Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

,"

' еО изомер в изомер А (основной

изомер а ^ смежный лроЭукт)

"ОН,

,eOHj линейный РНаза (обращение jv

"•Vv" HV°vr HV°vUr \_J Y_Y + V_y

f\ f % f%

б он о о б о

l xp' ^

,0/P>0 "О' e^S S< e\

I 6 изомер в изомер A

e (основной продукт)

ных центров, но биологической роли этих ферментов ниже уделено достаточно внимания) и фосфатазы. Кислые и щелочные фосфатазы катализируют гидролиз фосфомоноэфиров до соответствующих спиртов и неорганического фосфата. Оптимум рН этих ферментов составляет 5,0 и 8,0 соответственно; отсюда и следуют их названия. Оба фермента образуют ковалентные фермент-субстратные промежуточные соединения:

/Д-Ыи /Д-Nu /Л-Nii

В кислой фосфатазе нуклеофилом является имидазол (промежуточный фосфамид лабилен при кислых рН), а в щелочной фосфатазе— серии. Известно, что щелочная фосфатаза содержит атом цинка, который, вероятно, играет роль центра связывания, а также кислоты Льюиса — по отношению к фосфатной группе. Это легко понять, припомнив, насколько трудно проходит гидролиз фосфомоноэфиров при щелочных рН.

5*

132

Глава 3

В заключение отметим, что до сих пор не сообщалось о ферментативных реакциях, для описания механизма которых требовалось бы привлекать псевдовращение [28].

3.4. Прочие нуклеозидфосфаты

Согласно вышеизложенному, значение нуклеозидфосфатов (нуклеотидов) обусловлено ие только их ролью, которую они играют в биополимерах. Некоторые мономерные нуклеотиды весьма важны как форма хранения энергии (АТР), при регуляции (циклические нуклеотиды) и в качестве кофакторов (NAD+ и NADP+; гл. 7).

3.4.1. АТР (аденозинтрифосфат)

Как уже указывалось, АТР выполняет роль хранилища биологической энергии, обеспечивая синтез ряда биохимически важных соединений. В качестве примера приводился синтез донора метильной группы S-аденозилметионина из АТР и метионина

НО ОН

АТР

(гл. 2). Ангидридная структура трнфосфатиой цепи обусловливает «высокое содержание энергии», собственно нуклеозидная часть молекулы служит для узнавания и связывания с различными ферментами, использующими АТР. Исходя из этих соображений, более простые производные фосфорной кислоты, имеющие ангидридную природу (например, ацетилфосфат, пирофосфор-ная кислота), также характеризуются повышенным содержанием энергии. Реакционную способность и повышенную энергоемкость ангидридов можно отнести за счет «конкурирующего резонанса», т. е. две группы (фосфорильная, карбонильная и т. д.) конкурируют за несвязанные электроны одного и того же атома

?0 Ojh ^О ©О—P-jr(P-P—0е 2 еО—Р-^ОН

IV' I I

О О О

е ---- е е

кислорода. В результате гидролиза такая конкуренция ослабляется, что приводит к большей стабилизации. Следовательно,

Биоорганическая химия фосфатов

133

образование продукта реакции выгодно по отношению к исходному ангидриду. Такая группа (карбонильная, фосфорильная и т. д.) более электрофильна в ангидриде, чем в составе аналогичного эфира, н, следовательно, более реакционноспособна, поскольку в эфире один атом кислорода приходится на одну такую группу, а не на две. Для ангидридов фосфорной кислоты образование продуктов выгодно потому, что при этом уменьшается электростатическое отталкивание в ди- пли трифосфатной цепи и несколько отрицательных зарядов более не связаны ковалентно друг с другом.

При физиологических значениях рН (7,35) три из четырех протонов, способных ионизироваться, диссоциируют. Для четвертого протона рКа = 6,5, и поэтому он также в значительной степени ионизирован. В клетках такой полианион связывается с ионами магния и существует в виде магниевого комплекса 1:1. In vitro АТР связывает и другие двухзарядные ноны металлов, например попы кальция, марганца, никеля. Помимо двух фосфатных окси-аннонов в связывании иона металла может принимать участие остаток аденнна (например, N-7 имидазольного кольца). Ион металла может выступать в роли электрофильного катализатора (кислоты Льюиса) при гидролизе АТР. Разумеется, присутствие иона металла, связанного с фосфатной цепью, частично нейтрализует общий отрицательный заряд, облегчая тем самым атаку отрицательно заряженного нуклеофнла, например гидро-ксид-поиа.

NH,

ООО

e II II II

еО—Р-рО—Р—О—Р—осн.

'НО:6

I \Х/* N

эО еО ер Y у

e^

НО бн

При рН 7,0 АСгидр гидролиза у-(концевого) и 6-фосфата равна примерно —31,2 кДж/моль (—7,5 ккал/моль). ДСГИДр зависит от рН и определяется в стандартных условиях. Однако для процессов в клетке эта величина приблизительно равна —50 кДж/моль (—12 ккал/моль). Во всяком случае как компонент химических реакций АТР в биологической системе представляет собой высокоэнергетическое соединение, АСгидр которого при физиологических значениях рН превышает —29,4 кДж/моль (—7 ккал/моль) или ДЯгидр превышает —25 кДж/моль (—6 ккал/моль).

АТР способен переносить эту потенциальную энергию на множество других биологически важных соединений. Например, было

134

Глава 3

показано, что энергия образования пептидной связи (путем промежуточного образования ангидрида кислоты) обеспечивается молекулой АТР. Сходным образом (см. ниже) синтез циклических нуклеотидов, также высокоэнергетических соединений, осуществляется из предшественника АТР (или GTP).

Гуанозннтрифосфат (GTP) — еще одно высокоэнергетическое соединение, структура которого аналогична структуре АТР, отличие заключается только в том, что вместо аденииового основания в его состав входит гуаниновое. Хотя GTP находит меньшее использование в биологических системах, чем АТР, тем не менее это соединение участвует в некоторых процессах, требующих затраты энергии, например при синтезе пептидной связи на рибосомах.

Биосинтез адеиозии- и гуаиозинтрифосфатов сводится к фосфорилированию низкоэнергетических предшественников — соответствующих монофосфатов. Например, GTP синтезируется из гуанозиимонофосфата GMP путем взаимодействия с двумя молекулами АТР:

GMP + ATP GDP + ADP

GDP + АТР GTP + ADP

Эти реакции катализируются ферментами — нуклеозидмоиофосфокнназой и иу-клеозиддифосфокиназой соответственно. Отметим, что реакции обратимы, так что АТР может быть получен при использовании GTP или трифосфатов других нуклеозидов. Его предшественник ADP (аденознндифосфат) может быть синтезирован при реакции AMP и АТР, которую катализирует фермент адепнлаткиназа.

AMP + АТР ^ 2ADP

Все вышеприведенные превращения термодинамически допустимы, поскольку образование ангидрида совершается за счет энергии другого ангидридного соединения. Возможно, суммарная концентрация АТР, ADP и AMP в клетке не меняется во времени. Следует отчетливо представлять, что АТР может синтезироваться путем фосфорилирования ADP также другими донорами фосфатной группы, помимо нуклеозидтрифосфатов, и что в клетке существуют метаболические пути, благодаря которым для синтеза АТР используется энергия расщепления Сахаров (глюкозы).

Химический синтез аденозин- или гуаиозинтрифосфатов можно провести по аналогии с биосинтезом: путем фосфорилирования низкоэнергетических предшественников, монофосфатов. Фосфорилирование проводят фосфорной кислотой и конденсирующим (дегидратирующим) реагентом — ДЦГК. Использование карбоднимидов уже обсуждалось в связи с проблемой синтеза пептидной связи. Напомним, что реакция протекает через образование промежуточного ангидрида. В данном случае вместо карбоиовой кислоты к карбодиимиду добавляют фосфорную кислоту, как показано на примере синтеза ADP из AMP. В присутствии избытка фосфорной кислоты получающийся ADP будет далее фосфорили-роваться с образованием АТР. Конечно, эта реакция протекает не с такой избирательностью, как реакция фосфорилирования, катализируемая ферментом, так что даже в оптимальных условиях образуется смесь AMP, ADP, и АТР и некоторых высших поли-

Биоорганическая химия фосфатов

135

нс? Ън

ADP

фосфатов, таких, как аденозинтетрафосфат. Тем не менее основным продуктом реакции будет АТР, который затем можно очистить методом ионообменной хроматографии.

ДЦГК. 20° с

АМР + Н3Р04 -— - ; ¦* АТР + другие продукты

пиридин. N(C|IIg)3

85«-ная

Причиной того, что АТР является основным продуктом реакции, возможно, служит его превращение в реакционной среде в циклический фосфат, разлагающийся при дальнейшей обработке:

>РА>о

о р—осн2 )р-о/

но он

Ad

н,о,

АТР.

Такой промежуточный продукт с трудом подвергался бы фос-форнлированию даже в присутствии ДЦГК. Действительно,

136

Глава 3

в присутствии ДЦГК ЛТР образует циклический нитермедиат. Эта реакция — способ синтеза аналогов АТР с модифицированной у-фосфатиой группой.

е°ч11 ХР—О

АТР + д^гк^^ о V

\ г* / ЧОСН

ео/^° V-/

Nu—R НО

ОН

/

R—Nu

1/\1/°\1/0СЬ/°\ /Ad Nu=xopouiuu нуклеофил, К К К V V mqpdumpd амин или

О

е

О

е

О

е

например амин или алкоксид

НО

ОН

Более избирательной и поэтому чаще используемой реакцией является синтез нуклеозндтрнфосфатов путем конденсации нук-леозндмонофосфата с неорганическим фосфатом [29].

О

О

НО—Р—О—Р—О—j н

I. I V

он он

Опять-таки гндроксильная группа нуклеозидмонофосфата — это плохая уходящая группа, т. е. такая реакция термодинамически невыгодна. Поэтому необходимо превратить уходящую группу в хорошую. Наиболее часто с этой целью применяют имид-азолиды, получаемые реакцией нуклеозидмонофосфата с 1,Г-карбонилдиимидазолом. Можно считать, что такая реакция проходит через образование смешанного ангидрида, аналогичного тому, который получается в пептидном синтезе с ЭЭДХ (разд. 2.6.3). Получаемый ангидрид легко подвергается реакции замещения пирофосфатом. К сожалению, в значительной степени

Биоорганическая химия фосфатов

137

N4^N\J^N>s^N + НО—Р—ОСН2 о Ad

Т A N^y

но он

ДМФА

о I! \Л

но он

-со,

/•-/г^Уч он

iO

НО ОН

образуется 2',3'-циклокарбоннльное производное, вследствие того что образующийся ^ыс-диол энтропийно выгоден:

НО^ОСН, Ad HO^/OCH, Ad

О -*(Он) О ч

е н—О.. ..О—н ¦—е б Ь

О

Такое направление реакции можно предотвратить, получив имндазолид

страница 23
< 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
(24.06.2017)