1 Biochemicky významné reakce © Biochemický ústav LF MU (J.D.) 2013

2 Vzájemné reakce vybraných sloučenin KyselinaAldehydThiolAlkohol esterpoloacetal-ether Thiolthioesterthiopoloacetalsulfid Aminsůl a / amid b aldimin c Aldehyd-aldol d Kyselinaanhydrid a Acidobazická reakce za studena, transfer H +. b Kondenzace při zahřátí, uvolní se voda. c Také zvaný Schiffova báze. d Vzniká pouze v alkalickém prostředí. LCH II Příloha 1

3 Reakce aldehydů a ketonů ReakceProdukt Oxidace aldehyd  karboxylová kyselina keton  žádná reakce Redukce aldehyd  primární alkohol keton  sekundární alkohol Adice alkoholuhemiacetal / hemiketal Adice aminu aldimin / ketimin (Schiffova báze) δ -δ - 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 ReakceObecný příklad Acidobazické R-COOH + H 2 O  R-COO - + H 3 O + (disociace) R-COOH + NaOH  R-COONa + H 2 O (neutralizace) Adice nukleofilu a eliminace vody* R-COOH + R-OH  R-CO-O-R + H 2 O (ester) R-COOH + R-SH  R-CO-S-R + H 2 O (thioester) R-COOH + NH 3  R-CO-NH 2 + H 2 O (amid) 2 R-COOH  R-CO-O-CO-R + H 2 O (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 + H 2 O  produkt 2 OH substrát + H 2 O  + produkt 1 H produkt OH H Hydrolýza = štěpení vodou (estery, amidy, peptidy, glykosidy, anhydridy) Hydratace = adice vody (na nenasycené substráty)

11 Konkrétní příklady HydrolýzaHydratace acetylcholin + H 2 O  cholin + octová kys.fumarát + H 2 O  malát glutamin + H 2 O  glutamát + NH 3 fosfoenolpyruvát + H 2 O  2-P-glycerát sacharosa + H 2 O  glukosa + fruktosaCO 2 + H 2 O  kyselina uhličitá ATP + H 2 O  ADP + P i + energie R-CH=CH-CO-S-CoA + H 2 O  R-CH(OH)-CH 2 -CO-S-CoA

12 Thioestery jsou biochemicky významné aktivace kyselin na acyl-koenzym A: R-COOH + CoA-SH + ATP  CoA-S-CO-R + AMP + PP i

13 Učebnicové struktury anorganických kyselin H 2 SO 4 H 3 PO 4 HNO 2 HNO 3 = HO-NO 2

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-SO 2 -OH  R-O-SO 2 -OH + H 2 O R-H + SO 3  R-SO 3 H

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-NO 2  R-O-NO 2 + H 2 O vazodilatační účinek

17 Rozlišujte alkyl-nitrát (ester) R-O-NO 2 vs. nitroalkan R-NO 2

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 + - H 2 O kondenzace

25 Anhydrid kyseliny fosforečné je kyselina difosforečná (difosfát)* + - H 2 O *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 + - H 2 O acylfosfát Acylfosfáty jsou makroergní sloučeniny (viz přednáška Bioenergetika) 3-fosfoglyceroylfosfát (1,3-bisfosfoglycerát) karbamoylfosfát aminoacyl-AMP kondenzace

29 aminoacyl-AMP + ATP + 2 P i + H 2 O Aktivace aminokyseliny reakcí s ATP poskytne smíšený anhydrid (při syntéze proteinů)

30 Amin a kyselina mohou reagovat dvojím způsobem H 2 O 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 CharakteristikaAminyAmidy Obecný vzorec Elektronový pár na N Bazicita Tvorba solí Chování ve vodě pH vodného roztoku R-NH 2 volný ano slabý elektrolyt zásadité R-CO-NH 2 v konjugaci s C=O ne neelektrolyt neutrální

32 Močovina je diamid kys. uhličité kys. uhličitá močovina

33 Srovnejte CharakteristikaMočovinaMočová 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 aminokyselin 2,6,8-trihydroxypurin acidum uricum slabá dvojsytná kyselina špatná* slabě kyselý ano  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 - H 2 O LCH II Příloha 2

35 Srovnejte vlastnosti (R = nižší alkyl) Karboxylová kys.EsterAmid slabý elektrolyt polární rozpustná v H 2 O neelektrolyt nepolární nerozpustný v H 2 O neelektrolyt polární rozpustný v H 2 O

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 SubstrátProdukt 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 -CH 2 -OH (ethanol) sekundární alkoholová skupina >CH-OH (laktát) endiolové uskupení HO-C=C-OH (askorbát) sekundární aminová skupina >CH-NH 2 (aminokyseliny) nasycená skupina -CH 2 -CH 2 - (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 (B komplex )

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

47 Hydroxykyseliny jako substráty dehydrogenace mléčná kyselina (2-hydroxypropanová) acidum lacticum  laktát jablečná kyselina (hydroxybutandiová ) acidum malicum  malát  -hydroxymáselná kyselina (3-hydroxybutanová)  -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,  -Dehydrogenace acylu (tak začíná odbourávání mastných kyselin)

51 Dehydrogenace aminosloučenin R-CH 2 -NH 2 + FMN  R-CH=NH + FMNH 2 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-SO 3 H

55 Hydroxylace fenylalaninu Kofaktor tetrahydrobiopterin (BH 4 ) 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 +  -CH 2 -CH 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 + + H 2 O + 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) E o ’ = -0,185 V pK A 3,8pK B 10,2 Příklad 1

61 L-Askorbová je dvojsytná kyselina Dva konjugované páry: askorbová kys. / hydrogenaskorbát hydrogenaskorbát / askorbát dva enolové hydroxyly pK A1 = 4,2 pK A2 = 11,6 Příklad 2

62 L-Askorbová kyselina má redukční účinky (exogenní antioxidant, viz praktická cvičení) askorbová kys. dehydroaskorbová kys. (redukovaná forma) (oxidovaná forma) E o ’ = 0,40 V

63 Laktimová forma kys. močové je dvojsytná kyselina kys. močová hydrogenurát urát pK A1 = 5,4 pK A2 = 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  CO 2  vydýchá se 4  redukované kofaktory  oxidovány v dýchacím řetězci 1  GTP – substrátová fosforylace Jak se vytvoří CO 2 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