‹#› 1 Biochemicky významné reakce © Biochemický ústav LF MU (J.D.) 2010 ‹#› 2 Přednáška je extraktem hlavních myšlenek z kapitol 1-14 + 29, LCH II, s důrazem na biochemické souvislosti •Vznik poloacetalů, acetalů, aldiminů •Funkční deriváty kyselin (estery, anhydridy, amidy) •Dehydrogenace různých substrátů •Oxygenace, hydroxylace, deoxygenace •Konjugovaný pár vs. redoxní pár •Transaminace aminokyselin, reakce citrátového cyklu ‹#› 3 Vzájemné reakce vybraných sloučenin Kyselina Aldehyd Thiol Alkohol Alkohol ester poloacetal - ether Thiol thioester thiopoloacetal sulfid Amin sůla / amidb aldiminc Aldehyd - aldold Kyselina anhydrid aAcidobazická reakce za studena, transfer H+. bKondenzace při zahřátí, uvolní se voda. cTaké zvaný Schiffova báze. dVzniká pouze v alkalickém prostředí. LCH II Příloha 1 ‹#› 4 Poloacetaly a acetaly Poloacetaly vznikají adicí alkoholu na karbonylovou skupinu. Acetaly vznikají substitucí hydroxylové skupiny poloacetalu alkoxylovou skupinou (-OR) alkoholu. substituce adice ‹#› 5 Aldiminy (Schiffovy báze) vznikají adičně-eliminační reakcí Vznikají adicí aminu na karbonylovou skupinu a eliminací vody za vzniku dvojné vazby C=N ‹#› 6 Příklady Schiffových bází v organismu •Neenzymová glykace proteinů (LCH II, str. 40) •Transaminace AK – meziprodukt s pyridoxalfosfátem (viz přednáška Aminokyseliny) •Příčné můstky v kolagenu (Lys ... alLys) (LCH II, str. 42) •Vznik glukosaminu z fruktosa-6-P a glutaminu (Semináře, str. 54) •Vazba retinalu na opsin (Ledvina, II. díl, str. 474) ‹#› 7 Estery karboxylových kyselin vznikají kondenzací za uvolnění vody (adičně-eliminační reakce) Esterifikace in vitro vyžaduje katalýzu silnou kyselinou. Enzymové esterifikace in vivo mají odlišný mechanismus. Zpětná reakce je hydrolýza esteru. ‹#› 8 Rozlišujte: hydrolýza × hydratace substrát + H2O ® produkt 2 OH substrát + H2O ® + produkt 1 H produkt OH H Hydrolýza = štěpení vodou (estery, amidy, peptidy, glykosidy, anhydridy) Hydratace = adice vody (na nenasycené substráty) ‹#› 9 Acetylsalicylová kyselina (Aspirin) je kyselina a současně ester kys. salicylová kys. acetylsalicylová ‹#› 10 Učebnicové struktury anorganických kyselin H2SO4 H3PO4 HNO2 HNO3 ‹#› 11 Estery kyseliny sírové dodecyl-sulfát sodný (lauryl-sulfát sodný, sodium lauryl sulfate, sodium dodecyl sulfate, SDS) je syntetický aniontový tenzid alkyl-hydrogensulfát kyselina alkylsírová ‹#› 12 Srovnejte: alkyl-sulfát ´ alkansulfonát alkyl-sulfát alkansulfonát vazba C-O-S čtyři atomy O vzniká esterifikací vazba C-S tři atomy O vzniká sulfonací R-OH + HO-SO2-OH ® R-O-SO2-OH + H2O R-H + SO3 ® R-SO3H ‹#› 13 Estery kyseliny dusičné jako léčiva • glycerol trinitrát (glyceroli trinitras) • klasické léčivo • působí poměrně rychle • sublingualní tablety, sprej, náplast • isosorbid dinitrát (isosorbidi dinitras) • moderní léčivo • výhodnějí farmakokinetické vlastnosti • tablety R-OH + HO-NO2 ® R-O-NO2 + H2O vazodilatační účinek ‹#› 14 Monoestery kyseliny fosforečné vznikají fosforylací neutrální molekula anion ‹#› 15 Diestery kyseliny fosforečné jsou spojovacími elementy v nukleových kyselinách . 3’,5’-fosfodiesterová vazba ‹#› 16 Diestery kyseliny fosforečné jsou spojovacími elementy ve fosfolipidech ‹#› 17 Organofosfáty jsou syntetické deriváty neobvyklých kyselin fosforu kys. thiofosforečná kys. fluorofosforečná kys. kyanofosforečná kys. methylfosfonová kys. methylfluorofosfonová sarin Srovnejte: kys. sulfonová (C-S) ´ fosfonová (C-P) ‹#› 18 Srovnejte dvojice a počty atomů kyslíku alkyl-sulfát alkansulfonát alkyl-fosfát alkanfosfonát ‹#› 19 Anhydrid karboxylové kyseliny vzniká eliminací vody ze dvou molekul kyseliny + - H2O kondenzace ‹#› 20 Anhydrid kyseliny fosforečné je kyselina difosforečná (difosfát)* + - H2O *Historický název „pyrofosfát“ je ještě užíván v některých zahraničních učebnicích kondenzace Vyskytuje se ve struktuře ATP, ADP, NAD+, FAD ad. ‹#› 21 Srovnejte: difosfát ´ bisfosfát difosfát (anhydrid) fruktosa-1,6-bisfosfát (dvojnásobný ester) ‹#› 22 Hexakisfosfát inositolu je kyselina fytová (fytát) ‹#› 23 Smíšený anhydrid kys. karboxylové a kys. fosforečné se nazývá acylfosfát + - H2O acylfosfát Acylfosfáty jsou makroergní sloučeniny • 3-fosfoglyceroylfosfát (1,3-bisfosfoglycerát) • karbamoylfosfát (viz předn. Bioenergetika) kondenzace ‹#› 24 aminoacyl-AMP + ATP + 2 Pi + H2O Aktivace aminokyseliny reakcí s ATP poskytne smíšený anhydrid (při syntéze proteinů) ‹#› 25 Amin a kyselina mohou reagovat dvojím způsobem + + - H2O amonná sůl (alkylamonium karboxylát) N-alkylamid Při lab. teplotě - acidobazická reakce Při zahřívání - kondenzace ‹#› 26 Amidy jsou polární neelektrolyty Volný el. pár na dusíku je v konjugaci s dvojnou vazbou ‹#› 27 Srovnejte Charakteristika Aminy Amidy Obecný vzorec El. pár na dusíku Bazicita Tvorba solí Chování ve vodě pH vodného roztoku R-NH2 volný ano ano slabý elektrolyt zásadité R-CO-NH2 v konjugaci s C=O ne ne neelektrolyt neutrální ‹#› 28 Močovina je diamid kys. uhličité kys. uhličitá močovina ‹#› 29 Srovnejte 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 Þ antioxidant ano (dvě řady) adeninu a guaninu *Závisí na pH, při kyselém pH krystaluje z roztoku H ‹#› 30 Lakton versus Laktam lakton je cyklický ester laktam je cyklický amid - H2O - H2O ‹#› 31 Srovnejte vlastnosti (R = nižší alkyl) Karboxylová kys. Ester Amid slabý elektrolyt polární rozpustná v H2O neelektrolyt nepolární nerozpustný v H2O neelektrolyt polární rozpustný v H2O ‹#› 32 Polarita vybraných organických sloučenin (viz LCH II, kap. 4) uhlovodíky halogenderiváty ethery estery ketony aminy amidy alkoholy karboxylové kys. polarita nepolární sloučeniny ‹#› 33 Biochemicky významné dehydrogenace Substrát Produkt alkandiová kys. primární alkohol sekundární alkohol endiol aldehyd-hydrát poloacetal / cyklický poloacetal hydroxykyselina p-difenol thiol aminosloučenina alkendiová kys. aldehyd keton diketon karboxylová kys. ester / lakton oxokyselina p-chinon disulfid iminosloučenina LCH II Příloha 3 ‹#› 34 Dehydrogenace v enzymových reakcích •substrát ztrácí 2 atomy H z typických skupin: • primární alkoholová skupina -CH2-OH (ethanol) • sekundární alkoholová skupina >CH-OH (laktát) • endiolové uskupení HO-C=C-OH (askorbát) • sekundární aminová skupina >CH-NH2 (aminokyseliny) • nasycená skupina -CH2-CH2- (fumarát, acyly MK) •vznikne dvojná vazba (C=O, C=NH, CH=CH) •dva atomy H jsou přeneseny na kofaktor enzymu ‹#› 35 Enzymové dehydrogenace vyžadují spolupráci tří složek enzym + substrát + kofaktor přípona -asa derivát vitaminu (Bkomplex) ‹#› 36 Dehydrogenace ethanolu (zjednodušené schéma) POZOR: toto není reakce, pouze jeden redoxní pár. ‹#› 37 Dehydrogenace ethanolu (úplná reakce s kofaktorem) NAD+ = nikotinamid adenin dinukleotid Toto je reakce = kombinace dvou redoxních párů. alkoholdehydrogenasa ‹#› 38 Postupná oxidace methanolu (zjednodušené schéma) Při otravě methanolem vzniká závažná metabolická acidóza způsobená mravenčí kyselinou. ‹#› 39 Dvě cesty oxidace glycerolu dehydrogenace na C2 dehydrogenace na C1 oxygenace na C1 ‹#› 40 Postupná oxidace ethylenglykolu (viz LCH II, kap. 6) Otrava ethylenglykolem může mít fatální průběh ‹#› 41 Dehydrogenace aldehyd-hydrátu nestabilní sloučenina ‹#› 42 Dehydrogenace poloacetalu poloacetal ester cykl. poloacetal glukonolakton (glukopyranosa) - 2H - 2H ‹#› 43 Hydroxykyseliny jako substráty dehydrogenace mléčná kyselina (2-hydroxypropanová) acidum lacticum Þ laktát jablečná kyselina (hydroxybutandiová ) acidum malicum Þ malát b-hydroxymáselná kyselina (3-hydroxybutanová) b-hydroxybutyrát ‹#› 44 Dehydrogenace kys. mléčné (laktátu) laktát pyruvát metabolické využití laktátu: glukoneogeneze v játrech ‹#› 45 Další příklady dehydrogenací Vzájemná přeměna ketolátek Poslední reakce citrátového cyklu ‹#› 46 α,b-Dehydrogenace acylu (tak začíná odbourávání mastných kyselin) ‹#› 47 Dehydrogenace aminosloučenin R-CH2-NH2 + FMN ® R-CH=NH + FMNH2 amin imin 2-aminokyselina 2-iminokyselina iminoskupina >C=NH ‹#› 48 Hydrolýza iminosloučeniny poskytne oxosloučeninu a volný (toxický) amoniak ‹#› 49 Dehydrogenace difenolů poskytne chinony benzen-1,4-diol (hydrochinon) p-benzochinon (aromatický kruh) (není aromatický kruh) ‹#› 50 Dehydrogenace -SH substrátů probíhá s dvěma molekulami (mírná oxidace)* thiol dialkyldisulfid disulfidové můstky v bílkovinách *Silnější oxidace je oxygenace na sulfonové kys. ‹#› 51 Oxygenace aldehydu ½ O2 Přímá: Nepřímá: ‹#› 52 Hydroxylace fenylalaninu Kofaktor tetrahydrobiopterin (BH4) je donorem dvou atomů H na vznik vody ‹#› 53 Hydroxylace 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 • BH4 (tetrahydrobiopterin) se oxiduje na BH2 (dihydrobiopterin) ‹#› 54 Další příklady hydroxylačních reakcí •tyrosin ® ® adrenalin •cholesterol ® ® kalcitriol •cholesterol ® ® žlučové kyseliny •prolin ® hydroxyprolin •desaturace mastných kyselin •hydroxylace xenobiotik R-H + O2 + NADPH + H+ ® R-OH + H2O + NADP+ ‹#› 55 Biochemické hydrogenace •substrát přijímá dva atomy H •jejich zdrojem je NADPH + H+ •redukční syntézy (MK, cholesterol) -CH=CH- + NADPH+H+ ® -CH2-CH2- + NADP+ ‹#› 56 Hydrogenace ubichinonu v dýchacím řetězci je zvláštní případ separátně se aduje elektron (red. kofaktorů) a proton (z matrix mitochondrie) ‹#› 57 Deoxygenace D-ribosa 2-deoxy-D-ribosa Mechanismus je velmi složitý, vyžaduje řadu kofaktorů, mj. protein thioredoxin obsahující selen NADPH+H+ + H2O + NADP+ ‹#› 58 Rozlišujte Konjugovaný pár = dvojice látek, které se liší přesně o jeden proton (H+). Redoxní pár = dvojice látek, které se liší o určitý počet elektronů nebo atomů H nebo atomů O, liší se tedy oxidačním číslem jednoho nebo více atomů téhož prvku. Látka odštěpuje H+ = kyselina Látka odštěpuje H = redukční činidlo -------------------------------------------------- Látka přijímá H+ = báze Látka přijímá H = oxidační činidlo ‹#› 59 Diverzita redoxních párů Redoxní pár (oxid. / red. forma) Liší se počtem Val. el. Atomů H Atomů O Nábojů Fe3+ / Fe2+ + + O2 / ·O2- + + MnO4- / Mn2+ + + Pyruvát / laktát + Octová k./acetaldehyd + Typy redoxních párů: kation/kation, neutrální molekula/anion, anion/kation, anion/anion, neutr. mol./neutr. mol. ‹#› 60 Příklad 1 Dva pohledy na laktát 1.Laktát jako báze 2.Laktát jako redukční činidlo ‹#› 61 Konjugovaný pár (dvě konstanty pro dvě látky) kys. mléčná (kyselina) laktát (konjugovaná báze) Redoxní pár (jedna konstanta pro dvě látky) laktát pyruvát (reduk. forma) (oxid. forma) Eo’ = -0,185 V pKA 3,8 pKB 10,2 ‹#› 62 Příklad 2 Dva pohledy na vitamin C 1.Kys. L-askorbová jako kyselina 2.Kys. L-askorbová jako redukční činidlo ‹#› 63 L-Askorbová je dvojsytná kyselina Dva konjugované páry: askorbová kys. / hydrogenaskorbát hydrogenaskorbát / askorbát dva enolové hydroxyly pKA1 = 4,2 pKA2 = 11,6 ‹#› 64 L-Askorbová kyselina má redukční účinky (exogenní antioxidant, viz praktická cvičení, str. 32) askorbová kys. dehydroaskorbová kys. (redukovaná forma) (oxidovaná forma) Eo’ = 0,40 V ‹#› 65 Příklad 3 Dva pohledy na kys. močovou 1. Kys. močová jako kyselina 2. Kys. močová jako redukční činidlo ‹#› 66 Laktimová forma kys. močové je dvojsytná kyselina* kys. močová hydrogenurát urát pKA1 = 5,4 pKA2 = 10,3 2,6,8-trihydroxypurin *Laktamová forma je neelektrolyt ‹#› 67 Kys. močová jako redukční činidlo (endogenní antioxidant) Různé přeměny radikál (oxidovaná forma) hydrogenurátový anion odštěpí jeden elektron R· je např. ·OH, superoxid aj. hydrogenurát (redukovaná forma) ‹#› 68 Transaminace v metabolických souvislostech modrá barva indikuje katabolickou dráhu dusíku detoxikace ‹#› 69 Transaminace •aminoskupina je přenesena z aminokyseliny na 2-oxoglutarát (2-OG) •přenos zajišťuje enzym aminotransferasa a kofaktor pyridoxalfosfát •z aminokyseliny vznikne příslušná oxokyselina, z 2-OG vznikne glutamát (Glu) ‹#› 70 Obecné schéma transaminace ‹#› 71 NAD+ Z glutamátu se uvolní amoniak dehydrogenační deaminací - NADH + H+ 2-iminoglutarát ‹#› 72 Transaminace alaninu ALT = alaninaminotransferasa ‹#› 73 Transaminace aspartátu aspartát oxalacetát ‹#› 74 Pamatujte •pyruvát / laktát = redoxní pár •pyruvát / alanin = transaminace • •oxalacetát / malát = redoxní pár •oxalacetát / aspartát = transaminace ! ‹#› 75 Reakce citrátového cyklu •terminální metabolická dráha aerobního metabolismu •vstupní substrát: acetyl-CoA •tři typy produktů: • 2´ CO2 ® vydýchá se • 4´ redukované kofaktory ® oxidovány v dýchacím řetězci • 1´ GTP – substrátová fosforylace Jak se vytvoří CO2 z acetyl-CoA? ‹#› 76 Kondenzace oxalacetátu s acetyl-CoA ‹#› 77 Izomerace citrátu na isocitrát ‹#› 78 Dekarboxylace a dehydrogenace a isocitrátu ‹#› 79 Dekarboxylace a dehydrogenace 2-oxoglutarátu ‹#› 80 Substrátová fosforylace za vzniku makroergního trifosfátu + CoA-SH ‹#› 81 Dehydrogenace sukcinátu na fumarát ‹#› 82 Hydratace fumarátu na L-malát hydratace není redoxní reakce ‹#› 83 Dehydrogenace L-malátu na oxalacetát znovu vstupuje do CC