Введение

Ковалентная связь, соединяющая молекулу сахара с другой группой. Гликозидная связь – это тип эфирной связи, соединяющая молекулу углевода (сахара) с другой группой, которая может быть, а может и не быть другим углеводом. Гликозидная связь образуется между гемиацетальной или гемикетальной группой сахарида (или молекулы, производной от сахарида) и гидроксильной группой какого-либо соединения, например, спирта. Вещество, содержащее гликозидную связь, называется гликозидом. В настоящее время термин "гликозид" распространяется и на соединения, в которых связи формируются между гемиацетальными (или гемикетальными) группами сахаров и различными химическими группами, отличными от гидроксильных, такими как SR (тиогликозиды), SeR (селеногликозиды), NR1R2 (N-гликозиды) или даже CR1R2R3 (C-гликозиды). Особенно в природных гликозидах соединение ROH, из которого удален углеводный остаток, часто называют агликоном, а сам углеводный остаток иногда именуют "гликоном".

С-, N-, C- и O-гликозидные связи

Гликозидные связи вышеупомянутого типа известны как O-гликозидные связи, поскольку они содержат гликозидный кислород, который связывает гликозид с агликоном или восстанавливающим концом сахара. По аналогии рассматривают также S-гликозидные связи (образующие тиогликозиды), в которых атом кислорода в гликозидной связи заменен на атом серы. Аналогичным образом, N-гликозидные связи содержат атом азота вместо кислорода в гликозидной связи. Вещества, содержащие N-гликозидные связи, также называют гликозиламинами. C-гликозидные связи содержат атом углерода вместо кислорода в гликозидной связи; термин "C-гликозид" признается IUPAC ошибочным и не рекомендуется к использованию. Все эти модифицированные гликозидные связи обладают различной устойчивостью к гидролизу, при этом C-гликозидные структуры, как правило, более устойчивы к гидролизу.

Нумерация и α/β-различие гликозидных связей

Когда аномерный центр вовлечен в гликозидную связь (что часто встречается в природе), можно различать α- и β-гликозидные связи по относительной стереохимии аномерного атома углерода и стереоцентра, наиболее удаленного от C1 в сахариде. Фармакологи часто присоединяют вещества к глюкуроновой кислоте посредством гликозидных связей для повышения их растворимости в воде; этот процесс известен как глюкуронидация. Многие другие гликозиды выполняют важные физиологические функции.

Химические подходы

Нухтер и др. (2001) продемонстрировали новый подход к гликозидации Фишера. Используя микроволновую печь, оснащенную обратным холодильником в роторном реакторе с сосудами под давлением, Нухтер и др. (2001) смогли добиться 100% выхода α- и β-D-глюкозидов. Этот метод может быть реализован в масштабах, исчисляемых многими килограммами.

Метод Вишала Й. Джоши

Джоши и др. (2006) предлагают использовать реакцию Кенигса-Кнорра в стереоселективном синтезе алкил-D-глюкопиранозидов посредством гликозилирования, за исключением применения карбоната лития, который является менее дорогим и токсичным, чем традиционное использование солей серебра или ртути. D-глюкоза сначала защищается путем образования перaцетата при добавлении уксусного ангидрида в уксусной кислоте, а затем добавляется бромистый водород, который бромирует в 5-м положении. При добавлении спирта ROH и карбоната лития группа OR замещает бром, а после депротекции ацетилированных гидроксильных групп продукт синтезируется с относительно высокой чистотой. Джоши и др. (2001) предположили, что литий выступает в роли нуклеофила, атакующего углерод в 5-м положении, и через переходное состояние спирт замещает группу брома. Преимущества этого метода, наряду с его стереоселективностью и низкой стоимостью литиевой соли, заключаются в возможности проведения реакции при комнатной температуре и сопоставимой с традиционным методом Кенигса-Кнорра выходами продукта.

Гликозидные гидролазы

Гликозидные гидролазы (или гликозидазы) — это ферменты, которые расщепляют гликозидные связи. Гликозидные гидролазы обычно действуют либо на α-, либо на β-гликозидные связи, но не на оба типа одновременно. Эта специфичность позволяет исследователям получать гликозиды с высоким эпимерным избытком, как, например, преобразование D-глюкозы в этил-β-D-глюкопиранозид, осуществленное Вен Я Лу с использованием глюкозидазы природного происхождения. Важно отметить, что Вэнь Я Лу использовал глюкозидазу в направлении, обратном её биологической функции.

Гликозильтрансферазы

Перед тем как моносахаридные звенья включаются в гликопротеины, полисахариды или липиды в живых организмах, они обычно сначала "активируются" путем присоединения через гликозидную связь к фосфатной группе нуклеотида, такого как уридиндифосфат (UDP), гуанозиндифосфат (GDP), тимидиндифосфат (TDP) или цитидинмонофосфат (CMP). Эти активированные биохимические промежуточные соединения известны как сахаронуклеотиды или доноры сахара. Многие биосинтетические пути используют моно- или олигосахариды, активированные дифосфатной связью с липидами, такими как долихол. Эти активированные доноры затем служат субстратами для ферментов, известных как гликозилтрансферазы, которые переносят сахарное звено от активированного донора к акцепторному нуклеофилу (субстрату-акцептору).

Дисахаридные фосфорилизы

Различные биокаталитические подходы были разработаны для синтеза гликозидов в последние десятилетия, среди которых наиболее распространёнными методами катализа являются использование "гликозилтрансфераз" и "гликозидгидролаз". Первые часто требуют дорогостоящих материалов, а вторые – дают низкие выходы. De Winter et al. исследовали применение целлобиозофосфорилазы (CP) для синтеза альфа-гликозидов в ионных жидкостях. Было установлено, что оптимальные условия для использования CP достигаются в присутствии ионной жидкости AMMOENG 101 и этилацетата.

Направленные гликозиляции

Существует несколько химических подходов для повышения селективности α и β гликозидных связей. Высокая субстратная специфичность и общая реакционная способность пиранозида могут создавать значительные трудности в синтезе. Общую специфичность гликозилирования можно улучшить, используя подходы, учитывающие относительные переходные состояния, которые может проходить аномерный углерод в ходе типичной реакции гликозилирования. Особенно важно учитывать и включать модели Фелкина-Ахна-Эйзенштейна в рациональную разработку химических реакций, что обычно обеспечивает надежные результаты, при условии, что трансформация может подвергаться такому типу конформационного контроля в переходном состоянии. Гликозилирование, направляемое фтором, является перспективным методом для достижения B-селективности и введения неестественной биомиметической C2-функциональности в углевод. Один из инновационных примеров, представленный Bucher и соавторами, демонстрирует возможность использования фтороксониевого иона и трихлорацетимидата для повышения B-стереоселективности за счет гауш-эффекта. Эта разумная стереоселективность подтверждается визуализацией моделей Фелкина-Ахна возможных конформаций цикла. Этот метод представляет собой перспективный способ селективного введения B-этил-, изопропил- и других гликозидов с использованием стандартной химии трихлорацетимидатов.

Гликопептиды с O-связью; фармацевтическое применение O-гликозилированных пептидов

Недавно было показано, что O-связанные гликопептиды демонстрируют отличную проницаемость через ЦНС и эффективность в различных моделях животных с патологиями. Более того, одним из наиболее интересных аспектов является способность O-гликозилирования увеличивать период полувыведения, снижать клиренс и улучшать фармакокинетику/фармакодинамику (PK/PD) активного пептида, помимо увеличения проникновения в ЦНС. Естественное использование сахаров в качестве солюбилизирующих групп в метаболизме II и III фаз (глюкуроновые кислоты) обеспечило эволюционное преимущество, заключающееся в том, что ферменты млекопитающих не эволюционировали для непосредственного расщепления O-гликозилированных продуктов в составе более крупных молекул. Характерной особенностью O-связанных гликопептидов является то, что существует множество примеров соединений, проникающих в ЦНС. Считается, что фундаментальная основа этого эффекта связана с механизмом "перескока через мембрану" или "диффузией скачками". Процесс "диффузии скачками", обусловленный неброуновским движением, предположительно происходит из-за разрывов в плазматической мембране. "Диффузия скачками" сочетает в себе свободную диффузию и межкомпартментальные переходы. Недавние примеры включают высокую проницаемость аналогов мет-энкефалина и других пептидов. Пентапептид DAMGO, полный агонист mOR, также проникает в ЦНС после введения гликозилирования.

N-гликозидные связи в ДНК

Молекулы ДНК содержат 5-членные углеродные кольца, называемые рибозами, которые непосредственно присоединены к двум фосфатным группам и нуклеобазе, содержащей аминогруппы. Атомы азота из аминогруппы в нуклеотидах ковалентно связаны с аномерным углеродом структуры сахара рибозы посредством N-гликозидной связи. Иногда нуклеобазы, присоединенные к рибозе, подвергаются деаминированию, алкилированию или окислению, что приводит к цитотоксическим повреждениям вдоль цепи ДНК. Эти изменения серьезно угрожают целостности молекулы ДНК, что может привести к развитию таких заболеваний, как рак. ДНК-гликозилазы – это ферменты, которые катализируют гидролиз N-гликозидной связи для высвобождения поврежденной или модифицированной нуклеобазы из ДНК, путем расщепления углерод-азотной гликозидной связи у 2'-углерода, с последующим запуском пути исправления за счет удаления основания (BER). Монофункциональные гликозилазы катализируют гидролиз N-гликозидной связи либо по ступенчатому, подобному SN1 механизму, либо согласованному, подобному SN2 механизму. В ступенчатом механизме нуклеобаза выступает в роли уходящей группы до того, как аномерный углерод подвергнется атаке молекулой воды, образуя кратковременный нестабильный промежуточный ион оксакарбения. Этот промежуточный продукт быстро реагирует с находящейся поблизости молекулой воды, замещая N-гликозидную связь между рибозой и нуклеобазой O-гликозидной связью с гидроксильной группой. В согласованном механизме вода выступает в роли нуклеофила и атакует аномерный углерод до того, как нуклеобаза начнет действовать как уходящая группа. Образующийся промежуточный продукт – аналогичный ион оксакарбения, в котором гидроксильные группы и нуклеобаза все еще присоединены к аномерному углероду. Теоретически оба механизма приводят к одному и тому же продукту. Большинство рибонуклеотидов гидролизуются посредством согласованного SN2-подобного механизма, в то время как большинство дезоксирибонуклеотидов проходят через ступенчатый подобный механизм. Эти реакции практически необратимы. Ввиду того, что расщепление N-гликозидной связи в цепи ДНК может привести к неблагоприятным мутагенным и цитотоксическим последствиям в организме, ДНК-гликозилазы также способны катализировать синтез N-гликозидных связей, используя абазисный участок ДНК и специфическую нуклеобазу.