемному пересечению с исходным материалом, возвращаясь в основное состояние без потребления. Возбужденное состояние исходного материала будет подвергаться реакциям, которые обычно не могут быть непосредственно освещены. Например, синглетный кислород обычно получают путем фотокатализа. Фотокатализаторы также являются основным компонентом солнечных элементов, чувствительных к красителю .

Ферменты и биокатализаторы
В биологии ферменты являются белковыми катализаторами метаболизма и катаболизма . Большинство биокатализаторов являются ферментами, но другие классы биомолекул, не содержащие белок, также обладают каталитическими свойствами, включая рибозимы и синтетические дезоксирибозимы .

Биокатализаторы можно рассматривать как промежуточные между гомогенными и гетерогенными катализаторами, хотя, строго говоря, растворимые ферменты являются гомогенными катализаторами, а мембранные ферменты гетерогенны. Несколько факторов влияют на активность ферментов (и других катализаторов), включая температуру, рН, концентрацию фермента, субстрата и продуктов. Особенно важным реагентом в ферментативных реакциях является вода, которая является продуктом многих связывающих реакций и реагента во многих процессах разрыва связей.

В биокатализе ферменты используются для подготовки многих товарных химических веществ, включая кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы и акриламид .

Некоторые моноклональные антитела , связывающая мишень которых является стабильной молекулой, которая напоминает переходное состояние химической реакции, может функционировать как слабые катализаторы для этой химической реакции, уменьшая ее энергию активации. Такие каталитические антитела иногда называют « абзимами ».

Нанокатализаторы

Нанокатализаторы представляют собой наноматериалы с каталитической активностью. Они широко изучены для широкого спектра применений. Среди них нанокатализаторы с ферментной имитирующей активностью в совокупности называются нанозимами .

Тандемный катализ
В тандемном катализе два или более разных катализатора соединяются в реакции с одним горшком.

Автокатализ

В автокатализе катализатор является продуктом общей реакции, в отличие от всех других типов катализа,  рассмотренных в этой статье. Простейшим примером автокатализа является реакция типа A + B > 2 B на одном или нескольких этапах. Общая реакция просто A > B, так что B является продуктом.

Но так как B также является реагентом, он может присутствовать в уравнении скорости и влияет на скорость реакции. По мере протекания реакции концентрация В возрастает и может ускорить реакцию в качестве катализатора. По сути, реакция ускоряется или автокатализируется.

Реальный пример — гидролиз сложного эфира, такого как аспирин, в карбоновую кислоту и спирт . В отсутствие добавленных кислотных катализаторов продукт карбоновой кислоты катализирует гидролиз.

Какие бывают катализаторы и чего они боятся | Vincast.ru

Во-первых, катализатор ы различаются по типу носителя, на который непосредственно наноситься каталитический слой. Это может быть керамическая вставка в виде сот или вставка выполненная в виде металлической ленты керамические катализаторы более распространены чем металлические они более дешевые недостаток керамического катализатора — его хрупкость.

Достаточно удара камня на дороге, чтобы расколоть катализатор или проехать по луже с раскаленным катализатором в обоих слачаях керамические соты раскалываються и катализатор выходит из строя. Так-же причиной разрушения катализатора может послужить неправильно отрегулированная система впрыска если двигатель не заводиться сразу то несгоревшая топливная смесь скапливается перед катализатором и после ее взрыва также возможно разрушение сот катализатора то несгоревший бензин скапливается в ближайшей ёмкости выпускного тракта, а это почти всегда и есть катализатор, и когда, наконец, мотор заводится, то этот скопившийся бензин взрывается, а соты, естественно, рассыпаются.

Металлический блок более надёжен и может длительное время выдерживать различные механические нагрузки. Но и керамический и металлический каталитические нейтрализатор ы одинаково боятся следующих вещей:

  • некачественный или этилированый бензин,
  • попадающие в камеру сгорания масло или антифриз ,
  • «левые» технические жидкости, используемые в целях промывки топливной системы,
  • переобогащённая топливная смесь,
  • долгая работа двигателя на холостом ходу.

В результате воздействия вышеназваных факторов, помимо потери способности катализатора дожигать вредные примеси, происходит засорение каналов, что приводит к уменьшению их общего проходного сечения, потере мощности и к перегреву самого нейтрализатора , корпус которого может раскаляться даже до красного цвета. Известны случаи, когда от раскалённого катализатора расплавлялась аллюминевая теплозащита и загоралось антикоррозийное покрытие днища. Внутреняя температура неисправного каталитического конвертора настолько велика, что керамика может сплавляться и полностью забивать собой проход для выхлопных газов. Ремонт двигателя после этого почти неизбежен. Ещё один неприятный момент — это керамическая пыль. Керамический блок стареющего катализатора, невзирая на его внешнюю целостность и сохранность своих основных свойств, понемногу разрушается, и появляющаяся при этом керамическая пыль попадает в камеру сгорания, а иногда, при разборе двигателя для ремонта, в цилиндрах находят и небольшие кусочки керамики. Нахождение в камере сгорания керамической пыли приводит к преждевременному износу стенок цилиндров и, соответственно, к более раннему ремонту двигателя. Такие вот неприятности могут быть от детали, которая на первый взгляд вроде бы отрицательно себя никак не проявляет. Не зря в Европе катализаторы меняют через 100000 км. пробега, невзирая на то, рабочий он или нет.

Место расположения катализаторов в выпускной системе — второй отличительный признак, важный для автовладельца. У большинства автомобилей каталитический нейтрализатор расположен или же сразу за приёмной трубой глушителя или совместно с ней, составляя одну деталь. Другой вариант расположения нейтрализатора — это когда он находится непосредственно в выпускном коллекторе, реже после него, перед приёмной трубой. Это самый неудачный вариант с точки зрения ремонтопригодности. На автомобилях конца 1990х годов и начала 21 века, катализатор, как правило, находится в коллекторе — такая конструкция облегчает выполнение экологических норм ЕВРО 4. Близкое расположение каталитического нейтрализатора выхлопных газов к камере сгорания обеспечивает более быстрый его прогрев до рабочей температуры и лучше сохраняет его от внешних воздействий и резких перепадов температуры, но сам коллектор при этом очень часто страдает. Треснутый выпускной коллектор — одно из последствий перегрева катализатора, а стоимость коллектора с катализатором обычно намного выше, чем стоимость коллектора простого. Поэтому владельцы автомобилей с таким расположением катализатора вынуждены, в случае его выхода из строя, платить больше и за саму деталь и за работу по её установке.

Источник:

www. almi-avto.ru

Катализаторы, ингибиторы, катализ

При попытке поджечь сахар он будет плавиться и обугливатьсяПоложите на сахар горку пепла, который будет служить катализаторомС пеплом сахар загорится! Сахар горит, если на него посыпать пеплом! При отсутствии пепла (катализатора) — сахар только обугливаетсяОкисление спирта в присутствии медного катализатора

Вы когда-нибудь пробовали поджечь сахар? Казалось бы, сильно экзотермическая реакция С12Н22О11+12О2 →12СО2+11Н2О должна идти легко. Не тут-то было — при сильном нагреве сахар плавится, приобретает коричневую окраску и запах карамели, но не загорается. И всё же сжечь сахар можно. Для этого надо посыпать его табачным пеплом и внести в пламя — тогда сахар загорится. Такое же воздействие на эту реакцию оказывают и некоторые другие вещества, например соли лития или оксид хрома (III).

Химические реакции, которые «не желают» протекать сами по себе или идут с очень малой скоростью и требуют дополнительного «стимула» — присутствия веществ, которые в результате реакции остаются неизменными, — происходят повсеместно. Это, во-первых, абсолютно все химические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности клеток. Они протекают только в присутствии ферментов, а отсутствие в организме хотя бы одного из них нарушает обмен веществ и чревато тяжёлой болезнью или же просто несовместимо с жизнью.

Кроме того, к таким реакциям относится большинство крупнотоннажных процессов, используемых в химической промышленности. Получение серной кислоты, переработка нефти, синтез аммиака немыслимы без участия «посторонних веществ», называемых катализаторами. Как выглядел бы наш мир без катализаторов? Он был бы гораздо статичнее, ведь многие химические реакции просто не происходили бы. Впрочем, изучать химию всё равно было бы некому: жизнь в таком мире появиться не может.

Катализаторы позволяют проводить химические процессы при гораздо более мягких условиях. А кроме того, в присутствии катализаторов идут реакции, которые вообще невозможны без их участия ни в каких условиях.

При этом количество катализатора, необходимое для превращения огромной массы реагентов в продукты реакции, несоизмеримо мало. Одна молекула фермента катализирует разложение 5 млн. молекул сахара за 1 с!

Катализ и его секреты

Но в чём скрыта тайна веществ — катализаторов? Давайте разберёмся, почему сахар и другие органические вещества самопроизвольно не превращаются в углекислый газ и воду — гораздо более энергетически выгодные (говорят ещё «термодинамически устойчивые») соединения. Разве это не удивительно? Ведь если положить, скажем, шарик на вершину горки, он тут же займёт более энергетически выгодное положение — скатится вниз. Если же его оградить барьером, он скатиться не сможет. Чтобы оказаться внизу и тем самым уменьшить свою потенциальную энергию, шарику нужно преодолеть барьер, а для этого ему нужно подвести дополнительную энергию.

Все существующие химические вещества, даже весьма термодинамически неустойчивые, окружены на своих энергетических «вершинах» подобными барьерами. Порой энергия, необходимая для их преодоления, сравнима с кинетической энергией теплового движения молекул. Тогда достаточно простого смешения реагентов — и реакция происходит при комнатной температуре. Нагревая реакционную смесь, можно преодолеть барьер чуть повыше. Но иногда он слишком высок, и в этом случае придётся или искать способы доставки необходимой энергии молекулам реагентов, или попытаться обойти энергетический барьер.

Как это сделать? Оказывается, катализатор может, подобно опытному проводнику, хорошо знающему местность, повести реакцию по совершенно иному пути. При этом её механизм претерпевает сильные изменения. Существует масса способов обойти энергетическую «гору». Каждый катализатор, работающий в конкретной реакции, выбирает для процесса свой путь. При этом новый маршрут может быть гораздо длиннее изначального: число промежуточных стадий и продуктов реакции иногда возрастает в несколько раз. Но зато количество энергии, требуемое на каждой стадии, оказывается существенно меньше, чем в отсутствие «проводника». В итоге, пройдя более длинный путь при помощи катализатора, реакция даёт желаемый результат значительно быстрее.

Однако «постороннее вещество» может воздействовать на ход реакции и противоположным образом: привести её к труднопреодолимому энергетическому барьеру. Тогда процесс замедляется. Такой «отрицательный» катализ называется ингибированием (от лат. inhibeo — «останавливаю», «сдерживаю»), а «катализаторы, действующие наоборот» — ингибиторами.

Зачем нужно замедлять скорость реакции? Существуют процессы, которые необходимы человеку, а также существуют такие процессы, проведение которых может пагубно сказаться как на человека, так и на предметах его обихода и окружающей среде. например появление ржавчины — коррозия металлов, гниение продуктов питания. Такими реакциями могут быть взрывы различных химических веществ, которые чувствительны к движению или сотрясению. Нужно учитывать, что химические реакции, в результате которых образуется лишь одно вещество — достаточно редкие. В основном при реакциях образуется более одного вещества. Особенно ярко такое явление наблюдается в органической химии.

В организмах живых существ и множестве других процессах, протекающих в нашей среде обитания часто необходимо, чтобы в процессе реакции получалось только одно нужное нам вещество или продукт реакции. Именно в этом случае применяется катализ. Грамотный подбор катализатора позволяет проводить химические процессы только в нужном для нас направлении и с получением требуемого нам вещества, при этом исключая выход других побочных эффектов реакции.

В нашем организме имеются ферменты — катализаторы, которые работают точно таким же образом. Именно по аналогии с ферментами наука приобрела возможность получения каталитических реакции.
Несмотря на аналогию и полученные знания, тайны катализа остаются полностью не раскрытыми.

Виды катализаторов

Что использовать в качестве катализатора!?

Какие виды катализаторов бывают?! В их качестве могут выступать самые разнообразные вещества: газы, ионы и различные комплексы; металлы и оксиды; простые органические соединения и сложнейшие природные и синтетические полимеры; даже. .. обычные вода, песок, глина!
Но самым важным фактором является агрегатное состояние катализатора и вступающих во взаимодействие веществ.

Когда катализатор, реагенты и продукты реакции находятся в одной фазе (например, жидкость, газ), где нет границ раздела, реагентам гораздо проще вступить в контакт с катализатором. При этом катализатор находится в виде молекул или ионов. Такой катализ называют гомогенным (от греч. «гомогенес» — «однородный»). В случае гетерогенного катализа (от греч. «гетерогенес» — «разнородный»), особенно если катализатор — твёрдое тело, на ход реакции воздействует не отдельная его молекула, а целый участок поверхности и подповерхностных слоёв. Это взаимодействие реагентов сразу со многими атомами или молекулами катализатора, к тому же выстроенными определённым образом, усиливает каталитическое влияние. Реакции между твёрдыми веществами всегда гетерогенны.

Гомогенный катализ и гетерогенный катализ существенно различаются по своему механизму. Вероятно, с этим связана тенденция теорий катализа к «однобокости» — преимущественному объяснению либо гомогенного, либо гетерогенного катализа.

С помощью катализаторов в мире ежегодно производятся миллиарды тонн химической продукции. Около 90 % промышленных химических процессов — каталитические процессы.

Раньше всего, в начале XIX в., обнаружили каталитические свойства благородных металлов: платины, палладия и др. До сих пор эти металлы применяются, например, в катализаторах дожигания выхлопных газов автомобилей (они переводят ядовитый угарный газ СO, образующийся при неполном окислении топлива, в углекислый газ СО2.,), при окислении аммиака NH3, в других процессах. Конечно, учёные работают над заменой дорогих металлов более дешёвыми.
Из гомогенных каталитических реакций наиболее известны катализ кислотами и основаниями, а также солями и комплексами металлов. Самый простой кислотный катализатор — ион водорода. Он одновременно и самый маленький. В числе первых изученных каталитических реакций был гидролиз крахмала («разваливание» его на молекулы сахаров) в кислой среде. Сейчас кислотный катализ очень распространён в органической химии: ионы водорода хорошо ускоряют различные реакции спиртов, альдегидов, жирных кислот и других веществ.

Однако технологи на химических производствах больше любят гетерогенный катализ. Скажем, реакция идёт в газовой фазе, а катализатор твёрдый (пористое железо в синтезе аммиака). Так как катализатор находится в другой фазе, продукты реакции легко от него отделить. Примечательно, что тот же кислотно-основной катализ можно сделать гетерогенным: различные алюмосиликаты и оксиды металлов в зависимости от вида их обработки и состава проявляют свойства кислоты или основания

Скорость протекания химической реакции. Катализаторы. Химия, 9 класс: уроки, тесты, задания.

1. Понятие о скорости реакции

Сложность: лёгкое

1
2. Закон действия масс

Сложность: лёгкое

1
3. Влияние температуры и катализаторов на скорость химической реакции

Сложность: среднее

2
4. Гомогенный и гетерогенный катализ

Сложность: среднее

2
5. Расчёт скорости реакции

Сложность: сложное

4
6. Расчёт изменения скорости реакции по закону действия масс

Сложность: сложное

4
7. Расчёт изменения скорости реакции по закону действия масс с твёрдым веществом

Сложность: сложное

4
8. Расчёт изменения скорости реакции по правилу Вант-Гоффа

Сложность: сложное

4

Виды катализа — Справочник химика 21

    Все виды катализа чаще всего принято подразделять на гомогенный, гетерогенный катализ и ферментативный катализ. При гомогенном катализе катализатор и все реагирующие вещества составляют одну фазу. Например, реакция окисления [c.338]

    СУЩНОСТЬ И ВИДЫ КАТАЛИЗА [c.214]

    Существуют два вида катализа гомогенный и гетерогенный. При гомогенном катализе реагенты, продукты и катализатор составляют одну фазу (газовую или жидкую). В этом случае отсутствует поверхность раздела между катализатором и реагентами. [c.58]


    Различают два вида катализа — гомогенный (однородный) и гетерогенный (неоднородный) катализ. [c.94]

    Как видно, свободная энергия переноса молекулы реагента из воды в мицеллярную фазу может практически полностью компенсировать предполагаемую потерю энтропии при включении молекулы общеосновного или общекислотного катализатора в переходное состояние реакции. Эта компенсация и обусловливает некоторое подобие механизмов ферментативного и мицеллярного катализа. В отличие от реакций высокого кинетического порядка, протекающих в результате взаимодействия низкомолекулярных реагентов непосредственно в растворе, в том и другом случае катализа почти отсутствует неблагоприятный инкремент свободной энергии активации, связанный с потерей поступательного и вращательного движений при включении в переходное состояние реакции дополнительной частицы. Разумеется, конкретный механизм этого явления в каждом из видов катализа несколько иной. В мицеллярном катализе имеет место рассмотренная выше компенсация энтропийных потерь за счет свободной энергии термодинамически выгодных ионных и гидрофобных взаимодействий реагента с мицеллой. В ферментативном катализе компоненты активного центра (злектрофильные и нуклеофильные группы) заранее связаны с белковой глобулой (как правило, химически) и обладают до- [c.122]

    Гетерогенный катализ через комплексообразование связан с образованием на поверхности катализатора промежуточного соединения в ходе суммарной цепи превращений в каталитическом акте. Различают два типа комплексов и соответственно два вида катализа через комплексообразование акцепторно-донорные комплексы, образуемые донорной связью с участием 8- и р-орби-талей, и координационные комплексы, образованные дативными координационными связями с участием й- и /-орбиталей. [c.59]

    В соответствии с современными тенденциями в пособии рассмотрены вопросы, связанные с методом молекулярных орбиталей, элементы статистической термодинамики, методы расчета химических равновесий, различные аспекты теории активного комплекса отражены достижения в области металлокомплексного, кислотно-основного и других видов катализа показано влияние структуры органических веществ и посторонних добавок на реакции в растворах отражены современные представления электрохимической кинетики. [c.3]

    Избирательный (селективный) катализ заключается в том, что катализатор ускоряет только одну целевую реакцию из нескольких возможных (параллельных или консекутивных). Этот вид катализа особенно важен для практики. Применяя различные избирательные катализаторы, можно из одних и тех же исходных веществ получать различные заданные продукты. Селективность некоторых катализаторов позволяет сильно ускорить только одну реакцию из ряда возможных и проводить процесс при пониженной температуре, подавляя таким образом другие-реакции. [c.106]


    Внутримолекулярный кислотно-основной катализ представляет собой эффективный способ ускорения реакций в органических системах. Однако было бы полезно оценить вклад этого вида катализа в ферментативный катализ. Существует принципиальное различие между ферментативными химическими реакциями и реакциями в растворе. Скорость каталитических реакций в растворе описывается уравнениями второго порядка скорость увеличивается с увеличением концентрации катализатора. Реакции [c.209]

    На одном и том же адсорбенте могут быть активные центры с различной избирательностью, поэтому одни вещества будут лучше адсорбироваться на одних центрах, другие — на других. В качестве примера можно привести отравление никелевого катализатора тио-феном это приводит к угнетению активирующего действия никеля на процесс гидрирования ароматических ядер при сохранении прежнего воздействия на гидрирование непредельных углеводородов. Два вида катализа осуществляются различными активными центрами никеля, на одном из которых избирательно адсорбируется тиофен. [c.142]

    Гетерогенным называется такой вид катализа, прн котором катализатор и реагирующие вещества находятся в различных фазах. [c.143]

    Лекция 12. Прогшшгенный катализ. Сущность и виды катализа. Важнейшие каталитические реакции. Реакторы гамогенного и гетерогенного катализа. [c.282]

    Химические реакции, протекающие в присутствии катализаторов, называются каталитическими. На большинство химических реакции может быть оказано каталитическое воздействие. Число катализаторов очень велико, а их каталитическая активность весьма различна. Она определяется изменением скорости реакции, вызываемым катализатором. Различают два вида катализа — гомогенный (однородный) и гетерогенный (неоднородный) катализ. [c.67]

    В гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе. Наиболее часто такой вид катализа встречается в растворах. Основной механизм действия гомогенного катализатора — это образование реакционноспособных промежуточных соединений. [c.328]

    Действие катализатора (при любом виде катализа) связано с тем, что он вступает в промежуточное взаимодействие с реагирующими веществами, направляя процесс по новому пути с меньшей энергией активации. [c.31]

    Катализаторы ускоряют как прямой, так и обратный процесс. Если катализатор находится в той же фазе, в которой протекают ускоряемые им процессы, говорят о гомогенном катализе. Этот вид катализа имеет место при протекании реакций в растворах. Каталитическое действие объясняется образованием промежуточных соединений с катализатором. Схематически это может быть изображено так  [c. 35]

    Перечисленные свойства кластеров делают их потенциально перспективными катализаторами окислительно-восстановительных процессов. В природе такой вид катализа широко распространен. [c.535]

    В 1933 г. Брдичка открыл интересный вид катализа под действием белковых молекул [330], сущность которого состоит в том, что на полярограмме кобальта при добавлении белковых веществ вслед за волной восстановления Со появляется еще одна волна, которая связана с каталитическим действием сульфгидрильных групп белка на электрохимическое выделение водорода. При восстановлении белковых соединений, содержащих сульфгидрильные группы, водород легко отщепляется [c.238]

    Межфазный катализ — катализ на границе раздела двух неЭ смешивающихся жидкостей. Роль катализатора заключается переносе реагентов из одной фазы в другую, а также влиянии н реакционную способность переносимого реагента. Как правило реакции межфазного катализа — это реакции между солями, рас- творенными в воде или присутствующими в твердом состоянии одной стороны, и веществами, растворенными в органической фа. зе, — с другой. Межфазный катализ (ускорение реакции) имеет место в малополярных растворителях между ионными соедине- ниями и органическими (не растворимыми в воде) веществами. Наиболее часто межфазными катализаторами являются ониевые соли или комплексообразователи, которые могут связывать, например, ионы щелочных металлов в водной фазе и таким образом переводить их в органический раствор. В настоящее время этот вид катализа широко используется в исследовательской практике, хотя некоторые процессы внедрены в промышленность. [c.378]

    Виды катализа. Различные каталитические реакции принято разделять на реакции гомогенного, гетерогенного и микрогете-рогенного катализа. [c.97]

    Хотя электрофильный катализ и включает действие ионов металлов, этот вид катализа из-за особенностей химии металлов целесообразно рассматривать отдельно (гл. 9). Здесь же мы обсудим действие таких электрофильных катализаторов, как галогениды металлов, галогены и карбонильные соединения. Заметим, что никакой двусмысленности в понятиях электрофильного и общего кислотного катализа не существует, так как мы произвольно определяем электрофилы как кислоты Льюиса, а общие кислоты — как доноры протона. [c.180]


    Хотя различия между видами катализа ионами металлов не имеют четко выраженных границ и во многом произвольны, обсуждение удобно разделить на две основные части  [c.220]

    Во многих случаях катализ нуклеофилами и электрофилами, примеры которого приведены в гл. 6, протекает с образованием промежуточных частиц, например иминов, облегчающих протекание реакций. В целом рассматриваемые в этом разделе виды катализа в определенном смысле совпадают с теми, которые уже обсуждались выше отличие состоит лишь в том, что при образовании промежуточного комплекса здесь формируется функциональная группа, выступающая как внутримолекулярный катализатор. [c.304]

    Другим видом катализа является гетерогенный катализ на поверхности раздела двух фаз. Поверхность подложки, в том числе полированной (14-й класс) в действительности имеет многочислен- [c.85]

    В зависимости от того, однородна или неоднородна среда, в которой протекает каталитическая реакция, различают два вида катализа гомогенный и гетерогенный. При гомогенном катализе и катализатор, и реагенты находятся в одной фазе (однородной среде), например в газе или в растворе. При ге- [c.50]

    Этот вид катализа под действием белков открыл в 1933 г. Брдичка [32]. На полярографических кривых он наблюдал появление характерной двойной волны, возникающей за волной восстановления двухвалентного кобальта (рис. 199) и соответствующей выделению водорода, катализируемого указанными серусодержащими группами белка [33—36]. [c.395]

    Сущность и виды катализа [c.166]

    Различают два вида катализа — юмогспиый (однородный) и гетерогенный (неоднородный) каталит. [c.107]

    Внутримолекулярные реакции обычно протекают значительно легче, чем соответствующие межмолекулярные процессы. Влияние соседних групп на реакционную способность впервые было обнаружено в реакциях нуклеофильного замещения. Теперь же хорошо известно, что во .нутримолекулярных реакциях можно встретить практически все виды катализа от общего кислотно-основного до нуклеофильного н Электрофильного [1]. Установление механизма внутримолекулярного ка тализа обычно сводится к дифференциат ии между обшим основным и нуклеофильным катализом, общим основным и комбинацией катализа общей кислотой и гидроксид-ионом, общим кислотным и комбинацией катализа, общим основанием и ионом гидроксония. Иными словами, те неопределенное , с которыми может встретиться исследователь при зучении межмолекулярных систем, сохраняются и в случае внутримолекулярных. В таких случаях выбор механизма катализа проводится по той же схеме, что и для межмолекулярных каталитических реакций, как это было показано в предыдущих главах. [c.247]

    В кислых условиях конденсация протекает только по метиленовой группе цикла, приводя к (З-трикетонам 2 (75-80%), а при использовании основных катализаторов (пиперидин, триэтиламин) — как по метиленовой группе, так и по метильной группе боковой цепи, давая продукты 3. Сочетание двух видов катализа позволило нам провести модификацию молекулы 3-ацетилтиотетроновой кислоты 1 различными ароматическими альдегидами и получить ряд Р-трикетонов 3, которые были далее восстановлены на палладиевом катализаторе до алкиларильных трикетонов 4. Метилирование трикетонов 4 (схема 2) действием эфирного раствора диазо- [c.135]

    В большом числе случаев, особенно если речь идет о видах катализа, для осуществления которых белковые молекулы не приспособлены (электрофильный, окислительно-восстановительный катализ), белковые молекулы, составляющие основу фермента, сами по себе, каталитически не активны и становятся катализаторами лишь в сочетании со специальными кофакторами — ионами металлов или сложными органическими молекулами. Последние часто называют прос7петичес-хими группами, а лишенные кофактора белковые компоненты фермента — апо-ферментами. [c.205]

    Нужно указать, что наряду с классическими видами катализа, когда скорость прямо пропорциональна концентрации катализатора (на этом основаны каталитические способы определения концентрации некоторых веществ, например Н-ионов), обнаружено не мало случаев другой, обычно более медленной, зависимости, которая иногда аппроксимируется сте-пеншэй функцией от концентрации катализатора с показателем меньше единицы [c. 101]

    Изложенный вариант теории промежуточных продуктов описывает особый вид катализа, при котором первым актом является активация субстрата 5 с последующим взаимодействием с катализатором с образованием активированного продукта М, в то время как при обычной схеме продукт М образуется из нормального субстрата и катализатора и уже потом активируется как самостоятельная частица. Если допустить равновесие -всех этих процессов, то их очередность будет, очевидно, безразличной. Но при их неравновесном характере изложенная здесь схема дает существенно новые результаты. Руководясь механизмом скрытого катализа , который реализуется при достаточной кинетической и термодинамической реакционпоспособности возбужденного субстрата и катализатора, легче не только объяснить уже известные случаи, где вещества отказываются активными в микроколичествах, а дальней-щее их действие как бы прекращается, но и сознательно искать новые такие явления. [c.103]

    Так как основные схемы иромежуточных продуктов, включая и здесь изложенную, носят общий характер, позволяя понимать под катализатором, субстратом, промежуточным продуктом и пр. любые реагирующие частицы, то они не связаны с каким-либо определенным видом катализа, но имеют характер обобщенных научных категорий, применимость которых не ограничена теми случаями, для который они были созданы. Например, искусственный радиоэлемент, получаемый обстрелом исходного ядра нейтронами, протонами или а-частицами, по сути дела есть не что иное, как один из видов промежуточного продукта, через который идут как атомно-химические, так и ядерно-химические процессы. Химики, убе-дивщись на огромном опыте, что реакция двух частиц (в частном случае одна из них может быть катализатором) всегда протекает через образование промежуточных соединений с различным запасом энергии и продолжительностью жизни, при достаточной смелости воображения и ясном понимании общего значения своих схем могли бы задолго до опытов Жолио-Кюри и Ферми предсказать явление искусственной радиоак- тивности. [c.105]


Различные типы катализаторов — Наука и Техника — Каталог статей

В химии катализатор — это вещество, которое ускоряет скорость реакции, не расходуя себя в реакции. Любая реакция, в которой используется катализатор, называется катализом. Будьте осторожны с этим различием при чтении химического материала; катализатор (множественное число «катализаторы») представляет собой физическое вещество, но катализ (множественное число «катализаторы») представляет собой процесс.

Обзор каждого из классов катализаторов является полезной отправной точкой в ​​изучении аналитической химии и понимании того, что происходит на молекулярном уровне, когда вы смешиваете вещества вместе и происходит реакция. Катализаторы и связанные с ними каталитические реакции бывают трех основных типов: гомогенные катализаторы, гетерогенные катализаторы и биокатализаторы (обычно называемые ферментами). Менее распространенные, но все еще важные типы каталитической активности включают фотокатализ, экологический катализ и экологические каталитические процессы.


Общая характеристика катализаторов

Большинство твердых катализаторов представляют собой металлы (например, платина или никель) или почти металлы (например, кремний, бор и алюминий), связанные с такими элементами, как кислород и сера. Катализаторы, которые находятся в жидкой или газовой фазе, с большей вероятностью состоят из одного элемента, хотя они могут быть объединены с растворителями и другим материалом, и твердые катализаторы могут быть распределены в твердой или жидкой матрице, известной как носитель катализатора.

Катализаторы ускоряют реакции, снижая энергию активации Ea реакции, которая протекает без катализатора, но гораздо медленнее. Такие реакции имеют продукт или продукты с более низкой общей энергией, чем у реагента или реагентов; Если бы это было не так, эти реакции не происходили бы без добавления внешней энергии. Но чтобы перейти из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией, продукты должны сначала «преодолеть горб», причем этот «горб» является Ea. По сути, катализаторы сглаживают неровности вдоль дороги с энергией реакции, облегчая реагентам переход в энергетический «спад» реакции, просто понижая высоту «вершины холма».

Химические системы содержат примеры положительных и отрицательных катализаторов, причем первые имеют тенденцию ускорять скорость реакции, а отрицательные катализаторы служат для их замедления. Оба могут быть выгодными, в зависимости от конкретного желаемого результата.


Катализатор

Катализаторы выполняют свою работу, временно связывая или иным образом химически модифицируя один из реагентов и изменяя его физическую конформацию или трехмерную форму таким образом, чтобы облегчить превращение реагента или реагентов в один из продуктов. Представьте себе собаку, которая покатилась в грязи и должна быть чистой, прежде чем она сможет войти внутрь. В конце концов, грязь сошла бы сама с собаки, но если бы вы могли сделать что-то, что подтолкнуло собаку в направлении разбрызгивателя во дворе, чтобы грязь быстро распылилась с ее меха, вы бы по сути служили «катализатором». «реакции грязной собаки на чистую собаку».

Чаще всего промежуточный продукт, не показанный ни в одном обычном описании реакции, образуется из реагента и катализатора, и когда этот комплекс превращается в один или несколько конечных продуктов, катализатор регенерируется так, как будто ничего не произошло ни с одним из это вообще. Как вы вскоре увидите, этот процесс может происходить различными способами.

Гомогенный катализ

Реакция считается гомогенно катализируемой, когда катализатор и реагент (ы) находятся в одном физическом состоянии или фазе. Это чаще всего происходит с парами газообразный катализатор-реагент. Типы гомогенных катализаторов включают органические кислоты, в которых донорный атом водорода заменен металлом, ряд соединений, смешивающих углерод и металлические элементы в некоторой форме, и карбонильные соединения, соединенные с кобальтом или железом.

Примером такого типа катализа с участием жидкостей является превращение персульфатных и йодид-ионов в сульфат-ион и йод:

S2O82- + 2 I- → 2 SO42- + I2

Эта реакция будет трудно протекать сама по себе, несмотря на благоприятную энергетику, потому что оба реагента заряжены отрицательно и, следовательно, их электростатические свойства противоположны их химическим свойствам. Но если к смеси добавить ионы железа, которые несут положительный заряд, железо «отвлекает» отрицательные заряды, и реакция быстро продвигается вперед.

Природный газообразный гомогенный катализ представляет собой превращение газообразного кислорода или O2 в атмосфере в озон или O3, где кислородные радикалы (O-) являются промежуточными. Здесь ультрафиолетовое излучение солнца является истинным катализатором, но все присутствующие физические соединения находятся в одинаковом (газообразном) состоянии.


Гетерогенный катализ

Реакция считается гетерогенно катализируемой, когда катализатор и реагент (ы) находятся в разных фазах, причем реакция происходит на границе раздела между ними (чаще всего это «граница» газ-твердое вещество). Некоторые из наиболее распространенных гетерогенных катализаторов включают неорганические, то есть не содержащие углерода, твердые вещества, такие как элементарные металлы, сульфиды и соли металлов, а также небольшие количества органических веществ, в том числе гидропероксиды и ионообменники.

Цеолиты являются важным классом гетерогенных катализаторов. Это кристаллические твердые вещества, состоящие из повторяющихся звеньев SiO4. Единицы четырех из этих соединенных молекул связаны вместе, чтобы сформировать различные структуры кольца и клетки. Присутствие атома алюминия в кристалле создает дисбаланс зарядов, который компенсируется протоном (то есть ионом водорода).

Ферменты

Ферменты — это белки, которые функционируют в качестве катализаторов в живых системах. Эти ферменты имеют компоненты, называемые сайтами связывания субстрата или активными центрами, где молекулы, участвующие в реакции при катализе, присоединяются. Составными частями всех белков являются аминокислоты, и каждая из этих отдельных кислот имеет неравномерное распределение заряда от одного конца к другому. Это свойство является основной причиной, по которой ферменты обладают каталитическими свойствами.

Активный сайт на ферменте соединяется с правильной частью субстрата (реагента), как ключ, входящий в замок. Обратите внимание, что катализаторы, описанные ранее, часто катализируют множество разнородных реакций и, следовательно, не обладают той степенью химической специфичности, которой обладают ферменты.

Как правило, когда присутствует больше субстрата и больше фермента, реакция протекает быстрее. Но если все больше и больше субстрата добавляется без добавления большего количества фермента, все сайты ферментативного связывания становятся насыщенными, и реакция достигает максимальной скорости для этой концентрации фермента. Каждая реакция, катализируемая ферментом, может быть представлена ​​в виде промежуточных продуктов, образующихся в результате присутствия фермента. То есть вместо того, чтобы писать:

S → P

чтобы показать превращение субстрата в продукт, вы можете изобразить это как:

E + S → ES → E + P

где средний член представляет собой комплекс фермент-субстрат (ES).

Ферменты, хотя и классифицируются как категории катализаторов, отличных от перечисленных выше, могут быть либо гомогенными, либо гетерогенными.

Ферменты функционируют оптимально в узком температурном диапазоне, что имеет смысл, учитывая, что температура вашего тела не колеблется более чем на несколько градусов в обычных условиях. Сильная жара разрушает многие ферменты и приводит к тому, что они теряют свою специфическую трехмерную форму. Этот процесс называется денатурированием, который применяется ко всем белкам.

Catalysis: Homogenious and Heterogeneous Catalysis | Chemistry

13.11: Катализ

Наличие катализатора влияет на скорость химической реакции. Катализатор – это вещество, которое может увеличить скорость реакции без потребления во время процесса. Базовое понимание роли катализаторов во время химических реакций можно понять из концепции механизмов реакции и энергетических схем.

На иллюстрации представлены диаграммы реакции для эндотермического химического процесса, прогрессирующего в отсутствие (красная кривая) и присутствии (синяя кривая) катализатора.

Обе кривые представляют собой одну и ту же общую реакцию – они начинаются и заканчиваются при одних и тех же энергиях. (В этом случае, продукция имеет больше энергии, чем реагенты. Таким образом, реакция является эндотермической). Однако их механизмы реагирования отличаются. Некатализированная реакция протекает через одношаговый механизм (с одним наблюдаемым переходным состоянием). В отличие от этого, катализированная реакция следует двухэтапному механизму (наблюдается два переходных состояния) с заметно меньшей энергией активации. Эта разница в путях реакции иллюстрирует роль катализатора в предоставлении альтернативного механизма реакции с меньшей энергией активации, тем самым ускоряя реакции.

Механизм катализированной реакции не должен включать в себя большее число элементарных шагов, чем некатализированный механизм. Тем не менее, он должен обеспечить альтернативный путь реакции, шаг определения скорости которого быстрее (с меньшим EA или энергией активации).

Каталитическую реакцию можно классифицировать как однородную или разнородную, исходя из физических состояний, в которых катализаторы и реагенты существуют во время каталитического процесса.

Однородный катализ

При однородном катализе катализатор присутствует в той же фазе, что и реагенты – твердый, жидкий или газовый. Во время процесса катализатор взаимодействует с реагент, образуя промежуточное вещество, которое затем разлагается или реагирует с другим реагент в одном или нескольких шагах для регенерации исходного катализатора и формирования конечного продукта.

Примером гомогенного катализа является химический процесс, связанный с разложением озона, происходящего в верхней атмосфере Земли. Озон представляет собой относительно нестабильную молекулу, которая разлагается для получения диатомного кислорода. Эта реакция разложения соответствует следующему двухэтапному механизму:

Многие вещества могут катализировать разложение озона. Например, считается, что окислно-катализованный распад озона происходит через следующий трехступенчатый механизм:

Однако общая реакция одинакова как для двухступенчатого некатализированного механизма, так и для трехступенчатого НЕКАТАЛИЗИРОВАННОГО механизма:

В катализированной реакции обратите внимание на то, что НА первом этапе работы механизма нет реагент и продукт на последнем этапе. Это еще одна характерная черту катализатора: Хотя он участвует в химической реакции, он не потребляется реакцией. Кроме того, при однородном катализе реагент и катализатор находятся в газообразной фазе.

Гетерогенный катализ

В гетерогенном катализе катализатор присутствует на другой фазе (обычно твердой), чем реагенты. Такие катализаторы, как правило, функционируют путем создания активной поверхности, на которой может возникнуть реакция. Газовые и жидкие фазовые реакции, катализируемые разнородными катализаторами, происходят на поверхности катализатора, а не в газовой или жидкой фазе.

Гетерогенный катализ обычно включает в себя следующие процессы:

  1. Адсорбция восстановителя(ей) на поверхности катализатора
  2. Активация восстановителя(ей) с адсорбентом
  3. Реакция восстановителя(ей) с адсорбентом
  4. Десорбция продукта(ей) с поверхности катализатора

На рисунке показан механизм реакции, включающий гетерогенный катализ этилена и газообразного водорода на твердой никелевой поверхности, образующий этановый газ (C2H4 + H2 ⟶ C2H6):

А) водород абсорбируется на никелиевой поверхности. Во время этого процесса водородные связи разрываются, образуя никелево-водородные связи.
(b) Этен также адсорбируется на никелевой поверхности, разрывая углеродно-углеродную связь и образуя никелево-углеродные связи.
C) атомы водорода рассеивают по поверхности и образуют новые углерод-водородные связи, когда они сталкиваются с образованием этана (C2H6).
D) молекулы этана десорбция с поверхности никеля.

Гетерогенный катализ используется для промышленного производства таких химических продуктов, как аммиак, азотная кислота, серная кислота и метанол. Гетерогенные катализаторы также используются в каталитических нейтрализаторах, используемых в большинстве автомобилей с бензиновым двигателем.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 12.7: Катализ.

Что такое катализаторы?

Катализаторы представляют собой вещества, включая твердые, жидкие и газообразные вещества, которые увеличивают скорость химических реакций и имеют жизненно важное значение для химической промышленности. Они позволяют эффективно производить многие химические вещества и используются в широком спектре промышленных применений, включая химические продукты тонкой очистки, нефтеперерабатывающие заводы, пищевые масла, фармацевтические препараты и полимеры. Конкретные области применения включают сокращение выбросов в окружающую среду и производство топлива с низким содержанием серы. Европа является лидером в области каталитических технологий.

 

Важные факторы при разработке катализатора включают селективность и выход, отравление, коррозионную активность, возможность повторного использования, а также доступность материалов. Оптимизация каталитических эффектов требует глубокого понимания широкого круга химических явлений и является узкоспециализированной наукой.

Существует два основных типа катализаторов:

Гомогенный
Реагенты и катализатор находятся в одной фазе, обычно в растворе.Катализатор обычно извлекают из потока конечного продукта с помощью такого процесса, как перегонка. Его повторно используют до тех пор, пока каталитическая активность не перестанет быть достаточно высокой. Часто исходный каталитический материал поставляется в виде порошка, и катализатор необходимо растворить в подходящем растворителе, прежде чем катализатор можно будет использовать.

Гетерогенный
Реагенты (обычно жидкие или газообразные) и катализатор (обычно твердый) находятся в разных фазах. Гранулы могут иметь сферическую, цилиндрическую или произвольную форму.Многие катализаторы, используемые в гетерогенных процессах, чрезвычайно сложны. Обычно они состоят из ряда основных компонентов на инертном материале-носителе, таком как оксид алюминия или диоксид кремния. При обращении с этими твердыми катализаторами они могут образовывать переносимую по воздуху пыль и, следовательно, могут представлять опасность при вдыхании.

Как делают катализаторы?

Производство катализаторов представляет собой сложный процесс, обычно осуществляемый на специализированных предприятиях. Твердые гетерогенные катализаторы с металлами обычно изготавливают путем пропитки или осаждения на носителе в жидком состоянии с последующей термической обработкой

катализатор: | Infoplease

Ферменты являются наиболее распространенными и наиболее эффективными катализаторами в природе.Большинство химических реакций, протекающих в организме человека и других живых существ, представляют собой высокоэнергетические реакции, которые происходили бы медленно, если вообще происходили бы без катализа, обеспечиваемого ферментами. Например, в отсутствие катализа гидролиз крахмала до глюкозы занимает несколько недель; след фермента птиалина, обнаруженный в человеческой слюне, ускоряет реакцию, так что крахмалы могут быть переварены. Некоторые ферменты увеличивают скорость реакции в миллиард и более раз.

Ферменты обычно являются специфическими катализаторами; то есть они катализируют только одну реакцию одного конкретного реагента (называемого его субстратом).Обычно фермент и его субстрат имеют комплементарные структуры и могут связываться друг с другом с образованием более реакционноспособного комплекса благодаря наличию в ферменте функциональных групп, которые стабилизируют переходное состояние реакции или снижают энергию активации. Токсичность некоторых веществ (например, угарного газа и нервно-паралитических газов) обусловлена ​​их ингибированием поддерживающих жизнь каталитических реакций в организме.

Катализ также важен в химических лабораториях и в промышленности.Некоторые реакции протекают быстрее в присутствии небольшого количества кислоты или основания и называются катализируемыми кислотой или основанием. Например, гидролиз сложных эфиров катализируется присутствием небольшого количества основания. В этой реакции именно гидроксид-ион ОН реагирует со сложным эфиром, и концентрация гидроксид-иона значительно увеличивается по сравнению с чистой водой за счет присутствия основания. Хотя некоторые из гидроксид-ионов, обеспечиваемых основанием, израсходованы в первой части реакции, на более позднем этапе они регенерируются из молекул воды; чистое количество присутствующего гидроксид-иона одинаково в начале и в конце реакции, поэтому основание рассматривается как катализатор, а не как реагент.

Мелкодисперсные металлы часто используются в качестве катализаторов; они адсорбируют реагенты на своей поверхности (см. Адсорбция), где реакция может протекать легче. Например, газообразные водород и кислород можно смешивать без реакции с образованием воды, но если к газовой смеси добавить небольшое количество порошкообразной платины, газы вступят в реакцию быстро. Реакции гидрогенизации, например образование твердых кулинарных жиров из растительных масел, катализируются мелкодисперсными металлами или оксидами металлов. Промышленное получение серной и азотной кислот также зависит от такого поверхностного катализа.Другими широко используемыми поверхностными катализаторами, помимо платины, являются медь, железо, никель, палладий, родий, рутений, силикагель (диоксид кремния) и оксид ванадия.

Разделы этой статьи:

Электронная энциклопедия Колумбии, 6-е изд. Авторское право © 2012, издательство Колумбийского университета. Все права защищены.

См. больше статей энциклопедии: Химия: общая

Катализатор | Encyclopedia.com

Катализатор – это любой агент, который ускоряет реакцию или процесс, не расходуясь и не изменяясь.

В химических реакциях молекулы изменяются путем перемещения или перегруппировки атомов или кластеров атомов. Для каждой реакции, чтобы осуществить эти химические переходы от одной молекулы к измененной молекуле, обычно требуется определенное количество энергии, чтобы подготовить молекулу к изменению. Это называется энергией активации. Энергию активации можно рассматривать как барьер, препятствующий переходу молекул из одной формы в другую.

В химической реакции катализаторы удерживают молекулу в определенном положении или влияют на прочность отдельных химических связей, которые претерпевают изменения во время реакции.Катализаторы ускоряют реакции, снижая энергию активации, необходимую для протекания реакции. В живых системах большинство химических реакций катализируются белками, называемыми ферментами.

Катализаторы могут быть гомогенными или гетерогенными. Гомогенный катализатор — это катализатор, находящийся в той же фазе (газообразной, жидкой или твердой), что и реагирующее химическое вещество. В биологии, например, ферменты распределены в жидкой среде внутри клеток, и реагирующие химические вещества там же растворены в жидком состоянии.Напротив, гетерогенные катализаторы существуют в другом физическом состоянии, чем реагирующие химические вещества. Например, в автомобилях каталитический нейтрализатор представляет собой твердофазный катализатор на основе платины, который находится в выхлопной системе, но реагирующие химические вещества находятся в выхлопных газах, которые проходят после сгорания бензина.

Катализаторы могут замедляться при наличии различных ингибиторов или ядов. Ингибиторы представляют собой вещества, которые физически взаимодействуют с поверхностью катализатора, замедляя или препятствуя протеканию химической реакции.Часто молекулы, которые действуют как ингибиторы для определенного катализатора, имеют форму и структуру, очень близкую к химическому веществу, которое обычно взаимодействует с катализатором. Однако ингибиторы химически отличаются от реагирующих химических веществ, поэтому они не могут быть химически изменены при обычном действии катализатора. В случае ферментов в лекарствах часто могут использоваться специфические ингибиторы, такие как популярные статины, используемые для снижения уровня холестерина. В каталитическом нейтрализаторе тяжелые металлы, такие как свинец, действуют как яды, необратимо соединяясь с каталитической поверхностью платины, разрушая ее каталитические свойства.

Среди многих катализаторов, используемых в судебно-медицинской экспертизе, ученые используют неорганические катализаторы при анализе образцов краски и биологические катализаторы при анализе ДНК .

см. также Химические уравнения; Эндотермическая реакция; Экзотермические реакции.

Металлические катализаторы — Alfa Aesar

 
Электрокатализаторы и топливные элементы

Из-за экологических соображений топливные элементы стали зеленой альтернативой традиционным энергетическим технологиям, используемым на транспорте, а также в стационарных и портативных электростанциях. Экологически чистые, устойчивые и бесшумные, топливные элементы эффективны при в обоих электродах используются активные катализаторы. Электрокатализаторы ускоряют кинетику протекающей окислительно-восстановительной реакции. на границе раздела электрод-электролит топливных элементов (см. нашу страницу о компонентах аккумуляторов), тем самым повышая их производительность и и долговечность.

Хотя использование неблагородных металлов (например, Co, Fe, Ni, Mn и т. д.) в качестве электрокатализаторов также изучается, платина, нанесенная на углеродный носитель (Pt/C) наиболее широко используется как в исследованиях, так и в коммерческих целях благодаря своей более высокой каталитической активности и лучшей стабильности, чем другие благородные металлы в сильно кислые электролиты.Электрокатализаторы следующего поколения теперь доступны с коррозионностойкими углеродными носителями для автомобильных топливных элементов.

Ниже приведены наши новые предложения продуктов на основе платины, которые можно использовать в исследованиях и разработках топливных элементов. Нажмите на инвентарный номер, чтобы узнать больше о продукте.

  Артикул   Описание   Размер   Артикул №   Описание   Размер
  47491   Оксид иридия(IV) 50%   1 г, 5 г   47346   Платина, номинально 27 %, кобальт, номинально 3 % на прочной углеродной основе   1 г, 5 г
  47400   Платина 50% — иридия(IV) оксид 50%   1г, 5г   47395   Платина, номинально 27 %, кобальт, номинально 3 % на Vulcan XC72 Carbon   1 г, 5 г
  47380   Платина 75% — оксид иридия(IV) 25%   1г, 5г 47332   Платина, номинально 18 %, кобальт, номинально 1 %, хром, номинально 1 % на прочной углеродной основе   1 г, 5 г
  47357   Платина, номинально 10 % на техническом углероде   1 г, 5 г   47301   Платина, номинально 27%, кобальт, номинально 1. 5 %, хром, номинально 1,5 % на Vulcan XC72 Carbon   1 г, 5 г
  47337   Платина, номинально 10 % на техническом углероде   1 г, 5 г   47362   Платина, номинально 18 %, кобальт, номинально 1 %, никель, номинально 1 % на прочной углеродной основе   1 г, 5 г
  47341   Платина, номинально 15 % на прочной углеродной основе   1 г, 5 г   47366   Платина, номинально 27%, кобальт, номинально 1.5 %, никель, номинально 1,5 % на Vulcan XC72 Carbon   1 г, 5 г
  47388   Платина, номинально 40 % на прочной углеродной основе   1 г, 5 г   47399   Платиново-рутениевый черный   1 г, 5 г
  47334   Платина, номинально 60 % на усовершенствованной углеродной основе с большой площадью поверхности   1 г, 5 г   47312   Платина, номинально 20 %, рутений, номинально 10 % на Vulcan XC72 Carbon   1 г, 5 г
  47310   Платина, номинально 70 % на усовершенствованной углеродной подложке с большой площадью поверхности   1 г, 5 г   47379   Платина, номинально 20 %, рутений, номинально 10 % на Vulcan XC72 Carbon   1 г, 5 г
  47311   Платина, номинально 13. 5 %, кобальт, номинально 1,5 % на прочной углеродной основе   1 г, 5 г   47371   Платина, номинально 50 %, рутений номинально 25 % на улучшенной углеродной подложке с большой площадью поверхности   1 г, 5 г
 

Каталитические механизмы ферментов – химия

Глава 7: Каталитические механизмы ферментов

7.1 Обзор концепции ферментативных реакций

7.2 Обзор каталитических механизмов

7.3 Примеры механизмов реакции

7.4 Каталожные номера

7.1 Обзор концепции ферментативных реакций

В этом разделе мы рассмотрим некоторые основы органической и биологической химии, которые помогут понять механизмы ферментативных реакций.

Определение фермента

Вспомним из главы 6, что ферменты — это биологические катализаторы, уменьшающие энергию активации, необходимую для протекания реакции в прямом направлении (рис. 7.1). Они облегчают образование соединений с переходным состоянием в ходе реакции и в миллион раз увеличивают скорость реакции по сравнению с некатализируемыми реакциями. Обратите внимание, что ферменты НЕ изменяют ΔG реакции и НЕ влияют на спонтанность или положение равновесия реакции. Ферменты, как и другие катализаторы, также не расходуются в ходе реакции. Ферменты обладают высокой субстратной специфичностью и могут даже проявлять региоспецифичность, что приводит к образованию стереоспецифических продуктов.

Рис. 7.1 Влияние фермента на снижение энергии активации, необходимой для начала реакции, где (а) некатализируется, а (б) является ферментативно-катализируемой реакцией.

Рисунок из   Питер К. Робинсон


Гомолитическое и гетеролитическое расщепление связи

Расщепление связи или разрыв — это расщепление химических связей. Обычно это можно назвать диссоциацией, когда молекула расщепляется на два или более фрагментов. В целом существует две классификации расщепления связи: гомолитическая и гетеролитическая в зависимости от характера процесса (рис. 7.2).

При гетеролитическом расщеплении или гетеролизе , связь разрывается таким образом, что первоначально общая пара электронов остается с одним из фрагментов. Таким образом, фрагмент получает электрон, имея оба связывающих электрона, а другой фрагмент теряет электрон. [4]  Этот процесс также известен как ионное деление.

При гомолитическом расщеплении или гомолизе два электрона в расщепленной ковалентной связи поровну делятся между продуктами. Этот процесс также известен как гомолитическое деление или радикальное деление .

Рис. 7. 2 Примеры гетеролитического и гомолитического разрыва связи. При гетеролитическом расщеплении оба общих электрона остаются у одного из атомов общей связи, тогда как при гомолитическом расщеплении один электрон сохраняется у каждого атома общей связи, образуя радикальные интермедиаты.


Нуклеофилы и электрофилы

Нуклеофил представляет собой атом или функциональную группу с парой электронов (обычно несвязывающей или неподеленной парой), которая может быть общей. Впрочем, то же самое можно сказать и об основании: на самом деле основания могут выступать в роли нуклеофилов, а нуклеофилы — в роли оснований. В чем же тогда разница между основанием и нуклеофилом?

Основание Бренстеда-Лоури использует неподеленную пару электронов для образования новой связи с кислым протоном.Помните, что когда мы оцениваем основность — силу основания — мы говорим с точки зрения термодинамики: где находится равновесие в эталонной кислотно-щелочной реакции?

Рисунок 7. 3 Базы Бренстеда-Лоури. На верхней и нижней диаграммах показаны положения равновесия сильных и слабых оснований соответственно.


Нуклеофил делит свою неподеленную пару электронов с электрофилом – бедным электронами атомом, отличным от водорода, обычно углеродом.Когда мы оцениваем нуклеофильность, мы думаем с точки зрения кинетики — как быстро нуклеофил реагирует с эталонным электрофилом?

Рис. 7.4 Нуклеофилы. На верхней и нижней диаграммах показаны более быстро реагирующие и более медленно реагирующие нуклеофилы соответственно.


Как в лабораторной, так и в биологической органической химии наиболее распространенными нуклеофильными атомами являются кислород, азот и сера, а наиболее распространенными нуклеофильными соединениями и функциональными группами являются вода/гидроксид-ион, спирты, фенолы, амины, тиолы и иногда карбоксилаты.

При определенных обстоятельствах атомы углерода также могут действовать как нуклеофилы. Например, енолят-ионы являются обычными углеродными нуклеофилами в биохимических реакциях, а цианид-ион (CN ) является примером углеродного нуклеофила, обычно используемого в лаборатории (рис. 7.5).

Рис. 7.5 Углерод может действовать как нуклеофил при определенных обстоятельствах.


Многие ферментативные функции, выполняемые в живых системах, используют белки в качестве катализатора.Однако некоторые ферментативные реакции могут быть опосредованы другими макромолекулами, такими как РНК, и будут более подробно обсуждаться в конце этой главы. В белковых структурах некоторые R-группы аминокислот могут служить нуклеофилами и часто находятся в активном центре ферментов. К ним относятся: цистеин, серин, треонин, тирозин, глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота, лизин, аргинин и гистидин (рис. 7.6).

Рис. 7.6 R-группы аминокислот, которые обычно действуют как нуклеофилы. Реакционноспособные аминокислоты, которые могут служить нуклеофилом, часто находятся в активном центре ферментов и участвуют в механизме реакции.


Выталкивание электронов

Толкание стрелки  или Толкание электрона  – это метод, используемый для описания развития механизмов реакций в органической химии. . Впервые он был разработан сэром Робертом Робинсоном. При использовании толкания стрелок «изогнутые стрелки»  или «фигурные стрелки» накладываются на структурные формулы реагентов в химическом уравнении, чтобы показать механизм реакции.Стрелки показывают движение электронов по мере разрыва и образования связей между атомами. Нажатие стрелки также используется для описания того, как положительные и отрицательные заряды распределяются вокруг органических молекул посредством резонанса. Однако важно помнить, что толкание стрелок — это формализм, а электроны (точнее, электронная плотность) в реальности движутся не так аккуратно и дискретно.

Химики-органики используют два типа стрелок внутри молекулярных структур для описания движения электронов. Траектории одиночных электронов обозначены одинарными стрелками с зазубринами, тогда как стрелки с двойными зазубринами показывают движение электронных пар (рис. 7.7).

Рисунок 7.7. Траектория движения пары электронов (верхняя диаграмма) и траектория движения одиночного электрона (нижняя диаграмма).

Рисунок из: Jkwchui


Когда связь разрывается, электроны покидают место связи; это представлено изогнутой стрелкой, указывающей от связи, и концом стрелки, указывающей на следующую незанятую молекулярную орбиталь.Точно так же химики-органики представляют образование связи изогнутой стрелкой, указывающей между двумя видами.

Для ясности при нажатии стрелок лучше всего рисовать стрелки, начиная с неподеленной пары электронов или σ- или π-связи и заканчивая положением, которое может принять пару электронов, позволяя читателю точно знать, какие электроны движущиеся и где они заканчиваются.

(наверх)


Константы кислотной диссоциации, Ka и pKa

Определение кислоты по Бренстеду-Лоури — это любое соединение, которое может отдавать протон, тогда как основание — это любое соединение, которое может принимать протон.Сила кислоты измеряется с точки зрения ее способности диссоциировать в растворе и характеризуется определенной константой кислотной диссоциации , K a , (также известной как константа кислотности или кислота -константа ионизации ). Ka является количественной мерой силы кислоты в растворе и является константой равновесия для химической реакции

, известный как диссоциация в контексте кислотно-основных реакций.Химический вид HA представляет собой кислоту, которая диссоциирует на A , сопряженное основание кислоты и ион водорода, H + . Говорят, что система находится в равновесии, если концентрации ее компонентов не будут меняться с течением времени, поскольку и прямая, и обратная реакции протекают с одинаковой скоростью.

Константа диссоциации определяется

или

, где величины в квадратных скобках представляют собой равновесные концентрации веществ.

Константа диссоциации кислоты является прямым следствием лежащей в основе термодинамики реакции диссоциации. Значение p K a   прямо пропорционально стандартному изменению свободной энергии Гиббса для реакции. Величина p K a изменяется с температурой и может быть понята качественно на основе принципа Ле Шателье следующим образом: когда реакция является эндотермической, K a  увеличивается, а p K a уменьшается при повышении температуры; обратное верно для экзотермических реакций.Величина p K a также зависит от молекулярной структуры кислоты.

Количественное поведение кислот и оснований в растворе можно понять, только если известны их значения p K a  . В частности, pH раствора можно предсказать, когда известны аналитическая концентрация и значения p K a  всех кислот и оснований; и наоборот, можно рассчитать равновесную концентрацию кислот и оснований в растворе, если известен рН.Эти расчеты находят применение во многих областях химии, биологии, медицины и геологии. Например, многие соединения, используемые в медицине, являются слабыми кислотами или основаниями, и знание значений p K a вместе с коэффициентом распределения вода-октанол может быть использовано для оценки степени, в которой соединение входит в состав поток крови. В живых организмах кислотно-щелочной гомеостаз и кинетика ферментов зависят от значений p K a многих кислот и оснований, присутствующих в клетке и в организме.

Первичная классификация ферментов

Напомним из главы 6, что существует шесть основных классов биохимических реакций, которые опосредованы ферментами (таблица 7. 1). К ним относятся реакции окисления-восстановления, реакции группового переноса, реакции гидролиза, образование/удаление углерод-углеродных двойных связей, реакции изомеризации и реакции лигирования. В этом разделе вы познакомитесь с этими шестью типами реакций.

Таблица 7.1 Система первичной классификации ферментов Комиссии по ферментам (EC)


Окислительно-восстановительные реакции

окислительно-восстановительная (окислительно-восстановительная) реакция  – это тип химической реакции, которая включает перенос электронов между двумя атомами или соединениями. Вещество, которое теряет электроны, называется окисленным, а вещество, которое приобретает электроны, называется восстановленным. Окислительно-восстановительные   реакции всегда должны протекать вместе.Если одна молекула окисляется, то другая молекула должна восстанавливаться (т.е. электроны не появляются из воздуха, чтобы добавиться в соединение, они всегда должны откуда-то браться!).

Изменение электронного состава можно оценить по изменению степени окисления (или числа) атома. Таким образом, окислительно-восстановительная реакция  – это любая химическая реакция, в которой степень окисления (число) молекулы, атома или иона изменяется путем приобретения или потери электрона.В этом разделе мы узнаем, как оценить степень окисления молекулы. В целом, окислительно-восстановительные реакции являются обычными и жизненно важными для некоторых основных функций жизни, включая фотосинтез, дыхание, горение, коррозию или ржавление.

Как показано на рис. 7.8, простая мнемоника, которая поможет вам вспомнить, какой член получает электроны, а какой член теряет электроны, звучит так: «Лев Лев говорит GER», где LEO означает L ose E лектронов = O xidized и GER означает G ain E электронов = R educed.

Рисунок 7.8. Законы окисления и восстановления. ( Верхняя диаграмма ) Мнемоника LEO, лев, говорит, что GER помогает запомнить основные концепции окислительно-восстановительных реакций, отметив, что когда молекула L подвергается E лекциям, она O окисляется ( LEO ), а когда молекула G содержит E электронов, образуется R ( GER ). ( Нижняя диаграмма ) Пример окислительно-восстановительной реакции с указанными окисленными и восстановленными компонентами.

Фото льва изменено с Робек


Реакции группового переноса

В реакциях группового переноса функциональная группа будет перенесена с одной молекулы, которая служит молекулой-донором, на другую молекулу, которая будет молекулой-акцептором. Перенос функциональной группы амина от одной молекулы к другой является типичным примером реакции такого типа и показан на рис. 7.9 ниже.

Рисунок 7.9 Перенос функциональной группы амина.  Обычной реакцией группового переноса в биологических системах является реакция, которая используется для получения α-аминокислот, которые затем можно использовать для синтеза белка. В этой реакции одна α-аминокислота служит донорной молекулой, а α-кетокислота (эти молекулы содержат функциональную группу карбоновой кислоты и функциональную группу кетона, разделенных одним α-углеродом) служит акцептором. В молекуле акцептора карбонильный кислород заменяется функциональной группой амина, тогда как в молекуле донора функциональная группа амина заменяется кислородом, образуя новую кетоновую функциональную группу.


Реакции гидролиза

Классификация реакций гидролиза  включает как прямые реакции, включающие добавление воды к молекуле для ее разрушения, так и обратную реакцию, включающую удаление воды для соединения молекул, называемую дегидратационным синтезом (или конденсацией). (рис. 7.7) . Когда к молекуле добавляют воду, чтобы разделить ее на две молекулы, эта реакция называется гидролизом .Термин « лизис » означает расщепление, а термин «гидро » относится к воде. Таким образом, термин гидролиз  означает расщепление водой. Обратная реакция включает удаление воды из двух молекул, чтобы объединить их в более крупную молекулу. Поскольку две молекулы теряют воду, они обезвоживаются . Таким образом, образование молекул посредством удаления воды известно как дегидратационный синтез .Поскольку вода также является побочным продуктом этих реакций, их также обычно называют реакциями конденсации. Как мы видели в главе 6, образование основных классов макромолекул в организме (белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты) происходит посредством дегидратационного синтеза , при котором вода удаляется из молекул (рис. 7.10). . Во время нормального переваривания наших пищевых молекул основные макромолекулы расщепляются на строительные блоки в процессе гидролиза .

Рис. 7.10 Синтез гидролиза и дегидратации.  Реакции гидролиза опосредуют расщепление более крупных полимеров на их мономерные строительные блоки за счет добавления воды к молекулам. Обратной реакцией является синтез дегидратации, при котором вода удаляется из строительных блоков мономера для создания более крупной полимерной структуры.


Как вы узнали из этого семестра, основные макромолекулы строятся путем объединения повторяющихся мономерных субъединиц в процессе дегидратационного синтеза.Интересно, что органические функциональные единицы, используемые в процессах дегидратационного синтеза для каждого из основных типов макромолекул, имеют сходство друг с другом. Таким образом, полезно смотреть на реакции вместе (рис. 7.11)

Рис. 7.11 Реакции синтеза дегидратации, участвующие в образовании макромолекул. Показаны основные органические реакции, необходимые для биосинтеза липидов, нуклеиновых кислот (ДНК/РНК), белков и углеводов. Обратите внимание, что во всех реакциях присутствует функциональная группа, которая содержит две электроноакцепторные группы (карбоновая кислота, фосфорная кислота и полуацеталь имеют по два атома кислорода, присоединенных к центральному атому углерода или фосфора).Это образует реактивный частично положительный центральный атом (углерод в случае карбоновой кислоты и полуацеталя или фосфор в случае фосфорной кислоты), который может быть атакован электроотрицательным кислородом или азотом из спиртовой или аминной функциональной группы.


Образование/удаление углерод-углеродных двойных связей

Реакции, которые опосредуют образование и удаление углерод-углеродных двойных связей, также распространены в биологических системах и катализируются классом ферментов, называемых лиазами . Образование или удаление углерод-углеродных двойных связей также используется в реакциях синтетической органической химии для создания желаемых органических молекул. Один из этих типов реакций называется реакцией гидрирования , когда молекула водорода (H 2 ) присоединяется к двойной связи C-C, восстанавливая ее до одинарной связи C-C. Если это делается с использованием ненасыщенных масел, ненасыщенные жиры могут быть преобразованы в насыщенные жиры (рис. 7.12). Этот тип реакции обычно проводят для получения частично гидрогенизированных масел, превращая их из жидкостей при комнатной температуре в твердые вещества.Таким способом изготавливают маргарины из растительного масла. К сожалению, побочным продуктом этой реакции может быть образование TAGS, содержащих транс- двойных связей. Как только опасность для здоровья от потребления трансжиров была признана, Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) наложило запрет на включение трансжиров в пищевые продукты. Этот запрет был введен летом 2015 года и дал производителям продуктов питания три года на то, чтобы исключить их из поставок продовольствия, с крайним сроком 18 июня 2018 года.

Рис. 7.12 Гидрогенизация масел для производства маргарина.  Ненасыщенные масла могут быть частично или полностью гидрогенизированы с получением насыщенных жирных кислот для производства маргаринов, которые останутся твердыми при комнатной температуре. Добавление новых атомов водорода для создания насыщенных углеводородов показано желтым цветом в конечном продукте.

Верхнее фото предоставлено Хлопковое масло , а нижнее фото предоставлено Littlegun


Реакции изомеризации

В реакциях изомеризации одна молекула перестраивается таким образом, что она сохраняет ту же молекулярную формулу, но теперь имеет другой порядок связывания атомов, образующих структурный или стереоизомер. Превращение глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат является хорошим примером реакции изомеризации и показано на рис. 7.13

.

Рис. 7.13 Изомеризация глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат.


Реакции лигирования

Реакции лигирования используют энергию АТФ для соединения двух молекул. Примером такой реакции является присоединение аминокислоты к молекуле транспортной РНК (тРНК) в процессе синтеза белка.Во время синтеза белка молекулы тРНК доставляют каждую из аминокислот к рибосоме, где они могут быть включены во вновь растущую белковую последовательность. Для этого молекулы тРНК должны быть сначала присоединены к соответствующей аминокислоте. Доступны специальные ферменты, называемые аминоацил-тРНК-синтетазами, которые опосредуют эту реакцию. Ферменты синтетазы используют энергию АТФ для ковалентного присоединения аминокислоты к молекуле тРНК. Схема этого процесса показана на рис. 7.14. Для каждой из 20 аминокислот существует определенная молекула тРНК и определенный фермент синтетаза, которые обеспечат правильное присоединение нужной аминокислоты к ее молекуле тРНК.

Рис. 7.14 Реакция лигирования, ковалентно связывающая метионин с соответствующей тРНК. Фермент аминоацил-тРНК-синтетаза метионина (показан синим) ковалентно связывает метионин (светло-розовый) с молекулой метионин-тРНК (темно-розовый). Эта реакция требует энергии, полученной от распада молекулы АТФ на AMP, высвобождая энергию при распаде фосфатных связей на два неорганических иона фосфата (2 Pi).

Рисунок предоставлен Академией Кана

(наверх)


7.2 Обзор каталитических механизмов

Приведенные ниже описания описывают основные механизмы, которые ферменты используют для катализа химических реакций. Следует отметить, что многие ферменты используют более одной, а иногда и несколько различных каталитических стратегий в ходе своего механизма реакции.

Ковалентный катализ

Ковалентный катализ включает образование ковалентной связи между ферментом и по крайней мере одним из субстратов, участвующих в реакции.Часто это включает нуклеофильный катализ , который является подклассом ковалентного катализа. Как видно из раздела 7.1, несколько R-групп аминокислот могут служить нуклеофилами и часто находятся в активном центре ферментов. Нуклеофильные боковые цепи часто активируются депротонированием, вызванным соседними боковыми цепями, такими как гистидин, который может действовать как основание. Альтернативно, вода также может активировать нуклеофил. Промежуточное образование ковалентной связи между ферментом и субстратом обеспечивает расщепление связи и удаление уходящей группы.

Кислотно-щелочной катализ

Кислотно-основной катализ участвует в любом механизме реакции, который требует переноса протона от одной молекулы к другой. Очень часто этот механизм сочетается с ковалентным катализом, поскольку многие нуклеофилы активируются удалением протона, включая спиртовые, тиоловые и аминные функциональные группы. Ферменты, которые используют кислотно-щелочной катализ, могут быть далее подразделены на конкретные кислотно-основные или общие кислотно-основные реакции. Специфическая кислота или специфическое основание Катализ происходит, если ион гидроксония (H 3 O + ) или ион гидроксида (OH ) соответственно используются непосредственно в механизме реакции, и рН раствора влияет на скорость катализа. Общие кислотные и основные реакции происходят, когда молекулы, отличные от иона гидроксония (H 3 O + ) или иона гидроксида (OH ), являются источником отдачи или принятия протона.Чаще всего аминокислотный остаток активного центра используется для принятия или отдачи протона в рамках механизма реакции. В общих кислотно-щелочных реакциях pH обычно поддерживается постоянным в буферной системе.

Электростатический катализ

Электростатический катализ происходит, когда активный центр фермента стабилизирует переходное состояние реакции, образуя электростатические взаимодействия с субстратом. Электростатические взаимодействия могут быть ионными, ионно-дипольными, диполь-дипольными или гидрофобными взаимодействиями.Водородная связь является одним из наиболее распространенных электростатических взаимодействий, образующихся в активном центре.

Десольватация

Активные центры ферментов могут лишаться воды и имитировать реакционные характеристики газовой фазы. Это может дестабилизировать поляризованное состояние заряженных групп, таких как кислоты и основания. Таким образом, благоприятным состоянием становится нейтральная форма этих типов остатков. Это связано со значительными изменениями pKa остатков активного центра в неполярной среде. Это может привести к тому, что обычно кислые остатки, такие как глутамат, будут отрывать протон от гистидина и вести себя, например, как основание.

Катализ приближением

При приближенном катализе фермент увеличивает скорость реакции, связываясь с несколькими субстратами и располагая их в выгодном положении, чтобы реакция могла протекать. Связывание с ферментом снижает вращательную энтропию субстратов, которые в противном случае беспорядочно свободно плавали бы в растворе, и обеспечивает правильное расположение субстратов для реакции.Неблагоприятная потеря энтропии компенсируется энергией связи, высвобождаемой при взаимодействии субстрат-фермент.

В дополнение к правильному расположению субстратов для взаимодействия друг с другом, катализ путем аппроксимации преобразует реакцию второго порядка с субстратами, свободно плавающими в растворе, в реакцию первого порядка, в которой все субстраты удерживаются в место ферментом и ведут себя как единая молекула. Это может резко повысить каталитическую скорость реакции с 10 5 до 10 7 раз быстрее, в зависимости от ферментной системы.

Деформационная деформация

Изучая органическую химию, вы узнали, что некоторые структуры, такие как трехчленные и четырехчленные кольцевые структуры, такие как эпоксиды, обладают высокой реакционной способностью из-за искажения напряжения, присущего неблагоприятным углам связи, присущим кольцу. Активные центры фермента также могут использовать искажение напряжения внутри связанного субстрата, чтобы увеличить реакционную способность молекулы и способствовать образованию переходного состояния. Многие ферменты, функционирующие по модели индуцированной подгонки, также используют искажение напряжения в рамках своего каталитического механизма.В несвязанном состоянии они остаются в низкокаталитическом состоянии, однако взаимодействие с субстратом вызывает дестабилизацию активного центра фермента или может вызывать напряжение внутри субстрата, вызывающее инициацию каталитической активности фермента.

Кофактор Катализ

Кофакторы представляют собой молекулы, которые связываются с ферментами и необходимы для каталитической активности ферментов. Их можно разделить на две основные категории: металлы и коферменты.Кофакторы металлов , которые обычно встречаются в ферментах человека, включают: железо, магний, марганец, кобальт, медь, цинк и молибден. Коэнзимы представляют собой небольшие органические молекулы, часто полученные из витаминов , , которые являются важными органическими питательными веществами, потребляемыми с пищей. Коэнзимы могут слабо связываться с ферментом и обладать способностью связываться и высвобождаться из активного центра, или они могут быть прочно связывающимися и неспособными легко высвобождаться из фермента.Прочно связывающиеся коферменты относятся к простетическим группам . Ферменты, которые еще не связаны с требуемым кофактором, называются апоферментами , тогда как ферменты, которые связаны с требуемыми кофакторами, называются холоферментами. Иногда органические молекулы и металлы объединяются, образуя коферменты, например, в случае кофактора гема (рис. 7.15). Координация кофакторов гема с их аналогами ферментов часто включает электростатические взаимодействия с остатками гистидина, как показано в ферменте сукцинатдегидрогеназе, показанном на рисунке 7.15.

Рисунок 7.15 Кофактор гема. Семейство кофакторов гема содержит металлическое железо, координированное с кольцевой структурой порфирина, как показано на левой панели в структуре гема B. На правой панели гем B показан в комплексе с ферментом сукцинатдегидрогеназой из Цикл Кребса.

Структура гема B, показанная на левой панели, получена от: Yikrazuul, а кристаллическая структура сукцинатдегидрогеназы в комплексе с гемом B получена от: Richard Wheeler.


В качестве примера того, как витамины могут быть использованы в качестве кофакторов , в таблице 7.2 показаны распространенные витамины группы В и коферменты , полученные из их структур. Дефицит многих витаминов вызывает болезненные состояния из-за неактивности апоферментов , которые не могут функционировать без правильно связанного кофермента .

Таблица 7.2 Основные витамины группы В и их модифицированные ферментные кофакторы

Кофакторы могут помочь опосредовать ферментативные реакции посредством использования любой из различных каталитических стратегий, перечисленных выше.Они могут служить нуклеофилами и опосредовать ковалентный катализ или образовывать электростатические взаимодействия с субстратом и стабилизировать переходное состояние. Они также могут вызывать деформацию деформации или способствовать кислотно-щелочному катализу. Катализ с помощью металлов часто может использовать механизмы гомолитических реакций, в которых участвуют радикальные промежуточные соединения. Это может быть важно в реакциях, подобных тем, которые происходят в цепи переноса электронов, требующих безопасного движения отдельных электронов.

(наверх)


7.3 Примеры механизмов реакции
Ферменты протеазы

Протеолитические ферменты (также называемые пептидазами, протеазами и протеиназами) способны гидролизовать пептидные связи в белках. Их можно найти во всех живых организмах, от вирусов до животных и человека. Протеолитические ферменты имеют большое медицинское и фармацевтическое значение из-за их ключевой роли в биологических процессах и жизненном цикле многих патогенов. Протеазы являются широко применяемыми ферментами в нескольких секторах промышленности и биотехнологии, кроме того, их использование требует многочисленных исследовательских приложений, включая получение фрагментов Кленова, синтез пептидов, расщепление нежелательных белков во время очистки нуклеиновых кислот, культивирование клеток и диссоциацию тканей, получение рекомбинантных антител. фрагменты для исследований, диагностики и терапии, а также изучения структурно-функциональных отношений.

Протеолитические ферменты относятся к классу ферментов гидролаз и относятся к подклассу пептидгидролаз или пептидаз. В зависимости от места действия фермента протеазы также можно разделить на экзопептидазы и эндопептидазы. Экзопептидазы, такие как аминопептидазы и карбоксипептидазы, катализируют гидролиз пептидных связей вблизи N- или C-концов субстрата соответственно (рис. 7.16). Эндопептидазы (рис. 7.16) расщепляют пептидные связи во внутренних местах пептидной последовательности.Протеазы также могут быть неспецифичными и одинаково расщеплять все пептидные связи, или они могут быть высоко специфичными к последовательности и расщеплять пептиды только после определенных остатков или внутри определенных локализованных последовательностей.

Рис. 7.16 Распространенные пептидазные реакции. Аминопептидазы (верхняя диаграмма) и карбоксипептидазы (средняя диаграмма) удаляют концевые аминокислотные остатки, тогда как эндопептидазы (нижняя диаграмма) расщепляют белковые последовательности во внутренних участках. Красными стрелками показаны расщепляемые пептидные связи.

Рисунок из: Mótyán, J.A., et al. (2013) Биомолекулы 3 (4), 923-942


Действие протеолитических ферментов играет важную роль во многих физиологических процессах. Например, протеазы участвуют в переваривании пищевых белков, обмене белков, делении клеток, каскаде свертывания крови, передаче сигналов, обработке полипептидных гормонов, апоптозе и жизненном цикле некоторых болезнетворных организмов, включая репликацию ретровирусов, таких как как вирус иммунодефицита человека (ВИЧ).Из-за их ключевой роли в жизненном цикле многих хозяев и патогенов они имеют большое медицинское, фармацевтическое и академическое значение.

Ранее было подсчитано, что около 2% генов человека кодируют протеолитические ферменты, и из-за их необходимости во многих биологических процессах протеазы стали важными терапевтическими мишенями. Они интенсивно изучаются для изучения их структурно-функциональных взаимосвязей, изучения их взаимодействия с субстратами и ингибиторами, разработки терапевтических средств для противовирусной терапии или улучшения их термостабильности, эффективности и изменения их специфичности путем белковой инженерии для промышленных или терапевтических целей.

На основании каталитического механизма и присутствия аминокислотных остатков в активном центре протеазы можно разделить на аспарагиновые протеазы, цистеиновые протеазы, глутаминовые протеазы, металлопротеазы, аспарагиновые протеазы, сериновые протеазы, треониновые протеазы и протеазы со смешанными или неизвестный каталитический механизм. Здесь мы исследуем механизм реакции и специфичность последовательности семейства сериновых протеаз.

Список сериновых протеаз довольно длинный. Они сгруппированы в две широкие категории: 1) химотрипсиноподобные и 2) субтилизиноподобные.Хотя субтилизиноподобные и химотрипсиноподобные ферменты используют один и тот же механизм действия, включая каталитическую триаду, в остальном ферменты не связаны друг с другом последовательностью и, по-видимому, эволюционировали независимо (рис. 7.17). Таким образом, они являются примером конвергентной эволюции — процесса, в котором эволюция различных форм сходятся в структуре для обеспечения общей функции.

Рис. 7.17 Конвергентная эволюция сериновых протеаз, химотрипсина и субтилизина. Кристаллическая структура эукариотического бычьего химотрипсина (левая панель) с каталитической триадой, обозначенной зеленым цветом. Кристаллическая структура прокариотического субтилизина BPN из бактерии Bacillus subtilis (правая панель) с каталитической триадой и общими мутациями, указанными с использованием моделей шарика и палочки. Обратите внимание, что образование каталитической триады между двумя структурами поразительно сходно, тогда как окружающие белковые структуры и последовательности не обнаруживают гомологии или родственного происхождения.

Изображение бычьего химотрипсина, модифицированное из Mattyjenjen , и изображение субтилизина BNP из Romero-Garcia, E.R., et al. (2009) J Biomed Biotech 2009(1):201075


Ферменты химотрипсиноподобной сериновой протеазы расщепляют пептидную связь на стороне карбоновой кислоты определенных аминокислот, а специфичность определяется размером/формой/зарядом боковой цепи аминокислоты, которая помещается в карман связывания фермента S1 (рис. 7.18). ). Три члена семейства химотрипсиноподобных, которые имеют высокую гомологию последовательностей, представляют собой пищеварительные ферменты поджелудочной железы, трипсин, химотрипсин и эластазу.Сайты расщепления белков этими ферментами различаются. Трипсин расщепляет белки по карбоксильной стороне основных остатков, таких как лизин и аргинин, в то время как химотрипсин расщепляет ароматические гидрофобные аминокислоты, такие как фенилаланин, тирозин и триптофан, а эластаза расщепляет небольшие гидрофобные остатки, такие как глицин, аланин, и валин. Как показано на рис. 7.18, вариации аминокислотных остатков внутри кармана связывания этих протеаз обеспечивают электростатические взаимодействия с субстратом и определяют специфичность последовательности.

Рис. 7.18 Субстратная специфичность трипсина, химотрипсина и эластазы. На верхней панели показаны заполняющие пространство кристаллические структуры трипсина, химотрипсина и эластазы, соответственно, с обозначенным карманом для связывания субстрата S1. Нижняя панель изображает домены связывания S1 каждой протеазы более подробно с указанием R-групп важных аминокислот. Для трипсина остаток аспартата в нижней части кармана S1 помогает в электростатических взаимодействиях с основными остатками субстрата.Карман для связывания химотрипсина S1 является большим и гидрофобным по своей природе, вмещая ароматические остатки субстрата, в то время как карман для связывания эластазы S1 является небольшим и гидрофобным, позволяя стыковаться только другим небольшим и гидрофобным R-группам в этом месте.

Изображение изменено из: Goodsell, D. (2012) Molecule of the Month, Protein Database and Aleia Kim


Сериновые протеазы используют четыре основных каталитических механизма во время реакционного цикла: кислотно-щелочной катализ, ковалентный катализ, электростатические взаимодействия и десольватацию.Активный центр сериновых протеаз содержит каталитическую триаду из трех аминокислот: His, Ser (отсюда и название «сериновая протеаза») и Asp. Каждая из этих трех ключевых аминокислот играет существенную роль в расщепляющей способности протеаз. В то время как члены триады аминокислот расположены далеко друг от друга в первичной последовательности белка, из-за укладки они будут очень близко друг к другу в сердцевине фермента.

Во время катализа происходит упорядоченный механизм, в котором образуются несколько промежуточных продуктов.Катализ расщепления пептида можно рассматривать как пинг-понговый катализ , при котором связывается субстрат (в данном случае расщепляемый полипептид), высвобождается продукт (N-концевая «половина» пептид), связывается другой субстрат (в данном случае вода) и высвобождается другой продукт (С-концевая «половина» пептида). На рис. 7.19 показан каталитический процесс.

На этапах 1-2 полипептидный субстрат входит в активный центр и позиционируется в правильной ориентации рядом с остатком серина в активном центре посредством электростатических взаимодействий в кармане связывания S1. Карбонильный углерод субстрата расположен рядом с сериновым остатком в активном центре. Водород серинового спирта отщепляется каталитическим гистидиновым остатком посредством кислотно-щелочного катализа. Это стало возможным благодаря действию остатка аспартата в активном центре. В этом случае остаток аспартата отрывает протон от гистидина, позволяя гистидину удалить протон из серинового спирта. Обычно это было бы странно для аспартата, поскольку pKa R-группы аспартата намного ниже, чем у гистидина в водной среде.Однако, когда пептидный субстрат стыкуется с активным центром фермента, это исключает воду из области посредством процесса десольватации и создает гидрофобную микросреду. Это эффективно повышает pKa аспартата и благоприятствует незаряженной или протонированной форме остатка, вызывая отщепление протона от гистидина.

На стадиях 2–3 ковалентный катализ активируется, поскольку серин в активном центре опосредует нуклеофильную атаку на карбонильный углерод субстрата с образованием промежуточного тетраэдрического оксианиона. Затем промежуточный оксианион в пути стабилизируется за счет электростатических взаимодействий с областью протеазы, известной как оксианионное отверстие. Здесь отрицательный заряд оксианиона стабилизируется за счет электростатических взаимодействий с амидными атомами азота из основной цепи протеазы. Восстановление оксианиона с образованием двойной карбонильной связи приводит к разрыву пептидной связи. Затем С-концевая часть белка может покинуть активный центр фермента.

Как только С-концевой пептид покидает активный центр, вода может проникнуть в активный центр и регидратировать его, как показано на этапах 5–6.Молекула воды ориентирована вблизи карбонильного углерода N-концевого пептида, который все еще связан с остатком серина в активном центре. Кислород из воды действует как нуклеофил и атакует карбонильный углерод, воссоздавая промежуточный оксианион, который стабилизируется за счет электростатических взаимодействий оксианионной дырки. По мере того, как этот оксианион восстанавливается, чтобы преобразовать карбонил, остаток серина действует как уходящая группа, и N-концевой пептид высвобождается из фермента.Присутствие воды в активном центре восстанавливает остаток серина и нативное состояние остатков гистидина и аспарагиновой кислоты.

В целом, каждая аминокислота в триаде выполняет определенную задачу в этом процессе:

  • Серин имеет группу -ОН, которая способна действовать как нуклеофил, атакуя карбонильный углерод разрезаемой пептидной связи субстрата ( ковалентный катализ ).
  • Пара электронов на гистидиновом азоте способна принимать водород из группы серин-ОН, таким образом координируя атаку пептидной связи ( кислотно-основной катализ ).
  • Карбоксильная группа аспарагиновой кислоты, в свою очередь, координируется с гистидином, делая атом азота, упомянутый выше, намного более электроотрицательным в процессе десольватации .

Электростатические взаимодействия имеют решающее значение для (1) связывания субстрата в кармане связывания S1 (2) стабилизации оксианиона в переходном состоянии и (3) координации молекулы воды для обеспечения нуклеофильной атаки на связанный с ферментом промежуточный продукт.

Рис. 7.19 Механизм реакции химотрипсиноподобных протеаз. Механизм реакции разбит на восемь этапов. На стадиях 1-3 белковый субстрат связывается с протеазой и ориентируется так, чтобы поместить карбонильный углерод субстрата рядом с остатком серина в активном центре. Кислотно-основной катализ позволяет активировать сериновый остаток, чтобы опосредовать нуклеофильную атаку на белковый субстрат. Ковалентный промежуточный оксианион, показанный на рисунках 3 и 4, стабилизирован оксианионной дыркой.Отскок электронов для преобразования карбонильной группы вызывает расщепление пептидной связи и удаление С-концевой части пептида из активного центра, как показано на рисунке 5. Вода входит в активный центр и опосредует нуклеофильную атаку карбонильного углерода. промежуточного соединения фермент-субстрат, как показано на рисунках 6 и 7. По мере восстановления карбонильной связи серин действует как уходящая группа, и N-концевой пептид высвобождается из фермента. Каталитическая триада в активном центре фермента восстанавливается, и фермент переустанавливается для другого цикла каталитической активности, как показано на рисунке 8.

(наверх)


Аденилаткиназы

Аденилаткиназа (также известная как AK или миокиназа ) представляет собой фермент фосфотрансферазы, катализирующий взаимное превращение адениновых нуклеотидов (АТФ, АДФ и АМФ). Постоянно контролируя уровни фосфатных нуклеотидов внутри клетки, ферменты АК играют важную роль в гомеостазе клеточной энергии. Основной химической реакцией, опосредованной этим классом ферментов, является превращение 2 молекул АДФ в 1 АТФ и 1 АМФ (рис. 7.20А). Также может происходить обратная реакция, образуя равновесие, основанное на клеточных концентрациях различных состояний фосфорилирования.

На сегодняшний день идентифицировано девять изоформ белка АК человека. В то время как некоторые из них распространены по всему телу, некоторые локализованы в определенных тканях. Например, AK7 и AK8 встречаются только в цитозоле клеток; и AK7 обнаружен в скелетных мышцах, тогда как AK8 нет. Различны не только расположение различных изоформ внутри клетки, но и связывание субстрата с ферментом и кинетика переноса фосфорила.AK1, наиболее распространенный цитозольный изофермент AK, имеет K m  примерно в тысячу раз выше, чем K m AK7 и 8, что указывает на гораздо более слабое связывание AK1 с AMP. Субклеточная локализация ферментов АК осуществляется с помощью уникальных целевых последовательностей, обнаруженных в белке. Каждая изоформа также имеет разные предпочтения в отношении NTP. Некоторые будут использовать только АТФ, тогда как другие примут ГТФ, УТФ и ЦТФ в качестве фосфорильного носителя.

Ферменты

AK могут участвовать в регулировании концентрации нуклеотидов и служить релейной системой между клеточным и митохондриальным пулами адениновых нуклеотидов, как показано на рисунке 7.20Б. Ферменты АК также могут служить датчиком энергетической нагрузки внутри клетки и могут приводить к активации чувствительных к АМФ систем внутри клетки при низком уровне энергии (рис. 7.20С).

Рисунок 7.20. Активность фермента аденилаткиназы (АК). (A) Фундаментальная реакция АМФ-киназ. (B) реакции ферментов AK могут работать в каскадных механизмах для обеспечения передачи сигналов и связи между различными областями клетки, включая цитоплазму и митохондрии, и (C) ферменты AK часто используются в качестве метаболического монитора энергетической нагрузки, что приводит к активация или ингибирование нижестоящих ферментов.

Рисунок изменен из: Dzeja, P. and Terzic, A. (2009). Int J Mol Sci 10(4):1729-1772


Перенос фосфорила во время реакции AK происходит только после закрытия структуры «открытой крышки» в ферменте посредством катализа по механизму приближения (рис. 7.21 и 7.22). Это вызывает исключение молекул воды, что сближает субстраты друг с другом и эффективно снижает энергетический барьер для нуклеофильной атаки γ-фосфорильной группой АТФ на α-фосфорил AMP.В кристаллической структуре фермента AK из E. coli с ингибитором Ap5A (рис. 7.21C) остаток Arg88 координирует Ap5A по α-фосфатной группе посредством электростатических взаимодействий . Было показано, что мутация Arg88 в Gly (R88G) приводит к потере 99% каталитической активности этого фермента, что позволяет предположить, что этот остаток тесно связан с переносом фосфорила. Другим высококонсервативным остатком является Arg119, который находится в области связывания аденозина AK и действует как сэндвич с аденином в активном центре.Было высказано предположение, что неразборчивость этих ферментов в восприятии других НТФ связана с этим относительно несущественным взаимодействием основания в кармане связывания АТФ. Сеть положительных консервативных остатков (Lys13, Arg123, Arg156 и Arg167 в AK из E. coli ) стабилизирует накопление отрицательного заряда на фосфорильной группе во время переноса. Два дистальных остатка аспартата связываются с аргининовой сетью, заставляя фермент сворачиваться и снижая его гибкость. Также необходим кофактор магния , необходимый для увеличения электрофильности фосфата на AMP, хотя этот ион магния удерживается в активном кармане только за счет электростатических взаимодействий и легко диссоциирует.

Гибкость и пластичность позволяют белкам связываться с лигандами, образовывать олигомеры, агрегировать и выполнять механическую работу. Большие конформационные изменения в белках играют важную роль в клеточной передаче сигналов. АК действует как белок, передающий сигнал; таким образом, баланс между конформациями регулирует активность белка. АК имеет «открытую» конформацию (рис. 7.21А), которая индуцируется в «закрытую» и биологически активную конформацию при связывании субстрата.

Рисунок 7.21 Кристаллическая структура фермента аденилаткиназы. Структуры открытого (A, PDB ID: 4AKE) и закрытого (B, PDB ID: 1AKE) состояний. Домены LID и NMP показаны красным и оранжевым соответственно. Домен CORE и остальная часть белка показаны синим цветом. (C) PDB-изображение 3HPQ, показывающее скелет фермента AK в мультяшном виде и ключевые остатки в виде палочек, помеченные в соответствии с их размещением в ферменте E. coli AK, кристаллизованном с ингибитором Ap5A.

Рисунки A и B изменены из: Das, A., и другие. (2014) PLoS Computational Biology 10(4):e1003521 и рисунок C из: Snodgrah

.

В структуре белка АК имеется коровый домен и два меньших домена, называемых LID и NMP (рис. 7.22). АТФ связывается в кармане, образованном доменами LID и CORE. AMP связывается в кармане, образованном доменами NMP и CORE. Локализованные области белка сворачиваются и разворачиваются во время конформационных переходов в механизме реакции и повышают каталитическую эффективность.

Два субдомена (LID и NMP) могут складываться и разворачиваться независимо друг от друга в зависимости от связывания субстрата.Связывание субстрата вызывает региональные сдвиги в структуре белка в частично закрытую или полностью закрытую конформацию. Полностью закрытая конформация оптимизирует выравнивание субстратов для переноса фосфорила и способствует удалению воды из активного центра, чтобы избежать расточительного гидролиза АТФ.

Рисунок 7.22 Путь конформационного перехода и предполагаемый каталитический механизм АК. Модель А, АК без субстрата с открытой конформацией. Модель b , АТФ-связанная форма ADK с закрытым доменом LID. Модель c , связанная с АТФ и АМФ форма АК с закрытой конформацией. Модель d, две формы АК, связанные с АДФ, с закрытой конформацией. Модель e, одна форма АК, связанная с АДФ, с закрытым доменом NMP.

Рисунок из: Ping, J., et al, (2013) BioMed Res Int: 628536

(наверх)


Эндонуклеазы рестрикции

A рестрикционный фермент , рестрикционная эндонуклеаза или рестриктаза — это фермент, который расщепляет ДНК на фрагменты в определенных сайтах узнавания или рядом с ними внутри молекул, известных как сайты рестрикции. Ферменты рестрикции представляют собой один класс более широкой группы ферментов эндонуклеаз. Ферменты рестрикции обычно подразделяют на пять типов, которые различаются по своей структуре и по тому, разрезают ли они свой ДНК-субстрат в своем сайте распознавания или сайты узнавания и расщепления отделены друг от друга. Чтобы разрезать ДНК, все рестриктазы делают два надреза, по одному разу через каждый сахаро-фосфатный остов (то есть каждую цепь) двойной спирали ДНК. Здесь мы сосредоточимся на ферментах рестрикции типа II, которые обычно используются в приложениях молекулярной биологии и биотехнологии.

Как и в случае с другими классами рестрикционных ферментов, рестрикционные ферменты II типа встречаются исключительно в одноклеточных микробных формах жизни — в основном, бактериях и археях (прокариотах) — и, как считается, функционируют в первую очередь для защиты этих клеток от вирусов и других инфекционных молекул ДНК. Внутри прокариот ферменты рестрикции избирательно разрезают чужеродную ДНК в процессе, называемом рестрикционным перевариванием ; , тем временем ДНК хозяина защищена модифицирующим ферментом (метилтрансферазой), который модифицирует прокариотическую ДНК и блокирует расщепление. Вместе эти два процесса образуют систему модификации ограничений .

Первым обнаруженным ферментом рестрикции типа II был HindII из бактерии Haemophilus influenzae Rd. Это событие было описано Гамильтоном Смитом (рис. 7.23) в его Нобелевской лекции, прочитанной 8 декабря 1978 г.:

.

«В одном из таких экспериментов нам довелось использовать меченую ДНК фага Р22, бактериального вируса, с которым я работал несколько лет до прихода в Хопкинс.К нашему удивлению, мы не смогли извлечь чужеродную ДНК из клеток. Вспомнив недавний отчет Мезельсона, мы сразу же заподозрили, что он может подвергаться ограничениям, и наш опыт с вискозиметрией подсказал нам, что это будет хорошим тестом для такой деятельности. На следующий день были установлены два вискозиметра, один из которых содержал ДНК Р22, а другой — ДНК Haemophilus . В каждый был добавлен клеточный экстракт, и мы начали быстро проводить измерения. По ходу эксперимента мы становились все более возбужденными, так как вязкость ДНК и Haemophilus оставалась неизменной, а вязкость ДНК P22 снижалась. Мы были уверены, что открыли новый высокоактивный фермент рестрикции. Кроме того, оказалось, что в качестве кофактора требуется только Mg 2+ , что позволяет предположить, что он окажется более простым ферментом, чем фермент из E. coli K или B.

После нескольких фальстартов и многих утомительных часов нашего трудоемкого, но чувствительного вискозиметрического анализа Уилкокс и я преуспели в получении очищенного препарата рестриктазы. Затем мы использовали центрифугирование в градиенте сахарозы, чтобы показать, что очищенный фермент избирательно расщепляет дуплекс , но не одноцепочечную ДНК P22 на фрагменты средней длины около 100 п.н., тогда как ДНК Haemophilus , присутствующая в той же реакционной смеси, остается нетронутой.Свободных нуклеотидов во время реакции не высвобождалось, и мы не могли обнаружить никаких разрывов в продуктах ДНК. Таким образом, фермент явно был эндонуклеазой, производящей двухцепочечные разрывы и специфичной в отношении чужеродной ДНК. Поскольку конечные (предельные) продукты переваривания чужеродной ДНК оставались большими, нам казалось, что расщепление должно быть сайт-специфичным. Это оказалось так, и мы смогли продемонстрировать это напрямую, секвенировав концы фрагментов расщепления».

Рисунок 7.23. Гамильтон Смит и Дэниел Натанс на пресс-конференции, посвященной Нобелевской премии, 12 октября 1978 г., 90 012 (воспроизведено с разрешения Сьюзи Фитцхью). Оригинальный репозиторий: Медицинский архив Алана Мейсона Чесни, Коллекция Дэниела Натанса.

Изображение из: Pingoud, A., Wilson, G.G., and Wende, W. (2014) Nuc Acids Res 42(12):7489-7527.


Ферменты рестрикции названы в соответствии с таксономией организма, в котором они были обнаружены. Первая буква фермента относится к роду организма, а вторая и третья — к виду.Далее следуют буквы и/или цифры, идентифицирующие изолят. Римские цифры используются для обозначения различных ферментов одного и того же организма. Например, фермент «HindIII» был обнаружен в Haemophilus influenzae , серотип d, и отличается от эндонуклеаз HindI и HindII, также присутствующих в этой бактерии. ДНК-метилтрансферазы (МТазы), которые сопровождают ферменты рестрикции, названы так же и имеют префикс «М.». Когда имеется более одной МТазы, они имеют префикс «M1.’, ‘M2.’ и т. д., если они являются отдельными белками, или ‘M1~M2.’, когда они соединены.

Ферменты рестрикции, которые распознают одну и ту же последовательность ДНК, независимо от места разреза, называются «изошизомерами» (изо = равные; схизо = расщепленные). Изошизомеры , которые разрезают одну и ту же последовательность в разных положениях, далее называются «неошизомерами» (нео = новые). Изошизомеры , которые разрезаются в одном и том же положении, часто, но не всегда, являются эволюционно дрейфующими версиями одного и того же фермента (например,грамм. БАМХИ и ОкрАИ). Неошизомеры, , с другой стороны, часто являются эволюционно несвязанными ферментами (например, EcoRII и MvaI).

Ферменты рестрикции типа II представляют собой конгломерат многих различных белков, которые, по определению, обладают общей способностью расщеплять дуплексную ДНК в фиксированном положении внутри или рядом с их последовательностью распознавания. Это расщепление создает воспроизводимые фрагменты ДНК и предсказуемые образцы гель-электрофореза, свойства, которые сделали эти ферменты бесценными реагентами для лабораторных манипуляций с ДНК и исследований.Почти всем ферментам рестрикции типа II требуются двухвалентные катионы, обычно Mg 2+ , в качестве основных компонентов их каталитических центров. Ca 2+ , с другой стороны, часто действует как ингибитор ферментов рестрикции типа II.

Последовательности распознавания ферментов рестрикции типа II являются палиндромными по своей природе с двумя возможными типами палиндромных последовательностей. Зеркальный палиндром подобен тем, которые встречаются в обычном тексте, в котором последовательность читается одинаково вперед и назад на одной цепи ДНК, как и в GTAATG.Палиндром перевернутого повтора также представляет собой последовательность, которая читается одинаково в прямом и обратном направлении, но прямая и обратная последовательности обнаруживаются в комплементарных цепях ДНК (т. е. в двухцепочечной ДНК), как в GTATAC (GTATAC является комплементарным КАТАТГ). Перевернутые повторяющиеся палиндромы более распространены и имеют большее биологическое значение, чем зеркальные палиндромы. Положение расщепления в палиндромной последовательности может варьироваться в зависимости от фермента и может давать либо одноцепочечные выступающие последовательности (липкие концы), либо продукты ДНК с тупыми концами.

Фермент рестрикции EcoRI образует липкие концы:

, тогда как расщепление рестрикционным ферментом SmaI дает тупые концы:

 

Метилирование может использоваться хозяином для защиты собственного генома от расщепления. Например, метилирование последовательности распознавания EcoRI метилтрансферазой (MTase) M.EcoRI изменяет последовательность с GAATTC на GAm6ATTC (m6A = N6-метиладенин). Эта модификация полностью защищает последовательность от расщепления EcoRI.

Ферменты рестрикции II типа сначала неспецифически связываются с ДНК, а затем скользят вниз по сканирующему ДНК в поисках последовательностей узнавания (рис. 7.24). При связывании с правильной палиндромной последовательностью фермент связывается с кофактором металла и опосредует каталитическое расщепление ДНК с использованием механизма искажения штамма и катализа путем аппроксимации .

Рис. 7.24 Распознавание ДНК и расщепление эндонуклеазами рестрикции II типа. (A) Изображение димера EcoRV, неспецифически сканирующего ДНК до тех пор, пока не будет распознан специфический сайт связывания. Это вызывает связывание с металлическим кофактором и деформационное искажение ДНК. Опосредуется гидролиз фосфодиэфирной связи, и продукты расщепления ДНК высвобождаются из фермента. (B) показывает модель заполнения пространства узнавания и расщепления ДНК EcoRV.

Рисунок (A) из: Pingoud, A., Wilson, G.G., and Wende, W. (2014) Nuc Acids Res 42(12):7489-7527. и рисунок (B) из: Thomas Splettstoesser


Один из наиболее важных вопросов, касающихся каталитического механизма гидролазы, заключается в том, включает ли гидролиз ковалентное промежуточное соединение, как это типично для протеаз, описанных ранее.Это можно определить, анализируя стереохимический ход реакции. Это было сделано сначала для EcoRI, а затем для EcoRV. Было обнаружено, что оба фермента расщепляют фосфодиэфирную связь с инверсией стереоконфигурации фосфора, что свидетельствует против образования ковалентного промежуточного соединения фермент-ДНК. Таким образом, предполагается, что расщепление включает прямую нуклеофильную атаку субстрата молекулой воды, как показано на рис. 7.25.

Рисунок 7. 25 Общий механизм расщепления ДНК с помощью EcoRI и EcoRV. Молекула активированной воды атакует фосфор в ряд с расщепляемой фосфодиэфирной связью, что происходит с инверсией конфигурации. X, Y и Z представляют собой обычное основание, кислоту Льюиса и общую кислоту соответственно.

Рисунок из: Pingoud, A., Wilson, G.G., and Wende, W. (2014) Nuc Acids Res 42(12):7489-7527.


Рестриктазы типа II обычно образуют гомодимер при связывании с ДНК, как показано в кристаллической структуре Bgl II на рисунке 7.26Б. Bgl II катализирует расщепление фосфодиэфирной связи в остове ДНК посредством переноса фосфорила в воду.  Исследования механизма ферментов рестрикции выявили несколько общих черт, которые кажутся верными почти во всех случаях, хотя фактический механизм для каждого фермента, скорее всего, представляет собой некоторую вариацию этого общего механизма (рис. 7.25). Этот механизм требует основания для образования гидроксид-иона из воды, который будет действовать как нуклеофил и атаковать фосфор в фосфодиэфирной связи. Также требуется кислота Льюиса для стабилизации дополнительного отрицательного заряда фосфора в пентакоординированном переходном состоянии, а также обычная кислота или ион металла, который стабилизирует уходящую группу (3′-O ). В некоторых ферментах рестрикции типа II требуются два кофактора двухвалентных металлов (например, в EcoRV и BamHI), тогда как другим ферментам требуется только один кофактор двухвалентного металла (например, в EcoRI и BglII).

Структурные исследования эндонуклеаз выявили сходную архитектуру активного центра с остатками, следующими за слабо консенсусной последовательностью Glu/Asp-(X) 9-20 -Glu/Asp/Ser-X-Lys/Glu. Bgl Активный сайт II подобен другим эндонуклеазам и соответствует последовательности Asp-(X) 9 -Glu-X-Gln. В его активном центре находится катион двухвалентного металла, скорее всего Mg 2+ , который взаимодействует с Asp-84, Val-94, фосфорильным кислородом и тремя молекулами воды. Одна из этих молекул воды способна действовать как нуклеофил из-за ее близости к расщепляемой фосфорильной группе (рис. 7.26А). Нуклеофильная молекула воды расположена для атаки на фосфорильную группу за счет водородной связи с амидным кислородом боковой цепи Gln-95 и его контакта с катионом металла.Взаимодействие с катионом металла эффективно снижает его pK a , повышая нуклеофильность воды (рис. 7.26 А). При гидролизе двухвалентный катион способен стабилизировать уходящую группу 3′-O и координировать отщепление протона от одной из координированных молекул воды (рис. 7.26А).

Рисунок 7.26. Предполагаемый механизм реакции для эндонуклеазы рестрикции II типа, Bgl II. (A) Схематическая диаграмма каталитического механизма, демонстрирующая полезность ионов Mg2+ и полярных аминокислотных остатков в активном центре для активации и позиционирования молекулы воды для нуклеофильной атаки на фосфодиэфирную связь ДНК-субстрата. (B) Кристаллическая структура димера BglII с двухцепочечной ДНК и (C) Координация кофактора Mg2+ в активном центре фермента BglII.

Цифры из: GWilliams

(наверх)


Рибозимы

Рибозимы  ( рибо нуклеиновая кислота en зим s) представляют собой молекулы РНК, которые обладают способностью катализировать специфические биохимические реакции, включая сплайсинг РНК при экспрессии генов, подобно действию белковых ферментов.В 1982 году было сообщено о саморасщепляющемся интроне группы I как о первой обнаруженной каталитической РНК. Он был описан у простейших инфузорий Tetrahymena thermofila Сиднеем Альтманом и Томасом Чехом, которые были удостоены Нобелевской премии по химии в 1989 году. Подобные интроны можно найти в некоторых прокариотических геномах, а также в ДНК митохондрий и хлоропластов различных эукариот. Вторым примером обнаруженного рибозима была РНКаза Р, участвующая в созревании тРНК, которая играла ключевую биологическую роль и повсеместно встречалась как у прокариот, так и у эукариот. Третьей зарегистрированной каталитической РНК был крошечный рибозим (~ 50 нт), саморасщепляющийся рибозим с головкой молотка (HHR), который был обнаружен в группе атипичных патогенов растений с геномами малых кольцевых РНК (цирРНК), таких как вирусные сателлитные РНК и вироиды. . С тех пор было обнаружено еще несколько примеров естественных или искусственных рибозимов, включая рибосому, особую каталитическую РНК, которая катализирует образование пептидной связи, центральную химическую реакцию в современной биологии. Этот ландшафт убедительно поддерживает гипотезу о добиотическом мире РНК, где первые самовоспроизводящиеся организмы основывались на РНК как на генетическом материале, так и в качестве катализатора.В то время как современные белки заменили бы большинство этих древних каталитических РНК, некоторые из них остались в современных организмах, выполняющих другие функции. Среди всех известных рибозимов есть загадочное семейство небольших (менее 200 нуклеотидов) саморасщепляющихся РНК, которые катализируют простую внутримолекулярную переэтерификацию весьма специфичным для последовательности образом. Эта реакция, которая может спонтанно протекать в РНК, начинается с S N 2-подобной нуклеофильной атаки 2′-кислорода на соседний 3′-фосфат, что приводит к расщеплению фосфодиэфирной связи с образованием 2′- 3′-циклический фосфат и 5′-гидроксильные продукты РНК (рис. 7.27А).

Рис. 7.27 Рибозим «голова молота». ( A ) Механизм внутренней реакции переэтерификации в РНК. Реакция расщепления протекает с атакой гидроксильного фрагмента в положении 2′ на фосфатную группу в положении 3′ с последующим бипирамидальным переходным состоянием. Продукты расщепления представляют собой 2′-3′-циклический фосфат в 5′-продукте РНК и 5′-гидроксил в 3′-продукте РНК; ( B ) Схема рибозима «головка молотка». Черные прямоугольники указывают на высококонсервативные нуклеотиды в каталитическом ядре.Вторичные структуры ( C ) Трехмерная структура рибозима Hammerhead.

Рисунки A и B из: De la Peña, M., et al (2017) Molecules 22(1):78 и рисунок C из: Wgscott


Подобно рибонуклеазным белкам, таким как РНКаза А, небольшие саморасщепляющиеся рибозимы стабилизируют образование переходного состояния бипирамидального оксифосфорана с помощью различных каталитических стратегий, таких как линейная ориентация атомов, электростатическая нейтрализация и общий кислотно-щелочной катализ. Таким образом, нуклеолитические рибозимы способны катализировать расщепление РНК лишь в несколько раз медленнее, чем их белковые аналоги. К настоящему времени описано по меньшей мере девять классов встречающихся в природе небольших саморасщепляющихся рибозимов: головка-молот (рис. 7.27C), шпилька, человеческий гепатит-δ, варкуд-сателлит, GlmS, твистер, твистер-сестра, топорик и пистолет рибозимы. С момента своего открытия 30 лет назад HHR широко использовался в качестве модельного рибозима для структурных, биохимических и биологических исследований.Он состоит из каталитического центра, состоящего из 15 высококонсервативных нуклеотидов, окруженных тремя двойными спиралями (от I до III), которые принимают вторичную структуру, напоминающую форму головы акулы-молота. В зависимости от спирали с открытым концом возможны три формы с круговой перестановкой, называемые типом I, II или III (рис. 7.27B). Мотив HHR, как и другие малые рибозимы, такие как шпилька и Hepatitis-δ, исторически считался биологической особенностью геномов субвирусных кольцевых РНК. Однако теперь мы знаем, что малые каталитические РНК, такие как HHR, могут встречаться во многих геномах ДНК от бактерий до эукариот, включая наш собственный геном, и выполнять различные биологические функции, которые мы только начинаем осознавать.

Рибосома также функционирует как рибозим, опосредующий образование амидной связи во время синтеза белка. Синтез белка из матрицы мРНК происходит на рибосоме, наномашине, состоящей из белков и рибосомных РНК (рРНК). Рибосома состоит из двух очень больших структурных единиц, представляющих собой слияние белков и молекул рРНК (рис. 7.28). Меньшая единица (обозначаемая как 30S и 40S у бактерий и эукариот соответственно) координирует правильное спаривание оснований триплетного кодона на мРНК с другой малой адапторной РНК, транспортной или тРНК, которая доставляет ковалентно связанную аминокислоту к сайту.

Рис. 7.28 Малая рибосомная субъединица Thermus thermophilus . Рибосомная РНК 16S показана оранжевым цветом, а рибосомные белки присоединены синим цветом.

Рисунок из: Goodsell, D.С. – Молекула месяца


Образование пептидной связи происходит, когда другая молекула тРНК-аминокислота связывается с соседним кодоном на мРНК. ТРНК имеет третичную структуру клеверного листа с некоторой вторичной структурой, связанной внутрицепочечной водородной связью. Последние три нуклеотида на 3′-конце тРНК представляют собой CpCpA. Аминокислота этерифицируется до конца 3’ОН конца А с помощью белкового фермента, аминоацил-тРНК-синтетазы.

Образование ковалентной амидной связи между второй аминокислотой и первой, образуя дипептид, происходит в пептидилтрансферазном центре, расположенном на большей субъединице рибосомы (50S и 60S у бактерий и эукариот соответственно).Рибосома защелкивает мРНК, так что дипептид-тРНК теперь находится в P- или пептидном сайте, ожидая новой тРНК-аминокислоты в A- или амино-сайте. На рис. 7.29 схематически показана рибосома со связанной мРНК на 30S-субъединице и тРНК, ковалентно присоединенная к аминокислоте (или растущему пептиду) в А- и Р-сайтах соответственно.

 

Рис. 7.29. Схематическое изображение бактериальной рибосомы. 50-я (желтая) и 30-я (синяя) субъединицы рибосомы состоят из белка и рРНК.мРНК (красная линейная нить) показана прикрепленной к 30-й субъединице. Сайты P и A заполнены молекулами тРНК (зеленый и красный).

Рисунок из: Jakubowski, H.


Вероятный механизм образования амидной связи между растущим пептидом на тРНК в P-сайте и аминокислотой в тРНК в A-сайте был получен из кристаллических структур со связанными субстратами и аналогами переходного состояния и показан на рисунке. 7.30. В катализе не участвует ни один из рибосомных белков (не показаны), поскольку ни один из них не находится достаточно близко к пептидилтрансферазному центру, чтобы обеспечить аминокислоты, которые могли бы участвовать в общем кислотно-основном катализе.Следовательно, рРНК должна действовать как фермент (т. Е. Это рибозим). Первоначально считалось, что проксимальный аденозин с нарушенным pKa может при физиологическом pH протонироваться/депротонироваться и, следовательно, действовать в реакции как общая кислота/основание. Однако ни один не был найден. Наиболее вероятным механизмом стабилизации переходного состояния оксианиона в месте атаки электрофильного углерода является точно локализованная вода, которая располагается в оксианионном отверстии Н-связями с урацилом 2584 на рРНК. Механизм расщепления включает согласованную перетасовку протонов, показанную на рисунке 7.30. В этом механизме субстрат (пептид-тРНК) способствует собственному расщеплению, поскольку 2’ОН находится в положении, позволяющем инициировать белковый челночный механизм. (Аналогичный механизм может иметь место для облегчения гидролиза полностью вытянутого белка из тРНК с P-сайтом.) Конечно, все это требует идеального позиционирования субстратов, и разве не это лучше всего удается ферментам? Основными механизмами катализа образования пептидной связи рибосомой (как рибозимом) являются внутримолекулярный катализ и стабилизация переходного состояния правильно расположенной молекулой воды.

Рис. 7.30 Механизм образования пептидной связи. Образование пептидной связи, вероятно, опосредуется механизмом протонного челнока, который стабилизируется координированной молекулой воды внутри оксианионного отверстия.

Рисунок из: Jakubowski, H.


Недавно была опубликована кристаллическая структура эукариотической рибосомы (Ben-Shem et al.). Он значительно больше (40%), чем прокариотический аналог, с массой около 3×10 6 Дальтон.Субъединица 40S имеет одну цепь рРНК (18S) и 33 связанных белка, в то время как более крупная субъединица 60S имеет 3 цепи рРНК (25S, 5,8S и 5S) и 46 связанных белков. Больший размер эукариотической рибосомы способствует большему взаимодействию с клеточными белками и большей регуляции клеточных событий. Структура эукариотической 80S рибосомы, демонстрирующая взаимодействие рРНК и белка, показана на рис. 7.31.

Рис. 7.31 Эукариотическая 80S рибосома. Подблок 40S находится слева, подблок 60S — справа.Ядро рибосомной РНК (рРНК) представлено в виде серой трубки, сегменты расширения показаны красным. Универсально консервативные белки показаны синим цветом. Эти белки имеют гомологи у эукариот, архей и бактерий. Белки, общие только для эукариот и архей, показаны оранжевым цветом, а белки, специфичные для эукариот, показаны красным. Идентификаторы PDB 4a17, 4A19, 2XZM, выровненные по 3U5B, 3U5C, 3U5D, 3U5E

Рисунок из: Fvoigtsh

(наверх)


7.4 Каталожные номера:
  1. участников Википедии. (2020, 21 апреля). Нуклеофил. В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено 15:39, 26 апреля 2020 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nucleophile&oldid=952368939
  2. .
  3. Орегонский технологический институт (2019) Органическая химия II (Лунд). В либретекстах. Получено в 10:58, 27 апреля 2020 г., с: https://chem.libretexts.org/Courses/Oregon_Institute_of_Technology/OIT%3A_CHE_332_–_Organic_Chemistry_II_(Lund)
  4. .
  5. участников Википедии.(2020, 12 апреля). Разрыв связи. В Wikipedia, The Free Encyclopedia . Получено 15:15, 27 апреля 2020 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Bond_cleavage&oldid=950494652
  6. .
  7. участников Википедии. (2020, 24 февраля). Толкание стрелы. В Wikipedia, The Free Encyclopedia . Получено 15:25, 27 апреля 2020 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Arrow_pushing&oldid=942438883
  8. .
  9. участников Википедии. (2020, 16 апреля). Константа кислотной диссоциации.В Wikipedia, The Free Encyclopedia . Получено 15:48, 27 апреля 2020 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.phptitle=Acid_dissociation_constant&oldid=951313744
  10. .
  11. Фармер С., Ройш В., Александр Э. и Рахим А. (2016) Органическая химия. Либретексты. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Core/Organic_Chemistry
  12. .
  13. Болл и др. (2016) КАРТА: Основы химии ГБ. Либретексты. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/Introductory_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_The_Basics_of_GOB_Chemistry_(Ball_et_al.)/14%3A_Органические_соединения_кислорода/14,10%3A_Свойства_альдегидов_и_кетонов
  14. McMurray (2017) КАРТА: Органическая химия. Либретексты. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/Organic_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_Organic_Chemistry_(McMurry)
  15. .
  16. Soderburg (2015) Карта: Органическая химия с биологическим акцентом. Либретексты. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/Organic_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_Organic_Chemistry_With_a_Biological_Emphasis_(Soderberg)
  17. .
  18. Офардт, К.(2013) Биологическая химия.  Либретексты. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Core/Biological_Chemistry/Proteins/Case_Studies%3A_Proteins/Permanent_Hair_Wave
  19. .
  20. Содерберг, Т. (2016) Органическая химия с биологическим уклоном . Либретексты. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/Organic_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_Organic_Chemistry_with_a_Biological_Emphasis_(Soderberg)
  21. .
  22. Болл и др. (2016) КАРТА: Основы общей, органической и биологической химии.Либретексты. Доступно по адресу: https://chem.libretexts. org/Textbook_Maps/Introductory_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_The_Basics_of_GOB_Chemistry_(Ball_et_al.)
  23. .
  24. Кларк, Дж. (2017) Органическая химия. Либретексты. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Core/Organic_Chemistry/Amides/Reactivity_of_Amides/Polyamides
  25. .
  26. участников Википедии. (2018, 28 декабря). Метаболизм. В Wikipedia, The Free Encyclopedia . Получено 19:28, 29 декабря 2018 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Metabolism&oldid=875751739
  27. Болл, Хилл и Скотт. (2012) Ферментативная активность, раздел 18.7 из книги «Введение в химию: общая, органическая и биологическая» (версия 1.0), полученной 31 декабря 2018 г. с https://2012books.lardbucket.org/books/introduction-to-chemistry- общая-органическая-и-биологическая/s21-07-enzyme-activity.html
  28. участников Википедии. (2018, 29 ноября). Механизм действия. В Wikipedia, The Free Encyclopedia . Получено 05:00, 1 января 2019 г., с https://en.wikipedia.org/w/index. php?title=Mechanism_of_action&oldid=871201209
  29. Mótyán , JA, Tóth, F., and Tőzsér, J. (2013) Применение протеолитических ферментов в молекулярной биологии. Биомолекулы 3 (4), 923-942; https://doi.org/10.3390/biom3040923
  30. участников Википедии. (2020, 11 апреля). Аденилаткиназа. В Wikipedia, The Free Encyclopedia . Получено 19:28, 4 мая 2020 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Adenylate_kinase&oldid=950311736
  31. .
  32. Ахерн, К., Раджагопал И. и Тан Т. (2019) Биохимия бесплатно и легко. Доступно в Орегонском государственном университете (http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy) и Libretexts (https://bio.libretexts.org/Bookshelves/Biochemistry/Book%3A_Biochemistry_Free_For_All_(Ahern %2C_Rajagopal%2C_and_Tan)/04%3A_Catalysis/4.03%3A_Mechanisms_of_Catalysis)
  33. участников Википедии. (2020, 16 апреля). Сериновая протеаза. В Wikipedia, The Free Encyclopedia . Получено 14:32, 6 мая 2020 г. , с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Serine_protease&oldid=951309456
  34. участников Википедии. (2020, 16 апреля). Фермент рестрикции. В Wikipedia, The Free Encyclopedia . Получено 15:12, 16 мая 2020 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Restriction_enzyme&oldid=951351229
  35. .
  36. Пингоуд, А., Уилсон, Г.Г., и Венде, В. (2014) Эндонуклеазы рестрикции II типа – историческая перспектива и многое другое. Nuc Acids Res 42(12)7489-7527. Получено с: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4081073/pdf/gku447.pdf
  37. участников Википедии. (2019, 25 июля). BglII. В Wikipedia, The Free Encyclopedia . Получено 20:48, 16 мая 2020 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=BglII&oldid=5716
  38. .
  39. Де ла Пенья, М., Гарсия-Роблес, И., и Сервера, А. (2017) Рибозим «голова молота: длинная история короткой РНК». Молекулы 22(1):78. Получено с: https://www.mdpi.com/1420-3049/22/1/78/htm
  40. Якубовски, Х. (2019) Биохимия онлайн. Либретексты. Доступно по ссылке: https://bio.libretexts.org/Bookshelves/Biochemistry/Book%3A_Biochemistry_Online_(Jakubowski)

(наверх)

Создание лучших катализаторов – Архив UNews

29 сентября 2011 г. — Химики из Университета Юты разработали метод разработки и тестирования новых катализаторов — веществ, ускоряющих химические реакции и имеющих решающее значение для производства энергии, химических веществ и промышленных продуктов.Используя новый метод, химики также сделали открытие, которое облегчит разработку будущих катализаторов.

Открытие: размеры и электронные свойства катализаторов взаимодействуют, влияя на то, насколько хорошо работает катализатор, и не являются независимыми факторами, как считалось ранее. Профессор химии Мэтт Сигман и докторант Кейд Харпер сообщают о своих выводах в пятницу, 30 сентября 2011 г., в выпуске журнала Science .

«Это открывает нам глаза на то, как разрабатывать новые катализаторы, о разработке которых мы не обязательно задумывались, для широкого спектра реакций», — говорит Сигман. «Мы очень взволнованы».

Сигман считает, что новая методика разработки и тестирования катализаторов «довольно быстро будет подхвачена» сначала учеными, а затем промышленными химиками, которые «увидят, что это простой способ быстро разработать лучшие катализаторы».

Новое исследование финансировалось Национальным научным фондом.

«Катализаторы заставляют мир вращаться»

Катализаторы ускоряют химические реакции, не потребляясь этими реакциями. Их значение для общества и экономики трудно переоценить.Продукты, изготовленные с использованием катализаторов, включают лекарства, топливо, продукты питания и удобрения.

Девяносто процентов химических производственных процессов в США включают катализаторы, которые также используются для производства более одной пятой всей промышленной продукции. Эти процессы потребляют много энергии, поэтому повышение эффективности каталитических реакций сэкономит энергию и сократит выбросы углекислого газа, вызывающего потепление климата.

«Катализаторы заставляют мир вращаться, — говорит Сигман. «Катализаторы — это то, как мы делаем молекулы более эффективно и, что более важно, делаем молекулы, которые нельзя получить никаким другим методом.

Исследователи из Юты разработали новый метод для быстрой идентификации и разработки так называемых «асимметричных катализаторов», представляющих собой молекулы катализатора, которые считаются либо левосторонними, либо правосторонними, поскольку они физически асимметричны. В химии это свойство хиральности известно как хиральность.

Химикам нужны новые асимметричные катализаторы, потому что они придают хиральность молекулам, для производства которых они используются. Например, когда левый или правый катализатор используется для ускорения химической реакции, химическое вещество, образующееся в результате этой реакции, может быть либо левым, либо правым.

«Ручность — важный компонент эффективности лекарства, — говорит Сигман.

Лекарства, как правило, действуют, связываясь с белками, участвующими в болезнетворном процессе. По словам Сигмана, лекарство похоже на ключ, который подходит к белковому замку, а хиральность «это направление, в котором движется ключ», чтобы правильно подойти и открыть замок.

«Однако разработка асимметричных катализаторов [для производства асимметричных молекул лекарств] может быть трудоемкой и иногда безуспешной задачей», потому что обычно это делается путем проб и ошибок, добавляет он.

Сигман говорит, что новое исследование «является шагом к разработке более быстрых методов определения оптимальных катализаторов и понимания того, как их проектировать».

Математический подход к разработке катализаторов

Харпер и Сигман объединили принципы анализа данных с принципами проектирования катализаторов, чтобы создать «библиотеку» из девяти родственных катализаторов, которые, как они предположили, будут эффективно катализировать данную реакцию, которая может быть полезна для создания новых фармацевтических препаратов.По сути, они использовали математику, чтобы найти оптимальный размер и электронные свойства катализаторов-кандидатов.

Затем химики протестировали девять катализаторов, известных как «хинолин-пролиновые лиганды», чтобы определить, насколько хорошо их степень хиральности будет передаваться продуктам химической реакции, для производства которых использовались катализаторы.

Сигман и Харпер изобразили результаты реакций с использованием различных катализаторов в виде трехмерной математической поверхности, которая выпирает вверх.Самая высокая часть выпуклости представляет те из девяти катализаторов, которые имели наибольшую степень хиральности.

Этот метод использовался и может быть использован в будущем для определения оптимальных катализаторов среди ряда кандидатов. Но это также выявило неожиданную связь между размером и электронными свойствами катализаторов в определении их эффективности в ускорении реакций.

«Это исследование количественно показывает, что эти два фактора связаны», и знание этого облегчит разработку многих будущих катализаторов, говорит Сигман.

Катализаторы с нежным прикосновением | Feature

Фрэнсис Арнольд из Калифорнийского технологического института, США, получила половину Нобелевской премии по химии 2018 года за разработку методов направленной эволюции ферментов. Ферменты природного происхождения являются одними из самых «зеленых» и наиболее эффективных известных катализаторов, а разработанные ею эволюционные методы значительно расширили репертуар реакций, которые могут катализироваться этими чрезвычайно точными молекулярными машинами.Представляя Нобелевскую лекцию Арнольда, Сара Сногеруп Линс из Нобелевского комитета по химии объяснила, что Арнольд приложил большие усилия, чтобы сделать эту планету лучше: «Ферменты, которые она разрабатывает, могут ускорить химические реакции устойчивым образом, производя меньше отходов.

За более чем три миллиарда лет с тех пор, как жизнь впервые появилась на нашей планете, эволюция создала миллионы ферментов, катализирующих тысячи различных реакций. Напротив, за последние 100 лет или около того химики открыли и изобрели гораздо меньше катализаторов для использования в промышленности.Большинство синтетических катализаторов менее селективны, чем ферменты; они часто работают лучше всего при высоких температурах или в других суровых условиях и могут генерировать токсичные побочные продукты. Неудивительно, что к середине 20-го века химики обратились к миру природы в поисках альтернативных катализаторов, но поскольку большинство реакций, необходимых для химической промышленности, не встречаются в природе, ферменты, специально разработанные для их проведения, не развились. Техника, за которую Арнольд получила Нобелевскую премию, — это, по сути, способ хореографии эволюции для производства ферментов, способных выполнять требуемые нам задачи.

Я сразу понял важность того, что сделала моя группа

Химический синтез в промышленности часто осуществляется в высокополярных органических растворителях, таких как диметилформамид (ДМФ). В 1980-х годах немецкий химик-биофизик Манфред Эйген предположил, что эволюция может быть «направлена» на производство ферментов со специфическими функциями, а в 1993 году Арнольд опубликовал фундаментальную статью, описывающую направленную эволюцию бактериальной протеазы, субтилизина Е. «Этот фермент уже широко использовался в моющих средствах, но был нестабилен в крайне «неестественной» химической среде стиральных машин», — объясняет она. «Повторно создавая панели мутантных ферментов, отличающихся одной аминокислотой, и выбирая вариант с оптимальными свойствами, мы получили субтилизин, который эффективно работал в присутствии ДМФА».

Этот новый фермент, который отличался от субтилизина дикого типа всего четырьмя положениями аминокислот, положил начало звездной исследовательской карьере Арнольда, а вместе с ней и индустрии инженерии ферментов. «Я сразу осознала важность того, что сделала моя группа, но моим коллегам в академических кругах потребовалось некоторое время, чтобы согласиться», — добавляет она.«Однако промышленные химики сразу поняли, что этот метод позволит им решать практические проблемы путем создания новых ферментов».

Основное препятствие для этой фундаментальной техники заключается в том, что последовательности белков почти бесконечно изменчивы, и рационально сконструированная библиотека мутантов будет отбирать лишь крошечную часть возможного «пространства последовательностей». Арнольд сотрудничал с Виллемом Стеммером, голландским биотехнологом, который изобрел стратегию рекомбинации ДНК, известную как перетасовка ДНК (или, более образно, «секс в пробирке»), чтобы резко увеличить размер этих библиотек без увеличения их стоимости. Стеммер был серийным предпринимателем, участвовавшим в основании нескольких успешных компаний, включая Maxygen, для коммерциализации перетасовки ДНК в 1997 году. Эта компания закрылась в 2013 году, но одно из ее дочерних предприятий, Codexis, все еще разрабатывает специальные ферменты, используя методы направленной эволюции Арнольда и Стеммера. часто для замены более жестких, менее специфичных синтетических катализаторов.

В промышленность

Методы разработки ферментов в настоящее время широко распространены в химической и биотехнологической промышленности, в том числе в транснациональных корпорациях, таких как Merck и Johnson Matthey.Группа Johnson Matthey производит ферменты и другие катализаторы для тонкой химической и фармацевтической промышленности с 2002 года. В 2010 году они дополнили свой существующий портфель катализаторов приобретением небольшой немецкой биотехнологической компании X-Zyme, которая специализировалась на производстве ферментов для синтезируют хиральные спирты и амины с высокой степенью чистоты. С тех пор они разработали большую коллекцию промышленно надежных ферментов, используя различные методы, чтобы оптимизировать ферменты до точной специфичности, которая требуется их клиентам.

Сотни классов ферментов имеют реальное или потенциальное применение в качестве промышленных биокатализаторов, но в этой области доминируют лишь немногие. Современный промышленный биокатализ действительно начался с одного из наиболее широко используемых классов: алкогольдегидрогеназ. Функция этих ферментов у млекопитающих заключается в расщеплении токсичных спиртов, но бактериальные формы катализируют «обратную» реакцию синтеза спирта, окисляя НАДН до НАД + . Именно эти бактериальные ферменты имеют наибольшее промышленное значение как эффективные катализаторы синтеза энантиомерно чистых стереоизомеров хиральных спиртов.Интерес Джонсона Матти к X-Zyme начался с лицензии, которая дала им эксклюзивное право на коммерциализацию алкогольдегидрогеназы в бактерии Lactobacillus brevis во всем мире.

Философия предложения ферментов Johnson Matthey определяется их клиентами и катализаторами, в которых они нуждаются. «Наш первый шаг всегда связан с биоинформатикой: поиск наиболее релевантной последовательности ферментов среди 100 с лишним миллионов доступных в общедоступных и коммерческих базах данных», — говорит Ахир Пушпанат, руководитель отдела разработки ферментов биокатализа в Johnson Matthey в Кембридже, Великобритания. .«Но если мы найдем иголку в этом стоге сена, вряд ли его деятельность будет идеально соответствовать требованиям заказчика; в этом случае мы пытаемся изменить его с помощью мутаций, обнаруженных с помощью сложных инструментов биоинформатики, включая стыковку и молекулярную динамику».

Однако иногда в этих огромных базах данных нет совпадений, готовых к интенсивным условиям процесса. В этом случае команда Джонсона Матти будет использовать методы направленной эволюции, подобные методу Арнольда, чтобы развить фермент дикого типа до новых функций. «Если ферментная инженерия должна работать эффективно, перепрофилирование фермента, который уже имеет небольшое количество требуемой функциональности, а также его естественный, всегда будет преимуществом», — говорит Пушпанат.

Если вы не можете найти фермент с нужной вам специфичностью в базах данных последовательностей или вывести его из фермента со сходной функцией, вы можете, образно говоря, найти его у себя под ногами. Новые ферменты обнаруживаются почти каждый раз, когда секвенируется новый бактериальный геном, и огромное количество этих геномов до сих пор неизвестно.Типичный образец почвы содержит множество типов бактерий, которые не культивировались изолированно, но их ДНК все же можно взять и секвенировать с помощью так называемых «метагеномных» методов.

Образцы почвы из «химически необычной» среды с большей вероятностью дадут ферменты с новыми функциями, и, возможно, удивительно, что для их поиска не нужно далеко ехать. «Если вы хотите найти термостабильные ферменты, вам нужно искать их в суровых, жарких условиях», — объясняет Серена Бизагни, старший биохимик компании Johnson Matthey в Кембридже. «К ним относятся действующие вулканы и горячие источники, но их также можно найти гораздо ближе к дому; мы обнаружили очень полезную стабильную алкогольдегидрогеназу в бактериях из образца почвы, которая постоянно подвергалась воздействию пара из посудомоечной машины».

Интересно, что ферменты бактерий, которые процветают при высоких температурах, часто активны и при температуре окружающей среды. Фактически, эти ферменты часто будут работать достаточно эффективно для коммерческого использования в условиях, которые намного мягче, чем те, которые необходимы для химических катализаторов.И у них есть еще одно преимущество; они растворимы и активны в воде. «Большинство ферментов эволюционировали, чтобы функционировать в цитоплазме или внеклеточной среде живых организмов, среде, которая может быть приближена к водному раствору», — говорит Пушпанат. «С биокатализаторами, в отличие от обычных, обычно нет необходимости запускать реакции в «сумасшедших» растворителях, которые могут быть токсичными, трудно утилизироваться безопасно или просто дорого».

Введите МОС

Многие промышленно используемые семейства ферментов, включая некоторые классы алкогольдегидрогеназ, являются металлоферментами, поскольку их активные центры содержат один или несколько ионов металлов, которые играют важную роль в катализе.В алкогольдегидрогеназах и почти во всех металлопротеазах этим металлом является цинк. Эти ферменты можно рассматривать как каркасы аминокислот, удерживающие ион металла и другие реакционноспособные группы в их относительных положениях в активном центре, поэтому они могут образовывать переходное состояние с реагентами и ускорять реакцию. На атомарном уровне это сильно напоминает структуру синтетических металлоорганических каркасов или MOF. Это координационные полимеры, состоящие из органических линкеров, которые координируются с ионами металлов с образованием каркасов, чаще всего в трех измерениях.Эти сложные и часто пористые соединения нашли широкое промышленное применение, и некоторые комбинации металлов и окружающих их линкеров будут образовывать четко определенные каталитические центры, которые могут стабилизировать переходное состояние так же эффективно, как активный центр металлофермента. Считается, что катализаторы MOF имеют важное промышленное применение.

В отличие от ферментов, MOF образуют активные катализаторы в твердом состоянии, тогда как ферменты работают в растворе. Во время реакции, катализируемой MOF, реагенты проходят через каркас в жидкой или газовой фазе; это определяет MOF как гетерогенные катализаторы, отличающиеся по фазе от реагентов.«Преимущество гетерогенного катализатора для промышленности заключается в том, что катализатор можно легко отделить от продуктов после проведения реакции», — объясняет Кристоф Яниак из Дюссельдорфского университета имени Генриха Гейне в Германии. «Ферменты, однако, являются гомогенными катализаторами в той же фазе, что и их реагенты: они часто обладают более высокой активностью и специфичностью, но их продукты труднее очищать».

Еще одним преимуществом гетерогенных катализаторов для промышленности является то, что их можно использовать в непрерывных процессах.Простые твердотельные катализаторы используются на нефтеперерабатывающих заводах для «расщепления» длинноцепочечных углеводородов на низкомолекулярные фрагменты, необходимые для нефтегазовой промышленности, без прерывания процесса для отделения и повторного использования катализатора. С катализатором MOF этот тип химии процесса может быть воспроизведен в синтезе тонких химикатов и фармацевтических препаратов. Напротив, процессы с участием гомогенных катализаторов необходимо время от времени останавливать, а продукты очищать, как для предотвращения потери ценного катализатора, так и для удаления потенциально токсичных примесей из продукта реакции: последний пункт, конечно, особенно важен для фармацевтической промышленности. продукты.

Токсичность катализатора MOF в основном определяется природой металла, образующего каркас или его активный центр. Большинство металлов, обладающих каталитической активностью, будь то в MOF или в какой-либо другой форме, в той или иной степени токсичны. Алюминий можно использовать для создания MOF, и он имеет много преимуществ: MOF, включающие алюминий, часто стабильны и не разлагаются, ионы металла считаются безопасными, за исключением очень высоких концентраций, они дешевы и широко доступны, но алюминий имеет мало каталитических свойств. Приложения.Платина и другие благородные металлы, которые гораздо шире используются в качестве катализаторов, цитотоксичны и дороги. Неудивительно, что исключениями являются металлы, которые регулярно обнаруживаются в активных центрах ферментов. «Металлоэнзимы эволюционировали, чтобы использовать самые безопасные доступные металлы — чаще всего железо, марганец и цинк, — но организмы также развили механизмы, позволяющие жестко контролировать количество свободного железа и цинка в организме», — говорит Джаниак. «Даже железо может быть токсичным в достаточно больших количествах».

Десять лет назад эксперты предсказывали, что к концу 2010-х годов MOF присоединятся к ферментам, используемым в повседневном использовании, в качестве безопасных и эффективных промышленных катализаторов.Однако до сих пор большинство из них остается на лабораторном столе, за исключением очень небольшого числа. «Наши самые серьезные опасения по поводу MOF в качестве промышленных катализаторов заключаются в том, что они часто нестабильны в присутствии воды, которую трудно полностью удалить из синтетической химии в промышленных масштабах, и что они не являются термически стабильными вплоть до эффективной температуры реакции».

Author:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.