ВсОШ 2025, 11 класс, №11-4

Решение

. На первой стадии происходит конденсация Кляйзена этилового эфира фторуксусной кислоты с метилформиатом с образованием енолята . В условии прямо дано указание на ионное строение , то есть нейтрализацию енолята в ходе синтеза не проводят. Енолят затем конденсируется с S-этилизотиомочевиной с образованием 5-фтор-2-(этилтио)пиримидин-4-ола . Вероятный механизм реакции включает в себя последовательную нуклеофильную атаку енолята атомами азота S-этилизотиомочевины и представлен на схеме ниже. В результате гидролиза водным раствором соляной кислоты образуется фторурацил, который также может быть получен прямым фторированием урацила . Фторурацил преимущественно существует в форме лактамного таутомера, в сторону которого смещается равновесие в лактам-лактимной таутомерии, как и в случае других природных азотистых оснований. Механизм гидролиза аналогичен гидролизу производных карбоновых кислот, например, тиоэфиров.

. Рассмотрим верхнюю часть схемы. В структуре метотрексата явно просматривается фрагмент, соответствующий используемому на первой стадии 4-нитробензоилхлориду. Амидной связью к нему присоединён фрагмент глутаминовой кислоты. Следовательно, соединение – это глутаминовая кислота, которая при взаимодействии с 4-нитробензоилхлоридом даёт амид , нитрогруппа которого затем восстанавливается водородом на палладии до аминогруппы. Полученный продукт вступает в реакцию восстановительного аминирования с формальдегидом, что фактически соответствует монометилированию атома азота.

Нижняя часть схемы начинается с взаимодействия нитрата гуанидиния с динитрилом малоновой кислоты в присутствии метилата натрия. Логично предположить нуклеофильное присоединение двух аминогрупп гуанидина к цианогруппам, что даёт 2,4,6-триаминопиримидин . При его нитрозировании нитритом натрия в кислой среде происходит образование соединения , в котором далее нитрозогруппа восстанавливается до аминогруппы при действии дитионита натрия. При добавлении к оксима 3-бром-2-оксопропаналя происходит конденсация двух аминогрупп с кето- и оксимной группами. Таким образом, получается соединение , бициклический структурный фрагмент которого присутствует в метотрексате. Взаимодействие с даёт требуемый антиметаболит метотрексат в результате нуклеофильного замещения атома брома в .

. Существует несколько подходов к решению этой части задачи, поэтому принимаются любые логически обоснованные варианты.

Изобразим бициклические метаболические схемы из веществ. Таких вариантов можно придумать только три:

Для определения верной схемы проанализируем реакции, описанные в условии. Реакции с участием – это окислительно-восстановительные превращения. Из структуры метаболитов фолата логично предположить, что окислительно-восстановительными реакциями связаны пары и . Однако ничего нельзя сказать про направление этих реакций, поэтому предварительно запишем их взаимопревращения как обратимые, и .

Очевидно, что в реакции формилирования источником формильной группы будет метаболит . В ходе реакции изменение субстрата формально описывается присоединением двух атомов – углерода и кислорода. Тогда метаболит должен их лишиться и превратиться в метаболит . Схема реакции:

Поскольку из условия известно, что формилирование является одной из конечных целей процесса, то можно утверждать, что реакция направлена в сторону образования . Анализ реакции синтеза метилирующего метаболита фолата (обозначим его М-II) позволяет установить количество присоединяемых атомов:

Значит, метаболиты и М-II должны отличаться только на атом углерода. Среди метаболитов лишь в паре брутто-формулы различаются только углеродом. Следовательно, – метилирующий метаболит (М-II), образующийся из (М-I). Направление реакции в условиях клетки смещено в сторону образования , поскольку углеродные фрагменты постоянно расходуются в синтетических целях. ( ) Для того чтобы записать реакцию метилирования, определим образующийся в этом процессе метаболит. Поскольку процесс метилирования предполагает вставку в субстрат атома углерода и двух атомов водорода, то метаболиты будут различаться на фрагмент. Только пара соответствует этому условию. Запишем реакцию метилирования:

Направление реакции определяется как аналогично процессу формилирования. Образование может произойти из путём гидролиза иминиевой соли. С другой стороны, это можно строго доказать, проанализировав уже имеющиеся реакции. Объединяя все уже установленные выше реакции, формируется следующая схема:

Для замыкания бициклической схемы не хватает связи метаболитов и , что дополнительно подтверждает описанное выше предположение, основанное на структуре этих метаболитов. Направление этой реакции определяется однозначно как , поскольку расходуется в ходе формилирования. Направление реакций и определяется из аналогичных соображений – расходуется, значит, он должен образовываться из ; образуется из , значит, он должен расходоваться в . Конечная схема метаболизма:

Для определения нуклеотидов, участвующих в метаболизме фолиевой кислоты, достаточно проанализировать структуру фторурацила и информацию о том, что антиметаболиты – аналоги природных соединений. Очевидно, что фторурацил – производное урацила, где фтор – заместитель по пятому положению, блокирующий реакцию с участием этой части молекулы. Поскольку фторурацил блокирует процесс метилирования, то логично предположить, что – дезоксирибоуридин монофосфат, а – дезоксириботимидин монофосфат.

. Влияние препаратов можно оценить, анализируя схему метаболизма.

а) влияние фторурацила на тимидилат-синтазу (фермент, катализирующий превращение приводит к естественному снижению темпов метилирования, в то время как формилирование только ускорится, поскольку теперь метаболит будет расходоваться только в реакции .

б) под действием метотрексата произойдёт постепенная остановка обоих процессов, поскольку метаболит будет по-прежнему расходоваться в двух направлениях, образуя метаболиты и (два разных цикла). Однако под действием метотрексата будет нарушена реакция , а значит и регенерация необходимого для функционирования обоих циклов метаболита . В силу того, что количество фолиевой кислоты в клетке крайне ограничено, то рано или поздно она вся превратится в соединение , что приведёт к полной остановке циклов. Дополнительная информация: Названия описанных в задаче метаболитов: – формилтетрагидрофолат TНF), – метилентетрагидрофолат , – тетрагидрофолат (TНF), – дигидрофолат (DHF), – метенилтетрагидрофолат (CH-TНF). Фолиевая кислота – универсальный переносчик одноуглеродных фрагментов с промежуточной степенью окисления углерода (от в до в СНО). Пути метаболизма производных фолиевой кислоты намного шире, чем те, что описаны в задаче. Например, существует фолатный путь В12-зависимой регенерации метионина из гомоцистеина, который образуется в реакциях метилирования субстратов S-аденозилметионином. таком процессе восстанавливается NADPH до метилтетрагидрофолата и передаёт метильную группу через витамин на гомоцистеин. Также известны и альтернативные источники углерода – например, глицинлиаза, расщепляющая молекулу глицина с помощью . Схема, суммирующая информацию по метаболизму фолатов:

Литература:

. . Vardanyan, . . Hruby, Synthesis of Essential Drugs, , .

. Duschinsky, . Pleven, . . Chem. ., , , .

. Chang, S.-Y. , . Leonczak, . Rozenski, . Jonghe, . Hanck, . . Müller, . Herdewijn, . . Chem., , , .

. Taghavi-Moghadam, . Pfleiderer, Tetrahedron Lett., , , .

. Shane, Food Nutr. Bull., , , .