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 a-, b-, g- i kolejne aminokwasy a-alanina b-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 organizmy wykorzystują 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 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 8

9 Aminokwasy białkowe COO - l + H 3 N C a H l R 9

10 Aminokwasy hydrofobowe z alifatycznymi grupami R glicyna alanina walina leucyna izoleucyna prolina metionina cysteina 10

11 Aminokwasy hydrofobowe z aromatycznymi grupami R R - indol fenyloalanina tyrozyna tryptofan 11

12 grupa guanidynowa Aminokwasy hydrofilowe z polarnymi grupami R obdarzonymi ładunkiem kwas asparaginowy arginina lizyna pierścień imidazolowy histydyna kwas glutaminowy 12

13 Aminokwasy hydrofilowe z polarnymi grupami R pozbawionymi ładunku asparagina glutamina seryna treonina 13

14 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. 14

15 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 15

16 Aminokwasy niebiałkowe b-alanina CH 2 CH 2 COO - l NH + 3 powstaje podczas przemian zasad pirymidowych wchodzi w skład: kwasu pantotenowego koenzymu A karnozyny kwas g-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 16

17 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 - 17

18 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 mięśnia sercowego cysteina Metionina Homocysteina

19 Aminokwasy są związkami amfoterycznymi COOl + H 3 N C H l R jon obojniaczy +H + -H + COOH l + H 3 N C H l R COO - l H 2 N C H l R kation anion 19

20 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 20

21 Równanie Hendersona-Hasselbalcha anion jon obojniaczy kation równoważniki OH - 21

22 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 22

23 Wiązanie peptydowe kowalencyjne wiązanie powstające między grupą a-aminową jednego aminokwasu, a grupą a-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 23

24 Wiązanie peptydowe nie jest możliwa swobodna rotacja wokół wiązania C N możliwa jest rotacja wokół wiązań C a -N i C a -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. 24

25 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 25

26 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 26

27 Oligopeptydy glutation g-glutamylocysteinyloglicyna tripeptyd aminokwas N-terminalny kwas L-glutaminowy przyłączony jest do Cys grupą g-karboksylową bierze udział w reakcjach redoks, przechodząc przy tym w dimer antyutleniaczem aktywator enzymów, pełni rolę koenzymu dla peroksydazy glutationowej Glu Cys Gly 27

28 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. 28

29 Polipeptydy 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 29

30 Oligopeptydy o aktywności antybiotyków Penicylina powstaje z D waliny i L cysteiny pierścień tiazolidynowy. tworzą czteroczłonowy pierścień betalaktamowy i pierścień tiazolidynowy pierścień b-laktamowy do pierścienia b- laktamowego przyłączona jest wiązaniem peptydowym zmienna grupa kwasowa L-cysteina D-walina penicylina poprzez reaktywny pierścień b- laktamowy zawierający wiązanie peptydowe, nieodwracalnie hamuje transpeptydazę glikopeptydową kluczowy enzym w syntezie ścian komórek bakterii 30

31 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 31

32 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 32

33 Chemiczne modyfikacje reszt aminokwasowych Aminokwasy nie ulegające modyfikacjom potranslacyjnym: alanina, walina, leucyna, izoleucyna i metionina Główne rodzaje potranslacyjnych modyfikacji łańcuchów bocznych: fosforylacja g-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 33

34 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 34

35 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 35