Возникновение биомолекул в пребиотическом бульоне

1. Лекция 1.

10/3/2019

2. Возникновение биомолекул в пребиотическом бульоне

Опыт Stenley Miller–Urey (Science,1953, V. 117. P. 528)
эл. разряд
СH4 +
NH3 + H2
H2N
H2N
O
Н2О
OH
глицин
+
H2N
H2N
O
H3C
OH
аланин
+
O
O
OH
OH
аспарагиновая
к-та
+
O
O
OH
+
др. продукты
OH
глутаминовая
к-та
Идентификация продуктов проводилась методом бумажной хроматографии!

3.

Анализ "забытых" образцов из опыта Miller–Urey.
Jeffrey Bada (Science, 2008)
С
появлением
современных
аналитических методов (LC/MS и др.)
стала
возможной
идентификация
гораздо бОльшего числа продуктов из
опыта Stenley Miller–Urey .
10/3/2019

4.

Биохимик Роберт Шапиро:
Аминокислоты, синтезированные Миллером и Юри, значительно менее
сложные молекулы, чем нуклеозиды и нуклеотиды. Но даже более
простые, нуклеиновые основания, в процессе подобных экспериментов
вообще никогда не образовывались.
10/3/2019

5.

Joan Oro (Nature. 1961. V. 191. P. 1193–1194) - ввел в установку Миллера
синильную кислоту и на выходе получил нуклеиновое основание аденин — одно
из четырех оснований, входящих в состав молекул ДНК и РНК.
N
NH2
H2O
NH2
N
UV
N
77%
NH
HCN
N
N
4 HCN
25 oC
N
NH2
DAMN
7%
NH2
AICN
АминоИмидазолКарбоНитрил
NH
N
Аденин
O
ДиАминоМалеоНитрил
H2NCONH2
5%
N
NH
NH
N
Гуанин
NH2

6.

O
NH2
NH
N
N
H2O
H2N
NH2
NH
O
CH
H2O
N
NH
NH
O
O
урацил
цитозин
O
O
O
+
H
H
Са(ОН)2
HO
H
formose reaction
OH
формальдегид
H
гликолевый
альдегид
O
OH
H
H
OH
H
OH
+
H
OH
H
OH
H
OH
OH
OH
рибоза
глюкоза
HO
OH
O
OH OH
+
др. сахара

7.

Формально:
Рибоза и аденин – «пентамеры» формальдегида и циановодорода, соответственно. При
конденсации этих двух «пентамеров» получается аденозин.
рибоза
аденин
аденозин

8.

Одним из основных аргументов критиков является отсутствие единой хиральности у
синтезированных аминокислот. Действительно, полученные аминокислоты представляли
собой практически равную смесь стереоизомеров, в то время как для аминокислот
биологического происхождения, характерно преобладание одного из стереоизомеров.
Позже
стало
известно,
что
существует
возможность
спонтанного
возникновения
энантиомерных продуктов в обычных химических реакциях, и были найдены пути синтеза
ряда стереоизомеров (в том числе, углеводородов и аминокислот) в присутствии оптически
активных катализаторов.
В 2001 году, Алан Сагательян (Alan Saghatelian) показал, что самореплицирующиеся
пептидные системы в состоянии эффективно влиять на образование определенных
энантиомеров. Следовательно, преобладание одного из стереоизомеров могло возникнуть
естественным образом.

9. Начало гликобиологии и хиральность.

10. Углеводы

Первые из известных науке углеводов описывались брутто-формулой Cx(H2O)y –
вещества, состоящие, формально, из угля и воды. Термин ,,углеводы” был введен
профессором Тартуcского университета К. Шмидтом в 1844 г.
Источник углеводов – процесс фотосинтеза.
С точки зрения сегодняшних знаний о строении, углеводы (сахара) – это
многоатомные альдегидо- или кетоспирты и их производные.
«Родоночальник» – глицериновый альдегид.
H
O
OH
СН2OH
H

11.

конец 17 века (Кристиан Хьюгенс) – плоскополяризованный свет
1815 г. (Жан Батист Биот) – обнаружение природных соединений,
обладающих способностью вращать плоскость поляризованного света
1819 г. (Carl Wilhelm Scheele) - выделил рацемат винной кислоты
1874 г. (Joesph Achille LeBel and Joobus Henricus van’t Hoff) - тетраэдрическая
модель углерода
с 1884 г. (Эмиль Фишер) – масштабные исследования углеводов, определение
состава и структуры, разработка номенклатуры
10/3/2019

12. Классификация моносахаридов (моноз)

• С учетом
– природы карбонильной группы
• альдозы - содержащие альдегидную группу
• кетозы - содержащие кето-группу
– длины углеродной цепи (от 3 до 10 атомов)
триозы (глицериновый альдегид)
тетрозы
пентозы (альдопентозы, кетопентозы)
гексозы (альдогексозы, кетогексозы)
гептозы
октозы
нонозы
декозы
n=1-8
n=1-7

13. D/L-изомерия глицеринового альдегида (простейшего углевода) в проекциях Фишера

CHO
1
OH
СН2OH
CHO
CHO
H
OH
HO
1
H
H
CH2OH
CH2OH
H
CHO
СН2OH
OH
2
2
В проекциях Фишера:
CHO
H
OH
CH2OH
CHO
(справа)
D-изомер
(по Фишеру "правовращающий")
(слева)
HO
L-изомер
(по Фишеру "левовращающий")
H
CH2OH
Для перевода в проекцию Фишера:
1.
тетраэдр поворачиваем так, чтобы две связи, лежащие в горизонтальной плоскости, были направлены "к нам", а две связи,
лежащие в вертикальной плоскости, - "от нас";
2.
проецируем на плоскость;
3.
располагаем группу CHO сверху, а СН2OH - снизу путем поворотов проекции или перестановок групп местами в соответствии
с правилами:
- любая проекционная формула с одним асимметрическим центром при перестановке двух стоящих у асимметрического
центра заместителей превращается в формулу антипода. Следствие - четное число перестановок не меняет
первоначальную конфигурацию.
- проекционные формулы можно переворачивать в плоскости чертежа только на 180 о, но нельзя поворачивать на 90о
или выводить из плоскости чертежа.

14. Проекционные формулы Фишера

Цепь молекулы с несколькими асимметрическими атомами располагают в пространстве
вертикально в виде равномерно выпуклой ломаной линии, обращенной выпуклостью к
наблюдателю. У альдоз сверху располагают альдегидную группу, а у кетоз – соседнюю с
карбонилом первичную спиртовую.
14

15. Стереохимия углеводов в проекциях Фишера

D-изомерный ряд
CHO
CHO
эта часть
определяет
принадлежность
изомерному
ряду
CHO
H
HO или Н
OH
H
CH2OH
OH или Н
HO или Н
OH или Н
HO или Н
OH или Н
OH
H
CH2OH
D-глицериновый
альдегид
OH
взаимное
расположение
ОН групп
определяет
название сахара
(см. след. слайд)
CH2OH
D-тетрозы
D-пентозы
L-изомерный ряд
CHO
CHO
HO
CHO
HO или Н
H
HO
CH2OH
L-глицериновый
альдегид
OH или Н
H
CH2OH
L-тетрозы
HO или Н
OH или Н
HO или Н
OH или Н
HO
H
CH2OH
L-пентозы

16. Генетическое родство D-ряда альдоз c D-глицериновым альдегидом

D(+)-аллоза
D(+)-альтроза
D(+)-глюкоза
D(+)-манноза
D(-)-гулоза
D(-)-идоза
D(+)-галактоза
D(+)-таллоза

17.

Эпимеры и диастереомеры
кетопентозы
альдопентозы
1
1
5
D-рибоза
D-ксилоза
D-рибУЛоза
эпимеры
эпимеры
альдогексозы
1
6
D-манноза
D-ксилУЛоза
D-глюкоза
D-галактоза
эпимеры
эпимеры
диастереомеры

18.

Относительная конфигурация
Система Фишера описывает ОТНОСИТЕЛЬНУЮ конфигурацию.
стандарт – глицериновый альдегид. Каждому из возможных стереоизомеров
была ПРОИЗВОЛЬНО приписана одна абсолютных конфигураций.
конфигурацию всех других соединений соотносили со стандартом путем
химической корреляции (последовательность химических реакций, не затрагивающих
хиральный центр и ведущих к D- или L- “ стандарту”.
Система Фишера – не совершенна, например:
изомеры 1 и 2 (оба - производные D-стандарта) – имеют противоположную
конфигурацию.
D-изомер
1
2

19. Относительная конфигурация определяется химическими методами

Абсолютные и относительные конфигурации
Относительная конфигурация определяется химическими методами
D - ряд
CHO
H
COOH
COOH
OH
H
H
OH
CH2OH
CH2NH2
CH2OH
(+)-D-глицериновый
альдегид
OH
(-)-D-глицериновая
кислота
(+)-D-изосерин
COOH
H
OH
CH3
(-)-D-молочная
кислота
Абсолютная конфигурация определяется РСА (или теоретическим расчетом величины
оптического вращения) и описывается по системе К-И-П (R/S)
CHO
CHO
OH
СН2OH
H
R-изомер
HO
H
СН2OH
S-изомер
Если абсолютная конфигурация не известна, то в названии вещества указывают знак
оптического вращения

20.

Стереохимия (R/S и D/L-изомерия).
Правила Кана-Ингольда-Прелога.
Cahn–Ingold–Prelog priority rules, CIP system or CIP conventions.
Полезная ссылка для понимания и обучения.
http://www.chem.msu.su/rus/teaching/butin/p4.html

21.

Абсолютная конфигурация (R/S изомерия).
Правила Кана-Ингольда-Прелога (КИП).
Правила Кана-Ингольда-Прелога (для R/S-изомерии).
I. Расставляем заместители по старшинству:
- б'ольше атомный номер - старше: О>C>H
- если одинаковые, то сравниваем заместители у них: CH2OH>СН2(СН3)>CH3
- если двойная (тройная) связь, то считается за два (три) заместителя: СН=О рассматривается, как О-СН-О. Следовательно,
СН=О > CH2OH.
II. Поворачивам молекулу в пространстве так, чтобы младший (№4) заместитель был повернут от нас (заслонен хиральным
атомом).
III. Рисуем направление стрелок от старшего (№1) к младшему (№2, затем №3). Если по часовой стрелке -
изомер R, если
против часовой стрелки - S.
Глицериновый альдегид - низший представитель сахаров
2
2
CHO
2
CHO
CHO
CHO
1
OH
3
СН2OH
4
H
1
HO
3
СН2OH
R-изомер
(= D для глицеринового альдегида)
3
1
СН2OH
OH
H
СН2OH
OH
S-изомер
(= L для глицеринового альдегида)21

22.

D/L, R/S изомерия и оптическое вращение
Важно понимать:
1)Нет строгой корреляции между D/L и R/S изомерами
Для глицеринового
альдегида:
L-изомер = S
D-изомер = R
2)
Для цистеина:
D-изомер = S
L-изомер = R
Нет корреляции между D/L, R/S изомерами и знаком оптического вращения
COOH
H3C
H
COOH
H2N
D
L-изомер
COOMe
H3C
H
NH2
D
H
CH3
NH2
COOH
H3C
S-изомер
COOMe
H2N
NH2
COOMe
H
CH3
L-изомер
(-)-L-аланин
(-)-S-аланин
H3C
NH2
S-изомер
(+)-метиловый эфир L-аланина
(+)-метиловый эфир S-аланина

23. Внутримолекулярная циклизация

R
H
OH
H+
O
+
R'
OH
R
полуацетальный
гидроксил
* O R'
H
полуацеталь
O
H
C
H
OH
(CH2OH)n
OH
H
C
H
H
гликозидный
гидроксил
(CH2OH)n
O
циклический
полуацеталь
*
H
новый
хиральный центр
(аномерный)

24.

Проекции Фишера и перспективные
формулы Хеуорса (Haworth).
5
HO
O H
O
4
H
H
1
H
H
3
2
OH
OH
Перспективная формула Хеуорса
D-рибофураноза
H
O
1
H
2
OH
H
3
OH
H
4
O H
5
OH
Проекция Фишера
D-рибоза
24

25.

Перевод проекций Фишера в перспективные
формулы Хеуорса (Haworth) на примере D-глюкозы.
две перестановки заместителей в
положении 5
2
H
3
HO
4
H
H
5
1
O
OH
HO
1
OH
CH2OH
2
H
3
HO
H
OH
H
таутомерное
равновесие
4
H
HO
OH
H
2a
OH
5
H
3
HO
4
H
5
HO
H
2
H
H
CH2OH
1
2б
OH
H
OH
CH2OH
H
HO
H
HOH2C
Формула Хеуорса
1
H
2
3
4
5
6
OH
H
OH
H
O
1
O
H
O
Фишеровская проекция
3
H
4
OH
5
H
OH H
HO
3
H
2
OH
Для перевода проекции Фишера в формулу Хеуорса:
1.
Нарисовать связь между атомами 5-О и 1-С
2.
Согласно правилу, что четное число перестановок в проекции Фишера не меняет конфигурации, сделать две (!) перестановки у
атома 5-C так, чтобы в итоге кольцевая 5-C-O связь стала продолжением вертикальной линии снизу. Например, перестановки:
а) между СН2ОН и линией кольцевой 5-C - O связи; б) между СН2ОН и Н.
3.
O
При переводе в формулу Хеуорса:
- атом 1-С расположить справа в кольце;
- кислород в кольце должен быть в правом верхнем углу пиранозного цикла и направлен "от нас". С-С связи в кольце
выделяются жирными линиями - для обозначения пространственной перспективы.
- группы, расположенные справа от вертикальной линии в проекции Фишера, нужно помещать снизу от плоскости кольца, а
расположенные слева - сверху.
1
OH
H

26.

Перевод проекций Фишера в перспективные
формулы Хеуорса (Haworth) на примере D-рибозы.
две перестановки заместителей в
положении 4
2
H
3
H
4
H
5
1
O
HO
1
OH
2
H
3
H
OH
OH
H
таутомерное
равновесие
CH2OH
Открытая форма
(цепочка) -
OH
HO
2a
OH
4
H
5
CH2OH
H
H
H
1
H
2
3
4
OH
OH
CH2OH
5
HO
2б
H
H
HOH2C
Формула Хеуорса
1
HO
H
2
3
4
OH
OH
H
5
3
O H
O
4
O
1
O
H
O
Фишеровская проекция
1
H
H
H
H
3
2
5
OH
OH
Кольцо
доминирующая форма
в незамещенных по
1-О (1-ОН) пентозах
Для перевода проекции Фишера в формулу Хеуорса:
1.
Нарисовать связь между атомами 4-О и 1-С
2.
Согласно правилу, что четное число перестановок в проекции Фишера не меняет конфигурации, сделать две (!) перестановки у
атома 4-C так, чтобы в итоге кольцевая 4-C-O связь стала продолжением вертикальной линии снизу. Например, перестановки:
а) между СН2ОН и линией кольцевой 4-C - O связи; б) между СН2ОН и Н.
3.
При переводе в формулу Хеуорса:
- атом 1-С расположить справа в кольце;
- кислород в кольце должен быть направлен "от нас". С-С связи в кольце выделяются жирными линиями - для
пространственной перспективы.
обозначения
- группы, расположенные справа от вертикальной линии в проекции Фишера, нужно помещать снизу от плоскости кольца, а
расположенные слева - сверху.
26

27.

Сравнение конфигураций D- и L-рибоз в формулах
Хеуорса.
L-рибоза
HO
4
5
OH
H
H
H
CH2OH
HO
HO
2
3
4
5
H
1
H
O
HO
3
1
H
O
HO
2
O
2
HO
H
HO
H
HOH2C
H
3
4
HO
H
HO
H
H
2
3
4
H
OH
H
4
O
OH
H
2
CH2OH
HO
5
5
5
CH2OH
1
H
OH
O
1
H
1
H
HO
O H
3
H
H
поворот вокруг оси
5
5
O
O
HO
H
OH
HO
1
H
4
H
H
2
4
H
H
3
OH
L-рибофураноза
H
H
3
OH
OH
1
OH
2
OH
D-рибофураноза
оптические антиподы
27

28. Изомерия аномерного центра на примере D-рибозы.

1
2
H
3
H
4
H
1
O
HO
H
OH
5
3
H
OH
OH
2
таутомерное
равновесие
5
HO
H
OH
4
H
OH
4
H
3
CH2OH
1
H
H
H
5
CH2OH
OH
O
O
H
OH
2
OH
Кольцо
Цепочечная форма
-D-рибофураноза
D-рибоза
появление нового
хирального цeнтра 1
изомерия по 1
(аномерному) положению:
смесь двух
изомеров
(аномеров)
О-гликозидная связь
HO
5
OH
HO
5
O
1
3
OH
-аномер: 1-ОH - в ту же
O
4
2
1
4
-D-рибофураноза
сторону, что и 5
-аномер: 1-OH - в
3
OH
В рибофуранозе можно
определять в
перспективных формулах:
OH
2
OH
OH
-D-рибофураноза
противоположную 5
Но это - частный (!) случай,
а общие правила см. на
след. слайдах!
28

29.

Метил / (?)-D/L(?)-треофуранозид
Метил / (?)-D/L(?) -арабинопиранозид
Метил / (?)-D/L(?) -галактофуранозид
Для определения конфигурации нужно перейти к
проекционным формулам Фишера (см. след. слайды)

30. Номенклатура IUPAC

http://www.chem.qmul.ac.uk/iupac/2carb/06n07.html
The anomeric centre
• The new centre of chirality generated by hemiacetal ring closure is called the anomeric
centre. The two stereoisomers are referred to as anomers, designated α or β according to
the configurational relationship between the anomeric centre and a specified anomeric
reference atom.
The anomeric reference atom and the anomeric configurational symbol (α or β)
• The anomeric reference atom is the configurational atom of the parent. In the α anomer, the
exocyclic oxygen atom at the anomeric centre is formally cis, in the Fischer projection, to the
oxygen attached to the anomeric reference atom; in the β anomer these oxygen atoms are
formally trans.
The anomeric symbol α or β, followed by a hyphen, is placed immediately before the
configurational symbol D or L of the trivial name or of the configurational prefix denoting the
group of chiral carbon atoms that includes the anomeric reference atom.

31.

Метил β-L-треофуранозид
Метил α-L-арабинопиранозид
Метил β-D-галактофуранозид

32.

33. Более сложные случаи отнесения конфигурации.

The anomeric reference atom and the anomeric configurational symbol (α or β)
• The anomeric reference atom is the configurational atom of the parent, unless multiple
configurational prefixes are used. If multiple configurational prefixes are used, the
anomeric reference atom is the highest-numbered atom of the group of chiral centres next
to the anomeric centre that is involved in the heterocyclic ring and specified by a single
configurational prefix. In the α anomer, the exocyclic oxygen atom at the anomeric centre is
formally cis, in the Fischer projection, to the oxygen attached to the anomeric reference
atom; in the β anomer these oxygen atoms are formally trans.
• The anomeric symbol α or β, followed by a hyphen, is placed immediately before the
configurational symbol D or L of the trivial name or of the configurational prefix denoting the
group of chiral carbon atoms that includes the anomeric reference atom.
Метил L-глицеро-α-D-манногептапиранозид

34.

R/S изомерия. Правила Кана-Ингольда-Прелога. Еще раз…
Рассматриваем молекулу (часть молекулы с хиральным центром и его заместителями) в
пространстве.
Расставляем нумерацию у атомов, соединенных с хиральным центром по правилам старшинства:
- б'ольше атомный номер - старше: S > O > N > C > H
- если одинаковые, то сравниваем заместители у них: CH2OH>СН2(СН3)>CH3 ;СН2SH>COOH
- если опять одинаковые, то последовательно идем по цепочке дальше, пока не появятся различия
- если появляется раздвоение в цепочке, то идти по той, в которой появится «старший» атом
- если двойная (тройная) связь, то считается за два (три) заместителя: СН=О рассматривается, как
О-СН-О, следовательно: СООН > СН=О > CH2OH.
Поворачивам молекулу в пространстве так, чтобы младший заместитель был повернут от нас
(заслонен хиральным атомом).
Рисуем направление стрелок от старшего (№1) к младшему (№2, затем №3). Если вправо (по
часовой стрелке) - изомер R, если влево (против часовой стрелки) - S

35.

R/S изомерия.
H
5
4
HO
OH
O
4
1
3
2
H
OH
OH
OH
H
1.изображаем
конфигурацию С(4)
в пространстве
1
4
2.определяем
старшинство
заместителей
C(4)
3
3."разворачиваем"
тетраэдр так, чтобы
младший смотрел "от
нас" = был заслонен
хиральным центром
3 C(5)
O(4)
C(5)
2 С(3)
С(2)
3
на
C(5)
5. рисуем стрелки от
старшего к младшему
2
С(3)
H
4. проецируем
плоскость
C(4)
1
O(4)
2
C(4)
С(3)
1
O(4)
H
OH
по часовой = R
C(4) - R

36.

R/S изомерия
2
H
O(1)
2
5
HO
C(4) - R
4
O
OH
4
1
1
С(4)
O(4)
С(1)
2
3
OH
OH
3
O(1)
4
H
1
3
O(4)
C(2)
С(2)
C(1) - R

37.

R/S изомерия
1
4
O(2)
H
H
2
3
(4)C
C(1) H
С(2)
С(3)
O(1)
O(4)
1
O(3)
2
3
C(3)
C(1)
O(2)
C(2) - R
5
HO
C(4) - R
4
O
OH
4
1
2
3
OH
OH
C(1) - R

38.

R/S изомерия.
C(2) - R
5
HO
C(4) - R
4
O
OH
4
C(1) - R
1
2
3
OH
OH
-D-рибофураноза
(1R,2R,3S,4R)
H
4
H
C(1)
O(4)
2
C(4)
C(5)
1
O(3)
O(2)
С(3)
3
O(3)
C(2)
C(1)
2
3
C(4)
1
C(3) - S
C(2)