ZWIĄZKI BILGICZNIE CZYNNE PCDZENIA NATURALNEG WYKŁAD DLA SPECJALIZACJI: BITECNLGIA LEKÓW DR INŻ. TMASZ LASKWSKI KATEDRA TECNLGII LEKÓW I BICEMII WYDZIAŁ CEMICZNY PLITECNIKI GDAŃSKIEJ
CZĘŚĆ IV: METABLITY PIERWTNE
RANGA ZWIĄZKÓW NATURALNYC Pod względem rangi, związki naturalne można podzielić na trzy grupy: BIMAKRMLEKUŁY RANGA ZWIĄZKÓW NATURALNYC METABLITY PIERWTNE METABLITY WTÓRNE RNA (mrna, trna, etc.) aminokwasy i peptydy fenole i polifenole DNA cukry flawonoidy białka strukturalne lipidy terpeny i terpenoidy enzymy nukleotydy alkaloidy rybozymy i inne (?) oraz wiele ich pochodnych pochodne poliketydów steroidy oraz niezliczone ilości ich pochodnych
METABLITY PIERWTNE Metabolity pierwotne to te niskocząsteczkowe związki naturalne, bez których niemożliwe jest funkcjonowanie danego organizmu żywego. Metabolity pierwotne można (z grubsza) podzielić na: nukleoaminy; aminokwasy i peptydy; cukry (mono-/di-/polisacharydy); alkohole (w tym poliole), niskocząsteczkowe kwasy organiczne; lipidy (kwasy tłuszczowe, steroidy, poliketydy, prenole); kombinacje i pochodne wyżej wymienionych, np.: nukleozydy i nukleotydy (w tym ATP, NAD + /NAD, NADP + /NADP, FAD/FAD 2, etc.), sacharolipidy; glicerolipidy, glicerofosfolipidy, sfingolipidy; witaminy; i wiele innych. Metabolity pierwotne są zaangażowane we wszystkie funkcje żywego organizmu (wzrost, oddychanie, odżywanie, wydalanie, reprodukcja, wysyłanie i odbieranie sygnałów, zmysły, etc.). Metabolity pierwotne są również prekursorami biomakromolekuł oraz metabolitów wtórnych.
METABLITY PIERWTNE EWLUCJA BICEMICZNA I. Wytworzenie, w procesach niebiologicznych, cząsteczek kluczowych dla życia (kwasy nukleinowe, białka, cukry, lipidy). II. III. IV. Wytworzenie, w wyniku reakcji prebiotycznych, systemów samoreplikujących się. panowanie przez systemy samoreplikujące się procesów przetwarzania energii słonecznej i chemicznej do postaci możliwych do wykorzystania w reakcjach biochemicznych organizmy jednokomórkowe. Wytworzenie mechanizmów adaptacyjnych do zmian środowiska kolonie komórek [specjalizacja komórek] organizmy wielokomórkowe. Metabolity pierwotne wchodzą na scenę na etapie II i ugruntowują swoją pozycję na etapie III.
METABLIZM
WĘGLWDANY PDSTAWWE PJĘCIA Węglowodany to związki naturalne będące z punktu widzenia chemii wielowodorotlenowymi aldehydami i ketonami oraz polimerami tychże. gólny wzór sumaryczny węglowodanów który w pełni tłumaczy nazwę tej klasy związków jest następujący: C n ( 2 ) n. Znane są oczywiście węglowodany odbiegające od tej reguły, np. deoksyryboza (C 5 10 4 ). Podział cukrów: ze względu na rozmiar monosacharydu (monozy): triozy, tetrozy, pentozy, heksozy, heptozy, etc; ze względu na rozmiar cząsteczki: monosacharydy, disacharydy, oligosacharydy, polisacharydy; ze względu na grupy funkcyjne: polihydroksyaldehydy (aldozy), polihydroksyketony (ketozy). Właściwości fizyczne węglowodanów: bezbarwne; bezwonne, słodki smak (dzięki obecności grup ); rozpuszczalne w wodzie; nierozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych; wykazują czynność optyczną; wodny odczyn jest obojętny.
WĘGLWDANY CEMIA MNSACARYDÓW I. Cukry ulegają reakcjom redukcji, które prowadzą do alkoholi wielowodorotlenowych. C C 2 2 /Ni C 2 C 2 Sorbitol alkohol heksahydroksylowy, 2S,3R,4R,5R-heksan- 1,2,3,4,5,6-heksaol. Występuję w syropie kukurydzianym, a także w jabłkach, gruszkach, brzoskwiniach i suszonych śliwkach. Słodki w smaku, wykazuje 60% słodkości cukru spożywczego. Stosowany jako słodzik (E420), gdyż dostarcza 35% mniej kcal od cukru. Wolno metabolizowany przez organizm do fruktozy za pośrednictwem dehydrogenazy sorbitol-6-fosforanu. (Warto również sprawdzić: mannitol). II. Niektóre cukry (aldozy) ulegają reakcjom utleniania, które prowadzą do kwasów polihydroksydikarboksylowych. rodzaj związku nazwa ogólna przykłady monosacharyd: C 2 (C) n C aldoza glukoza mannoza poliol: C 2 (C) n C 2 alditol glucitol (sorbitol) mannitol kwas monokarboksylowy: C 2 (C) n C kwas aldonowy kwas glukonowy kwas mannonowy kwas dikarboksylowy (cukrowy): C(C) n C kwas aldarowy kwas glukarowy kwas mannarowy aldehydo-kwas: C(C) n C kwas uronowy kwas glukuronowy kwas mannuronowy
WĘGLWDANY CEMIA MNSACARYDÓW I. Cukry ulegają reakcjom redukcji, które prowadzą do alkoholi wielowodorotlenowych. C C 2 2 /Ni C 2 C 2 Sorbitol alkohol heksahydroksylowy, 2S,3R,4R,5R-heksan- 1,2,3,4,5,6-heksaol. Występuję w syropie kukurydzianym, a także w jabłkach, gruszkach, brzoskwiniach i suszonych śliwkach. Słodki w smaku, wykazuje 60% słodkości cukru spożywczego. Stosowany jako słodzik (E420), gdyż dostarcza 35% mniej kcal od cukru. Wolno metabolizowany przez organizm do fruktozy za pośrednictwem dehydrogenazy sorbitol-6-fosforanu. (Warto również sprawdzić: mannitol). II. Niektóre cukry (aldozy) ulegają reakcjom utleniania, które prowadzą do kwasów polihydroksydikarboksylowych. GLUKZA C C 2 Br 2 / 2 N 3 C C 2 C C KWAS GLUKNWY KWAS GLUKARWY
WĘGLWDANY CEMIA MNSACARYDÓW III. Cukry ulegają reakcjom estryfikacji. Ac Ac Ac 2 Ac Ac Ac IV. Cukry ulegają reakcjom z fenylohydrazyną (Ph-N-N 2 ). Wobec nadmiaru fenylohydrazyny tworzą się związki zwane osazonami. Przebieg tej reakcji jest identyczny dla aldoz oraz ketoz. C ALDZA R C 2 2 N N nadmiar C N N N N IDENTYCZNY SAZN KETZA R R
WĘGLWDANY CEMIA MNSACARYDÓW III. Cukry ulegają reakcjom estryfikacji. Ac Ac Ac 2 Ac Ac Ac IV. Cukry ulegają reakcjom z fenylohydrazyną (Ph-N-N 2 ). Wobec nadmiaru fenylohydrazyny tworzą się związki zwane osazonami. Przebieg tej reakcji jest identyczny dla aldoz oraz ketoz. C C C 2 Epimery w ujęciu chemii organicznej są to węglowodany, które w wyniku reakcji z nadmiarem fenylohydrazyny prowadzą do identycznych osazonów. Pojęcie epimerów bywa niekiedy zawężane do diastereoizomerycznych par węglowodanów, które różnią się wyłącznie konfiguracją absolutną na węglu 2. C 2 C 2 C 2 GLUKZA MANNZA FRUKTZA W ujęciu definicji I, epimerami są np. glukoza, mannoza i fruktoza. W ujęciu definicji II, epimerami są np. glukoza i mannoza, galaktoza i taloza, etc.
WĘGLWDANY CEMIA MNSACARYDÓW V. W rozcieńczonych roztworach zasad cukry ulegają reakcjom epimeryzacji. Zasada: np. chinolina N VI. Wobec kwasów mineralnych ( 2 S 4, Cl) cukry ulegają częściowej dehydratacji, tworząc związki cykliczne: 5-hydroksymetylofurfural (heksozy) oraz furfural (pentozy). C 2 2 S 4-3 2 5-hydroksymetylofurfural pochodna furanu o własnościach zapachowych. Występuje m.in. w pszczelim miodzie, owocach, mleku, kawie i liściach tytoniu. Prekursor wielu metabolitów wtórnych oraz związków syntetycznych. Jest jednym z głównych produktów reakcji Maillarda. C 2 D-fruktoza
WĘGLWDANY CEMIA MNSACARYDÓW V. W rozcieńczonych roztworach zasad cukry ulegają reakcjom epimeryzacji. Zasada: np. chinolina N VI. Wobec kwasów mineralnych ( 2 S 4, Cl) cukry ulegają częściowej dehydratacji, tworząc związki cykliczne: 5-hydroksymetylofurfural (heksozy) oraz furfural (pentozy). C 2 S 4-3 2 Furfural aldehydowa pochodna furanu, otrzymywana z otrębów. Występuje również w wanilii. Furfural stosowany jest m.in. do otrzymywania tworzyw sztucznych, barwników oraz antybiotyków (np. nitrofuralu). Podobnie jak hydroksymetylofurfural, powstaje w reakcjach Maillarda. C 2 D-ryboza
WĘGLWDANY CEMIA MNSACARYDÓW VII. W wyniku obróbki cieplnej oraz wobec aminokwasów cukry ulegają reakcjom Maillarda (chemia gotowania!). C 2 + 2 N R 1 C [T] - 2 + N C 2 R 1 C N C 2 R 1 C - 2 R 1 R 1 2 C N R 1 N C N C C C 2 C 2 C 2 zwiazek Amadori zasada Schiffa
WĘGLWDANY CEMIA MNSACARYDÓW VII. W wyniku obróbki cieplnej oraz wobec aminokwasów cukry ulegają reakcjom Maillarda (chemia gotowania!). 2 C N R 1 C C N R 1 C C N + R 1 C C - - + 2 - aminokwas C 2 C 2 C 2 C 2 zwiazek Amadori 3-deoksyheksosuloza (zwiazek dikarbonylowy) ALDEYD STRECKERA
WĘGLWDANY CEMIA MNSACARYDÓW VII. W wyniku obróbki cieplnej oraz wobec aminokwasów cukry ulegają reakcjom Maillarda (chemia gotowania!). Związki Amadori i aldehydy Streckera ulegają dalszym reakcjom, prowadząc do całej gamy związków odpowiedzialnych za smak, zapach i kolor potraw (np. do brązowych melanoidyn). dpowiadają one m.in. za: brązowienie grillowanego i smażonego mięsa; brązowienie i smak pieczonej cebuli; brązowienie pieczonych tostów i generalnie pieczonego chleba; złotobrązowy kolor frytek; kolor whisky i piwa; kolor i smak skondensowanego mleka; kolor i smak parzonej kawy; kolor syropu klonowego; i wiele innych. SZKDLIWY & PRZEBRZYDŁY AKRYLAMID Nie należy jednak mylić reakcji Maillarda z karmelizacją. Karmelizacja to po prostu piroliza cukrów złożonych, natomiast reakcje Maillarda wymagają obecności białek (aminokwasów). Paradoksalnie, karmel otrzymywany z mleka i cukru do produkcji cukierków powstaje w wyniku reakcji Maillarda (mleko zawiera białko, prawda? pij mleko!), a nie w wyniku procesu karmelizacji. W wyniku reakcji Maillarda powstają również związki szkodliwe. Reakcje związków dikarbonylowych z asparaginą prowadzą w wysokiej temperaturze (np. w temperaturze smażenia frytek) do powstania akrylamidu, który jest znanym związkiem rakotwórczym.
WĘGLWDANY CEMIA MNSACARYDÓW VII. W wyniku obróbki cieplnej oraz wobec aminokwasów cukry ulegają reakcjom Maillarda (chemia gotowania!).
WĘGLWDANY CEMIA MNSACARYDÓW VIII. Wszystkie cukry proste redukują wodorotlenki metali (próba Trommera, odczynnik Fehlinga) oraz tlenki metali (próba Tollensa), co wiąże się z utlenieniem grupy aldehydowej do grupy karboksylowej. Ketozy, mimo braku grupy aldehydowej, również dają pozytywne wyniki prób Trommera, Fehlinga i Tollensa, ponieważ w środowisku zasadowym ulegają epimeryzacji. Próba Trommera: 2 Cu() 2 + C 2 (C) n C + Cu 2 + C 2 (C) n C + 3 2 Próba Fehlinga: 2 Cu 2+ (*) + C 2 (C) n C + Na + 2 Cu 2 + C 2 (C) n CNa + 4 + Próba Tollensa: (*) odczynnik Fehlinga: Cu 2+ + - C(C) 2 C - (aniony winianowe) 2 [Ag(N 3 ) 2 ] + (*) + C 2 (C) n C + 3 2 Ag + C 2 (C) n C + 2 2 + 4 N 3 (*) odczynnik Tollensa: 2 AgN 3 + 6 N 3 + 2 2 2N 4 N 3 + 2 [Ag(N 3 ) 2 ] + + 2 Powyższe reakcje wypada znać, gdyż są to absolutne klasyki.
WĘGLWDANY CEMIA MNSACARYDÓW IX. Cukry w formie piranozowej i furanozowej są hemiacetalami. Grupa hydroksylowa na węglu anomerycznym (1 ) jest bardziej reaktywna w stosunku do pozostałych grup hydroksylowych. Umożliwia to tworzenie acetali, które w przypadku cukrów nazywane są glikozydami. Reakcja z alkoholem pierwszorzędowym: C 3 + C 3 Reakcja z alkoholem drugorzędowym (na przykładzie reakcji Schmidta):
WĘGLWDANY CEMIA MNSACARYDÓW X. Cukry w formie piranozowej i furanozowej ulegają w środowisku wodnym zjawisku mutarotacji. 2 α-d-glukpiranza β-d-glukpiranza Anomery cukry w formie piranozowej (heksozy) bądź furanozowej (pentozy), które różnią się wyłącznie konfiguracją absolutną na węglu anomerycznym (1 ). Stereochemia reszty cząsteczki w przypadku pary anomerów musi być identyczna. Anomery nie są enancjomerami ani epimerami są diastereoizomerami. Mutarotacja w przypadku cukrów termin ten odnosi się do zmiany anomeru α w β (i na odwrót) w roztworach wodnych cyklicznych monosacharydów. Mutarotacja est efektem równowagi tautomerycznej danego cukru (wynikającej z otwierania pierścienia) i jest charakterystyczna dla cukrów redukujących. Cukry zablokowane wiązaniem 1 -glikozydowym nie ulegają zjawisku mutarotacji.
WĘGLWDANY TRIZY Triozy to cukry zawierające trzy atomy węgla w cząsteczce. Istnieją wyłącznie trzy takie cukry i nie zostały odnalezione w postaci wolnej w przyrodzie. C C C 2 C 2 C 2 C 2 ALDEYD D-GLICERYNWY ALDEYD L-GLICERYNWY DIYDRKSY- ACETN Rozróżnienie aldehydu D-glicerynowego i L-glicerynowego ustanawia podwaliny do rozróżnienia dwóch szeregów cukrów: L i D. Dany cukier szeregu L jest enancjomerem cukru o tej samej nazwie, należącego do szeregu D. przynależności do danego szeregu decyduje konfiguracja przedostatniego atomu węgla cukru. R R C 2 C 2 SZEREG D SZEREG L
WĘGLWDANY TETRZY Tetrozy to cukry zawierające cztery atomy węgla w cząsteczce. Jako że każdy szereg posiada jeden stopień swobody konfiguracji na węglu 2 oraz można wyobrazić sobie po jednej ketozie w każdym z szeregów, w sumie istnieje sześć tetroz, które również nie zostały odnalezione w postaci wolnej w przyrodzie. C C C C C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 D-ERYTRZA L-ERYTRZA D-TREZA L-TREZA D-ERYTRULZA L-ERYTRULZA Zastosowanie? Erytruloza składnik samoopalaczy.
WĘGLWDANY ALDPENTZY Pentozy to cukry zawierające pięć atomów węgla w cząsteczce. Jako że każdy szereg posiada dwa stopnie swobody konfiguracji na węglach 2 oraz 3, można sobie wyobrazić 2 2 = 4 pentozy w każdym szeregu. Istnieją również pentoketozy, po dwie w każdym szeregu. C C C C SZEREG D C 2 C 2 C 2 C 2 C C C C SZEREG L C 2 C 2 C 2 C 2 RYBZA ARABINZA KSYLZA LIKSZA
WĘGLWDANY KETPENTZY Pentozy to cukry zawierające pięć atomów węgla w cząsteczce. Jako że każdy szereg posiada dwa stopnie swobody konfiguracji na węglach 2 oraz 3, można sobie wyobrazić 2 2 = 4 pentozy w każdym szeregu. Istnieją również pentoketozy, po dwie w każdym szeregu. C 2 C 2 SZEREG D C 2 C 2 C 2 C 2 Ryboza oraz rybuloza pełnią fundamentalną rolę w procesach biologicznych zarówno jako składniki szkieletu kwasów nukleinowych (ryboza oraz 2-deoksyryboza), jak i ważny element szlaku pentozofosforanowego (rybulozo-5-fosforan). Rybulozo-1,5-difosforan jest ważnym składnikiem cyklu Calvina (fotosynteza roślin zielonych). SZEREG L Inne pentozy, jak np. liksoza, stanowią składnik budulcowy ściany komórkowej bakterii oraz element strukturalny niektórych antybiotyków. C 2 C 2 RYBULZA KSYLULZA
WĘGLWDANY ALDEKSZY Aldoheksozy szeregu D oraz L mają trzy stopnie swobody na atomach chiralnych 2, 3 oraz 4, co daje 2 3 = 8 diastereoizomerów dla każdego z szeregów. Aldoheksozy szeregu D; projekcja Fischera: C C C C C C C C 2 3 4 5 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 ALL ALTRuists GLadly MAke GUm In GALon TAnks ALLZA ALTRZA GLUKZA MANNZA GULZA IDZA GALAKTZA TALZA eksozy są z pewnością najważniejszymi węglowodanami pod względem biologicznym. D-glukoza jest podstawowym źródłem energii dla większości organizmów, przechowywanym pod postacią skrobi oraz glikogenu. Jest najłatwiej przyswajalnym cukrem przez człowieka. Pod postacią celulozy stanowi podstawowy składnik ściany komórkowej roślin wyższych.
WĘGLWDANY ALDEKSZY Aldoheksozy szeregu D oraz L mają trzy stopnie swobody na atomach chiralnych 2, 3 oraz 4, co daje 2 3 = 8 diastereoizomerów dla każdego z szeregów. Aldoheksozy szeregu L (dolny rząd) są enancjomerami aldoheksoz szeregu D (górny rząd): C C C C C C C C 2 3 4 5 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C C C C C C C C 2 3 4 5 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 ALLZA ALTRZA GLUKZA MANNZA GULZA IDZA GALAKTZA TALZA
WĘGLWDANY KETEKSZY Ketoheksozy szeregu D oraz L mają dwa stopnie swobody na atomach chiralnych 3 oraz 4, co daje 2 2 = 4 diastereoizomery dla każdego z szeregów. Ketoheksozy szeregu L (dolny rząd) są enancjomerami ketoheksoz szeregu D (górny rząd): C 2 C 2 C 2 C 2 SZEREG D C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 SZEREG L C 2 C 2 C 2 C 2 PSIKZA FRUKTZA SRBZA TAGATZA
WĘGLWDANY DISACARYDY Disacharydy to cukry zbudowane z dwóch reszt monosacharydowych, połączonych wiązaniem glikozydowym. Wiązanie to powstaje w wyniku reakcji hemiacetalowej grupy - jednego monosacharydu z dowolną grupą - w drugim monosacharydzie. Stąd biorą się różne konfiguracje wiązania glikozydowego, np. 1-1, 1-2, 1-4, etc. Pospolicie występującymi disacharydami są m.in. maltoza, laktoza, celobioza, sacharoza, trehaloza. Gdy w disacharydzie znajduje się wolna hemiacetalowa grupa -, disacharyd pod wieloma względami zachowuje się jak cukier prosty, tzn. ulega mutarotacji, ma własności redukujące, tworzy osazony, utlenia się do kwasów karboksylowych, etc. Własności redukujące nie występują u disacharydów, w których hemiacetalowe grupy - są zablokowane przez utworzenie wiązań glikozydowych. Sztandarowym przykładem cukru nieredukującego jest sacharoza. Sacharoza disacharyd złożony z glukozy i fruktozy, połączonych wiązaniem α,β-1,2-glikozydowym. Główny składnik cukru trzcinowego i cukru buraczanego. Znany od starożytności, do Europy przywędrował z Indii (w indyjskim języku słowo cukier brzmi khanda, co stanowi etymologiczną podstawę angielskiego słowa candy; za czasów Aleksandra Wielkiego biały proszek nazywano sakhar lub sakcharon (po grecku)). Proces izolacji sacharozy z buraków cukrowych zasadniczo sprowadza się do ekstrakcji gorącą wodą i następującej po niej obróbki otrzymanego soku.
WĘGLWDANY DISACARYDY Przykłady:
WĘGLWDANY PLISACARYDY Polisacharydy to cukry i ich pochodne zbudowane z wielu (od kilkuset do kilkunastu tysięcy) jednostek monosacharydowych. Wszystkie najważniejsze polisacharydy do polimery glukozy (skrobia, glikogen, celuloza, dekstran) lub jej pochodnych (chityna), które różnią się od siebie stopniem rozgałęzienia oraz konfiguracją wiązań glikozydowych: skrobia: nierozgałęziona amyloza (wiązania α-1,4-glikozydowe) oraz rozgałęziona amylopektyna (wiązania α-1,4-glikozydowe oraz α-1,6-glikozydowe); materiał zapasowy roślin; glikogen: wiązania α-1,4-glikozydowe, rozgałęzienia co 8-12 merów poprzez wiązanie α-1,6-glikozydowe; materiał zapasowy zwierząt; dekstran: wiązania α-1,4-glikozydowe oraz α-1,6-glikozydowe (na co drugim cukrze); materiał zapasowy bakterii i drożdży; celuloza: wiązania β-1,4-glikozydowe; brak rozgałęzień; główny składnik budulcowy roślin (nietrawiona przez człowieka). Polisacharydy będące pochodnymi polimerów monosacharydów: chityna, kwas hialuronowy, heparyna, chitozan, etc. Inne polisacharydy: arabinoksylan (arabinoza + ksyloza).
WĘGLWDANY MNSACARYDY JAK SNDY CIRALNE Sondy chiralne: MTPA (estry Moschera); inne związki (m.in. cukry)
WĘGLWDANY MNSACARYDY JAK SNDY CIRALNE Pomysł monosacharydu jako sondy chiralnej pochodzi z obserwacji przeprowadzonych w trakcie badań spektroskopowych makrolidów polienowych. kazało się, że protony mykozaminy sprzęgają się dipolowo z protonami pierścienia makrolaktonu. Jest to możliwe dzięki zahamowanej rotacji kątów torsyjnych wiązania glikozydowego.
WĘGLWDANY MNSACARYDY JAK SNDY CIRALNE
WĘGLWDANY MNSACARYDY JAK SNDY CIRALNE Problem: dysponujemy wyizolowanym, czystym mentolem. Możemy mieć do czynienia z jedną z ośmiu struktur. Wstępne badania reaktywności oraz własności fizykochemicznych sugerują, że mamy do czynienia ze związkiem, w którym wszystkie podstawniki pierścienia cykloheksanu występują w położeniach ekwatorialnych. Z którą z możliwych form mamy do czynienia?
WĘGLWDANY MNSACARYDY JAK SNDY CIRALNE
WĘGLWDANY MNSACARYDY JAK SNDY CIRALNE