Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

е шиффово основание

JCH.

>=М^г^\ основание ^=N-

СН,

шиффово основание

вляется недостаточно основным, чтобы выступать в качестве ка-ализатора в бензоиновой конденсации.

[ В то же время циклическая форма тиоамида (енольная форма) принципе могла бы быть катализатором, но, как оказалось, она Дпишком неустойчива в воде и реагирует подобно иффову основанию с образованием системы с раскрытым кольцом.

Возможно, если серу заменить на азот, то положительный заряд будет стабилизироваться обоими атомами азота и водород останется достаточно кислым, чтобы соединение действовало как [катализатор. Оказалось, что такое соединение устойчиво в воде и водород достаточно лабилен, чтобы обмениваться с D20. Кис-[лотность приписывается карбеновой резонансной структуре, ко-

"-у

W

¦циклический тиоамиЗ

N i основание

нАг ~ I

Ph

Ph

e,f) I

Ph ипиЭ

Ph I

О

N I

Ph

1рбен

торая помогает стабилизировать промежуточный карбанион. Однако это соединение не обладает каталитической активностью к 1бензальдегиду. Вместо этого образуется продукт присоединения,

468

Глава 7

что можно объяснить таким механизмом [301]

Ph Ph Ph

Следовательно, промежуточный карбанион недостаточно нук-леофилен, чтобы реагировать с другой молекулой бензальдегида. Из него в основном образуется кетон. Для протекания бензоиновой конденсации необходимо соединение, образующее менее стабилизированный карбанион. Если резонансная стабилизация слишком велика, то хороший нуклеофил не образуется, а внутри-молекулярно идет процесс образования кетона. Очевидно, решение проблемы заключается в частичной реализации ароматиче-

Я ской системы. Атом серы, практически не пре-

^N-S-v доставляя свои электроны для л-связей, затрудняет J[\ ароматизацию кольца. И таким образом, един-

irNir ственная возможность для таких структур — обра-тиаэслий-ион зование тиазолий-иона. О синтезе подобных соединений уже упоминалось ранее. Например, было синтезировано соединение с R-бензилом, и оказалось, что это прекрасный катализатор бензоиновой конденсации. Интересно, что хорошо известные химикам-органикам оксазолиевые соли обменивают протоны быстрее, чем тиазолиевые соли. Оба эффекта — л-перекрывание, стабилизирующее катион, и оттягивание а-электронов (индуктивный эффект), стабилизирующее анион,— сильнее у кислорода, чем у серы.

В таком случае, не ошиблась ли природа, выбрав тиазолие-вую кольцевую структуру, а не оксазолий-ион? Естественно ответ отрицательный, поскольку оксазолиевые соли просто не катали-

коферментов

Ьуют бензоиновую конденсацию. Продукты не образуются, пому что система слишком устойчива и потому неактивна к бен-иьдегиду. Другими словами, неустойчивость оксазолиевой си-1мы слишком незначительна, чтобы она реагировала с карбо-тпьной группой. Следовательно, тиамин-РР — тщательно отобранный природой катализатор, и его структура оптимальна для проведения реакций подобного рода. Такой анализ «адаптации» !тиамин-РР к его роли должен помочь понять, как в общем случае [планировать и создавать будущие биоорганические модели коферментов.

7.4. Биотин

[Биотин был впервые выделен и идентифицирован как фактор Ьоста дрожжей в 1935 г. Вопреки наблюдавшемуся в 40-х гг. быстрому прогрессу в области изучения водорастворимых витаминов функция биотина оставалась тайной до 1959 г., когда Линен сотр. заметили, что бактериальная (3-метилкротонил-СоА-кар-Воксилаза осуществляет карбоксилирование свободного (+)-био-Ьша в отсутствие своего природного субстрата СоА-тиоэфира.

О

HN NH

Н.....

iSCOOH

(+)-o"uomuK

J В то же самое время с помощью рентгеноструктурного анализа Активной (+)-формы было обнаружено, что два кольца соединены и находятся в ^г/оконформации и атомы водорода при ¦грех асимметричных атомах углерода находятся в ^ш>положении. |Из структуры видно, что N-3' уреидогруппы не может вступать р реакцию, так как этому препятствует пятиуглеродная боковая цепь валериановой кислоты. Расстояние между N-3' и С-6 составляет всего лишь 0,28 нм. И только затем прояснился меха-изм действия биотина: реакция переноса С02 осуществлялась дтем обратимого образования l'-N-карбоксибиотина.

Сера в биотине может легко окисляться до сульфоксида или лгльфона, причем оба этих соединения биологически активны. Незтиобиотин, биосинтетический предшественник биотина, в котором сера отсутствует и ее место занимают два атома водорода, и оксибиотин, в котором атом серы замещен кислородом, Гакже оба биологически активны во многих организмах. Следовательно, наличие серы, по-видимому, не обязательное условие иологической активности соединения.

470

Глава t

Биотин (или витамин Н, когда речь идет о человеческом организме) является необходимым кофактором ряда ферментов, которые несут различные метаболические функции. Более десятка различных ферментов используют биотин. К наиболее известным относятся ацетил-СоА-карбоксилаза, пируватдекарбоксилаза, про-пионил-СоА-карбоксилаза, карбоксилаза мочевины, метилмало-нил-СоА-декарбоксилаза и оксалоацетатдекарбоксилаза. Биотин служит ковалентным переносчиком С02 в реакциях, в которых С02 фиксируется на акцепторе с помощью карбоксилаз. Затем карбоксильная группа в независимой реакции переносится транс-карбоксилазами от одного акцепторного субстрата к другому или же может удаляться в виде С02 под действием декарбоксилазы.

Позже Линен показал, что 14С-бикарбонат-ион является лучшим субстратом, чем свободный 14С02, так как включается в продукт гораздо быстрее. Для протекания реакции необходимы также АТР и Mg(II). В настоящее время существуют убедительные доказательства того, что весь процесс, катализируемый биотинил-ферментным комплексом, протекает в две стадии (Е — фермент):

Е-биотин + АТР + HCOjp Е-биотии—COf + ADP + Р? (7-8)

Е-биотин—СО^ + акцептор Е-биотин + акцептор—СО^ (7-9)

АТР + HCOjp + акцептор ; ADP + Р,- + акцептор—COf (7-10)

Начальная стадия включает образование карбоксибиотинил-фермента. На второй стадии происходит перенос карбоксильной группы от карбоксибиотинилфермента на подходящий субстрат-акцептор, причем природа этого акцептора зависит от участвующего в реакции фермента. Короче говоря, функция биотина заключается в осуществлении сопряжения между расщеплением АТР и карбоксилированием. Это достигается двухстадийным процессом, в ходе которого образуется промежуточное соединение — кар-боксибиотин. При перекарбоксилировании АТР не нужен, поскольку субстратом служит «активированный карбонат», а не

НСОз.

Такие биохимические превращения происходят в полиферментном комплексе, включающем по крайней мере три различных белка: биотинпереносящий белок (Л! = 22 ООО), биотинкарбокси-лазу (М = 100 000) и биотинтрансферазу (Л! = 90 000). Каждый процесс, катализируемый своим белком, входящим в состав полиферментного комплекса, специфически протекает в своем активном центре, а биотин ковалентно связан амидной связью с е-ами-ногруппой остатка лизина в белке-переносчике [338, 339]. Мосс и Лейн предложили модель ацетил-СоА-карбоксилазы из Е. coli, в которой основная роль биотина в процессе катализа заключалась в обратимом переносе фиксированного С02 или карбоксиль-

Химия коферментов

471

ой группы между двумя активными центрами. Следовательно, ткции, катализируемые биотинзависимой карбоксилазой, проте-¦от через промежуточный карбоксилированный ферментный •комплекс, в котором ковалентно связанная биотиновая простети-[ческая группа действует как мобильный переносчик карбоксиль-

карбо-ксилоза

трансферта

носитель

ис. 7.13. Схематическое изображение ацетил-СоА-карбоксилазы из Е. coli [338].

ых групп между удаленными друг от друга каталитическими ртрами (рис. 7.13).

[В основном биотин ведет себя как переносчик С02 между двумя центрами. Схематически это можно представить следующим образом: биотпнкарбокси-Пазный активный центр катализирует карбоксилирование биотиновой простети-реской группы в переносящем белке. Вслед за транслокацией карбоксилирован-ом функциональной группы от активного центра карбоксилазы к активному Центру карбокситрансферазы происходит перенос карбоксильной группы от |С02-биотииа к ацетил-СоА. По-видимому, свободный (+) -биотин может иметь [доступ к центру карбоксилирования, поскольку простетическая группа присо-[единена к белку посредством боковой цепи (длина этой «ножки» 1,4 нм) и [может удаляться^от активного центра и приближаться снова. Однако тщательные биофизические исследования транскарбоксилазы, которая катализирует перенос карбоксильной группы от метилмалоиил-СоА к пирувату, показывают, что [карбоксибиотин перемещается во время переноса СОа не более чем на 0,7 нм ¦340]. Таким образом, роль длинной «ножки» (1,4 нм), по-видимому, сводится к присоединению переносимой карбоксильной группы к концу длинного «зон-|да». При этом карбоксильная группа получает возможность поворачиваться •вслед за «отверстием», образующимся на стыке трех субъединиц, и располагаться между центрами связывания кофермента А и пирувата.

J Каким химическим механизмом можно объяснить две независимые реакции карбоксилирования и перекарбоксилирования, которых уже упоминалось? Биотин — это активатор С02, в ко-ором молекула С02 ковалентно связана с енольной формой ко-актора. Каков бы ни был механизм, он должен согласовываться экспериментальными данными, свидетельствующими о том, что (при использовании 180-меченого бикарбоната две трети введенного кислорода обнаруживается в карбоксилированном биотине, Ь одна треть — в неорганическом фосфате, отщепляемом от АТР,

472

Глава 7

Известны три гипотезы, согласующиеся с описанными выше наблюдениями. В 1962 г. Очоа впервые предложил двухступенчатый механизм, который включает активацию бикарбоната с помощью АТР с образованием карбонилфосфата.

о • о • ьысокознврге-

очень и || ^—- тическдш рыстро eQ ft «у с ши интермеВиат

•Г\ I е A DP—О—Р—О

Mg2

О

е

n карбонил-V фосфат

HN' XNH

О-»

о-р-# + н#^ь?\..

о

СоА—S—С—CH2—C«»H + малонил-СоА

HN NH

9J

¦NH

CoA-S—f

Сон

с^цетил-СоА(енольна.я форма) через

страница 77
< 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
(28.06.2017)