Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

ем АТР и биологические регуляторные молекулы — циклические аденозин- и гуанозинмоно-|фосфаты (сАМР и cGMP) (разд. 3.4.2). Помимо этого, многие (фосфаты ненуклеозидной природы также важ-

ен сн -

[ны в биологическом отношении, например са-[харофосфаты и креатинфосфат (еще одна i

соое

c=nh2 р

Ьорма сохранения энергии в клетке; это соединение содержит кислотолабильную фосф-амидную связь). Нуклеотиды представляют [для нас значительно больший интерес, а роль [фосфатов ненуклеозидной природы далее не креатинфосфат [обсуждается, тем более что этот вопрос подробно освещается во многих учебниках биохимии. Разумеется, фосфатная группа легко образует неорганические соли, которые могут быть важными составными частями биологической системы t (организма) (фосфор в крови и моче).

13.3- Реакция гидролиза

Большинство химических реакций, в которых принимают участие фосфатные группы в биологической системе, это реакции либо присоединения (фосфорилирование), либо отщепления (гидролиз) фосфата. При биологическом фосфорилировании источником, или донором, фосфатной группы служит АТР, форма хранения энергии (более подробно см. разд. 3.4.1), причем эту реакцию катализирует фермент, называемый киназой. Как простой пример такой реакции приведем фосфорилирование сахара глюкозы:

О

О

о

О

НО ОН

гпюкокиназа,

г.+

ho-v-Д_о

но-*—Т*А/Н но Т он

K-D- глкжозо-6-фосфат

+ ADP

120

Глава 3

Гидролиз эфиров карбоновых кислот, катализируемый кислотами и основаниями, обычно проходит через стадию кислотного расщепления:

R—¦-> R—+ НОСЫ,

"(О—СН3 Ое

расщепление связи С-О ацильной группы

Однако известно несколько примеров алкильного расщепления. Например, при реакции метилат-иона с метиловым эфиром бензойной кислоты образуется диметиловый эфир.

,0 Х>

Ph-C^ -> Ph-C^ + СН3—О—СНз

ОтСН3*^еОСНз Ое

(Кислотное расщепление лишь генерирует исходные соединения.) Гидролиз трег-бутилацетата, катализируемый кислотой, проходит по SNl-механизму (устойчивый промежуточный карбкатион) с алкильным расщеплением.

О

о сн,

СН3 h*/HjO " ил_г_гн

СН3—С. | -» СН3—С. + НО-С—СН3

От—С—СНз он I

О | сн»

СН,

Нейтральные фосфотриэфиры легко подвергаются гидролизу, катализируемому кислотами или основаниями, с алкильным и/или фосфорильным расщеплением. Например, гидролиз три-, метил- и триэтилфосфатов в нейтральных водных растворах проходит по S^-механизму с алкильным расщеплением. Гидролиз,, катализируемый кислотой, также протекает с алкильным расщеплением.

О

fi ^ СН3 ".о EtOv .О

ЕЮ—Р—О^СН, рН7,

OEt °Н* "Е,ОН

Гидролиз триметилфосфата, катализируемый основаниями, протекает с фосфорильным расщеплением; эта реакция исполь-1 зуется как препаративный метод синтеза диметилфосфата.

О О

сн,о4-осНз сНзО-1-осн,

QCH, oNa*

Биоорганическая химия фосфатов

121

Образующийся аннон вызывает электростатическое отталкивание приближающегося гидроксила, так что образование мономе-тилфосфата затруднено. Период полупревращения для последней" реакции при 100°С составляет 16 сут, причем механизм этой реакции сводится исключительно к алкильному расщеплению, поскольку атом фосфора менее доступен.

О О

II о II /°в

СН30—Р—О—CHj -> СН30—Р,

о юн

в

При гидролизе дифенилфосфата, катализируемого основаниями, может проходить только фосфорильное расщепление. Эта реакция протекает очень медленно (период полупревращения при гидролизе дифенилфосфата в воде при нейтральном значении рН и температуре 100°С оценивается в 180 лет!), и лишь благодаря тому, что фенокси-ион является лучшей уходящей группой, чем алкокси-ион. Действительно, соответствующим образом замещенный дифенилфосфат (например, бис-2,4-динитрофенилфосфат) с более кислыми уходящими группами будет гидролизоваться со значительно большей скоростью. Исходя из этих данных, можно предположить, что ДИК, функции которой сводятся к хранению генетической информации, устойчива к гидролитическому распаду. В самом деле, деградация ДНК не наблюдается даже после инкубации в течение 1 ч при 100°С в 1 н. NaOH.

В то же время 2-оксиэтилметилфосфат легко претерпевает гидролиз в щелочных условиях: период полупревращения реакции при 25°С в 1 н. NaOH составляет 25 мин. Это можно объяснить образованием промежуточного напряженного пятичленного цикло-фосфата вследствие нуклеофильной атаки вицинальной гидрок-сильной группы (анхимерное влияние). На напряженность пяти-

НОе--Ч ^еон

LS/;VJ ^о-р^

Д(Ч)СНз напряженный || о9

*-* лялличпенныц цикл О

членного циклофосфата указывает то, что скорость гидролиза этиленфосфата в 106 раз выше, чем ациклического аналога — диметилфосфата. Далее, гидролиз этого соединения — гораздо более экзотермичнын процесс вследствие напряжения циклической структуры:

122

Глава 3

rV

этипенфосфапл

О

О

н,о

„О—Р

но'

Ое

ан = —26,8кцж./моль (—6,4 ккал/моль)

ХР^

CHjO^ чое оиметилфосфат

н,о

СН,0—Р

Is*

Ое

АН = —7,5к.Дж/мопь (—1,8 ккаг/моль)

Из этих данных следует, что РНК, функции которой сводятся к переносу генетической информации и скорость обращения которой высока, нестабильна и легко подвергается распаду. Действительно, РНК распадается при инкубации в 0,1 и. NaOH при комнатной температуре с образованием смеси 2'- и З'-фосфатов.

-f-OCH, о основание

-^ОСН^^основание промежуточный

0=Р—О9 Г\

VOCH

н

0^/Хое

:ОНе

напряженный пятичленный циклорросфат

участок цепи РНК

"(ос^очсснование ~(oGH, Основание

о\_/ \»/ о

Р—О ОН НО О—Р^

З'-фосфат

Й.'-фосфат

До сих пор механизм гидролиза описывался таким образом, как если бы процесс протекал благодаря простым реакциям замещения. Однако, подобно тому как при гидролизе эфиров карбо-новых кислот появляется тетраэдрнческнй интермедиат (как уже указывалось), гидролиз фосфоэфиров проходит через пентакоор-динационный промежуточный продукт в й5р3-гнбридном состоянии. Такой промежуточный продукт имеет геометрию, характерную для пяти электронных пар, расположенных вокруг центрального атома (фосфора), — геометрию тригональной бипирамиды. Дей-

Биоорганическая химия фосфатов

123

Cl

С1*^-Я}

С1

ct

Пентах.юрид фосфора в газовой фазе имеет структуру тригональ-ной бнпирамиды.

ствительно, многие стабильные пятикоординацнонные соединения фосфора принимают такую конфигурацию. Например, газообразный пентахлорнд фосфора имеет структуру тригональной бипира-миды. Как мы вскоре увидим, важное значение имеет факт, что хотя в таком соединении пять эквивалентных лигандов — атомов хлора, при й$р3-гибридиза-ции возникают пять неэквивалентных связывающих орбиталей. При этом две из связей между атомами хлора и фосфора длиннее (апикальные связи; 0,22 нм), чем остальные (экваториальные; 0,2 нм). Три экваториальных атома хлора находятся в одной плоскости, тогда как два других апикальных атома перпендикулярны этой плоскости.

В процессе реакции гидролиза фосфоэфи-ра, первоначально имеющего тетраэдрическую конфигурацию, атакующая группа приближается в направлении, перпендикулярном трем лигандам, так что в образущемся пяти-координационном комплексе эта связь будет перпендикулярна плоскости экваториальных атомов. Этого можно ожидать, поскольку образующаяся связь, по крайней мере вначале, имеет природу длинной связи, сходной с длинной связью апикального лиганда. Эта стадия аналогична первоначальному образованию длинной связи при Б^-замещении. Сходным образом уходящая группа отрывается, лишь заняв апикальное положение и уходя из положения с удлиненной связью. Такой механизм показан на примере гидролиза фосфомоноэфира:

тетраэдрический фосфоманоэфир г

I оттягивание ^OR 'j электронноА плотности

ж

X —

f члвлиненнои

R-OH + HP04<

г-

Изучение гидролиза метилэтиленфосфата показывает, что гидролиз фосфорорганических соединений не обязательно протекает по простому механизму замещения. Если бы это было так, нельзя было бы ожидать ничего другого, как только раскрытия напряженного кольца:

о—I

сн

Ни

он,

но

I

осн.

124

Глава 3

Отметим, что пятичленный цикл в пентакоординационном промежуточном соединении представлен соединяющим апикальный и экваториальный лиганды. Такая геометрия наиболее выгодна, поскольку причиной напряженности пятичленного кольца является искажение валентных углов. Пятичленный цикл, замыкающий два экваториальных или два аксиальных лиганда, был бы слишком нестабилен.

В действительности гидролиз метилэтиленфосфата, катализируемый кислотой, в значительной степени приводит к замещению метоксигруппы:

О

Это явление объясняется псевдовращением [22, 23] — деформацией связей атома фосфора с лигандами, происходящей в пента-координационном комплексе, так что соответствующая уходящая группа, которая без этого не могла бы оторваться, после псевдовращения может уйти. Псевдовращение происходит, если выполняются пять правил отбора:

1. Гидролиз фосфоэфиров проходит через образование пента-координационного промежуточного соединения, имеющего геометрию тригональной бипирамиды.

2. В процессе гидролиза группы могут приблизиться или оторваться только из апикального положения.

3. Вследствие напряжения замыкание пятичленного кольца не может произойти через образование связи между двумя экваториальными или двумя апикальными положениями, но только че-рез связь между апикальным и экваториальным положениями.

4. Более электроположительные заместители стремятся занять экваториальное положение, тогда как электроотрицатель* ные лиганды — апикальное.

5. Лиганды могут менять свое положение в процессе псевдовращения.

При псевдовращении два апикальных лиганда становятся экваториальными и одновременно два экваториальных лиганда— апикальными. Движущей силой этого процесса является переход хорошей уходящей группы из экваториального в апикальное положение и последующий ее уход. Такие искажения связей неудивительны, если вспомнить, что ковалентные связи не абсолютно жесткие; они способны участвовать в колебательных и вращательных деформациях, что используется в инфракрасной спе

страница 21
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (8.62Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(26.09.2017)