B12-vitamiinin koentsyymi ja sen Malliyhdisteet

B12-vitamiini tai syanokobalamiini eristettiin ensin turn-anemiaa ehkäiseväksi tekijäksi. Se on pitkään kiehtonut kemistejä ainutlaatuisen monimutkaisen rakenteensa ja monipuolisen katalyyttisen toimintansa vuoksi. B12-vitamiini on biologisesti inaktiivinen ja sen aktiivisia muotoja kutsutaan B12-koentsyymeiksi tai kofaktoreiksi, joilla on tärkeä rooli nukleiinihappo -, proteiini-ja lipidisynteesiin liittyvissä olennaisissa entsymaattisissa reaktioissa. B12-vitamiinia tuottaa mikro-organismi (bakteerit/sienet) ja tämä on vain vitamiini, joka sisältää metallia (koboltti). Kasvit eivät tuota tai sisällä B12-vitamiinia ja ravinnonlähteitä ovat kananmuna, liha, kala, maito ja muut maitotuotteet.

Lenhert ja Crowfoot-Hodgkin havaitsivat vuonna 1961, että B12-koentsyymi sisältää adenosyyliryhmän, joka on yhdistetty kobolttikeskukseen suoralla C-C-C-sidoksella, mikä osoitti ensimmäistä kertaa metalli-hiili-sidoksen olemassaolon biologisissa järjestelmissä (Kuva. 1). B12-koentsyymin Co-C-sidosta pidetään yhtenä stabiileimmista koskaan raportoiduista σ-organokobalttisidoksista. Nähtiin, että B12–vitamiinin makrosyklinen ligandijärjestelmä itse asiassa vaikuttaa ja muuttaa koboltin ominaisuuksia merkittävästi, jolloin se voi muodostaa erittäin vakaan Co-C-sidoksen. Crowfoot-Hodgkin palkittiin Nobelin kemianpalkinnolla (1964) B12-vitamiinin monimutkaisen solid-state-rakenteen (yhdessä muiden biologisesti merkittävien molekyylien kuten penisilliinin ja kolesterolin rakenteiden) selvittämisestä Röntgendiffraktiospektroskopian avulla.

tunnettuja B12-koentsyymejä/kofaktoreita ovat alkyylikobalamiinit (RCbl), jotka koostuvat tetrapyrrolin makrosyklisestä ligandista (korriinirengas) koostuvasta kobolttikompleksista, jossa on riippuva nukleotidi (molekulaarisesti sitoutuneena 5,6-dimetyylibentsimidatsoli), jolla on oktaedrisen Co(III): n viisi koordinaatiopaikkaa, ja kuudennessa asemassa ovat eri R-ryhmät eri kofaktoreissa, metyylikobalamiini (MeCbl, R = CH3) ja koentsyymi B12 (5′-deoksiadenosyylikobalamiini, adocbl, R = 5′ – deoksiadenosyyli). B12-vitamiinissa kuudennessa asemassa on CN-ligandi (syanokobalamiini, CNCbl, R = cn) ja se on biologisesti inaktiivinen laji. B12-vitamiinin koentsyymien korriinirengasjärjestelmä on suurin piirtein tasomainen ja lyhyet sivuketjut (asetamidi) ulottuvat korriinirengastason yläpuolelle, kun taas pitkät sivuketjut (propionamidi) ulottuvat renkaan tason alapuolelle. Kemialliselta kannalta alkyylikobalamiinit ovat stabiileja ja haponkestäviä, mutta termo – ja fotolabiileja organokobalttikomplekseja. B12-vitamiinin koentsyymit osoittavat suurta reaktiivisuutta vain vastaavien apoentsyymien läsnä ollessa ja niiden Co–C–sidoksen labiloitumisnopeutta voidaan lisätä kertoimella 1013, mikä osoittaa, että proteiinin konformaatiomuutoksilla on merkittävä rooli Co-C-sidoksen stabiilisuudessa ja reaktiivisuudessa.

kaikki tunnetut B12-riippuvaisten entsyymien reaktiot liittyvät Co–C-sidoksen syntymiseen ja katkeamiseen. Co-SC: n C σ-sidosten eri pilkkomistapoja on oletettu kahdelle B12-vitamiinin koentsyymille, AdoCbl: lle ja MeCbl: lle. Adenosyylikobalamiinin (AdoCbl) koentsyymiä sisältävät entsyymit vaativat Co–C-sidoksen homolyyttistä pilkkoutumista, jolloin muodostuu cob(II)-alamiini ja 5′ – deoksiadenosyyliradikaali, esim.isomeraasi-ja mutaasientsyymit, jotka katalysoivat vetyatomin ja elektronegatiivisen ryhmän intramolekulaarista 1,2-siirtymää.

metyylikobalamiini(MeCbl) on kofaktori metyylitransferaasientsyymeissä, jotka vaativat kobolttisidoksen heterolyyttistä pilkkoutumista jättäen molemmat elektronit koboltille, jolloin muodostuu metyylikarbokationi ja Co (I)–alamiini. Nämä entsyymit osallistuvat metyylinsiirtoreaktioihin, esimerkiksi metioniinisyntaasiin. (Kuva. 3).

B12-vitamiinin Koentsyymimallit

Hodgkinin pioneerityön jälkeen on raportoitu suuri määrä organokobalttiyhdisteitä ja joitakin näistä yhdisteistä on ehdotettu B12-vitamiinin malleiksi. G. N. Schrauzer ja Kohnle raportoivat vuonna 1964, että B12-koentsyymin reaktiota voidaan simuloida monoanionisen dimetyyliglyoksiimin(dmgh), R-ryhmän ja B-ryhmän paljon yksinkertaisemmilla Co (III) – komplekseilla (Fig. 4).

tässä R on orgaaninen ryhmä σ-sitoutunut kobolttiin, esim. alkyyleihin, ja B on neutraali aksiaalinen emäsligandi trans Co-C-sidokseen, esim. pyridiini, H2O jne. Nämä yhdisteet on nimetty ”kobaloksiimeiksi” korostaakseen samankaltaisuuttaan kobalamiinien kanssa. Lukuisia kobaloksiimeja, joilla on erilaiset ekvatoriaaliset dioksiimit ja aksiaaliset ligandit (R ja B), on syntetisoitu tutkimaan ligandien steerisen ja elektronisen luonteen vaikutusta Co–C-sidoksen stabiilisuuteen. Lisäksi lukuisia muita B12-vitamiinianalogeja on syntetisoitu erilaisilla Schiff-emästyypin ligandeilla, esimerkiksi BAE ja SALEN (Figs. 5a ja 5b). Kompleksit Tyyppi + (Kuva. 5c) monoanionisella tetradentaattisella ligandilla ilmoitti Costa, et al. Kobolttikompleksit porfyriinien ja tetraatsa-makrosyklisten ligandien kanssa (1,4,8,11-Tetra-atsasyklotetradekaani) (Kuva. 5d) on tutkittu myös B12-mallin yhdisteinä.

Kobaloksiimi parempana mallina B12-Koentsyymille

vaikka monia malliyhdisteitä on raportoitu, on havaittu, että yksinkertaiset kobaloksiimet simuloivat B12-vitamiinin koentsyymien reaktioita tarkemmin. Päiväntasaajan dioksiimimalli B12-koentsyymien korriinirengas ja kobalamiineista saatavilla olevat kristallografiset tiedot viittaavat siihen, että aksiaalisen R-ryhmän muutoksen rakenteelliset vaikutukset ovat samanlaisia kuin kobaloksiimeilla. Myös teoreettiset laskelmat ovat osoittaneet, että kobalamiini ja kobaloksiimi ovat lähellä toisiaan. Kobaloksiimin kahden elektronin pelkistys tuottaa Supernukleofiilina Co(I), joka reaktiossa CH3I: n kanssa antaa . Tämä reaktio muistuttaa hyvin paljon B12-koentsyymikemiaa. Myös ekvatoriaalisten dioksiimien ja aksiaalisten emästen vaikutuksesta Ko–C–sidoksen ominaisuuksiin tehdyt tutkimukset antavat tietoa ko-C-sidoksen homolyysistä ja heterolyysistä B12-koentsyymeissä. Näiden lisäksi kobaloksiimia voidaan helposti syntetisoida yhdellä askeleella Alkyloimalla Co (I), joka syntyy paikan päällä helposti saatavilla olevista ja edullisista lähtöaineista (dimetyyliglyoksiimi ja pyridiini), kun taas useimmat muut kelaattijärjestelmät vaativat ligandin synteesiä, jota seuraa metallikompleksaatio.

alkyylikobaloksiimiin on helppo liittää ominaisuuksiltaan erilaisia ligandeja, eikä tätä voida yhtä helposti sisällyttää muihin mallijärjestelmiin. Vielä tärkeämpää on, että kobaloksiimit ovat ihanteellinen järjestelmä NMR-spektroskopian avulla tapahtuvaan rakenteelliseen määritykseen. Kaikki nämä edut ovat johtaneet laajaan kobaloksiimien ominaisuuksien tutkimiseen B12-koentsyymien ominaisuuksien jäljittelemiseksi. Viimeaikaiset tutkimukset kobaloksiimeilla ovat kuitenkin osoittaneet, että nämä ovat ohittaneet alkuperäisen merkityksensä B12-mallina. Ne ovat saaneet itsenäisen tutkimusalan, koska niillä on rikas kemia ja monipuoliset sovellukset orgaanisen synteesin lähtöaineina ja katalyytteinä erilaisissa orgaanisissa transformaatioreaktioissa kuten polymerointireaktioissa.

1. Wikipedia ja muut verkkolähteet.
2. B12-vitamiinin käyttöönotto: 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