12.3: Ізомеризація в α-вуглецю
- Page ID
- 20890
Енолатні іони, а також еноли та емалі (розділ 7.6) є ключовими реактивними проміжними продуктами у багатьох реакціях біохімічної ізомеризації. Ізомеризації можуть включати або взаємоперетворення конституційних ізомерів, при яких зв'язок зв'язок змінюється, або стереоізомерів, де змінюється стереохімічна конфігурація. Ферменти, які взаємоперетворюють конституційні ізомери, зазвичай називають ізомеразами, тоді як ті, які взаємоперетворюють конфігурацію хірального вуглецю, зазвичай називають рацемазами або епімеразами.
ізомеризація карбонілів
Одне дуже важливе сімейство ізомеразних ферментів каталізує зсув карбонільної групи в молекулах цукру, часто перетворюючись між кетозою і альдозою (нагадаємо, що терміни кетоза і альдольза відносяться до молекул цукру, що містять кетонові та альдегідні групи відповідно).
Карбонільна ізомеризація:
Механізм:
Вид кетози вперше перетворюється на його еноловий таутомер на етапі 1 (насправді цей конкретний проміжний продукт відомий як «ен-діол», а не енол, оскільки по обидва боки подвійного зв'язку вуглець-вуглецевий вуглець є гідроксильні групи). Крок 2 призводить до альдози, і є просто ще одним етапом таутомеризації. Однак, оскільки на сусідньому (синьому) вуглеці є гідроксильна група, карбоніл може утворюватися там, а також на червоному вуглеці.
Прикладом може служити реакція шляху гліколізу, каталізована ферментом тріозою фосфатізомеразою (EC 5.3.1.1). Тут дигідроксиацетон фосфат (ДХАП) оборотно перетворюється в фосфат гліцеральдегіду (GAP).
Зверніть увагу, що ДХАП є ахіральним, тоді як GAP є хіральним, і що новий хіральний центр вводиться в середній (червоний) вуглець GAP. Як і слід очікувати, фермент є стереоселективним: на кроці 2 протон доставляється до червоного вуглецю з-за площини сторінки, щоб отримати R-енантіомер.
Також в шляху гліколізу глюкозо-6-фосфат (альдоза) і фруктозо-6-фосфат (кетоза) взаємоперетворюються через ен-діол проміжний продукт (ЕС 5.3.1.9) ферментом, тісно пов'язаним з триозо-фосфатізомеразою.
D сировину ен-діол проміжного продукту в реакції фосфоглюкозоізомерази.
Стереоізомеризація на\(\alpha\)-carbon
Enolates are a common intermediate in reactions where the stereochemical configuration of a chiral \(\alpha\)-carbon is interconverted. These are commonly referred to as racemization or epimerization reactions, depending on whether the interconverted isomers are enantiomers or epimers (recall that the term 'epimer' refers to a pair of diastereomers that differ by a single chiral center).
Racemization/ epimerization:
Mechanism:
These reactions proceed though a deprotonation-reprotonation mechanism, illustrated above. In step 1, the chiral a-carbon is deprotonated, leading to a planar, achiral enolate. In step 2, a proton is delivered back to the a-carbon, but from the opposite side from which the proton was taken in step 1, resulting in the opposite stereochemistry at this carbon. Two acid-base groups, positioned at opposing sides of the enzyme's active site, work in tandem to accomplish this feat.
The proteins and peptides in all known living things are constructed almost exclusively of L-amino acids, but in rare cases scientists have identified peptides which incorporate D-amino acids, which have the opposite stereochemistry at the a-carbon. Amino acid racemase enzymes catalyze the interconversion of L and D amino acids. As you may recall from the introductory section to this chapter, the venom of the male platypus contains a neurotoxic peptide in which an L-leucine amino acid has been converted by a racemase enzyme to D-leucine. In another example, the cell walls of bacteria are constructed in part of peptides containing D-glutamate, converted from L-glutamate by the enzyme glutamate racemase. (EC 5.1.1.3) (Biochemistry 2001, 40, 6199).
Реакція (ЕС 5.1.3.1) в метаболізмі цукру включає взаємоперетворення епімерів рибулозо-5-фосфат і ксилулозо-5-фосфат. Фермент, який каталізує цю реакцію, називається «епімеразою». (Дж. мол. Біол. 2003, 326, 127).
Намалюйте розумний механізм реакції епімеризації рибулозо-5-фосфату вище. Ваш механізм повинен показати енолат проміжний і вказати стереохімію протягом усього.
Прогнозуйте продукти реакцій епімеризації, починаючи з кожного з показаних субстратів.
- Підказка
-
Вуглеці поруч з імінними групами також можна вважати\(\alpha\) -вуглеці!
Нагадаємо з глави 3, що основною проблемою з препаратом талідомід є той факт, що R енантіомер, який є ефективним седативним засобом, швидко ізомеризується в організмі до теротогенного (мутаційного) S енантіомеру. Зверніть увагу, що хіральний центр у талідоміду\(\alpha\) - це вуглець!
Нещодавно хіміки повідомили про синтез похідного талідоміду, в якому карбонільна група замінена кільцем «оксетану», з метою створення ізотопно стабільної форми препарату (оскільки карбонільна група була видалена, рацемізація вже неможлива - немає a-вуглецю!) (Орг. Липень. 2013 р., 15, 4312.)
Алкенова регіоізомеризація
Положення алкенової групи також може бути змінено за допомогою реакції, в якій першим кроком є абстракція\(\alpha\)-proton and formation of an enolate intermediate. degradation pathway for unsaturated fatty acids (fatty acids whose hydrocarbon chains contain one or more double bonds) involves the 'shuffling' of the position of a carbon-carbon double bond, from a cis bond between carbon #3 and carbon #4 to a trans bond between carbon #2 and carbon #3. This is accomplished by the enzyme enoyl \(CoA\) isomerase (EC 5.3.3.8). (J. Biol Chem 2001, 276, 13622).
Alkene isomerization:
Mechanism:
Consider the structures of the substrate and product of the isomerization reaction above. What two factors contribute to the thermodynamic 'driving force' for the transformation?
The reaction below is part of the biosynthetic pathway for menthol. Suggest a mechanism that includes an enolate intermediate.