9.2: Огляд фосфатних груп

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20787

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Фосфат є всюди в біохімії. Як нам нагадали у вступі до цієї глави, наша ДНК пов'язана фосфатом:

Фосфатна рука в ланцюжку ДНК виділена червоним кольором.

Функція багатьох білків регулюється - включається і вимикається - ферментами, які приєднують або видаляють фосфатну групу з бічних ланцюгів залишків серину, треоніну або тирозину.

Залишок тирозину стає залишком фосфотірозину.

Незліченні захворювання викликані дефектами ферментів, що переносять фосфати. Як лише один із прикладів, ахондроплазія, поширена причина карликовості, викликана дефектом ферменту, функція якого полягає в перенесенні фосфату в залишок тирозину в пов'язаному з ростом сигнальному білку.

Нарешті, фосфати чудово залишають групи в біологічних органічних реакціях, як ми багато разів побачимо протягом решти цієї книги.

Зрозуміло, що розуміння хімії фосфатів є центральним для вивчення біологічної органічної хімії. Почнемо з огляду термінів, що використовуються при розмові про фосфати.

Терміни та скорочення

Повністю депротоновану кон'югатну основу фосфорної кислоти називають фосфорним іоном, або неорганічним фосфатом (часто скорочено\(P_i\) «»). Коли дві фосфатні групи пов'язані між собою, сам зв'язок називається «фосфатним ангідридом», а сполука називається «неорганічним пірофосфатом» (часто скорочено\(PP_i\)).

Креслення лінії зв'язку фосфорної кислоти, неорганічного фосфату (Pi) та неорганічного пірофосфату (PPi) з фосфатно-ангідридним зв'язком.

Хімічний зв'язок між фосфатом і атомом вуглецю є фосфатний ефір. Аденозинмонофосфат (AMP) має єдиний зв'язок ефіру фосфату.

Лінія зв'язку малюнок аденозинмонофосфату (AMP) із зв'язком фосфатного ефіру, обведеного червоним кольором.

Аденозинтрифосфат має один зв'язок фосфатного ефіру та два фосфатно-ангідридні зв'язки.

Лінія зв'язку малюнок аденозинтрифосфату (АТФ) з двома фосфатними ангідридами, обведеними синім та червоним кольором, а колами ефіру фосфату зеленим кольором.

Атоми кисню в фосфатних групах називають або «мостовими», або «немостовими», залежно від їх положення. Органічний дифосфат має два мостових кисню (один у зв'язку ефіру фосфату та один у зв'язці фосфатного ангідриду) та п'ять немостових киснів:

Оксигени зв'язування знаходяться в червоному кольорі і знаходяться всередині з'єднання, тоді як неперехідні кисень синього кольору і знаходяться на зовнішній стороні сполуки.

Один фосфат пов'язаний з двома органічними групами, називається фосфатним диефіром. Магістраль ДНК пов'язаний фосфатними діефірами.

Органічні фосфати часто скорочуються, використовуючи\(OP\) «\(OPP\)» та «для моно- та дифосфатів відповідно. Наприклад, глюкозо-6-фосфат і ізопентенілдифосфат часто зображують так, як показано нижче. Зверніть увагу, що абревіатура «P» включає асоційовані атоми кисню та негативні заряди.

Конформація крісла глюкозо-6-фосфату та нанесення лінії зв'язку ізопентенілдифосфату.

Вправа Template:index

Розглянемо нижче біологічні сполуки, деякі з яких показані зі скороченими структурами:

Для кожного з'єднання вкажіть кількість мостових і немостових киснів в фосфатній групі.

Кислотні константи і протонаційні стани

Фосфорна кислота є трипротовою, що означає, що вона має три кислі протони, доступні для пожертвування, зі\(pK_a\) значеннями 1,0, 6,5 та 13,0 відповідно. (да Сілва і Вільямс)

H3PO4 має пКа 1. H2PO4 мінус має рКа 6,5, HPO4 два мінуса мали рКа 13.

Ці кислотні постійні значення поряд з рівнянням Гендерсона-Хассельбальха (розділ 7.2) говорять нам про те, що при\(pH\) фізіологічних приблизно 7, трохи більше половини фосфатних видів буде перебувати в\(HPO_4^{-2}\) стані, а трохи менше половини - в\(H_2PO_4^{-1}\) стані, це означає, що середній чистий заряд становить від -1,5 до -2,0.

Фосфатні діефіри мають\(pK_a\) близько 1, це означає, що вони несуть повний негативний заряд при фізіологічному\(pH\).

Фосфатний диефір депротонований при рН 7.

Органічні монофосфати, дифосфати та трифосфати мають чисті негативні заряди і частково протонуються при фізіологічному\(pH\), але за конвенцією зазвичай витягуються в повністю депротонованому стані.

Вправа Template:index

Поясніть, чому друга\(pK_a\) фосфорна кислота так значно вище першої\(pK_a\).

Вправа Template:index

Який приблизний чистий заряд неорганічного фосфату в розчині, буферному до\(pH 1\)?

Нагадаємо з розділу 8.4, що хорошими групами виходу в органічних реакціях є, як правило, слабкі підстави. У лабораторних органічних реакціях виїзними групами часто є галогеніди або толуенсульфонати (розділ 8.4), обидва з яких є слабкими підставами. У біологічних органічних реакціях фосфати дуже поширені, залишаючи групи. Це може бути неорганічний фосфат, неорганічний пірофосфат або органічні монофосфати, всі вони є слабо основними, особливо при узгодженні з катіонами металів, такими як\(Mg^{+2}\) в активному місці ферменту. Ми побачимо багато прикладів груп фосфатних залишків у цьому та наступних розділах.

Склеювання в фосфатах

Дивлячись на розташування фосфору в таблиці Менделєєва, можна очікувати, що він зв'яжеться і реагує подібно азоту, який знаходиться трохи вище нього в тій же колонці. Дійсно, фосфіни - фосфорні аналоги амінів - зазвичай використовуються в органічній лабораторії.

Креслення лінії зв'язку триметиламіну і триметилфосфіну.

Однак саме у формі фосфату, а не фосфіну, фосфор відіграє свою головну роль у біології.

Чотири кисневі замінники в фосфатних групах розташовані навколо центрального атома фосфору з чотиригранною геометрією, однак існує загалом п'ять зв'язків з фосфором - чотири s зв'язки і один делокалізований\(\pi \) зв'язок.

Фосфор може порушити «правило октету», оскільки воно знаходиться в третьому рядку періодичної таблиці, і, таким чином, має\(d\) орбіталі, доступні для склеювання. Заряд мінус 3 на повністю депротонованому фосфатному іоні розподіляється рівномірно по чотирьом атомам кисню, і кожен фосфорно-кисневий зв'язок можна вважати, що має 25% характер подвійного зв'язку: іншими словами, порядок зв'язку становить 1,25.

Нагадаємо, з розділу 2.1 гібридна картина зв'язку для чотиригранного азоту в амінній групі: одна\(2s\) і три\(2p\) орбіталі об'єднуються, утворюючи чотири\(sp^3\) гібридні орбіталі, три з яких утворюють s зв'язки і одна з яких тримає одиничну пару електронів.

У гібридній орбітальній картині для фосфатного іона одна\(3s\) і три\(3p\) орбіталі також поєднуються, утворюючи чотири\(sp^3\) гібридні орбіталі з чотиригранною геометрією. Однак, на відміну від аміну, чотири з п'яти валентних електронів на фосфорі займають\(sp^3\) орбіталі, а п'ятий займає негібридизовану\(3d\) орбіталь.

Це орбітальне розташування дозволяє чотири s зв'язки з чотиригранною геометрією на додаток до п'ятої, делокалізованої\(p\) зв'язку, утвореної\(p\) перекриттям між напівзаповненою\(3d\) орбіталлю на фосфорі та\(2p\) орбіталями на атомах кисню.

У фосфатних ефірах, діефірах та ангідридах π зв'язок делокалізується переважно над немостовими зв'язками, тоді як мостові зв'язки мають переважно однозв'язковий характер. Наприклад, у фосфатному диефірі два немостових кисню поділяють -1 заряд, як показано двома основними резонансними учасниками нижче. Порядок склеювання для мостових\(P-O\) зв'язків у групі фосфатних діефірів становить близько 1, а для немостових\(P-O\) зв'язків близько 1,5. У резонансних вкладників, в яких мостові кисень показані у вигляді подвійних зв'язків (праворуч на малюнку нижче), відбувається додаткове поділ заряду - таким чином, ці вкладники незначні і вносять відносно незначний внесок у загальну картину зв'язку.

Основні учасники резонансу знаходяться ліворуч, тоді як незначні учасники резонансу - праворуч. Немостові облігації мають синій колір і виділяють значний характер подвійних зв'язків. Зовні є кисень. Мостові зв'язки червоного кольору і мають невеликий характер подвійного зв'язку. це кисень, знайдені всередині.

Вправа Template:index

Намалюйте всі резонансні структури, що показують делокалізацію заряду на (повністю депротонованому) органічному монофосфаті. Якщо «замовлення облігацій» 1,0 - це одна облігація, а порядок облігацій 2,0 - подвійний облігація, який приблизний порядок зв'язків мосту та немостового з'єднання\(P-O\) bonds?

Протягом цієї книги фосфатні групи часто малюватимуться, не намагаючись показати чотиригранну геометрію, а π зв'язки та негативні заряди зазвичай будуть показані локалізованими на один кисень. Це робиться заради спрощення - однак важливо завжди пам'ятати, що фосфатна група дійсно чотиригранна, негативні заряди делокалізуються над немостоподібними киснями, і що існує певна ступінь протонації при фізіологічному\(pH\) (за винятком фосфатні діефіри групи).