1
BIOGENESE PŘÍRODNÍCH LÁTEK
FOTOSYNTHESA CUKRY
primární
KYSELINY metabolity
AMINOKYSELINY LÁTKY
BIOGENNÍHO
PŮVODU
SPECIALIZOVANÉ sekundární
LÁTKY metabolity
(rodově i druhově)
MEZI PRIMÁRNÍMI A SEKUNDÁRNÍMI METABOLITY NENÍ VŽDY
JEDNOZNAČNÁ HRANICE
O
CH3
OMe
O
CH3
O
CH3
NMe2
O
CH3
O
CH2OH
glukosa
oleandrosa chinovosa
desosamin
primární metabolit
sekundární metabolity
D-digitoxosa
1
2
2
MEZI PRIMÁRNÍMI A SEKUNDÁRNÍMI METABOLITY NENÍ VŽDY
JEDNOZNAČNÁ HRANICE
N
H
H
CO2H
CH2-CH(NH2)-CO2H
N
H
H
CO2H N
H
H
CO2H
O
O
CH2CH(NH2)CO2HHO2C
CH2
CH2CH(NH2)CO2H
L-prolin
L-fenylalanin
kyselina L-pipekolová baikiain
hypoglycin A kyselina stizolobová
primární metabolity sekundární metabolity
HYPOGLYCIN
Blighia sapida Kon. – mýdelník (nezralé plody)
Západní Afrika → Jamaika (otravy)
Kyselina α-amino-β-(2-methylencycklopropyl)propionová.
Aktivním metabolitem je(methylencyklopropyl)formyl-CoA.
Hypoglykemický a teratogenní účinek. Snižuje hladinu
glukosy
v krvi 3-4 hodiny po podání tím, že zasahuje do metabolismu
mastných kyselin - přerušuje jejich β-oxidaci. Nedostatek
energie je kompenzován glykolysou.
V terapii DM se neuplatnil, jeho fyziologická aktivita je
předmětem trvalého zájmu jak při studiu metabolismu
mastných
kyselin, tak z hlediska toxikologického.
CH2
NH2
COOH
3
4
3
BAIKIAIN
Baikiaea plurijuga (Fabaceae), Caesalpinia tinctoria, červené řasy
Baikianin inhibuje aktivitu kyseliny glutamové jako neurotransmiteru.
3-Hydroxybaikianin se ve vysoké koncentraci nachází v plodnicích
jedovaté houby Russula subnigricans × holubinka černající (R. nigrans)
N
H
OH
COOHN
H
COOH
Baikiain
(1,2,3,6-tetrahydropyridin-2-karboxylová
kyselina)
O
OH
KYSELINA STIZOLOBOVÁ
Stizolobium hassjoo (Fabaceae)
Amanita pantherina, A. muscaria, A. gemmata
Toxikologický význam.
O
O
NH2
HOOC COOH
H
O
O
NH2
HOOC
COOH
H
Kyselina stizolobová Kyselina stizolobinová
5
6
4
Všechny formy života obsahují tytéž molekuly organických a anorg. látek
Rozdíly jsou v jejich vzájemných poměrech
BIOPOLYMERY
skládají se z mnoha stejných nebo podobných podjednotek
Základní biopolymery:
• Proteiny (bílkoviny) tvořené 21 různými aminokyselinami. Funkce:
katalytická (enzymy), regulační (některé hormony), nutriční,
strukturní. Kombinované glykoproteiny (převaha monosacharidových
jednotek)
• Polysacharidy – lineární nebo rozvětvené řetězce (škrob, celulosa,
glykogen). U rostlin stavební a zásobní materiál. Metabolickými
přeměnami se získává chemická energie.
• Lipidy tvoří biologické membrány (fosfolipidy), látky zásobní.
Kombinované jsou lipopolysacharidy a lipoproteiny.
• Nukleové kyseliny složené z nukleotidů (dusíková zásada,
monosacharid (Rib, deRib) a kyselina fosforečná.
RNA: A, G, C, U; DNA: A, G, C, T
A X I O M Y
ZÁKLADNÍ VÝZNAM MÁ PRIMÁRNÍ METABOLISMUS,
na který má rozmanitost organických systémů zcela nepatrný vliv
SEKUNDÁRNÍ METABOLITY
1. Mají ohraničený taxonomický výskyt
2. Pro jejich tvorbu jsou nutné specifické podmínky
3. Není objasněna jejich biochemická funkce
Jedním ze základních rysů sekundárního metabolismu je to, že využívají
velice omezený výběr prekursorů a že tyto prekursory jsou látky mající
zvláštní význam v primárním metabolismu.
7
8
5
PREKURSORY
OH
OH
OH
CO2H
2
kyselina šikimová
skvalen
Ilicium religiosum
badyánovník posvátný
VÝZNAM PRIMÁRNÍHO METABOLISMU PRO TVORBU
PŘÍRODNÍCH LÁTEK
VZHLEDEM K VZÁJEMNÉ SOUVISLOSTI A NÁVAZNOSTI METABOLICKÝCH
POCHODŮ V ŽIVÝCH ROSTLINÁCH, NELZE NADŘAZOVAT Z HLEDISKA
TVORBY PŘÍRODNÍCH LÁTEK JEDEN PROCES PRIMÁRNÍHO METABOLISMU
NAD DRUHÝ.
NÁSLEDNĚ BUDE POUKÁZÁNO NA NĚKTERÉ BIOSYNTETICKÉ MECHANISMY
A NA TA MÍSTA PRIMÁRNÍHO METABOLISMU, KTERÁ MAJÍ PRO
TVORBU SEKUNDÁRNÍCH METABOLITŮ BEZPROSTŘEDNÍ VÝZNAM.
9
10
6
Biosyntetické vztahy cukrů a dalších
sekundárních metabolitů
Glukóza
H2OCO2 hν
Fosfo-enol pyruvát
Erythróza-4-fosfát
Šikimová kyselina
Šikimáty
Pyruvát
Acetyl-CoA
Aminokyseliny
Alkaloidy
Mevalonát
Terpenoidy a steroidy
Acetogeniny
Glykozidy
fotosyntéza
Flavonoidy, anthokyaniny
třísloviny…
Deriváty kyseliny skořicové
Lignany
Kumariny
Chinony Proteiny
Mono, oligo, polysacharidy
Fenoly, chinony,
polyacetyleny, makrolidy,
mastné kyseliny, lipidy…
Silice, seskviterpeny, diterpeny,
saponiny, kardenolidy, karotenoidy…
cyklus
11
12
7
C2
C1
C5
C6C3
13
14
8
NOVOBIOCIN
z hlediska „biogenetických rodičů“
O O
OH
O
O
NH2
CH3
CH3
O
CH3
O
OH
N
H
O
OH
novobiosa – cukr vytvořený z glukosy
karbonamido- skupina – odvozená z metabolismu dusíku
C-methyl, O-methyl – skupina C1 zdrojů (formyl, hydroxymethyl, jde
cestou methioninu, glycinu a serinu)
3-amino-4-hydroxykumarin – z kyseliny šikimové přes tyrosin
p-hydroxybenzyl – z kyseliny šikimové
isopentenyl – z kyseliny mevalonové
15
16
9
PĚT KATEGORIÍ LÁTEK PODLE JEJICH VZNIKU
1. Specifické cukry, polysacharidy, cukerná část glykosidů
2. Šikimáty
3. Metabolity od aminokyselin
4. Polyketidy
5. Isoprenoidy
METABOLISMUS CUKRŮ
SOUVISLOST METABOLISMU CUKRŮ S CYKLEM KYSELINY CITRONOVÉ
CO2
ribuloso-1,5-difosfát + kyselina 3-fosfoglycerová
NADH ATP
3-fosfoglyceraldehyd
kyselina pyrohroznová,
intermediáty cyklu kyseliny
citronové
fruktoso-1,6-difosfát
glukosa, škrob, celulosa
SPECIFICKÉ CUKRY
PRODUKTY SEKUNDÁRNÍHO
METABOLISMU
17
18
10
FOTOSYNTHESA – ABSORPCE CO2 A REDUKCE NA SACHARID
CH2
O P
C
C
O
H OH
CH OH
C
H2
O P
CH2
OH
C
C
O
H OH
CH OH
C
H2
O P
ATP
ADP
CO2
CH2
O P
C
C
CH OH
C
H2
O
OH
COOH
O P
C
C
C
H2
O
H
H OH
O P
CH2
O P
COH H
COOH
CH2
O P
COH H
COOH
ATP
ADP + P
NADP + H
NADP
ribuloso-5-P
+
+
+
trioso-3-P
kyselina fosfoglycerová
ribuloso-1,5-P2
Hans Krebs
Letter from Nature declining to publish Krebs’s paper
19
20
11
TVORBA GLYKOSIDŮ
(transglykosylace)
1. Vytvoření aglykonu
2. Spojení s cukerným zbytkem
PŘIPOJENÍ CUKRU NA KYSLÍK DALŠÍHO CUKRU NEBO NA KYSLÍK
FENOLICKÉHO ČI ALKOHOLICKÉHO HYDROXYLU, NA SÍRU, DUSÍK, NEBO
UHLÍK NEJČASTĚJI ZPROSTŘEDKUJE URIDINDIFOSFOGLUKÓZA (UDPG)
N
NO
OH
O
O
OH OH
H2
CO P O P O
OH
O O
OH
CH2OH
uridin difosfo glukosa
UDPG

ZMĚNA KONFIGURACE NA C-1
O
O
CH2
OH
UDP
H
O
R
O OR
CH2OH
UDP

 +
Uvolnění UDP nukleofilním atakem na C-1 cukerného zbytku má za následek
ZMĚNU KONFIGURACE na C-1 a vytvoření -glukopyranosidu
21
22
12
FUNKCE CUKERNÝCH NUKLEOTIDŮ PŘI PŘEMĚNĚ CUKRŮ
UDP-glukóza
oxidace na C-6
UDP-glukuronová kyselina
- CO2
UDP-xylosa
epimerisace na C-4
UDP-galaktosa
reakce s galaktosa-
-1-fosfátem
UDP-galaktosa +
glukosa -1-fosfát+
TŘÍUHLÍKATÉ SLOUČENINY PRIMÁRNÍHO METABOLISMU
Klíčové sloučeniny primárního metabolismu – cukry zapojené do fixace CO2
(triosofosfát, kys. fosfoglycerová, cukry pentosového cyklu). →→→
kyselina
pyrohroznová, fosfoenolpyruvát, acetylkoenzym A. To jsou stavební
kameny pro většinu přírodních látek.
fosfoenolpyruvát + erythroso-4-fosfát → C7 kyselina → kys. šikimová →
→ kys. chorismová → kys. fenyplyrohroznová → fenylalanin →
→ kyselina skořicová
23
24
13
ACETYLKOENZYM A
CH3COCOOH
- CO2
CH3
CO-SCoA
mastné kyseliny
CH3
(CH2
CH2
)nCO-SCoA
polyketidy
aromatické sloučeniny
cyklus kyseliny
citronové
kyselina -hydroxy-
--methylglutarová
kyselina mevalonová
3-methyl-2-butenyldifosfát
i s o p r e n o i d y
3-methyl-3-butenyldifosfát
kyselina pyrohroznová
tvorba ATP
-ketokyseliny
aminokyseliny+ N
„JEDNOUHLÍKATÝ METABOLISMUS“
METHYLOVÉ SKUPINY NA NUKLEOFILNÍ CENTRUM PŘENÁŠÍ HLAVNĚ
S-ADENOSYLMETHIONIN, PŮSOBÍCÍ JAKO ALKYLAČNÍ ČINIDLO
U PŘÍRODNÍCH LÁTEK:
• TVORBA FENOLICKÝCH ETHERŮ
• TVORBA N-METHYLOVANÝCH AMINŮ
• TVORBA C-METHYLOVANÝCH FENOLŮ A KETONŮ
25
26
14
PŘENOS C1 SKUPINY
adenosyl S
+
C
H2
CH3
C
H2
C
H
NH2
COOH
O N
O
O CH3
N
+
CH3
HO
CH3
(a)
(a)
(b)
(b) (c)
CH3
(c)
S-adenosylmethionin
adenosylhomocystein
+
ZÁKLADNÍ BIOSYNTETICKÉ REAKCE
• Živé organismy mají mimořádně mnohotvárné složení
• Katalytická činnost enzymů
• Omezený počet prekurzorů
• Nevelký počet reakcí uplatňujících se v metabolismu
• Jednoduché a známé reakce
27
28
15
TVORBA VAZBY UHLÍK - UHLÍK
Nukleofilní methylenové seskupení + elektrofilní C-atom ketonu, esteru …
C
H
C
H
C O
C O
CH2
C
H
+ C
SR
O
CH CO + RS
-
C
H
+ CO2 CH C
O
O
C
H
+ CH3
S
+
R'
R
CH CH3 + S
R
R'
TVORBA VAZBY C-C NEBO C-O-C OXIDACÍ
N
CH3
OH
OH
MeO
N
CH3
O
OH
MeO
OH O O O
OH OH
O
OH
A B C
B B B A
.
.
.
- 2 H+
- 2 e
- 1 H+
- 1 e
29
30
16
ZAVEDENÍ KYSLÍKU OXIDACÍ VAZBY C-H, NEBO
PŘÍMOU EPOXIDACÍ C=C
NH2
COOH
NH2
COOH
OH
O
O
O
O
O
fenylalanin tyrosin
skvalen skvalen-2,3-epoxid
2
3
OXIDACE A REDUKCE VAZBY C-O NEBO C-C
(VZNIK KARBONYLOVÝCH A NENASYCENÝCH SLOUČENIN)
OH O
R CH2
OH R C
H
O
R C
OH
O
CH3
(CH2
)7
CH2
CH2
(CH2
)7
COOH CH3(CH2)7CH2
CH2(CH2)7COOH
C18
H36
O2 C18
H34
O2
vznik karbonylových sloučenin
alkohol aldehyd karboxylová kyselina
kyselina stearová kyselina olejová
c
31
32
17
DEKARBOXYLACE β-KETOKARBOXYLOVÝCH KYSELIN
COCH2COOH COCH3
CO2+

ALKYLACE A ACYLACE NUKLEOFILNÍCH ATOMŮ DUSÍKU
A KYSLÍKU
NH CH3
S
+
R'
R
N CH3
S
R
R'
O
CH2OPP
O
O CH3
C
O
SR
OCOCH3 R S
+ +
+
+ +
33
34
18
SPONTÁNNÍ REAKCE
(ALDOLOVÁ KONDENSACE, TVORBA LAKTONŮ A LAKTÁMŮ)
OH COOH
CH3
C
H
O
NaOH CH3
C C
H2
C
OH
H H
O
NaOH
O
O
NH2
COOH N
H O
2 + +
LAKTON
LAKTAM
35