Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego · PDF fileChemia organiczna Aminokwasy Zakład Chemii...
Transcript of Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego · PDF fileChemia organiczna Aminokwasy Zakład Chemii...
1
Chemia organiczna
Aminokwasy
Zakład Chemii Medycznej
Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego
2
Aminokwasy
aminokwasy zawierają przynajmniej jedną grupę aminową i jedną karboksylową
wzajemne ułożenie grupy aminowej w stosunku do grupy karboksylowej rozróżniamy i kolejne aminokwasy
w zależności od liczby podstawników na atomie azotu aminokwasy dzielą się na takie, które zawierają grupę aminową 1o, 2o, 3o i czwartorzędową amoniową - betainy
3
Aminokwasy
występowanie: wolne związki wchodzą w skład peptydów, kopolimerów aminokwasów o mniejszej masie cząsteczkowej niż
białka (do 100 jednostek) składniki białek – substancji stanowiących podstawowy budulec drobnoustrojów i organizmów
zwierzęcych.
substraty wielu innych związków biologicznie czynnych, w tym neuroprzekaźników i
alkaloidów
organizm wykorzystuje 23 aminokwasy do syntezy białek - aminokwasy kodowane (najczęściej w białku występuje 20)
aminokwasy występujące w naturze, łącznie z aminokwasami białkowymi nazywane są aminokwasami naturalnymi
aminokwasy syntetyczne, które zostały otrzymane na drodze syntezy chemicznej, a dotychczas nie znaleziono ich pośród produktów naturalnych
znanych jest ponad 1000 aminokwasów naturalnych
aminokwasy naturalne mogą być białkowe i niebiałkowe wśród niebiałkowych aminokwasów naturalnych znajdują się aminokwasy zarówno o
konfiguracji L, jak i D, mogą one występować także w formie racemicznej
4
Aminokwasy – nomenklatura
aminokwasom białkowym zostały nadane nazwy zwyczajowe i są one w powszechnym użyciu
dla innych aminokwasów zaleca się stosowanie nazewnictwa wg uprzednio poznanych reguł IUPAC kwasy z
grupą aminową oraz
innymi podstawnikami
5
Aminokwasy – otrzymywanie
Z hydrolizatów białkowych krystalizacja z hydrolizatów - praktycznie użyteczny sposób
pozyskiwania przypadkach, kiedy aminokwas jest łatwy do wydzielenie z mieszaniny innych aminokwasów cystyna - trudno rozpuszczalna w wodzie, krystalizuje
z hydrolizatu włosów tyrozyna
aminokwasy kwaśne i zasadowe - izolowanie za pomocą jonitów
aminokwasy aromatyczne wyjątkowo mocno adsorbują się na
węglu aktywnym metoda usuwania fenyloalaniny z hydrolizatu białkowego w procesie
przygotowywania pożywek dla dzieci cierpiących na fenyloketonurię
6
Aminokwasy
otrzymywanie – synteza chemiczna
Amonoliza halogenokwasów halogenokwasy - łatwo dostępne jako produkty reakcji Hella-Volharda-
Zielinskiego
powstają racemiczne -aminokwasy nadmiar amoniaku służy do
wiązania wydzielającego się bromowodoru wielokrotny nadmiar (powyżej 10x) zmniejsza wydajność niepożądanych 2o i 3o
amin.
zamiast amoniaku można używać węglanu amonu, mieszaniny węglanu amonu z amoniakiem karbaminianu amonu – powstają pochodne karbaminowe uniemożliwiające
dalsze podstawianie
kwas propanowy kwas DL-alanina(62%) DL-2-bromopropanowy
7
Aminokwasy
otrzymywanie – synteza chemiczna
Synteza Gabriela alkilowaniu ftalimidku potasu - niedopuszczenie do tworzenia się 2o i 3o
amin poprzez podstawianie atomów wodoru w amoniaku
produktem jest aminokwas, który na grupie aminowej ma osłonę ftalilową można go w tej postaci używać do dalszych reakcji usunąć resztę ftalilową (za pomocą hydrazynolizy)
2-bromo-3-fenylo- ftalimidek potasu DL-fenyloalanina propanian potasu
8
Aminokwasy
otrzymywanie – synteza chemiczna
Synteza Streckera synteza aminokwasów z
aldehydów i cyjanku sodu lub potasu
w obecności amoniaku
hydroliza
imina aminonitryl aminokwas
9
Aminokwasy
otrzymywanie – synteza chemiczna
Synteza Streckera fenyloglicyna - surowiec w otrzymywaniu półsyntetycznych penicylin,
otrzymywana z aldehydu benzoesowego
tyrozyna – otrzymywana z aldehydu p-metoksyfenylooctowego
aldehyd cyjanohydryna DL-fenyloglicyna
benzoesowy aldehydu benzoesowego
aldehyd cyjanohydryna aldehydu DL-tyrozyna p-metoksyfenylooctowy p-metoksyfenylooctowego
10
Otrzymywanie aminokwasów chiralnie czystych
aminokwasy otrzymywane na drodze chemicznej z achiralnych substratów, bez udziału chiralnych czynników są racemiczne
do celów farmakologicznych, medycznych, biochemicznych, wzbogacania produktów żywnościowych, do badań chemicznych potrzebne są czyste stereoizomery
otrzymuje się je w: reakcjach z chiralnych substratów lub
w obecności chiralnych katalizatorów, w tym za pomocą enzymów i mikroorganizmów
można rozdzielać racematy na enancjomery
11
Otrzymywanie aminokwasów chiralnie czystych
Rozdzielanie racematów racematy można rozdzielić na enancjomery
za pomocą soli diastereoizomerycznych, poprzez diastereoizomeryczne pochodne, enzymatycznie, za pomocą mikroorganizmów, chromatografii chiralnej lub krystalizacji spontanicznej
rozdzielanie racematów na enancjomery wybieramy zamiast syntezy chiralnej gdy: potrzebne są oba enancjomery drugi niepotrzebny enancjomer można łatwo zracemizować i
racemat zawrócić do rozdzielania
12
Otrzymywanie aminokwasów chiralnie czystych
Krystalizacja diastereoizomerycznych soli aminokwasy lub ich pochodne tworzą z:
chiralnymi aminami lub chiralnymi kwasami
diastereoizomeryczne sole, różniące się m.in. rozpuszczalnością w odpowiednim rozpuszczalniku, co sprzyja
rozdzielaniu ich poprzez krystalizację
chiralne aminy stosowane do rozdzielania racemicznych
aminokwasów: naturalne alkaloidy (brucyna, chinina, efedryna, strychnina) lub aminy syntetyczne [1-fenyloetyloaminę, 1-(p-
nitrofenylo)etyloamina, - i β-1-naftyloetyloamina]
chiralne kwasy:
kwasy winowe, dibenzoilowinowe, glutaminowy, migdałowy, kamforosulfonowe, jabłkowy i
N-chronione aminokwasy
13
Otrzymywanie aminokwasów chiralnie czystych
Rozdzielanie za pomocą enzymów stosuje się takie enzymy, jak np. acylazy, proteazy, syntetazy, oksydazy
enzymy katalizują reakcję na określonym centrum sterycznym (najczęściej
L), pozostawiając drugie centrum bez zmian
produkty tych reakcji zwykle różnią się znacznie właściwościami fizycznymi i chemicznymi, co ułatwia ich separację
proteazy są w stanie stereoselektywnie hydrolizować ugrupowania
estrowe.
N-acetylo-DL-aminokwas N-acetylo-D-aminokwas L-aminokwas
14
Aminokwasy białkowe
COO-
l +H3N – C – H
l
R
15
Aminokwasy hydrofobowe
z alifatycznymi grupami R
glicyna alanina walina leucyna izoleucyna
prolina metionina cysteina
16
Aminokwasy hydrofobowe
z aromatycznymi grupami R
fenyloalanina tyrozyna tryptofan
17
Aminokwasy hydrofilowe
z polarnymi grupami R obdarzonymi ładunkiem
arginina lizyna
histydyna kwas glutaminowy
kwas asparaginowy
18
Aminokwasy hydrofilowe
z polarnymi grupami R pozbawionymi ładunku
asparagina glutamina
seryna treonina
19
Aminokwasy egzogenne
Nie mogą być syntetyzowane w organizmie człowieka: leucyna izoleucyna lizyna fenyloalanina metionina walina treonina tryptofan histydyna
arginina -
prawidłowy wzrost dzieci wymaga dostarczenia jej z zewnątrz
Największe dzienne zapotrzebowanie dorosłego człowieka jest na leucynę, a najmniejsze na tryptofan.
20
Aminokwasy endogenne
Są syntetyzowane w organizmie zwierząt wyższych i człowieka.
glicyna alanina prolina seryna kwas asparaginowy kwas glutaminowy glutamina arginina Aminokwasy względnie endogenne: tyrozyna powstaje z egzogennej fenyloalaniny cysteina powstaje z:
egzogennej metioniny endogennej seryny
21
Aminokwasy niebiałkowe
-alanina CH2 – CH2 – COO- l NH3
+
kwas -aminomasłowy (GABA) CH2 – CH2 – CH2 – COO-
l NH3
+
powstaje podczas przemian zasad pirymidowych wchodzi w skład:
kwasu pantotenowego koenzymu A karnozyny
neuroprzekaźnik; powstaje w mózgu z glutaminianu stymuluje otwieranie kanałów chlorkowych w błonie postsynaptycznej
22
Aminokwasy niebiałkowe
ornityna i cytrulina - uczestniczą w syntezie mocznika NH3
+ CH2–CH2–CH2–CH–COO- l l l +H3N–CH2–CH2–CH–COO- NH NH3
+ l H2N–C=O
homocysteina (kwas 2-amino-4merkaptomasłowy) NH3
+ l HS–CH2–CH2–CH–COO-
Aminokwasy niebiałkowe - homocysteina
Niezależny czynnik ryzyka rozwoju m.in.: miażdzycy
zawału serca udaru mózgu
zmian zakrzepowych
Do wzrostu poziomu homocysteiny prowadzą:
czynniki genetyczne palenie tytoniu przewlekłe nadużywanie alkoholu nadmierne spożycie kawy niektóre leki niedobór witamin (nieprawidłowa dieta)
witaminy B6 witaminy B12 kwasu foliowego cysteina
Homocysteina
Metionina
24
Aminokwasy są związkami amfoterycznymi
COO- l +H3N – C – H l R jon obojniaczy
COOH
l +H3N – C – H l R kation
COO-
l H2N – C – H l R anion
+H+ -H+
25
Punkt izoelektryczny aminokwasów
Punktem izoelektrycznym (pI) aminokwasów nazywamy takie pH, przy którym cząsteczki
aminokwasu występują w postaci jonu obojnaczego.
wartość pH odpowiadająca wartości pI jest średnią
arytmetyczną pK1 i pK2
w punkcie pI cząsteczki aminokwasu nie są obdarzone ładunkiem elektrycznym i nie wędrują w polu elektrycznym
gdy pH < pI - cząsteczki aminokwasów są kationami
gdy pH > pI – cząsteczki aminokwasu są anionami
26
Równanie
Hendersona-Hasselbalcha
anion jon obojniaczy kation
równoważniki OH-
27
Stereoizomery aminokwasów
aminokwasy występują w postaci pary enancjomerów. posiadają one centrum chiralności roztwory wodne aminokwasów:
skręcaja płaszczyznę swiatła spolaryzowanego w lewo lub w prawo,
występują w dwóch formach stereoizomerycznych L i D. w białkach w zasadzie występuje tylko forma L-aminokwasu. formę D można spotkać w ścianie komórkowej bakterii
L- alanina D- alanina
28
Wiązanie peptydowe
kowalencyjne wiązanie powstające między grupą -aminową jednego aminokwasu a grupą -karboksylową drugiego aminokwasu.
wolna para elektronowa azotu wiązania peptydowego jest zdelokalizowana w wyniku nakładania się orbitali z grupy karbonylowej.
grupa peptydowa jest sztywna i płaska.
atomy tworzące wiązania peptydowe leżą w jednej płaszczyźnie.
wodór grupy aminowej prawie zawsze znajduje się po położeniu trans w stosunku do tlenu grupy karbonylowej
29
Wiązanie peptydowe
nie jest możliwa swobodna rotacja wokół wiązania C – N
możliwa jest rotacja wokół wiązań C -N i C -C
kąty torsyjne (kąty rotacji) mają wpływ na kształtowanie się konformacji przestrzennej łańcucha polipeptydowego
znając ich wartości dla każdej reszty amnokwasowej, można przewidzieć, jaki kształt przyjmie polipeptyd.
30
Nomenklatura peptydów - aminoacylokwasów
glicyna (Gly) alanina (Ala)
glicyloalanina
alanina (Ala) glicyna (Gly)
alanyloglicyna
nazwy tworzone są z użyciem nazw grup acylowych kończących się na –yl i z nazwy aminokwasu z wolną grupą karboksylową (aminokwas C-końcowy).
nazwa peptydu zawsze zaczyna się nazwą aminokwasu z wolną grupą aminową.
31
Grupy funkcyjne aminokwasów
tworzących białka zdolne do jonizacji
–COOH aminokwasów dwukarboksylowych
–NH2 aminokwasów dwuaminowych
–OH tyrozyny i treoniny
–SH cysteiny
reszta imidazolowa histydyny reszta iminowa argininy
mała liczba końcowych grup aminowych i karboksylowych
32
Oligopeptydy
glutation – -glutamylocysteinyloglicyna tripeptyd aminokwas N-terminalny – kwas L-glutaminowy przyłączony jest
do Cys grupą -karboksylową bierze udział w reakcjach redoks, przechodząc przy tym w dimer antyutleniaczem aktywator enzymów, pełni rolę koenzymu dla peroksydazy
glutationowej
Glu Cys Gly
33
Oligopeptydy
wazopresyna i oksytocyna
nanopeptydy wykazującymi aktywność hormonów produkowane w podwzgórzu, magazynowane w tylnym płacie
przysadki mózgowej. mają bardzo podobną strukturę, różnią tylko dwoma aminokwasami
wazopresyna (hormon antydiuretyczny, ADH) zwiększe wchłanianie zwrotne wody w dystalnych kanalikach
nerkowych. niedobór ADH prowadzi do moczówki prostej.
oksytocyna stymuluje skurcze mięśni gładkich macicy i gruczołu
sutkowego.
34
Oligopeptydy
Insulina 51-peptyd wytwarzany w trzustce zwykle występuje w postaci dimeru, zawierającego ponad
100 reszt aminokwasowych zbudowana jest z dwóch łańcuchów:
A – 21 reszt aminokwasów B – 30 reszt aminokwasów łańcuchy połączone są dwoma mostkami disilfidowymi w łańcuchu A znajduje się trzeci mostek disulfidowy
35
Oligopeptydy o aktywności antybiotyków
Penicylina powstaje z D – waliny i L – cysteiny
tworzą czteroczłonowy pierścień beta-
laktamowy i
pierścień tiazolidynowy
do pierścienia - laktamowego przyłączona jest wiązaniem peptydowym zmienna grupa kwasowa
penicylina poprzez reaktywny pierścień - laktamowy zawierający wiązanie
peptydowe, nieodwracalnie hamuje transpeptydazę glikopeptydową – kluczowy enzym w syntezie ścian komórek bakterii
L-cysteina D-walina
pierścień tiazolidynowy.
pierścień -laktamowy
36
Aktynomycyna D
pochodzi ze szczepu Streptomyces,
w swej strukturze zawiera: grupę barwnikową (kwas fenoksazonodikarboksylowy)
połączoną wiązaniami peptydowymi z dwoma pentapeptydami.
Końcowe grupy karboksylowe obu pentapeptydów tworzą
makrocykliczne pierścienie laktonowe W pentapeptydach występuje D-walina
jest specyficznym inhibitorem syntezy RNA, czyli transkrypcji zarówno w komórkach prokariotycznych, jak i eukariotycznych,
często jest wykorzystywana w badaniach biochemicznych
wiąże się specyficznie z dwuniciowym DNA, uniemożliwiając jego użycie jako matrycy w syntezie RNA
Sar - sarkozyna MeVal - N-metylowalina Val
37
Walinomycyna
struktura cykliczna, utworzona z aminokwasów i hydroksykwasów połączonych na przemian wiązaniami estrowymi i peptydowymi.
Składa się z trzykrotnie powtórzonego elementu zawierającegp
reszty: L-mleczanu (Lac), L-waliny, D-hydroksyizowalerianianu D-waliny
jonoforowy antybiotyk nośnikowy
pod jego wpływem błony biologiczne stają się przepuszczalne dla jonów K+
organizmy będące pod wpływem antybiotyków jonoforowych
pozbawione są możliwości kontroli nad wymianą składników z otoczeniem.
wiąże jon K+ koordynacyjnie z sześcioma atomami tlenu reszt walin w centralnej przestrzeni cząsteczki i jako nośnik przenosi je na drugą stronę błony
38
Chemiczne modyfikacje
reszt aminokwasowych
Aminokwasy nie ulegające modyfikacjom potranslacyjnym: alanina, walina, leucyna, izoleucyna i metionina Główne rodzaje potranslacyjnych modyfikacji łańcuchów bocznych: fosforylacja -karboksylacja acetylacja metylacja hydroksylacja racemizacja adenylacja ubikwitynacja glikozylacja sieciowanie białek z udziałem poliamin acylacja – mirystylacja i palmitylacja prenylacja – farnelyzacja i geranylogeranylacja tworzenie poprzecznych wiązań między łańcuchami polipeptydowymi tworzenie pochodnych glikozylofosfatydyloinozytylowych (GIP)
Glikacja nieenzymatyczna Główne białka ulegające glikacji: hemoglobina, albumina i inne białka
surowicy, białak błon plazmatycznych, krystalina, białka osłonek mielinowych osrodkowego i obwodowego układu nerwowego, białka macierzy łącznotkankowej, np. kolagen
39
Glikacja nieenzymatyczna
bezpośrednia reakcja chemiczna między redukującym
cukrem, najczęściej glukozą a pierwszorzędową grupą
aminową białka, w której nie powstaje glikozyd
początkowy produkt jest labilną zasadą Schiffa która ulega powolnemu przegrupowaniu Amadori do stabilnej ketoaminowej pochodnej białka
białko glukoza zasada Schiffa produkt Amadori
40
Glikacja nieenzymatyczna
w organizmach żywych nieenzymatyczne przyłączenie cukrowca - strukturalna i funkcjonalną modyfikacje białka, mającą znaczenie w mechanizmie starzenia, która ma szczególnie duży wpływ na białka o długim okresie półtrwania
prędkość i wydajność procesu nieenzymatycznej glikacji jest proporcjonalny do stężenia cukru oraz czasu trwania reakcji
glikowane białka błon plazmatycznych i podstawnych oraz
glikowany kolagen ścian naczyń krwionośnych mogą prowadzić zwiększonej przepuszczalności mikronaczyniowej, np. w nerkach
glikowanie białek soczewki oka (krystaliny) prowadzi do zaćmy
glikowana hemoglobina wskaźnikiem glikemii w organizmie