1 Biochemicky významné reakce © Biochemický ústav LF MU (J.D.) 2013 2 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 3 Reakce aldehydů a ketonů Reakce Produkt Oxidace aldehyd ® karboxylová kyselina keton ® žádná reakce Redukce aldehyd ® primární alkohol keton ® sekundární alkohol Adice alkoholu hemiacetal / hemiketal Adice aminu aldimin / ketimin (Schiffova báze) δ - δ + adice nukleofilu 4 Poloacetaly a acetaly Poloacetaly vznikají adicí alkoholu na karbonylovou skupinu. Acetaly vznikají substitucí hydroxylové skupiny poloacetalu alkoxylovou skupinou (-OR) alkoholu. substituce adice nestabilní poloacetal [cyklický poloacetal je stabilní] 5 Aldiminy (Schiffovy báze) vznikají adičně-eliminační reakcí Vznikají adicí aminu na karbonylovou skupinu a eliminací vody za vzniku dvojné vazby C=N nestabilní aminopoloacetal C=NH nebo C=NR je imino skupina 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. 45) •Vazba retinalu na opsin (biochemie vidění) 7 Reakce karboxylových kyselin Reakce Obecný příklad Acidobazické R-COOH + H2O D R-COO- + H3O+ (disociace) R-COOH + NaOH ® R-COONa + H2O (neutralizace) Adice nukleofilu a eliminace vody* R-COOH + R-OH D R-CO-O-R + H2O (ester) R-COOH + R-SH D R-CO-S-R + H2O (thioester) R-COOH + NH3 D R-CO-NH2 + H2O (amid) 2 R-COOH D R-CO-O-CO-R + H2O (anhydrid) * Reverzní reakce = hydrolýza 8 Esterifikace je adičně-eliminační reakce Esterifikace in vitro vyžaduje katalýzu silnou kyselinou. Enzymové esterifikace in vivo mají odlišný mechanismus. Zpětná reakce je hydrolýza esteru. 9 Esterifikace v lidském těle •R-CO-S-CoA + R-OH ® R-CO-O-R + CoA-SH •enzymová reakce •acyltransferasa – přenáší acyl z acyl-CoA na substrát •příklady esterů: • lipidy (triacylglyceroly) • acetylcholin (signální molekula) • 10 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) 11 Konkrétní příklady Hydrolýza Hydratace acetylcholin + H2O ® cholin + octová kys. fumarát + H2O ® malát glutamin + H2O ® glutamát + NH3 fosfoenolpyruvát + H2O ® 2-P-glycerát sacharosa + H2O ® glukosa + fruktosa CO2 + H2O ® kyselina uhličitá ATP + H2O ® ADP + Pi + energie R-CH=CH-CO-S-CoA + H2O ® R-CH(OH)-CH2-CO-S-CoA 12 Thioestery jsou biochemicky významné aktivace kyselin na acyl-koenzym A: R-COOH + CoA-SH + ATP ® CoA-S-CO-R + AMP + PPi 13 Učebnicové struktury anorganických kyselin H2SO4 H3PO4 HNO2 HNO3 = HO-NO2 14 Estery kyseliny sírové dodecyl-sulfát sodný (lauryl-sulfát sodný, sodium lauryl sulfate, sodium dodecyl sulfate, SDS) je syntetický aniontový tenzid alkyl-hydrogensulfát kyselina alkylsírová 15 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 16 Estery kyseliny dusičné = alkylnitráty • 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 17 Rozlišujte •alkyl-nitrát (ester) R-O-NO2 •vs. •nitroalkan R-NO2 18 Monoestery kyseliny fosforečné vznikají fosforylací neutrální molekula anion 19 Diestery kyseliny fosforečné jsou spojovacími elementy v nukleových kyselinách . 3’,5’-fosfodiesterová vazba 20 Diestery kyseliny fosforečné jsou spojovacími elementy ve fosfolipidech 21 cAMP je cyklický diester kys. fosforečné - difosfát cAMP = cyclic 3’,5’-adenosine monophosphate 22 Organofosfáty jsou toxické syntetické sloučeniny kys. thiofosforečná kys. fluorofosforečná kys. kyanofosforečná kys. methylfosfonová kys. methylfluorofosfonová sarin Srovnejte: kys. sulfonová (C-S) ´ fosfonová (C-P) 23 Srovnejte dvojice a počty atomů kyslíku alkyl-sulfát alkansulfonát alkyl-fosfát alkanfosfonát 24 Anhydrid karboxylové kyseliny vzniká eliminací vody ze dvou molekul kyseliny + - H2O kondenzace 25 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. 26 Srovnejte: difosfát ´ bisfosfát difosfát (anhydrid) fruktosa-1,6-bisfosfát (dvojnásobný ester) 27 Hexakisfosfát inositolu je kyselina fytová (fytát) 28 Smíšený anhydrid kys. karboxylové a kys. fosforečné se nazývá acylfosfát + - H2O acylfosfát Acylfosfáty jsou makroergní sloučeniny (viz přednáška Bioenergetika) • 3-fosfoglyceroylfosfát (1,3-bisfosfoglycerát) • karbamoylfosfát • aminoacyl-AMP kondenzace 29 aminoacyl-AMP + ATP + 2 Pi + H2O Aktivace aminokyseliny reakcí s ATP poskytne smíšený anhydrid (při syntéze proteinů) 30 Amin a kyselina mohou reagovat dvojím způsobem + + - H2O amonná sůl (alkylamonium karboxylát) N-alkylamid Při lab. teplotě - acidobazická reakce Při zahřívání - kondenzace 31 Amidy jsou polární neelektrolyty Volný el. pár na dusíku je v konjugaci s dvojnou vazbou Charakteristika Aminy Amidy Obecný vzorec Elektronový pár na N 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 32 Močovina je diamid kys. uhličité kys. uhličitá močovina 33 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 34 Lakton versus Laktam lakton je cyklický ester laktam je cyklický amid - H2O - H2O LCH II Příloha 2 35 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 36 Polarita vybraných organických sloučenin (viz LCH II, kap. 4) uhlovodíky halogenderiváty ethery estery ketony aminy amidy alkoholy karboxylové kys. polarita nepolární sloučeniny 37 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 38 Dehydrogenace v enzymových reakcích •substrát ztrácí 2 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 39 Enzymové dehydrogenace vyžadují spolupráci tří složek enzym + substrát + kofaktor přípona -asa derivát vitaminu (Bkomplex) 40 Dehydrogenace ethanolu (zjednodušené schéma) POZOR: toto není reakce, pouze jeden redoxní pár. 41 Dehydrogenace ethanolu (úplná reakce s kofaktorem) NAD+ = nikotinamid adenin dinukleotid Toto je reakce = kombinace dvou redoxních párů. alkoholdehydrogenasa 42 Postupná oxidace methanolu (zjednodušené schéma) Jak prokázat methanol v přítomnosti ethanolu? 43 Dvě cesty oxidace glycerolu dehydrogenace na C2 dehydrogenace na C1 oxygenace na C1 44 Postupná oxidace ethylenglykolu (viz LCH II, kap. 6) Otrava ethylenglykolem může mít fatální průběh 45 Dehydrogenace aldehyd-hydrátu nestabilní sloučenina 46 Dehydrogenace poloacetalu poloacetal ester cykl. poloacetal glukonolakton (glukopyranosa) - 2H - 2H 47 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 48 Dehydrogenace kys. mléčné (laktátu) laktát pyruvát metabolické využití laktátu: glukoneogeneze v játrech 49 Další příklady dehydrogenací Vzájemná přeměna ketolátek Poslední reakce citrátového cyklu 50 α,b-Dehydrogenace acylu (tak začíná odbourávání mastných kyselin) 51 Dehydrogenace aminosloučenin R-CH2-NH2 + FMN ® R-CH=NH + FMNH2 amin imin 2-aminokyselina 2-iminokyselina iminoskupina >C=NH 52 Hydrolýza iminosloučeniny poskytne oxosloučeninu a volný (toxický) amoniak 53 Dehydrogenace difenolů poskytne chinony benzen-1,4-diol (hydrochinon) p-benzochinon (aromatický kruh) (není aromatický kruh) 54 Dehydrogenace -SH substrátů probíhá s dvěma molekulami (mírná oxidace)* thiol dialkyldisulfid disulfidové můstky v bílkovinách *Silnější oxidace je oxygenace na sulfonové kys. R-SO3H 55 Hydroxylace fenylalaninu Kofaktor tetrahydrobiopterin (BH4) je donorem dvou atomů H na vznik vody 56 Biochemické hydrogenace •substrát přijímá dva atomy H •jejich zdrojem je NADPH + H+ •redukční syntézy (MK, cholesterol) -CH=CH- + NADPH+H+ ® -CH2-CH2- + NADP+ 57 Hydrogenace ubichinonu v dýchacím řetězci je zvláštní případ separátně se aduje elektron (red. kofaktorů) a proton (z matrix mitochondrie) 58 Deoxygenace D-ribosa 2-deoxy-D-ribosa Mechanismus je velmi složitý, vyžaduje řadu kofaktorů, mj. protein thioredoxin obsahující selen NADPH+H+ + H2O + NADP+ 59 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 60 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 Příklad 1 61 L-Askorbová je dvojsytná kyselina Dva konjugované páry: askorbová kys. / hydrogenaskorbát hydrogenaskorbát / askorbát dva enolové hydroxyly pKA1 = 4,2 pKA2 = 11,6 Příklad 2 62 L-Askorbová kyselina má redukční účinky (exogenní antioxidant, viz praktická cvičení) askorbová kys. dehydroaskorbová kys. (redukovaná forma) (oxidovaná forma) Eo’ = 0,40 V 63 Laktimová forma kys. močové je dvojsytná kyselina kys. močová hydrogenurát urát pKA1 = 5,4 pKA2 = 10,3 2,6,8-trihydroxypurin Příklad 3 64 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) 65 Transaminace v metabolických souvislostech modrá barva indikuje katabolickou dráhu dusíku detoxikace 66 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) 67 Obecné schéma transaminace 68 NAD+ Z glutamátu se uvolní amoniak dehydrogenační deaminací - NADH + H+ 2-iminoglutarát hlavní zdroj ammoniaku v lidském těle 69 Transaminace alaninu ALT = alaninaminotransferasa glutamát 70 Transaminace aspartátu aspartát oxalacetát 71 Pamatujte •pyruvát / laktát = redoxní pár •pyruvát / alanin = transaminace • •oxalacetát / malát = redoxní pár •oxalacetát / aspartát = transaminace ! 72 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? 73 Kondenzace oxalacetátu s acetyl-CoA 74 Izomerace citrátu na isocitrát 75 Dekarboxylace a dehydrogenace isocitrátu 76 Dekarboxylace a dehydrogenace 2-oxoglutarátu 77 Substrátová fosforylace za vzniku makroergního trifosfátu + CoA-SH fosforylace 78 Dehydrogenace sukcinátu na fumarát 79 Hydratace fumarátu na L-malát hydratace není redoxní reakce 80 Dehydrogenace L-malátu na oxalacetát znovu vstupuje do CC