x 1 I S O P R E N O I D Y © Biochemický ústav LF MU (V.P.) 2008 2 I S O P R E N O I D Y 1/ terpeny 2/ steroidy 3 ISOPRENOIDY CH CH2= C-CH = CH isopren 2-methylbuta-1,3-dien CH (v polymeru) CH2-C= CH-CH 4 Isoprenová jednotka ( C*)_: „hlava" - obvykle orientována k volnému konci řetězce „ocas" zpravidla směřuje dovnitř molekuly 5 T E R P E N Y ó Vznik hydroxymethylglutaryl-CoA i CO-S—CoA h—ch2 acetyl-CoA O=c-ch3 H2O CoA—SH COOH CH HO—C-CH CH2 CO-S — CoA CH2 CO-S-CoA acetoacetyl-CoA hydroxy.methyl.glutaryl-CoA HMG-CoA (cytosol) 7 HMG-CoA reduktasa HO COOH CH CH2 CO 2 NADPH + 2H CoA-SH 4H CH3 HO S CoA hydroxymethylglutaryl-CoA COOH CH CH2 CH2 CH3 OH mevalonová kys (klíčová reakce pro syntézu cholesterolu, místo fyziologické regulace jeho syntézy v buňce i ev. terapeutického zásahu „statiny" u hypercholesterolemií, dále: místo léčebného ovlivnění tzv. bisfosfonáty u osteoporosy) 8 COOH CH2 HO C CH3 CH2 CH2 OH mevalonová kyselina dihydroxy-methyl- valerová (= pentanová) kys. CO2 H2O 2 ATP CH 2 C CH3 CH2 -CH2O (P P aktivní isoprenová jednotka (zde jedna z forem: isopentenyldifosfát) 9 Isopentenyldifosfát Isopentenyl- a prenyl- se liší pouze polohou dvojné vazby (isomerie). Isopentenyldifosfát při polymerizacích prodlužuje terpenový řetěz. 10 Prenyldifosfát (dimethylallyldifosfát) o —(7)— o —(P) Vzniká isomerizací isopentenyldifosfátu. Prenyldifosfát a isopentenyldifosfát jsou základními jednotkami pro polymerizaci. (Jejich spojením vzniká geranyldifosfát.) 11 Geranyldifosfát 12 Geraniol |„vinvl-" (ethenvM CH2-CH- „allvl-" (prop-2-en-1-vl-) CH2-CH-CH2- „prenvl-" (dimethvlallvl-) \ C-CH-CH2- CH3 14 prenyl- „dimethylallyl-" CH3 C= CH-CH2 CH3 „isopentenyl-" CH3 C-CH2-CH2 CH2 oba jsou isomerické, liší se jen polohou dvojné vazby 15 Jednovazné isoprenové zbytky : prenyl- ( C5 ) s^^S^ dimethylallyl- geranyl- ( ) farnesyl- ( C15 ) 16 Menthan C10 cyklický, zcela nasycený monoterpen ( 2 isoprenové jednotky ) Menthol OH 17 SKVALEN C 30 ( triterpen, ó isoprenových jednotek, symetrie ) /x/ Ay /%y /v/ /v/ 18 P-karoten C40 (tetraterpen) 8 isoprenových jednotek, systém konjugovaných dvojných vazeb zasahuje i do obou P-jononových kruhů, symetrie molekuly Vitamin A (retinol) ( číslování zahrnuje hlavní řetězec ) 15 CH2OH H O retinal 20 NH CH— CH H CH2— CH C CO I I I I (Lys) opsin retinal rhodopsin aldimin (Schiffova bäze) 21 11 -trans-retinal (all-trans-...) 22 Retinová kyselina : COOH 23 Fytol C>n diterpen, 3 ze 4 isoprenových jednotek jsou hydrogenovány CH2OH CH2OH fytyl- ( řetězec v chlorofylu a vitaminu K ) 24 Dolichol přibližně C100 tj. 20 isoprenových jednotek (dekaterpen) OH Isoprenové jednotky: převážně cis-konfigurace dvojných vazeb, první isoprenová jednotka hydrogenována. 25 Dolicholfosfát 26 Dolicholdifosfát ( Dol-P-P ) difosfodolichol Při posttranslační modifikaci proteinů (glykosylace+) v ER) je příslušný oligosacharid nejprve syntezován na Dol jako „Dol-P-P-oligosachrid". (Dol je „zakotven" v membráně ER.) Teprve hotový oligosacharid je přenesen na bílkovinu ® vznik glykoproteinu. (N-glykosidová vazba na Asn = asparagin, tzv. „N-glykosylace") +) Glvkosvlace je enzymová reakce uskutečněná glykosyltransferasami, glykace je neenzymová reakce mezi aminoskupinou bílkoviny a aldehydovou skupinou glukosy ® aldimin (Schiffova báze) 27 Vznik UDP-Glc : CH2OH -O O Glc-1-P OH N "® P)-®-®-O-CH2 UTP CH2OH O OH N O (P - P)-O-CH2 UDP-Glc anhydridová vazba H anhydridová vazba 28 Nukleotidem aktivované monosacharidy (k tvorbě oligosacharidu) : OH CH2OH O O_(P _ P) O nejčastěji UDP-monosacharid (zobrazena je UDP-Glc) Méně často jiné: GDP-Man, GDP-Fuc (fukosa je 6-deoxy-L-Gal) CMP-NeuNAc [ GDP = guanosin di fosfát, CMP = cytidin mono fosfát, NeuNAc = N-acetyl neuraminová kys. ] 29 Prenylace bílkovin : posttranslační úprava bílkovin navázáním nepolárních řetězců: (geranylu, farnesylu nebo geranylgeranilu) farnesyl- (C15) geranylgeranyl- (C20) 30 geranyl- (Cio) Prenylace bílkovin i • patří mezi posttranslační úpravy bílkovin • nepolární prenylové řetězce vstupují do reakce ve formě difosfátů • reakci uskutečňují enzymy (prenyltransferasy) • na cílové bílkovině se řetězce váží na -SH skupinu Cys poblíž karboxylového konce bílkoviny • typ prenylace je řízen uspořádáním aminokyselin zejména na 3. (a zčásti také 2.) pozici od cílového Cys. Různé aminokyseliny umožňují interakci s odlišnými prenyltransferasami • prenylací se regulují interakce protein-protein a protein-membrána 31 32 S T E R O I D Y 1: Základní uhlovodíky, pohlavní hormony © Biochemický ústav LF MU (V.P.) 2008 33 Steroidy : • ve všech eukaryontních buňkách • vznikají z isoprenoidů • převážně hydrofobní • fyzikálně chemické vlastnosti podobné lipidům 34 fenanthren : 35 perhydrofenanthren : 36 cyklopentanoperhydrofenanthren : 17 37 číslování : 38 Názvy steroidů si zachovávají běžné koncovky : -an -en -ol -on -al mnohé z těchto přípon jsou používány i v triviálních názvech 39 12 T7 Vodík (případně methyl C19) v poloze 10 směřuje vždy nahoru (nad rovinu zobrazení) - tak zvaná „referenční poloha" Základní uhlovodíky steroidů : C17 steran C21 pregnan C18 estran C24 cholan C19 androstan C27 cholestan Fytosteroly C28 ergostan ( C29 stigmastan ) 43 Popis je uveden od nejjednoduššího steroidu (C18) ke složitějším. Biosyntéza naproti tomu jde směrem opačným: vychází od cholesterolu (C27) a postupně se zkracuje postranní řetězec. Steroidní kostra je syntezována ze skvalenu (C30). Organismus nedokáže skelet odbourat, pozměněné steroidy jsou proto vylučovány. Steroidní kostra je nepolární. 44 Steroidy jsou v krevní plasmě přenášeny ve vazbě na bílkovinu. Jako silně nepolární látky pronikají buněčnou membránou a váží se na intracelulární receptory. (cytoplasmatické ? jaderné ?) Vytvořený komplex hormon-receptor se dále váže na specifickou oblast DNA (hormone response element). Tato interakce vyvolá aktivaci/represi genů. Takto se chovají nejen steroidní hormony, ale také hormony štítné žlázy a kyselina retinová. [ ho:moun rľspons elimant ] 45 Struktura základních uhlovodíků (odlišnost jednotlivých uhlovodíků je znázorněna červeně) 46 47 androstan C1Q : 18 48 pregnan C21: 21 49 fytosteroly : C28 ergostan C29 stigmastan 21 28 29 Základní steroidní uhlovodíky Triviální název Počet uhlíků Angulární substituenty Substituent v poloze i7p Gonan 17 - - Estran 18 13-methyl Androstan 19 10,13-dimethyl Pregnan 21 10,13-dimethyl ethyl Cholan 24 10,13-dimethyl pentan-2-yl Cholestan 27 10,13-dimethyl 6-m ethy lheptan- 2 -y l 53 „Přehled středoškolské chemie." Vacík Jiří a spol: (SPN Praha 1999, 4. vydání, 368 str., ISBN 80-7235-108-7) steran, cholesterol, cholová kyselina, testosteron, estradiol, .... 54 Základní uhlovodíky a jejich nejdůležitější deriváty 55 56 estradiol (E2) : 57 androstan C1Q i 18 5S testosteron (TST) : OH 59 o OH testosteron HO' androsteron substituenty v polohách 3 a 17 jsou „vyměněny" není přítomna dvojná vazba 60 Androgeny u muže : o OH HO' O o OH TST androsteron TST narozeni puberta A/B trans (není = na C4), „záměna" funkčních skupin v poloze 3 a 17, příslušnost k 17-ketosteroidům 61 Dehydro epi androsteron „DHEA" HO O ( 3B-hydroxyandrost-5-en-17-on ) „epi-" = na povrchu, tj. OH skupina směřuje nad rovinu nákresny, stejně jako referenční methyl na C10 (cis- poloha) Od cholesterolu se liší pouze náhradou postranního řetězce na C17 oxo-skupinou. 62 DHEA hormon věčného mládí ?" 12 koncentrace (DHEAsulfát: nmol/1, DHEA: nmol/1) DHEAS DHEA ^ 25 15 10 o £ 80 100 věk (roky) Po cholesterolu kvantitativně nejvýznamnější steroid v krvi 63 19-nortestosteron (nandrolon) X OH O ( anabolický steroid ) 64 5a-dihydrotestosteron OH i H ( hlavní účinný metabolit testosteronu ) 65 Testosteron KOSTNÍ DŘEŇ stimulace kmenových buněk urychlený lineární rusí, uzávěr epifýz zvyšuje hustotu kostní hmoty MOZEK libido agrese sexuální podněty LEDVINY stimulace produkce erytropoetinu MUŽSKÉ POHLAVNÍ ORGÁNY růst penisu Spermatogenese růst a funkce prostaty velikost a tonus varlat 66 pregnan C21: 21 67 progesteron : 68 pregnenolon : „ 3p-hydroxy-pregn-5-en-20-on „ pregn-5-en-3p-ol-20-on O HO (metabolit vznikající z cholesterolu odštěpením části postranního řetězce na C20) enzym: mitochondriální P-450SCC monooxygenasa (NADPH) / \ SCC = side chain cleavage 69 Produkce hormonů v hypofyze s hypothalamickým řízením hypothalamus releasing / inhibiting factors (= oligopeptidy) i hypofyza (přední lalok) i „tropiny" ... gonadotropní hormony (FSH, LH) 70 (= glykoproteiny, Mr cca 25.000) Menstruační cyklus: FSH ® estrogeny ® proliferace sliznice LH ® zrání folikulu ... ovulace ® corpus luteum ® ® progesteron ® „ochrana sliznice", „ochrana těhotenství" (pokles progesteronu ® zánik sliznice - menstruace) Těhotenství: choriongonadotropin ® corpus luteum graviditatis hCG (chorion plodu) (v ovariu) i v moči ® test na těhotenství progesteron ® LH (= také jeden z principů 71 zpětná vazba antikoncepce) 72 73 Zamilován/a ? Koho jsem si vybral/a ? 1. stupeň orientace: dle pohlaví pohlaví partnera je opačné (96 %), heterosexuální vztah Zamilován/a ? Koho jsem si vybral/a ? pohlaví partnera je shodné, homosexuální vztah (4 %) homosexualita mužů a žen je v poměru až 10 : 1 75 Zamilován/a ? Koho jsem si vybral/a ? Spoje pro pohlavní orientaci vznikají v CNS plodu mezi 4. - 6. měsícem těhotenství. Jejich vznik je řízen koncentrací pohlavních hormonů v krvi plodu. Spoje v CNS jsou trvalé a nelze je změnit žádným známým způsobem („převýchova", „odnaučení" ... ) Zamilován/a ? Koho jsem si vybral/a ? 2. stupeň orientace: dle pohlavní zralosti Vybíráme si partnera podle charakteristických sekundárních pohlavních znaků. Jejich přítomnost má být zárukou normálních hormonálních poměrů a tedy i plodnosti u partnera. 77 Zamilován/a ? Koho jsem si vybral/a ? Orientace o pohlavní zralosti využívá především obrysu postavy. Výsledkem normální orientace je výběr pohlavně zralého partnera. ( 78 Zamilován/a ? Koho jsem si vybral/a ? Odhylkou v orientaci dle pohlavní zralosti je pedofilie - hledání prepubertálních jedinců bez sekundárních pohlavních znaků. Také tento druh spojů v CNS je trvalý a nelze jej změnit. Pokud se postižený nedokáže ovládat ( hrozící konflikt se zákonem ! ), musí být hormonálně tlumen. 79 Zamilován/a ? Koho jsem si vybral/a ? 3. stupeň orientace: zcela individuální např.: výška postavy, štíhlost, barva vlasů, barva očí, tvar a rysy obličeje, úsměv, povahové vlastnosti, ..... (prakticky cokoliv) ® podvědomé „třídění" ® líbí se ?! 80 ZamilovánIa i „pořád na ni (na něho) myslím" „Utkvělé" myšlení je způsobeno snížením koncentrace serotoninu v CNS. Serotonin = 5-hydroxytryptamin, „5HT" je neurotransmiterem. Vzniká postupnou hydroxylací a dekarboxylací aminokyseliny tryptofanu, „Trp": HO y CH2-CH2 N H NH 2 serotonin ( 5HT ) 81 Zamilován/a ? „pořád na ni (na něho) myslím" 1/ hydroxylace HO - 2/ dekarboxylace COOH N H /CH2 CH NH2 tryptofan ( Trp ) HO y CH2-CH2 N H NH 2 serotonin ( 5HT ) S2 Zamilován/a ? „nemohu spát" Nespavost může být podmíněna poruchou sekrece melatoninu - hormonu, který řídí cyklus spánku a bdění. Je vylučován ve spánku, tedy za tmy (melas, melanos = černý). - Nedostatek serotoninu patrně způsobuje i snížení tvorby melatoninu. Melatonin vzniká ze serotoninu jeho acetylací a methylací: CH N H CH NH CO CH melatonin 83 Zamilován/a ? „nemohu spát" HO A 2/ methylace N H /CH2 CH NH serotonin ( 5HT ) 1/ acetylace CH3—O N H /CH2-CH2-NH CO-CH melatonin 84 Trp serotonin — melatonin ( HIOMT = hydroxyindol-O-methyltransferasa ) 85 Zamilován/a ? „ale ona/on je úplně jiná/jiný než ti ostatní !" Funkce nervových okruhů pro kritické sociální smýšlení o druhých lidech jsou potlačeny ( ® jsme slepí vůči partnerovým chybám ) 86 Zamilován/a ? „potkalo mě štěstí !" HO HO CH CH NH dopamin ( 3-hydroxytyramin ) Zvýšení koncentrace v mozku vyvolává euforii. Dopamin vzniká hydroxylací a dekarboxylací aminokyseliny tyrosinu: Tyr ® DOPA ® dopamin ( ® noradrenalin ® adrenalin ) 87 Zamilován/a ? „je to vyčerpávající" V krevní plasmě je zvýšena koncentrace stresového hormonu - kortisolu CH2OH (hydrokortison) 88 Zamilován/a ? „úplně jsem se změnil/a" Změna chování je způsobena změnami koncentrací testosteronu: © U muže dochází k poklesu, (® zvýšení empatie) © u ženy naopak k vzestupu koncentrace testosteronu v krvi (v krevní plazmě). O ( testosteron ) ( U obou pohlaví jsou přítomny všechny pohlavní hormony, tedy i hormony opačného pohlaví - [malá množství !] ) 89 Zamilován/a ? „úplně jsem se změnil/a" cholesterol (C27) pregnenolon (C21) progesteron (C21) glukokortikoidy andi-oc^nv (Ci9) (C ) mineralokortikoidy estrogeny (Q18) Zamilován/a ? cholesterol (C27) pregnenolon (C21) I progesteron (C21) „úplně jsem se změnil/a" Hormony opačného pohlaví jsou ponejvíce přítomny jako přechodné metabolity (progesteron u muže, androgeny u ženy). Ale: estrogeny u muže jsou na konci metabolické dráhy ! Pohlavní hormony vznikají také v koře nadledviny. androgeny (C19) estrogeny (Cq) nikoliv „Lékařské chemie"!! ) ( Metabolismus steroidů je náplní „Biochemie 2", 92 S T E R O I D Y 2: Kortikoidy, žlučové kyseliny, cholesterol, vitamin D © Biochemický ústav LF MU (V.P.) 2008 93 pregnan C211 21 94 Obecná struktura kortikoidů i 21 CH2OH O ( DOC = deoxykortikosteron ) 95 Pořadí hydroxylací u kortikoidů i 96 55 Úplná" hydroxylační dráha kortikoidů : Hydroxyl v poloze 21 je přítomen vždy (strukturní znak kortikoidů) 97 Hydroxylační dráha kortikoidů začínající v poloze 21 : "-steron" 98 Hydroxylace kortikoidů v metabolických drahách zachovává vždy naznačený směr 17 ® 21 ® 11 (směr šipek na schématech „proti směru hodinových ručiček"). Hydroxylace C17 může být vynechána, zatímco hydroxylace C21 je závazná (přítomnost hydroxylu zde představuje strukturní znak kortikoidů). Přítomnost/nepřítomnost kyslíku na C„ rozhoduje o příslušnosti ke glukokortikoidům nebo mineralokortikoidům (výjimka: aldosteron, viz tam). Deriváty pregnanu, které postrádají hydroxyl na 17. uhlíku, mají v názvu koncovku „-steron". (Tato názvoslovná pomůcka může být použita výhradně u steroidních látek o 21 atomech uhlíku, tj. u derivátů pregnanu. Neplatí jinde!) 99 aldosteron : O 100 aldosteron (poloacetal) i O 1O1 KORTIKOIDY : 1/ mineralokortikoidy způsobují retenci Na+ a ztráty K+. Náboj těch Na+, které převyšují prostou směnu s K+, je vyrovnáván retencí Cl". NaCl zvyšuje osmotický tlak, k jeho úpravě je vstřebávána voda. Struktura: mineralokortikoidy nemají kyslík v poloze 11 . (Aldosteron je výjimkou, jeho hydroxyl na C11 je „maskován" vytvořením poloacetalu.) 2/ glukokortikoidy mají katabolický účinek. Odbouráním bílkovin získané glukogenní aminokyseliny jsou substráty glukoneogenese (tj. tvorby glukosy z necukerných látek). Glukokortikoidy zvyšují glykemii, mají částečný protizánětlivý účinek. - Hlavní představitel: kortisol, typický hormon chronického stresu. Struktura: u glukokortikoidů je vždy kyslík na C11 (hydroxy- neb oxo- skupina). 102 U většiny kortikoidů je jejich hlavní účinek (např. glukokortikodní) doprovázen ještě slabým vedlejším účinkem „opačným" (tj. mineralokortikoidním - a obráceně) Hranice mezi oběma skupinami kortikoidů tak není ostrá a to zvl. u léčivých přípravků. Další je náplní Biochemie 1 + 2 . 103 kortisol (hydrokortison) r CH2OH Nebezpečí neuvážené aplikace hormonů (klamavá reklama, spam) : AlphaMalePlus - *New Product* * Increase testosterone levels up to 500% !?! * Prevent premature ejac\ulation * Enhance pe\nis size up to 3 inches * Maintain harder, stronger erections for hours * Have amazing s\ex up to 20 times per day !?! * Improve sex\ual stamina dramatically * Increase se\xual self-confidence * Satisfy yourself and your lover like never before * 100% Safe To Take, With NO Side Effects !?! * Fast Priority USPS Shipping Worldwide * Doctor Approved And Recommended ! ?! * 100% Mo\ney Back Gua\rantee * FREE Bottle Of AlphaMale+ Worth Over $50 * FREE "Male Help E-Book" Worth Over $50 MORE INFO HERE cholan C24 i 106 žlučové kyseliny : (= hydroxyderiváty „cholanové" kyseliny) 107 Žlučové kvselinv : hydroxylové skupinv jsou v trans- (a-) polohách Primární žlučové kys.: Cholová 3 7 12 (cheno)deoxycholová 3 7 Sekundární žlučové kys.: deoxycholová 3 - 12 lithocholová 3 108 109 Žlučové kyseliny : • hydroxylové skupiny v poloze trans- (a-) • spojení kruhů A/B je cis- (5p-) • prostorové uspořádání umožňuje funkci tenzidu (polární skupiny na jedné straně molekuly) • sekundární žlučové kyseliny vznikají v tlustém střevě - odštěpením 7a-OH skupiny bakteriálními enzymy (lithocholová se již pro nerozpustnost neresorbuje) 110 Konjugované žlučové kyseliny : • disociace je zvýšena konjugací žlučových kyselin (amidová vazba) s glycinem H2N - CH2 - COOH nebo s taurinem H2N - CH2 - CH2 - SO3H (taurin vzniká z cysteinu) • pro značnou disociaci, která připomíná chování anorganických solí, bývají konjugované žlučové kyseliny někdy (nešťastně) označovány jako „soli žlučových kyselin". Není to tedy např. sodná nebo draselná sůl kyseliny cholové, ale kys. glykocholová nebo taurocholová ... 111 cholestan C27 : 112 cholesterol ( cholest-5-en-3P-ol ) 113 skvalen_C3o-i ( triterpen, 6 isoprenových jednotek, symetrie ) /x/ /%y /v/ /v/ ze skvalenu je syntezován cholesterol 114 t v rostlinném oleji je opratdu „nízký obsah cholesterolu", protože tam žádný cholesterol není !!! (Cholesterol je výhradně živočišným sterolem). Olej vyroben z geneticky modifikovaných sojových bobů ?!! 115 5410093075529 cholesterol • hlavní steroidní látka u živočichů • přítomen ve všech buňkách (nesyntezuje placenta) • prekurzor ostatních steroidních látek v živočišném organismu vzniká ze skvalenu (triterpen, C30 ), jehož předchůdcem je acetyl-CoA z celkového množství cholesterolu v těle jsou asi 2/3 syntezovány v organismu a zhruba 1/3 byla přijata v potravě 116 27-hydroxycholesterol : ( 2007 ) HO 27 OH váže se na stejné receptory v srdečních cévách jako estrogeny inhibuje tak produkci oxidu dusnatého, který způsobuje vasodilataci nepříznivé okolnosti: menopauza, hypercholesterolémie (mechanismus účinku patří do obsahu Biochemie 1 + 2 !!) 117 7-dehydrocholesterol : 11S cholekalciferol, vitamin D3 119 cholekalciferol, vitamin D3 • vznik ze 7-dehydrocholesterolu (kůže, UV záření) • otevřený B kruh („seko-" sloučenina) • systém konjugovaných dvojných vazeb (první v poloze 5 jako u cholesterolu) 120 ergostan C28 r C28 - základní steroidní uhlovodík v rostlinách (fytosterol) 121 ergokalciferol, vitamin D2 HO l22 ergokalciferol, vitamin D2 "22 C D 2 Změna vitaminu na hormon ® „kalcitriol": 25 - OH v játrech 1 -OH v ledvinách (působením parathormonu) OH 124 Steroidní hormony - souhrn: vznik přeměnou cholesterolu v gonádách a kůře nadledvin Pohlavní hormony: Kortikoidy: androgeny glukokortikoidy estrogeny mineralokortikoidy gestageny Kalcitrioly: vznik hydroxylací vitaminů D2 a D3 v j átrech a ledvině 125 Vztah mezi hlavními steroidními hormony: CH3 C=O O progesteron CH2OH OH O kortikosteron testosteron 127