bch3 - Бутлеровские сообщения

Полная исследовательская публикация _____________________
Регистрационный код публикации: bch3
УДК 661.727.1+661.8+661.715. Поступила в редакцию 24 сентября 2003 г.
Тематический раздел: Теоретическая и компьютерная химия.
Подраздел: Биохимия.
ПОЛИФОСФАТ-ФОРМАЛЬДЕГИД-УГЛЕВОДНАЯ МОДЕЛЬ
ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКОГО АСИММЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА
Племенков Виталий Владимирович
Кафедра общей и органической химии. Казанский государственный медицинский университет им. С.В. Курашова.
Ул. Бутлерова, 49. г. Казань 420012. Россия. Тел.: (8432) 389-744. Факс: (8432) 360-393. E-mail: [email protected]
Ключевые слова: формальдегид, соли Курролля, полифосфат, гидроксиальдегиды, серин, глицин, предбиологический синтез.
Резюме
В работе исследуется проблема первичного энантио-селективного синтеза. Предполагается, что энантио-селективное образование
первозданных биоорганических молекул могло контролироваться неорганическим фосфатом. Приводится принципиальная схема
предбиологического синтеза углеводной молекулы, первой стадией которого является взаимодействие молекулы формальдегида с
полифосфатной системой. В рамках этой схемы показана возможность первичного образования глицериновой кислоты, серина, глицина, серии
α-аминокислот.
Сделан вывод, что органическая жизнь на нашей планете начала формироваться вместе с самой планетой.
Результаты и дискуссия
Хорошо известно и понятно, что формированию простейших биологических систем предшествует синтез простых
фундаментальных биоорганических молекул, аминокислот и моносахаров, которые должны быть исполнены для этой цели в
энантио-индивидуальной форме. Также хорошо известно, что эти две биоорганические субстанции в биологические системы
входят только в виде L-аминокислот (АК) и D-моносахаров (МС) - периодически обнаруживаемые в природных источниках АК
и МС обратных конфигураций являются уже продуктами последующих метаболических процессов, изомеризаций.
Схема 1.
COOH
NH2
COOH
H
R
L - AK
CHO
H
OH
R'
H2N
C
H
R
L - AK
D - MC
CHO
H
C
OH
R'
D - MC
С первозданным возникновением этих молекул связаны три проблемы:
1) как связаны АК и МС между собой,
2) что из них первично,
3) способ формирования их в энантио-индивидуальных формах.
Ответы на эти вопросы лежат в далёком прошлом нашей планеты, куда мы уже не заглянем; смоделировать лабораторно
процессы их синтеза в соответствии с гипотетическими моделями тоже малодостоверно, так как мы не знаем условий, в
которых они формировались. Но поскольку “преступление” состоялось - следы должны остаться и делу должно помочь
следствие.
На вопрос о первозданной приоритетности класса соединений отвечает совремённый процесс их биосинтеза - всё-таки
он начинается с фотосинтеза; и если даже совремённая схема образования углеводов не та, что была вначале, мало вероятно
чтобы она была обратной, чтобы Природа пошла по пути инверсии биосинтетических путей, то есть создать схему АК→МС и
сменить её на обратную МС→АК. Это слишком не рационально и равносильно прохождению всего процесса через нулевую
точку.
Взаимосвязь АК L-конфигурации и МС D-ряда видится вполне естественной, поскольку они могут быть превращены
друг в друга достаточно простыми реакциями синхронного нуклеофильного замещения по механизму SN2, а последний всегда
сопровождается инверсией конфигураций молекул, так называемым Вальденовским обращением.
Племенков Виталий Владимирович – профессор кафедры общей и органической химии Казанского
государственного медицинского университета (КГМУ), член редакционной коллегии информационнонаучного периодического издания «Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения».
Кафедральный телефон: (8432) 389-744; Факс: (8432) 360-393; Е-mail: [email protected]
Область научных интересов: Химия природных соединений терпенового ряда. Электронное и
пространственное строение карбоциклических соединений – малые циклы, терпены. Стереохимия
реакций циклоприсоединений по Дильсу-Альдеру. Фотоэлектронная спектроскопия, молекулярные
орбитали. 1994-2003 – имел гранты INTAS. 1998 – грант INCO-COPERNICUS. Обе программы
выполнялись и выполняются совместно с исследовательскими коллективами МГУ (Москва), БГУ
(Минск), Бангорский университет (Англия), Гёттингенский университет (Германия). Узловым
направлением исследований является разработка методов функционализации терпеноидов с целью
получения новых типов биологически активных субстанций. Проблема включает в себя вопросы
фитохимии, реакционной способности природных соединений, их пространственности и электронного
строения, механизма действия.
Научные публикации: более 150 научных публикаций в Российской и зарубежной печати.
Педагогическая деятельность: Разработаны и читаются лекционые курсы биоорганической химии (для студентов-медиков), молекулярные
орбитали органических соединений, химия природных соединений.
Племенковым В.В. подготовлено 15 кандидатов наук.
42 _______
Ул. К. Маркса, 68. 420015 Казань. Татарстан. Россия.
_______ ©
Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2003. № 2.
ПОЛИФОСФАТ-ФОРМАЛЬДЕГИД-УГЛЕВОДНАЯ МОДЕЛЬ ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКОГО АСИММЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА _______________________
Схема 2.
OHC
OH
C
NH3
H2 N
- H2O, [O]
COOH
C
R
H
H
R
42-45
L - AK
D - MC
Проблема первичного абсолютного энантио-селективного синтеза этих молекул выглядит наиболее открытой. Если
вначале образовалась рацемическая смесь, что наиболее просто, то непонятно каким способом проходило “уничтожение”
одного из энантиомеров - для этого требуется какой-то асимметрический энантио-селективный фактор, физический или
химический. Всеми экспериментами показано, что физические факторы (поляризованный свет, магнитное поле) дают очень
маленький энантиомерный избыток одного из оптических изомеров [1]; а если эта выборка проходила химическим путём, а это
наиболее мыслимо, то всё равно необходим энантио-индивидуальный реагент, то есть решение вопроса возвращается в
исходное состояние.
Но в тоже время, результаты многочисленных исследований асимметрического синтеза в лабораторных условиях
показали, что энантио-селективность, близкая к абсолютной, имеет место в случае возникновения нового асимметрического
центра в уже хиральной молекуле, либо при использовании хиральных катализаторов, тесно взаимодействующих с реагентами
в ходе реакции, вплоть до образования интермедиатов.
Таким образом, образование любой органической энантио-индивидуальной молекулы должно контролироваться уже
готовой, другой, энантио-индивидуальной молекулой, системой. Что бы это могло быть? Во-первых, вполне очевидно, что
органическому миру предшествовало образование неорганических субстанций различной степени сложности, а среди
последних известно немало асимметрических структур, как правило кристаллических. Найти ту решающую неорганическую
структуру, которая могла привести к хиральной биоорганической молекуле одной конфигурации, помогает простое
предположение о том, что она, эта неорганическая система, не могла не оставить "следов” своих деяний. И этот след, скорее
всего, следует искать в современных фундаментальных биосинтетических схемах в виде соответствующих неорганических
производных.
Анализ биохимии углеводов, аминокислот, липидов, изопреноидов и других классов природных соединений
обнаруживает глобальное участие фосфатных фрагментов в виде эфиров моно-, ди- и полифосфатов исходных субстанций,
промежуточных продуктов и интермедиатов, ферментов (схема 3) [2].
Отсюда мы можем предположить, что энантио-селективное образование первозданных биоорганических молекул может
контролироваться неорганическим фосфатом способным к существованию в хиральной структуре. Такому условию отвечают
некоторые полифосфаты, а именно, так называемые, соли Курролля состава (МРО3)n, кристаллизующиеся в виде нитевидных
спиралей [3]. Такие кристаллические структуры обладают, можно сказать, удвоенной хиральностью - атом фосфора, будучи
тетракоординорованым в фосфатах, создаёт асимметрический центр, и в тоже время, сама по себе, хиральна полимерная
спиральная структура (схема 4).
Схема 3.
O
O
O P O P OH
OH OH
CHO
OH
CH2-O-PO3H2
H
NH2
N
O
O
O
HO P O P O P O CH2
O
OH OH OH
N
N
O
N
P
П О Л И Ф О С Ф А Т
O
O O
O
P
O
O-
Ca
OH OH
Схема 4.
O
P
O
O
O
-
P
O O
O
O
O
O
-
NaO
O
P
KO
P
-
-
O-
P
O
-
O
O
O
P
-
O
HO
B
Nu
P
O
X
P
O
O
O
OH
OH
O
O-
A
∗
O
P
O
Теперь надо определить молекулу носителя углерода, ту молекулу, которая уже является органической, но столь
простая, что может существовать в различных условиях, в том числе и в самых первобытных, вплоть до космических. К тому
же, желательно, чтобы она была достаточно реакционноспособной. Таким требованиям отвечает только одно соединение,
формальдегид (но ни метан, ни диоксид углерода), которое обнаружено повсеместно в межзвёздном и около звёздном
пространстве [4].
Сопоставление химических возможностей этих двух субстанций, неорганического полифосфата и органического
формальдегида, обещает лёгкость их взаимодействия, поскольку обе являются бифильными, а, кроме того, полифосфат
обладает макроэргическими свойствами, что позволяет совершаться реакции без катализа и при низких температурах (схема 4).
А последнее условие необходимо для сохранения энантио-индивидуальности образуемого продукта.
© Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2003. №. 2.
_______________
E-mail: [email protected]
____________________ 43
Полная исследовательская публикация __________________________________________________ Племенков В.В.
Вопрос о продукте этой реакции можно считать экспериментально решённым, поскольку известна поликонденсация
формальдегида до смеси простейших углеводов, от глицеринового альдегида до пентоз и гексоз, в присутствии мягких
оснований и некоторых солей {Ca(OH)2, Ba(OH)2, NH4H2PO4, …} [5]. Но так как мы вовлекли в эту синтетическую схему
хиральный, и добавим теперь энантио-индивидуальный, реагент, а полифосфат в данном случае выступает скорее как реагент,
чем катализатор (а возможно и то и другое), то следует ожидать и энантио-индивидуального образования углеводов.
Принципиальная схема предбиологического синтеза углеводной молекулы может выглядеть следующим образом: а) на
первой стадии молекула формальдегида взаимодействует с полифосфатной системой внедряясь в её цепь, не нарушая её
спиральной структуры - имеет место фиксация органического структурного фрагмента С1; б) на следующем этапе происходит
образование первой углерод-углеродной связи, и соответственно фрагмента С2, реакцией второй молекулы формальдегида по
СН2 группе зафиксированной в полифосфатной цепи - результатом реакции является молекула гликолевого альдегида
включённого в полифосфатную спираль в виде ацеталя; в) на третьей стадии синтеза ещё одна молекула формальдегида
конденсируется с полифосфат-С2-фрагментом образуя фосфорилированное производное глицеринового альдегида, тем самым
формируя С3-фрагмент и первый асимметрический центр.
Схема 5.
-
P
O
O
O
P
O
O
-
O
HO
H2C
CH2
O
CH2
O
C
H2
B
O
P
O
P
O
P
O
B
CH2
O
CH
O
P
P
HO
CH2
*CH
O
P
O
P
B
HO
H2C
HC
HO
изомеризация
O
CH2
C
OH
O
P
CHO
H
OH
CH2OH
P
P
HOH2C
P
C
CH2OH
P
O
Теперь уместно посмотреть - какие же вещества, в принципе, могут быть образованы согласно схеме полифосфатформальдегид-углевод. Как мы уже видели, в результате первых этапов получены фосфаты гликолевого и глицеринового
альдегидов, но уже известно, что эти два гидроксиальдегида легко конденсируются до рибозы [6], и можно предположить, что в
полифосфатном исполнении этот моносахарид окажется ковалентно включённым в его спиральную структуру. Реакция редоксдиспропорционирования глицеринового альдегида приводит к глицериновой кислоте и глицерину, последний может быть
образован ещё и восстановлением дигидроксиацетона побочно образующегося на этапе формирования С3-полифосфата.
Глицериновая кислота, фосфат её, скорее всего, при пособничестве внутримолекулярного кислотного катализа, нуклеофильно
обменяет вторичный гидроксил на аминогруппу (аммиак в космическом газе есть всегда), образуя первую аминокислоту, серин.
По этой же схеме из гликолевого альдегида может быть получен глицин (схема 6).
Схема 6.
CH2=O
П О Л И Ф О С Ф А Т
CH2OH
CHO
CHO
CHOH
O
HOCH2 C CH2OH
CH2OH
H2N
CH2 COOH
H
HOCH2 C CH2OH
OH
∗
РИБОЗА
HO
CH2 CH COOH
OH
∗
HO CH2 CH COOH
NH2
На этом этапе серин становится ключевой молекулой - её гидроксильная группа, точнее – фосфатная, как более легко
уходящая, может быть нуклеофильно замещена на различные другие функционалы, образуя серию α-аминокислот,
протеиногенных в последствии, той же конфигурации (схема 7).
Заключение
Таким образом, мы пришли достаточно оптимальным путём к тому минимальному блоку фундаментальных
биоорганических молекул в энантиоселективном исполнении, которые уже могут формировать основные молекулярные
компоненты биологической клетки, примитивной конечно, не со всеми функциями живой системы, но, наверное, способной
развиваться далее, до того состояния, когда приобретёт способность к репликации.
44 __________________
http://chem.kstu.ru
________________
© Chemistry and Computational Simulation. Butlerov Communications. 2003. No. 2. 42.
ПОЛИФОСФАТ-ФОРМАЛЬДЕГИД-УГЛЕВОДНАЯ МОДЕЛЬ ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКОГО АСИММЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА _______________________
42-45
Схема 7.
CHO
2
H
CH2OH
OH
H
CH2OH
COOH
COOH
[NH3]
OH
H
CH2OH
OH
H
H2N
CH2OH
CH2OH
[H - ]
N
[HS - ]
COOH
H 2N
H
CH3
CN - (H2O)
H
CH2SH
COOH
COOH
COOH
H2N
N
H
H2N
H
CH2COOH
H 2N
H
N
H 2C
N
H
Во всей этой схеме остаётся пока нерешённым вопрос происхождения хиральной индивидуальности полифосфатной
спирали, поскольку все остальные асимметрические процессы завязаны на неё - она является хиральной матрицей
предбиологического синтеза.
Но некоторые факты, и связанные с ними рассуждения, могут приоткрыть занавес и над этой тайной - известно, что
большинство Галактик, Наша Галактика в том числе, являются спиральными, а потому все процессы формирования звёзд и
планет через стадии протозвёзд и протопланет внутри них из космической пыли и газа также будут связаны этим видом
движения.
В таком случае, если образующаяся макромолекула будет приобретать форму спирали, то это будет спираль одной
конфигурации.
В заключение напрашивается вывод, логично вытекающий из всего выше сказанного - органическая жизнь на нашей
планете начала формироваться вместе с самой планетой.
Литература
[1] M. Allalos, R. Babiano, P. Cintas, J. Jimenez, J.C. Palacios. Absolute Asymmetric Synthesis under Physical Fields. Facts and Fictions. Chem.Rev. 1998. Vol.98. No7.
P.2391-2404.
[2] Гудвин Т., Мерсер Э. «Введение в биохимию растений» 1986. Т.1-2. М.: Мир. 704с.
[3] Продан Е.А. «Фосфаты конденсированные». Химическая энциклопедия. 1998. Т.5. C. 127-129. М.: Большая Российская Энциклопедия. 783с.
[4] A.G.G.M .Ticlens, S.B. Charnley. Circumstellar and Interstellar Synthesis of Organic Molecules. Orig. Life and Evol. Biosph. 1997. Vol.27. No1-3. P.23-51.
[5] R. Krishnamurthy, S. Pitsch, Arrhenius. Mineral Induced Formation of Pentose-2,4-Bisphosphates. Orig. Life and Evol. Biosph. 1999.Vol.29. No2. P.139-152.
© Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2003. №. 2.
_______________
E-mail: [email protected]
____________________ 45