9.3: Реакції перенесення фосфатів - огляд

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20779

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

В реакції перенесення фосфатів фосфатна група переноситься з молекули донора фосфатної групи в молекулу акцептора фосфатної групи:

Дуже важливим аспектом реакцій біологічного перенесення фосфатів є те, що електрофільність атома фосфору, як правило, посилюється за рахунок кислоти Льюїса (що приймає електрон) ефекту одного або декількох іонів магнію. Ферменти перенесення фосфатів, як правило, містять\(Mg^{2+}\) іон, пов'язаний в активному місці, в положенні, коли він може взаємодіяти з немостоподібними фосфатними киснями на субстраті. Іон магнію відтягує електронну щільність від атома фосфору, роблячи його більш електрофільним.

Без цієї взаємодії іонів металів фосфат насправді є поганим електрофілом, оскільки негативно заряджені кисень захищають фосфорний центр від нападу нуклеофіла.

Примітка

Заради простоти та ясності ми не будемо малювати іон магнію або інші активні групи сайтів, що взаємодіють з фосфатними киснями, в більшості цифр цього розділу - але важливо пам'ятати, що ці взаємодії відіграють невід'ємну роль у реакціях перенесення фосфатів.

Механістично кажучи, реакція перенесення фосфату в центрі фосфору може бути такою ж, як\(S_N2\) реакція в вуглецевому центрі. Так само, як і в\(S_N2\) реакції, нуклеофіл при перенесенні фосфорилу наближається до електрофільного центру зі зворотного боку, навпроти групи, що йде:

Діаграма потенційної енергії реакції перенесення фосфатів.

Коли нуклеофіл наближається і виходить група починає свій відхід, геометрія зв'язку у атома фосфору змінюється від тетраедричної до тригональної біпірамідної при п'ятивалентному (5-зв'язковому) перехідному стані. Оскільки фосфорно-нуклеофільний зв'язок стає коротшим, а груповий зв'язок, що залишає фосфор, зростає довше, картина зв'язку навколо атома фосфору повертається до початкового чотиригранного стану, але стереохімічна конфігурація була «перевернута» або перевернута.

У тригональному біпірамідному перехідному стані п'ять замісників не є еквівалентними: три неперехідні кисень, як кажуть, є екваторіальними (утворюючи основу тригональної біпіраміди), тоді як нуклеофіл та група, що залишають, як кажуть, верхівкові (займають кінчики двох пірамід).

Хоча стереохімічна інверсія в реакціях перенесення фосфору прогнозується теорією, той факт, що фосфорильні групи є ахіральними, унеможливив спостереження за явищем безпосередньо до 1978 року, коли група дослідників змогла синтезувати органічні фосфатні ефіри, в яких стабільні ізотопи кисню \(^{17}O\)і\(^{18}O\) були спеціально включені. Це створило хіральний фосфатний центр.

Зліва фосфат в S-конфігурації. Праворуч - фосфат в конфігурації R.

Подальші експерименти з фосфорилтрансфер-каталізуючими ферментами підтвердили, що ці реакції протікають зі стереохімічною інверсією. (Природа 1978 275, 564; Енн Рев Біохім 1980 49, 877).

Узгоджений (\(S_N2\)подібний) не єдиний механізм, який був запропонований для цих реакцій - насправді було запропоновано два інших можливих механізми. В альтернативній двоступеневій механістичній моделі нуклеофіл міг атакувати першим, утворюючи

п'ятивалентний, тригональний біпірамідний проміжний продукт (як відноситься до п'ятивалентного перехідного стану). Реакція завершується, коли покидає групу виганяють. Проміжний вид займатиме енергетичну долину між двома перехідними станами.

Модель доповнення-ліквідації:

Діаграма потенційної енергії, що показує п'ятивалентний проміжний проміжок.

Це часто називають механізмом «додавання-елімінації» - нуклеофіл спочатку додає до фосфату, утворюючи п'ятивалентний проміжний продукт, а потім усувається група, що відходить.

Механізм додавання-елімінації з п'ятивалентним проміжним продуктом неможливий для\(S_N2\) реакції в вуглецевому центрі, оскільки вуглець, як елемент другого ряду, не має жодних d орбіталей і не може утворювати п'ять зв'язків. Фосфор, навпаки, є елементом третього ряду і цілком здатний утворювати більше чотирьох зв'язків. Пентахлорид фосфору, врешті-решт, є стабільною сполукою, яка має п'ять зв'язків з хлором, розташованих у тригональній біпірамідній геометрії навколо центрального фосфору.

Атом фосфору в\(PCl_5\) (і в гіпотетичному п'ятивалентному проміжному проміжному матеріалі, зображеному вище) вважається\(sp^3d\) гібридизованим:

Є й третя можливість: реакція могла протікати\(S_N1\) подібним чином: іншими словами, ліквідація-додавання. У цій моделі спочатку розривається груповий зв'язок, що залишає фосфор, в результаті чого метафосфатний проміжний продукт. Цей проміжний продукт, який відповідає проміжному проміжному продукту карбокату в\(S_N1\) реакції і подібно карбокату має тригональну планарну геометрію, потім атакується нуклеофілом з утворенням продукту реакції.

Модель ліквідації-додавання:

Діаграма потенційної енергії, що показує проміжний метафосфат.

Отже, яка механістична модель - узгоджена (\(SN_2\)подібна), додавання-усунення або елімінація-додавання - найкраще описує ферментативні реакції перенесення фосфатів? Хіміки люблять досліджувати і обговорювати такі питання! Так само, як і з\(S_N1/S_N2\) аргументом, обговорюваним у розділі 8, він дійсно зводиться до одного питання: що відбувається спочатку, формування облігацій або розрив облігацій - або ці дві події відбуваються одночасно? З накопичених на сьогоднішній день доказів виявляється, що багато ферментативних реакцій перенесення фосфатів найкраще можна описати узгодженою моделлю, хоча з цього приводу все ще є аргументи, і все ще багато питань без відповіді про інші деталі того, як ці реакції каталізуються в активних ділянках. Враховуючи важливість реакцій перенесення фосфатів у метаболічних шляхах, ця область, очевидно, є дуже перспективною для подальшого дослідження. Якщо вам цікаво дізнатися більше про це дослідження, чудовим місцем для початку є оглядова стаття, написана професором Даніелем Гершлагом в Стенфордському університеті (Annu. Преподобний Біохім. 2011, 80, 669).

Для простоти і наочності фосфорильні переноси в цьому тексті будуть зображені за допомогою узгодженої моделі.

Вправа Template:index

Прогнозуйте приблизні кути між двома зв'язками, зазначеними в перехідному стані фосфатного перенесення. \(O_a\)відноситься до кисню в верхівковому положенні, і\(O_e\) до кисню в екваторіальному положенні.

\(O_a-P-O_a\)
\(O_a-P-O_e\)
\(O_e-P-O_e\)