Chemia organiczna. Aminokwasy. Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

Transkrypt

1 Chemia organiczna Aminokwasy Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego 1

2 Aminokwasy aminokwasy zawierają przynajmniej jedną grupę aminową i jedną karboksylową wzajemne ułożenie grupy aminowej w stosunku do grupy karboksylowej rozróżniamy i kolejne aminokwasy alanina alanina w zależności od liczby podstawników na atomie azotu aminokwasy dzielą się na takie, które zawierają grupę aminową 1 o, 2 o, 3 o i czwartorzędową amoniową - betainy 2

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) selenometionina selenocysteina piro(lo)lizyna 3

4 Selenocysteina analog cysteiny, w której siarka zastąpiona jest selenem. występuje w enzymach produkowanych przez organizm, selenocysteina nie jest kodowana w DNA w przypadku genów opisujących enzymy z selenem - pojawiający się tam kodon UGA jest tłumaczony na Se-Cys za pomocą specjalnego czynnika biologicznego nazywanego SECIS, który zapobiega kończeniu białka w tym miejscu aby czynnik zadziałał selen już musi być obecny w organizmie jest niezbędnym składnikiem wielu ważnych enzymów, w tym wielu peroksydaz - enzymów neutralizujących rodniki tlenkowe i nadtlenkowe selen nie ma właściwości reduktora jego obecność sprzyja zmniejszeniu ilości szkodliwych wolnych rodników jest składnikiem enzymów odpowiadających za aktywność hormonów tarczycy niedobór selenu połączony z niedoborem jodu, może wywołać niedoczynność tarczycy suplementacja poprawia stan chorych w chorobie Hashimoto - autoimmunologicznym zapaleniu tarczycy - chociaż mu nie zapobiega 4

5 Selenometionina i piro(lo)lizyna Selenometionina forma zapasowa L- D- Piro(lo)lizyna odkryta w 2002 roku u bakterii metanowych z rodzaju Archaea składa się z: łańcucha lizynowego połączonego z metylowanym pierścieniem pirolinowym grupa metolowa może pochodzić od rozmaitych metabolitów komórkowych, takich jak metionina, ornityna, kwas glutaminowy, prolina lub izoleucyna. 5

6 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 6

7 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 7

8 Aminokwasy otrzymywanie Jonit substancja służąca do przeprowadzania selektywnego procesu wymiany jonowej, stosowana w kolumnach jonitowych i filtrach jonitowych. przepuszczenie przez warstwę jonitu ciekłej lub gazowej mieszaniny lub roztworu powoduje albo wzbogacenie jej o określony jon lub pozbycie się z niej określonego jonu. Jonity zwykle żele lub substancje porowate, mają zdolność selektywnego uwalniania jednych jonów i pochłaniania innych działanie opiera się o występowanie na powierzchni określonych chemicznych grup funkcyjnych, które wiążą jony zwykle grupy mające własności kwasowe lub zasadowe, które w kontakcie z rozpuszczalnikiem lub roztworem aktywującym (zwykle silnym kwasem lub zasadą) ulegają dysocjacji elektrolitycznej powodującej naładowanie ich powierzchni. 8

9 Aminokwasy otrzymywanie synteza chemiczna Amonoliza halogenokwasów halogenokwasy - łatwo dostępne jako produkty reakcji Hella-Volharda- Zielinskiego kwas propanowy kwas DL-alanina(62%) DL-2-bromopropanowy powstają racemiczne -aminokwasy nadmiar amoniaku służy do wiązania wydzielającego się bromowodoru wielokrotny nadmiar (powyżej 10x) zmniejsza wydajność niepożądanych 2 o i 3 o amin. zamiast amoniaku można używać węglanu amonu, mieszaniny węglanu amonu z amoniakiem karbaminianu amonu powstają pochodne karbaminowe uniemożliwiające dalsze podstawianie 9

10 Aminokwasy otrzymywanie synteza chemiczna Synteza Gabriela alkilowaniu ftalimidku potasu - niedopuszczenie do tworzenia się 2 o i 3 o amin poprzez podstawianie atomów wodoru w amoniaku 2-bromo-3-fenylo- ftalimidek potasu propanian potasu DL-fenyloalanina 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) 10

11 Aminokwasy otrzymywanie synteza Streckera synteza aminokwasów z: aldehydów i cyjanku sodu lub potasu w obecności amoniaku hydroliza imina aminonitryl aminokwas - uprotonowanie tlenu grupy karbonylowej - atak czynnika nukleofilowego (NH 3 ) na węgiel C=O - przemieszczenie H + - odszczepienie wody utworzenie iminy - przyłączenie HCN 11

12 Aminokwasy otrzymywanie synteza Streckera hydroliza imina aminonitryl aminokwas aminonitryl - uprotonowanie azotu grupy nitrylowej - atak wody na węgiel grupy nitrylowej - przemieszczenie protonu 1,2-diaminodiol aminokwas - przyłączenie drugiej cząsteczki wody (atak nukleofilowy na węgiel nitrylowy) - utowrzenie 1,2- diaminodiolu - uprotonowanie grupy aminowej - odszczepienie amoniaku - odszczepienie protonu - powstanie aminokwasu

13 Aminokwasy otrzymywanie synteza chemiczna Synteza Streckera fenyloglicyna - surowiec w otrzymywaniu półsyntetycznych penicylin, otrzymywana z aldehydu benzoesowego aldehyd cyjanohydryna DL-fenyloglicyna benzoesowy aldehydu benzoesowego tyrozyna otrzymywana z aldehydu p-metoksyfenylooctowego aldehyd cyjanohydryna aldehydu DL-tyrozyna p-metoksyfenylooctowy p-metoksyfenylooctowego 13

14 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 14

15 amidosulfon Aminokwasy otrzymywanie synteza Streckera Boc grupa tertbutoksykarbonylowa chiralny bis-hydroksypolieter generator chiralnych anionów

16 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 16

17 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-(pnitrofenylo)etyloamina, - i β-1-naftyloetyloamina] chiralne kwasy: kwasy winowe, dibenzoilowinowe, glutaminowy, migdałowy, kamforosulfonowe, jabłkowy i N-chronione aminokwasy 17

18 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 18

19 Aminokwasy białkowe COO - l + H 3 N C H l R 19

20 Aminokwasy hydrofobowe z alifatycznymi grupami R glicyna alanina walina leucyna izoleucyna prolina metionina cysteina 20

21 Aminokwasy hydrofobowe z aromatycznymi grupami R R - indol fenyloalanina tyrozyna tryptofan 21

22 grupa guanidynowa Aminokwasy hydrofilowe z polarnymi grupami R obdarzonymi ładunkiem kwas asparaginowy arginina lizyna pierścień imidazolowy histydyna kwas glutaminowy 22

23 Aminokwasy hydrofilowe z polarnymi grupami R pozbawionymi ładunku asparagina glutamina seryna treonina 23

24 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. 24

25 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 25

26 Aminokwasy niebiałkowe -alanina CH 2 CH 2 COO - l NH + 3 powstaje podczas przemian zasad pirymidowych wchodzi w skład: kwasu pantotenowego koenzymu A karnozyny kwas -aminomasłowy (GABA) CH 2 CH 2 CH 2 COO - l NH 3 + neuroprzekaźnik; powstaje w mózgu z glutaminianu stymuluje otwieranie kanałów chlorkowych w błonie postsynaptycznej 26

27 Aminokwasy niebiałkowe ornityna i cytrulina - uczestniczą w syntezie mocznika NH + 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH COOl l l + H 3 N CH 2 CH 2 CH COO - NH NH + 3 l H 2 N C=O homocysteina (kwas 2-amino-4merkaptomasłowy) NH 3 + l HS CH 2 CH 2 CH COO - 27

28 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 suplementacja nie przynosi efektów u osób po zawale męśnia sercowego cysteina Metionina Homocysteina

29 Aminokwasy są związkami amfoterycznymi +H + COOl + H 3 N C H l R jon obojniaczy -H + COOH l + H 3 N C H l R COO - l H 2 N C H l R kation anion 29

30 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 pk 1 i pk 2 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 30

31 Równanie Hendersona-Hasselbalcha anion jon obojniaczy kation równoważniki OH - 31

32 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 32

33 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 33

34 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. 34

35 Nomenklatura peptydów - aminoacylokwasów nazwy tworzone są z użyciem nazw grup acylowych kończących się na yl i z nazwy aminokwasu z wolną grupą karboksylową (aminokwas C-końcowy). glicyna (Gly) glicyloalanina alanina (Ala) nazwa peptydu zawsze zaczyna się nazwą aminokwasu z wolną grupą aminową. alanina (Ala) glicyna (Gly) alanyloglicyna 35

36 Grupy funkcyjne aminokwasów tworzących białka zdolne do jonizacji COOH aminokwasów dwukarboksylowych NH 2 aminokwasów dwuaminowych OH tyrozyny i treoniny SH cysteiny reszta imidazolowa histydyny reszta iminowa argininy mała liczba końcowych grup aminowych i karboksylowych 36

37 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 37

38 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. 38

39 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 disulfidowymi w łańcuchu A znajduje się trzeci mostek disulfidowy 39

40 Oligopeptydy o aktywności antybiotyków Penicylina powstaje z D waliny i L cysteiny pierścień tiazolidynowy. tworzą czteroczłonowy pierścień betalaktamowy i pierścień tiazolidynowy pierścień -laktamowy do pierścienia - laktamowego przyłączona jest wiązaniem peptydowym zmienna grupa kwasowa L-cysteina D-walina penicylina poprzez reaktywny pierścień - laktamowy zawierający wiązanie peptydowe, nieodwracalnie hamuje transpeptydazę glikopeptydową kluczowy enzym w syntezie ścian komórek bakterii 40

41 Aktynomycyna D antybiotyk z grupy cytostatyków 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 41

42 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 42

43 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 43

44 Glikacja nieenzymatyczna białko glukoza zasada Schiffa produkt Amadori 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 44

45 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 45