Idi na sadržaj

Formilacija

S Wikipedije, slobodne enciklopedije
Formil funkcionalna grupa je prikazana plavom bojom.

Formilacija se odnosi na bilo koji hemijski proces u kojem je spoj funkcionaliziran formil grupom (-=O). U organskoj hemiji, termin se najčešće koristi u vezi sa aromatskim spojevima (naprimjer, konverzija benzena u benzaldehid u Gattermann-Kochovoj reakciji). U biohemiji reakciju kataliziraju enzimi kao što su formiltransferaze. Formilacija općenito uključuje upotrebu formilacijskih sredstava, reagensa koji dovode do CHO grupe. Među mnogim formilacijskim reagensima, posebno su važni mravlja kiselina i ugljik-monoksid.[1] Reakcija formilacije u organskoj hemiji odnosi se na organske reakcije u kojima je organski spoj funkcionaliziran formil grupom (-CH=O). Reakcija je put do aldehida (C-CH=O), formamid a (N-CH=O) i format esteri (O-CH=O).

Formilacijski agensi

[uredi | uredi izvor]

Reagens koji isporučuje formil grupu naziva se formilacijski agens.[2]

Posebno važan proces formilacije je hidroformilacija, koja pretvara alkene u homologirani aldehid.

Aromatska formilacija

[uredi | uredi izvor]

Reakcije formilacije su oblik elektrofilne aromatične supstitucije i stoga najbolje funkcionišu sa početnim materijalima bogatim elektronima. Fenoli su uobičajeni supstrati, jer lahko deprotoniraju u odlične fenoksidne nukleofile. Može se očekivati ​​da će reagovati i drugi supstrati bogati elektronima, kao što su mesitilen, pirol ili spojeni aromatski prstenovi. Benzen će reagovati pod agresivnim uslovima, ali deaktivirane prstenove kao što je piridin je teško efikasno formilovati. Mnoge reakcije formilacije će odabrati samo orto produkt (npr. salicilaldehid, što se pripisuje privlačenju između fenoksida i formilacionog reagensa. Jonske interakcije su primenjene za kationske centre dušika u Vilsmeier-Haack reakciji i Duffovoj reakciji, i za elektron-deficitarni karben u Reimer-Tiemann reakciji; koordinacija s metalima visoke oksidacije primijenjena je u Casiraghijevoj i Riecheovom formiliranju (usp. Kolbe-Schmittova reakcija). Direktna reakcija između fenola i paraformaldehida moguća je putem Casiraghijevog formiliranja,[4] ali druge metode primjenjuju maskirane oblike formaldehida, dijelom kako bi se ograničilo stvaranje fenol formaldehidne smole]. Aldehidi su snažno deaktivirajući i kao takvi fenoli obično reaguju samo jednom. Međutim, određene reakcije, kao što je Duffova reakcija, mogu dati dvostruku adiciju.[5] Formilacija se može primijeniti i na druge aromatične prstenove. Budući da uglavnom počinje nukleofilnim napadom aromatske grupe, gustoća elektrona u prstenu je važan faktor. Poznato je da neki aromatski spojevi, poput pirola, regioselektivno formiliraju.[6] Formilacija benzenskih prstenova može se postići putem Gattermannove reakcije i Gattermann-Kochove reakcije. One uključuju katalizu jakom kiselinom i odvijaju se na način sličan Friedel-Craftsovoj reakciji.

Alifatska formilacija

[uredi | uredi izvor]

Hidroformilacija alkena je najvažnija metoda za dobijanje alifatskih formila (tj. aldehida). Reakcija je uglavnom ograničena na industrijska okruženja. Postoji nekoliko specijalizovanih metoda za sintezu u laboratorijskim uslovima, uključujući Sommeletovu reakciju, Bouveaultovu sintezu aldehida ili Bodroux-Chichibabinovu sintezu aldehida.

Reakcije formilacije u biologiji

[uredi | uredi izvor]

U biohemiji, dodavanje formil funkcionalne grupe se naziva "formilacija". Formil funkcionalna grupa se sastoji od karbonila vezanog za vodonik. Kada je vezana za R grupu bočnog lanca, formil grupa se naziva aldehid. Formilacija je identifikovana u nekoliko kritičnih bioloških procesa. Za metionin su prvi put otkrili da se formiluje u E. coli od strane Marckera i Sangera 1964. godine.[7] a kasnije je utvrđeno da je uključen u inicijaciju sinteze proteina u bakterijama i organelama.[8] Formiranje N-formilmetionina katalizira enzim metionil-tRNKMet transformilaza.[9] Pored toga, u de novo biosintezi purina javljaju se dvije reakcije formilacije. Ove reakcije kataliziraju enzimi glicinamid ribonukleotid (GAR) transformilaza i 5-aminoimidazol-4-karboksiamid ribotid (AICAR) transformilaza.[10] Nedavno je otkriveno da je formilacija modifikacija histona, koja može modulirati ekspresiju gena.

Metanogeneza

[uredi | uredi izvor]
Ciklus za metanogenezu, koji pokazuje početnu formilaciju metanofurana [11]

Formilacija metanofurana pokreće ciklus metanogeneze. Formil grupa nastaje iz ugljen-dioksida i pretvara se u metan.

Formilacija u sintezi proteina

[uredi | uredi izvor]
Metionil tRNKfMet transformilaza u kompleksu s inicijatorom formilmetionil tRNKfMet. Renderirano iz PDB 2FMT.

Kod bakterija i organela, početak sinteze proteina signaliziran je formiranjem formil-metionil-tRNK (tRNKfMet). Ova reakcija zavisi od 10-formiltetrahidrofolata i enzima metionil-tRNK formiltransferaze.[9] Ovu reakciju ne koriste eukarioti ili arheje, jer se prisustvo tRNKfMet u nebakterijskim ćelijama naziva intruzivnim materijalom i brzo se eliminira. Nakon svoje proizvodnje, tRNKfMet se dostavlja do 30S podjedinice ribosoma kako bi započela sintezu proteina. fMet posjeduje istu sekvencu kodona kao i metionin. Međutim, fMet se koristi samo za inicijaciju sinteze proteina i stoga se nalazi samo na N-kraju proteina. Metionin se koristi tokom translacije ostatka. U E. coli, tRNAfMet je specifično prepoznata od strane Inicijacijskog faktora IF-2, jer formil grupa blokira formiranje peptidne veze na N-kraju metionina.[9] Nakon što je sinteza proteina završena, formil grupa na metioninu može se ukloniti pomoću peptid deformilaze. Ostatak metionina može se dalje ukloniti pomoću enzima metionin aminopeptidaza.

Hemijsku sintezu N-formilmetionina katalizira enzim metionil-tRNK formiltransferaza.

Reakcije formilacije u biosintezi purina

[uredi | uredi izvor]

Dvije reakcije formilacije su potrebne u jedanaestostepenoj de novo sintezi inozin monofosfata (IMP), prekursora purinskih ribonukleotida AMP i GMP. glicinamid ribonukleotid (GAR) transformilaza katalizira formilaciju GAR-a u formilglicinamidin ribotid (FGAR) u četvrtoj reakciji puta. U pretposljednjem koraku de novo biosinteze purina, 5-aminoimidazol-4-karboksiamid ribotid (AICAR) formilira se u 5-formaminoimidazol-4-karboksamid ribotid (FAICAR) pomoću AICAR transformilaze.[10]

GAR transformilaza

[uredi | uredi izvor]

PurN GAR transformilaza se nalazi u eukariotima i prokariotima. Međutim, druga GAR transformilaza, PurT GAR transformilaza, identificirana je u E. coli. Iako dva enzima nemaju očuvanu sekvencu i zahtijevaju različite formil donore, specifična aktivnost i Km za GAR su isti i u PurT i u PurN GAR transformilazi.

PurN GAR transformilaza
[uredi | uredi izvor]

PurN GAR transformilaza 1CDE koristi koenzim N10-formiltetrahidrofolat (N10-formil-THF) kao formil donor za formilaciju α-amino grupe GAR-a. U eukariotima, PurN GAR transformilaza je dio velikog multifunkcionalnog proteina, ali se nalazi kao jedan protein u prokariotima.[12]

Mehanizam
[uredi | uredi izvor]

[[Slija:GAR transformylase active site with folate based inhibitor.png|thumbnail| Aktivno mjesto PurN GAR-a transformirano je u kompleksu s inhibitorom na bazi folata 5-deaza-5,6,7,8-tetrahidrofolatom (5dTHF). α-amino grupa GAR-a (ružičasta) nalazi se u položaju koji bi napao N10-formatnu grupu na inhibitoru na bazi folata (žuta). Asn 106, His 108 i Asp 144 su obojeni zeleno. Renderirano iz PDB 1CDE.]] Pretpostavlja se da se reakcija formilacije odvija direktnom reakcijom prijenosa u kojoj amino grupa GAR-a nukleofilno napada N10-formil-THF, stvarajući tetraedarski međuprodukt.[10] Budući da je α-amino grupa GAR-a relativno reaktivna, pretpostavlja se da se deprotonacija nukleofila događa pomoću rastvarača. U aktivnom mjestu, Asn 106, His 108 i Asp 144 su pozicionirani tako da pomažu u transferu formila.[12] Međutim, studije mutageneze pokazale su da ovi ostaci nisu pojedinačno neophodni za katalizu, jer samo mutacije dva ili više ostataka inhibiraju enzim. Na osnovu strukture, vjeruje se da negativno nabijeni Asp144 povećava pKa His108, omogućavajući protoniranoj imidazolijskoj grupi His108 da pojača elektrofilnost N10-formil-THF formil grupe. Pored toga, vjeruje se da His108 i Asn106 stabilizuju oksianion formiran u prelaznom stanju.[13]

Mehanizam PurN GAR transformilaze
PurT GAR transformilaza
[uredi | uredi izvor]

PurT GAR transformilaza zahtijeva format kao donor formila i ATP za katalizu. Procijenjeno je da PurT GAR transformilaza provodi 14-50% GAR formilacija u E. coli. Enzim je član ATP-hvatanja natporodice proteina.[14]

Mehanizam
[uredi | uredi izvor]

Za PurT GAR transformilazu predložen je sekvencijalni mehanizam u kojem se pretpostavlja da se prvo formira kratkotrajni formil fosfatni međuprodukt. Ovaj formil fosfatni međuprodukt zatim podliježe nukleofilnom napadu GAR amina radi prijenosa formil grupe. Formil fosfatni međuprodukt je otkriven u eksperimentima mutageneze, u kojima je mutant PurT GAR transforimilaza imao slab afinitet za format.[12] Inkubacija PurT GAR transformilaze sa formil fosfatom, ADP-om i GAR-om daje i ATP i FGAR. Ovo dodatno ukazuje na to da bi formil fosfat mogao biti međuprodukt, jer je kinetički i hemijski kompetentan za provođenje reakcije formilacije u enzimu.[15] Također je predloženo da se formira enzimski fosfatni međuprodukt koji prethodi formilfosfatnom međuproduktu, na osnovu studija pozicijske izmjene izotopa.[15] Međutim, strukturni podaci ukazuju na to da format može biti pozicioniran za direktan napad na γ-fosfat ATP-a u aktivnom mjestu enzima kako bi se formirao formilfosfatni međuprodukt.[14]

Reakcija katalizirana PurT GAR transformilazom

AICAR transformilaza

[uredi | uredi izvor]

AICAR transformilaza zahtijeva koenzim N10-formiltetrahidrofolat (N10-formil-THF) kao donor formila za formilaciju AICAR-a u FAICAR. Međutim, AICAR transformilaza i GAR transformilaza ne dijele visoku sličnost sekvenci ili strukturnu homologiju.[13]

Mehanizam
[uredi | uredi izvor]
1M9N aktivno mjesto AICAR transformilaze. Lys267 (cijan), His268 (ljubičasta), AICAR (zelena). Renderirano iz PDB 1M9N.

Amin na AICAR-u je mnogo manje nukleofilan od svog pandana na GAR-u zbog delokalizacije elektrona u AICAR-u putem konjugacije. Stoga, N5 nukleofil AIRCAR-a mora biti aktiviran da bi se dogodila reakcija formilacije. Utvrđeno je da su histidin 268 i lizin 267 esencijalni za katalizu i konzervirani su u svim AICAR transformilazama. Histidin 268 je uključen u deprotonaciju N5 nukleofila AICAR-a, dok se pretpostavlja da lizin 267 stabilizira tetraedarski međuprodukt.[13]

Mehanizam kataliziran AICAR transformilazom

Formilacija u histonskim proteinima

[uredi | uredi izvor]
Formilacija je posttranslacijska modifikacija koja se javlja na lizinskim ostacima.

ε-Formilacija je jedna od mnogih posttranslacijskih modifikacija koje se javljaju na histonskim proteinima, za koje je dokazano da moduliraju konformacije hromatin ai aktivaciju gena.

Formilacija lizina može se takmičiti s acetilacijom kao posttranslacijska modifikacija.

Formilacija je identificirana na Nε lizinskih ostataka u histonima i proteinima. Ova modifikacija je uočena u linker histonima i proteinima grupe visoke mobilnosti, vrlo je zastupljena i vjeruje se da ima ulogu u epigenetici funkcije hromatina. Pokazalo se da lizini koji su formilirani igraju ulogu u vezivanju DNK. Osim toga, formilacija je otkrivena na histonskim lizinima za koje se također zna da su acetilirani i metilirani. Dakle, formilacija može blokirati druge posttranslacijske modifikacije.[16] Formilacija se najčešće detektira na 19 različitih mjesta modifikacije na histonu H1. Genetička ekspresija ćelije je u velikoj mjeri poremećena formilacijom, što može uzrokovati bolesti poput raka. Razvoj ovih modifikacija može biti posljedica oksidativnog stresa.[16] U histonskim proteinima, lizin se obično modificira histonskim acetil-transferazama (HAT) i histonskim deacetilazama (HDAC ili KDAC). Acetilacija lizina je fundamentalna za regulaciju i ekspresiju određenih gena. Oksidativni stres stvara značajno drugačije okruženje u kojem acetil-lizin može biti brzo nadmašen formiranjem formil-lizina zbog visoke reaktivnosti formilfosfatnih vrsta. Trenutno se vjeruje da je ova situacija uzrokovana oksidativnim oštećenjem DNK.

Predložen je mehanizam za formiranje formilfosfata koji u velikoj mjeri zavisi od oksidativno oštećene DNK i uglavnom je vođen radikalnom hemijom unutar ćelije.[17] Dobijeni formilfosfat se zatim može koristiti za formilaciju lizina. Vjeruje se da oksidativni stres ima ulogu u dostupnosti ostataka lizina na površini proteina i mogućnosti njihovog formiliranja.

Formil fosfat je predloženi produkt oksidativnog oštećenja DNK.

Formilacija u medicini

[uredi | uredi izvor]

Reakcije formilacije kao meta lijekova

[uredi | uredi izvor]
Hemijska struktura lometreksola

Inhibicija enzima uključenih u biosintezu purina iskorištena je kao potencijalna meta lijeka za hemoterapiju. Ćelijama raka potrebne su visoke koncentracije purina kako bi se olakšala dioba i imaju tendenciju da se oslanjaju na de novo sintezu, a ne na putem spašavanja nukleotida.[13][18] Razvijeno je nekoliko inhibitora na bazi folata koji inhibiraju reakcije formilacije putem GAR transformilaze i AICAR transformilaze.[19] Prvi inhibitor GAR transformilaze, Lometreksol [(6R)5,10-metilentetrahidrofolat], razvijen je 1980-ih godina saradnjom između Eli Lilly i akademskih laboratorija.[20] Iako je po strukturi sličan N10-formil-THF-u, lometreksol nije sposoban za izvođenje reakcija prijenosa jednog ugljika.[19] Pored toga, sintetizirano je i nekoliko inhibitora GAR transformilaze baziranih na GAR-u.[19] Razvoj inhibitora na bazi folata pokazao se posebno izazovnim jer inhibitori također smanjuju aktivnost enzima folipoliglutamat sintaze, koji dodaje dodatne γ-glutamate monoglutamat folatima i antifolatima, nakon ulaska u ćeliju radi povećanog afiniteta enzima. Ovaj povećani afinitet može dovesti do rezistencije na antifolat.[18]

Leighov sindrom

[uredi | uredi izvor]

Leighov sindrom je neurodegenerativni poremećaj koji je povezan s defektom u enzimskoj reakciji formilacije. Leighov sindrom je obično povezan s defektima u oksidativnoj fosforilaciji, koja se javlja u mitohondrijama.[21] Sekvenciranje egzoma korišteno je za identifikaciju mutacije u genu koji kodira mitohondrijsku metionil-tRNK formiltransferazu (MTFMT) kod pacijenata sa Leighovim sindromom. Vjeruje se da mutacija c.626C>T identificirana kod MTFMT-a, koja uzrokuje simptome Leighovog sindroma, mijenja spajanje egzona, što dovodi do mutacije pomjeranja okvira čitanja i preranog stop kodona. Utvrđeno je da osobe s mutacijom MTFMT c.626C>T imaju smanjene nivoe fMet-tRNAMet i promjene u nivou formilacije mitohondrijski translatiranog COX1. Ova veza pruža dokaze o neophodnosti formiliranog metionina u inicijaciji ekspresije određenih mitohondrijskih gena.[22]

Također pogledajte

[uredi | uredi izvor]

Reference

[uredi | uredi izvor]
  1. ↑ Olah, George A.; Ohannesian, Lena.; Arvanaghi, Massoud. (1987). "Formylating agents". Chemical Reviews. 87 (4): 671–686. doi:10.1021/cr00080a001.
  2. ↑ George Olah, G. A.; Ohannesian, L.; Arvanaghi, M. (1987). "Formylating agents". Chem. Rev. 87 (4): 671–686. doi:10.1021/cr00080a001.
  3. ↑ Ding, S.; Jiao, N. (2012). "N,N-Dimethylformamide: A Multipurpose Building Block". Angew. Chem. Int. Ed. 51 (37): 9226–9237. doi:10.1002/anie.201200859. PMID 22930476.
  4. ↑ Casiraghi, Giovanni; Casnati, Giuseppe; Puglia, Giuseppe; Sartori, Giovanni; Terenghi, Giuliana (1980). "Selective reactions between phenols and formaldehyde. A novel route to salicylaldehydes". Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions 1: 1862. doi:10.1039/P19800001862.
  5. ↑ Lindoy, Leonard F. (juli 1998). "Mono- and Diformylation of 4-Substituted Phenols: A New Application of the Duff Reaction". Synthesis. 1998 (7): 1029–1032. doi:10.1055/s-1998-2110.
  6. ↑ Warashina, Takuya; Matsuura, Daisuke; Sengoku, Tetsuya; Takahashi, Masaki; Yoda, Hidemi; Kimura, Yoshikazu (16. 10. 2018). "Regioselective Formylation of Pyrrole-2-Carboxylate: Crystalline Vilsmeier Reagent vs Dichloromethyl Alkyl Ether". Organic Process Research & Development. 23 (4): 614–618. doi:10.1021/acs.oprd.8b00233. S2CID 106209464.
  7. ↑ Marcker, K; Sanger, F. (1964). "N-formyl-methionyl-S-RNA". J. Mol. Biol. 8 (6): 835–840. doi:10.1016/S0022-2836(64)80164-9. PMID 14187409.
  8. ↑ Adams, J.M.; Capecchi, M.R. (1966). "N-Formylmethionyl-sRNA as the initiator of protein synthesis". PNAS. 55 (1): 147–155. Bibcode:1966PNAS...55..147A. doi:10.1073/pnas.55.1.147. PMC 285768. PMID 5328638.
  9. 1 2 3 Kozak, M (1983). "Comparison of Initiation of Protein synthesis in Procaryotes, Eucaryotes, and Organelles". Microbiological Reviews. 47 (1): 1–45. doi:10.1128/MMBR.47.1.1-45.1983. PMC 281560. PMID 6343825.
  10. 1 2 3 Voet and Voet (2008). Fundamentals of Biochemistry 3rd edition. New York: Wiley.
  11. ↑ Thauer, R. K. (1998). "Biochemistry of Methanogenesis: a Tribute to Marjory Stephenson". Microbiology. 144: 2377–2406. doi:10.1099/00221287-144-9-2377. PMID 9782487.
  12. 1 2 3 Warren, M.S.; K.M. Mattia; A.E. Marolewski; S.J. Benkovic (1996). "The transformylase enzymes of de novo purine biosynthesis" (PDF). Pure Appl. Chem. 68 (11): 2029–2036. doi:10.1351/pac199668112029. S2CID 39555269. Pristupljeno 24. 2. 2013.
  13. 1 2 3 4 Wolan, D; Greasley, S.E.; Beardsley, P.; Wilson, I.A. (2002). "Structural Insights into the Avian AICAR Transformylase Mechanism". Biochemistry. 41 (52): 15505–15513. doi:10.1021/bi020505x. PMID 12501179.
  14. 1 2 Thoden, J.B.; Firestine, S.; Nixon, A.; Benkovic, S.J.; Holden, H.M (2000). "Molecular Structure of Escherichia coli PurT-Encoded Glycinamide Ribonucleotide Transformylase". Biochemistry. 39 (30): 8791–8802. doi:10.1021/bi000926j. PMID 10913290.
  15. 1 2 Marolewski, A.E.; Mattia, K.M.; Warren, M.S.; Benkovic, S.J. (1997). "Formyl phosphate: a proposed intermediate in the reaction catalyzed by Escherichia coli PurT GAR transformylase". Biochemistry. 36 (22): 6709–6716. doi:10.1021/bi962961p. PMID 9184151.
  16. 1 2 Wisniewski, J.R.; Zougman, A.; Mann, M. (2002). "N-Formylation of lysine is a widespread post-translational modification of nuclear proteins occurring at residues involved in regulation of chromatin function". Nucleic Acids Research. 36 (2): 570–577. doi:10.1093/nar/gkm1057. PMC 2241850. PMID 18056081.
  17. ↑ Jiang, T; Zhou, X.; Taghizadeh, K.; Dong, M.; Dedon, PC. (2007). "N-formylation of lysine in histone proteins as a secondary modification arising from oxidative DNA damage". PNAS. 104 (1): 60–65. Bibcode:2007PNAS..104...60J. doi:10.1073/pnas.0606775103. PMC 1765477. PMID 17190813.
  18. 1 2 DeMartino, J.K.; Hwang, I.; Xu, L.; Wilson, I.A.; Boger, D.L. (2006). "Discovery of a Potent, Nonpolyglutamatable Inhibitor of Glycinamide Ribonucleotide Transformylase". Journal of Medicinal Chemistry. 49 (10): 2998–3002. doi:10.1021/jm0601147. PMC 2531195. PMID 16686541.
  19. 1 2 3 Christopherson, R.I.; Lyons, S.D.; Wilson, P.K (2002). "Inhibitors of de Novo Nucleotide Biosynthesis as Drugs". Acc. Chem. Res. 35 (11): 961–971. doi:10.1021/ar0000509. PMID 12437321.
  20. ↑ Wang, L; Desmoulin, S.K.; Cherian, C.; Polin, L.; White, K.; Kushner, J.; Fulterer, A.; Chang, M.; Mitchell, S.; Stout, M.; Romero, M.F.; Hou, Z.; Matherly, L.H.; Gangjee, A (2011). "Synthesis, biological and antitumor activity of a highly potent 6-substituted pyrrolo[2,3-d]pyrimidine thienoyl antifolate inhibitor with proton-coupled folate transporter and folate receptor selectivity over the reduced folate carrier that inhibits β-glycinamide ribonucleotide formyltransferase". Journal of Medicinal Chemistry. 54 (20): 7150–7164. doi:10.1021/jm200739e. PMC 3209708. PMID 21879757.
  21. ↑ "Leigh Syndrome". Online Mendelian Inheritance in Man. Pristupljeno 24. 2. 2013.
  22. ↑ Tucker EJ, Hershman SG, Köhrer C, Belcher-Timme CA, Patel J, Goldberger OA, Christodoulou J, Silberstein JM, McKenzie M, Ryan MT, Compton AG, Jaffe JD, Carr SA, Calvo SE, RajBhandary UL, Thorburn DR, Mootha VK (2011). "Mutations in MTFMT underlie a human disorder of formylation causing impaired mitochondrial translation". Cell Metab. 14 (3): 428–434. doi:10.1016/j.cmet.2011.07.010. PMC 3486727. PMID 21907147.

Šablon:Posttranslacijska modifikacija proteina

Preuzeto iz "https://bs.wikipedia.org/w/index.php?title=Formilacija&oldid=3771556"