Biochemický ústav LF MU (J.D.) 2008

Transkript

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

2 Přednáška je extraktem hlavních myšlenek z kapitol , LC II, s důrazem na biochemické souvislosti Vznik poloacetalů, acetalů, aldiminů Funkční deriváty kyselin (estery, anhydridy, amidy) Dehydrogenace různých substrátů xygenace, hydroxylace, deoxygenace Konjugovaný pár vs. redoxní pár Transaminace aminokyselin, reakce citrátového cyklu 2

3 Vzájemné reakce vybraných sloučenin Kyselina Aldehyd Thiol Alkohol Alkohol ester poloacetal - ether Thiol thioester thiopoloacetal sulfid Amin sůl a / amid b aldimin LC II c Aldehyd - aldol d 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. 3

4 Poloacetaly a acetaly substituce R C adice R' R' + R' R C R' - 2 R C R' hemiacetal (1-alkoxyalkan-1-ol) 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' Schiffova báze Vznikají adicí aminu na karbonylovou skupinu a eliminací vody za vzniku dvojné vazby C=N 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. 57) Vazba retinalu na opsin (Ledvina, II. díl, str. 474) 6

7 Estery karboxylových kyselin vznikají kondenzací za uvolnění vody (adičně-eliminační reakce) C3 C + + C2C3 C3 C C2C3 + 2 octová kyselina ethyl-acetát Esterifikace in vitro vyžaduje katalýzu silnou kyselinou. Enzymové in vivo esterifikace mají odlišný mechanismus. Zpětná reakce je hydrolýza esteru. 7

8 Rozlišujte: hydrolýza hydratace ydrolýza = štěpení vodou (estery, amidy, peptidy, glykosidy, anhydridy) substrát + 2 produkt 1 + produkt 2 ydratace = adice vody (na nenasycené substráty) substrát produkt 8

9 Acetylsalicylová kyselina je kyselina a současně ester C C C 3 C kys. salicylová kys. acetylsalicylová 9

10 Učebnicové struktury anorganických kyselin S 2 S 4 3 P 4 P N 2 N N 3 N N N 10

11 Estery kyseliny sírové R + S - 2 R S + R - 2 R S kyselina sírová alkyl-sulfát dialkyl-sulfát alkyl-hydrogensulfát kyselina alkylsírová R S Na SDS dodecyl-sulfát sodný (lauryl-sulfát sodný, sodium lauryl sulfate, sodium dodecyl sulfate, SDS) je syntetický aniontový tenzid 11

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

13 Estery kyseliny dusičné jako léčiva R- + -N 2 R--N C 2 N 2 N 2 vazodilatační C N 2 účinek C 2 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 13

14 Monoestery kyseliny fosforečné P R P g l u k o k i n a s a + A T P + A D P g l u k o s a g l u k o s a f o s f á t neutrální molekula anion 14

15 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 deoxyribonukleová kys. 3,5 -fosfodiesterová (fragment vazba 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 15

16 rganofosfáty jsou syntetické deriváty různých kyselin fosforu 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 16

17 Srovnejte dvojice R S R S alkyl-sulfát alkansulfonát R P R P alkyl-fosfát alkanfosfonát 17

18 Anhydrid karboxylové kyseliny R C + C R konden ace - 2 R C C R 18

19 Anhydrid kyseliny fosforečné je kyselina difosforečná (difosfát)* konden ace P + P P P - 2 Vyskytuje se ve struktuře ATP, ADP, NAD +, FAD *istorický název pyrofosfát je ještě užíván v některých zahraničních učebnicích 19

20 Srovnejte: difosfát bisfosfát P P difosfát (anhydrid) P fruktosa-1,6-bisfosfát (dvojnásobný ester) P 20

21 Smíšený anhydrid kys. karboxylové a kys. fosforečné se nazývá acylfosfát R C + P konden ace - 2 Acylfosfáty jsou makroergní sloučeniny 3-fosfoglyceroylfosfát (1,3-bisfosfoglycerát) karbamoylfosfát R C P acylfosfát 21

22 Amin a kyselina mohou reagovat dvojím způsobem Při lab. teplotě - acidobazická reakce R C + R N 2 R C 3 N R amonná sůl (alkylamonium karboxylát) Při zahřívání - kondenzace R C R N 2 R C + N R - 2 N-alkylamid 22

23 Amidy jsou polární neelektrolyty C N C N Volný el. pár na dusíku je v konjugaci s dvojnou vazbou 23

24 Srovnejte Charakteristika Aminy Amidy becný vzorec R-N 2 R-C-N 2 El. pár na dusíku Bazicita Tvorba solí volný ano ano v konjugaci s C= ne ne Chování ve vodě slabý elektrolyt neelektrolyt p vodného roztoku zásadité neutrální 24

25 Močovina je diamid kys. uhličité C C 2 N N 2 kys. uhli itá o ovina 25

26 Srovnejte C 2 N N 2 N N N N Charakteristika Močovina Močová kyselina Chemický název diamid k. uhličité 2,6,8-trihydroxypurin Latinský název urea acidum uricum Chování ve vodě Rozpustnost ve vodě neelektrolyt výborná slabá dvojsytná kyselina špatná* Vodný roztok je neutrální slabě kyselý Redukční vlastnosti Tvorba solí ne ne ano antioxidant ano (dvě řady) Katabolit aminokyselin adeninu a guaninu *Závisí na p, při kyselém p krystaluje z roztoku 26

27 Lakton versus Laktam C lakton je cyklický ester N C N - 2 laktam je cyklický amid 27

28 Srovnejte vlastnosti (viz LC II, kap. 4) R C R C R R C N R Karboxylová kys. Ester Amid slabý elektrolyt neelektrolyt neelektrolyt polární rozpustná v 2 * nepolární nerozpustný v 2 polární rozpustný v 2 * * Tvoří vodíkové vazby s molekulami vody R = nižší alkyl, ve všech případech stejný 28

29 Polarita vybraných organických sloučenin (viz LC II, kap. 4) nepolární sloučeniny uhlovodíky halogenderiváty ethery estery ketony aminy amidy alkoholy karboxylové kys. polarita 29

30 Proč jsou amidy na rozdíl od esterů polární? R C R C N R N R 30

31 Biochemicky významné dehydrogenace Substrát alkan(diová kys.) primární alkohol sekundární alkohol endiol aldehyd-hydrát poloacetal / cyklický poloacetal Produkt alken(diová kys.) aldehyd keton diketon karboxylová kys. ester / lakton hydroxykyselina oxokyselina LC II p-difenol thiol aminosloučenina p-chinon disulfid iminosloučenina Příloha 3 31

32 Dehydrogenace v enzymových reakcích substrát ztrácí 2 atomy 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 32

33 Enzymové dehydrogenace vyžadují spolupráci tří složek enzym + substrát + kofaktor přípona -asa derivát vitaminu B kompl. redoxní pár 1 redukovaný substrát + oxidovaný kofaktor dehydrogenasa oxidovaný substrát + redukovaný kofaktor redoxní pár 2 33

34 Dehydrogenace ethanolu (zjednodušené schéma) 3 C C 3 C C - 2 ethanol acetaldehyd PZR: toto není reakce, pouze jeden redoxní pár. 34

35 Dehydrogenace ethanolu v hepatocytu (úplná reakce s koenzymem) alkoholdehydrogenasa 3 C C + NAD 3 C C + NAD+ ethanol acetaldehyd NAD + = nikotinamid adenin dinukleotid Toto je reakce = kombinace dvou redoxních párů. 35

36 Postupná oxidace methanolu (zjednodušené schéma) C dehydrogenace oxygenace C C methanol formaldehyd mravenčí kyselina Při otravě methanolem vzniká závažná metabolická acidóza způsobená mravenčí kyselinou. 36

37 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 glycerol dehydrogenace na C2 C= C 2 dihydroxyaceton 37

38 Postupná oxidace ethylenglykolu (viz LC II, kap. 6) C C oxid. oxid. C 2 C C C oxid. oxid. glyoxal C 2 C 2 oxid. oxid. C C ethylenglykol glykolaldehyd glyoxalová št'avelová C kyselina kyselina C 2 glykolová kyselina trava ethylenglykolem může mít fatální průběh 38

39 Dehydrogenace aldehyd-hydrátu 2 R C R C R C - 2 aldehyd aldehyd-hydrát karboxylová kys. nestabilní sloučenina 39

40 Dehydrogenace poloacetalu R C R - R C R oloacetal ester - cykl. oloacetal glukonolakton gluko yranosa 40

41 ydroxykyseliny jako substráty dehydrogenace 3 C C C mléčná kyselina (2-hydroxypropanová) acidum lacticum laktát C C C 2 C C jablečná kyselina (hydroxybutandiová ) acidum malicum malát 3 C C C 2 C β-hydroxymáselná kyselina (3-hydroxybutanová) β-hydroxybutyrát 41

42 Dehydrogenace kys. mléčné (laktátu) 3 C 0 C II NAD + + C NAD + 3 C C C + laktát pyruvát metabolické využití laktátu: glukoneogeneze v játrech 42

43 Další příklady dehydrogenací C 3 C C 2 NAD + C C 3 C C 2 NAD + + C β-hydroxybutyrát Vzájemná přeměna ketolátek acetoacetát C C 2 NAD + C C C C 2 C NAD + C malát Poslední reakce citrátového cyklu oxalacetát 43

44 α,β-dehydrogenace acylu (tak začíná odbourávání mastných kyselin) nasycený acyl-coa -II -II R C 2 C 2 C 2 C β α S FAD CoA FAD 2 α,β-nenasycený acyl-coa -I -I R C 2 C C C S CoA 44

45 Dehydrogenace aminosloučenin a in i in iminoskupina >C=N R C N 2 C + NAD + R C C + NAD + + N -a inokyselina -i inokyselina 45

46 ydrolýza iminosloučeniny poskytne oxosloučeninu a volný (toxický) amoniak R C C 2 R C C N + N 3 46

47 Dehydrogenace difenolů poskytne chinony - 2 benzen-1,4-diol (hydrochinon) p-benzochinon (aromatický kruh) (není aromatický kruh) 47

48 Dehydrogenace -S substrátů probíhá s dvěma molekulami (mírná oxidace)* 2-2 R S R S S R thiol dialkyldisulfid S C 2 C C C C C 2 S S C 2 C C + 2 N 2 N 2 N 2 cystein cystin disulfidové můstky v bílkovinách *Silnější oxidace je oxygenace na sulfonové kys. 48

49 xygenace je zabudování jednoho atomu kyslíku do substrátu přímá - reakce s kyslíkem nepřímá - adice vody a následná dehydrogenace (např. oxidace acetaldehydu při odbourávání ethanolu) 49

50 xygenace aldehydu I R C III R C aldehyd karboxyl. kyselina Nejjednodušší možné schéma, nic neříká o mechanismu, probíhá jak in vitro, tak in vivo 50

51 Postupná oxidace ethanolu v játrech 3 C C alkoholdehydrogenasa + NAD 3 C C acetaldehyd + NAD+ aldehyddehydrogenasa 3 C 3 C C C NAD C C aldehyd-hydrát octová kyselina 51

52 ydroxylace fenylalaninu hydroxylací fenylalaninu vzniká tyrosin do reakce vstupuje dikyslík 2, ale fenylalanin reaguje pouze s jedním atomem dojde k zabudování jednoho atomu mezi C a k reakci je nutný kofaktor tetrahydrobiopterin na likvidaci zbylého atomu kyslíku 52

53 ydroxylace fenylalaninu 2 N C C C + + B 4 2 N C B 2 C 2 C 2 fenylalanin tyrosin Kofaktor tetrahydrobiopterin (B 4) je donorem dvou atomů na vznik vody 53

54 ydroxylace fenylalaninu jsou dvě souběžné redoxní reakce červený kyslík se redukuje na hydroxylovou skupinu para-uhlík (C-4) fenylu se oxiduje modrý kyslík se redukuje na vodu B 4 (tetrahydrobiopterin) se oxiduje na B 2 (dihydrobiopterin) 54

55 Další příklady hydroxylačních reakcí tyrosin adrenalin cholesterol kalcitriol cholesterol žlučové kyseliny prolin hydroxyprolin desaturace mastných kyselin hydroxylace xenobiotik

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 separátně se aduje elektron (red. kofaktorů) a proton (z matrix mitochondrie) ubichinol 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). 59

60 Rozlišujte Látka odštěpuje + = kyselina Látka odštěpuje = redukční činidlo Látka přijímá + = báze Látka přijímá = oxidační činidlo 60

61 Diverzita redoxních párů Redoxní pár (oxid. / red. forma) Liší se počtem Val. el. Atomů Atomů Nábojů Fe 3+ / Fe / Mn 4- / Mn Pyruvát / laktát + ctová k./acetaldehyd + Typy redoxních párů: kation/kation, neutrální molekula/anion, anion/kation, anion/anion, neutr. mol./neutr. mol. 61

62 Příklad 1 Dva pohledy na laktát 1. Laktát jako báze 2. Laktát jako redukční činidlo 62

63 Konjugovaný pár (dvě konstanty pro dvě látky) 3 C C C 3 C C kys. mléčná (kyselina) laktát (konjugovaná báze) pk A 3,8 pk B 10,2 C Redoxní pár (jedna konstanta pro dvě látky) 3 C C C 3 C C C laktát pyruvát (reduk. forma) (oxid. forma) E o = -0,185 V 63

64 Příklad 2 Dva pohledy na vitamin C 1. Kys. L-askorbová jako kyselina 2. Kys. L-askorbová jako redukční činidlo 64

65 L-Askorbová je dvojsytná kyselina pk A1 = 4,2 pk A2 = 11,6 C 2 C 2 C 2 C C C dva enolové hydroxyly Dva konjugované páry: askorbová kys. / hydrogenaskorbát hydrogenaskorbát / askorbát 65

66 L-Askorbová kyselina má redukční účinky (exogenní antioxidant, viz praktická cvičení, str. 32) C 2 C 2 C C askorbová kys. dehydroaskorbová kys. (redukovaná forma) (oxidovaná forma) E o = 0,40 V 66

67 Příklad 3 Dva pohledy na kys. močovou 1. Kys. močová jako kyselina 2. Kys. močová jako redukční činidlo 67

68 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 *Laktamová forma je neelektrolyt 68

69 Kys. močová jako redukční činidlo (endogenní antioxidant) N N N N hydrogenurát (redukovaná forma) + R N N + + R N N radikál (oxidovaná forma) hydrogenurátový anion odštěpí jeden elektron R je např., superoxid aj. Různé přeměny 69

70 Transaminace v metabolických souvislostech Proteiny Aminokyselina + 2-oxoglutarát příjem dusíku (potrava) transaminace 2-oxokyselina + glutamát deaminace N 3 modrá barva indikuje katabolickou dráhu dusíku močovina výdej dusíku (moč) 70

71 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) 71

72 becné schéma transaminace R C C + C C C 2 C 2 C N 2 aminokyselina 2-oxoglutarát R C C + C C C 2 C 2 C N 2 oxokyselina glutamát 72

73 Z glutamátu se uvolní amoniak dehydrogenační deaminací C C C 2 C 2 C N 2 NAD C C N C 2 C 2 C glutamát -i inoglutarát 2-iminokyselina 2 N 3 + C C C 2 C 2 C 2-oxoglutarát 73

74 Transaminace alaninu 2-oxoglutarát Glu ALT 3 C C C 3 C C C N 2 alanin pyruvát ALT = alaninaminotransferasa 74

75 Transaminace aspartátu 2-oxoglutarát glutamát C C 2 C C C C 2 C C N 2 aspartát oxalacetát 75

76 Reakce citrátového cyklu terminální metabolická dráha vstupní substrát: acetyl-coa tři typy produktů: C 2 vydýchá se redukované kofaktory oxidovány v dých. řetězci guanosintrifosfát (GTP) - makroergní sloučenina 76

77 Kondenzace oxalacetátu s acetyl-coa C C C 2 C + C 3 C S CoA 2 - CoA-S C 2 C C 2 C C C oxalacetát acetyl-koenzym A citrát 77

78 Izomerace citrátu na isocitrát sekundární hydroxylová skupina C 2 C C C C C C C C 2 C C 2 C citrát isocitrát terciární hydroxylová skupina 78

79 Dehydrogenace a dekarboxylace isocitrátu na 2-oxoglutarát C C C C C C + NAD + C 2 + NAD C 2 C 2 C C 2 C isocitrát 2-oxoglutarát 79

80 Dekarboxylace a dehydrogenace 2-oxoglutarátu na sukcinyl-coa C C NAD + C S CoA C 2 + S CoA - + C 2 NAD + C 2 C C 2 C + C 2 2-oxoglutarát sukcinyl-koenzym A thioester makroergní meziprodukt 80

81 Substrátová fosforylace za vzniku makroergního trifosfátu C S CoA 2 C C 2 + GDP Pi C C 2 C C 2 C o - GTP sukcinyl-koenzym A sukcinát guanosintrifosfát 81

82 Dehydrogenace sukcinátu na fumarát -II -II C C 2 C 2 + FAD -I C -I C C C + FAD 2 C sukcinát fumarát 82

83 ydratace fumarátu na L-malát -I C -I C C C 0 -II C + 2 C C 2 C fumarát Σ = -II L-malát Σ = -II hydratace není redoxní reakce 83

84 Dehydrogenace L-malátu na oxalacetát C C C + NAD + C C 2 C C 2 C + NAD + + L-malát oxalacetát znovu vstupuje do CC 84