Biochemicky významné reakce. Biochemický ústav LF MU (J.D.) 2013

Transkript

1 Biochemicky významné reakce Biochemický ústav LF MU (J.D.)

2 Vzájemné reakce vybraných sloučenin Kyselina Aldehyd Thiol Alkohol Alkohol ester poloacetal - ether Thiol thioester thiopoloacetal sulfid Amin sůl a / amid b aldimin c Aldehyd - aldol d LC II Příloha 1 Kyselina anhydrid a Acidobazická reakce za studena, transfer +. b Kondenzace při zahřátí, uvolní se voda. c Také zvaný Schiffova báze. d Vzniká pouze v alkalickém prostředí. 2

3 Reakce aldehydů a ketonů Reakce xidace Redukce Produkt aldehyd keton aldehyd keton karboxylová kyselina žádná reakce primární alkohol sekundární alkohol Adice alkoholu Adice aminu hemiacetal / hemiketal aldimin / ketimin (Schiffova báze) - δ C + δ adice nukleofilu 3

4 Poloacetaly a acetaly substituce R C adice + R' R C R' R' - 2 R R' C R' nestabilní poloacetal hemiacetal (1-alkoxyalkan-1-ol) [cyklický poloacetal je stabilní] acetal (1,1-dialkoxyalkan) Poloacetaly vznikají adicí alkoholu na karbonylovou skupinu. Acetaly vznikají substitucí hydroxylové skupiny poloacetalu alkoxylovou skupinou (-R) alkoholu. 4

5 Aldiminy (Schiffovy báze) vznikají adičně-eliminační reakcí R C R + R'N 2 C NR' - 2 R C N R' nestabilní aminopoloacetal Schiffova báze Vznikají adicí aminu na karbonylovou skupinu a eliminací vody za vzniku dvojné vazby C=N C=N nebo C=NR je imino skupina 5

6 Příklady Schiffových bází v organismu Neenzymová glykace proteinů (LC II, str. 40) Transaminace AK meziprodukt s pyridoxalfosfátem (viz přednáška Aminokyseliny) Příčné můstky v kolagenu (Lys... allys) (LC II, str. 42) Vznik glukosaminu z fruktosa-6-p a glutaminu (Semináře, str. 45) Vazba retinalu na opsin (biochemie vidění) 6

7 Reakce karboxylových kyselin Reakce Acidobazické becný příklad R-C + 2 R-C (disociace) R-C + Na R-CNa + 2 (neutralizace) R-C + R- R-C--R + 2 (ester) Adice nukleofilu a eliminace vody* R-C + R-S R-C-S-R + 2 (thioester) R-C + N 3 R-C-N (amid) 2 R-C R-C--C-R + 2 (anhydrid) * Reverzní reakce = hydrolýza 7

8 Esterifikace je adičně-eliminační reakce C3 C + + C2C3 C3 C + 2 C2C3 octová kyselina ethyl-acetát Esterifikace in vitro vyžaduje katalýzu silnou kyselinou. Enzymové esterifikace in vivo mají odlišný mechanismus. Zpětná reakce je hydrolýza esteru. 8

9 Esterifikace v lidském těle R-C-S-CoA + R- enzymová reakce R-C--R + CoA-S acyltransferasa přenáší acyl z acyl-coa na substrát příklady esterů: lipidy (triacylglyceroly) acetylcholin (signální molekula) 9

10 Rozlišujte: hydrolýza hydratace ydrolýza = štěpení vodou (estery, amidy, peptidy, glykosidy, anhydridy) substrát + 2 produkt 1 + produkt 2 ydratace = adice vody (na nenasycené substráty) substrát + 2 produkt 10

11 Konkrétní příklady ydrolýza ydratace acetylcholin + 2 cholin + octová kys. fumarát + 2 malát glutamin + 2 glutamát + N 3 fosfoenolpyruvát P-glycerát sacharosa + 2 glukosa + fruktosa C kyselina uhličitá ATP + 2 ADP + P i + energie R-C=C-C-S-CoA + 2 R-C()-C 2 -C-S-CoA 11

12 Thioestery jsou biochemicky významné R C S R aktivace kyselin na acyl-koenzym A: R-C + CoA-S + ATP CoA-S-C-R + AMP + PP i 12

13 Učebnicové struktury anorganických kyselin 2 S 4 3 P 4 S P N 2 N N 3 = -N 2 N N N 13

14 Estery kyseliny sírové R + S - 2 R S + R R S R - 2 kyselina sírová alkyl-sulfát alkyl-hydrogensulfát kyselina alkylsírová dialkyl-sulfát S Na SDS dodecyl-sulfát sodný (lauryl-sulfát sodný, sodium lauryl sulfate, sodium dodecyl sulfate, SDS) je syntetický aniontový tenzid 14

15 Srovnejte: alkyl-sulfát alkansulfonát R S R S alkyl-sulfát vazba C--S čtyři atomy vzniká esterifikací alkansulfonát vazba C-S tři atomy vzniká sulfonací R- + -S 2 - R--S R- + S 3 R-S 3 15

16 Estery kyseliny dusičné = alkylnitráty R- + -N 2 R--N C 2 N 2 C N 2 C 2 N 2 vazodilatační účinek N 2 2 N glycerol trinitrát (glyceroli trinitras) klasické léčivo působí poměrně rychle sublingualní tablety, sprej, náplast isosorbid dinitrát (isosorbidi dinitras) moderní léčivo výhodnějí farmakokinetické vlastnosti tablety 16

17 Rozlišujte alkyl-nitrát (ester) R--N 2 vs. nitroalkan R-N 2 17

18 Monoestery kyseliny fosforečné vznikají fosforylací P R P glukokinasa + ATP + ADP glukosa glukosa-6-fosfát neutrální molekula anion 18

19 Diestery kyseliny fosforečné jsou spojovacími elementy v nukleových kyselinách 5'-konec P C 2-3 C N N N 2 N N P C 2 - N 2 N N 3,5 -fosfodiesterová vazba deoxyribonukleová kys. (fragment molekuly) P C 2 - N N N N N 2 P C 2 - N N 2 N N N. zkrácený zápis této sekvence dt dc dc dg da P C 2-3'-konec 19

20 Diestery kyseliny fosforečné jsou spojovacími elementy ve fosfolipidech C C 2 C C C 2 P C 3 C 2 C 2 N C 3 C 3 20

21 camp je cyklický diester kys. fosforečné P P P Adenin Adenin - difosfát P camp = cyclic 3,5 -adenosine monophosphate 21

22 rganofosfáty jsou toxické syntetické sloučeniny S P P F P CN kys. thiofosforečná kys. fluorofosforečná kys. kyanofosforečná Srovnejte: kys. sulfonová (C-S) fosfonová (C-P) 3 C P C 3 P C 3 P C 3 F 3 C F kys. methylfosfonová kys. methylfluorofosfonová sarin 22

23 Srovnejte dvojice a počty atomů kyslíku R S R S alkyl-sulfát alkansulfonát R P R P alkyl-fosfát alkanfosfonát 23

24 Anhydrid karboxylové kyseliny vzniká eliminací vody ze dvou molekul kyseliny R C + C R kondenzace - 2 R C C R 24

25 Anhydrid kyseliny fosforečné je kyselina difosforečná (difosfát)* kondenzace P P + P P - 2 Vyskytuje se ve struktuře ATP, ADP, NAD +, FAD ad. *istorický název pyrofosfát je ještě užíván v některých zahraničních učebnicích 25

26 Srovnejte: difosfát bisfosfát P P P P difosfát (anhydrid) fruktosa-1,6-bisfosfát (dvojnásobný ester) 26

27 exakisfosfát inositolu je kyselina fytová (fytát) P P P P P P 27

28 Smíšený anhydrid kys. karboxylové a kys. fosforečné se nazývá acylfosfát R C + P kondenzace - 2 R C P acylfosfát Acylfosfáty jsou makroergní sloučeniny (viz přednáška Bioenergetika) 3-fosfoglyceroylfosfát (1,3-bisfosfoglycerát) karbamoylfosfát aminoacyl-amp 28

29 Aktivace aminokyseliny reakcí s ATP poskytne smíšený anhydrid (při syntéze proteinů) R C N 2 C + ATP R C C N 2 P N 2 N N N N + 2 P i + 2 aminoacyl-amp 29

30 Amin a kyselina mohou reagovat dvojím způsobem Při lab. teplotě - acidobazická reakce R C R C + R N 2 Při zahřívání - kondenzace + R N 2-2 R C 3 N R amonná sůl (alkylamonium karboxylát) R C N R N-alkylamid 30

31 Amidy jsou polární neelektrolyty C N C N Volný el. pár na dusíku je v konjugaci s dvojnou vazbou Charakteristika Aminy Amidy becný vzorec Elektronový pár na N Bazicita Tvorba solí Chování ve vodě p vodného roztoku R-N 2 volný ano ano slabý elektrolyt zásadité R-C-N 2 v konjugaci s C= ne ne neelektrolyt neutrální 31

32 Močovina je diamid kys. uhličité C C 2 N N 2 kys. uhličitá močovina 32

33 Srovnejte 2 N C N 2 N N N N Charakteristika Močovina Močová kyselina Chemický název Latinský název Chování ve vodě Rozpustnost ve vodě Vodný roztok je Redukční vlastnosti Tvorba solí Katabolit diamid k. uhličité urea neelektrolyt výborná neutrální ne ne aminokyselin 2,6,8-trihydroxypurin acidum uricum slabá dvojsytná kyselina špatná* slabě kyselý ano antioxidant ano (dvě řady) adeninu a guaninu *Závisí na p, při kyselém p krystaluje z roztoku 33

34 Lakton versus Laktam C - 2 lakton je cyklický ester N C - 2 N laktam je cyklický amid LC II Příloha 2 34

35 Srovnejte vlastnosti (R = nižší alkyl) R C R C R R C N R Karboxylová kys. Ester Amid slabý elektrolyt polární rozpustná v 2 neelektrolyt nepolární nerozpustný v 2 neelektrolyt polární rozpustný v 2 35

36 Polarita vybraných organických sloučenin (viz LC II, kap. 4) nepolární sloučeniny uhlovodíky halogenderiváty ethery estery ketony aminy amidy alkoholy karboxylové kys. polarita 36

37 Biochemicky významné dehydrogenace Substrát alkandiová kys. primární alkohol sekundární alkohol endiol aldehyd-hydrát poloacetal / cyklický poloacetal hydroxykyselina p-difenol thiol aminosloučenina Produkt alkendiová kys. aldehyd keton diketon karboxylová kys. ester / lakton oxokyselina p-chinon disulfid iminosloučenina LC II Příloha 3 37

38 Dehydrogenace v enzymových reakcích substrát ztrácí 2 z typických skupin: primární alkoholová skupina -C 2 - (ethanol) sekundární alkoholová skupina >C- (laktát) endiolové uskupení -C=C- (askorbát) sekundární aminová skupina >C-N 2 (aminokyseliny) nasycená skupina -C 2 -C 2 - (fumarát, acyly MK) vznikne dvojná vazba (C=, C=N, C=C) dva atomy jsou přeneseny na kofaktor enzymu 38

39 Enzymové dehydrogenace vyžadují spolupráci tří složek enzym + substrát + kofaktor přípona -asa derivát vitaminu (B komplex ) redoxní pár 1 redukovaný oxidovaný substrát oxidovaný dehydrogenasa + kofaktor substrát + redukov kofakto redoxní pár 2 39

40 Dehydrogenace ethanolu (zjednodušené schéma) 3 C C C C ethanol acetaldehyd PZR: toto není reakce, pouze jeden redoxní pár. 40

41 Dehydrogenace ethanolu (úplná reakce s kofaktorem) 3 C C ethanol alkoholdehydrogenasa + NAD 3 C C acetaldehyd NAD + = nikotinamid adenin dinukleotid + NAD+ Toto je reakce = kombinace dvou redoxních párů. 41

42 Postupná oxidace methanolu (zjednodušené schéma) C dehydrogenace - 2 C oxygenace + C methanol formaldehyd mrave čí kyselin Jak prokázat methanol v přítomnosti ethanolu? 42

43 Dvě cesty oxidace glycerolu C 2 C dehydrogenace na C1 oxid. C C C 2 glyceraldehyd oxygenace na C1 oxid. C C C 2 glycerová kyselina C 2 oxid. C 2 glycerol dehydrogenace C= na C2 C 2 dihydroxyaceton 43

44 Postupná oxidace ethylenglykolu (viz LC II, kap. 6) C C 2 C 2 ethylenglykol oxid. C C 2 glykolaldehyd oxid. oxid. C glyoxal C oxid. oxid. C C glyoxalová kyselina oxid. C C št'avelová kyselina C 2 glykolová kyselina trava ethylenglykolem může mít fatální průběh 44

45 Dehydrogenace aldehyd-hydrátu R C 2 R C - 2 R C aldehyd aldehyd-hydrát karboxylová kys. nestabilní sloučenina 45

46 Dehydrogenace poloacetalu R C R - 2 R C R poloacetal ester cykl. poloacetal (glukopyranosa) - 2 glukonolakton 46

47 ydroxykyseliny jako substráty dehydrogenace 3 C C C mléčná kyselina (2-hydroxypropanová) acidum lacticum laktát C C 2 C C jablečná kyselina (hydroxybutandiová ) acidum malicum malát 3 C C C 2 C -hydroxymáselná kyselina (3-hydroxybutanová) -hydroxybutyrát 47

48 Dehydrogenace kys. mléčné (laktátu) 0 3 C C laktát C + NAD + II 3 C C C+ pyruvát NAD + + metabolické využití laktátu: glukoneogeneze v játrech 48

49 Další příklady dehydrogenací C 3 C C 2 NAD + C C 3 C C 2 NAD + + C -hydroxybutyrát Vzájemná přeměna ketolátek acetoacetát NAD + C C 2 C C C C 2 C C NAD + + malát Poslední reakce citrátového cyklu oxalacetát 49

50 α, -Dehydrogenace acylu (tak začíná odbourávání mastných kyselin) -II nasycený acyl-coa R C 2 C 2 C -II 2 C S CoA FAD FAD 2 -I -I, -nenasycený acyl-coa R C 2 C C C S CoA 50

51 Dehydrogenace aminosloučenin R-C 2 -N 2 + FMN R-C=N + FMN 2 amin imin iminoskupina >C=N R C C + NAD + R C C + NAD + + N2 N 2-aminokyselina 2-iminokyselina 51

52 ydrolýza iminosloučeniny poskytne oxosloučeninu a volný (toxický) amoniak R C C 2 R C C + N 3 N 52

53 Dehydrogenace difenolů poskytne chinony - 2 benzen-1,4-diol (hydrochinon) (aromatický kruh) p-benzochinon (není aromatický kruh) 53

54 Dehydrogenace -S substrátů probíhá s dvěma molekulami (mírná oxidace)* 2R S thiol - 2 R S S R dialkyldisulfid 2 S C 2 C C C C C 2 S S C 2 C C N N 2 N 2 cystein cystin disulfidové můstky v bílkovinách *Silnější oxidace je oxygenace na sulfonové kys. R-S 3 54

55 ydroxylace fenylalaninu Kofaktor tetrahydrobiopterin (B 4 ) je donorem dvou atomů na vznik vody C C 2 N C + + B 4 2 N C B 2 C2 C2 fenylalanin tyrosin 55

56 Biochemické hydrogenace substrát přijímá dva atomy jejich zdrojem je NADP + + redukční syntézy (MK, cholesterol) -C=C- + NADP+ + -C 2 -C NADP + 56

57 ydrogenace ubichinonu v dýchacím řetězci je zvláštní případ C 3 C 3 2x e, C 3 C 3 C 3 R C 3 R ubichinon ubichino separátně se aduje elektron (red. kofaktorů) a proton (z matrix mitochondrie) 57

58 Deoxygenace NADP NADP + D-ribosa 2-deoxy-D-ribosa Mechanismus je velmi složitý, vyžaduje řadu kofaktorů, mj. protein thioredoxin obsahující selen 58

59 Rozlišujte Konjugovaný pár = dvojice látek, které se liší přesně o jeden proton ( + ). Redoxní pár = dvojice látek, které se liší o určitý počet elektronů nebo atomů nebo atomů, liší se tedy oxidačním číslem jednoho nebo více atomů téhož prvku. Látka odštěpuje + = kyselina Látka odštěpuje = redukční činidlo Látka přijímá + = báze Látka přijímá = oxidační činidlo 59

60 Příklad 1 Konjugovaný pár (dvě konstanty pro dvě látky) 3 C C C 3 C C C 3 C C C kys. mléčná (kyselina) laktát (konjugovaná báze) pk A 3,8 pk B 10,2 Redoxní pár (jedna konstanta pro dvě látky) 3 C C C laktát (reduk. forma) E o = -0,185 V pyruvát (oxid. forma) 60

61 Příklad 2 L-Askorbová je dvojsytná kyselina pk A1 = 4,2 pk A2 = 11,6 C 2 C C 2 C C 2 C dva enolové hydroxyly Dva konjugované páry: askorbová kys. / hydrogenaskorbát hydrogenaskorbát / askorbát 61

62 L-Askorbová kyselina má redukční účinky (exogenní antioxidant, viz praktická cvičení) C 2 C C 2 C askorbová kys. (redukovaná forma) dehydroaskorbová kys. (oxidovaná forma) E o = 0,40 V 62

63 Příklad 3 Laktimová forma kys. močové je dvojsytná kyselina pk A1 = 5,4 pk A2 = 10,3 N N N N N N N N N N N N kys. močová hydrogenurát urát 2,6,8-trihydroxypurin 63

64 Kys. močová jako redukční činidlo (endogenní antioxidant) N N N N hydrogenurát (redukovaná forma) + N N R + + R N N radikál (oxidovaná forma) hydrogenurátový anion odštěpí jeden elektron R je např., superoxid aj. Různé přeměny 64

65 Transaminace v metabolických souvislostech Proteiny Aminokyselina + 2-oxoglutarát příjem dusíku (potrava) transaminace 2-oxokyselina glutamát + deaminace detoxikace N 3 močovina výdej dusí (moč) modrá barva indikuje katabolickou dráhu dusíku 65

66 Transaminace aminoskupina je přenesena z aminokyseliny na 2-oxoglutarát (2-G) přenos zajišťuje enzym aminotransferasa a kofaktor pyridoxalfosfát z aminokyseliny vznikne příslušná oxokyselina, z 2-G vznikne glutamát (Glu) 66

67 becné schéma transaminace R C C N 2 + C C C 2 C 2 C aminokyselina 2-oxoglutarát R C C + CCC 2 C 2 C N 2 oxokyselina glutamát 67

68 Z glutamátu se uvolní amoniak dehydrogenační deaminací CCC 2 C 2 C N 2 glutamát NAD NAD + + C C C 2 C 2 C N 2-iminokyselina 2-iminoglutarát hlavní zdroj ammoniaku v lidském těle N 3 2 +C C C 2 C 2 C 2-oxoglutarát 68

69 Transaminace alaninu 2-oxoglutarát Glu glutamát ALT 3 C C C N 2 3 C C C alanin pyruvát ALT = alaninaminotransferasa 69

70 Transaminace aspartátu 2-oxoglutarát glutamát C C 2 C N2 C aspartát C C 2 C C oxalacetát 70

71 Pamatujte pyruvát / laktát = redoxní pár pyruvát / alanin = transaminace! oxalacetát / malát = redoxní pár oxalacetát / aspartát = transaminace 71

72 Reakce citrátového cyklu Jak se vytvoří C 2 z acetyl-coa? terminální metabolická dráha aerobního metabolismu vstupní substrát: acetyl-coa tři typy produktů: 2 C 2 vydýchá se 4 redukované kofaktory oxidovány v dýchacím řetězci 1 GTP substrátová fosforylace 72

73 Kondenzace oxalacetátu s acetyl-coa C C C 2 C + C 3 C S CoA 2 - CoA-S C 2 C C C C 2 C oxalacetát acetyl-koenzym A citrát 73

74 sekundární hydroxylová skup Izomerace citrátu na isocitrát C 2 C C C C C C 2 C citrát terciární hydroxylová skupina C C C 2 C isocitrát 74

75 Dekarboxylace a dehydrogenace isocitrátu C C C C + NAD + C 2 C isocitrát C C C 2 + NAD+ - + C 2 C 2 C 2-oxoglutarát 75

76 Dekarboxylace a dehydrogenace 2-oxoglutarátu C C C 2 C 2 C + 2-oxoglutarát NAD + C S CoA S CoA -NAD+ + C 2 C 2 C + C 2 sukcinyl-koenzym thioester makroergní mezip 76

77 Substrátová fosforylace za vzniku makroergního trifosfátu C S CoA C 2 C 2 C + GDP Pi 2 C C 2 C 2 C fosforylace CoA-S GTP sukcinyl-koenzym A sukcinát guanosintr 77

78 Dehydrogenace sukcinátu na fumarát -II -II C C 2 C 2 C sukcinát + FAD -I -I C C C C fumarát + FAD 2 78

79 ydratace fumarátu na L-malát -Ī I C C C C fumarát + 2 -II C C C 2 C 0 L-malát =-II =-II hydratace není redoxní reakce 79

80 Dehydrogenace L-malátu na oxalacetát C C + NAD + C C +NAD + + C 2 C C 2 C L-malát oxalacetát znovu vstupuje do CC 80