Биомиметика ферментов и молекулярного узнавания

Высочайшие скорости ферментативно катализируемых реакций не могут заслонить их другую, еще более впечатляющую особенность, а именно уникальную хемо-, регио- и стереоспецифичность. Действительно, ферментативные реакции протекают по одному вполне определенному реакционному центру молекулы субстрата без каких-либо побочных реакций, затрагивающих альтернативные и почти идентичные центры, с полным контролем абсолютной стереохимии продукта, равно как и с выбором единственного стереоизомера субстрата, подвергающегося трансформации. В этом отношении современная органическая химия при всей мощи ее методического арсенала пока еще неспособна сравниться с Природой.

Одна из наиболее жгучих проблем в области биомиметики - это моделирование региоселективности ферментативного катализа. Так, например, фермент ансатураза превращает стеариновую кислоту в олеиновую, причем ни одно положение молекулы субстрата, за исключением пары С-9 и С-10, в этой реакции не затрагивается. С химической точки зрения такой результат означает, что конформационно подвижная цепь субстрата локализуется внутри некоторой полости активного центра фермента таким образом, что только центральный фрагмент оказывается доступен для действия окислительного сайта каталитического центра фермента. До сих пор не было описано ни одной успешной попытки химического моделирования такой абсолютной селективности реакций одной из СН2-групп из ряда почти неразличимых, входящих в состав длинной алифатической цепи. Имеются, однако, экспериментальные данные, показывающие, что факторы, влияющие на форму длинноцепочечных молекул, могут существенно изменить селективность неферментативных реакций по альтернативным положениям таких систем.

Органические молекулы с жестким скелетом гораздо лучше подходят для дизайна работоспособных моделей, воспроизводящих ферментоподобнуго селективность функционализашш при неактивированных центрах. Внутримолекулярные реакции представляются особенно полезными для этого. В самом деле, жесткость структуры позволяет целенаправленно разместить ре- акционноспособные группы в тесной близости к тому участку молекулы, где желательно произвести функционализацию, обеспечивая тем самым предпочтительную атаку в это положение.

Ферментативный катализ, за редкими исключениями, строго энантиоспе- цифичен (и по отношению к хиральным субстратам, и в смысле образования хиральных продуктов.). Поэтому хиральные природные соединения продуцируются в виде оптически чистых энантиомеров. Это свойство ферментов объясняется многоцентровым связыванием субстрата при образовании фермент- субстратного комплекса, предшествующем ферментативной реакции. Такая фиксация ахирального субстрата в активном центре хиральной молекулы фермента обеспечивает возможность его атаки реагентом только с одной стороны, т. е. по одному из энантиотогтных положений, ориентированного так, что только оно пространственно доступно для реакции. Аналогично при такой хи- ральной фиксации ферментативная реакция оказывается возможной только для одного из энантиомеров хирального субстрата. Создать химические системы, способные функционировать как энантиоселективные (а тем более энан- тиоспецифичные) катализаторы - это одна из наиболее важных и соблазнительных целей современной химии. В последние десятилетия был разработан целый ряд таких катализаторов, многие из которых находят широкое применение в органическом синтезе. Успехи в этой области достигнуты главным образом на путях эмпирического поиска, основанного на общих сображе - ниях о предпосылках, необходимых для осуществления энантиоселективного катализа. Только в небольшом числе случаев положительные результаты были получены путем продуманного молекулярного дизайна перспективных структур. Вероятно, наиболее ясной иллюстрацией такого подхода могут служить работы группы Кори, которые привели к разработке серии исключительно эффективных катализаторов. Таков, например, оксаазаборолидин, использовавшийся для энантиоселективного восстановления карбонильной группы бораном.

Приведенные выше примеры иллюстрируют плодотворность молекулярного дизайна как для накопления информации о специфических особенностях ферментативного катализа, так и для разработки биомиметических подходов к созданию применимых в препаративной практике органического синтеза инструментов.

Как уже говорилось выше, значение этих моделей для энзимологии состоит не в том, что они буквально воспроизводят те или иные механизмы ферментативного катализа, а скорее в ином. Воспроизведение в чисто органо-химическом плане определенных особенностей действия ферментов позволяет установить те реальные типы механизмов и структурные предпосылки к их реализации, которые вводят гипотезы о механизмах собственно ферментативного катализа в рамки экспериментально проверяемых и/или проверенных представлений, отбрасывая необоснованные и указывая возможные пути подтверждения более правдоподобных предположений. Благодаря накопленному фактическому материалу становится понятным, какого рода структурные особенности и межмолекулярные взаимодействия следует искать в структуре ферментов и фермент-субстратных комплексов для того, чтобы раскрыть интимные подробности ферментативного катализа. Только профессиональный снобизм может помешать энзимологам воспользоваться такими подсказками со стороны химиков-органиков. Разумеется, рассмотренные примеры являются лишь функциональными, а отнюдь не структурными моделями ферментов. Тем не менее, они позволяют на экспериментальной, а не чисто умозрительной основе судить о возможных химических принципах реализации тех или иных особенностей ферментативного катализа - скажем, оценивать реалистичность возможных трактовок узнавания субстратов природными ферментами или гипотетических механизмов аллостерического эффекта.