Реакции замещения у экзоциклических атомов кислорода и серы
•Преобладающей таутомерной формой урацила, гуанина, гипоксантина других аналогичных оснований (и их производных) является кетоформа. Поэтому предпочтительным местом атаки электрофильных агентов является обычно один из атомов азота гетероциклического кольца. Редкие компоненты тРНК, содержащие серу (4- тиоуридин и производные 2-тиоуридина), по своей электронной структуре аналогичны соответствующим кислородным соединениям.
92
Реакции замещения у экзоциклических атомов кислорода и серы
•В силу значительно больших размеров атома серы n-электроны связаны заметно слабее. Вследствие этого при сопряжении с гетероциклическим ядром на атоме серы возникает значительно больший отрицательный заряд, и он легче подвергается атаке электрофильных агентов, чем атомы азота гетероциклического ядра.
93
Реакции замещения у экзоциклического атома серы и азота в составе гетероцикла
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
NH |
|
|
|
|
AcO |
N |
O |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
O |
|
|
|
|
O |
O |
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
H3C |
CH3 |
|
|
|
|
|
CH2N2 |
|
|
|
S |
|
|
S |
CH3 |
|
|
CH3 |
|
|
N |
|
|
N |
|
|
|
AcO |
N |
O |
AcO |
N |
O |
|
|
||||
|
O |
|
|
O |
|
O |
O |
|
O |
O |
|
|
C |
|
|
C |
|
H3C |
CH3 |
|
H3C |
CH3 |
|
94
Введение фотоактивируемых групп в молекулы НК с привлечением алкилирующих реагентов (А)
A |
Б |
РНК-полимераза
ДНК
pppA, pppG, pppC, pppUS
O
N3 CCH2Br
O
N3 CCH2
S |
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
NH |
|
|
HN |
|
CH2NH2 |
|
РНК-полимераза |
||
|
|
|
|
|
|
||||
N |
O |
O |
|
N |
|
|
|
|
ДНК |
|
|
|
|
|
CH2NH2 |
||||
|
|
|
|
|
|
pppA, pppG, pppC, pppU |
|||
мРНК |
|
|
|
мРНК |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
CF3 |
|
O |
O |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
CO N |
||
|
|
|
|
|
N |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
O |
|
|
O |
|
CF3 N |
|
|
|
|
|
|
CH2NH |
|
||
N |
|
|
HN |
|
|
C |
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N
O O
N
мРНК |
мРНК |
95
ДЛЯ ЧЕГО НУЖНЫ РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ.
Создание реагентов для биоортогональных реакций
96
БИООРТОГОНАЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ
Химические реакции, которые способны протекать внутри живых систем, не мешая естественным биохимическим процессам. Функциональные группы, участвующие в биоортогональных реакциях, как правило, не встречаются в биомолекулах, быстро и селективно реагируют друг с другом в условиях живой клетки и при этом являются инертными по отношению к другим соединениям, которые присутствуют в организме. Термин был предложен Каролин Бертоцци в 2003 году. Название реакций основано на переносном значении слова «ортогональный», т.е. независимый от чего-либо, и обозначает взаимную независимость протекания искусственных и естественных процессов.
97
БИООРТОГОНАЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ
• Несмотря на то, что в области органической химии открыто, изучено и описано большое множество химических реакций, практически ни одна из них не может быть проведена в клетке или в организме так, чтобы затронуть лишь интересующее исследователя соединение (белок, ДНК, метаболит и др.). Так происходит потому, что биомолекулы содержат большое количество весьма похожих по реакционной способности функциональных групп (преимущественно нуклеофильных), и реакция, в которую вступает изучаемое соединение, неизбежно затронет и другие молекулы. Содержащие подобные функциональные группы, что может не только не соответствовать задачам исследования, но и нарушать естественную работу клетки, делая невозможным ее изучение. В то же время проведение реакций внутри клетки является полезным инструментом исследования, поскольку позволяет помечать исследуемые биомолекулы флуоресцентными, аффинными и масс- спектрометрическими метками, которые в дальнейшем позволят наблюдать эти биомолекулы соотвествующими методами исследования, например, при помощи флуоресцентного микроскопа. Биоортгональные реакции призваны заполнить этот пробел, поскольку они являются абсолютно чуждыми клетке, протекают между искусственно вводимыми
группами и мало влияют на работу клетки.
98
БИООРТОГОНАЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ. УСЛОВИЯ БИООРТОГОНАЛЬНОСТИ
•В идеальном случае биоортогональная реакция должна соответствовать следующим частным условиям:
•1. Селективность. Реакция должна протекать селективно между функциональными группами во избежание побочных процессов с участием биологических соединений.
•2. Биологическая инертность. Реагирующие группы и образующаяся связь не должны в какой-либо мере обладать реакционной способностью, способной нарушить естественные процессы, протекающие в изучаемом организме.
•3. Химическая инертность. Образующаяся ковалентная связь должна быть прочной и инертной по отношению к среде протекания процессов.
•4. Высокая скорость. Реакция должна быть быстрой, чтобы модификация наступила до расщепления или выведения метки из организма. Благодаря малому времени отклика быстрые реакции могут быть использованы для точного слежения за динамическими процессами в режиме реального времени.
•5.Биосовместимость. Реакция должна быть нетоксичной и протекать в биологических условиях, т.е. при определенном рН, температуре и в водной среде.
•6. Доступная модификация субстрата. В идеальном случае биоортогональная функциональная группа должна вводиться в биомолекулу в ходе метаболизма. Функциональная группа должна быть небольшого размера и не нарушать нативное состояние биомоекулы.
99
А сколько биоорганику реакций нужно?
100
•Природа собирает все из молекул, как из конструктора «Лего». Мы тоже пытаемся пользоваться таким подходом для поиска функциональных соединений в химии. Но природа живет по своим законам, у нее свои отработанные методы и инструменты, к примеру, есть молекулы АТР, которые производят энергию. А у нас нет. Значит, мы должны делать свой конструктор каким-то другим образом. Смотрите, что происходит: мы придумываем антибиотик, чтобы бороться с бактерией, а бактерия тут же эволюционным образом находит метод выживания и обходит антибиотик. Пока мы придумываем другой антибиотик, мы просто проигрываем природе по скорости. Соответственно, мы должны работать параллельно и производить наши молекулы своими методами с такой же скоростью или еще быстрее, чтобы находить те функциональные соединения, которые мы могли бы использовать в лечении.
101