Pobierz Związki biologiczne czynne pochodzenia naturalnego i więcej Prezentacje w PDF z Chimica Farmaceutica tylko na Docsity! ZWIĄZKI BIOLOGICZNIE CZYNNE POCHODZENIA NATURALNEGO DR INŻ. TOMASZ LASKOWSKI KATEDRA TECHNOLOGII LEKÓW I BIOCHEMII WYDZIAŁ CHEMICZNY POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ WYKŁAD DLA SPECJALIZACJI: BIOTECHNOLOGIA LEKÓW CZĘŚĆ IV: METABOLITY PIERWOTNE METABOLITY PIERWOTNE EWOLUCJA BIOCHEMICZNA I. Wytworzenie, w procesach niebiologicznych, cząsteczek kluczowych dla życia (kwasy nukleinowe, białka, cukry, lipidy). II. Wytworzenie, w wyniku reakcji prebiotycznych, systemów samoreplikujących się. III. Opanowanie przez systemy samoreplikujące się procesów przetwarzania energii słonecznej i chemicznej do postaci możliwych do wykorzystania w reakcjach biochemicznych → organizmy jednokomórkowe. IV. 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. METABOLIZM
Metabolism Summary
ONE [ec GU Fats and Lipids
=emilns aGil= glucose,fructose, IOZOCH
galactose glycerol
glłycogenesis
Nitrogen
Glucose-6-Phosphate
głycogenołysis
Lipogenesis
Pyruvic Acid
[EGLE
acetyl CoA
Citric
LL
Cycle
urea
ATP ATP ATP
WĘGLOWODANY PODSTAWOWE POJĘCIA Węglowodany to związki naturalne będące – z punktu widzenia chemii – wielowodorotlenowymi aldehydami i ketonami oraz polimerami tychże. Ogólny wzór sumaryczny węglowodanów – który w pełni tłumaczy nazwę tej klasy związków – jest następujący: Cn(H2O)n. Znane są oczywiście węglowodany odbiegające od tej reguły, np. deoksyryboza (C5H10O4). 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 –OH); rozpuszczalne w wodzie; nierozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych; wykazują czynność optyczną; wodny odczyn jest obojętny. WĘGLOWODANY CHEMIA MONOSACHARYDÓW III. Cukry ulegają reakcjom estryfikacji. IV. Cukry ulegają reakcjom z fenylohydrazyną (Ph-NH-NH2). Wobec nadmiaru fenylohydrazyny tworzą się związki zwane osazonami. Przebieg tej reakcji jest identyczny dla aldoz oraz ketoz. O OH H H HO OH HH OH OH Ac2O O OAc H H AcO OAc HH OAc OAc C OHH HHO R OH CH2OH O HHO R H NH2N C N HHO R NH H N HN nadmiar ALDOZA KETOZA IDENTYCZNY OSAZON WĘGLOWODANY CHEMIA MONOSACHARYDÓW III. Cukry ulegają reakcjom estryfikacji. IV. Cukry ulegają reakcjom z fenylohydrazyną (Ph-NH-NH2). Wobec nadmiaru fenylohydrazyny tworzą się związki zwane osazonami. Przebieg tej reakcji jest identyczny dla aldoz oraz ketoz. O OH H H HO OH HH OH OH Ac2O O OAc H H AcO OAc HH OAc OAc 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. 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. GLUKOZA MANNOZA FRUKTOZA CHO OHH HHO OHH OHH CH2OH CHO HHO HHO OHH OHH CH2OH CH2OH O HHO OHH OHH CH2OH WĘGLOWODANY CHEMIA MONOSACHARYDÓW V. W rozcieńczonych roztworach zasad cukry ulegają reakcjom epimeryzacji. VI. Wobec kwasów mineralnych (H2SO4, HCl) cukry ulegają częściowej dehydratacji, tworząc związki cykliczne: 5-hydroksymetylofurfural (heksozy) oraz furfural (pentozy). CH2OH O HHO OHH OHH CH2OH H2SO4 - 3 H2O O OHO 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. Zasada: np. chinolina N D-fruktoza WĘGLOWODANY CHEMIA MONOSACHARYDÓW VII. W wyniku obróbki cieplnej oraz wobec aminokwasów cukry ulegają reakcjom Maillarda (chemia gotowania!). H2C O HHO OHH OHH CH2OH H N zwiazek Amadori R1 COOH HC OH HHO OHH OHH CH2OH H N R1 COOH HC OH H OHH OHH CH2OH N H+ R1 COOH - OH- HC O H OHH OHH CH2OH O + H2O - aminokwas HO 3-deoksyheksosuloza (zwiazek dikarbonylowy) ALDEHYD STRECKERA WĘGLOWODANY CHEMIA MONOSACHARYDÓW 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). Odpowiadają 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. 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. SZKODLIWY & PRZEBRZYDŁY AKRYLAMID WĘGLOWODANY CHEMIA MONOSACHARYDÓW VII. W wyniku obróbki cieplnej oraz wobec aminokwasów cukry ulegają reakcjom Maillarda (chemia gotowania!). WĘGLOWODANY CHEMIA MONOSACHARYDÓW X. Cukry w formie piranozowej i furanozowej ulegają w środowisku wodnym zjawisku mutarotacji. O H HO H HO H OH OHH H OH O H HO H HO H H OHH OH OH H2O α-D-GLUKOPIRANOZA β-D-GLUKOPIRANOZA 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 mono- sacharydów. 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. TRIOZY Triozy to cukry zawierające trzy atomy węgla w cząsteczce. Istnieją wyłącznie trzy takie cukry i nie zostały odnalezione w postaci wolnej w przyrodzie. 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. O przynależności do danego szeregu decyduje konfiguracja przedostatniego atomu węgla cukru. ALDEHYD D-GLICERYNOWY WĘGLOWODANY CHO OHH CH2OH CHO HHO CH2OH CH2OH O CH2OH ALDEHYD L-GLICERYNOWY DIHYDROKSY- ACETON R OHH CH2OH R HHO CH2OH SZEREG D SZEREG L TETROZY 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. Zastosowanie? Erytruloza → składnik samoopalaczy. D-TREOZA WĘGLOWODANY L-TREOZA CHO OHH OHH CH2OH CHO HHO HHO CH2OH CHO HHO OHH CH2OH CHO OHH HHO CH2OH CH2OH O OHH CH2OH CH2OH O HHO CH2OH D-ERYTROZA L-ERYTROZA D-ERYTRULOZA L-ERYTRULOZA ALDOHEKSOZY Aldoheksozy szeregu D oraz L mają trzy „stopnie swobody” na atomach chiralnych 2, 3 oraz 4, co daje 23 = 8 diastereoizomerów dla każdego z szeregów. Aldoheksozy szeregu D; projekcja Fischera: Heksozy 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. CHO OHH OHH OHH OHH CH2OH CHO HHO OHH OHH OHH CH2OH CHO OHH HHO OHH OHH CH2OH CHO HHO HHO OHH OHH CH2OH CHO OHH OHH HHO OHH CH2OH CHO HHO OHH HHO OHH CH2OH CHO OHH HHO HHO OHH CH2OH CHO HHO HHO HHO OHH CH2OH A L L A LT R u i s t s G L a d l y M A k e G U m I n G A L o n TA n k s ALLOZA ALTROZA GLUKOZA MANNOZA GULOZA IDOZA GALAKTOZA TALOZA 2 3 WĘGLOWODANY 4 5 ALDOHEKSOZY Aldoheksozy szeregu D oraz L mają trzy „stopnie swobody” na atomach chiralnych 2, 3 oraz 4, co daje 23 = 8 diastereoizomerów dla każdego z szeregów. Aldoheksozy szeregu L (dolny rząd) są enancjomerami aldoheksoz szeregu D (górny rząd): CHO OHH OHH OHH OHH CH2OH CHO HHO OHH OHH OHH CH2OH CHO OHH HHO OHH OHH CH2OH CHO HHO HHO OHH OHH CH2OH CHO OHH OHH HHO OHH CH2OH CHO HHO OHH HHO OHH CH2OH CHO OHH HHO HHO OHH CH2OH CHO HHO HHO HHO OHH CH2OH ALLOZA ALTROZA GLUKOZA MANNOZA GULOZA IDOZA GALAKTOZA TALOZA 2 3 WĘGLOWODANY 4 5 2 3 4 5 CHO HO H HO H HO H HO H CH2OH CHO H OH HO H HO H HO H CH2OH CHO HO H H OH HO H HO H CH2OH CHO H OH H OH HO H HO H CH2OH CHO HO H HO H H OH HO H CH2OH CHO H OH HO H H OH HO H CH2OH CHO HO H H OH H OH HO H CH2OH CHO H OH H OH H OH HO H CH2OH KETOHEKSOZY Ketoheksozy szeregu D oraz L mają dwa „stopnie swobody” na atomach chiralnych 3 oraz 4, co daje 22 = 4 diastereoizomery dla każdego z szeregów. Ketoheksozy szeregu L (dolny rząd) są enancjomerami ketoheksoz szeregu D (górny rząd): PSIKOZA FRUKTOZA SORBOZA TAGATOZA WĘGLOWODANY CH2OH O OHH OHH OHH CH2OH CH2OH O HHO OHH OHH CH2OH CH2OH O OHH HHO OHH CH2OH CH2OH O HHO HHO OHH CH2OH CH2OH HO H HO H HO H CH2OH CH2OH H OH HO H HO H CH2OH CH2OH HO H H OH HO H CH2OH CH2OH H OH H OH HO H CH2OH O O O O SZEREG D SZEREG L Disaccharides Composed of Glucose
f-glycoside bond
€ = hemiacetal <ellobiose / HocHz Hz0H
a reducing sugar two glucose unitz —
joined C1 to 64 Ho o =
€ = acetal as a f-glycoside l
non- reducing sugar HO >0H p-alycoside bond
CHa0H a-glycoside boards
HOCHa2 «-glycosicie bond Ho 2 o B-glycoside bond
Ho A. HI
Ho HO NO HOCHz: OH
M
—-0H o Hci
h obi Ho OH
Maltose HO Gentiobiose p ŚR _H HO Trehalose HocHz
twa glucose units
two glucose units Ra! twa glucose units
jsined Ci to C6 OH joined C1 to G1
as a [-glycoside ar two a-glycosides
joined C1 to C4
as an o-glycosida
glycoside bond
Lactose Ho, 5CH2 c
4-0-8-D-Galactopyranosy|-D-glucose OH
- d =
[ p-anomer is drawn] H © = hemiacetal
u a reducing sugar
A = galactase HG; —90H k-alvcoside bond
B = glucosa
Sucrose e A= glucose 1
«-D-Glucopyranosy|-$-D-fructofuranoside HOCH2 O. Hz0H „rotate
p-D-Fructofuranosy|-a-D-glucopyranoside = B = fructose 6 (a t80
HO HOHzC OH
H 5 HO 2
5:
3 H 4 e CH20H
C = acetal Ho CHz0M H+
nan- reducing sugar F-D-Fructofuranose
POLISACHARYDY 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). WĘGLOWODANY MONOSACHARYDY JAKO SONDY CHIRALNE Sondy chiralne: MTPA (estry Moschera); inne związki (m.in. cukry) WĘGLOWODANY MONOSACHARYDY JAKO SONDY CHIRALNE 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? WĘGLOWODANY WĘGLOWODANY
MONOSACHARYDY JAKO SONDY CHIRALNE
2'Me1/2 2"Me1/2
OBn
WĘGLOWODANY
MONOSACHARYDY JAKO SONDY CHIRALNE
R = sonda