Koenzym vitaminu B12 a jeho modelové sloučeniny

Vitamin B12 nebo kyanokobalamin byl poprvé izolován jako faktor proti perniciózní anémii. Dlouho fascinuje chemiky kvůli své jedinečné složité struktuře a různým katalytickým činnostem. Vitamin B12 je biologicky neaktivní a jeho aktivní formy jsou známé jako koenzymy B12 nebo kofaktory, které hrají důležitou roli v základních enzymatických reakcích souvisejících s syntézami nukleových kyselin, bílkovin a lipidů. Vitamin B12 je produkován mikroorganismy (bakteriemi/houbami) a to je pouze vitamín, který obsahuje kov (kobalt). Rostliny neprodukují ani neobsahují vitamín B12 a potravinové zdroje zahrnují vejce, maso, ryby, mléko a jiné mléčné výrobky.

Lenhert a Crowfoot-Hodgkin v roce 1961 zjistili, že koenzym B12 obsahuje adenosylovou skupinu spojenou s kobaltovým centrem přímou vazbou CCo, která poprvé naznačovala přítomnost vazby kov-uhlík v biologických systémech (obr. 1). Vazba CoC v koenzymu B12 je považována za jednu z nejstabilnějších σ-organokobaltových vazeb, jaké kdy byly hlášeny. Bylo vidět, že makrocyklický ligandový systém v vitaminu B12 ve skutečnosti významně ovlivňuje a modifikuje vlastnosti kobaltu, což mu umožňuje vytvořit vysoce stabilní vazbu Co-C. Crowfoot-Hodgkin byl odměněn Nobelovou cenou za chemii (1964) za stanovení komplexní pevné struktury vitaminu B12 (spolu se strukturami dalších molekul biologického významu, jako je penicilin a cholesterol) pomocí rentgenové difrakční spektroskopie.

známé koenzymy/kofaktory B12 jsou alkylkobalaminy (RCbl), sestávající z kobaltového komplexu tetrapyrrolového makrocyklického ligandu (corrinův kruh) s pendentním nukleotidem (intra-molekulárně vázaným 5,6-dimethylbenzimidazolem), který zaujímá pět koordinačních míst oktaedrálního Co(III) a šestou pozici zaujímají různé skupiny R v různých kofaktorech, methylkobalamin (MeCbl, R = CH3) a koenzym B12 (5′-deoxyadenosylkobalamin, adocbl, R = 5′-deoxyadenosyl). U vitaminu B12 je šestá pozice obsazena CN ligandem (kyanokobalamin, CNCbl, R = CN) a je to biologicky neaktivní druh. Systém corrinových kruhů v koenzymech vitaminu B12 je zhruba rovinný a krátké boční řetězce (acetamid) se rozprostírají nad rovinou corrinových kruhů, zatímco dlouhé boční řetězce (propionamid) sahají pod rovinu kruhu. Z chemického hlediska jsou alkyl kobalaminy stabilní a odolné vůči kyselinám, ale termo – a foto-labilní organokobaltové komplexy. Koenzymy vitaminu B12 vykazují vysokou reaktivitu pouze v přítomnosti odpovídajících apoenzymů a jejich rychlost labilizace vazby Co-C by mohla být zvýšena faktorem 1013, což naznačuje, že proteinové konformační změny hrají hlavní roli ve stabilitě a reaktivitě vazby Co-C.

všechny známé reakce enzymů závislých na B12 zahrnují tvorbu a lámání vazby Co-C. Různé způsoby štěpení vazeb coc σ byly postulovány pro dva koenzymy vitaminu B12, AdoCbl a MeCbl. Enzymy obsahující adenosylkobalamin (AdoCbl) koenzym vyžadují homolytické štěpení vazby Co-C, což vede k tvorbě cob (II)alaminu a 5′-deoxyadenosylového radikálu, např. izomerázy a mutázových enzymů, které katalyzují intramolekulární 1,2-posun atomu vodíku a elektronegativní skupiny.

methylkobalamin (MeCbl)je kofaktor v enzymech methyltransferázy, které vyžadují heterolytické štěpení vazby Co–C, přičemž oba elektrony zůstávají na kobaltu, což vede k tvorbě methylkarbokace a Co(I) alaminu. Tyto enzymy se účastní methyl-transferových reakcí, např. methionin-syntázy. (Obr. 3).

modely koenzymu vitaminu B12

po průkopnické práci Hodgkina bylo hlášeno velké množství organokobaltových sloučenin a některé z těchto sloučenin byly navrženy jako modely vitaminu B12. G. n. Schrauzer a Kohnle v roce 1964 uvedli, že reakce koenzymu B12 může být simulována s mnohem jednoduššími komplexy Co(III) monoaniontového dimethylglyoximu (dmgH), skupiny R A B. (obr. 4).

zde je R organická skupina σ-vázaná na kobalt, např. alkyly, a B je neutrální axiální bazický ligand trans na vazbu Co-C, např. pyridin, H2O atd. Tyto sloučeniny byly pojmenovány jako „kobaloximy“, aby zdůraznily jejich podobnost s kobalaminy. Četné kobaloximy s různými rovníkovými dioximy a axiálními ligandy (R A B)byly syntetizovány ke studiu vlivu sterické a elektronické povahy ligandů na stabilitu vazby Co–C. Kromě toho bylo syntetizováno mnoho dalších analogů vitaminu B12 s různými ligandy typu Schiff-báze, např. 5a a 5b). Komplexy typu + (obr. 5c) s monoaniontovým tetradentátovým ligandem byl hlášen Costa, et al. Komplexy kobaltu s porfyriny a makrocyklickými ligandy tetraaza (1,4,8,11-tetraazacyklotetradekan) (obr. 5d) byly také studovány jako modelové sloučeniny B12.

Kobaloxim jako lepší Model koenzymu B12

ačkoli je hlášeno mnoho modelových sloučenin, bylo pozorováno, že jednoduché kobaloximy simulují reakce koenzymů vitaminu B12 blíže. Model rovníkových dioximů corrinův kruh koenzymů B12 a krystalografické údaje dostupné na kobalaminech naznačují, že strukturální účinky změny v axiální R skupině jsou podobné těm, které se vyskytují v kobaloximech. Teoretické výpočty také ukázaly blízkou podobnost mezi kobalaminem a kobaloximy. Dvě elektronová redukce kobaloximu produkuje Co (I )jako super nukleofil, který po reakci s CH3I dává. Tato reakce je velmi podobná chemii koenzymu B12. Taky, studie účinků uložených rovníkovými dioximy a axiální bází na vlastnosti vazby Co-C poskytují pohled na homolýzu a heterolýzní štěpení vazby Co-C v Koenzymech B12. Kromě toho mohou být kobaloximy snadno syntetizovány jednostupňovou alkylací Co (I), generovanou in situ ze snadno dostupných a levných výchozích materiálů (dimethylglyoxim a pyridin), zatímco většina ostatních chelátových systémů vyžaduje syntézu ligandu následovanou komplexací kovů.

je snadné začlenit ligandy s různými vlastnostmi do alkyl kobaloximu a to nelze tak snadno zavést do jiných modelových systémů. Ještě důležitější je, že kobaloximy jsou ideálním systémem pro strukturální stanovení NMR spektroskopií. Všechny tyto výhody vedly k rozsáhlému studiu vlastností kobaloximů, které napodobují vlastnosti koenzymů B12. Nedávné studie o kobaloximech však ukázaly, že tyto přerostly svůj počáteční význam jako model B12. Díky své bohaté chemii a všestranným aplikacím získali nezávislý výzkumný obor jako prekurzory v organické syntéze a jako katalyzátory v různých reakcích organické transformace včetně polymeračních reakcí.

1. Wikipedia a další online zdroje.
2. Úvod do vitaminu B12: Link
3. Noble prize in chemistry 1964 Link
4. G. N. Schrauzer, Organocobalt chemistry of vitamin B12 model compounds (cobaloximes), Acc. Chem. Res.1968, 1497-103
5. aand in Vitamin B12 Model Compounds, Angew. Chem. 1976, 15 (7), 417-426
6. K. H. Reddy, Coordination compounds in Biology, Resonance, June 1999. Link
7. Synthesis of cobaloxime derivatives: Link