Naturalne związki organiczne

Prezentacja na temat: "Naturalne związki organiczne"— Zapis prezentacji:

1 Naturalne związki organiczne
Aleksander Kołodziejczyk Naturalne związki organiczne Gdańsk 2013

2 Chemii Naturalnych związków Organicznych
Program wykładów z Chemii Naturalnych związków Organicznych 30 godz. dla studentów kierunku Biotechnologia Treść 1. Aminokwasy 6. Alkaloidy 2. Peptydy 7. Sterydy i steroidy 3. Białka 8. Hormony, w tym h. płciowe i kortykosterydy 4. Sacharydy 9. Terpeny i terpenoidy 5. Lipidy 10. Związki semiochemiczne, w tym feromony Zaliczenie wykładów: na podstawie sprawdzianu pisemnego lub pisemnego i ustnego ustnego materiału podanego na wykładach.

3 Literatura uzupełniająca
P.D. Bailey, ''An Introduction to Peptide Chemistry'', Wiley, Chichester, 1990. G.C. Barrett, ed., ''Chemistry and Biochemistry of Amino Acids'', Chapman and Hall Ltd, NY, 1985. G.C. Barrett and D.T. Elmore, ''Amino Acids and Peptides'', Cambrodge Universty Press, 1998. A.J. Barrett, N.D. Rawlings, J.Fred Woessner, ''Handbook of Proteolytic Enzymes CD-ROOM, Academic Press, 1998. S.V. Bhat. B.A. Nagasampagi, M. Sivakumar, „Chemistry of Natural Products”, Springer, Narosa, Berlin, Heidelbrg, New York, New Delhi, 2005. M.S. Blum ed., ''Chemistry and Toxicology of Diverse Classes of ALKALOIDS'' , Scientific Publisher Alaken, 1995. M. Bodanszki, ''Peptide Chemistry'', Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo, 1988. M. Bodanszky, ''Principles of Peptide Synthesis'', Second Edition, Springer-Verlag, Heidelberg, 1993. C. Branden and J. Tooze, ''Introduction to Protein Structure'', Garland Publishing Inc., New York, 1999. P.M. Collins, R.J. Ferrier, ''Monosacharides, Their Chemistry and Their Roles in Natural Products'', J. Wiley & Sons, Chichester, N. York, Brisbane, Toronto, Singapore, 1995. G. M. Coppola and H.F. Schuster, ""Asymmetric Synthesis: Construction of Chiral Molecules using Amino Acids'', Wiley, New York, 1987. A. Cziczibabin, ''Podstawy Chemii Organicznej'', PWN, Warszawa, 1961. R. Davenport-Hines, „Odurzeni, Historia Narkotyków ”, WAB, Warszawa, 2006. J. Davies, ed., ''Amino Acids and Peptides'', Chapman and Hall Ltd, NY, 1985. R. H. Garrett, C. M. Grisham, ''Biochemistry'', Saunders College Publishing, 1999. J.P. Greenstein, M. Winitz, ''Chemistry of the Amino Acids'', J. Wiley, NY-London, 1961. B. Gutte. ''Peptides'', Academic Press, 1995. Z. Gyorgydeak, I. Pelyvas, ''Monosaccharide Sugars'', Academic Press, 1997. H. Jakubke i H. Jeschkeit, ''Aminokwasy, Peptydy, Białka'', PWN, Warszawa, 1989. J.H. Jones, ''The Chemical Synthesis of Peptides, Clarendon Press, Oxford, 1991.

4 P. Illes, C. Farsang, „Regulatory Roles of Opiod Peptides”, VCH, Weinheim, N. York, 1988.
P. Kafarski i B. Lejczak, Chemia Bioorganiczna, PWN, Warszawa, 1994. A. M. Kołodziejczyk, „Oils in the environment”, Proc. 4th International Conference, Gdansk 2005, p 1. A.M. Kołodziejczyk, „Przemysłowa produkcja aminokwasów”, Przemysł chemiczny, 84, (2005). 1. A.M. Kołodziejczyk, A. S. Kołodziejczyk, „Muramylopeptydy i ich farmakologiczne własności”, Postępy Biochemii, 33, (1987). E. Pawełczyk, red. ''Chemia Leków'', PZWL, Warszawa, 1996. G. Patrick, „Chemia Leków”, Krótkie wykłady, PWN, Warszawa, 2004. W. Pigman, D. Horton, ed., ''The Carbohydrates, Chemistry/Biochemistry'', Academic Press, N.Y. and London 1970E. Pijanowski, M. Dłużewski, A. Dłużewska. A. Jarczyk, ''Ogólna technologia żywności'', W N-T, Warszawa, 1996. C. Ratledge, B. Kristiansen, ed., ''Basic Biotechnology'', Cambridge Univesity Press 2001. G. Reineccius, „Flavor Chemistry and Technology”, Taylor&Francis, Boca Raton, London, N. York 2006. M.J. Sadler, J.J. Strain, B. Caballero, ed., ''Encyclopedia of Human Nutrition'', 3-Volume set with Online version, Academic Press, 1998. N. Sewald, H. Jakubke, „Peptides: Chemistry and Biology”, Wiley-VCH, Weinheim, 2002. I. Z. Siemion, ''Biostereochemia'', PWN, Warszawa, 1985. Z.E. Sikorski, red., praca zbiorowa „Chemia żywności. Skład, przemiany i własności żywności'', W N-T, Warszawa, 2000. W. Steglich, B. Fugmann i S. Lang-Fugmann ed., ''Natural Products Rompp Encyklopedia'', Georg Thieme Verlag, Stuttgard, New York, 2000. L. Stryer, ''Biochemia'', PWN, Warszawa, 1997. F. Świderski, red., ''Żywność wygodna i żywność funkcjonalna'', W N-T, Warszawa, 1999. E. Theimer, ''Fragrance Chemistry: The Science of the Sense of Smell'', Academic Press, 1982. A.J. Turner, „Neuropeptides and their Peptidases”, VCH, Ellis Horwood, Wienheim, N. York, Chichester, 1987.

5 D.E. Vance, J.E. Vance, ''Biochemistry of Lipids, Lipoproteins and membranes'', Elsevier, 1996.
B. Weinstein, ''Chemistry and Biochemistry of Amino Acids, Peptides and Proteines'', Marcel Dekker Inc. NY R. M. Williams, ''Synthesis of Optically Active a-Amino Acids'', Pergamon Press, Oxford, 1989. A. Wisniewski, J. Madaj, „Podstawy chemii cukrów”, AGRA-ENVIRO lab, Poznań-Gdańsk, 1997. X. Liang, W. Fang, „Medicinal Chemistry of Bioactive Natural Products”, J. Wiley & Sons, New Jersey, 2006. A. Zejca, M. Gorczyca, ed., ''Chemia Leków'', PZWL, Warszawa 1998. S. Zito, ed., ''Pharmaceutic Biotechnology'', Technomic Publishing Co. Inc., Lancaster-Basel, 1997. ''Żywność wygodna i żywność funkcjonalna'', praca zbiorowa pod redakcją F. Świderskiego, W N-T, Warszawa, 1999. A. Kołodziejczyk, „Naturalne Związki Organiczne”, PWN, Warszawa 2012, poprawione wznowienie drugiego wydania. A. Kołodziejczyk, „Naturalne Związki Organiczne”, PWN, Warszawa 2013, wydanie 3, rozszerzone i poprawione, przewidywana data wydania październik 2013

6 Aleksander Kołodziejczyk
1. A M I N O K W A S Y Gdańsk 2013

7 A M I N O K W A S Y białkowe (L) niebiałkowe (D lub L) pierwszorzędowe
(kodowane) drugorzędowe trzeciorzędowe a-aminokwas

8 Aminokwasy kodowane alifatyczne
Wzór nazwa kod 3-literowy kod 1-literowy pHi glicyna Gly G 5,97 alanina Ala A 6,02 walina Val V 5,97 leucyna Leu L 5,98 izoleucyna Ile I 6,02 prolina Pro P 6,10

9 seryna Ser S 5,68 treonina Thr T 6,53 hydroksyprolina Hyp - 5,71
Hydroksyaminokwasy seryna Ser S 5,68 treonina Thr T 6,53 hydroksyprolina Hyp - 5,71

10 Aminokwasy siarkowe cysteina Cys C 5,02 metiona Met M 5,75 cystyna -

11 5,98 fenyloalanina F Phe tyrozyna Tyr Y 5,65 tryptofan Trp W 5,88
Aminokwasy aromatyczne 5,98 fenyloalanina F Phe tyrozyna Tyr Y 5,65 tryptofan Trp W 5,88

12 kwas asparaginowy Asp D 2,87 Asn N 5,41 asparagina kwas glutaminowy
Aminokwasy kwaśne i ich amidy kwas asparaginowy Asp D 2,87 Asn N 5,41 asparagina kwas glutaminowy Glu E 3,22 glutamina Gln Q 5,65

13 Lys K 9,74 lizyna Arg R 10,08 arginina H 7,64 histydyna His hydroksy-
Aminokwasy zasadowe Lys K 9,74 lizyna Arg R 10,08 arginina H 7,64 histydyna His hydroksy- lizyna Hly -

14 Aminokwasy białkowe drugorzędowe
powstają w wyniku postrybosomalnej modyfikacji głównie w reakcjach: N-alkilowania, C-hydroksylowania i C-halogenowania

15 Aminokwasy b. trzeciorzędowe powstają w procesach postryboso-malnych, w reakcjach pomiędzy grupami funkcyjnymi różnych AA Utlenienie Cys do (Cys)2

16 Insulina

17 Reakcje funkcji bocznych aminokwasów

18 Aminokwasy niezbędne (egzogenne)
dawka [g] aminokwas Arg 1,8 Met 1,1 His 0,9 Phe Ile 0,7 Thr 0,5 Leu Trp 0,25 Lys 0,8 Val Dzienne zapotrze-bowanie dla ludzi Nomenklatura L-alanina, D-walina, DL-leucyna Symbole trójliterowe i jednoliterowe aminokwasów białkowych oznaczają konfigurację L, np. Phe i F oznaczają L-fenyloalaninę, a Tyr i Y – L-tyrozynę Inną konfigurację należy zaznaczyć przed symbolem, np. D-Phe, DL-Tyr, D-P

19 Niektórzy autorzy konfigura-
Zamiast symbolu DL- można stosować przedrostek rac- co oznacza mieszaninę racemiczną, np. rac-Asn Niektórzy autorzy konfigura- cję D przedstawią symbolami pisanymi z małej litery, np. ala, oznacza D-Ala v oznacza D-Val Konfigurację nieznaną oznacza się litery z (czytaj ksi) z-Ser Konfiguracja aminokwasów Wszystkie aminokwasy białkowe (oprócz Gly) są chiralne i mają konfigurację L na Ca. lustro Projekcja Fischera

20 Chiralne AA białkowe, oprócz Cys mają na Ca konfigurację absolutną S
Projekcja Newmana Dwa aminokwasy kodowane: Ile i Thr mają dwa centra chiralne

21 Właściwości kwasowo-zasadowe
W cząsteczce aminokwasu grupy aminowa – NH2 i kwasowa – COOH reagują z sobą tworząc sól wewnetrzną, tzw. jon obojnaczy, inaczej zwitterion Właściwości kwasowo-zasadowe Dysocjacja aminokwasów w roztworze wodnym:

22 Stałe dysocjacji: Krzywa miareczkowania glicyny

23 Stałe dysocjacji pKa niektórych aminokwasów kodowanych
Stałe dysocjacji pKa niektórych aminokwasów kodowanych Stałe dysocjacji pKa niektórych aminokwasów kodowanych Aminokwas pK1 pK2 pK3 pHi Gly 2,3 9,6 - 5,97 Ala 9,7 6,01 Ser 2,2 9,2 5,68 Cys 1,7 8,3 10,8 5,02 Lys 9,1 10,5 9,82 Arg 9,0 12,8 10,76 Asp 1,9 3,7 2,77 Glu 4,3 10,0 3,24

24 Stałe dysocjacji dla Asp
Stałe dysocjacji dla Lys

25 Rozpuszczalność Jonowa budowa AA decyduje o ich rozpuszczalności – są polarne i większość AA kodowanych rozpuszcza się w wodzie. Są i trudno rozpuszczalne w wodzie: Najłatwiej w wodzie rozpuszczają się: Hyp – 36 g/100 cm3 i Gly – 25 g/cm3. Wszystkie AA kodowane rozpuszczają się w AcOH i NH3.aq. Jedynie Pro jest rozpuszczalna w EtOH. Temperatura topnienia. Jonowa budowa AA wpływa na ich wysoką temp.top., zwykle przekracza ona 200oC, a czasami nawet 300oC. Niewielka zawartość wody znacznie obniża t.t AA. Zapach . Większość AA kodowanych jest bez zapachu. Cys i Met wydzielają nieprzyjemną woń siarkowodorowo-merkaptanową. Glu ma przyjemny, pobudzający apetyt zapach rosołu (hydrolizatu białkowego). Monoglutaminian sodu stosowany jest jako polepszacz smaku.

26 Smak. Większość AA białkowych ma słodki (Gly, Ala, Ser, Thr) lub gorzki smak (Tyr, Leu i Ile). Niektóre AA są bez wyraźnego smaku (Lys, Trp, Asp, Asn i Cys). Zmiana konfiguracji z L na D zwykle zmienia smak AA, np. część gorzkich staje się słodkimi, zaś smak AA słodkich zostaje wzmocniony. O smaku wielu produktów, w tym serów, przyprawy sojowej i magii oraz ryb decyduje obecność wolnych AA. Kwas L-glutaminowy (Glu) ma smak obojętny, ale szczególnie jego sól monosodowa – MGN, wpływa na smak wielu potraw. Zdolność do polepszania smaku została określona jako umami; jest to piąty podstawowy smak obok słodkiego, kwaśnego, gorzkiego i słonego. Efekt umami przypomina działanie soli – niektóre potrawy niesłone są niesmaczne, ale bardzo zyskują na smaku po dodaniu niewielkiej ilości soli kuchennej, przy czym nie wyczuwa się smaku słonego. Większa ilość soli psuje smak – potrawy stają się za bardzo słone.

27 monoglutaminian sodu – MGN
MGN dodaje się w ilości 0,2-0,8%. W naturalnych potrawach białko-wych jego stężenie dochodzi do 0,1%. Są potrawy zawierające więcej MGN, np przetwory pomidorowe (0,25%) czy sery (do 0,6%). Spożywanie nadmiernych ilości MNG (ponad 5g dziennie jest szkodliwe). Właściwości toksyczne AA. Nadmiar Leu, przy równoczesnym niedoborze Trp sprzyja pelagrze (rumieniowi lombardzkiemu). Schorzenie to jest rozpowszechnione wśród ludzi, których głównym pożywieniem jest sorgo. Sorgo – zboże, 5 miejsce pod względem światowej produkcji, uprawianie głównie w Afryce i Azji. Pelagra często dokucza niedożywionym więźniom i jeńcom przetrzymywanym w obozach koncentracyjnych.

28 Karmienie zwierząt doświadczalnych dietą niskobiałką z nadmiarem Tyr daje objawy neurotoksyczne, powoduje ubytek wagi, marskość wątroby i wysoką śmiertelność. Nadmiar Phe daje podobne objawy podobne do fenyloketonurii Nadmiar Trp wywołuje u zwierząt doświadczalnych depresję, nawet przy diecie wysokobiałkowej. Nadmiar Cys i Met powodują nekrozę wątroby i nerek Szkodliwy jest nadmiar AA hydrofobowych. Natomiast wiele AA hydrofilowych (Asp, Arg, Glu, Orn i Lys) jest stosowane jako leki i nawet w dużych dawkach nie wykazują szkodliwego działania.

29 Naturalne aminokwasy niebiałkowe

30

31

32 Substraty chiralne Zastosowanie aminokwasów
do wzbogacania wartości odżywczej pokarmów i pasz jako substancje smakowe do produkcji aspartamu substraty w syntezie chemicznej Substraty chiralne do karmienia pozajelitowego w syntezie peptydów leki

33 Produkcja najpopularniejszych aminokwsów
Lp Aminokwas Wielkość produkcji [t] Główna metoda produkcji Główne zastosowanie 1. Glu fermentacja polepszacz smaku 2. Lys dodatek paszowy 3. D,L-Met synteza chemiczna 4. Thr 15 000 5. Asp 10 000 kataliza enzymatyczna substrat aspartamu 6. Phe 7. Gly dodatek do potraw, słodzik 8. Cys 3 000 redukcja cystyny dodatek do potraw, w farmacji 9. Arg 1 000 w farmacji 10. Leu 500 11. Ser 400 substrat Trp, w farmacji 12. Val pestycydy, w farmacji 13. Trp 300 inżynieria genetyczna 14. Ile

34 Przemysłowe otrzymywanie aminokwasów

35 metionina

36 Chemiczna synteza aminokwasów
Aminowanie halogenokwasów Synteza Gabriela

37 Synteza z estru aminomalonowego
Reakcja Michaela Synteza Streckera

38 Alkilowanie glicyny, np. kondensacja Perkina
Alkilowanie zasady Schiffa – aminoacetonitrylu

39 Alkilowanie hydantoiny glicyny

40 Redukcyjne aminowanie a-ketokwasów
Syntezy specyficzne

41 Synteza aminokwasów znaczonych radioizotopami
Synteza prebiotyczna

42 Aminokwasy chiralnie czyste
Otrzymywanie: z hydrolizatów białkowych, z innych źródeł naturalnych, poprzez rozdzielanie AA racemicznych, poprzez syntezę chiralną. Oznaczanie czystości chiralnej: polarymetrycznie, za pomocą NMR, chromatograficznie, enzymatycznie lub mikrobiologicznie. Sposoby przedstawiania czystości chiralnej zawartość enancjomeru w mieszaninie racemicznej czystość optyczna – o.p. – (ang. optical purity) nadmiar enenacjomeryczny – e.e. – (ang. enanctiomeric excess) zawartość jednego enancjomeru względem drugiego Jeżeli o.p. = 95%, to e.e. = 90%

43 PRZYKŁADY SYNTEZ CHIRALNYCH AMINOKWASÓW
1. Syntezy Kagana i Coreya Y = 100%, e.e. = 98% (S)-b-asparaginian metylu 2. Uwodornienie a,b-nienasyconych AA zawierających chiralny podstawnik

44 3. Redukcja wobec chiralnych katalizatorów
Rozpuszczalne katalizatory rodowe, zawierające chiralne ligandy umożliwiają otrzymywanie związków chiralnych z dużą wydajnością chiralną. L: Kat.: Rh2LCl Ac-Phe-OMe; R: a = H; b = CH3 katalizator substrat rozpuszczalnik Y % e.e. (R) Rh2LCl b benzen 87 9 metanol 89 66 a 99 80 [RhL2]+BF- 90 83 91 67 A 82 [RhL’2]+BF- 100 86

45 Osadzenie katalizatora na stałym nośniku ułatwia jego regenerację
wyd. chem % RS/SS ,2/0,8 Do indukowania chiralnego centrum można wykorzystać związki naturalne.

46 5. Redukcja borowodorem zawierającym chiralne grupy

47 6. Metody mikrobiologiczne i enzymatyczne
Najczęściej wykorzystywanym surowcem w produkcji AK jest glukoza.

48 Rozdzielanie racemicznych aminokwasów
- krystalizacja soli enancjomerycznych - rodzielanie pochodnych diastereoizomerycznych - krystalizacja spontaniczna - metody enzymatyczne - metody chromatograficzne Sole diastereoizomeryczne diastereomeryczne sole diastereomeryczne sole

49 Diastereoizomeryczne sole rozdziela się najczęściej poprzez krystalizację
chiralne zasady: fenyloetyloamina, nitrofenyloetyloamina, naftylofenyloamina, brucyna, efedryna chiralne kwasy: kw. dibenzylowinowy, kw. D-kamforosulfonowy Pochodne diastereoizomeryczne Aminokwasy mogą tworzyć pochodne z chiralnymi: - alkoholami  estry - aminami  amidy - chlorkami kwasowymi  N-acyloaminokwasy - aminokwasami  peptydy Diastereoizomeryczne pochodne AA można rozdzielać za pomocą krystalizacji, chromatografii lub elektroforezy.

50 Do przekształcania DL-AK w estry można użyć np. mentolu
Peptydy też mogą służyć do rozdzielania stereoizomerów. Metody chromatograficzne Stacjonarne fazy chiralne Chiralne fazy ruchome Krystalizacja spontaniczna

51 Hydroliza enzymatyczna
Metody enzymatyczne synteza chiralna anilid AK Hydroliza enzymatyczna Za pomocą proteaz można hydrolizować wiązania estrowe na centrum L.

52 Utlenienie enzymatyczne i dekarboksylacja
Chromatografia cienkowarstwowa i bibułowa

53 Chromatografia cieczowa
Analizator aminokwasowy

54 Pierwsze próby rozdzielania enancjomerów AA

55 Rozdzielenie enancjomerów mieszaniny aminokwasów

56 Chromatogram rozdzielonych enancjomerów wszystkich AA kodowanych
1 – Asp, 2 – asp 3 – Glu, 4 – Asn, 5 – glu, 6 – Ser, 7 – asn, 8 – ser, 9 – Gln, 10 - gln 11 – Thr, 12- Gly, 13 – thr, 14 – His, 15 – his, 16 – Ala, 17 – Arg, 18 – ala, 19 – arg, 20 – Tyr, 21 – tyr, 22 – Val, 23 – Met, 24 – Trp, 25 – met, 26 – val, 27 – Phe, 28 – Ile, 29 – trp, 30 – phe, 31 – Leu, 32 – leu, 32 – ile, 33 – leu, 34 – Lys, 35 - lys

57 HPLC Śladowe ilości Elektroforeza skręcalność właściwa
Z-D-Phe-L-Phe-OMe w Z-L-Phe-L-Phe-OMe Elektroforeza skręcalność właściwa skręcalność molowa

58 Ala 0,03 Leu 0,02 0,07 1,0 Boc-D-Ala Boc-D-Leu 0,1 Asp Met 0,2 Glu
Czystość chiralna aminokwasów komercyjnych Aminokwas lub jego pochodna Zawartość drugiego enancjomeru [%] Ala 0,03 Leu 0,02 D-Ala 0,07 D- Leu 1,0 Boc-D-Ala Boc-D-Leu 0,1 Asp Met D-Asp 0,2 D-Met Glu Boc-D-Met D-Glu 1,1 Sera 1,2 Boc-D-Glu Serb 1,9 His 0,01 Ser(Bzl) D-His 0,04 Ser 0,06

59 Skręcalność właściwa i molowa niektórych AA (t = 25oC, c = 1-2)
aminokwas [a]D w HOH [a]D w HCl [a]D w AcOH [M]D w HOH Ala 1,8 15 33 1,6 Arg 12 28 29 22 Asn -5,6 -7,4 Cys -16 6,5 13 -20 (Cys)2 -212 -232 - -501 w HCl Phe -34 -4,5 -7,5 -57 Ser -7,9 Tyr -11 19,9 Val 5,6 62 6,6

60 Jon masowy [M + 1]+ Phe i jony fragmentacyjne
Jon masowy [M + 1]+ Tyr i jony fragmentacyjne

61 Strategies for the Synthesis of Labeled Peptides
Lisa Bibbs,a Nicholas P. Ambulos,b Steven A. Kates,c Ashok Khatri,d Katalin F. Medzihradszky,e George Ösapay,f and Susan T. Weintraubg FIGURE 3. Tandem mass spectrum obtained by collision-induced dissociation of [M+2H]2+(m/z 587.5) for the test peptide. The fragmentation pattern confirms the expected sequence.

62