1

Chemia organiczna

Aminokwasy

Zakład Chemii Medycznej

Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

2

Aminokwasy

aminokwasy zawierają przynajmniej jedną grupę aminową i jedną karboksylową

wzajemne ułożenie grupy aminowej w stosunku do grupy karboksylowej rozróżniamy i kolejne aminokwasy

w zależności od liczby podstawników na atomie azotu aminokwasy dzielą się na takie, które zawierają grupę aminową 1o, 2o, 3o i czwartorzędową amoniową - betainy

3

Aminokwasy

występowanie: wolne związki wchodzą w skład peptydów, kopolimerów aminokwasów o mniejszej masie cząsteczkowej niż

białka (do 100 jednostek) składniki białek – substancji stanowiących podstawowy budulec drobnoustrojów i organizmów

zwierzęcych.

substraty wielu innych związków biologicznie czynnych, w tym neuroprzekaźników i

alkaloidów

organizm wykorzystuje 23 aminokwasy do syntezy białek - aminokwasy kodowane (najczęściej w białku występuje 20)

aminokwasy występujące w naturze, łącznie z aminokwasami białkowymi nazywane są aminokwasami naturalnymi

aminokwasy syntetyczne, które zostały otrzymane na drodze syntezy chemicznej, a dotychczas nie znaleziono ich pośród produktów naturalnych

znanych jest ponad 1000 aminokwasów naturalnych

aminokwasy naturalne mogą być białkowe i niebiałkowe wśród niebiałkowych aminokwasów naturalnych znajdują się aminokwasy zarówno o

konfiguracji L, jak i D, mogą one występować także w formie racemicznej

4

Aminokwasy – nomenklatura

aminokwasom białkowym zostały nadane nazwy zwyczajowe i są one w powszechnym użyciu

dla innych aminokwasów zaleca się stosowanie nazewnictwa wg uprzednio poznanych reguł IUPAC kwasy z

grupą aminową oraz

innymi podstawnikami

5

Aminokwasy – otrzymywanie

Z hydrolizatów białkowych krystalizacja z hydrolizatów - praktycznie użyteczny sposób

pozyskiwania przypadkach, kiedy aminokwas jest łatwy do wydzielenie z mieszaniny innych aminokwasów cystyna - trudno rozpuszczalna w wodzie, krystalizuje

z hydrolizatu włosów tyrozyna

aminokwasy kwaśne i zasadowe - izolowanie za pomocą jonitów

aminokwasy aromatyczne wyjątkowo mocno adsorbują się na

węglu aktywnym metoda usuwania fenyloalaniny z hydrolizatu białkowego w procesie

przygotowywania pożywek dla dzieci cierpiących na fenyloketonurię

6

Aminokwasy

otrzymywanie – synteza chemiczna

Amonoliza halogenokwasów halogenokwasy - łatwo dostępne jako produkty reakcji Hella-Volharda-

Zielinskiego

powstają racemiczne -aminokwasy nadmiar amoniaku służy do

wiązania wydzielającego się bromowodoru wielokrotny nadmiar (powyżej 10x) zmniejsza wydajność niepożądanych 2o i 3o

amin.

zamiast amoniaku można używać węglanu amonu, mieszaniny węglanu amonu z amoniakiem karbaminianu amonu – powstają pochodne karbaminowe uniemożliwiające

dalsze podstawianie

kwas propanowy kwas DL-alanina(62%) DL-2-bromopropanowy

7

Aminokwasy

otrzymywanie – synteza chemiczna

Synteza Gabriela alkilowaniu ftalimidku potasu - niedopuszczenie do tworzenia się 2o i 3o

amin poprzez podstawianie atomów wodoru w amoniaku

produktem jest aminokwas, który na grupie aminowej ma osłonę ftalilową można go w tej postaci używać do dalszych reakcji usunąć resztę ftalilową (za pomocą hydrazynolizy)

2-bromo-3-fenylo- ftalimidek potasu DL-fenyloalanina propanian potasu

8

Aminokwasy

otrzymywanie – synteza chemiczna

Synteza Streckera synteza aminokwasów z

aldehydów i cyjanku sodu lub potasu

w obecności amoniaku

hydroliza

imina aminonitryl aminokwas

9

Aminokwasy

otrzymywanie – synteza chemiczna

Synteza Streckera fenyloglicyna - surowiec w otrzymywaniu półsyntetycznych penicylin,

otrzymywana z aldehydu benzoesowego

tyrozyna – otrzymywana z aldehydu p-metoksyfenylooctowego

aldehyd cyjanohydryna DL-fenyloglicyna

benzoesowy aldehydu benzoesowego

aldehyd cyjanohydryna aldehydu DL-tyrozyna p-metoksyfenylooctowy p-metoksyfenylooctowego

10

Otrzymywanie aminokwasów chiralnie czystych

aminokwasy otrzymywane na drodze chemicznej z achiralnych substratów, bez udziału chiralnych czynników są racemiczne

do celów farmakologicznych, medycznych, biochemicznych, wzbogacania produktów żywnościowych, do badań chemicznych potrzebne są czyste stereoizomery

otrzymuje się je w: reakcjach z chiralnych substratów lub

w obecności chiralnych katalizatorów, w tym za pomocą enzymów i mikroorganizmów

można rozdzielać racematy na enancjomery

11

Otrzymywanie aminokwasów chiralnie czystych

Rozdzielanie racematów racematy można rozdzielić na enancjomery

za pomocą soli diastereoizomerycznych, poprzez diastereoizomeryczne pochodne, enzymatycznie, za pomocą mikroorganizmów, chromatografii chiralnej lub krystalizacji spontanicznej

rozdzielanie racematów na enancjomery wybieramy zamiast syntezy chiralnej gdy: potrzebne są oba enancjomery drugi niepotrzebny enancjomer można łatwo zracemizować i

racemat zawrócić do rozdzielania

12

Otrzymywanie aminokwasów chiralnie czystych

Krystalizacja diastereoizomerycznych soli aminokwasy lub ich pochodne tworzą z:

chiralnymi aminami lub chiralnymi kwasami

diastereoizomeryczne sole, różniące się m.in. rozpuszczalnością w odpowiednim rozpuszczalniku, co sprzyja

rozdzielaniu ich poprzez krystalizację

chiralne aminy stosowane do rozdzielania racemicznych

aminokwasów: naturalne alkaloidy (brucyna, chinina, efedryna, strychnina) lub aminy syntetyczne [1-fenyloetyloaminę, 1-(p-

nitrofenylo)etyloamina, - i β-1-naftyloetyloamina]

chiralne kwasy:

kwasy winowe, dibenzoilowinowe, glutaminowy, migdałowy, kamforosulfonowe, jabłkowy i

N-chronione aminokwasy

13

Otrzymywanie aminokwasów chiralnie czystych

Rozdzielanie za pomocą enzymów stosuje się takie enzymy, jak np. acylazy, proteazy, syntetazy, oksydazy

enzymy katalizują reakcję na określonym centrum sterycznym (najczęściej

L), pozostawiając drugie centrum bez zmian

produkty tych reakcji zwykle różnią się znacznie właściwościami fizycznymi i chemicznymi, co ułatwia ich separację

proteazy są w stanie stereoselektywnie hydrolizować ugrupowania

estrowe.

N-acetylo-DL-aminokwas N-acetylo-D-aminokwas L-aminokwas

14

Aminokwasy białkowe

COO-

l +H3N – C – H

l

R

15

Aminokwasy hydrofobowe

z alifatycznymi grupami R

glicyna alanina walina leucyna izoleucyna

prolina metionina cysteina

16

Aminokwasy hydrofobowe

z aromatycznymi grupami R

fenyloalanina tyrozyna tryptofan

17

Aminokwasy hydrofilowe

z polarnymi grupami R obdarzonymi ładunkiem

arginina lizyna

histydyna kwas glutaminowy

kwas asparaginowy

18

Aminokwasy hydrofilowe

z polarnymi grupami R pozbawionymi ładunku

asparagina glutamina

seryna treonina

19

Aminokwasy egzogenne

Nie mogą być syntetyzowane w organizmie człowieka: leucyna izoleucyna lizyna fenyloalanina metionina walina treonina tryptofan histydyna

arginina -

prawidłowy wzrost dzieci wymaga dostarczenia jej z zewnątrz

Największe dzienne zapotrzebowanie dorosłego człowieka jest na leucynę, a najmniejsze na tryptofan.

20

Aminokwasy endogenne

Są syntetyzowane w organizmie zwierząt wyższych i człowieka.

glicyna alanina prolina seryna kwas asparaginowy kwas glutaminowy glutamina arginina Aminokwasy względnie endogenne: tyrozyna powstaje z egzogennej fenyloalaniny cysteina powstaje z:

egzogennej metioniny endogennej seryny

21

Aminokwasy niebiałkowe

-alanina CH2 – CH2 – COO- l NH3

+

kwas -aminomasłowy (GABA) CH2 – CH2 – CH2 – COO-

l NH3

+

powstaje podczas przemian zasad pirymidowych wchodzi w skład:

kwasu pantotenowego koenzymu A karnozyny

neuroprzekaźnik; powstaje w mózgu z glutaminianu stymuluje otwieranie kanałów chlorkowych w błonie postsynaptycznej

22

Aminokwasy niebiałkowe

ornityna i cytrulina - uczestniczą w syntezie mocznika NH3

+ CH2–CH2–CH2–CH–COO- l l l +H3N–CH2–CH2–CH–COO- NH NH3

+ l H2N–C=O

homocysteina (kwas 2-amino-4merkaptomasłowy) NH3

+ l HS–CH2–CH2–CH–COO-

Aminokwasy niebiałkowe - homocysteina

Niezależny czynnik ryzyka rozwoju m.in.: miażdzycy

zawału serca udaru mózgu

zmian zakrzepowych

Do wzrostu poziomu homocysteiny prowadzą:

czynniki genetyczne palenie tytoniu przewlekłe nadużywanie alkoholu nadmierne spożycie kawy niektóre leki niedobór witamin (nieprawidłowa dieta)

witaminy B6 witaminy B12 kwasu foliowego cysteina

Homocysteina

Metionina

24

Aminokwasy są związkami amfoterycznymi

COO- l +H3N – C – H l R jon obojniaczy

COOH

l +H3N – C – H l R kation

COO-

l H2N – C – H l R anion

+H+ -H+

25

Punkt izoelektryczny aminokwasów

Punktem izoelektrycznym (pI) aminokwasów nazywamy takie pH, przy którym cząsteczki

aminokwasu występują w postaci jonu obojnaczego.

wartość pH odpowiadająca wartości pI jest średnią

arytmetyczną pK1 i pK2

w punkcie pI cząsteczki aminokwasu nie są obdarzone ładunkiem elektrycznym i nie wędrują w polu elektrycznym

gdy pH < pI - cząsteczki aminokwasów są kationami

gdy pH > pI – cząsteczki aminokwasu są anionami

26

Równanie

Hendersona-Hasselbalcha

anion jon obojniaczy kation

równoważniki OH-

27

Stereoizomery aminokwasów

aminokwasy występują w postaci pary enancjomerów. posiadają one centrum chiralności roztwory wodne aminokwasów:

skręcaja płaszczyznę swiatła spolaryzowanego w lewo lub w prawo,

występują w dwóch formach stereoizomerycznych L i D. w białkach w zasadzie występuje tylko forma L-aminokwasu. formę D można spotkać w ścianie komórkowej bakterii

L- alanina D- alanina

28

Wiązanie peptydowe

kowalencyjne wiązanie powstające między grupą -aminową jednego aminokwasu a grupą -karboksylową drugiego aminokwasu.

wolna para elektronowa azotu wiązania peptydowego jest zdelokalizowana w wyniku nakładania się orbitali z grupy karbonylowej.

grupa peptydowa jest sztywna i płaska.

atomy tworzące wiązania peptydowe leżą w jednej płaszczyźnie.

wodór grupy aminowej prawie zawsze znajduje się po położeniu trans w stosunku do tlenu grupy karbonylowej

29

Wiązanie peptydowe

nie jest możliwa swobodna rotacja wokół wiązania C – N

możliwa jest rotacja wokół wiązań C -N i C -C

kąty torsyjne (kąty rotacji) mają wpływ na kształtowanie się konformacji przestrzennej łańcucha polipeptydowego

znając ich wartości dla każdej reszty amnokwasowej, można przewidzieć, jaki kształt przyjmie polipeptyd.

30

Nomenklatura peptydów - aminoacylokwasów

glicyna (Gly) alanina (Ala)

glicyloalanina

alanina (Ala) glicyna (Gly)

alanyloglicyna

nazwy tworzone są z użyciem nazw grup acylowych kończących się na –yl i z nazwy aminokwasu z wolną grupą karboksylową (aminokwas C-końcowy).

nazwa peptydu zawsze zaczyna się nazwą aminokwasu z wolną grupą aminową.

31

Grupy funkcyjne aminokwasów

tworzących białka zdolne do jonizacji

–COOH aminokwasów dwukarboksylowych

–NH2 aminokwasów dwuaminowych

–OH tyrozyny i treoniny

–SH cysteiny

reszta imidazolowa histydyny reszta iminowa argininy

mała liczba końcowych grup aminowych i karboksylowych

32

Oligopeptydy

glutation – -glutamylocysteinyloglicyna tripeptyd aminokwas N-terminalny – kwas L-glutaminowy przyłączony jest

do Cys grupą -karboksylową bierze udział w reakcjach redoks, przechodząc przy tym w dimer antyutleniaczem aktywator enzymów, pełni rolę koenzymu dla peroksydazy

glutationowej

Glu Cys Gly

33

Oligopeptydy

wazopresyna i oksytocyna

nanopeptydy wykazującymi aktywność hormonów produkowane w podwzgórzu, magazynowane w tylnym płacie

przysadki mózgowej. mają bardzo podobną strukturę, różnią tylko dwoma aminokwasami

wazopresyna (hormon antydiuretyczny, ADH) zwiększe wchłanianie zwrotne wody w dystalnych kanalikach

nerkowych. niedobór ADH prowadzi do moczówki prostej.

oksytocyna stymuluje skurcze mięśni gładkich macicy i gruczołu

sutkowego.

34

Oligopeptydy

Insulina 51-peptyd wytwarzany w trzustce zwykle występuje w postaci dimeru, zawierającego ponad

100 reszt aminokwasowych zbudowana jest z dwóch łańcuchów:

A – 21 reszt aminokwasów B – 30 reszt aminokwasów łańcuchy połączone są dwoma mostkami disilfidowymi w łańcuchu A znajduje się trzeci mostek disulfidowy

35

Oligopeptydy o aktywności antybiotyków

Penicylina powstaje z D – waliny i L – cysteiny

tworzą czteroczłonowy pierścień beta-

laktamowy i

pierścień tiazolidynowy

do pierścienia - laktamowego przyłączona jest wiązaniem peptydowym zmienna grupa kwasowa

penicylina poprzez reaktywny pierścień - laktamowy zawierający wiązanie

peptydowe, nieodwracalnie hamuje transpeptydazę glikopeptydową – kluczowy enzym w syntezie ścian komórek bakterii

L-cysteina D-walina

pierścień tiazolidynowy.

pierścień -laktamowy

36

Aktynomycyna D

pochodzi ze szczepu Streptomyces,

w swej strukturze zawiera: grupę barwnikową (kwas fenoksazonodikarboksylowy)

połączoną wiązaniami peptydowymi z dwoma pentapeptydami.

Końcowe grupy karboksylowe obu pentapeptydów tworzą

makrocykliczne pierścienie laktonowe W pentapeptydach występuje D-walina

jest specyficznym inhibitorem syntezy RNA, czyli transkrypcji zarówno w komórkach prokariotycznych, jak i eukariotycznych,

często jest wykorzystywana w badaniach biochemicznych

wiąże się specyficznie z dwuniciowym DNA, uniemożliwiając jego użycie jako matrycy w syntezie RNA

Sar - sarkozyna MeVal - N-metylowalina Val

37

Walinomycyna

struktura cykliczna, utworzona z aminokwasów i hydroksykwasów połączonych na przemian wiązaniami estrowymi i peptydowymi.

Składa się z trzykrotnie powtórzonego elementu zawierającegp

reszty: L-mleczanu (Lac), L-waliny, D-hydroksyizowalerianianu D-waliny

jonoforowy antybiotyk nośnikowy

pod jego wpływem błony biologiczne stają się przepuszczalne dla jonów K+

organizmy będące pod wpływem antybiotyków jonoforowych

pozbawione są możliwości kontroli nad wymianą składników z otoczeniem.

wiąże jon K+ koordynacyjnie z sześcioma atomami tlenu reszt walin w centralnej przestrzeni cząsteczki i jako nośnik przenosi je na drugą stronę błony

38

Chemiczne modyfikacje

reszt aminokwasowych

Aminokwasy nie ulegające modyfikacjom potranslacyjnym: alanina, walina, leucyna, izoleucyna i metionina Główne rodzaje potranslacyjnych modyfikacji łańcuchów bocznych: fosforylacja -karboksylacja acetylacja metylacja hydroksylacja racemizacja adenylacja ubikwitynacja glikozylacja sieciowanie białek z udziałem poliamin acylacja – mirystylacja i palmitylacja prenylacja – farnelyzacja i geranylogeranylacja tworzenie poprzecznych wiązań między łańcuchami polipeptydowymi tworzenie pochodnych glikozylofosfatydyloinozytylowych (GIP)

Glikacja nieenzymatyczna Główne białka ulegające glikacji: hemoglobina, albumina i inne białka

surowicy, białak błon plazmatycznych, krystalina, białka osłonek mielinowych osrodkowego i obwodowego układu nerwowego, białka macierzy łącznotkankowej, np. kolagen

39

Glikacja nieenzymatyczna

bezpośrednia reakcja chemiczna między redukującym

cukrem, najczęściej glukozą a pierwszorzędową grupą

aminową białka, w której nie powstaje glikozyd

początkowy produkt jest labilną zasadą Schiffa która ulega powolnemu przegrupowaniu Amadori do stabilnej ketoaminowej pochodnej białka

białko glukoza zasada Schiffa produkt Amadori

40

Glikacja nieenzymatyczna

w organizmach żywych nieenzymatyczne przyłączenie cukrowca - strukturalna i funkcjonalną modyfikacje białka, mającą znaczenie w mechanizmie starzenia, która ma szczególnie duży wpływ na białka o długim okresie półtrwania

prędkość i wydajność procesu nieenzymatycznej glikacji jest proporcjonalny do stężenia cukru oraz czasu trwania reakcji

glikowane białka błon plazmatycznych i podstawnych oraz

glikowany kolagen ścian naczyń krwionośnych mogą prowadzić zwiększonej przepuszczalności mikronaczyniowej, np. w nerkach

glikowanie białek soczewki oka (krystaliny) prowadzi do zaćmy

glikowana hemoglobina wskaźnikiem glikemii w organizmie