17,3: Тіамін дифосфат (вітамін В1)

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20690

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

Тіаміндифосфат (\(ThDP\)іноді також скорочено\(TPP\) або\(ThPP\)) - це кофермент, який, як PLP, діє як електронний мийник для стабілізації ключових проміжних продуктів карбоніону. Найважливішою частиною\(ThDP\) молекули з каталітичної точки зору є її тіазольне кільце.

Лінія зв'язку малюнок тіаміну дифосфату (ThDP) з тіазольним кільцем обведено і виділено червоним кольором.

Протон на вуглеці між азотом і сіркою на тіазольному кільці слабокислий, з\(pK_a\) of about 18.

Thiazole ring produces ThDP ylide.

The reason for its acidity lies partly in the ability of the neighboring sulfur atom to accept, in its open \(d\)-orbitals, some of the excess electron density of the conjugate base. Another reason is that the positive charge on the nitrogen helps to stabilize the negative charge on the conjugate base. The deprotonated thiazole is called an ylide, which is a general term for a species with adjacent positively and negatively charged atoms.

The negatively charged carbon on the ylide form of \(ThDP\) is nucleophilic, and as we shall soon see, the first step of most \(TPP\)-dependent reactions is nucleophilic attack of the ylide carbon on a carbonyl group of the reaction substrate.

\(ThDP\) plays a key role in a variety of reaction types, but the common theme in all \(ThDP\)-dependent reactions is cleavage of a bond adjacent to the carbonyl carbon of a ketone or aldehyde.

Thiamine diphosphate assists in breaking bonds next to a ketone or aldehyde:

Consider this hypothetical decarboxylation step:

localized charge on carbonyl carbon is highly unstable.

Сподіваємось, ви можете швидко визнати, що це не хімічно розумний крок, оскільки проміжний вид, який є результатом декарбоксилювання, має негативний заряд, локалізований на кетоновому вуглеці - дуже нестабільний, малоймовірний проміжний продукт дійсно.

(Нагадаємо з розділу 13.1, що етапи декарбоксилювання зазвичай призводять до проміжних продуктів, в яких негативний формальний заряд делокалізується на кисень або азот - іншими словами, енолати або емалі.)

Тепер розглянемо, однак, реакцію, що відбувається у ваших клітині прямо зараз, каталізовану ферментом піруватдекарбоксилазою (EC 4.1.1.1):

піруват реагує з H plus і ThDP з утворенням вуглекислого газу та ацетальдегіду.

Якимось чином ферменту вдається виконати це «неможливе» декарбоксилювання. Як це відбувається? Ось звідки надходить кофермент тіаміну дифосфату.

А\(ThDP\)-dependent decarboxylation reaction (pyruvate decarboxylase):

Mechanism:

Upon binding to the enzyme's active site, \(ThDP\) quickly loses a proton. The nucleophilic ylide carbon then adds to the carbonyl carbon of pyruvate.

Look carefully at the intermediate that results from step 1 in the mechanism above. The thiazole ring of \(ThDP\), once it has added to the carbonyl of pyruvate, provides an 'electron sink' to absorb the electrons from decarboxylation (step 2). Note which bond is breaking in step 2 - as was mentioned earlier, the common function of \(ThDP\) is to make possible the cleavage of a bond to a carbonyl carbon.

In step 3, the electrons from decarboxylation flow back to abstract a proton from an acidic group in the active site. All that remains is for the product to break free of thiamine in step 4.

Thiamine can also assist in decarboxylation-addition reactions:

\(ThDP\)-dependent decarboxylation-addition:

Mechanism:

Here, the electron-rich intermediate formed from the decarboxylation step (step 2) simply goes on to act as a nucleophile rather than as a base, adding to the carbonyl group of an aldehyde or ketone (step 3). As before, the product breaks free of \(ThDP\) in step 4.

An example is the first step in the biosynthetic pathway for isoprenoid compounds in bacteria:

Транскетолаза,\(ThDP\) залежний фермент в пентозно-фосфатному шляху метаболізму цукру, каталізує етап розриву вуглецево-вуглецевого зв'язку з подальшим етапом формування вуглецево-вуглецевого зв'язку. Субстрати і продукти знаходяться на аналогічних енергетичних рівнях, тому реакція повністю оборотна.

Реакція транскетолази:

Механізм:

Нижче наведено фактичний приклад трансформації, каталізованої транскетолазою, з шляху пентози фосфату (показано в проекціях Фішера, як це характерно для цукрових структур).

Ксілулоза-5-фосфат і рибозо-5-фосфат реагують з THDP з отриманням гліцеральдегід-3-фосфату і седогептулози-7-фосфату.

Вправа Template:index

Як було сказано вище, реакція транскетолази має високу оборотність. Як ви думаєте, що те ж саме можна сказати про реакції декарбоксилювання та декарбоксилювання-додавання, які ми бачили в цьому розділі? Чому чи чому ні?

Вправа Template:index

(Виклик!) Запропонуйте механізм реакції нижче.

Підказка: Це\(ThDP\) полегшене декарбоксилювання/Michael додаток з подальшим\(E1cb\) ліквідацією пірувату. Додаток Майкла - це назва сполученого додавання з вуглецевим нуклеофілом. (Дж. мол. Біол. 2010, 401, 253).

Вправа Template:index

Запропонуйте механізм реакції нижче.

Підказка: Т механізм можна охарактеризувати як\(ThDP\) полегшений етап зневоднення, з подальшим етапом тавтомеризації, з подальшим гідролітичним вигнанням\(ThDP\) (інший вид\(ThDP\) вигнання з того, що ми бачили досі!)