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".
A glycosidic bond or glycosidic linkage is a type of ether bond that joins a carbohydrate (sugar) molecule to another group, which may or may not be another carbohydrate. A glycosidic bond is formed between the hemiacetal or hemiketal group of a saccharide (or a molecule derived from a saccharide) and the hydroxyl group of some compound such as an alcohol. A substance containing a glycosidic bond is a glycoside. The term 'glycoside' is now extended to also cover compounds with bonds formed between hemiacetal (or hemiketal) groups of sugars and several chemical groups other than hydroxyls, such as SR (thioglycosides), SeR (selenoglycosides), NR1R2 (N glycosides), or even CR1R2R3 (C glycosides). Particularly in naturally occurring glycosides, the compound ROH from which the carbohydrate residue has been removed is often termed the aglycone, and the carbohydrate residue itself is sometimes referred to as the 'glycone'.
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.