IChO 1995 · Theory problem 4

Bacterial poly(3-hydroxyalkanoic acids)

Download PDFIChO 1995

Poly[(R)-3-hydroxyalkanoic acids], PHAs, are synthesized by a variety of bacteria and function as intracellular carbon and energy storage materials. These polymers are also biodegradable in environments, such as soil, anaerobic sewage and sea water. The inherent biologically mediated environmental degradability, useful physical properties, slow hydrolytic degradation and other favourable properties make bacterial polyesters exciting materials for both disposable biodegradable plastics (good for a clean environment) and special medical products.

4.1 PHB, Poly(3-hydroxybutanoic acid), produced by bacteria contains only (R)-HB repeating units, while that synthesized by polymer chemists may contain only (R)-HB or only (S)-HB or both (R)-and (S)-HB in an alternating manner or both but in random distributions. Sketch chain structures of the atactic PHB, syndiotactic PHB and isotactic PHBs and denote each chiral carbon with (R) or (S). Five monomeric units are enough for each chain.

{Note: In "PHB", P means "poly" or "polymer of, HB represents the monomeric units contained in poly(3-hydroxybutanoic acid) molecules.)

4.2 Suggest two types of monomers that could be used for polymer chemists to synthesize a PHB, regardless of the stereochemistry of the products.

4.3 Poly[(R)-3-hydroxybutanoic acid] can be synthesized by feeding the bacteria (such as Alcaligenes Eutrophus) with sodium acetate in a nitrogen-free media. It is believed that the key steps for the conversion of acetate to PHB are the activation of acetate molecules by coenzyme A and the subsequent formation of the coenzyme A activated acetoacetate, which is then reduced by a reductase to form coenzyme A activated monomer 3-hydroxybutyrate. Polymerization of the monomer is achieved by a polymerase which would build the polymer molecules with unique stereospecificity. Sketch these steps with structural formulae. For coenzyme A the conventional abbreviation, -S-CoA (-CoA is as good), should be used in the sketch.

4.4 If sodium propanoate is used (as the sole carbon source) in the feeding media instead of sodium acetate, the principal product will be a copolymer of 3-hydroxybutanoic acid and 3-hydroxypentanoic acid with the following generalized structure:

Rationalize the result.

(Note: Two different monomers are needed for the formation of the copolymer. The letters m and n in the structural formula are numbers of the units and have nothing to do with the answer, in other words, you may leave them out in your answer.)

Official English text of the problem.

Answers

In the abbreviated CoA SMILES below, * represents the unchanged CoA residue beyond sulfur, consistent with the abbreviation requested in the problem.

4.1: Along the PHB backbone, representative five-unit configurations are:
Atactic: \(R,R,S,S,R\), illustrating an irregular sequence.
Syndiotactic: \(R,S,R,S,R\).
Isotactic: \(R,R,R,R,R\) or \(S,S,S,S,S\).

Explicit five-unit structures are given below.

4.2: 3-Hydroxybutanoic acid, CC(O)CC(=O)O, by polycondensation; and β-butyrolactone (4-methyloxetan-2-one), CC1CC(=O)O1, by ring-opening polymerization.
4.3: Activation gives acetyl-CoA, CC(=O)S*. Condensation of two molecules gives acetoacetyl-CoA, CC(=O)CC(=O)S*; stereoselective reduction gives (R)-3-hydroxybutanoyl-CoA, C[C@@H](O)CC(=O)S*, which polymerizes to all-\((R)\) PHB.
4.4: Propanoate supplies propionyl-CoA, CCC(=O)S*, and, through metabolism, acetyl-CoA. Combining two acetyl units gives the four-carbon monomer; combining acetyl and propionyl units gives (R)-3-hydroxypentanoyl-CoA, CC[C@@H](O)CC(=O)S*. Incorporation of both activated hydroxyacids produces the copolymer.

Solution

4.1 — Tacticity and five-unit structures

The PHB backbone consists of repetitions of

\[ \ce{-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-}. \]

The carbon bearing the methyl group is the stereogenic carbon. Its substituent priorities are oxygen \(>\) the chain through \(\ce{CH2C(=O)}\) \(>\) methyl \(>\) hydrogen.

For an explicit sketch, draw five consecutive copies of this backbone and label their stereogenic carbons, from left to right, with the configurations below. The following SMILES represent five-unit chains with hydroxyl and carboxylic acid end groups; these end groups simply make each example a complete molecule.

Atactic PHB, illustrative sequence \(R,R,S,S,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
Syndiotactic PHB, sequence \(R,S,R,S,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
Isotactic poly[(R)-3-hydroxybutanoic acid], sequence \(R,R,R,R,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
Isotactic poly[(S)-3-hydroxybutanoic acid], sequence \(S,S,S,S,S\):
O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O

Atactic means that the configurations are distributed randomly along the polymer; the displayed five-unit sequence is one example. Syndiotactic means alternating configurations, whereas isotactic means identical configurations throughout. These descriptions specify configuration independently of the chain’s conformation.

4.2 — Two suitable monomer types

Hydroxyacid route.
3-Hydroxybutanoic acid, CC(O)CC(=O)O, contains both the alcohol and carboxylic acid groups needed for polyester formation:

\[ \ce{HO-CH(CH3)-CH2-C(=O)OH}. \]

Define a hydroxyl/carboxyl-ended PHB chain containing \(n\) units as

\[ P_n=\ce{H[-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-]_{n}OH}. \]

Its polycondensation balance is

\[ n\,\ce{HO-CH(CH3)-CH2-C(=O)OH} \longrightarrow P_n+(n-1)\,\ce{H2O}. \]

There are \(n-1\) ester links between \(n\) monomers, so \(n-1\) molecules of water, O, are eliminated.

Lactone route.
β-Butyrolactone, or 4-methyloxetan-2-one, CC1CC(=O)O1, is the corresponding cyclic ester. Its four-membered ring follows the order

\[ \ce{O-C(=O)-CH2-CH(CH3)} \]

with a closing bond from the last carbon back to oxygen. Opening this ring supplies exactly the PHB backbone connectivity.

For the same hydroxyl/carboxyl end groups, the overall balance, including end-group work-up, is

\[ n\,\underbrace{\ce{C4H6O2}}_{\text{β-butyrolactone}} +\ce{H2O} \xrightarrow{\text{ring-opening polymerization}} P_n. \]

The water accounts for the chosen terminal groups. The stereochemistry of either monomer is unrestricted in this part.

4.3 — Biosynthesis from acetate

Sodium acetate, CC(=O)[O-].[Na+], supplies acetate ion, CC(=O)[O-]; sodium ion, [Na+], is a spectator.

Coenzyme A in its thiol form is written \(\ce{HS-CoA}\), with abbreviated SMILES S*. Below, activation is expressed as its balanced condensation component, driven by metabolic energy coupling. Reduction is expressed as a balanced half-reaction: protons, [H+], and electrons represent the reducing equivalents supplied by cellular cofactors.

Activation to acetyl-CoA

\[ \ce{CH3COO^- + H+ + HS-CoA -> CH3C(=O)S-CoA + H2O}. \]

The product is acetyl-CoA, CC(=O)S*, a thioester that activates the acetate-derived acyl group.

Condensation to acetoacetyl-CoA

\[ \ce{2 CH3C(=O)S-CoA -> CH3C(=O)CH2C(=O)S-CoA + HS-CoA}. \]

The product is acetoacetyl-CoA (3-oxobutanoyl-CoA), CC(=O)CC(=O)S*.

This is a Claisen-type condensation. The carbon nucleophile formed at the methyl group of one acetyl-CoA attacks the thioester carbonyl of another. Acyl substitution forms the carbon–carbon bond and releases coenzyme A. Two two-carbon precursors thereby produce the required four-carbon skeleton.

Stereoselective reduction

\[ \ce{CH3C(=O)CH2C(=O)S-CoA + 2H+ + 2e- -> CH3CH(OH)CH2C(=O)S-CoA}. \]

The reductase produces specifically (R)-3-hydroxybutanoyl-CoA, C[C@@H](O)CC(=O)S*, denoted \(B_4\). Reduction of the ketone creates the stereogenic carbon; the thioester remains available for polymerization.

Polymerization

The hydroxy group and activated carboxyl group of different monomers form ester links, releasing coenzyme A. For the hydroxyl/carboxyl-ended chain used above, the overall balance including hydrolytic termination is

\[ n\,B_4+\ce{H2O} \xrightarrow{\text{polymerase}} P_n^{(R)}+n\,\ce{HS-CoA}, \]

where

\[ P_n^{(R)} = \ce{H[-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-]_{n}OH} \]

has configuration \((R)\) at every stereogenic carbon.

The water accounts for hydrolysis of the final activated chain end. Ester formation occurs at the acyl carbon, so the \((R)\) configurations of the incorporated monomers are retained.

4.4 — Why propanoate gives both four- and five-carbon repeats

Sodium propanoate, CCC(=O)[O-].[Na+], supplies propanoate ion, CCC(=O)[O-]. Its activation gives propionyl-CoA, CCC(=O)S*:

\[ \ce{CH3CH2COO^- + H+ + HS-CoA -> CH3CH2C(=O)S-CoA + H2O}. \]

The carbon source is metabolized before polymer incorporation. Part of the propanoate-derived material supplies acetyl-CoA through oxidative metabolism. A balanced net oxidation expressing this carbon shortening is

\[ \ce{CH3CH2C(=O)S-CoA + 2H2O -> CH3C(=O)S-CoA + CO2 + 6H+ + 6e-}. \]

Here carbon dioxide is O=C=O. This equation gives the overall carbon and redox balance of a multistep conversion.

Consequently, the cells have both two-carbon acetyl-CoA and three-carbon propionyl-CoA available:

\[ \begin{aligned} 2+2&=4 &&\text{carbons for the HB precursor},\\ 2+3&=5 &&\text{carbons for the HV precursor}. \end{aligned} \]

The four-carbon route is the acetyl-CoA self-condensation and reduction already shown in 4.3.

For the five-carbon route, acetyl-CoA supplies the carbon nucleophile and propionyl-CoA supplies the acyl group:

\[ \ce{CH3C(=O)S-CoA + CH3CH2C(=O)S-CoA -> CH3CH2C(=O)CH2C(=O)S-CoA + HS-CoA}. \]

The product is 3-oxopentanoyl-CoA, CCC(=O)CC(=O)S*. Stereoselective reduction then gives

\[ \ce{CH3CH2C(=O)CH2C(=O)S-CoA + 2H+ + 2e- -> CH3CH2CH(OH)CH2C(=O)S-CoA}. \]

The product is (R)-3-hydroxypentanoyl-CoA, CC[C@@H](O)CC(=O)S*, denoted \(B_5\).

The two activated monomers correspond to:

Hydroxyacid	SMILES	Resulting polyester repeat
(R)-3-Hydroxybutanoic acid	`C[C@@H](O)CC(=O)O`	\(\ce{-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-}\)
(R)-3-Hydroxypentanoic acid	`CC[C@@H](O)CC(=O)O`	\(\ce{-O-CH(CH2CH3)-CH2-C(=O)-}\)

Their incorporation produces poly[(R)-3-hydroxybutyrate-co-(R)-3-hydroxyvalerate], commonly called PHBV. An illustrative HB–HV pair, represented as a hydroxyl/carboxyl-ended dimer, has SMILES:

O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](CC)CC(=O)O

For a chain containing \(m\) HB units and \(n\) HV units, the corresponding overall polymerization balance is

\[ mB_4+nB_5+\ce{H2O} \xrightarrow{\text{polymerase}} P_{m,n}+(m+n)\,\ce{HS-CoA}. \]

Thus, one supplied carbon source can generate two distinct activated monomers through metabolism. The generalized formula identifies the two repeat-unit types; it does not determine their sequence or relative amounts.

The solution was checked against the official solution.

IChO 1995 · Theorieaufgabe 4

Bakterielle Poly(3-hydroxyalkansäuren)

PDF herunterladenIChO 1995

Poly[(R)-3-hydroxyalkansäuren], PHAs, werden von einer Vielzahl von Bakterien synthetisiert und dienen als intrazelluläre Kohlenstoff- und Energiespeicher. Diese Polymere sind auch in Umgebungen wie Böden, anaeroben Abwässern und Meerwasser biologisch abbaubar. Die ihnen eigene biologisch vermittelte Abbaubarkeit in der Umwelt, nützliche physikalische Eigenschaften, langsamer hydrolytischer Abbau und weitere günstige Eigenschaften machen bakterielle Polyester zu vielversprechenden Materialien sowohl für biologisch abbaubare Einwegkunststoffe (gut für eine saubere Umwelt) als auch für spezielle Medizinprodukte.

4.1 PHB, Poly(3-hydroxybutansäure), das von Bakterien produziert wird, enthält ausschließlich (R)-HB-Wiederholungseinheiten, während das von Polymerchemikern synthetisierte PHB ausschließlich (R)-HB oder ausschließlich (S)-HB oder sowohl (R)- als auch (S)-HB in alternierender Anordnung oder beide in zufälliger Verteilung enthalten kann. Skizzieren Sie die Kettenstrukturen von ataktischem PHB, syndiotaktischem PHB und isotaktischen PHBs und kennzeichnen Sie jedes chirale Kohlenstoffatom mit (R) oder (S). Fünf Monomereinheiten reichen für jede Kette aus.

{Hinweis: In „PHB“ bedeutet P „Poly“ oder „Polymer aus“, HB bezeichnet die in Poly(3-hydroxybutansäure)-Molekülen enthaltenen Monomereinheiten.)

4.2 Schlagen Sie zwei Monomertypen vor, die Polymerchemiker zur Synthese eines PHB verwenden könnten, unabhängig von der Stereochemie der Produkte.

4.3 Poly[(R)-3-hydroxybutansäure] kann synthetisiert werden, indem man Bakterien (wie Alcaligenes Eutrophus) in einem stickstofffreien Medium mit Natriumacetat versorgt. Man nimmt an, dass die entscheidenden Schritte bei der Umwandlung von Acetat in PHB die Aktivierung der Acetatmoleküle durch Coenzym A und die anschließende Bildung von durch Coenzym A aktiviertem Acetoacetat sind, das dann durch eine Reduktase zum durch Coenzym A aktivierten Monomer 3-Hydroxybutyrat reduziert wird. Die Polymerisation des Monomers erfolgt durch eine Polymerase, die die Polymermoleküle mit eindeutiger Stereospezifität aufbaut. Skizzieren Sie diese Schritte mit Strukturformeln. Für Coenzym A sollte in der Skizze die übliche Abkürzung -S-CoA (-CoA ist ebenso zulässig) verwendet werden.

4.4 Wird im Nährmedium anstelle von Natriumacetat Natriumpropanoat (als einzige Kohlenstoffquelle) verwendet, so ist das Hauptprodukt ein Copolymer aus 3-Hydroxybutansäure und 3-Hydroxypentansäure mit der folgenden allgemeinen Struktur:

Begründen Sie dieses Ergebnis.

(Hinweis: Für die Bildung des Copolymers werden zwei verschiedene Monomere benötigt. Die Buchstaben m und n in der Strukturformel geben die Anzahlen der Einheiten an und haben mit der Antwort nichts zu tun; mit anderen Worten, Sie können sie in Ihrer Antwort weglassen.)

Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.

Antworten

In den nachstehenden abgekürzten CoA-SMILES steht * für den unveränderten CoA-Rest jenseits des Schwefelatoms, entsprechend der in der Aufgabe geforderten Abkürzung.

4.1: Entlang der PHB-Hauptkette lauten repräsentative Konfigurationen für fünf Einheiten:
Ataktisch: \(R,R,S,S,R\), als Beispiel für eine unregelmäßige Sequenz.
Syndiotaktisch: \(R,S,R,S,R\).
Isotaktisch: \(R,R,R,R,R\) oder \(S,S,S,S,S\).

Explizite Strukturen mit fünf Einheiten sind unten angegeben.

4.2: 3-Hydroxybutansäure, CC(O)CC(=O)O, durch Polykondensation; und β-Butyrolacton (4-Methyloxetan-2-on), CC1CC(=O)O1, durch ringöffnende Polymerisation.
4.3: Die Aktivierung ergibt Acetyl-CoA, CC(=O)S*. Die Kondensation zweier Moleküle ergibt Acetoacetyl-CoA, CC(=O)CC(=O)S*; die stereoselektive Reduktion ergibt (R)-3-Hydroxybutanoyl-CoA, C[C@@H](O)CC(=O)S*, das zu ausschließlich \((R)\)-konfiguriertem PHB polymerisiert.
4.4: Propanoat liefert Propionyl-CoA, CCC(=O)S*, und über den Stoffwechsel Acetyl-CoA. Die Verknüpfung zweier Acetyleinheiten ergibt das Monomer mit vier Kohlenstoffatomen; die Verknüpfung von Acetyl- und Propionyleinheiten ergibt (R)-3-Hydroxypentanoyl-CoA, CC[C@@H](O)CC(=O)S*. Der Einbau beider aktivierter Hydroxysäuren führt zum Copolymer.

Lösung

4.1 — Taktizität und Strukturen mit fünf Einheiten

Die PHB-Hauptkette besteht aus Wiederholungen von

\[ \ce{-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-}. \]

Das Kohlenstoffatom, das die Methylgruppe trägt, ist das stereogene Kohlenstoffatom. Die Prioritätsreihenfolge seiner Substituenten ist Sauerstoff \(>\) die Kette über \(\ce{CH2C(=O)}\) \(>\) Methyl \(>\) Wasserstoff.

Für eine explizite Skizze zeichnen Sie fünf aufeinanderfolgende Wiederholungen dieser Hauptketteneinheit und kennzeichnen deren stereogene Kohlenstoffatome von links nach rechts mit den nachstehenden Konfigurationen. Die folgenden SMILES stellen Ketten aus fünf Einheiten mit Hydroxy- und Carboxy-Endgruppen dar; diese Endgruppen machen jedes Beispiel lediglich zu einem vollständigen Molekül.

Ataktisches PHB, beispielhafte Sequenz \(R,R,S,S,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
Syndiotaktisches PHB, Sequenz \(R,S,R,S,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
Isotaktische Poly[(R)-3-hydroxybutansäure], Sequenz \(R,R,R,R,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
Isotaktische Poly[(S)-3-hydroxybutansäure], Sequenz \(S,S,S,S,S\):
O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O

Ataktisch bedeutet, dass die Konfigurationen zufällig entlang des Polymers verteilt sind; die dargestellte Sequenz aus fünf Einheiten ist ein Beispiel. Syndiotaktisch bedeutet alternierende Konfigurationen, während isotaktisch durchgehend identische Konfigurationen bedeutet. Diese Beschreibungen legen die Konfiguration unabhängig von der Konformation der Kette fest.

4.2 — Zwei geeignete Monomertypen

Syntheseweg über die Hydroxysäure.
3-Hydroxybutansäure, CC(O)CC(=O)O, enthält sowohl die Alkohol- als auch die Carbonsäuregruppen, die für die Polyesterbildung benötigt werden:

\[ \ce{HO-CH(CH3)-CH2-C(=O)OH}. \]

Eine PHB-Kette mit Hydroxy- und Carboxy-Endgruppen, die \(n\) Einheiten enthält, sei definiert als

\[ P_n=\ce{H[-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-]_{n}OH}. \]

Ihre Polykondensationsbilanz lautet

\[ n\,\ce{HO-CH(CH3)-CH2-C(=O)OH} \longrightarrow P_n+(n-1)\,\ce{H2O}. \]

Zwischen \(n\) Monomeren gibt es \(n-1\) Esterbindungen, sodass \(n-1\) Moleküle Wasser, O, abgespalten werden.

Syntheseweg über das Lacton.
β-Butyrolacton oder 4-Methyloxetan-2-on, CC1CC(=O)O1, ist der entsprechende cyclische Ester. Sein viergliedriger Ring weist die Reihenfolge

\[ \ce{O-C(=O)-CH2-CH(CH3)} \]

auf, mit einer ringschließenden Bindung vom letzten Kohlenstoffatom zurück zum Sauerstoffatom. Die Öffnung dieses Rings liefert genau die Verknüpfungsfolge der PHB-Hauptkette.

Für dieselben Hydroxy- und Carboxy-Endgruppen lautet die Gesamtbilanz einschließlich der Aufarbeitung zur Bildung der Endgruppen

\[ n\,\underbrace{\ce{C4H6O2}}_{\text{β-Butyrolacton}} +\ce{H2O} \xrightarrow{\text{ringöffnende Polymerisation}} P_n. \]

Das Wasser berücksichtigt die gewählten Endgruppen. Die Stereochemie beider Monomere unterliegt in diesem Aufgabenteil keiner Einschränkung.

4.3 — Biosynthese aus Acetat

Natriumacetat, CC(=O)[O-].[Na+], liefert das Acetation, CC(=O)[O-]; das Natriumion, [Na+], ist ein Zuschauerion.

Coenzym A in seiner Thiolform wird als \(\ce{HS-CoA}\) geschrieben, mit dem abgekürzten SMILES S*. Im Folgenden wird die Aktivierung durch ihren stöchiometrisch ausgeglichenen Kondensationsanteil dargestellt, der durch energetische Kopplung im Stoffwechsel angetrieben wird. Die Reduktion wird als ausgeglichene Halbreaktion dargestellt: Protonen, [H+], und Elektronen repräsentieren die von zellulären Cofaktoren bereitgestellten Reduktionsäquivalente.

Aktivierung zu Acetyl-CoA

\[ \ce{CH3COO^- + H+ + HS-CoA -> CH3C(=O)S-CoA + H2O}. \]

Das Produkt ist Acetyl-CoA, CC(=O)S*, ein Thioester, der die vom Acetat stammende Acylgruppe aktiviert.

Kondensation zu Acetoacetyl-CoA

\[ \ce{2 CH3C(=O)S-CoA -> CH3C(=O)CH2C(=O)S-CoA + HS-CoA}. \]

Das Produkt ist Acetoacetyl-CoA (3-Oxobutanoyl-CoA), CC(=O)CC(=O)S*.

Dies ist eine Kondensation vom Claisen-Typ. Das an der Methylgruppe eines Acetyl-CoA gebildete Kohlenstoffnucleophil greift die Thioester-Carbonylgruppe eines anderen an. Durch Acylsubstitution wird die Kohlenstoff–Kohlenstoff-Bindung gebildet und Coenzym A freigesetzt. Zwei Vorstufen mit jeweils zwei Kohlenstoffatomen ergeben somit das erforderliche Gerüst aus vier Kohlenstoffatomen.

Stereoselektive Reduktion

\[ \ce{CH3C(=O)CH2C(=O)S-CoA + 2H+ + 2e- -> CH3CH(OH)CH2C(=O)S-CoA}. \]

Die Reduktase erzeugt spezifisch (R)-3-Hydroxybutanoyl-CoA, C[C@@H](O)CC(=O)S*, bezeichnet als \(B_4\). Durch die Reduktion des Ketons entsteht das stereogene Kohlenstoffatom; der Thioester bleibt für die Polymerisation verfügbar.

Polymerisation

Die Hydroxygruppe und die aktivierte Carboxygruppe verschiedener Monomere bilden unter Freisetzung von Coenzym A Esterbindungen. Für die oben verwendete Kette mit Hydroxy- und Carboxy-Endgruppen lautet die Gesamtbilanz einschließlich des hydrolytischen Kettenabbruchs

\[ n\,B_4+\ce{H2O} \xrightarrow{\text{Polymerase}} P_n^{(R)}+n\,\ce{HS-CoA}, \]

wobei

\[ P_n^{(R)} = \ce{H[-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-]_{n}OH} \]

an jedem stereogenen Kohlenstoffatom die Konfiguration \((R)\) aufweist.

Das Wasser berücksichtigt die Hydrolyse des letzten aktivierten Kettenendes. Die Esterbildung erfolgt am Acyl-Kohlenstoffatom, sodass die \((R)\)-Konfigurationen der eingebauten Monomere erhalten bleiben.

4.4 — Warum Propanoat Wiederholungseinheiten mit sowohl vier als auch fünf Kohlenstoffatomen ergibt

Natriumpropanoat, CCC(=O)[O-].[Na+], liefert das Propanoation, CCC(=O)[O-]. Seine Aktivierung ergibt Propionyl-CoA, CCC(=O)S*:

\[ \ce{CH3CH2COO^- + H+ + HS-CoA -> CH3CH2C(=O)S-CoA + H2O}. \]

Die Kohlenstoffquelle wird vor dem Einbau in das Polymer verstoffwechselt. Ein Teil des aus Propanoat stammenden Materials liefert durch oxidativen Stoffwechsel Acetyl-CoA. Eine ausgeglichene Nettogleichung der Oxidation, die diese Verkürzung der Kohlenstoffkette ausdrückt, lautet

\[ \ce{CH3CH2C(=O)S-CoA + 2H2O -> CH3C(=O)S-CoA + CO2 + 6H+ + 6e-}. \]

Hier ist Kohlenstoffdioxid O=C=O. Diese Gleichung gibt die gesamte Kohlenstoff- und Redoxbilanz einer mehrstufigen Umwandlung wieder.

Folglich stehen den Zellen sowohl Acetyl-CoA mit zwei Kohlenstoffatomen als auch Propionyl-CoA mit drei Kohlenstoffatomen zur Verfügung:

\[ \begin{aligned} 2+2&=4 &&\text{Kohlenstoffatome für die HB-Vorstufe},\\ 2+3&=5 &&\text{Kohlenstoffatome für die HV-Vorstufe}. \end{aligned} \]

Der Syntheseweg zum Monomer mit vier Kohlenstoffatomen besteht aus der bereits in 4.3 gezeigten Selbstkondensation von Acetyl-CoA und der anschließenden Reduktion.

Beim Syntheseweg zum Monomer mit fünf Kohlenstoffatomen liefert Acetyl-CoA das Kohlenstoffnucleophil und Propionyl-CoA die Acylgruppe:

\[ \ce{CH3C(=O)S-CoA + CH3CH2C(=O)S-CoA -> CH3CH2C(=O)CH2C(=O)S-CoA + HS-CoA}. \]

Das Produkt ist 3-Oxopentanoyl-CoA, CCC(=O)CC(=O)S*. Die stereoselektive Reduktion ergibt anschließend

\[ \ce{CH3CH2C(=O)CH2C(=O)S-CoA + 2H+ + 2e- -> CH3CH2CH(OH)CH2C(=O)S-CoA}. \]

Das Produkt ist (R)-3-Hydroxypentanoyl-CoA, CC[C@@H](O)CC(=O)S*, bezeichnet als \(B_5\).

Die beiden aktivierten Monomere entsprechen:

Hydroxysäure	SMILES	Entstehende Polyester-Wiederholungseinheit
(R)-3-Hydroxybutansäure	`C[C@@H](O)CC(=O)O`	\(\ce{-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-}\)
(R)-3-Hydroxypentansäure	`CC[C@@H](O)CC(=O)O`	\(\ce{-O-CH(CH2CH3)-CH2-C(=O)-}\)

Ihr Einbau führt zu Poly[(R)-3-hydroxybutyrat-co-(R)-3-hydroxyvalerat], üblicherweise PHBV genannt. Ein beispielhaftes HB–HV-Paar, dargestellt als Dimer mit Hydroxy- und Carboxy-Endgruppen, hat den SMILES:

O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](CC)CC(=O)O

Für eine Kette mit \(m\) HB-Einheiten und \(n\) HV-Einheiten lautet die entsprechende Gesamtbilanz der Polymerisation

\[ mB_4+nB_5+\ce{H2O} \xrightarrow{\text{Polymerase}} P_{m,n}+(m+n)\,\ce{HS-CoA}. \]

Somit kann eine einzige zugeführte Kohlenstoffquelle über den Stoffwechsel zwei unterschiedliche aktivierte Monomere hervorbringen. Die allgemeine Formel kennzeichnet die beiden Arten von Wiederholungseinheiten; sie legt weder deren Reihenfolge noch deren relative Mengen fest.

Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.

IChO 1995 · Teori sorusu 4

Bakteriyel poli(3-hidroksialkanoik asitler)

PDF indirIChO 1995

Poli[(R)-3-hidroksialkanoik asitler], PHA'lar, çeşitli bakteriler tarafından sentezlenir ve hücre içi karbon ve enerji depolama maddeleri olarak işlev görür. Bu polimerler ayrıca toprak, anaerobik atık su ve deniz suyu gibi ortamlarda biyolojik olarak parçalanabilir. Doğaları gereği çevrede biyolojik süreçler aracılığıyla parçalanabilmeleri, kullanışlı fiziksel özellikleri, hidrolitik parçalanmalarının yavaş olması ve diğer elverişli özellikleri, bakteriyel poliesterleri hem tek kullanımlık, biyolojik olarak parçalanabilen plastikler (temiz bir çevre için yararlıdır) hem de özel tıbbi ürünler açısından ilgi çekici malzemeler hâline getirir.

4.1 Bakteriler tarafından üretilen PHB, poli(3-hidroksibütanoik asit), yalnızca (R)-HB tekrar birimleri içerirken, polimer kimyacıları tarafından sentezlenen PHB yalnızca (R)-HB veya yalnızca (S)-HB ya da dönüşümlü olarak hem (R)- hem de (S)-HB veya rastgele dağılımlarla her ikisini birden içerebilir. Ataktik PHB'nin, sindiyotaktik PHB'nin ve izotaktik PHB'lerin zincir yapılarını çiziniz ve her kiral karbonu (R) veya (S) ile belirtiniz. Her zincir için beş monomer birimi yeterlidir.

{Not: "PHB" kısaltmasında P, "poli" veya "polimeri" anlamına gelir; HB ise poli(3-hidroksibütanoik asit) moleküllerinde bulunan monomer birimlerini temsil eder.)

4.2 Ürünlerin stereokimyasından bağımsız olarak, polimer kimyacılarının bir PHB sentezlemek için kullanabileceği iki monomer türü öneriniz.

4.3 Poli[(R)-3-hidroksibütanoik asit], bakterilerin (Alcaligenes Eutrophus gibi) azot içermeyen bir ortamda sodyum asetatla beslenmesiyle sentezlenebilir. Asetatın PHB'ye dönüşümündeki temel basamakların, asetat moleküllerinin koenzim A ile etkinleştirilmesi ve ardından koenzim A ile etkinleştirilmiş asetoasetatın oluşması olduğu düşünülmektedir; bu asetoasetat daha sonra bir redüktaz tarafından indirgenerek koenzim A ile etkinleştirilmiş 3-hidroksibütirat monomerini oluşturur. Monomerin polimerleşmesi, polimer moleküllerini tek bir stereospesifiklikle oluşturacak bir polimeraz tarafından gerçekleştirilir. Bu basamakları yapı formülleriyle çiziniz. Çizimde koenzim A için geleneksel -S-CoA kısaltması (-CoA da uygundur) kullanılmalıdır.

4.4 Besleme ortamında sodyum asetat yerine (tek karbon kaynağı olarak) sodyum propanoat kullanılırsa, başlıca ürün, aşağıdaki genel yapıya sahip bir 3-hidroksibütanoik asit ve 3-hidroksipentanoik asit kopolimeri olacaktır:

Bu sonucu gerekçelendiriniz.

(Not: Kopolimerin oluşması için iki farklı monomer gereklidir. Yapı formülündeki m ve n harfleri birim sayılarını gösterir ve cevapla bir ilgileri yoktur; başka bir deyişle, cevabınızda bunları kullanmayabilirsiniz.)

Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.

Cevaplar

Aşağıdaki kısaltılmış CoA SMILES gösterimlerinde *, soruda istenen kısaltmayla uyumlu olarak, kükürdün ötesindeki değişmeden kalan CoA kalıntısını temsil eder.

4.1: PHB ana zinciri boyunca, beş birimlik temsili konfigürasyonlar şöyledir:
Ataktik: Düzensiz bir dizilimi örnekleyen \(R,R,S,S,R\).
Sindiyotaktik: \(R,S,R,S,R\).
İzotaktik: \(R,R,R,R,R\) veya \(S,S,S,S,S\).

Beş birimlik açık yapılar aşağıda verilmiştir.

4.2: Polikondenzasyon yoluyla 3-hidroksibütanoik asit, CC(O)CC(=O)O; ve halka açılma polimerleşmesi yoluyla β-bütirolakton (4-metiloksetan-2-on), CC1CC(=O)O1.
4.3: Etkinleştirme, asetil-CoA, CC(=O)S*, verir. İki molekülün kondenzasyonu asetoasetil-CoA, CC(=O)CC(=O)S*, verir; stereoseçici indirgenme (R)-3-hidroksibütanoil-CoA, C[C@@H](O)CC(=O)S*, verir ve bu, tüm birimleri \((R)\) olan PHB'ye polimerleşir.
4.4: Propanoat, propiyonil-CoA, CCC(=O)S*, ve metabolizma yoluyla asetil-CoA sağlar. İki asetil biriminin birleşmesi dört karbonlu monomeri; asetil ve propiyonil birimlerinin birleşmesi ise (R)-3-hidroksipentanoil-CoA, CC[C@@H](O)CC(=O)S*, verir. Etkinleştirilmiş her iki hidroksiasidin polimere katılması kopolimeri oluşturur.

Çözüm

4.1 — Taktisite ve beş birimlik yapılar

PHB ana zinciri, aşağıdaki birimin tekrarlarından oluşur:

\[ \ce{-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-}. \]

Metil grubunu taşıyan karbon, stereojenik karbondur. Bu karbona bağlı grupların öncelik sırası oksijen \(>\) \(\ce{CH2C(=O)}\) üzerinden ilerleyen zincir \(>\) metil \(>\) hidrojendir.

Açık bir çizim için, bu ana zincir birimini art arda beş kez çiziniz ve stereojenik karbonlarını soldan sağa aşağıdaki konfigürasyonlarla işaretleyiniz. Aşağıdaki SMILES gösterimleri, hidroksil ve karboksilik asit uç gruplarına sahip beş birimlik zincirleri temsil eder; bu uç grupları yalnızca her bir örneği tam bir molekül hâline getirir.

Ataktik PHB, örnek dizilim \(R,R,S,S,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
Sindiyotaktik PHB, dizilim \(R,S,R,S,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
İzotaktik poli[(R)-3-hidroksibütanoik asit], dizilim \(R,R,R,R,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
İzotaktik poli[(S)-3-hidroksibütanoik asit], dizilim \(S,S,S,S,S\):
O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O

Ataktik, konfigürasyonların polimer boyunca rastgele dağıldığı anlamına gelir; gösterilen beş birimlik dizilim bir örnektir. Sindiyotaktik, konfigürasyonların dönüşümlü olması anlamına gelirken, izotaktik, zincirin tamamında aynı konfigürasyonun bulunması anlamına gelir. Bu tanımlamalar, konfigürasyonu zincirin konformasyonundan bağımsız olarak belirtir.

4.2 — İki uygun monomer türü

Hidroksiasit yolu.
3-Hidroksibütanoik asit, CC(O)CC(=O)O, poliester oluşumu için gerekli olan hem alkol hem de karboksilik asit gruplarını içerir:

\[ \ce{HO-CH(CH3)-CH2-C(=O)OH}. \]

\(n\) birim içeren, hidroksil/karboksil uçlu bir PHB zincirini şöyle tanımlayalım:

\[ P_n=\ce{H[-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-]_{n}OH}. \]

Polikondenzasyonunun denkliği şöyledir:

\[ n\,\ce{HO-CH(CH3)-CH2-C(=O)OH} \longrightarrow P_n+(n-1)\,\ce{H2O}. \]

\(n\) monomer arasında \(n-1\) ester bağı vardır; dolayısıyla \(n-1\) su molekülü, O, ayrılır.

Lakton yolu.
β-Bütirolakton veya 4-metiloksetan-2-on, CC1CC(=O)O1, karşılık gelen halkalı esterdir. Dört üyeli halkası şu sırayı izler:

\[ \ce{O-C(=O)-CH2-CH(CH3)} \]

Son karbondan tekrar oksijene uzanan bir bağ halkayı kapatır. Bu halkanın açılması, PHB ana zincirindeki bağlanma düzenini tam olarak sağlar.

Aynı hidroksil/karboksil uç grupları için, uç gruplarını oluşturmak üzere yapılan son işlemler de dâhil olmak üzere toplam denklik şöyledir:

\[ n\,\underbrace{\ce{C4H6O2}}_{\text{β-bütirolakton}} +\ce{H2O} \xrightarrow{\text{halka açılma polimerleşmesi}} P_n. \]

Su, seçilen uç gruplarını sağlamak için yer alır. Bu kısımda her iki monomerin de stereokimyası serbesttir.

4.3 — Asetattan biyosentez

Sodyum asetat, CC(=O)[O-].[Na+], asetat iyonu, CC(=O)[O-], sağlar; sodyum iyonu, [Na+], seyirci iyondur.

Tiyol biçimindeki koenzim A, \(\ce{HS-CoA}\) şeklinde yazılır; kısaltılmış SMILES gösterimi S* şeklindedir. Aşağıda etkinleştirme, metabolik enerjiyle eşleşme sayesinde yürüyen denkleştirilmiş kondenzasyon bileşeni olarak ifade edilmiştir. İndirgenme, denkleştirilmiş bir yarı tepkime olarak ifade edilmiştir: protonlar, [H+], ve elektronlar, hücresel kofaktörlerin sağladığı indirgeme eşdeğerlerini temsil eder.

Asetil-CoA'ya etkinleştirme

\[ \ce{CH3COO^- + H+ + HS-CoA -> CH3C(=O)S-CoA + H2O}. \]

Ürün, asetattan türeyen açil grubunu etkinleştiren bir tiyoester olan asetil-CoA, CC(=O)S*, bileşiğidir.

Asetoasetil-CoA'ya kondenzasyon

\[ \ce{2 CH3C(=O)S-CoA -> CH3C(=O)CH2C(=O)S-CoA + HS-CoA}. \]

Ürün asetoasetil-CoA (3-oksobütanoil-CoA), CC(=O)CC(=O)S*, bileşiğidir.

Bu, Claisen tipi bir kondenzasyondur. Bir asetil-CoA'nın metil grubunda oluşan karbon nükleofili, diğerinin tiyoester karboniline saldırır. Açil sübstitüsyonu karbon–karbon bağını oluşturur ve koenzim A'yı serbest bırakır. Böylece iki karbonlu iki öncül, gerekli dört karbonlu iskeleti oluşturur.

Stereoseçici indirgenme

\[ \ce{CH3C(=O)CH2C(=O)S-CoA + 2H+ + 2e- -> CH3CH(OH)CH2C(=O)S-CoA}. \]

Redüktaz, özgül olarak \(B_4\) ile gösterilen (R)-3-hidroksibütanoil-CoA, C[C@@H](O)CC(=O)S*, üretir. Ketonun indirgenmesi stereojenik karbonu oluşturur; tiyoester, polimerleşme için kullanılabilir durumda kalır.

Polimerleşme

Farklı monomerlerin hidroksi grubu ve etkinleştirilmiş karboksil grubu, koenzim A'yı serbest bırakarak ester bağları oluşturur. Yukarıda kullanılan hidroksil/karboksil uçlu zincir için, hidrolitik sonlanma da dâhil olmak üzere toplam denklik şöyledir:

\[ n\,B_4+\ce{H2O} \xrightarrow{\text{polimeraz}} P_n^{(R)}+n\,\ce{HS-CoA}, \]

burada

\[ P_n^{(R)} = \ce{H[-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-]_{n}OH} \]

her stereojenik karbonunda \((R)\) konfigürasyonuna sahiptir.

Su, son etkinleştirilmiş zincir ucunun hidrolizi için yer alır. Ester oluşumu açil karbonunda gerçekleştiğinden, zincire katılan monomerlerin \((R)\) konfigürasyonları korunur.

4.4 — Propanoat neden hem dört hem de beş karbonlu tekrar birimleri verir?

Sodyum propanoat, CCC(=O)[O-].[Na+], propanoat iyonu, CCC(=O)[O-], sağlar. Bunun etkinleştirilmesi propiyonil-CoA, CCC(=O)S*, verir:

\[ \ce{CH3CH2COO^- + H+ + HS-CoA -> CH3CH2C(=O)S-CoA + H2O}. \]

Karbon kaynağı, polimere katılmadan önce metabolize edilir. Propanoattan türeyen maddenin bir kısmı, oksidatif metabolizma yoluyla asetil-CoA sağlar. Karbon zincirindeki bu kısalmayı ifade eden denkleştirilmiş bir net yükseltgenme tepkimesi şöyledir:

\[ \ce{CH3CH2C(=O)S-CoA + 2H2O -> CH3C(=O)S-CoA + CO2 + 6H+ + 6e-}. \]

Burada karbondioksit O=C=O ile gösterilir. Bu denklem, çok basamaklı bir dönüşümün toplam karbon ve redoks denkliğini verir.

Sonuç olarak, hücrelerde hem iki karbonlu asetil-CoA hem de üç karbonlu propiyonil-CoA bulunur:

\[ \begin{aligned} 2+2&=4 &&\text{HB öncülü için karbon},\\ 2+3&=5 &&\text{HV öncülü için karbon}. \end{aligned} \]

Dört karbonlu yol, 4.3'te daha önce gösterilen asetil-CoA'nın kendi kendine kondenzasyonu ve indirgenmesidir.

Beş karbonlu yol için asetil-CoA karbon nükleofilini, propiyonil-CoA ise açil grubunu sağlar:

\[ \ce{CH3C(=O)S-CoA + CH3CH2C(=O)S-CoA -> CH3CH2C(=O)CH2C(=O)S-CoA + HS-CoA}. \]

Ürün 3-oksopentanoil-CoA, CCC(=O)CC(=O)S*, bileşiğidir. Ardından stereoseçici indirgenme şu ürünü verir:

\[ \ce{CH3CH2C(=O)CH2C(=O)S-CoA + 2H+ + 2e- -> CH3CH2CH(OH)CH2C(=O)S-CoA}. \]

Ürün, \(B_5\) ile gösterilen (R)-3-hidroksipentanoil-CoA, CC[C@@H](O)CC(=O)S*, bileşiğidir.

Etkinleştirilmiş iki monomerin karşılıkları şöyledir:

Hidroksiasit	SMILES	Oluşan poliester tekrar birimi
(R)-3-Hidroksibütanoik asit	`C[C@@H](O)CC(=O)O`	\(\ce{-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-}\)
(R)-3-Hidroksipentanoik asit	`CC[C@@H](O)CC(=O)O`	\(\ce{-O-CH(CH2CH3)-CH2-C(=O)-}\)

Bunların polimere katılması, yaygın olarak PHBV adı verilen poli[(R)-3-hidroksibütirat-ko-(R)-3-hidroksivalerat] oluşturur. Hidroksil/karboksil uçlu bir dimer olarak gösterilen örnek bir HB–HV çiftinin SMILES gösterimi şöyledir:

O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](CC)CC(=O)O

\(m\) HB birimi ve \(n\) HV birimi içeren bir zincir için, karşılık gelen toplam polimerleşme denkliği şöyledir:

\[ mB_4+nB_5+\ce{H2O} \xrightarrow{\text{polimeraz}} P_{m,n}+(m+n)\,\ce{HS-CoA}. \]

Dolayısıyla, sağlanan tek bir karbon kaynağı metabolizma yoluyla iki farklı etkinleştirilmiş monomer oluşturabilir. Genel formül, iki tekrar birimi türünü tanımlar; bunların dizilimini veya göreli miktarlarını belirlemez.

Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.

IChO 1995 · Problema teórico 4

Poli(ácidos 3-hidroxialcanoicos) bacterianos

Descargar PDFIChO 1995

Los poli(ácidos (R)-3-hidroxialcanoicos), PHA, son sintetizados por diversas bacterias y actúan como materiales de reserva intracelular de carbono y energía. Estos polímeros también son biodegradables en entornos como el suelo, las aguas residuales anaerobias y el agua de mar. Su capacidad inherente de degradarse en el medio ambiente por acción biológica, sus propiedades físicas útiles, su lenta degradación hidrolítica y otras propiedades favorables hacen que los poliésteres bacterianos sean materiales prometedores tanto para plásticos biodegradables desechables (beneficiosos para mantener limpio el medio ambiente) como para productos médicos especiales.

4.1 El PHB, poli(ácido 3-hidroxibutanoico), producido por bacterias contiene únicamente unidades repetitivas (R)-HB, mientras que el sintetizado por químicos de polímeros puede contener únicamente (R)-HB o únicamente (S)-HB, o tanto (R)-HB como (S)-HB de forma alternada, o ambos con una distribución aleatoria. Dibuje las estructuras de las cadenas del PHB atáctico, del PHB sindiotáctico y de los PHB isotácticos e indique cada carbono quiral con (R) o (S). Bastan cinco unidades monoméricas para cada cadena.

{Nota: En «PHB», P significa «poli» o «polímero de», y HB representa las unidades monoméricas contenidas en las moléculas de poli(ácido 3-hidroxibutanoico).)

4.2 Proponga dos tipos de monómeros que los químicos de polímeros podrían utilizar para sintetizar un PHB, independientemente de la estereoquímica de los productos.

4.3 El poli(ácido (R)-3-hidroxibutanoico) puede sintetizarse alimentando las bacterias (como Alcaligenes Eutrophus) con acetato de sodio en un medio sin nitrógeno. Se considera que las etapas clave de la conversión de acetato en PHB son la activación de las moléculas de acetato por la coenzima A y la posterior formación de acetoacetato activado por la coenzima A, que después es reducido por una reductasa para formar el monómero 3-hidroxibutirato activado por la coenzima A. La polimerización del monómero se lleva a cabo mediante una polimerasa que forma las moléculas del polímero con una estereoespecificidad única. Represente estas etapas mediante fórmulas estructurales. Para la coenzima A, debe utilizarse en el esquema la abreviatura convencional -S-CoA (también sirve -CoA).

4.4 Si en el medio de alimentación se utiliza propanoato de sodio (como única fuente de carbono) en lugar de acetato de sodio, el producto principal será un copolímero de ácido 3-hidroxibutanoico y ácido 3-hidroxipentanoico con la siguiente estructura generalizada:

Justifique el resultado.

(Nota: Para la formación del copolímero se necesitan dos monómeros distintos. Las letras m y n de la fórmula estructural son los números de unidades y no tienen relación con la respuesta; en otras palabras, puede omitirlas en su respuesta.)

Enunciado traducido del texto oficial en inglés.

Respuestas

En los SMILES abreviados de CoA que aparecen a continuación, * representa el resto de CoA que permanece inalterado más allá del azufre, de acuerdo con la abreviatura solicitada en el problema.

4.1: A lo largo de la cadena principal del PHB, las configuraciones representativas de cinco unidades son:
Atáctico: \(R,R,S,S,R\), que ilustra una secuencia irregular.
Sindiotáctico: \(R,S,R,S,R\).
Isotáctico: \(R,R,R,R,R\) o \(S,S,S,S,S\).

A continuación se presentan las estructuras explícitas de cinco unidades.

4.2: Ácido 3-hidroxibutanoico, CC(O)CC(=O)O, mediante policondensación; y β-butirolactona (4-metiloxetan-2-ona), CC1CC(=O)O1, mediante polimerización por apertura de anillo.
4.3: La activación da acetil-CoA, CC(=O)S*. La condensación de dos moléculas da acetoacetil-CoA, CC(=O)CC(=O)S*; la reducción estereoselectiva da (R)-3-hidroxibutanoil-CoA, C[C@@H](O)CC(=O)S*, que se polimeriza para dar PHB de configuración íntegramente \((R)\).
4.4: El propanoato aporta propionil-CoA, CCC(=O)S*, y, a través del metabolismo, acetil-CoA. La combinación de dos unidades acetilo da el monómero de cuatro carbonos; la combinación de unidades acetilo y propionilo da (R)-3-hidroxipentanoil-CoA, CC[C@@H](O)CC(=O)S*. La incorporación de ambos hidroxiácidos activados produce el copolímero.

Solución

4.1 — Tacticidad y estructuras de cinco unidades

La cadena principal del PHB está formada por repeticiones de

\[ \ce{-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-}. \]

El carbono que lleva el grupo metilo es el carbono estereogénico. El orden de prioridad de sus sustituyentes es oxígeno \(>\) la cadena a través de \(\ce{CH2C(=O)}\) \(>\) metilo \(>\) hidrógeno.

Para realizar un esquema explícito, dibuje cinco copias consecutivas de esta cadena principal y marque sus carbonos estereogénicos, de izquierda a derecha, con las configuraciones que se indican a continuación. Los siguientes SMILES representan cadenas de cinco unidades con grupos terminales hidroxilo y ácido carboxílico; estos grupos terminales simplemente hacen que cada ejemplo sea una molécula completa.

PHB atáctico, secuencia ilustrativa \(R,R,S,S,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
PHB sindiotáctico, secuencia \(R,S,R,S,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
Poli(ácido (R)-3-hidroxibutanoico) isotáctico, secuencia \(R,R,R,R,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
Poli(ácido (S)-3-hidroxibutanoico) isotáctico, secuencia \(S,S,S,S,S\):
O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O

Atáctico significa que las configuraciones se distribuyen aleatoriamente a lo largo del polímero; la secuencia de cinco unidades mostrada es un ejemplo. Sindiotáctico significa que las configuraciones se alternan, mientras que isotáctico significa que las configuraciones son idénticas a lo largo de toda la cadena. Estas descripciones especifican la configuración independientemente de la conformación de la cadena.

4.2 — Dos tipos de monómeros adecuados

Vía del hidroxiácido.
El ácido 3-hidroxibutanoico, CC(O)CC(=O)O, contiene tanto el grupo alcohol como el grupo ácido carboxílico necesarios para la formación del poliéster:

\[ \ce{HO-CH(CH3)-CH2-C(=O)OH}. \]

Definamos una cadena de PHB con grupos terminales hidroxilo y carboxilo que contiene \(n\) unidades como

\[ P_n=\ce{H[-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-]_{n}OH}. \]

Su balance de policondensación es

\[ n\,\ce{HO-CH(CH3)-CH2-C(=O)OH} \longrightarrow P_n+(n-1)\,\ce{H2O}. \]

Hay \(n-1\) enlaces éster entre \(n\) monómeros, por lo que se eliminan \(n-1\) moléculas de agua, O.

Vía de la lactona.
La β-butirolactona, o 4-metiloxetan-2-ona, CC1CC(=O)O1, es el éster cíclico correspondiente. Su anillo de cuatro miembros sigue el orden

\[ \ce{O-C(=O)-CH2-CH(CH3)} \]

con un enlace de cierre desde el último carbono hasta el oxígeno. La apertura de este anillo proporciona exactamente la conectividad de la cadena principal del PHB.

Para los mismos grupos terminales hidroxilo y carboxilo, el balance global, incluido el tratamiento final de los grupos terminales, es

\[ n\,\underbrace{\ce{C4H6O2}}_{\text{β-butirolactona}} +\ce{H2O} \xrightarrow{\text{polimerización por apertura de anillo}} P_n. \]

El agua corresponde a los grupos terminales elegidos. En este apartado no hay restricciones sobre la estereoquímica de ninguno de los dos monómeros.

4.3 — Biosíntesis a partir de acetato

El acetato de sodio, CC(=O)[O-].[Na+], aporta el ion acetato, CC(=O)[O-]; el ion sodio, [Na+], es un ion espectador.

La coenzima A en su forma tiol se escribe \(\ce{HS-CoA}\), con el SMILES abreviado S*. A continuación, la activación se expresa mediante su componente de condensación ajustado, impulsado por el acoplamiento energético metabólico. La reducción se expresa como una semirreacción ajustada: los protones, [H+], y los electrones representan los equivalentes reductores aportados por los cofactores celulares.

Activación a acetil-CoA

\[ \ce{CH3COO^- + H+ + HS-CoA -> CH3C(=O)S-CoA + H2O}. \]

El producto es acetil-CoA, CC(=O)S*, un tioéster que activa el grupo acilo derivado del acetato.

Condensación a acetoacetil-CoA

\[ \ce{2 CH3C(=O)S-CoA -> CH3C(=O)CH2C(=O)S-CoA + HS-CoA}. \]

El producto es acetoacetil-CoA (3-oxobutanoil-CoA), CC(=O)CC(=O)S*.

Se trata de una condensación de tipo Claisen. El nucleófilo de carbono formado en el grupo metilo de una molécula de acetil-CoA ataca al carbonilo del tioéster de otra. La sustitución acílica forma el enlace carbono–carbono y libera coenzima A. De este modo, dos precursores de dos carbonos producen el esqueleto de cuatro carbonos requerido.

Reducción estereoselectiva

\[ \ce{CH3C(=O)CH2C(=O)S-CoA + 2H+ + 2e- -> CH3CH(OH)CH2C(=O)S-CoA}. \]

La reductasa produce específicamente (R)-3-hidroxibutanoil-CoA, C[C@@H](O)CC(=O)S*, que se denota \(B_4\). La reducción de la cetona crea el carbono estereogénico; el tioéster permanece disponible para la polimerización.

Polimerización

El grupo hidroxilo y el grupo carboxilo activado de distintos monómeros forman enlaces éster, liberando coenzima A. Para la cadena con grupos terminales hidroxilo y carboxilo utilizada anteriormente, el balance global, incluida la terminación hidrolítica, es

\[ n\,B_4+\ce{H2O} \xrightarrow{\text{polimerasa}} P_n^{(R)}+n\,\ce{HS-CoA}, \]

donde

\[ P_n^{(R)} = \ce{H[-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-]_{n}OH} \]

tiene configuración \((R)\) en todos los carbonos estereogénicos.

El agua corresponde a la hidrólisis del último extremo activado de la cadena. La formación del éster se produce en el carbono acílico, por lo que se conservan las configuraciones \((R)\) de los monómeros incorporados.

4.4 — Por qué el propanoato da unidades repetitivas tanto de cuatro como de cinco carbonos

El propanoato de sodio, CCC(=O)[O-].[Na+], aporta el ion propanoato, CCC(=O)[O-]. Su activación da propionil-CoA, CCC(=O)S*:

\[ \ce{CH3CH2COO^- + H+ + HS-CoA -> CH3CH2C(=O)S-CoA + H2O}. \]

La fuente de carbono se metaboliza antes de incorporarse al polímero. Parte del material derivado del propanoato aporta acetil-CoA a través del metabolismo oxidativo. Una oxidación neta ajustada que expresa este acortamiento de la cadena carbonada es

\[ \ce{CH3CH2C(=O)S-CoA + 2H2O -> CH3C(=O)S-CoA + CO2 + 6H+ + 6e-}. \]

Aquí, el dióxido de carbono es O=C=O. Esta ecuación proporciona el balance global de carbono y de oxidación-reducción de una conversión de varias etapas.

Por consiguiente, las células disponen tanto de acetil-CoA de dos carbonos como de propionil-CoA de tres carbonos:

\[ \begin{aligned} 2+2&=4 &&\text{carbonos para el precursor de HB},\\ 2+3&=5 &&\text{carbonos para el precursor de HV}. \end{aligned} \]

La vía de cuatro carbonos consiste en la autocondensación del acetil-CoA y la reducción ya mostradas en 4.3.

En la vía de cinco carbonos, el acetil-CoA aporta el nucleófilo de carbono y el propionil-CoA aporta el grupo acilo:

\[ \ce{CH3C(=O)S-CoA + CH3CH2C(=O)S-CoA -> CH3CH2C(=O)CH2C(=O)S-CoA + HS-CoA}. \]

El producto es 3-oxopentanoil-CoA, CCC(=O)CC(=O)S*. La reducción estereoselectiva da entonces

\[ \ce{CH3CH2C(=O)CH2C(=O)S-CoA + 2H+ + 2e- -> CH3CH2CH(OH)CH2C(=O)S-CoA}. \]

El producto es (R)-3-hidroxipentanoil-CoA, CC[C@@H](O)CC(=O)S*, que se denota \(B_5\).

Los dos monómeros activados corresponden a:

Hidroxiácido	SMILES	Unidad repetitiva del poliéster resultante
Ácido (R)-3-hidroxibutanoico	`C[C@@H](O)CC(=O)O`	\(\ce{-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-}\)
Ácido (R)-3-hidroxipentanoico	`CC[C@@H](O)CC(=O)O`	\(\ce{-O-CH(CH2CH3)-CH2-C(=O)-}\)

Su incorporación produce poli[(R)-3-hidroxibutirato-co-(R)-3-hidroxivalerato], denominado habitualmente PHBV. Un par HB–HV ilustrativo, representado como un dímero con grupos terminales hidroxilo y carboxilo, tiene el SMILES:

O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](CC)CC(=O)O

Para una cadena que contiene \(m\) unidades HB y \(n\) unidades HV, el balance global de polimerización correspondiente es

\[ mB_4+nB_5+\ce{H2O} \xrightarrow{\text{polimerasa}} P_{m,n}+(m+n)\,\ce{HS-CoA}. \]

Así, una única fuente de carbono suministrada puede generar dos monómeros activados distintos a través del metabolismo. La fórmula generalizada identifica los dos tipos de unidades repetitivas; no determina su secuencia ni sus cantidades relativas.

La solución se comprobó con la solución oficial.

IChO 1995 · 理论题 4

细菌合成的聚(3-羟基烷酸)

下载 PDFIChO 1995

聚[(R)-3-羟基烷酸]（PHA）可由多种细菌合成，在细胞内起储存碳源和能量的作用。这些聚合物在土壤、厌氧污水和海水等环境中也可发生生物降解。细菌聚酯固有的、由生物作用介导的环境降解性、实用的物理性能、缓慢的水解降解过程以及其他优良性能，使其成为备受关注的材料，既可用于制造一次性可生物降解塑料（有利于保持环境清洁），也可用于制造特殊医用产品。

4.1 细菌产生的 PHB，即聚(3-羟基丁酸)，仅含 (R)-HB 重复单元，而高分子化学家合成的 PHB 可以仅含 (R)-HB，也可以仅含 (S)-HB，或同时含有交替排列的 (R)-HB 和 (S)-HB，或同时含有随机分布的这两种单元。画出无规 PHB、间规 PHB 和等规 PHB 的链结构，并用 (R) 或 (S) 标明每个手性碳原子。每条链画出五个单体单元即可。

{注：在“PHB”中，P 表示“聚”或“……的聚合物”，HB 表示聚(3-羟基丁酸)分子中所含的单体单元。)

4.2 提出两类可供高分子化学家合成 PHB 使用的单体，无须考虑产物的立体化学。

4.3 在无氮培养基中，以乙酸钠培养细菌（如真养产碱杆菌 Alcaligenes Eutrophus），可合成聚[(R)-3-羟基丁酸]。一般认为，乙酸盐转化为 PHB 的关键步骤是乙酸分子经辅酶 A 活化，随后形成经辅酶 A 活化的乙酰乙酸，再由还原酶将其还原，生成经辅酶 A 活化的单体 3-羟基丁酸。单体的聚合由聚合酶完成，该酶以独特的立体专一性构建聚合物分子。用结构式画出这些步骤。图中辅酶 A 应采用惯用缩写 -S-CoA（也可使用 -CoA）。

4.4 若在培养基中用丙酸钠代替乙酸钠（作为唯一碳源），主要产物将是 3-羟基丁酸与 3-羟基戊酸的共聚物，其通式如下：

解释这一结果。

（注：形成该共聚物需要两种不同的单体。结构式中的字母 m 和 n 表示单元数目，与答案无关；换言之，作答时可以省略它们。）

题目译自官方英文原文。

答案

在下列辅酶 A 的简写 SMILES 中，* 表示硫原子之外保持不变的辅酶 A 残基，与题目要求使用的缩写一致。

4.1： 沿 PHB 主链，具有代表性的五单元构型序列为：
无规： \(R,R,S,S,R\)，表示一种不规则序列。
间规： \(R,S,R,S,R\)。
等规： \(R,R,R,R,R\) 或 \(S,S,S,S,S\)。

具体的五单元结构见下文。

4.2： 3-羟基丁酸，CC(O)CC(=O)O，通过缩聚反应；以及 β-丁内酯（4-甲基氧杂环丁烷-2-酮），CC1CC(=O)O1，通过开环聚合反应。
4.3： 活化生成乙酰辅酶 A，CC(=O)S*。两个分子缩合生成乙酰乙酰辅酶 A，CC(=O)CC(=O)S*；经立体选择性还原生成 (R)-3-羟基丁酰辅酶 A，C[C@@H](O)CC(=O)S*，后者聚合生成全部为 \((R)\) 构型的 PHB。
4.4： 丙酸盐提供丙酰辅酶 A，CCC(=O)S*，并通过代谢提供乙酰辅酶 A。两个乙酰单元结合生成四碳单体；乙酰单元与丙酰单元结合生成 (R)-3-羟基戊酰辅酶 A，CC[C@@H](O)CC(=O)S*。两种活化的羟基酸共同参与聚合，生成该共聚物。

解答

4.1 — 立构规整性与五单元结构

PHB 主链由以下结构重复连接而成：

\[ \ce{-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-}. \]

连接甲基的碳原子是立体中心碳原子。其取代基的优先次序为氧 \(>\) 经由 \(\ce{CH2C(=O)}\) 连接的链段 \(>\) 甲基 \(>\) 氢。

具体作图时，将上述主链结构连续画出五次，并按下列构型从左到右标注各立体中心碳原子。以下 SMILES 表示以羟基和羧基为端基的五单元链；引入这些端基只是为了使每个示例成为一个完整的分子。

无规 PHB，示例序列 \(R,R,S,S,R\)：
O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
间规 PHB，序列 \(R,S,R,S,R\)：
O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
等规聚[(R)-3-羟基丁酸]，序列 \(R,R,R,R,R\)：
O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
等规聚[(S)-3-羟基丁酸]，序列 \(S,S,S,S,S\)：
O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O

无规是指各构型沿聚合物链随机分布；所示五单元序列是其中一个例子。间规是指构型交替排列，而等规则是指整条链上的构型均相同。这些描述规定的是构型，与链的构象无关。

4.2 — 两类合适的单体

羟基酸路线。
3-羟基丁酸，CC(O)CC(=O)O，同时含有形成聚酯所需的醇羟基和羧基：

\[ \ce{HO-CH(CH3)-CH2-C(=O)OH}. \]

将含有 \(n\) 个单元、以羟基和羧基为端基的 PHB 链定义为

\[ P_n=\ce{H[-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-]_{n}OH}. \]

其配平的缩聚反应式为

\[ n\,\ce{HO-CH(CH3)-CH2-C(=O)OH} \longrightarrow P_n+(n-1)\,\ce{H2O}. \]

\(n\) 个单体之间有 \(n-1\) 个酯键，因此脱去 \(n-1\) 个水分子，O。

内酯路线。
β-丁内酯，又称 4-甲基氧杂环丁烷-2-酮，CC1CC(=O)O1，是相应的环状酯。其四元环中的原子按以下顺序连接：

\[ \ce{O-C(=O)-CH2-CH(CH3)} \]

最后一个碳原子再通过一个键连接回氧原子，形成闭环。该环开环后恰好得到 PHB 主链的连接方式。

对于相同的羟基和羧基端基，包括端基后处理在内的配平总反应式为

\[ n\,\underbrace{\ce{C4H6O2}}_{\text{β-丁内酯}} +\ce{H2O} \xrightarrow{\text{开环聚合}} P_n. \]

式中的水用于形成所选的端基。本小题对这两种单体的立体化学均不作限制。

4.3 — 由乙酸盐进行生物合成

乙酸钠，CC(=O)[O-].[Na+]，提供乙酸根离子，CC(=O)[O-]；钠离子，[Na+]，是旁观离子。

巯基形式的辅酶 A 写作 \(\ce{HS-CoA}\)，其简写 SMILES 为 S*。下文用活化过程中配平的缩合部分表示活化反应，该过程由代谢能量偶联驱动。还原过程表示为配平的半反应：质子，[H+]，和电子代表细胞辅因子提供的还原当量。

活化生成乙酰辅酶 A

\[ \ce{CH3COO^- + H+ + HS-CoA -> CH3C(=O)S-CoA + H2O}. \]

产物是乙酰辅酶 A，CC(=O)S*，它是一种硫酯，使源自乙酸盐的酰基处于活化状态。

缩合生成乙酰乙酰辅酶 A

\[ \ce{2 CH3C(=O)S-CoA -> CH3C(=O)CH2C(=O)S-CoA + HS-CoA}. \]

产物是乙酰乙酰辅酶 A（3-氧代丁酰辅酶 A），CC(=O)CC(=O)S*。

这是克莱森型缩合反应。一个乙酰辅酶 A 分子的甲基处形成的碳亲核试剂进攻另一个分子的硫酯羰基。酰基取代形成碳—碳键，并释放辅酶 A。由此，两个二碳前体生成所需的四碳骨架。

立体选择性还原

\[ \ce{CH3C(=O)CH2C(=O)S-CoA + 2H+ + 2e- -> CH3CH(OH)CH2C(=O)S-CoA}. \]

还原酶专一地生成 (R)-3-羟基丁酰辅酶 A，C[C@@H](O)CC(=O)S*，记为 \(B_4\)。酮羰基的还原产生了立体中心碳原子；硫酯基团则保留下来，可供聚合反应使用。

聚合

不同单体的羟基和活化羧基形成酯键，并释放辅酶 A。对于上述以羟基和羧基为端基的链，包括水解终止在内的配平总反应式为

\[ n\,B_4+\ce{H2O} \xrightarrow{\text{聚合酶}} P_n^{(R)}+n\,\ce{HS-CoA}, \]

其中

\[ P_n^{(R)} = \ce{H[-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-]_{n}OH} \]

的每个立体中心碳原子均具有 \((R)\) 构型。

式中的水用于水解最终的活化链端。酯的形成发生在酰基碳原子处，因此参与聚合的单体的 \((R)\) 构型得以保留。

4.4 — 为什么丙酸盐会产生四碳和五碳两种重复单元

丙酸钠，CCC(=O)[O-].[Na+]，提供丙酸根离子，CCC(=O)[O-]。其活化生成丙酰辅酶 A，CCC(=O)S*：

\[ \ce{CH3CH2COO^- + H+ + HS-CoA -> CH3CH2C(=O)S-CoA + H2O}. \]

碳源在掺入聚合物之前先经过代谢。部分源自丙酸盐的物质通过氧化代谢提供乙酰辅酶 A。表示这一碳链缩短过程的配平净氧化反应式为

\[ \ce{CH3CH2C(=O)S-CoA + 2H2O -> CH3C(=O)S-CoA + CO2 + 6H+ + 6e-}. \]

这里二氧化碳的 SMILES 为 O=C=O。该反应式给出了这一多步转化过程的总碳平衡和氧化还原平衡。

因此，细胞中既有可用的二碳乙酰辅酶 A，也有可用的三碳丙酰辅酶 A：

\[ \begin{aligned} 2+2&=4 &&\text{个碳原子，构成 HB 前体},\\ 2+3&=5 &&\text{个碳原子，构成 HV 前体}. \end{aligned} \]

四碳路线就是 4.3 中已经给出的乙酰辅酶 A 自缩合及还原过程。

在五碳路线中，乙酰辅酶 A 提供碳亲核试剂，丙酰辅酶 A 提供酰基：

\[ \ce{CH3C(=O)S-CoA + CH3CH2C(=O)S-CoA -> CH3CH2C(=O)CH2C(=O)S-CoA + HS-CoA}. \]

产物是 3-氧代戊酰辅酶 A，CCC(=O)CC(=O)S*。随后经立体选择性还原，得到

\[ \ce{CH3CH2C(=O)CH2C(=O)S-CoA + 2H+ + 2e- -> CH3CH2CH(OH)CH2C(=O)S-CoA}. \]

产物是 (R)-3-羟基戊酰辅酶 A，CC[C@@H](O)CC(=O)S*，记为 \(B_5\)。

这两种活化单体分别对应于：

羟基酸	SMILES	生成的聚酯重复单元
(R)-3-羟基丁酸	`C[C@@H](O)CC(=O)O`	\(\ce{-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-}\)
(R)-3-羟基戊酸	`CC[C@@H](O)CC(=O)O`	\(\ce{-O-CH(CH2CH3)-CH2-C(=O)-}\)

它们共同参与聚合，生成聚[(R)-3-羟基丁酸酯-co-(R)-3-羟基戊酸酯]，通常称为 PHBV。以一个羟基和羧基封端的二聚体表示的一组 HB–HV 单元示例，其 SMILES 为：

O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](CC)CC(=O)O

对于含有 \(m\) 个 HB 单元和 \(n\) 个 HV 单元的链，相应的配平聚合总反应式为

\[ mB_4+nB_5+\ce{H2O} \xrightarrow{\text{聚合酶}} P_{m,n}+(m+n)\,\ce{HS-CoA}. \]

因此，所提供的一种碳源可通过代谢生成两种不同的活化单体。通式表明了两种重复单元的类型；它并未确定这些单元的排列顺序或相对含量。

解答已与官方解答核对。

IChO 1995 · Теоретическая задача 4

Бактериальные поли(3-гидроксиалкановые кислоты)

Скачать PDFIChO 1995

Поли[(R)-3-гидроксиалкановые кислоты], PHAs, синтезируются различными бактериями и служат внутриклеточными запасами углерода и энергии. Эти полимеры также подвергаются биологическому разложению в таких средах, как почва, анаэробные сточные воды и морская вода. Присущая им способность к биологическому разложению в окружающей среде, полезные физические свойства, медленное гидролитическое разложение и другие благоприятные свойства делают бактериальные полиэфиры перспективными материалами как для одноразовых биоразлагаемых пластмасс (способствующих сохранению чистоты окружающей среды), так и для специальных изделий медицинского назначения.

4.1 PHB, поли(3-гидроксибутановая кислота), получаемая бактериями, содержит только повторяющиеся звенья (R)-HB, тогда как полимер, синтезируемый химиками, может содержать только (R)-HB, только (S)-HB, оба типа звеньев (R)-HB и (S)-HB в чередующейся последовательности либо оба типа звеньев в случайном распределении. Изобразите структуры цепей атактического PHB, синдиотактического PHB и изотактических PHB и обозначьте каждый хиральный атом углерода как (R) или (S). Для каждой цепи достаточно пяти мономерных звеньев.

{Примечание: В обозначении «PHB» P означает «поли» или «полимер», а HB обозначает мономерные звенья, содержащиеся в молекулах поли(3-гидроксибутановой кислоты).)

4.2 Предложите два типа мономеров, которые химики могли бы использовать для синтеза PHB независимо от стереохимии продуктов.

4.3 Поли[(R)-3-гидроксибутановую кислоту] можно синтезировать, выращивая бактерии (например, Alcaligenes Eutrophus) на безазотной среде с ацетатом натрия. Считается, что ключевыми стадиями превращения ацетата в PHB являются активация молекул ацетата коферментом A и последующее образование активированного коферментом A ацетоацетата, который затем восстанавливается редуктазой с образованием активированного коферментом A мономера — 3-гидроксибутирата. Полимеризация мономера осуществляется полимеразой, которая формирует молекулы полимера со строго определённой стереоспецифичностью. Изобразите эти стадии с помощью структурных формул. Для кофермента A на схеме следует использовать общепринятое сокращение -S-CoA (сокращение -CoA также допустимо).

4.4 Если вместо ацетата натрия в питательной среде использовать пропаноат натрия (в качестве единственного источника углерода), основным продуктом будет сополимер 3-гидроксибутановой и 3-гидроксипентановой кислот со следующей обобщённой структурой:

Объясните этот результат.

(Примечание: Для образования сополимера необходимы два различных мономера. Буквы m и n в структурной формуле обозначают числа звеньев и не имеют отношения к ответу; иными словами, их можно не указывать в ответе.)

Условие переведено с официального английского текста.

Ответы

В приведённых ниже сокращённых записях SMILES для CoA символ * обозначает неизменённый остаток CoA за атомом серы, что соответствует сокращению, указанному в условии задачи.

4.1: Примеры конфигураций пяти последовательных звеньев вдоль основной цепи PHB:
Атактический: \(R,R,S,S,R\), пример нерегулярной последовательности.
Синдиотактический: \(R,S,R,S,R\).
Изотактический: \(R,R,R,R,R\) или \(S,S,S,S,S\).

Явные структуры из пяти звеньев приведены ниже.

4.2: 3-Гидроксибутановая кислота, CC(O)CC(=O)O, для поликонденсации; и β-бутиролактон (4-метилоксетан-2-он), CC1CC(=O)O1, для полимеризации с раскрытием цикла.
4.3: Активация даёт ацетил-CoA, CC(=O)S*. Конденсация двух молекул даёт ацетоацетил-CoA, CC(=O)CC(=O)S*; стереоселективное восстановление даёт (R)-3-гидроксибутаноил-CoA, C[C@@H](O)CC(=O)S*, который полимеризуется в PHB, содержащий исключительно звенья с конфигурацией \((R)\).
4.4: Пропаноат служит источником пропионил-CoA, CCC(=O)S*, а в результате метаболизма — также ацетил-CoA. Соединение двух ацетильных фрагментов даёт четырёхуглеродный мономер; соединение ацетильного и пропионильного фрагментов даёт (R)-3-гидроксипентаноил-CoA, CC[C@@H](O)CC(=O)S*. Включение обеих активированных гидроксикислот в полимер приводит к образованию сополимера.

Решение

4.1 — Тактичность и структуры из пяти звеньев

Основная цепь PHB состоит из повторяющихся фрагментов

\[ \ce{-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-}. \]

Атом углерода, несущий метильную группу, является стереогенным атомом углерода. Приоритеты его заместителей: кислород \(>\) цепь через \(\ce{CH2C(=O)}\) \(>\) метил \(>\) водород.

Чтобы явно изобразить структуру, нарисуйте пять последовательных повторений этого фрагмента основной цепи и обозначьте их стереогенные атомы углерода слева направо указанными ниже конфигурациями. Следующие записи SMILES представляют цепи из пяти звеньев с концевыми гидроксильной и карбоксильной группами; эти концевые группы лишь делают каждый пример завершённой молекулой.

Атактический PHB, пример последовательности \(R,R,S,S,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
Синдиотактический PHB, последовательность \(R,S,R,S,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
Изотактическая поли[(R)-3-гидроксибутановая кислота], последовательность \(R,R,R,R,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
Изотактическая поли[(S)-3-гидроксибутановая кислота], последовательность \(S,S,S,S,S\):
O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O

Атактичность означает, что конфигурации распределены вдоль полимерной цепи случайным образом; приведённая последовательность из пяти звеньев является одним из примеров. Синдиотактичность означает чередование конфигураций, а изотактичность — одинаковую конфигурацию во всей цепи. Эти описания определяют конфигурацию независимо от конформации цепи.

4.2 — Два подходящих типа мономеров

Путь через гидроксикислоту.
3-Гидроксибутановая кислота, CC(O)CC(=O)O, содержит как спиртовую, так и карбоксильную группы, необходимые для образования полиэфира:

\[ \ce{HO-CH(CH3)-CH2-C(=O)OH}. \]

Обозначим цепь PHB, содержащую \(n\) звеньев и имеющую концевые гидроксильную и карбоксильную группы, как

\[ P_n=\ce{H[-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-]_{n}OH}. \]

Уравнение её образования путём поликонденсации имеет вид

\[ n\,\ce{HO-CH(CH3)-CH2-C(=O)OH} \longrightarrow P_n+(n-1)\,\ce{H2O}. \]

Между \(n\) мономерами образуется \(n-1\) сложноэфирных связей, поэтому отщепляется \(n-1\) молекул воды, O.

Путь через лактон.
β-Бутиролактон, или 4-метилоксетан-2-он, CC1CC(=O)O1, является соответствующим циклическим сложным эфиром. Атомы его четырёхчленного цикла расположены в следующем порядке:

\[ \ce{O-C(=O)-CH2-CH(CH3)} \]

причём связь от последнего атома углерода к атому кислорода замыкает цикл. Раскрытие этого цикла даёт в точности тот порядок соединения атомов, который характерен для основной цепи PHB.

Для тех же концевых гидроксильной и карбоксильной групп суммарное уравнение, включающее обработку концевых групп, имеет вид

\[ n\,\underbrace{\ce{C4H6O2}}_{\text{β-бутиролактон}} +\ce{H2O} \xrightarrow{\text{полимеризация с раскрытием цикла}} P_n. \]

Вода учитывает образование выбранных концевых групп. В этой части задачи стереохимия обоих мономеров не ограничена.

4.3 — Биосинтез из ацетата

Ацетат натрия, CC(=O)[O-].[Na+], служит источником ацетат-иона, CC(=O)[O-]; ион натрия, [Na+], является ионом-наблюдателем.

Кофермент A в тиольной форме записывается как \(\ce{HS-CoA}\), с сокращённой записью SMILES S*. Ниже активация представлена сбалансированным уравнением её конденсационной составляющей, движущей силой которой служит энергетическое сопряжение в метаболизме. Восстановление представлено сбалансированной полуреакцией: протоны, [H+], и электроны обозначают восстановительные эквиваленты, поставляемые клеточными кофакторами.

Активация с образованием ацетил-CoA

\[ \ce{CH3COO^- + H+ + HS-CoA -> CH3C(=O)S-CoA + H2O}. \]

Продуктом является ацетил-CoA, CC(=O)S*, — тиоэфир, активирующий ацильную группу, происходящую из ацетата.

Конденсация с образованием ацетоацетил-CoA

\[ \ce{2 CH3C(=O)S-CoA -> CH3C(=O)CH2C(=O)S-CoA + HS-CoA}. \]

Продуктом является ацетоацетил-CoA (3-оксобутаноил-CoA), CC(=O)CC(=O)S*.

Это конденсация типа Кляйзена. Углеродный нуклеофил, образующийся в метильной группе одной молекулы ацетил-CoA, атакует тиоэфирную карбонильную группу другой молекулы. В результате ацильного замещения образуется связь углерод–углерод и высвобождается кофермент A. Таким образом, два двухуглеродных предшественника образуют требуемый четырёхуглеродный скелет.

Стереоселективное восстановление

\[ \ce{CH3C(=O)CH2C(=O)S-CoA + 2H+ + 2e- -> CH3CH(OH)CH2C(=O)S-CoA}. \]

Редуктаза образует именно (R)-3-гидроксибутаноил-CoA, C[C@@H](O)CC(=O)S*, обозначаемый \(B_4\). Восстановление кетонной группы создаёт стереогенный атом углерода; тиоэфирная группа остаётся доступной для полимеризации.

Полимеризация

Гидроксильная группа и активированная карбоксильная группа разных мономеров образуют сложноэфирные связи с высвобождением кофермента A. Для использованной выше цепи с концевыми гидроксильной и карбоксильной группами суммарное уравнение, включающее гидролитический обрыв цепи, имеет вид

\[ n\,B_4+\ce{H2O} \xrightarrow{\text{полимераза}} P_n^{(R)}+n\,\ce{HS-CoA}, \]

где

\[ P_n^{(R)} = \ce{H[-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-]_{n}OH} \]

имеет конфигурацию \((R)\) у каждого стереогенного атома углерода.

Вода учитывает гидролиз последнего активированного конца цепи. Образование сложноэфирной связи происходит у ацильного атома углерода, поэтому конфигурации \((R)\) включаемых мономеров сохраняются.

4.4 — Почему пропаноат даёт как четырёх-, так и пятиуглеродные повторяющиеся звенья

Пропаноат натрия, CCC(=O)[O-].[Na+], служит источником пропаноат-иона, CCC(=O)[O-]. Его активация даёт пропионил-CoA, CCC(=O)S*:

\[ \ce{CH3CH2COO^- + H+ + HS-CoA -> CH3CH2C(=O)S-CoA + H2O}. \]

Источник углерода подвергается метаболическим превращениям до включения в полимер. Часть вещества, происходящего из пропаноата, в ходе окислительного метаболизма служит источником ацетил-CoA. Сбалансированное суммарное уравнение окисления, выражающее это укорочение углеродной цепи, имеет вид

\[ \ce{CH3CH2C(=O)S-CoA + 2H2O -> CH3C(=O)S-CoA + CO2 + 6H+ + 6e-}. \]

Здесь диоксид углерода записывается как O=C=O. Это уравнение отражает общий углеродный и окислительно-восстановительный баланс многостадийного превращения.

Следовательно, в клетках имеются как двухуглеродный ацетил-CoA, так и трёхуглеродный пропионил-CoA:

\[ \begin{aligned} 2+2&=4 &&\text{атома углерода для предшественника HB},\\ 2+3&=5 &&\text{атомов углерода для предшественника HV}. \end{aligned} \]

Путь образования четырёхуглеродного соединения представляет собой самоконденсацию ацетил-CoA и восстановление, уже показанные в 4.3.

В пути образования пятиуглеродного соединения ацетил-CoA служит источником углеродного нуклеофила, а пропионил-CoA — ацильной группы:

\[ \ce{CH3C(=O)S-CoA + CH3CH2C(=O)S-CoA -> CH3CH2C(=O)CH2C(=O)S-CoA + HS-CoA}. \]

Продуктом является 3-оксопентаноил-CoA, CCC(=O)CC(=O)S*. Последующее стереоселективное восстановление даёт

\[ \ce{CH3CH2C(=O)CH2C(=O)S-CoA + 2H+ + 2e- -> CH3CH2CH(OH)CH2C(=O)S-CoA}. \]

Продуктом является (R)-3-гидроксипентаноил-CoA, CC[C@@H](O)CC(=O)S*, обозначаемый \(B_5\).

Два активированных мономера соответствуют следующим соединениям:

Гидроксикислота	SMILES	Образующееся повторяющееся звено полиэфира
(R)-3-Гидроксибутановая кислота	`C[C@@H](O)CC(=O)O`	\(\ce{-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-}\)
(R)-3-Гидроксипентановая кислота	`CC[C@@H](O)CC(=O)O`	\(\ce{-O-CH(CH2CH3)-CH2-C(=O)-}\)

Их включение в полимер приводит к образованию поли[(R)-3-гидроксибутират-со-(R)-3-гидроксивалерата], обычно называемого PHBV. Пример пары HB–HV, представленной в виде димера с концевыми гидроксильной и карбоксильной группами, имеет следующую запись SMILES:

O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](CC)CC(=O)O

Для цепи, содержащей \(m\) звеньев HB и \(n\) звеньев HV, соответствующее суммарное уравнение полимеризации имеет вид

\[ mB_4+nB_5+\ce{H2O} \xrightarrow{\text{полимераза}} P_{m,n}+(m+n)\,\ce{HS-CoA}. \]

Таким образом, один поступающий источник углерода может в ходе метаболизма давать два различных активированных мономера. Обобщённая формула указывает два типа повторяющихся звеньев; она не определяет их последовательность или относительные количества.

Решение проверено по официальному решению.

IChO 1995 · مسألة نظرية 4

عديد(أحماض 3-هيدروكسي الألكانويك) البكتيري

تنزيل PDFIChO 1995

تُصنِّع أنواع مختلفة من البكتيريا عديد[(R)-أحماض 3-هيدروكسي الألكانويك]، PHAs، ويؤدي دور مواد لتخزين الكربون والطاقة داخل الخلايا. وهذه البوليمرات قابلة أيضًا للتحلل الحيوي في بيئات مثل التربة ومياه الصرف الصحي اللاهوائية ومياه البحر. وتجعل قابلية التحلل البيئي المتأصلة بوساطة العمليات الحيوية، والخواص الفيزيائية المفيدة، وبطء التحلل المائي، وغيرها من الخواص الملائمة، عديدات الإستر البكتيرية مواد واعدة لكلٍّ من اللدائن القابلة للتحلل الحيوي المعدّة للاستعمال مرة واحدة (وهي مفيدة للحفاظ على بيئة نظيفة) والمنتجات الطبية الخاصة.

4.1 يحتوي PHB، عديد(حمض 3-هيدروكسي البوتانويك)، الذي تنتجه البكتيريا على وحدات متكررة من (R)-HB فقط، في حين قد يحتوي ما يصنّعه كيميائيو البوليمرات على (R)-HB فقط أو (S)-HB فقط، أو على كلٍّ من (R)-HB و(S)-HB بالتناوب، أو عليهما معًا بتوزيعات عشوائية. ارسم تراكيب سلاسل PHB غير المنتظم فراغيًا، وPHB المتناوب الانتظام الفراغي، وأنواع PHB المتماثلة الانتظام الفراغي، وعيّن كل ذرة كربون كيرالية بالرمز (R) أو (S). تكفي خمس وحدات مونومرية لكل سلسلة.

{ملاحظة: في «PHB»، يعني P «عديد» أو «بوليمر من»، ويمثّل HB الوحدات المونومرية الموجودة في جزيئات عديد(حمض 3-هيدروكسي البوتانويك).)

4.2 اقترح نوعين من المونومرات يمكن لكيميائيي البوليمرات استخدامهما لتحضير PHB، بصرف النظر عن الكيمياء الفراغية للنواتج.

4.3 يمكن تحضير عديد[(R)-حمض 3-هيدروكسي البوتانويك] بتغذية البكتيريا (مثل Alcaligenes Eutrophus) بأسيتات الصوديوم في وسط خالٍ من النيتروجين. ويُعتقد أن الخطوات الرئيسية لتحويل الأسيتات إلى PHB هي تنشيط جزيئات الأسيتات بواسطة مرافق الإنزيم A، ثم تكوّن الأسيتوأسيتات المنشَّطة بمرافق الإنزيم A، التي تُختزل بعد ذلك بواسطة إنزيم مختزِل لتكوين مونومر 3-هيدروكسي البوتيرات المنشَّط بمرافق الإنزيم A. وتتم بلمرة المونومر بواسطة إنزيم بلمرة يبني جزيئات البوليمر بنوعية فراغية فريدة. ارسم هذه الخطوات باستخدام الصيغ البنائية. وينبغي استخدام الاختصار المتعارف عليه -S-CoA (ويصلح أيضًا -CoA) لمرافق الإنزيم A في الرسم.

4.4 إذا استُخدمت بروبانوات الصوديوم (بوصفها المصدر الوحيد للكربون) في وسط التغذية بدلًا من أسيتات الصوديوم، فسيكون الناتج الرئيسي بوليمرًا مشتركًا من حمض 3-هيدروكسي البوتانويك وحمض 3-هيدروكسي البنتانويك، له التركيب العام الآتي:

فسّر هذه النتيجة.

(ملاحظة: يلزم مونومران مختلفان لتكوين البوليمر المشترك. ويمثّل الحرفان m وn في الصيغة البنائية عددَي الوحدات، ولا علاقة لهما بالإجابة؛ وبعبارة أخرى، يمكنك إغفالهما في إجابتك.)

نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.

الإجابات

في صيغ SMILES المختصرة لـ CoA أدناه، يمثّل * بقية CoA التي تلي الكبريت وتبقى دون تغيير، بما يتوافق مع الاختصار المطلوب في المسألة.

4.1: على امتداد السلسلة الرئيسية لـ PHB، تكون التشكيلات الفراغية التمثيلية لخمس وحدات كما يأتي:
غير المنتظم فراغيًا: \(R,R,S,S,R\)، وهو يوضّح تتابعًا غير منتظم.
المتناوب الانتظام الفراغي: \(R,S,R,S,R\).
المتماثل الانتظام الفراغي: \(R,R,R,R,R\) أو \(S,S,S,S,S\).

ترد أدناه تراكيب صريحة مكوّنة من خمس وحدات.

4.2: حمض 3-هيدروكسي البوتانويك، CC(O)CC(=O)O، بالبلمرة التكاثفية؛ وβ-بيوتيرولاكتون (4-ميثيل أوكسيتان-2-ون)، CC1CC(=O)O1، ببلمرة فتح الحلقة.
4.3: يعطي التنشيط أسيتيل-CoA، CC(=O)S*. ويعطي تكاثف جزيئين أسيتوأسيتيل-CoA، CC(=O)CC(=O)S*؛ ويعطي الاختزال الانتقائي فراغيًا (R)-3-هيدروكسي بوتانويل-CoA، C[C@@H](O)CC(=O)S*، الذي يتبلمر ليعطي PHB تكون جميع تشكيلاته الفراغية \((R)\).
4.4: توفّر البروبانوات بروبيونيل-CoA، CCC(=O)S*، كما توفّر أسيتيل-CoA عن طريق الأيض. ويعطي اتحاد وحدتي أسيتيل المونومر ذا ذرات الكربون الأربع؛ ويعطي اتحاد وحدتي أسيتيل وبروبيونيل (R)-3-هيدروكسي بنتانويل-CoA، CC[C@@H](O)CC(=O)S*. ويؤدي إدماج كلا الحمضين الهيدروكسيليين المنشَّطين إلى إنتاج البوليمر المشترك.

الحل

4.1 — الانتظام الفراغي والتراكيب المكوّنة من خمس وحدات

تتكوّن السلسلة الرئيسية لـ PHB من تكرارات الوحدة

\[ \ce{-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-}. \]

ذرة الكربون الحاملة لمجموعة الميثيل هي ذرة الكربون المولِّدة للتصاوغ الفراغي. وترتيب أولوية مستبدلاتها هو الأكسجين \(>\) السلسلة المارة عبر \(\ce{CH2C(=O)}\) \(>\) الميثيل \(>\) الهيدروجين.

لرسم تركيب صريح، ارسم خمس نسخ متتالية من هذه السلسلة الرئيسية، وعيّن ذرات الكربون المولِّدة للتصاوغ الفراغي فيها، من اليسار إلى اليمين، بالتشكيلات الفراغية أدناه. وتمثّل صيغ SMILES الآتية سلاسل مكوّنة من خمس وحدات، ذات مجموعتي هيدروكسيل وحمض كربوكسيلي طرفيتين؛ ولا تؤدي هاتان المجموعتان الطرفيتان إلا إلى جعل كل مثال جزيئًا مكتملًا.

PHB غير المنتظم فراغيًا، بتتابع توضيحي \(R,R,S,S,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
PHB المتناوب الانتظام الفراغي، بالتتابع \(R,S,R,S,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
عديد[(R)-حمض 3-هيدروكسي البوتانويك] المتماثل الانتظام الفراغي، بالتتابع \(R,R,R,R,R\):
O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](C)CC(=O)O
عديد[(S)-حمض 3-هيدروكسي البوتانويك] المتماثل الانتظام الفراغي، بالتتابع \(S,S,S,S,S\):
O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O[C@@H](C)CC(=O)O

يعني عدم الانتظام الفراغي أن التشكيلات الفراغية موزّعة عشوائيًا على امتداد البوليمر؛ والتتابع المعروض المؤلّف من خمس وحدات مثال واحد على ذلك. ويعني الانتظام الفراغي المتناوب تناوب التشكيلات الفراغية، في حين يعني الانتظام الفراغي المتماثل تطابق التشكيلات الفراغية على امتداد السلسلة كلها. وتحدّد هذه الأوصاف التشكيل الفراغي بمعزل عن الهيئة الفراغية للسلسلة.

4.2 — نوعان مناسبان من المونومرات

مسار الحمض الهيدروكسيلي.
يحتوي حمض 3-هيدروكسي البوتانويك، CC(O)CC(=O)O، على مجموعتَي الكحول والحمض الكربوكسيلي اللازمتين لتكوين عديد الإستر:

\[ \ce{HO-CH(CH3)-CH2-C(=O)OH}. \]

لنعرّف سلسلة PHB ذات نهايتي هيدروكسيل وكربوكسيل وتحتوي على \(n\) وحدة كما يأتي:

\[ P_n=\ce{H[-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-]_{n}OH}. \]

وتكون معادلة بلمرتها التكاثفية الموزونة

\[ n\,\ce{HO-CH(CH3)-CH2-C(=O)OH} \longrightarrow P_n+(n-1)\,\ce{H2O}. \]

توجد \(n-1\) رابطة إستر بين \(n\) مونومرًا، ولذلك تُطرَح \(n-1\) من جزيئات الماء، O.

مسار اللاكتون.
β-بيوتيرولاكتون، أو 4-ميثيل أوكسيتان-2-ون، CC1CC(=O)O1، هو الإستر الحلقي المقابل. وتتبع حلقته الرباعية الأعضاء الترتيب

\[ \ce{O-C(=O)-CH2-CH(CH3)} \]

مع رابطة تُغلق الحلقة من ذرة الكربون الأخيرة عائدةً إلى الأكسجين. ويؤدي فتح هذه الحلقة إلى إعطاء نمط الترابط نفسه تمامًا في السلسلة الرئيسية لـ PHB.

وبالنسبة إلى مجموعتَي الهيدروكسيل والكربوكسيل الطرفيتين نفسيهما، تكون المعادلة الإجمالية الموزونة، بما يشمل المعالجة النهائية للمجموعات الطرفية،

\[ n\,\underbrace{\ce{C4H6O2}}_{\text{β-بيوتيرولاكتون}} +\ce{H2O} \xrightarrow{\text{بلمرة فتح الحلقة}} P_n. \]

يُدرَج الماء لمراعاة المجموعات الطرفية المختارة. ولا تُفرَض في هذا الجزء قيود على الكيمياء الفراغية لأيٍّ من المونومرين.

4.3 — التخليق الحيوي انطلاقًا من الأسيتات

توفّر أسيتات الصوديوم، CC(=O)[O-].[Na+]، أيون الأسيتات، CC(=O)[O-]؛ أما أيون الصوديوم، [Na+]، فهو أيون متفرّج.

يُكتَب مرافق الإنزيم A في صورته الثيولية \(\ce{HS-CoA}\)، وصيغة SMILES المختصرة له هي S*. ويُعبَّر أدناه عن التنشيط بجزء التكاثف الموزون منه، الذي يدفعه الاقتران بالطاقة الأيضية. ويُعبَّر عن الاختزال بنصف تفاعل موزون: إذ تمثّل البروتونات، [H+]، والإلكترونات المكافئات الاختزالية التي توفّرها العوامل المساعدة الخلوية.

التنشيط إلى أسيتيل-CoA

\[ \ce{CH3COO^- + H+ + HS-CoA -> CH3C(=O)S-CoA + H2O}. \]

الناتج هو أسيتيل-CoA، CC(=O)S*، وهو ثيوإستر ينشّط مجموعة الأسيل المشتقة من الأسيتات.

التكاثف إلى أسيتوأسيتيل-CoA

\[ \ce{2 CH3C(=O)S-CoA -> CH3C(=O)CH2C(=O)S-CoA + HS-CoA}. \]

الناتج هو أسيتوأسيتيل-CoA (3-أوكسوبوتانويل-CoA)، CC(=O)CC(=O)S*.

هذا تكاثف من نوع كلايزن. ويهاجم المركز الكربوني المحب للنواة، المتكوّن عند مجموعة الميثيل في أحد جزيئات أسيتيل-CoA، مجموعة كربونيل الثيوإستر في جزيء آخر. ويكوّن استبدال الأسيل رابطة كربون–كربون ويحرّر مرافق الإنزيم A. وهكذا تعطي سليفتان تحتوي كل منهما على ذرتَي كربون الهيكل المطلوب المكوّن من أربع ذرات كربون.

الاختزال الانتقائي فراغيًا

\[ \ce{CH3C(=O)CH2C(=O)S-CoA + 2H+ + 2e- -> CH3CH(OH)CH2C(=O)S-CoA}. \]

ينتج الإنزيم المختزِل تحديدًا (R)-3-هيدروكسي بوتانويل-CoA، C[C@@H](O)CC(=O)S*، الذي يُرمَز إليه بـ \(B_4\). ويُنشئ اختزال الكيتون ذرة الكربون المولِّدة للتصاوغ الفراغي؛ ويبقى الثيوإستر متاحًا للبلمرة.

البلمرة

تكوّن مجموعة الهيدروكسيل ومجموعة الكربوكسيل المنشَّطة في مونومرات مختلفة روابط إستر، مع تحرير مرافق الإنزيم A. وبالنسبة إلى السلسلة ذات نهايتي الهيدروكسيل والكربوكسيل المستخدمة أعلاه، تكون المعادلة الإجمالية الموزونة، بما يشمل إنهاء السلسلة بالتحلل المائي،

\[ n\,B_4+\ce{H2O} \xrightarrow{\text{إنزيم البلمرة}} P_n^{(R)}+n\,\ce{HS-CoA}, \]

حيث إن

\[ P_n^{(R)} = \ce{H[-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-]_{n}OH} \]

له التشكيل الفراغي \((R)\) عند كل ذرة كربون مولِّدة للتصاوغ الفراغي.

يُدرَج الماء لمراعاة التحلل المائي للطرف المنشَّط الأخير للسلسلة. ويحدث تكوّن الإستر عند كربون الأسيل، ولذلك تُحفَظ التشكيلات الفراغية \((R)\) للمونومرات المدمجة.

4.4 — لماذا تعطي البروبانوات وحدات متكررة تحتوي على أربع وخمس ذرات كربون

توفّر بروبانوات الصوديوم، CCC(=O)[O-].[Na+]، أيون البروبانوات، CCC(=O)[O-]. ويعطي تنشيطه بروبيونيل-CoA، CCC(=O)S*:

\[ \ce{CH3CH2COO^- + H+ + HS-CoA -> CH3CH2C(=O)S-CoA + H2O}. \]

يخضع مصدر الكربون للأيض قبل إدماجه في البوليمر. ويوفّر جزء من المادة المشتقة من البروبانوات أسيتيل-CoA عن طريق الأيض التأكسدي. وتُعبّر معادلة الأكسدة الصافية الموزونة الآتية عن هذا التقصير للسلسلة الكربونية:

\[ \ce{CH3CH2C(=O)S-CoA + 2H2O -> CH3C(=O)S-CoA + CO2 + 6H+ + 6e-}. \]

ثاني أكسيد الكربون هنا هو O=C=O. وتعطي هذه المعادلة الموازنة الإجمالية للكربون وللأكسدة والاختزال في تحوّل متعدد الخطوات.

وبناءً على ذلك، يتوافر للخلايا كلٌّ من أسيتيل-CoA ذي ذرتَي الكربون وبروبيونيل-CoA ذي ذرات الكربون الثلاث:

\[ \begin{aligned} 2+2&=4 &&\text{ذرات كربون لسليفة HB},\\ 2+3&=5 &&\text{ذرات كربون لسليفة HV}. \end{aligned} \]

المسار المؤدي إلى أربع ذرات كربون هو التكاثف الذاتي لأسيتيل-CoA والاختزال اللذان سَبَق عرضهما في 4.3.

أما في المسار المؤدي إلى خمس ذرات كربون، فيوفّر أسيتيل-CoA المركز الكربوني المحب للنواة، ويوفّر بروبيونيل-CoA مجموعة الأسيل:

\[ \ce{CH3C(=O)S-CoA + CH3CH2C(=O)S-CoA -> CH3CH2C(=O)CH2C(=O)S-CoA + HS-CoA}. \]

الناتج هو 3-أوكسوبنتانويل-CoA، CCC(=O)CC(=O)S*. ثم يعطي الاختزال الانتقائي فراغيًا

\[ \ce{CH3CH2C(=O)CH2C(=O)S-CoA + 2H+ + 2e- -> CH3CH2CH(OH)CH2C(=O)S-CoA}. \]

الناتج هو (R)-3-هيدروكسي بنتانويل-CoA، CC[C@@H](O)CC(=O)S*، الذي يُرمَز إليه بـ \(B_5\).

يقابل المونومران المنشَّطان ما يأتي:

الحمض الهيدروكسيلي	SMILES	الوحدة المتكررة في عديد الإستر الناتج
(R)-حمض 3-هيدروكسي البوتانويك	`C[C@@H](O)CC(=O)O`	\(\ce{-O-CH(CH3)-CH2-C(=O)-}\)
(R)-حمض 3-هيدروكسي البنتانويك	`CC[C@@H](O)CC(=O)O`	\(\ce{-O-CH(CH2CH3)-CH2-C(=O)-}\)

ينتج عن إدماجهما عديد[(R)-3-هيدروكسي بيوتيرات-co-(R)-3-هيدروكسي فاليرات]، الذي يُسمّى عادةً PHBV. ولزوج توضيحي من HB–HV، ممثَّل بوصفه ثنائي وحدات ذا نهايتي هيدروكسيل وكربوكسيل، صيغة SMILES الآتية:

O[C@H](C)CC(=O)O[C@H](CC)CC(=O)O

بالنسبة إلى سلسلة تحتوي على \(m\) وحدة HB و\(n\) وحدة HV، تكون معادلة البلمرة الإجمالية الموزونة المقابلة

\[ mB_4+nB_5+\ce{H2O} \xrightarrow{\text{إنزيم البلمرة}} P_{m,n}+(m+n)\,\ce{HS-CoA}. \]

وهكذا، يمكن لمصدر كربون واحد يُقدَّم للخلايا أن يولّد مونومرين منشَّطين مختلفين عن طريق الأيض. وتحدّد الصيغة العامة نوعَي الوحدات المتكررة؛ لكنها لا تحدّد تتابعهما أو كميتيهما النسبيتين.

تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.