Organické sloučeniny obsahující kyslík, dusík a síru Biologicky významné heterocykly Martina Srbová martina.srbova@lfmotol.cuni.cz

Organické sloučeniny obsahující kyslík

Elektronová konfigurace atomu kyslíku 2p4 Z elektronové konfigurace kyslíku vyplývá, že v molekule organické sloučeniny může být kovalentně vázán jako dvojvazný. O O

Hydroxyderiváty (Alkoholy a fenoly) – mají hydroxylovou skupinu (-OH) R - O – H Fenoly:-OH se přímo váže na aromatické jádro Ethery – sloučeniny s alkoxylovou skupinou (-OR) R - O – R Aldehydy a ketony – sloučeniny s karbonylovou skupinou - C = O C = O R H - C = O R - - Karboxylové kyseliny – sloučeniny s karboxylovou skupinou C = O R O H - -

I.Hydroxyderiváty OH skupina dává uhlovodíkům zvláště aromatickým lehce kyselý charakter Prodlužováním uhlovodíkového řetězce se snižuje rozpustnost alkoholů ve vodě. H-můstky → rozpustnost ve vodě, vyšší bod varu než alkany.

Vlastnosti hydroxyderivátů Chovají se jako kyselina i jako zásada. Alkohol alkoxidový ion Alkohol oxoniový ion

Hydroxyderiváty Podle počtu –OH skupin v molekule: Monohydroxyderiváty Polyhydroxyderiváty (polyoly) Dioly (dihydroxyderiváty) Trioly (trihydroxyderiváty) Tetroly (tetrahydroxyderiváty)

Alkoholy Klasifikace podle vazebného místa v řetězci etanol isopropanol terc-butanol primární alkohol sekundární alkohol terciární alkohol Primární alkohol: 1 uhlík ve vazbě na uhlík s hydroxylovou skupinou Sekundární alkohol: 2 uhlíky ve vazbě na uhlík s hydroxylovou skupinou Terciární alkohol: 3 uhlíky ve vazbě na uhlík s hydroxylovou skupinou

Eliminace dehydratace př. v glykolýze 2-fosfoglycerát fosfoenolpyruvát

Oxidace alkoholů

Metanol: silně jedovatý, oslepnutí, smrt Etanol (spiritus, líh) Kvasné procesy cukerných šťáv rostlin za přítomnosti kvasinek při teplotě nižší než 37°C. Nejprve excitační účinky, posléze narkotické účinky, působí jako sedativum. Návyková droga.

Oxidace alkoholu v těle Methanol se v játrech oxiduje na formaldehyd 1 2 Metanol formaldehyd kys. mravenčí

Ethylenglykol - ethan-1,2-diol HO–CH2–CH2–OH Používá se do nemrznoucích směsí Fridex Toxický: 50 ml, letální: 100 ml Nasládlá chut‘, rozpustný ve vodě Glycerol - propan-1,2,3-triol (glycerin) CH2 - OH CH - OH Uhlíková kostra glycerolu je součástí biologicky významných látek v organismu

Reakcí s kyselinami vznikají estery – s kyselinou dusičnou vzniká glyceroltrinitrát – tzv. nitroglycerin. Podává se jako lék při onemocnění srdce

S kyselinou fosforečnou se esterifikuje primární –OH skupina na kyselinu 1-glycerofosforečnou. Významný metabolit a strukturní složka komplexních lipidů.

Inositol: součást fosfolipidů (fosfatidylinositolu) Sfingosin (2-amino-4oktadien-1,3diol) součást sfingolipidů v mozku Ethanolamin: ve fosfolipidech Cholin: ve fosfolipidech Acetylcholin – přenos nervových vzruchů

Fenoly Benzendioly Pyrokatechol - součást molekuly katecholaminů (adrenalin, noradrenalin) Resorcinol – použití jako desinfekce Hydrochinon – oxidací chinon,součást koenzymu Q (ubichinon) pyrokatechol resorcinol hydrochinon +2H -2H p- benzochinon hydrochinon

II.Aldehydy a ketony (oxosloučeniny) Společná je pro ně karbonylová skupina (polární), velmi reaktivní Aldehydy - karbonyl na primárním uhlíku aromatické či alifatické redukční vlastnosti Ketony - karbonyl na sekundárním uhlíku mohou být i smíšené neredukují aldehyd keton

Přehled běžných aldehydů a ketonů Formaldehyd Methanal Acetaldehyd Ethanal Propionaldehyd Propanal Akrylaldehyd Propenal Aceton propanon Ethylmethylketon Butanon Cyclohexanon Glyoxal Ethandial Benzaldehyd Cinnamaldehyd 3-phenylpropenal Acetophenon Methylphenylketon Benzophenon Diphenylketon

NUKLEOFILNÍ ADICE

Tvorba poloacetálů (hemiacetálů) Reakce alkoholu s aldehydem nebo s ketonem. -OH skupina akoholu se váže na karbonylovou skupinu aldehydu nebo ketonu. polocetálový hydroxyl Vznik poloacetalu je zejména významný u sacharidů a je příčinou vzniku jejich cyklické struktury.

Reakce aldehydů a ketonů s aminy R-CHNH2-COO- pyridoxalfosfát pyridoxalfosfát +AMK Aldehydy a ketony reagují s primárními aminy za vzniku iminů - Schiffovy báze: transaminace (pyridoxalfosfát) neenzymatické glykace při diabetu

Aldolová kondenzace glukoneogeneze

III.Karboxylové kyseliny Funkční skupina je -COOH Podle počtu –COOH skupin rozlišujeme: mono-, di-, tri- až polykarboxylové kyseliny. Karboxylová skupina je polární a vytváří proto pevné vodíkové můstky Nukleofilní substituce (esterifikace)

Monokarboxylové kyseliny Vzorec Triviální název kyseliny - česky Systematický název kyseliny - česky Latinský název kyseliny - acidum název soli HCOOH Mravenčí metanová formicum formiát CH3COOH Octová etanová aceticum acetát CH3CH2COOH Propionová propanová   propionát CH3(CH2)2COOH Máselná butanová butyrát (CH3)2CHCOOH Isomáselná isobutanová isobutyrát CH3(CH2)3COOH Valerová pentanová valerát CH3(CH2)14COOH Palmitová hexadekanová palmitát Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky, 1. lékařská fakulta, Univerzita Karlova v Praze a Všeobecná fakultní nemocnice v Praze, 2005 - 2014

Monokarboxylové kyseliny Vzorec Triviální název kyseliny - česky Systematický název kyseliny - česky Latinský název kyseliny - acidum název soli CH3(CH2)16COOH Stearová Oktadekanová stearát CH3(CH2)7CH=CH-(CH2)7COOH Olejová   oleát CH2=CHCOOH Akrylová 2-en 1-propanová akrylát Benzoová benzoicum benzoát Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky, 1. lékařská fakulta, Univerzita Karlova v Praze a Všeobecná fakultní nemocnice v Praze, 2005 - 2014

Dikarboxylové kyseliny Vzorec Triviální název kyseliny - česky Systematický název kyseliny - česky Latinský název kyseliny - acidum název soli HOOC-COOH šťavelová 1,2-ethandiová oxalicum oxalát HOOC-CH2-COOH malonová propan-1,3-diová malonicum malonát HOOC-(CH2)2-COOH jantarová butan-1,5-diová succinisum sukcinát HOOC-(CH2)3-COOH glutarová pentan-1,5-diová glutamicum glutarát maleinová cis-but-2-en-1,5-diová maleinát fumarová trans-but-2-en-1,5-diová fumarát ftalová o-benzendiová   ftalát Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky, 1. lékařská fakulta, Univerzita Karlova v Praze a Všeobecná fakultní nemocnice v Praze, 2005 - 2014

Funkční deriváty karboxylových kyselin OH acylová skupina ester amid acylhalogenid anhydrid thioester

Substituční deriváty karboxylových kyselin Hydroxykyseliny k. mléčná k. jablečná k. citrónová laktát malát citrát k.acetylosalicylová p-aminosalicylová

Ketokyseliny spontánně enolforma ketoforma k. pyrohroznová pyruvát k. oxalooctová k. a-ketoglutarová oxalacetát a-ketoglutarát

Organické sloučeniny obsahující dusík

Dusíkaté sloučeniny Typy vazeb v dusíkatých sloučeninách: 1s2 2s2 2p3

Nitroderiváty: R-NO2 Substituce vodíku nitroskupinou (NO2) Vznik nitrací uhlovodíků (HNO3) Příklad: chloramfenikol (antibiotikum) trinitrotoluen CH3

Aminy: R-NH2 Organické deriváty amoniaku bazické a nukleofilní (volný elektronový pár dusíku) tvoří vodíkové můstky (velká polarita) tvorba nitrosoaminů Aminy: R-NH2 -NH2 -NH- -N-

Význam aminů: Nejdůležitější organické zásady Význam v biochemii: kvartérní amoniové báze biogenní aminy aminokyseliny proteiny alkaloidy

Kvartérní amoniové báze: Cholin: součást fosfolipidů (fosfatidylcholin - lecitin) Acetylcholin: neurotransmiter

Biogenní aminy: dekarboxylace aminokyselin součástí biomolekul, neurotransmitery Aminokyselina Amin Funkce Serin Ethanolamin Fosfolipidy Cystein Thyoethanolamin Koenzym A Threonin Aminopropanol Vitamin B12 Aspartát β-alanin Glutamát γ-aminobutyrát Neurotransmiter (GABA) Histidin Histamin Mediátor, neurotransmiter Dopa Dopamin Neurotransmiter 5-hydroxytryptofan Serotonin

Biogenní aminy – příklady:

Adrenalin a amfetaminy: Katecholaminy (adrenalin a noradrenalin) biogenní aminy s katecholovou skupinou odvozeny od tyrozinu hormony (syntéza dřeň nadledvin), neurotransmitery (sympatikus) Amfetaminy účinek jako katecholaminy stimulační účinek (zneužívání)

Alkaloidy: aminy původně získané z přírodních zdrojů významné biologické vlastnosti Příklady: Atropin – blokuje acetylcholinové receptory Kokain – stimulující účinek Reserpin – sedativum Efedrin – bronchodilatátor, snižuje překrvení sliznic

Opium a opiáty: = morfinové alkaloidy významné látky v medicíně, návykové váží se na opiové receptory Příklady: Opium, morfin – tišení bolesti, z máku Kodein – analgetikum, proti kašli Heroin – syntetizován z morfinu Hledání podobných látek bez návyku:

Amidy: R-CO-NH2 deriváty karboxylových kyselin (aminoskupina na karbonylovém uhlíku) Vlastnosti: nejsou bazické (karbonylová skupina – delokalizace elektronového páru) vznik peptidové vazby –NH2 + HOOC- (enzymaticky katalyzované) stabilita proti hydrolýze (peptidová vazba stabilní, enzymatická hydrolýza )

Asparagin, glutamin: Vznik peptidové vazby:

Karbamát a močovina Karbamoylfosfát = amidy kyseliny uhličité (H2CO3) - součástí vzniku močoviny a pyrimidinů

Močovina konečný produkt metabolismu proteinů u savců vznik v játrech (cyklus močoviny) dobře rozpustná ve vodě (vylučování močí) biuretová reakce (průkaz močoviny, peptidové vazby) – zahřívání - biuret v alkalickém prostředí s Cu2+ fialový

Kreatin Kreatinin Ve svalech, přenos energie pro svalovou činnost Vzniká ve svalech neenzymaticky z kreatinu Vylučován močí

Barbituráty Deriváty kyseliny barbiturové: Sedativa, hypnotika, narkotika

Iminy: R-C=N-R Schiffovy báze funkční skupiny obsahující dvojnou vazby mezi C a N, další skupiny vázané na N Mechanismus transmaninace: R-CHNH2-COO- pyridoxalfosfát pyridoxalfosfát +AMK

Organické sloučeniny obsahující síru

Sirné sloučeniny Podobné kyslíkatým sloučeninám

Thioly: R-SH (sulfhydrylová skupina) Vlastnosti: Netvoří vodíkové můstky Silnější kyseliny než alkoholy Snadno oxidovatelné → disulfidy Příklady: Cystein

Disulfidy: R-S-S-R Disulfidické můstky mezi cysteiny disulfidický můstek důsledek oxidace dvou -SH skupin (vratná reakce) terciární struktura proteinů!

Glutathion antioxidant (odstranění volných radikálů) Gly Cys Glu Gly Glutathione peroxidasa Gly Cys Glu Gly Cys Glu Gly Cys SH Glu + R-O-O-H S S + H2O + NADPH Glutathione reductasa Redukovaný (monomer) Oxidovaný (dimer, disulfid)

Sulfidy: R-S-R Příklad: Methionin S-Adenosylmethionin (SAM) = sulfoniový ion reaktivní metylová skupina (metylační agens)!

Sulfonové kyseliny: R-SO3H Příklady: Taurin = derivát cysteinu Sulfonamidy důležitá chemoterapeutika sulfanilamid

Biologicky významné heterocykly

Biologicky významné deriváty Název Struktura Biologicky významné deriváty Furan Furanosy (cukry) Pyrrol Porfin (hem, vit. B12 - kobalamin) Bilirubin Prolin, Hydroxyprolin Indol Tryptofan, Serotonin, Melatonin LSD, Psilocybin Imidazol Histidin, Histamin Biotin (vit. H)

Biologicky významné deriváty Název Struktura Biologicky významné deriváty Thiazol Thiamin (vit. B1) Penicilin Pyran Pyranosy (cukry) Benzopyran Tokoferol (vit. E) Pyridin Nikotinamid (vit. B2) Pyridoxal (vit. B6)

Biologicky významné deriváty Název Struktura Biologicky významné deriváty Pyrimidin Pyrimidinové báze (U,T,C) Fenobarbital Vit. B1 Purin Purinové báze (A,G) Hypoxanthin Kofein Kyselina močová Pteridin Kyselina listová (vit. B9) Isoalloxazin Riboflavin (vit. B2)

Pyrrol Hem Bilirubin součástí hemoglobinu, myoglobinu, cytochromů 4 pyrolová jádra + Fe2+ váže kyslík - přenos do tkání Bilirubin degradační produkt hemu exkrece žlučí

Indol Tryptofan Serotonin Melatonin aminokyselina (prekurzor syntézy serotoninu a melatoninu) Serotonin neurotransmiter (ovlivňuje náladu) léky zvyšující hladinu serotoninu v mozku (léčba deprese) Melatonin hormon (reguluje cyklus spánek/bdění) ochranný účinek na organismus

Imidazol Histidin Histamin Biotin (vit. H) aminokyselina (prekurzor syntézy histaminu) Histamin neurotransmiter (alergická reakce - vasodilatace, bronchospasmus) antihistaminika Biotin (vit. H) v játrech, vejcích, luštěninách, ořechách, pivu funkce: karboxylace CO2

reagující funkční skupina Thiamin (vit. B1) v obilí, vepřovém masu, pivu nedostatek (choroba beriberi) funkce: např. oxidativní dekarboxylace hydroxyalkyl reagující funkční skupina Tokoferol (vit. E) v cereáliích, játrech, vejcích, slunečnicovém oleji funkce: antioxidant

Pyridin Nikotinamid (niacin) Pyridoxin (vit. B6) v masu, ovoci, zelenině, pivu nedostatek (choroba pelagra) funkce: součástí NADH a NADPH (oxidoredukční reakce) NAD+ NADH NH2 Pyridoxin (vit. B6) v masu, zelenině, obilovinách funkce: metabolismus aminokyselin

Pyrimidinové báze součást nukleových kyselin Cytosin Uracil Thymin (RNA i DNA) (RNA) (DNA)

Purinové báze součást nukleových kyselin, ATP, NADP, FAD, CoA degradace purinových nukledotidů → kys. močová Guanin Adenin Kys. močová (RNA i DNA) (RNA i DNA) ATP

Kyselina listová Riboflavin v zelené zelenině, játrech nedostatek (megaloblastická anémie) funkce: transfer C-zbytků (např. syntéza nukleotidů) Riboflavin v mléku, vejcích funkce: součástí FMN a FAD (oxidoredukční reakce) riboflavin FAD FADH2

Děkuji za pozornost