ORGANICKÁ CHÉMIA Pre BMF

Transcript

1 ORGANICKÁ CHÉMIA Pre BMF Ďuračková Zdeňka 2016 Ústav lekárskej chémie, biochémie a klinickej biochémie LF UK

2 Niečo z histórie V 18. storočí sa podarilo izolovať viacero organických látok močovina (1773, H. Rouelle) kyselina mravčia z mravcov (1749, A. S. Margraf) kyselina jablčná z jabĺk a kyselina vínna z vínneho kameňa (1769, C. W. Scheele). 19. Storočie: okolo roku 1816 M. Chevreul začal študovať mydlá vyrobené z tukov a zásad. Podarilo sa mu izolovať niekoľko mastných kyselín a po pridaní zásady vyrobil mydlo. 1828, F. Wöhler - prvá syntéza v organickej chémii, príprava močoviny zahrievaním kyanátu amónneho (NH 4 OCN) ročný W. H. Perkin - syntéza farbiva anilínového purpuru a syntetického chinínu

3 1858, F. A. Kekule (Heidelberg) a 27.r. A. S. Couper (u Prof. A. Wurza v Paríži) - Koncept chemickej štruktúry uhľovodíkov - Kritický zlom v teórii organickej chémie - Obaja predpokladali, že štvormocné atómy uhlíka vytvárajú uhlíkové reťazce. 1865, Kekule predstavil štruktúrny vzorec benzénu, čo sa stalo jedným z najvýznamnejších objavov v organickej chémii.

4 Teória štruktúry organických zlúčenín (vzťah medzi štruktúrou, vlastnosťami a funkciou biochemicky významných zlúčenín) Organická chémia chémia uhľovodíkov a ich derivátov 6C 1s 2 2s 2 2p x1 2p y1 p z C = O Uhlík v základnom stave 6C 1s 2 2s 1 2p x1 2p y 1 2p z 1 O = C = O Uhlík v excitovanom stave C

5 Elektrónová konfigurácia uhlíka základný stav excitovaný stav 1s 2s 2p x 2p y 2p z 4 nespárené elektróny štvorväzbovosť uhlíka C

6 Základné princípy štruktúry organických zlúčenín - uhlík je štvorväzbový C - všetky 4 väzby sú rovnocenné (hybridizácia s-, a p-orbitálov na valenčnej vrstve atómu uhlíka) - medzi atómami uhlíka môže byť jednoduchá, dvojitá, alebo trojitá väzba (σ a π väzba) C C C = C C = C - atómy uhlíka tvoria reťazce jednoduché, rozvetvené a cyklické - medzi atómami uhlíka môžu byť viazané atómy kyslíka, síry, alebo dusíka

7 Typy štruktúr uhľovodíkov Alkény Acyklické (necyklické) Nenasýtené Nasýtené Alkíny UHĽOVODÍKY Cyklické Alicyklické Aromatické Cykloalkány Cykloalkény Heterocyklické zlúčeniny (O, S, N,)

8 ŠTRUKTÚRA ORGANICKÝCH ZLÚČENÍN Organické zlúčeniny podľa usporiadania uhlíkového reťazca: 1. Acyklické (necyklické) 2. Cyklické Nerozvetvené (lineárne) CH 3 -CH 2 -CH 3 Rozvetvené CH 3 -CH-CH 3 CH 3 Alicyklické Aromatické (arény) Heterocyklické N

9 Izoméria organických zlúčenín (existencia dvoch, alebo viacerých zlúčenín s identickým molekulovým vzorcom, ale odlišnou štruktúrou) Typy izomérie Konštitučná (n-propanol, 2-propanol) Konfiguračná (stereoisoméria) - geometrická (cis-, trans-) (kys. fumarová, maleínová) - optická (chiralita, D/L - izoméria) (D-AK, L-AK) Konformácia molekúl (stoličková, vaničková)

10 Vzťah štruktúry a vlastností Izoméria - rovnaký sumárny (molekulový) vzorec - odlišná molekulová štruktúra 1. konštitučná izoméria - odlišnosť (konštitúcie) poradia atómov alebo spôsobu vzájomnej väzby reťazová bután CH 3 izobután CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 CH CH 3 polohová 1-propanol OH 2-propanol CH 3 CH 2 CH 2 OH CH 3 CH CH 3 polohy dvojitých väzieb 1-butén 2-butén 1 CH 2 = CH CH 2 CH 3 CH 3 2 CH = CH CH 3 Tautoméria (napr. oxo-enol, alebo laktam-laktim tautoméria) CH 2 = CH OH CH 3 C = O vinylalkohol H acetaldehyd

11 2. konfiguračná izoméria odlišnosť v priestorovom usporiadaní atómov, poradie a spôsob väzby sa nemenia izoméria geometrická, cis trans (napr. kyselina maleínová a fumárová) podmienená prítomnosťou dvojitej väzby kyselina maleínová kyselina fumárová H C COOH HOOC C H H C COOH H C COOH optická - podmienená prítomnosťou asymetrického (chirálneho) uhlíka, C* - optické izoméry - enantioméry - otáčanie roviny polarizovaného svetla (+ alebo - ) konfigurácia D- a L- H C = O H C = O H C* OH HO C* H CH 2 OH CH 2 OH D(+)- glyceraldehyd L(-) - glyceraldehyd

12 Konformácia molekúl Priestorové usporiadanie danej konfigurácie Podmienená rotáciou skupín okolo osi prechádzajúcej dvomi atómami uhlíka spojenými jednoduchou väzbou. Napr. dve konformácie cyklohexánu: Stoličková Vaničková

13 ČINIDLÁ V ORGANICKEJ CHÉMII nízkomolekulové látky (molekuly, ióny, radikály), reagujúce so substrátom Nukleofilné donorom elektrónov substrátu pre vznik novej väzby je činidlo: OH -, X - (halogenid), H 2 O, NH 3 e substrát Elektrofilné akceptorom elektrónov zo substrátu na tvorbu novej väzby je činidlo : e + SO 3 H, + NO 2, Cl + substrát

14 INDUKČNÝ EFEKT, I ( pre - väzby) účinok polárnej väzby na polarizáciu vo vedľajších väzbách smer polarizácie rovnaký ako polarita pôvodnej väzby znižovanie účinku so zväčšovaním vzdialenosti Záporný indukčný efekt I - atóm, resp. skupina atómov na uhlíku, ktorá priťahuje elektróny skupiny: F, Cl, Br, I, =O, OR, SR, NH 2, NO 2 Kladný indukčný efekt + I - atóm, resp. skupina atómov, ktorá odpudzuje elektróny skupiny: CH 3 (alkyly)

15 MEZOMÉRNY EFEKT, M prenos efektu polárnej skupiny po konjugovanom systéme dvojitých väzieb Záporný mezomérny efekt -M skupiny priťahujúce elektróny dochádza k elektrónovému zriedeniu na susedných násobných väzbách skupiny: -NO 2, -COH,, =C=O, -COOH, -CN +M -M NO 2 +M -M R CH = CH C = O H

16 Kladný mezomérny efekt, +M skupiny odpudzujúce elektróny zahustenie elektrónov na susedných uhlíkoch s násobnými väzbami skupiny: -NH 2, -OH, -OR, -SH,. -SR, -X (halogény) -M +M OH -M +M H 2 C=CH-HC = CH O R

17 Reaktivita uhľovodíkov nasýtené uhľovodíky (alkány) - substitúcia (radikálová reakcia, katalyzátor, UV) - eliminácia (dehydrogenácia) (katalyzátor) (Pt, enzým) nenasýtené uhľovodíky (alkény, alkíny) - adícia : vodík (hydrogenácia) alkány halogén (halogenácia) halogén deriváty voda - oxidácia - štiepenie väzby aromatické uhľovodíky dihalogénalkány monohalogénalkány hydroxyderiváty (alkoholy) - substitúcia: halogenácia - Cl X (elektrofilná sulfonácia - SO 3 H substitúcia) nitrácia - NO 2 acylácia - CO-R alkylácia - CH 2 -CH 3 X

18 1. Adícia REAKCIE ORGANICKÝCH ZLÚČENÍN 2H CH 2 = CH > CH 3 CH 3 2. Substitúcia CH 2 CH 2 Cl + OH > CH 3 CH 2 OH +Cl - 3. Eliminácia - H 2 O CH 3 CH CH CH > CH 3 CH = CH CH 3 OH H 2 butanol 2 butén 18

19 Predpona de -... Eliminácia - za tvorby dvojitej väzby Dehydratácia - H 2 O CH 3 CH CH CH > CH 3 CH = CH CH 3 OH H 2 butanol 2 butén Dehydrogenácia Deaminácia - 2H CH 3 CH CH CH > CH 3 CH = CH CH 3 H H bután 2 butén - NH 3 CH 3 CH CH CH > CH 3 CH = CH CH 3 NH 2 H 2 aminobután 2 butén 19

20 UHĽOVODÍKY Acyklické (alifatické) Alkány: nasýtené uhľovodíky, jednoduché ( ) väzby, väzbový uhol 109 homologický rad, -CH 2 - homologický prírastok, sumárny vzorec C n H 2n+2 nepolárne zlúčeniny, rozpustné v nepolárnych rozpúšťadlách, nerozpustné v H 2 O velmi malá reaktivita, charakteristické reakcie - substitučné (teplota, UV žiarenie) - napr. metán, etán, propán, bután, pentán, hexán, izobután

21 Alkény nenasýtené uhľovodíky, dvojitá väzba ( ), väzbový uhol 120 homologický rad, sumárny vzorec C n H 2n reaktívne, charakteristické reakcie adičné (Markovnikovo pravidlo) CH 2 = CH 2 + HOH CH 2 CH 2 OH H etén (etylén) etanol katalyzátor CH 2 = CH 2 + 2H CH 3 CH 3 etén etán

22 Diény (2 dvojité väzby) s kumulovanými, konjugovanými alebo izolovanými dvojitými väzbami reaktívne, významná reakcia adičná polymerizácia, napr. n CH 2 = C CH = CH CH 2 - C = CH CH 2 - n - CH 3 CH 3 2-metyl-1,3-butadién izoprén prírodný kaučuk polymér izoprénu - Izoprenoidy (napr. terpény, steroidy)

23 Alkíny nenasýtené uhľovodíky, trojitá väzba ( ), väzbový uhol 180 homologický rad, sumárny vzorec C 2 H 2n-2 reaktívne, charakteristické reakcie adičné, napr. CH CH + HCl CH 2 = CH Cl Etín (acetylén) chlóretén (vinylchlorid) CH CH + HOH CH 2 = CH OH CH 3 C = O H Etín (acetylén) vinylalkohol etanal (acetaldehyd) Tautoméria : enol- oxo-

24 Cyklické uhľovodíky ALICYKLICKÉ napr.: cyklopentán, cyklohexán, cyklohexén, cyklohexadién, cyklopentanoperhydrofenantrén Stereochémia cyklohexánu stoličková a vaničková forma (väzbový uhol 109 ) Stoličková Vaničková

25 AROMATICKÉ (ARÉNY) základný uhľovodík benzén aromatický charakter rovinný útvar (120 väzbové uhly) π - elektróny rovnomerne rozložené (delokalizované) po celom kruhu polycyklické arény, napr. NAFTALÉN ANTRACÉN

26 FENANTRÉN BENZPYRÉN Toxicita arénov (napr. benzén, benzpyrén) Stálosť voči oxidácii Charakteristické substitučné reakcie (nitrácia, halogenácia, sulfonácia)

27 HETEROCYKLICKÉ ZLÚČENINY päť- alebo šesťčlánkové s jedným alebo viacerými heteroatómami kondenzované heterocyklické zlúčeniny s dvomi alebo viacerými heteroatómami O NH S furán pyrol tiofén N N NH imidazol S tiazol

28 N N N O pyridín pyrimidín pyrán (2H-pyrán) N N N NH N H purín pyrimidín + imidazol indol benzpyrol

29 Biologicky významné deriváty heterocyklických zlúčenín O S Furán Tiofén S CH 3 Ribóza Deoxyribóza Metyltiofén - v grilovanom mäse

30 Biologicky významné deriváty heterocyklických zlúčenín 2 N S tiazol NH pyrol Tiamín vitamín B1 P P Súčasť karboxyláz oxidačná dekarboxylácia alfa-oxokyselín Metabolizmus sacharidov v mozgu Porfín porfyrín - hém

31 Biologicky významné deriváty heterocyklických zlúčenín 3 NH N Biotin imidazol Histidín Purín

32 Biologicky významné deriváty heterocyklických zlúčenín 4 O 2H pyrán Pyrán Glukóza Vitamín E

33 Biologicky významné deriváty heterocyklických zlúčenín 5 N pyridín Amid kys. nikotínovej Niacín Vitamín PP NAD +

34 Biologicky významné deriváty heterocyklických zlúčenín 6 N N pyrimidín Purín Pyrimidínové dusíkové zásady

35 Biologicky významné deriváty heterocyklických zlúčenín 7 Kyselina močová kofeín teofylín

36 Biologicky významné deriváty heterocyklických zlúčenín 8 N H Indol benzén + pyrol Tryptofán Lysergová kyselina

37 DERIVÁTY UHĽOVODÍKOV náhrada atómu vodíka (-ov) uhľovodíka iným atómom alebo skupinou atómov, tzv. charakteristickou (funkčnou) skupinou Typ zlúčeniny CHARAKTERISTICKÉ SKUPINY A ICH OZNAČENIE Halogénuhľovodíky Charakteristická skupina F Cl Br I Predpona Fluor- Chlór- Bróm- Jód- Nitroderiváty NO 2 Nitro- Nitrózoderiváty NO Nitrózo- Aldehydy HC=O Oxo- - al Ketóny Karboxylové kyseliny C=O Oxo- -on Prípona COOH Karboxy- -ová kyselina

38 Alkoholy OH Hydroxy- -ol Tioly SH Merkapto- Tio- -tiol Étery O-R R-oxy Sulfidy S-R R-tio Disulfidy S-S Sulfónové kyseliny SO 3 H Sulfo- Sulfonová kyselina Amíny NH 2 Amino- - amín Imíny =NH Imino- - imín Oxímy =N-OH Hydroxylimino- - oxím Nitrily C N Kyano- - nitril

39 HALOGÉNDERIVÁTY C δ+ X δ- nukleofilné substitúcie C X + OH - H-C-OH + X - Tyroxín Tetrajódtyronín T4 a Trijódtyronín T3

40 HALOGÉNDERIVÁTY UHĽOVODÍKOV - nerozpustné vo vode, rozpustné v alkoholoch a éteroch - polárna kovalentná väzba C-halogén charakteristické reakcie - substitučné (heterolytický zánik väzby), ako alkylačné činidlá praktické použitie ako rozpúšťadlá nepolárnych látok (CCl 4 ) monoméry pre výrobu makromolekulových látok (PVC, umelý kaučuk, teflon), v chladiarenskom priemysle (freóny napr.dichlor-difluormetán) jodoform dezinfekčné účinky insekticídy dioxíny narkotiká (napr. halotan, CF 3 -CHBrCl)

41 Toxicita halogénderivátov toxicita pôsobia najmä na centrálne nervstvo tetrachlórdibenzodioxín karcinogén, teratogén, mutagén (c 1mg.l -1 ) /dioxíny/ kancerogény alebo podozrivé karcinogény (CHCl 3, CCl 4 ) DDT insekticíd DichlórDifenylTrichlóretán (1948 dostal Švajčiar Paul Hermann Müller za objav DDT Nobelovu cenu Dioxín

42 HYDROXYDERIVÁTY UHĽOVODÍKOV 1. ALKOHOLY Polarita väzby O H - reaktivita hydroxyderivátov Asociácia molekúl alkoholov vodíkovými väzbami (vyššie teploty topenia a varu) Rozdelenie: 1.podľa väzbového miesta -OH skupiny v reťazci - primárne ( 1- butanol) CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 OH - sekundárne (2-butanol CH 3 CH 2 CH CH 3 OH - terciálne (terc. butanol) CH 3 CH 3 C CH 3 OH

43 2. podľa počtu OH skupín - monohydroxyderiváty - dihydroxyderiváty (dioly), napr. etándiol (etylénglykol) - trihydroxyderiváty (trioly), napr. propántriol (glycerol) - polyhydroxyderiváty (patria medzi sacharidy) CH 2 OH CH 2 OH CH 2 OH CH OH CH 2 OH OH CH 2 OH O OH etylénglykol glycerol glukóza OH OH

44 HYDROXYDERIVÁTY (alkoholy a fenoly) Oxidácia alkoholov H - O - H R - alkohol R OH Ar fenol Ar OH Éter R O R R-CH 2 -OH R-CH=O R-COOH R R CH-OH ox -2H ox -2H R R C=O ox ox H 2 O štiepenie väzby medzi atómami uhlíka

45 3. terciárne: stálosť voči miernym oxidačným činidlám štiepenie väzby C C silnými oxidačnými činidlami (K 2 Cr 2 O 7 ) CH 3 CH 3 oxidácia CH 3 C OH CH 3 C = O + HCOOH CH 3 acetón kys. mravčia

46 Oxidácia diolov CH 2 OH COOH HC = O COOH CH 2 OH CH 2 OH COOH COOH Etándiol kys.glykolová kys.glyoxálová kys. oxálová Oxidácia triolov CH 2 OH CH 2 OH HC = O COOH ox. ox ox C = O CH OH CH OH CH OH CH 2 OH CH 2 OH CH 2 OH CH 2 OH dihydroxyacetón glycerol glyceraldehyd kys. glycerová

47 - Kyslý charakter alkoholov CH 3 - CH 2 -O-H + NaOH CH 3 - CH 2 -O - + Na + + H 2 O Alkoholát sodný alkoxid - Toxicita alkoholov

48 Zásaditý charakter alkoholov a éterov H + CH 3 - CH 2 -O-H + H + Cl - CH 3 - CH 2 - O-H Cl - Alkoxóniová soľ H + CH 3 O CH 3 + H + Cl - CH 3 O CH 3 Cl - Alkoxóniová soľ

49 Tvorba vodíkových väzieb (môstikov) R O δ- δ+ H δ+ δ- H O R Vyšší bod varu cca 80 C R O R cca 40 C R O R

50 Esterifikácia s organickými kyselinami - pri karboxylových kyselinách

51 Esterifikácia s organickými kyselinami - pri karboxylových kyselinách R OH + HOOC R R O CO R + H 2 O ester

52 Reakcie s anorganickými kyselinami Esterifikácia alkoholu kyselinou sírovou R O H + HO SO 2 OH - H 2 O R O SO 2 OH Alkylsulfát, ester kyseliny sírovej - heteropolysacharidy chondroitínsulfát dermatansulfát - glykolipidy sulfatidy

53 Esterifikácia s kyselinou dusičnou HNO 3 CH 2 OH + H O NO 2 CH 2 O NO 2 CH OH + H O NO 2 CH O NO H 2 O CH 2 OH + H O NO 2 CH 2 O NO 2 glyceroltrinitrát (liek pri ochoreniach srdca) Alfred Nobel ( ), objav dynamitu (1867) fond 9 miliónov na Nobelove ceny

54 Reakcie s anorganickými kyselinami OH R OH + HO P = O OH - H 2 O OH R O P = O OH monoester

55 Reakcie s anorganickými kyselinami OH R OH + HO P = O OH - H 2 O OH R O P = O OH monoester OH + HO R R O P = O OH - H 2 O

56 Reakcie s anorganickými kyselinami OH R OH + HO P = O OH - H 2 O OH R O P = O OH monoester R O P = O OH + HO R OH - H 2 O O R R O P = O OH diester

57 Esterifikácia glycerolu s H 3 PO 4 CH 2 OH CH 2 OH CH OH OH CH OH OH + H 2 O 1 CH 2 OH + H O P = O 1 CH 2 O P = O OH OH 1-glycerolfosforečná kyselina (kyselina fosfatidová) (metabolit a štruktúrna zložka zložených lipidov)

58 = = = -vo forme aniónov pri ph väčšiny telových tekutín: O O - H + - H + R-O P OH R-O P O - R-O P O - + H + + H + OH OH O - ph << 7 ph 7 ph 7 o

59 fosfoanhydridové zoskupenie O O R O - P O ~ P OH protóndonorové OH OH skupiny fosfoesterová väzba

60 ATP + H 2 O ADP + Pi G 0-32 kj.mol-1 0

61 FENOLY -priamo na aromatickom jadre sa viaže jedna, resp. viac OH skup. -väčšia acidita fenolov v porovnaní s alkoholmi -chemické reakcie OH O H C O O H O H O H Fenol Hydrochinón Kyselina salicylová

62 - Kyslý charakter fenolov (vyšší ako u alkoholov) OH + NaOH O - + Na + + H 2 O Fenolát sodný - Toxicita alkoholov a fenolu

63 Syntéza acylpyrínu COOH OH 2-Hydroxybenzoic acid (salicylic acid) + CH 3 COOH Acetic acid - H 2 O COOH O CO CH 3 Acetylsalicylic acid acylpyrín

64 Oxidácia dihydroxyarénov difenolov - tvorba chinónov, cyklických konjugovaných -diketónov OH -2H O OH p-dihydroxybenzén ( hydrochinón) +2H O p-benzochinón - Chinóny sú farebné (pigmenty rastlín) - antioxidačná funkcia fenolov sa spája s reverzibilnou oxidáciou difenolov na chinóny (napr. KoQ) - dezinfekčné vlastnosti fenolov

65 Koenzým Q Redukcia + 2H Oxidácia - 2H Súčasť dýchacieho reťazca v mitochondriách

66 O Vitamín K fylochinón CH 3 O CH 2 CH C (CH 2 CH 2 CH 2 CH) 3 CH 3 CH 3 CH 3 Dôležitý pri zrážaní krvi ( tvorba protrombínu ). V rastlinách má úlohu pri fotosyntéze. Pri nedostatku - poruchy zrážania a možný vznik nebezpečných krvácaní do telových dutín. Zdrojom je hlavne listová zelenina.

67 OXOZLÚČENINY (aldehydy a ketóny) O δ- R C δ+ C δ+ = O δ- R H R Aldehydy Ketóny

68 OXOZLÚČENINY Karbonylová skupina - oxoskupina C = O - všetky tri atómy pripojené ku karbonylovému uhlíku zvierajú uhol ležia v jednej rovine R R Aldehydy C = O Ketóny C = O H R - polarizácia skupiny - reaktivita

69 Chemické reakcie oxozlúčenín Oxidácia a redukcia aldehydov O R C H aldehyd oxidácia redukcia 2H (Ni) alebo donor H: O R C OH karboxylová kyselina R CH 2 OH primárny alkohol

70 Oxidácia a redukcia ketónov O R C R Ketón Oxidácia redukcia katalyzátor Ni alebo donor H relat. stabilné voči oxidácii OH R CH R sekundárny alkohol

71 Redoxné vlastnosti -2H R CH 2 OH R C R C + 2H O H H 2 O -2H O OH Aldehyd Redukčné vlastnosti R R CH OH R -2H Ox +2H R Ketón C = O

72 Oxidácia a redukcia v živých systémoch (koenzýmy dehydrogenáz ako akceptory a donory H) - NAD + - akceptor H pri oxidácii alkoholu - NADH redukovaná forma koenzýmu donor H CH 3 CH OH + NAD + CH 3 C = O + NADH + H + H H etylalkohol acetaldehyd

73 Reakcie adičné a kondenzačné - tvorba poloacetálov a acetálov poloacetálový hydroxyl O OH O CH 3 R C H + CH 3 OH R C H + CH 3 OH R C H + H 2 O O CH 3 O CH 3 Aldehyd Alkohol Poloacetál Acetál - poloacetálové formy sacharidov - relatívne stále (intermediáty pri tvorbe acetálov - glykozidov)

74 Aldolová kondenzácia (aldehydy s - vodíkom) O OH OH 1 CH 3 C H + CH 3 CH 2 C H CH 3 CH CH C H 3 O CH 3 O 3- hydroxyaldehyd = aldol O OH OH CH 3 C H + CH 3 C CH 3 CH 3 CH CH 2 C CH 3 O O 4-hydroxy-2-pentanon

75 Uplatnenie aldolovej kondenzácie v metabolizme H 2 C O H P C δ+ O δ H 2 C O P C O H C OH aldoláza C O HO CH 2 H 2 C O P (CHOH) 3 dihydroxyacetón- -fosfát glyceraldehyd- -fosfát H 2 C O P fruktóza -1,6-bifosfát P = PO 3 H 2

76 Kondenzácia s primárnymi amínmi - tvorba imínov (Schiffove zásady) R CH = O + H 2 N CH 3 R CH = N CH 3 + H 2 O aldimín R C = O + H 2 N CH 3 R C = N CH 3 + H 2 O R ketón R ketimín Schiffové zásady - významné intermediáty biochemických reakcií - väzba karbonylových zlúčenín na voľné aminoskupiny bielkovín

77 Neenzýmová glykácia proteínov H O C OH OH HO OH OH CH 2 OH OH D- glukóza H 2 N CH 2 NH proteín O HO OH OH CH 2 OH + ketoamín (fruktózamín) proteín - H 2 O CH N proteín OH OHO OH OH CH 2 OH aldimín (Schiffova zásada zásada)

78 KARBOXYLOVÉ KYSELINY - Posun - elektrónov skupiny C = O - Polarizácia väzby O H 120 C 120 O 120 OH O H R C = O R C O O + H + - zväčša slabé kyseliny, K(disoc.konšt.) = rádovo podľa počtu skupín COOH: mono-, di- a trikarboxylové kyseliny - nasýtené a nenasýtené

79 NÁZOV KYSELINY VZOREC NÁZOV SOLI substitučný triviálny R-COOH R- COO metánová mravčia HCOOH mravčan/formiát etánová octová CH 3 COOH octan/acetát etándiová šťavelová HOOC-COOH šťavelová oxálová oxálová propándiová malónová HOOC- CH 2 -COOH malonát butándiová jantárová sukcinát HOOC-(CH 2 ) 2 -COOH pentándiová glutárová HOOC-(CH 2 ) 3 -COOH glutarát buténdiová fumárová(trans) HOOC-CH=CH-COOH maleínová(cis) fumarát 2-hydroxy- mliečna CH 3 -CH-COOH laktát propánová OH 3-hydroxybutánová CH 3 CH-CH-COOH 3-hydroxybutyrát OH

80 2-hydroxy- HOOC-CH-CH 2 COOH - jantárová OH malát dihydroxy- vínna HOOC-CH-CH COOH tartrát jantárová OH OH vínan citrónová CH 2 - COOH HO C - COOH CH 2 COOH citrát 2-oxopropánová pyrohroznová CH 3 - CO- COOH pyruvát 3-oxobutánová acetoctová 2-oxojantárová oxáloctová 2-oxopentánová 2-oxoglutárová CH 3 - CO-CH 2 COOH HOOC-CH 2 CO-COOH HOOC-(CH 2 ) 2 -CO-COOH acetacetát oxálacetát 2-oxoglutarát oxaljantárová HOOC-CO-CH(COOH)CH 2 (COOH) oxalsukcinát

81 Chemické reakcie 1.Neutralizácia - tvorba solí CH 3 COOH + NaOH Kyselina octová CH 3 COO - Na + + H 2 O octan sodný sodné a draselné soli - dobre rozpustné vo vode (COOH) 2 + Ca(OH) 2 (COO) 2 Ca + H 2 O kyselina šťavelová (oxálová) šťavelan (oxalát) vápenatý nerozpustný (močové kamene) - organické kyseliny pri ph okolo7,4 v bunkách tvoria soli - disociované vo forme aniónov R COO - - mydlá sodné a draselné soli vyšších karboxylových kyselín, - kyseliny palmitovej CH 3 (CH 2 ) 14 - COOH - kyseliny steárovej CH 3 (CH 2 ) 16 - COOH

82 2. Dekarboxylácia CH 3 CH 2 COOH - CO 2 CH 3 - CH 3 kyselina propánová etán O=C COOH CH COOH CH 2 COOH kyselina oxaljantárová CO 2 CO 2 HOOC CH 2 CH 2 CO COOH (O) kyselina oxoglutárová HOOC CH=CH COOH kyselina fumarová Dehydrogenácia - 2H HOOC CH 2 CH 2 COOH kyselina jantárová

83 3. Nukleofilné substitučné reakcie - vznik funkčných derivátov karboxylových kyselín /esterov, amidov, anhydridov, halogenidov/ - náhradou OH skupiny kabroxylu nukleofilom - napr. esterifikácia (+) (-) H COOH + HO CH 3 H+ H CO O CH 3 + H 2 O kyselina mravčia mravčan metylový

84 Hydrolýza esterov R CO O R 1 + H 2 O R COOH + R 1 OH Ester kyselina alkohol Alkalická hydrolýza esterov, tzv. zmýdelňovanie: R CO OR 1 + NaOH R COO Na + + R 1 OH Soľ kyseliny Mydlá sodné alebo draselné soli vyšších karboxylových kyselín vznikajú alkalickou hydrolýzou tukov

85 DERIVÁTY KARBOXYLOVÝCH KYSELÍN 1. Funkčné - náhrada H alebo - OH skupiny karboxylu inou skupinou (atómom) - estery, tioestery, halogenidy, amidy, anhydridy 2. Substitučné - náhrada atómu vodíka (-ov) v bočnom uhlíkatom reťazci kyseliny iným atómom alebo skupinou (-ami) - hydroxykyseliny, oxokyseliny, aminokyseliny, halogénkyseliny

86 DERIVÁTY KARBOXYLOVÝCH KYSELÍN O Funkčné deriváty R C O H Acyl- - M (soľ) X (halogenidy) NH 2 (amidy) O R (estery) O CO R (anhydridy) N (nitrily)

87 - prenos acylu v biochemických reakciách - koenzýma, HS - KoA - aktivuje kyseliny v metabol.pochodoch: R COOH + HS KoA R CO ~ S-KoA + H 2 O Acylkoenzým A - tioester - tioestery aktivované formy karboxylových kyselín (acylov) v živých bunkách, napr. R- CO ~ KoA acyl KoA CH 3 CO ~ KoA Acetylkoenzým A spoločný intermedát metabolizmu tukov, sacharidov a bielkovín, - substrát Krebsovho (citrátového) cyklu

88 - substitučné deriváty γ(4) β(3) α(2) 1 O R CH 2 CH 2 CH C H OH! - X (halogén karboxylové kyseliny) - OH (hydroxy kyseliny) - NH 2 (aminokyseliny) = O (aldehydo- a keto- kyseliny)

89 Hydroxykyseliny α hydroxykyseliny dehydratujú za zvyšenej teploty na laktidy CH 3 CH COOH + OH HOOC HO CH CH 3-2 H 2 O CH 3 CH CO O O CO CH CH 3 laktid

90 Hydroxykyseliny hydroxykyseliny dehydratujú za zvyšenej teploty na nenasýtené kyseliny: -H 2 O CH 3 3 CH CH 2 1 COOH CH 3 CH = CH COOH T OH 3 Hydroxybutánová kyselina 2- Buténová kyselina λ hydroxykyseliny dehydratujú za zvyšenej teploty na laktóny γ β α R CH CH 2 CH 2 C O -H 2 O R CH CH 2 CH 2 C=O O H OH O γ hydroxykyselina γ laktón

91 Syntéza kyseliny askorbovej H H H O H H C C C C C * * * * O O H H O H O H C O O H D glukuronová kyselina + 2H 6 COOH HO CH HO CH HC OH HO CH -H 2 O O = C HO CH HO CH HC HO CH O CH 2 OH HO CH O =O HO CH 2 1 L-gulónová kyselina - 2H L-gulónolaktóndehydrogenáza HO CH 2 L-gulónolaktón Kys. L-askorbová (vitamín C) OH OH

92 Oxidácia hydroxykyselín CH 3 CH COOH OH kyselina mliečna +2H -2H CH 3 C COOH O kyselina pyrohroznová β α CH 3 CH CH 2 COOH OH kyselina β - hydroxymaslová +2H -2H CH 3 CO CH 2 COOH kyselina acetoctová

93 Reakcie ß-oxokyselín významné v metabolizme tukov CH 3 C CH 2 COOH O Kyselina acetoctová NADH + H + hydrogenácia CO 2 ketónotvorné štiepenie (OH - ) acid forming cleavage CH 3 CH CH 2 COOH OH Kyselina -hydroxymaslová CH 3 CO CH 3 Acetón 2 CH 3 COOH Kyselina octová

94 Ketolátky v organizme V stopovom množstve v krvi, v moči Vo vyššej koncentrácii v moči ketonúria (hladovenie, diabetes) CH 3 CO CH 2 COOH kyselina acetoctová CH 3 CH CH 2 COOH OH kyselina β - hydroxymaslová CH 3 CO CH 3 acetón

95 Transaminácia kys. fenylpyrohroznová kys. 2-oxoglutárová

96 Citrate cycle C2 C4 C6 C4 C5

97 Krebs Hans Adolf ( ) Nobelova cena (za fysiológiu alebo lékárstvo, 1953) za objav cyklu kyseliny citronové. Narodil sa v Hildesheimu (Německo) v rodine židovského lekára. Po absolutóriu medicíny študoval ešte rok chémiu v Berlíne. Päť rokov pracoval v Berlíne u O. Warburga, potom ako lakár v nemocniciach v Altoně a Freiburgu. V roku 1933, po nástupu fašizmu, prišiel na pozvania F. G. Hopkinsa do Anglicka, dostal britské občanstvo a pôsobil tam na rôzných universitách do konca života. V roku 1958 bol povýšený do šlachtického stavu. Krebsov výzkum byl zameraný najmä na rôzné aspekty intermediárneho metabolizmu. Študoval syntézu močoviny, kyseliny močovej a purinových zásad, mechanizmus aktívneho transportu elektrolytov a vzťah medzi dýcháním buniek a tvorbou ATP. Jeho nejvýznamnějším objavom je citrátový (Krebsov) cyklus.

98

99 Deriváty H 2 CO 3 NaHCO 3 Na 2 CO 3 anorganické soli H O C OH kyselina mravčia oxidácia HOOC OH = O HO C OH kyselina uhličitá kyselina hydroxymravčia Cl O C Cl fosgén O H 2 N C NH 2 diamid kyseliny uhličitej močovina NH H 2 N C NH 2 iminomočovina quanidín S H 2 N C NH 2 tiomočovina

100 O C H 2 N NH 2 HOOC + CH 2 COOH močovina kyselina malónová - 2 H 2 O Kyselina barbiturová HN O=C O C CH 2 NH C=O malonylmočovina O OH HN CH 2 O= =O NH laktánová forma tautoméria N HO OH N Trihydroxy pyrimidín laktímová forma

101 NH 2 NH HN = C HN = C C = O kreatín HN = C N CH 2 COOH N CH 2 CH 3 - H 2 O CH 3 NH2 N CH2 COOH CH 3 ATP ADP kreatinín H NH ~ 3 PO 4 PO(OH 2 ) NH C=O HN = C HN =C N CH 2 COOH N CH 2 ATP CH CH 3 kreatínfosfát 3 kreatinín

102 Makroergické zlúčeniny O=C NH 2 O ~ P karbamylfosfát O O P O ~ O H 2 C C C fosfoenolpyruvát O O ~ O CH 2 O P O HC OH O O O C ~ O P O O 1,3 bisfosfoglycerát

103 Voľná energia hydrolýzy fosforylových skupín niektorých makroergických zlúčenín Látka G 0 kj.mol -1 ) Fosfoenolpyruvát -61,86 Karbamylfosfát -51,41 Acetylfosfát -43,05 Kreatínfosfát -43,05 ATP (na ADP) -30,51 Glukóza-1-fosfát -30,51 Glukóza-6-fosfát -13,79 Glukóza-3-fosfát -9,19

104 ORGANICKÉ ZLÚČENINY DUSÍKA Amíny - primárne R-NH 2 - sekundárne R-NH-R - terciálne R-N-R zásadité vlastnosti tvorba amóniových solí R R NH 2 + H + R NH 3 +

105 Reakcia amínov s kyselinou dusitou/dusitanmi Primárny amín R CH 2 NH 2 + HNO 2 R CH 2 OH + N 2 + H 2 O Sekundárny amín R R NH + HO N O N N O R R Secondary Nitrous sekundárny amine kyselina acid amín dusitá nitrózamín Nitrosamine nitrózoamín Karcinogén!! + H 2 O

106 Vznik biologicky významných amínov N CH 2 CH COOH N CH 2 CH 2 NH 2 NH 2 CO 2 N H Histidín N H Histamín HO CH 2 CH CH CH 3 + COOH HO CH 2 CH 2 NH 2 HO CH 2 CH 2 N CH 3 NH 2 Serín CO 2 Etanolamín cholín Cholín CH 3

107 ALKALOIDY - vlastnosti prírodné dusíkaté látky zásaditého charakteru výskyt: produkty metabolizmu aminokyselín u rastlín (menej u živočíchov) dusík je väčšinou viazaný v heterocykle, a podľa tohto heterocyklu sa aj triedi vo vode väčšinou nerozpustné horká chuť silné účinky na organizmus, vo vyšších dávkách až jedovaté

108 Alkaloidy s cyklom pyridínu nikotín - izoluje sa z listov tabaku - smrtelná dávka pre človeka - 50 mg Alkaloidy s cyklom tropánu atropín - má špecifický účinok na organizmus lieči obličkovú a žlčníkovú kolitídu kokaín - lokálne analgetikum Alkaloidy s cyklom chinolínu a izochinolínu morfín silný ópiátový analgetický účinok kodeín tlmenie kašľa heroín (diacetylmorfín) semisynteticé ópioidové ličivo analgetikum z maku Alkaloidy s cyklom indolu (námelové alkaloidy) lysergid (LSD) halucinogén Alkaloidy s cyklom purínu kofeín teobromín teofylín analeptiká, ktoré stimulujú určité oblasti CNS, ale výrazne neovplyvňujú psychické funkcie

109 ORGANICKÉ ZLÚČENINY SÍRY Síra patrí medzi sekundárne makroprvky Nachádza sa v anorganických soliach sírany v proteínoch (vlasy, nechty, rohovka) esenciálne aminokyseliny cysteín, metionín z rastlín biologicky významné látky kyselina lipoová, biotín, tiamín, heparín, koenzým A, inzulín, glutatión.... Denne človek vylúči 0,6 1,0 g síry ( sírany, estery kyseliny sírovej,..)

110 ORGANICKÉ ZLÚČENINY SÍRY Tioly R-SH (disulfidy, tioestery) redoxné reakcie Sulfidy R-S-R (sulfoxidy, sulfóny) Sulfónové kyseliny, sulfonamidy R SO3H R SO2 NH2 Heterocyklické zlúčeniny so sírou (tiofén, tiazol) N S Tiofén v čiernouholnom dechte S Tiazol liečivá

111 Tioly and sulfidy Aminokyselina metionín

112 Redoxné reakcie tiolov oxid R SH + HS R R S S R + 2H red

113 Tvorba disulfidov + 2H - 2H

114 Redoxné reakcie tiolov - vplyv na štruktúru bielkovín oxidácia redukcia S S

115 Oxidácia glutatiónu OOC-CH-CH 2- CH 2 -CO-NH-CH-CO-NH-CH 2 -COO - NH 3 + CH 2 SH dehydrogenácia SH NH + 3 CH 2-2H OOC-CH-CH 2- CH 2 -CO-NH-CH-CO-NH-CH 2 -COO 2 GSH GSSG + 2H

116 Opýtaš sa, budeš 5 minút vyzerať ako blbec. Neopýtáš sa, budeš blbcom po celý život Čínské príslovie