1

Naturalne związki organiczne

Aleksander Kołodziejczyk

Gdańsk 2011

2

Program wykładów zChemii Naturalnych związków Organicznych30 godz. dla studentów kierunku Biotechnologia

Treść 1. Aminokwasy 6. Alkaloidy2. Peptydy 7. Sterydy i steroidy3. Białka 8. Hormony, w tym h. płciowe i kortykosterydy4. Sacharydy 9. Terpeny i terpenoidy5. Lipidy 10. Związki semiochemiczne, w tym feromony

Zaliczenie wykładów na podstawie sprawdzianu pisemnego i ustnego.

3

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, S. Meenakshi, „Natural Products, Chemistry and Applications”, Alpha

Science, Oxford, U.K., 2009.M.A. Blaskovich, „Handbook on Syntheses of Amino Acids”, Oxford University Press, 2010.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.T.P. Coultate, „Food, the Chemistry of its Components”, RSCPublishing, 2009.A. Cziczibabin, ''Podstawy Chemii Organicznej'', PWN, Warszawa, 1961.R. Davenport-Hines, „Odurzeni, Historia Narkotyków 1500-2000”, WAB, Warszawa, 2006.J. Davies, ed., ''Amino Acids and Peptides'', Chapman and Hall Ltd, NY, 1985.„Essential Oils, Science, Technology and Application”, eds. K. Hüsnü, Can Başer, G. Buchbauer, CRC

Press, 2010.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.

Literatura uzupełniająca

4

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.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. 13-24.A.M. Kołodziejczyk, „Przemysłowa produkcja aminokwasów”, Przemysł chemiczny, 84, 84-121 (2005).A.M. Kołodziejczyk, A. S. Kołodziejczyk, „Muramylopeptydy i ich farmakologiczne własności”, Postępy Biochemii, 33, 203-229 (1987).J. Kyte, „Structure in Protein Chemistry”, Garland Science, 2007.X-T. Liang, W-S. Fanf, Medicinal Chemistry of Bioactive Natural Products”, Wiley-Interscience, 2006.G.W. vanLoon, Stephen J. Duffy, „Chemia środowiska”, PWN, Warszawa, 2007.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.

5

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.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. 1971-1978.R. M. Williams, ''Synthesis of Optically Active -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 2010, poprawione wznowienie drugiego wydania.

6

1. A M I N O K W A S Y

Aleksander Kołodziejczyk

Gdańsk 2011

7

R CH COOH -aminokwasNH2

(CH2)x COOH

NH2

RCH x = 0, 1, 2, 3, ..... , , , , .....

A M I N O K W A S Y

białkowe (L) niebiałkowe (D lub L)

pierwszorzędowe(kodowane)

drugorzędowe trzeciorzędowe

NATURALNE (D i L) SYNTETYCZNE (D, L lub DL)

egzogenne endogenne

8

Aminokwasy kodowane alifatyczne

Wzór nazwa kod 3-literowy kod 1-literowy pHi

NH2

CH2COOH glicyna Gly G 5,97

NH2

CH3CHCOOH alanina Ala A 6,02

NH2

(CH3)2CHCHCOOH walina Val V 5,97

NH2

(CH3)2CHCH2CHCOOH leucyna Leu L 5,98

NH2

CH3CH2CHCHCOOH

H3C

izoleucyna Ile I 6,02

NH

COOH prolina Pro P 6,10

9

Hydroksyaminokwasy

seryna Ser S 5,68

treonina Thr T 6,53

hydroksyprolina

Hyp - 5,71NH

COOH

OH

NH2

CH2CHCOOH

HO

NH2

CH3CHCHCOOH

HO

10

Aminokwasy siarkowe

cysteina Cys C 5,02

metiona Met M 5,75

cystyna Cys -

NH2

NH2

S-CH2CHCOOH

S-CH2CHCOOH

NH2

CH2CHCOOH

HS

NH2

CH3SCH2CH2CHCOOH

11

Aminokwasy aromatyczne

fenyloalanina Phe F 5,98

tyrozyna Tyr Y 5,65

tryptofan Trp W 5,88

CH2CHCOOH

NH2

CH2CHCOOHOH

NH2

NH

CH2CHCOOH

NH2

12

Aminokwasy kwaśne i ich amidy

kwas

asparaginowyAsp D 2,87

asparagina Asn N 5,41

glutamina Gln Q 5,65

kwas

glutaminowy

Glu E 3,22

NH2

H2NOCCH2CHCOOH

NH2

HOOCCH2CHCOOH

NH2

H2NOCCH2CH2CHCOOH

NH2

HOOCCH2CH2CHCOOH

13

lizyna Lys K 9,74

arginina Arg R 10,08

hydroksy-lizyna

Hly -

histydyna His H 7,64

Aminokwasy zasadowe

NNH

CH2CHCOOH

NH2

NH2NH2OH

CH2CH(CH2)2CHCOOH

NH2NH2

CH2(CH2)3CHCOOH

NH2NH

H2NCNH-(CH2)3CHCOOH

14

Aminokwasy białkowe drugorzędowepowstają w wyniku postrybosomalnej modyfikacji

głównie w reakcjach: N-alkilowania, C-hydroksylowania iC-chlorowania

CH3 CH COONCH3 CH3CH3

+

-

N,N,N-trimetyloalaninaNH

COOH

OH 4-hydroksyprolina

CH2CHCOOHOH

I

I NH2 3,5-dijodotyrozyna

15

Aminokwasy b. trzeciorzędowe powstają w procesach postryboso-malnych, w reakcjach pomiędzy grupami funkcyjnymi różnych AA.

Utlenienie Cys do (Cys)2

[O]

S S-AA1-AA2-Cys3-(AA)n-Cysn+4-AAn+5-

H2C CHSH

COOHNH2

H2C CHSH

COOHNH2

+

cysteina

H2C CHS

COOHNH2

H2C CHS

COOHNH2 cystyna

16

Insulina

S

S

30

B

Phe

1

2

3

4

5

6

7

8

910

1112

14

15

17

28

13

16Cys

24

23

1819

2021

22

25

27

29

26

Phe

Val

Asn

GlnHis His

LeuGly

Gly

Gly

Ser

Leu

Leu

Leu

Val

Val

Glu

Glu

Ala

Tyr

Tyr

Cys

Arg

Phe

ThrPro

LysThr

S S

S

S

AGly

Ile

ValGlu

Gln

CysCys

CysThr Ser

Ile

Ser

LeuTyr

GlnLeu Glu Asn

Tyr

CysAsn

13

16

2

3

4

5

6

7

8 9

10

1112

14

1517 18

19

20 21

1

17

Reakcje funkcji bocznych aminokwasów

COH HNO

-AAn-1-NH-CH-CO-AAn+m-NH-CH-CO-AAn+m+1-

Glu LysH

NO

- HOH

wiązanie amidoweC

-AAn-1-NH-CH-CO-AAn+m-NH-CH-CO-AAn+m+1-

Glu LysH

NHH

[H]

C

-AAn-1-NH-CH-CO-AAn+m-NH-CH-CO-AAn+m+1-

Hamina

18

Aminokwasy niezbędne (egzogenne)

Aminokwas dawka [g] aminokwas dawka [g]

Arg 1,8 Met 1,1

His 0,9 Phe 1,1

Ile 0,7 Thr 0,5

Leu 1,1 Trp 0,25

Lys 0,8 Val 0,8

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

Zamiast symbolu DL- można stosować przedrostek rac- co oznacza mieszaninę racemiczną, np.

Niektórzy autorzy konfigura-cję D przedstawią symbolami pisanymi z małej litery, np.

Konfigurację nieznaną oznacza się litery (czytaj ksi)

rac-Asn

ala, oznacza D-Ala

-Ser

v oznacza D-Val

Konfiguracja aminokwasówWszystkie aminokwasy białkowe (oprócz Gly) są chiralne i mają konfigurację L na C.

COO

CH3

HH3N C

-

+

L-alanina

lustroCOO

CH3

NH3H C

-

+

D-alanina

Projekcja Fischera

20

Chiralne AA białkowe, oprócz Cys mają na C konfigurację absolutną S

Projekcja Newmanalustro

COOCH3

NH3

H

C

-

+(S)-alanina

CH3OOC

NH3

H

C

-

+(R)-alanina

COO

HH3N

COOHSCH2

NH3

H

CH2S

C

-+ C

-

+1

2 3

ma konfigurację obsolutną (R)L-cysteina

Dwa aminokwasy kodowane: Ile i Thr mają dwa centra chiralne

HCH3

NH2 H

COOH kwas (2S,3S)-2-amino-3--metylopentanowyIle

COOHH OH

NH2 H Thr

kwas(2S,3R)-2-amino--3-hydroksybutanowy

21

W cząsteczce aminokwasu grupy aminowa – NH2 i kwasowa – COOH reagują z sobą tworząc sól wewnetrzną, tzw. jon obojnaczy, inaczej zwitterion

H3N-CHR-COO+

H2N-CHR-COOH-..

Właściwości kwasowo-zasadowe

Dysocjacja aminokwasów w roztworze wodnym:

H3N-CHR-COOH H3N-CHR-COO H2N-CHR-COO+ + - --OH -OH

H+ H+

K1 K2

22

Stałe dysocjacji:

K1=[H3N+-CHR-COO-][H+]

[H3N+-CHR-COOH]pK1=

[H3N+-CHR-COO-]

[H3N+-CHR-COOH]pH - log

K2=[H2N-CHR-COO-][H+]

[H3N+-CHR-COO-]pK2=

[H2N-CHR-COO-]

[H3N+-CHR-COO-]pH - log

Krzywa miareczkowania glicyny

23

Aminokwas pK1 pK2 pK3 pHi

Gly 

2,3 9,6 - 5,97

Ala 

2,3 9,7 - 6,01

Ser 

2,2 9,2 - 5,68

Cys 

1,7 8,3 10,8 5,02

Lys 

2,2 9,1 10,5 9,82

Arg 

2,2 9,0 12,8 10,76

Asp 

1,9 3,7 9,6 2,77

Glu 

2,2 4,3 10,0 3,24

Stałe dysocjacji pKa niektórych aminokwasów kodowanych

24

Stałe dysocjacji dla AspCH2COOH

H2N-CH-COOH

H2N-CH-COOH

(CH2)4-NH2

COOHH3N-CH-COO

+ --OH

H+

K1

COOHH3N-CH-COOH

+-OH

H+

K2

COOH3N-CH-COO

+ --

-OH

H+

K3

COOH2N-CH-COO

--

Stałe dysocjacji dla Lys

(CH2)4NH3

H3N-CH-COOH+

+ -OH

H+

K1

(CH2)4NH3

H3N-CH-COO+

+

-

-OH

H+

K2

(CH2)4NH3

H2N-CH-COO

+

-

-OH

H+

K3

(CH2)4NH2

H2N-CH-COO-

25

RozpuszczalnośćJonowa budowa AA decyduje o ich rozpuszczalności – są polarne i większość AA kodowanych rozpuszcza się w wodzie. Są i trudno rozpuszczalne w wodzie:

Tyr0,05

His0,4

Asp0,5

Glu0,5

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.

(Cys)2 0,01 g/100cm3

H3N-CHR-COO+ -

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

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).

H3N H

COOOOC

MGN

+-

+

- Namonoglutaminian sodu – MGN

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 ijeńcom 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 jak fenyloketonuriaNadmiar Trp wywołuje u zwierząt doświadczalnych depresję, nawet przy diecie wysokobiałkowej.Nadmiar Cys i Met wywołują 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

C-COOHNH2H

L-fenyloglicyna składnik penicylin

CH2

OHOH

COOHH NH2

C DOPA

(3,4-dihydroksy-L-fenyloalanina)

powszechnie u ludzi, zwierząt i roślin, prekursor melaniny i katecholoamin; stosowana w leczeniu choroby Parkinsona

NHCH3

CH2-COOH sarkozyna

(N-metyloglicyna)

występuje powszechnieu zwierząt, roślini w mikroorganizmach

NH2

COOH kwas 1-amino-cyklopropano-karboksylowy

prekursor etenu, hormonu roślinnego, przyspieszającegodojrzewanie owoców

NH

COOHkwas (S)-azetydyno--2-karboksylowy

toksyczny, w konwaliach

30

H2N-CH2-CH2-COOH -alanina składnik koenzymu A (w kwasiepantotenowym),karnozyny, ściankomórkowych bakterii

NH2 NH2

HOOC-CH(CH2)3CH-COOH kwas 2,6-diamino-pimelinowy, mezo, DD lub LL

składnik ścian komórkowychbakterii

NH2

HS-CH2-CH2CH-COOH homocysteina metabolit metioniny,czynnik wpływającyna rozwój miażdżycy

NH2 NH

ONH

NH2

H COOHkanawanina(O-guanidyno-L-homoseryna

występuje w świecie roślinnym,np. w ziarnach soi, toksyczna, insect repelent

N COO

CH3

+ - homarin w niektórych ślimakach,bardzo toksyczny

31

N

OHO

H NH2

COOHmimozyna

w roślinie Leucaena leucocephala, depilator

O

I

OH

I

I

I

CH2 COOHH NH2

C L-tyroksyna w tarczycy

CH3

HOOC-CH2NH-CH-COOH strombina

(N-karboksymetyloalanina)

rybi atraktant

H2N-CH2CH2-SO3H tauryna w żółci w postaci kwasów taurożółcio-wych, wolna w mięsie ryb i skorupiaków

32

Zastosowanie aminokwasówdo wzbogacania wartości odżywczej pokarmów i pasz jako substancje smakowe

do karmienia pozajelitowegodo produkcji

aspartamu

leki

w syntezie peptydów

Substratychiralne

substratyw syntezie chemicznej

33

Lp Aminokwas Wielkość produkcji [t]

Główna metoda produkcji

Główne zastosowanie

1. Glu 800 000 fermentacja polepszacz smaku

2. Lys 350 000 fermentacja dodatek paszowy

3. D,L-Met 350 000 synteza chemiczna dodatek paszowy

4. Thr 15 000 fermentacja dodatek paszowy

5. Asp 10 000 kataliza enzymatyczna substrat aspartamu

6. Phe 10 000 fermentacja substrat aspartamu

7. Gly 10 000 synteza chemiczna dodatek do potraw, słodzik

8. Cys 3 000 redukcja cystyny dodatek do potraw, w farmacji

9. Arg 1 000 fermentacja w farmacji

10. Leu 500 fermentacja w farmacji

11. Ser 400 kataliza enzymatyczna substrat Trp, w farmacji

12. Val 500 fermentacja pestycydy, w farmacji

13. Trp 300 inżynieria genetyczna w farmacji

14. Ile 300 fermentacja w farmacji

Produkcja najpopularniejszych aminokwsów

34

Przemysłowe otrzymywanie aminokwasów

D-glukozaCorynebacterium

glutamicumCOOH

HH2N C

(CH2)4NH2

Lys

tryptofanowa

syntaza

NH

CHCH

CH2

OH

OHO P OH

O

OH

fosforan indo-lo-3-glicerolu

OHNH2

COOH+

Ser NNH2

COOH

Trp

COOH

HOOC

H

H

CH2COOH

NH2 H COOHC C

kwas fumarowy

+ NH3 Caspartaza

Asp

35

CH2=CH-CHO akroleina metanotiol

+ CH3SH CH3-S-CH2-CH2-CHO3-metylotiopropanal

NH2

CH3-S-CH2-CH-COOH

DL-Met1.H2SO4,tw., 1 godz.

2.NH3/HOH, (pH 5,5)

NH3, HCN 3 godz.

NH2

CH3-S-CH2-CH-CN

3-metylotio-1-amino-butyronitryl

metionina

36

Chemiczna synteza aminokwasów

Aminowanie halogenokwasów

BrR-CH-COOH NH3, nadmiar

- NH4Br NH2

R-CH-COOH R: H - Gly CH3 - DL-Ala

H2N(CH2)4CH2COOHkwas 6-aminoheksanowy

PhCOCl NH(CH2)4CH2COOHPhCO

Br2, P

Br

NH(CH2)4CHCOOHPhCO1. NH3

2. H+/HOH3. zobojetnienieNH2

H2N(CH2)4CHCOOHDL-Lys

Synteza Gabriela

BrNK

O

ONPht NH2

R-CH-COOK+ - KBr

R-CH-COOK 1. H+/HOH

2. NH3

R-CH-COOH

NH2NH2

37

Synteza z estru aminomalonowegoNa/EtOH

NaAcNHC(COOEt)2

CH2

AcNHC(COOEt)2CH2

H2N-CH-COOHDL-Phe

HAcNHC(COOEt)2

acetamidomalonian dietylu

CH2Br

- NaX

1. H+/HOH, - CO2

2.NH3

Synteza Streckera

CHO-NHCH(COOMe)2

formyloaminomaloniandimetylu

+ CH2O

metanal

MeONa

CH2OHCHO-NHC(COOMe)2

Reakcja Michaela

+ HCN NH31. H+/HOH

2. NH3

1. H+/HOH

2. NH3 CH2OHH2NCHCOOH

DL-Ser

CHO

benzaldehyd

CH CN

NH2

-aminonitryl

CH COOH

NH2

DL-fenyloglicyna

38

Alkilowanie glicyny, np. kondensacja Perkina

CHO

benzaldehyd

- HOHCH

NH O

Ph

O

OHC C

- HOH

N O

OCH

Phoksazolon

1. H+/HOH

2. NH3

CH2 CH COOH

NH2 DL-Phe

NHBz

CH2COOH

+

kwas hipurowy

Alkilowanie zasady Schiffa – aminoacetonitrylu

H2N-CH2COOH

glicyna

kwaśne atomy wodoru

H2N-CH2-CN

aminoacetonitryl

Ph2C=NCH2CN

zasada Schiffaaminoacetonitrylu

39

CH3CH2CH2Brbromek n-propylu

:B-

NH=Ph2

CH3CH2CH2CHCN

1. H+/HOH 2. NH3

NH2

CH3CH2CH2CHCOOHkwas 2-aminopentanowy

CH2CN zasada Schiffaaminoacetonitrylu

+N=CPh2

Alkilowanie hydantoiny glicyny

O

HCH3C

etanal

:B-

O

HCH2C- O

HCH2=C

- OH2N-C-NH2

kwaśne atomy wodoru

NH NH

O

OHH

hydantoina glicyny

NH NH

O

OHH

hydantoina glicyny

BrCH2 CH2NH NH

O

OH1. H+/HOH

2. NH3

CH2 CHCOOHNH2DL-Phe

40

Redukcyjne aminowanie -ketokwasówCOOH

OR C

ketokwas

NH3 COOHNH

R Ciminokwas

H2/Pd CH COOHNH2

Raminokwas

Syntezy specyficzne

Clchloroakrylonitryl

CH2=CCNBzl-SH +toluenotiol

CH2 CHCNSBzl Cl 2. NH3

1. H+/HOH

CHCOOH

CH

CH3kwas krotonowy

HOBr

(Br2/HOH)

1. Ac2O2. SOCl2

4. NH3

3. H+/HOH

COOH

CH3

DL-Thr

CHHC

HONH2

NH3

COOH

CH3

COOH

CH3

BrOH

HCHC

BrHO

CHCH

+

COOH

CH3

COOH

CH3

NH2

OHHCHC

H2NHO

CHCH

+

DL-allo-treonina

CH2 CHCOOHSBzl NH2 Cys(Bzl)

41

Synteza aminokwasów znaczonych radioizotopami

CHO

CHO

CHOH

CHOH

CN

CN

N

NO

O

H

N

NO

O

H

CHNH2

CHNH2

COOH

COOH

(CH2)3 + K14CN (CH2)3NH4HCO3 (CH2)3

H

H14

14

1. H+/HOH(CH2)3

14

14

2. EtOLi

aldehydglutarowy

cyjanohydrynaaldehyduglutarowego

dihydantoinakwasu diamino-heptanowy

kwas DD/LL, mezo-(114C, 714C)-2,6-di-aminoheptanowy

14

14

Synteza prebiotyczna

CH4 + NH3 + HOH MIESZANINA AMINOKWASÓWi inne ZWIĄZKI ORGANICZNE

CH4 + NH3 + H2S + HOH MIESZANINA AMINOKWASÓWi inne ZWIĄZKI ORGANICZNE

lawa wulkaniczna

UV,

lawa wulkaniczna

UV,

42

Aminokwasy chiralnie czysteOtrzymywanie: 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

czystość optyczna – o.p. – (ang. optical purity)

nadmiar enenacjomeryczny – e.e. – (ang. enanctiomeric excess)

Jeżeli o.p. = 95%, to e.e. = 90%zawartośćczystego enancjomeru w mieszaninie

zawartość enancjomeru w mieszaninie

o.p. =[L]

[D + L]100

e.e. =[L] - 0,5[DL]

[L] + 0,5[DL]100

43

PRZYKŁADY SYNTEZ CHIRALNYCH AMINOKWASÓW

1. Syntezy Kagana i Coreya

COO

MeOOCCH2 HC

-

+H3N

Y = 100%, e.e. = 98%

(S)--asparaginian metylu

ON

H

HCHCOOMePh

PhO H2/Pd

HOHPh

H

Ph

H NH2

COOMe

COOMe

C C +

(1S,2R)-1,2-difenylo--2-aminoetanol

C

C ON

H

HCH2COOMePh

PhO

H

1. H2/NiRa 2. H+, HOH

2. Uwodornienie ,-nienasyconych AA zawierających chiralny podstawnik

NHAc

(CH3)2C=CCO-(S)-PEA

fenyloetyloamina (PEA)

H2/PdAc-(R)-Val-(S)-PEA

e.e. = 39%N-acetylo-(R)-walilo--(S)-fenyloetyloamina

44

3. Redukcja wobec chiralnych katalizatorówRozpuszczalne katalizatory rodowe, zawierające chiralne ligandy umożliwiają otrzymywanie związków chiralnych z dużą wydajnością chiralną.

NHAcPh-CH=C-COOR

H2/kat.

NHAcPh-CH2CH-COOR

Kat.: Rh2LClL:

PN

PhPh

CH2CH2

PN

PhPh

PhHCH3

PhH

CH3C C

Ac-Phe-OMe; R: a = H; b = CH3

katalizator substrat rozpuszczalnik Y % e.e. (R)Rh2LCl b benzen 87 9

Rh2LCl b metanol 89 66

Rh2LCl a metanol 99 80

[RhL2]+BF- b benzen 90 83

[RhL2]+BF- b metanol 91 67

[RhL2]+BF- A metanol 90 82

[RhL’2]+BF- b metanol 100 86

O

OO

PPh2

NCL':

45

Osadzenie katalizatora na stałym nośniku ułatwia jego regenerację

Bz--Phe-(S)-Phe-OMe Bz-(R)-Phe-(S)-Phe-OMe

wyd. chem 100%RS/SS 99,2/0,8

polimer

kat. chiralny

H2

OH

RhCl rozpuszczalnik

O O

COO

PPhPhP

H H

8% 92%

Do indukowania chiralnego centrum można wykorzystać związki naturalne.

1. H2/Pd/jedwab

2. hydroliza

CH2 COOH

H NH2

C(R)-Phe30-70% e.e.

OO

HCCH3

4-benzylideno-2-metylo-5-oksazolon

46

5. Redukcja borowodorem zawierającym chiralne grupy

BH3

-pinen

BH2

R1.

2. H2O2

OHH

R

2. NH2SO2OHNH2 H

R

47

6. Metody mikrobiologiczne i enzymatyczne przemysłoweotrzymywanie aminokwasów

ropa naftowaCorynebakterium

NH4NO3

Glu + Ala + Asp

NH

CH2(CH2)3CH(NH2)CO

DL--aminokaprolaktam

hydrolaza

L-aminokapro-laktamowa

Lys + D--aminokaprolaktam

racemaza -aminokaprolaktamowa

NH2

D-glukozacorynebacterium

glutamicum+ NH3 H2N(CH2)4CHCOOH Lys

(50%)

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

(R,S)-RCH(NH2)COOH racemicznyaminokwas

Bchiralnazasada

+ (R)-(R)-RCH(NH2)COO (R)-BH

+-

+

(S)-RCH(NH2)COO (R)-BH+-

diastereomeryczne sole(R,S)-RCH(NH2)COOH

racemicznyaminokwas

AHchiralnykwas

+ (R)-NH3 NH3(R)-

+- + -(R)-RCHCOOH

A+

(S)-RCHCOOH(R)-A

diastereomeryczne sole

49

Diastereoizomeryczne sole rozdziela się najczęściej poprzez krystalizacjęCHO-DL-Phe + brucyna

MeOH CHO-D-Phe.brucynaz prze-sączu

CHO-L-Phe.brucyna

chiralne zasady: fenyloetyloamina, nitrofenyloetyloamina, naftylofenyloamina, brucyna, efedryna

chiralne kwasy: kw. dibenzylowinowy, kw. D-kamforosulfonowy

Pochodne diastereoizomeryczneAminokwasy 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

OH

(-)-mentol

DCC HOBt

Do przekształcania DL-AK w estry można użyć np. mentolu

Peptydy też mogą służyć do rozdzielania stereoizomerów.

CHO-DL-NH-CH-COOH(CH2)3Br

kwas N-formylo-DL-5--bromo-2-aminopentanowy

+ D-AlaONBzlester p-nitrobenzylowyD-alaniny

CHO-D-5-Br-Ape- + CHO-L-5-Br-Ape-Ape : kwas 2-aminopentanowy

D-AlaONBzl D-AlaONBzl

Metody chromatograficzne A. Stacjonarne fazy chiralneB. Chiralne fazy ruchome

Krystalizacja spontaniczna

przesycony roztwór DL-AA kryształek D-AA D-AA

51

Metody enzymatyczne

synteza chiralna

Ac-DL-Leu NH2+ HNAc-L-Leu-Ac-D-Leu +

anilid AK

papaina

Hydroliza enzymatyczna

Ac-DL-AAacylaza nerkowa

L-AA + Ac-D-AA

DL-AA-OResteraza trzustkowa

L-AA + D-AA-OR

Za pomocą proteaz można hydrolizować wiązania estrowe na centrum L.

CHNHZCOOMe

CHNHZCOOMe

(L)

(CH2)3

(D)

proteaza typu VIII

NaHCO3, DMF/HOH

CHNHZCOO

CHNHZCOOMe

(L)

(CH2)3

(D)

- +Na

52

Utlenienie enzymatyczne i dekarboksylacja

DL-AA

oksydazaD-aminokwasowa

L-AA

oksydazaL-aminokwasowa D-AA

Chromatografia cienkowarstwowa i bibułowa

x

próbka

x x x

wzorce

startrozpuszczalnik(faza ruchoma)

czołorozpuszczalnika

al

Rf = al

53

Chromatografia cieczowa

pompakolumna

nastrzykpróbki

składnikifazy ruchomej

- rozpuszczalniki

detektor

rejestrator

kolektor

schemat ideowy HPLC

Analizator aminokwasowy

54

Pierwsze próby rozdzielania enancjomerów AA

55

Rozdzielenie enancjomerów mieszaniny aminokwasów

56

Chromatogram rozdzielonych enancjomerów wszystkich AA kodowanych

1 – Asp, 2 – asp3 – Glu, 4 – Asn,5 – glu, 6 – Ser,7 – asn, 8 – ser,9 – Gln, 10 - gln11 – 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

HPLCŚladowe ilościZ-D-Phe-L-Phe-OMew Z-L-Phe-L-Phe-OMe

Elektroforeza

skręcalność właściwa

skręcalność molowa

[M] =Mt

[] =100 lc

t

MM: masa molowa

[] =100lc l

t

c: stężenie w g/100 ml

l: długość rurki polary- metrycznej w dm

58

Czystość chiralna aminokwasów komercyjnychAminokwas lub jego pochodna

Zawartość drugiego enancjomeru [%]

Aminokwas lub jego pochodna

Zawartość drugiego enancjomeru [%]

Ala 0,03 Leu 0,02D-Ala 0,07 D- Leu 1,0Boc-D-Ala 0,03 Boc-D-Leu 0,1Asp 0,02 Met 0,02D-Asp 0,2 D-Met 0,2Glu 0,03 Boc-D-Met 0,03D-Glu 1,1 Sera 1,2Boc-D-Glu 0,03 Serb 1,9His 0,01 Ser(Bzl) 0,1D-His 0,04 Ser 0,06

59

Skręcalność właściwa i molowa niektórych AA (t = 25oC, c = 1-2)

aminokwas []D w HOH []D w HCl []D w AcOH [M]D w HOH

Ala 1,8 15 33 1,6Arg 12 28 29 22Asn -5,6 -5,6 29 -7,4Cys -16 6,5 13 -20

(Cys)2 -212 -232 - -501 w HCl

Phe -34 -4,5 -7,5 -57Ser -7,5 15 - -7,9Tyr - -11 19,9 -Val 5,6 28 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 PeptidesLisa 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