thumbnail| Formil funkcionalna grupa je prikazana plavom bojom.|173x173piksel Formilacija se odnosi na bilo koji hemijski proces u kojem je spoj funkcionaliziran formil grupom (-=O). U organskoj hemiji, termin se najčešće koristi u vezi sa aromatskim spojevima (naprimjer, konverzija benzena u benzaldehid u Gattermann-Kochovoj reakciji). U biohemiji reakciju kataliziraju enzimi kao što su formiltransferaze. Formilacija općenito uključuje upotrebu formilacijskih sredstava, reagensa koji dovode do CHO grupe. Među mnogim formilacijskim reagensima, posebno su važni mravlja kiselina i ugljik-monoksid. Reakcija formilacije u organskoj hemiji odnosi se na organske reakcije u kojima je organski spoj funkcionaliziran formil grupom (-CH=O). Reakcija je put do aldehida (C-CH=O), formamid a (N-CH=O) i format esteri (O-CH=O).
Formilacijski agensi Reagens koji isporučuje formil grupu naziva se formilacijski agens. Mravlja kiselina Dimetilformamid i fosfor oksihlorid u Vilsmeier-Haack reakciji. Heksametilentetramin u Duffovoj reakciji i Sommeletovoj reakciji Ugljik-monoksid i hlorovoična kiselina u Gattermann-Kochovoj reakciji Cijanidiu Gattermannovoj reakciji. Ovaj metod sintetizira aromatske aldehide koristeći hlorovodik i cijanovodonik (ili drugi metalni cijanid kao što je cink-cijanid) u prisustvu Lewisovih kiselih katalizatora: Hloroform u Reimer-Tiemannovoj reakciji Dihlorometil metil eter u Riecheovoj formilaciji Posebno važan proces formilacije je hidroformilacija, koja pretvara alkene u homologirani aldehid.
Aromatska formilacija ivica|desno|201x201piksel Reakcije formilacije su oblik elektrofilne aromatične supstitucije i stoga najbolje funkcionišu sa početnim materijalima bogatim elektronima. Fenoli su uobičajeni supstrati, jer lahko deprotoniraju u odlične fenoksidne nukleofile. Može se očekivati da će reagovati i drugi supstrati bogati elektronima, kao što su mesitilen, pirol ili spojeni aromatski prstenovi. Benzen će reagovati pod agresivnim uslovima, ali deaktivirane prstenove kao što je piridin je teško efikasno formilovati. Mnoge reakcije formilacije će odabrati samo orto produkt (npr. salicilaldehid, što se pripisuje privlačenju između fenoksida i formilacionog reagensa. Jonske interakcije su primenjene za kationske centre dušika u Vilsmeier-Haack reakciji i Duffovoj reakciji, i za elektron-deficitarni karben u Reimer-Tiemann reakciji; koordinacija s metalima visoke oksidacije primijenjena je u Casiraghijevoj i Riecheovom formiliranju (usp. Kolbe-Schmittova reakcija). Direktna reakcija između fenola i paraformaldehida moguća je putem Casiraghijevog formiliranja, ali druge metode primjenjuju maskirane oblike formaldehida, dijelom kako bi se ograničilo stvaranje fenol formaldehidne smole]. Aldehidi su snažno deaktivirajući i kao takvi fenoli obično reaguju samo jednom. Međutim, određene reakcije, kao što je Duffova reakcija, mogu dati dvostruku adiciju. Formilacija se može primijeniti i na druge aromatične prstenove. Budući da uglavnom počinje nukleofilnim napadom aromatske grupe, gustoća elektrona u prstenu je važan faktor. Poznato je da neki aromatski spojevi, poput pirola, regioselektivno formiliraju. Formilacija benzenskih prstenova može se postići putem Gattermannove reakcije i Gattermann-Kochove reakcije. One uključuju katalizu jakom kiselinom i odvijaju se na način sličan Friedel-Craftsovoj reakciji. Alifatska formilacija Hidroformilacija alkena je najvažnija metoda za dobijanje alifatskih formila (tj. aldehida). Reakcija je uglavnom ograničena na industrijska okruženja. Postoji nekoliko specijalizovanih metoda za sintezu u laboratorijskim uslovima, uključujući Sommeletovu reakciju, Bouveaultovu sintezu aldehida ili Bodroux-Chichibabinovu sintezu aldehida.
Reakcije formilacije u biologiji U biohemiji, dodavanje formil funkcionalne grupe se naziva "formilacija". Formil funkcionalna grupa se sastoji od karbonila vezanog za vodonik. Kada je vezana za R grupu bočnog lanca, formil grupa se naziva aldehid. Formilacija je identifikovana u nekoliko kritičnih bioloških procesa. Za metionin su prvi put otkrili da se formiluje u E. coli od strane Marckera i Sangera 1964. godine. a kasnije je utvrđeno da je uključen u inicijaciju sinteze proteina u bakterijama i organelama. Formiranje N-formilmetionina katalizira enzim metionil-tRNK transformilaza. Pored toga, u de novo biosintezi purina javljaju se dvije reakcije formilacije. Ove reakcije kataliziraju enzimi glicinamid ribonukleotid (GAR) transformilaza i 5-aminoimidazol-4-karboksiamid ribotid (AICAR) transformilaza. Nedavno je otkriveno da je formilacija modifikacija histona, koja može modulirati ekspresiju gena. Metanogeneza thumb|256x256px| Ciklus za metanogenezu, koji pokazuje početnu formilaciju metanofurana Formilacija metanofurana pokreće ciklus metanogeneze. Formil grupa nastaje iz ugljen-dioksida i pretvara se u metan. Formilacija u sintezi proteina thumbnail| Metionil tRNKfMet transformilaza u kompleksu s inicijatorom formilmetionil tRNKfMet. Renderirano iz PDB 2FMT.|228x228piksel Kod bakterija i organela, početak sinteze proteina signaliziran je formiranjem formil-metionil-tRNK (tRNKfMet). Ova reakcija zavisi od 10-formiltetrahidrofolata i enzima metionil-tRNK formiltransferaze. Ovu reakciju ne koriste eukarioti ili arheje, jer se prisustvo tRNKfMet u nebakterijskim ćelijama naziva intruzivnim materijalom i brzo se eliminira. Nakon svoje proizvodnje, tRNKfMet se dostavlja do 30S podjedinice ribosoma kako bi započela sintezu proteina. fMet posjeduje istu sekvencu kodona kao i metionin. Međutim, fMet se koristi samo za inicijaciju sinteze proteina i stoga se nalazi samo na N-kraju proteina. Metionin se koristi tokom translacije ostatka. U E. coli, tRNAfMet je specifično prepoznata od strane Inicijacijskog faktora IF-2, jer formil grupa blokira formiranje peptidne veze na N-kraju metionina. Nakon što je sinteza proteina završena, formil grupa na metioninu može se ukloniti pomoću peptid deformilaze. Ostatak metionina može se dalje ukloniti pomoću enzima metionin aminopeptidaza. thumb|495x495px|center| Hemijsku sintezu N-formilmetionina katalizira enzim metionil-tRNK formiltransferaza.
Reakcije formilacije u biosintezi purina Dvije reakcije formilacije su potrebne u jedanaestostepenoj de novo sintezi inozin monofosfata (IMP), prekursora purinskih ribonukleotida AMP i GMP. glicinamid ribonukleotid (GAR) transformilaza katalizira formilaciju GAR-a u formilglicinamidin ribotid (FGAR) u četvrtoj reakciji puta. U pretposljednjem koraku de novo biosinteze purina, 5-aminoimidazol-4-karboksiamid ribotid (AICAR) formilira se u 5-formaminoimidazol-4-karboksamid ribotid (FAICAR) pomoću AICAR transformilaze. GAR transformilaza PurN GAR transformilaza se nalazi u eukariotima i prokariotima. Međutim, druga GAR transformilaza, PurT GAR transformilaza, identificirana je u E. coli. Iako dva enzima nemaju očuvanu sekvencu i zahtijevaju različite formil donore, specifična aktivnost i Km za GAR su isti i u PurT i u PurN GAR transformilazi.
PurN GAR transformilaza PurN GAR transformilaza 1CDE koristi koenzim N10-formiltetrahidrofolat (N10-formil-THF) kao formil donor za formilaciju α-amino grupe GAR-a. U eukariotima, PurN GAR transformilaza je dio velikog multifunkcionalnog proteina, ali se nalazi kao jedan protein u prokariotima.
Mehanizam thumbnail| Aktivno mjesto PurN GAR-a transformirano je u kompleksu s inhibitorom na bazi folata 5-deaza-5,6,7,8-tetrahidrofolatom (5dTHF). α-amino grupa GAR-a (ružičasta) nalazi se u položaju koji bi napao N10-formatnu grupu na inhibitoru na bazi folata (žuta). Asn 106, His 108 i Asp 144 su obojeni zeleno. Renderirano iz PDB 1CDE. Pretpostavlja se da se reakcija formilacije odvija direktnom reakcijom prijenosa u kojoj amino grupa GAR-a nukleofilno napada N10-formil-THF, stvarajući tetraedarski međuprodukt. Budući da je α-amino grupa GAR-a relativno reaktivna, pretpostavlja se da se deprotonacija nukleofila događa pomoću rastvarača. U aktivnom mjestu, Asn 106, His 108 i Asp 144 su pozicionirani tako da pomažu u transferu formila. Međutim, studije mutageneze pokazale su da ovi ostaci nisu pojedinačno neophodni za katalizu, jer samo mutacije dva ili više ostataka inhibiraju enzim. Na osnovu strukture, vjeruje se da negativno nabijeni Asp144 povećava pKa His108, omogućavajući protoniranoj imidazolijskoj grupi His108 da pojača elektrofilnost N10-formil-THF formil grupe. Pored toga, vjeruje se da His108 i Asn106 stabilizuju oksianion formiran u prelaznom stanju. thumb|393x393px|center| Mehanizam PurN GAR transformilaze
PurT GAR transformilaza PurT GAR transformilaza zahtijeva format kao donor formila i ATP za katalizu. Procijenjeno je da PurT GAR transformilaza provodi 14-50% GAR formilacija u E. coli. Enzim je član ATP-hvatanja natporodice proteina.
Mehanizam Za PurT GAR transformilazu predložen je sekvencijalni mehanizam u kojem se pretpostavlja da se prvo formira kratkotrajni formil fosfatni međuprodukt. Ovaj formil fosfatni međuprodukt zatim podliježe nukleofilnom napadu GAR amina radi prijenosa formil grupe. Formil fosfatni međuprodukt je otkriven u eksperimentima mutageneze, u kojima je mutant PurT GAR transforimilaza imao slab afinitet za format. Inkubacija PurT GAR transformilaze sa formil fosfatom, ADP-om i GAR-om daje i ATP i FGAR. Ovo dodatno ukazuje na to da bi formil fosfat mogao biti međuprodukt, jer je kinetički i hemijski kompetentan za provođenje reakcije formilacije u enzimu. Također je predloženo da se formira enzimski fosfatni međuprodukt koji prethodi formilfosfatnom međuproduktu, na osnovu studija pozicijske izmjene izotopa. Međutim, strukturni podaci ukazuju na to da format može biti pozicioniran za direktan napad na γ-fosfat ATP-a u aktivnom mjestu enzima kako bi se formirao formilfosfatni međuprodukt. thumb|438x438px|center|Reakcija katalizirana PurT GAR transformilazom AICAR transformilaza AICAR transformilaza zahtijeva koenzim N10-formiltetrahidrofolat (N10-formil-THF) kao donor formila za formilaciju AICAR-a u FAICAR. Međutim, AICAR transformilaza i GAR transformilaza ne dijele visoku sličnost sekvenci ili strukturnu homologiju.
Mehanizam thumbnail|1M9N aktivno mjesto AICAR transformilaze. Lys267 (cijan), His268 (ljubičasta), AICAR (zelena). Renderirano iz PDB 1M9N.|202x202piksel Amin na AICAR-u je mnogo manje nukleofilan od svog pandana na GAR-u zbog delokalizacije elektrona u AICAR-u putem konjugacije. Stoga, N5 nukleofil AIRCAR-a mora biti aktiviran da bi se dogodila reakcija formilacije. Utvrđeno je da su histidin 268 i lizin 267 esencijalni za katalizu i konzervirani su u svim AICAR transformilazama. Histidin 268 je uključen u deprotonaciju N5 nukleofila AICAR-a, dok se pretpostavlja da lizin 267 stabilizira tetraedarski međuprodukt. thumb|567x567px|center| Mehanizam kataliziran AICAR transformilazom Formilacija u histonskim proteinima thumbnail|left| Formilacija je posttranslacijska modifikacija koja se javlja na lizinskim ostacima. ε-Formilacija je jedna od mnogih posttranslacijskih modifikacija koje se javljaju na histonskim proteinima, za koje je dokazano da moduliraju konformacije hromatin ai aktivaciju gena. thumbnail|right|Formilacija lizina može se takmičiti s acetilacijom kao posttranslacijska modifikacija.|205x205piksel Formilacija je identificirana na Nε lizinskih ostataka u histonima i proteinima. Ova modifikacija je uočena u linker histonima i proteinima grupe visoke mobilnosti, vrlo je zastupljena i vjeruje se da ima ulogu u epigenetici funkcije hromatina. Pokazalo se da lizini koji su formilirani igraju ulogu u vezivanju DNK. Osim toga, formilacija je otkrivena na histonskim lizinima za koje se također zna da su acetilirani i metilirani. Dakle, formilacija može blokirati druge posttranslacijske modifikacije.