A természetes vegyületek néhány alaptípusa

Átírás

1 A természetes vegyületek néhány alaptípusa 1. ukleinsavak, nukleotid koenzimek 2. Aminosavak, peptidek, fehérjék 3. Mono-, di- és oligoszacharidok 4. Izoprenoidok terpenoidok karotinoidok szteroidok 5. xigéntartalmú természetes vegyületek ketidalapú poliéterek, polilaktonok és polilaktámok flavonoidok 6. Alkaloidok 1

2 1) Izoprenoidok izopentán C 6 glükóz izoprén-szabály izoprén C 3 - C 1 C 2 3x mevalolakton - C 1 PP izopentenil difoszfát IPP + hemiterpén C 3 C 5 P dezoxixilulóz foszfát DXP izom. PP dimetilallil difoszfát DMAPP 2

3 i) Terpenoidok 2x IPP monoterpén (C 10 ) 2x 3x IPP szeszkviterpén (C 15 ) triterpének szteroidok 4x IPP diterpén (C 20 ) 2x karotinoidok (C 40 ) 5x IPP szeszterterpén (C 25 ) Illeszkedés módjai: láb - fej láb - láb fej - fej Igen elterjedtek a természetben, elsősorban a növényvilágban (több ezer származék ismeretes) különösen illóolajokban Egy vagy több =, -, -R, -CR, C cisz-transz és R-S izoméria Adott alapvázak stb. 3

4 éhány jellegzetes képviselőjük: geraniol (Pellargonium fajokban) nerol (narancsvirágban) linalool (gyöngyvirágban) limonén (citrom, narancs) * * mentol kámfor 4

5 Biogenetikai átmenet a terpenoidokból a szteroidokba szkvalen (cápából), triterpén elektrociklizáció + + lanoszterin szteroid - + 1,2-vándorlás ( és C 3 ) 2 8 (=256) lehetséges sztereoizomer de általában csak egy képződik 5

6 ii) Karotinoidok Tetraterpének, több mint 700 ismeretes,,őszi színek: paradicsom, paprika, kukorica, őszi levél sárga, narancs, vörös, ibolya számos = E-Z geometriával, oxigén funkciós csoportok: -, -R, C C C C R stb. b-karotin retinol (A 1 vitamin) E retinal (all-transz) (a látóbíborban) hn 11-cisz-retinal Z a látás molekuláris alapja 6

7 iii) Szteroidok Többszáz természetes és több ezer (fél)szintetikus képviselőjük ismeretes 2 3 A C D B szterán váz merev vázon kettőskötéseket, alkil oldalláncot, oxigén funkciós csoportokat (, -C, -C-, -C, észter, lakton, stb.) tartalmaz transz-anti-transzanti-transz a legtöbb természetes vegyületben cisz-anti-transz-anti-transz epesavakban cisz-anti-transz-szin-cisz digitálisz glikozidokban 7

8 8 Szteránvázas nemi hormonok ösztradiol ösztron tesztoszteron androszteron ői: Férfi: aromás aromás alifás alifás

9 2) Alkaloidok tartalmú (rendszerint heterociklusos), közepes (de néha gyengén) bázikus, növényi (de néha állati) eredetű természetes vegyületek, rendszerint jelentős biológiai aktivitással. A nitrogén forrása általában aminosav, vagy belőle képződő biogén amin. éhány fontosabb biogén amin 2 - C 2 2 szerin aminoetanol acetilkolin C 3 C C C lizin 2 pentametiléndiamin - C glutaminsav g-amino-vajsav 9

10 - C tirozin tiramin - C hisztidin hisztamin - C triptofán triptamin 10

11 Biogén aminok A biogén aminok az aminosavak dekarboxileződésével képződnek. Közülük az emberi szervezetben néhány ingerületátvivő anyagként működik (például hisztamin, 5-hidroxitriptamin [szerotonin]). Ezen túlmenően élelmiszerekben is előfordulnak tiramin, hisztamin (sajt, bor) szerotonin (banán, dió) Bizonyos biogén aminok emberi szervezetbe történő bevitele, illetve szervezetben történő felszabadulása allergiás reakciót okoz (hisztamin). 11

12 i) Alifás aminosavakból levezethető alkaloidok lizinből ornitinből koniin (Conium maculatum) C 3 nikotin (icotiana tabacum) 3 C C 3 p i r r o l i d i n o r n i t i n b ő l p i p e r i d i n a l k o h o l : t r o p i n 3 C (-)-kokain (Erythroxylon coca) erős lokalanesztetikum, de veszélyes kábítószer t r o p á n v á z (-)-hioszciamin (yoscyamus niger) (±)-atropin (Atropa belladonna) paraszimpatolitikum s a v : t r o p a s a v 12

13 ii) Fenilalaninból levezetett alkaloidok X 2 X C X Pictet-Spengler (Mannich) X X -2 X morfinán X benzil-izokinolin 13

14 3 C 5 C 2 3 C 5 C 2 C 3 C 2 5 C 3 C 2 5 papaverin (Papaver somniferum-ból) simaizom görcsoldó drotaverin (szintetikus) simaizom görcsoldó 14

15 iii) Morfinalkaloidok 3 C R 1 R 2 R 1 R 2 morfin Me kodein Ac Ac heroin (Papaver somniferum-ból) morfin: kiváló fájdalomcsillapító, de veszélyes kábítószer kodein: jó köhögéscsillapító heroin: veszélyes kábítószer 15

16 iv) Triptofánból levezetett alkaloidok 2 tript ofán 2 tript amin + 3 C szekologanin 3 C 3 - sztriktozidin 3b- vinkozid 16

17 v) Rubánvázas (Cinchona) alkaloidok (szekologaninból) kinuklidingyűrű rubánváz kinolingyűrű (triptaminból, indol szárm.) R R = (-)-cinchonin C 3 (-)-kinidin (Cinchona succirubra) A kinin jelentős maláriaellenes hatású szer. R R = (-)-cinchonidin C 3 (-)-kinin 17

18 vi) Anyarozs (ergot) alkaloidok izopentenilpirofoszfátból C 3 Et 2 C3 lizergsav-dietilamid (LSD) (veszélyes hallucinogén) triptaminból lizergsav: C izolizergsav: C C 3 (-)-ergometrin a méhizomzat összehúzódását okozza Ala C 3 Phe Pro (Claviceps purpurea-ból) (-)-ergotamin dihidroszármazéka migrénben hasznos 18

19 3) Szénhidrátok Cukrok fontossága: A Földön évente 200 milliárd tonna biomassza képződik, amelynek 75%-a szénhidrát, de ennek csak 3%-át hasznosítják. Somsák, L.; Vágvölgyiné Tóth, M.: Az élet megfejtéstre váró titkosírása, a szénhidrátkód. Magyar Kémikusok Lapja, LXIV. évf sz., 2009,

20 Biológiai szerepük 1. Energiahordozók övényekben: n C 2 + n 2 = (C 2 )n + n 2 fény hatására (fotoszintézis) Az emberi szervezetben a glükóz lebontása a fő energiatermelő folyamat. (C 2 ) = 6 C kcal 2. Vázanyagok polimer láncok: cellulóz a növényekben és a kitin az állatokban. 3. Biológiai információt hordoznak glikolipidek, glikoproteinek: sejtadhézió, sejtosztódás gátlása; vírusok, baktériumok, hormonok és toxinok sejtfelszínen történő megkötődése; immunválasz irányítása, ivarsejtek egymásra találása. DS, RS: genetikai információ hordozói, dezoxi-ribóz, ribóz 4. Királis vegyületek olcsó alapanyagok, kiindulási anyagok más természetes anyagok előállításához 20

21 A cukrok felépítése C:: = 1:2:1 arányban tartalmazzák C n ( 2 ) n szén hidrátjai (formálisan!) ( C 2 ) n (C 2 ) n n=1 C formaldehid C 2 + C 2 C + C 2 C C 2 + C 2 C 2 * C C C 2 aldehidcukor C 2 ketocukor Királis szénatom (*C), antipodok vagy enantiomerek A szénlánc hossza (n) szerint: trióz, tetróz, pentóz, hexóz, heptóz, stb. 21

22 Szénhidrátok (glikánok) = polihidroxi oxovegyületek xocsoport minősége szerint: Aldózok Ketózok Cukor egységek száma szerint: 1. Egyszerű cukrok: monoszacharidok, savas hidrolízissel nem bonthatók kisebb egységekre 2. Összetett cukrok: oligoszacharidok és poliszacharidok, savas hidrolízissel kisebb egységekre bonthatók Szénlánc hossza szerint (n): Trióz (n=3), tetróz (n=4), pentóz (n=5), hexóz (n=5), stb. 22

23 D-ALDEXÓZK C 2 + C D-(+)-glicerinaldehid TETRÓZK C 2 C 2 D-(-)-eritróz D-(-)-treóz C 2 C 2 C 2 C 2 D-(-)-ribóz D-(-)-arabinóz D-(+)-xilóz D(-)-lixóz PETÓZK C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 EXÓZK C 2 D-(+)-allóz D-(+)-altróz D-(+)-glükóz D-(+)-mannóz D-(-)-gülóz D-(-)-idóz D-(+)-galaktóz D-(-)-talóz 23

24 A cukrok szerkezete C C C C C C 2 C C 2 D-glükóz (D-Glc) C C 2 enantiomerek C C 2 L-Glükóz (L-Glc) C C 2 C 2 C 2 D-mannóz D-fruktóz epimerek aldóz ketóz 24

25 Az optikai aktivitás eredete, szénhidrátok kiralitáscentrumának kiépülése a természetben 25

26 26

27 R A C A gyűrűs szerkezetű cukrok konformációjának ábrázolása R C C R C R C R hidrát félacetál acetál R R Aldózok és ketózok esetén ha van lehetőség rá, 5-vagy 6-tagú gyűrűs félacetálok keletkeznek. C 2 D-glükopiranóz (Glcp) C C 2 A C C 2 D-glükofuranóz (Glcf) tetrahidropirán tetrahidrofurán 27

28 A Fischer-féle konvenció értelmében az új királis centrumot (A = anomer szénatom) -val jelöljük, ha az anomer (glikozidos) hidroxilcsoport a konfigurációt meghatározó centrummal azonos térállású, tehát a Fischer-képletben azzal cisz helyzetű. A másik anomert b-val jelöljük. C ( C)n mutarotáció C ( C)n C C C 2 C 2 "1,2-cisz" D- "1,2-transz" b-d- [ ] 20 D = alfa anomer > béta anomer (a D sorban): mutarotáció Anomerek: diasztereomeria speciális esete 28

29 Gyűrűs szerkezetek ábrázolása b-d-glükopiranóz C C C 2 2 C C C 4 6 C Fischer 1892 aworth 1929 C 2 Mills

30 30

31 Gyűrűs szerkezetek ábrázolása A Reeves féle konformációk glükopiranóz gyűrű esetén axiális ekvatoriális a B 1 4 C 1 1C 4 4C 1 1 C 4 C = Chair (szék) B = Boat (kád) 31

32 A D-glükóz egyensúlyi rendszere 2 C -D-Glcp anomerizáció (mutarotáció) 2 C b D-Glcp b 2 C C C 2 -D-Glcf anomerizáció C 2 b -D-Glcf b 32

33 33

34 2 C -D-Glcp anomerizáció (mutarotáció) 2 C b D-Glcp b 20 [ D o egyensúly vizes oldatban 20 [ D + 18 o (36%) [ o D (64%) 34

35 glükonsav ( -lakton) xidációs reakciók b 2 g Br 2 Redukáló cukrokat onsav-vá lehet oxidálni: Fehling-reagens: I.: vizes CuS 4 II.: lúgos K-a-tartarát elegye: Cu 2 C D-glükóz C Tollens-reagens: Ag 3 vizes ammóniás oldata: ezüsttükör 3 2, 100 C C 2 C glükársav 35

36 Laktonképzés C 1 C C C 2 C C D-glükársav-1,4-lakton D-glükársav D-glükársav-3,6-lakton D-glükársav-1,4;-3,6-dilakton 36

37 C C C a(g) D-glükársav-1,4-lakton P P Uronsavak C 2 C C R C D-glükuronsav C R UDP-glükuronsav R-glükuronid C 2 C-vitamin (L-aszkorbinsav) 37

38 Szénhidrátok jelentősége 1) Biokémiai folyamatok C-vitamin nukleinsavak dezoxicukrok: DS 2) Gyógyszermolekulák Antibiotikumok Vakcinák C 2 dezoxi-d-ribóz dezoxi-aminocukrok 2 D-galaktózamin: heparin 38

39 Gyógyszermolekulák Digitoxin - ( Digitalis purpurea) szívhatású glikozidok 3 D-digitoxóz + digitoxigenin aglikon C 3 C 3 3 C 39

40 40

41 4) Antibiotikumok b b Et 2 2 éter Et b 3 b 2 1 propano-3-lakton b -propiolakton gyűrűs észter propano-3-laktám b -propiolaktám gyűrűs savamid (antibiotikumok) Y u Y u u u Y 3 C S C Ph Ph C C Ph [2+2] cikloaddíció 3 C S Ph Ph Ph propano-3-tiolakton b -propiotiolakton gyűrűs tioészter 41

42 i) β-laktám antibiotikumok Penicillinek Cefalosporinok Antibiotikum: (S.A. Waksman) olyan természetes vegyület, amelyet mikroorganizmus (pl. gomba) vagy magasabb rendű szervezet termel más mikroorganizmusok (pl. baktériumok) ellen, ami által azok élettevékenységét gátolja. Az antibiotikumokra a kis koncentrációban való hatékonyság a jellemző. A penicillinek b-laktám gyűrűje savra, lúgra és penicillináz enzimre érzékeny. Széles spektrumú penicillinek is léteznek már (l. mikrobiológia). A b-laktám antibiotikumok másik csoportja a cefalosporinok (kefalosporinok, 1948). Ezek penicillináz enzim rezisztensek. A baktérium penicillináz/kefalosporináz enzimet termel, amelynek következtében ellenálló lesz az adott penicillin/kefalosporin származékra. Így mindig újabb penicillin/kefalosporin származékokat kell előállítani. Totálszintézisük is megoldott, de fél-szintézissel állítják elő az új származékokat. Fermentációs eljárást kémiai módszerrel kombinálják (biotechnológia kezdete). Klavulánsav: b-laktamáz gátló, antibiotikus hatása kicsi. A klavulánsavat a Streptomyces clavurigeus termeli (ez a gomba penicillint és kefamicint is termel). Augmentin amoxicillint és klavulánsav-káliumsót tartalmaz. 42

43 b -Laktám antibiotikumok Alapvázak azetidin + tiazolidin azetidin + [1,3]tiazidin S S penam laktám Penicillium notatum cefam laktám Cefalosporium acremonium S aminopenicillánsav C 3 6-APS C 3 penicillináz enzim hasítja penicillinek "-cillin" 7-aminocefalosporánsav 7-ACS cefalosporináz enzim 2 hasítja cefalosporinok "cef(a)-" S 3 2 C 3 C 2 C 2 C C C 3 benzilpenicillin G-penicillin cefalexin oxacillin C 3 6 S cefalotin 7 3 C 3 43

44 R S C 3 Klavulánsav C R X Y Penicillinek C 3 C C Z 3 C Y Z C Penémek (Y=S) Karbapenémek (Y=C 2 ) b -Laktám alapváz 3 C Y S C Tienamycin (R=) Cefalosporinok (X=, Y=S) Cefamicinek (X=C 3, Y=S) R P K C R 3 2-Azetidinon-1-foszfonát R X S 2 K Monobaktámok 44

45 ii) Glikozid típusú antibiotikumok em polién típusú makrolid antibiotikumok Aglikonjuk makrociklusos laktongyűrűt tartalmazhat eritromicin-a 45

46 Polién típusú makrolid antibiotikumok A nisztatin aglikonja a konjugált polién szerkezeti egység mellett egy gyűrűs ketál részt is tartalmaz nisztatin 46

47 iii) Policiklusos antibiotikumok Antraciklin-glikozid antibiotikumok négy, lineárisan kondenzált (részben hidrált) aromás gyűrűt tartalmaz, amelyhez szénhidrát is kapcsolódik Rákellenes hatásúak daunomicin Doxyl 47

48 Tetraciklinek nem glikozid típusú tetraciklusos antibiotikumok Amfoter vegyületek (erős savakkal és bázisokkal egyaránt kristályos sókat képeznek) 5-oxitetraciklin 48

49 5) ukleinsavak Első elkülönítés: Miescher vízben és híg savban oldhatatlan, de lúgban oldódó, foszfortartalmú anyag Két típus: RS (RA) /ribonukleinsav/ DS (DA) /dezoxiribonukleinsav/ -sejtplazmában -sejtmagban -peptid / fehérje szintézis vezérlése (messenger-, transfer-rs) -genetikai információ tárolása 49

50 Erélyes hidrolízis: (cc. sav /pl. 72 % perklórsav, 100 o C, 1 h /) 1. Foszforsav : 2. Pentózok: (D-Ribóz illetve 2-dezoxi-D-ribóz) RS 4' 3. Bázisok: RS P 5' 1' 4' 3' 2' 5' 1' 3' 2' DS DS C 3 uracil (U) adenin (A) citozin (C) guanin (G) timin (T) 50

51 Enyhébb hidrolízis: (cc. lúg /pl. cc. 3, 175 o C, 3 h /) I. Pirimidin nukleozidok: RS 2 UKLEZIDK (bázis+cukor) azaz a bázisok -glikozidjai 2 DS citidin dezoxicitidin 3-b-D-ribofuranozilcitozin 2' 3-(2 -dezoxib-d-ribofuranozil)citozin 2' C 3 uridin timidin 2' 2' 51

52 II. Purin nukleozidok: RS 2 2 DS 2' 2' adenozin dezoxiadenozin 2 2 guanozin 2' 2' dezoxiguanozin 52

53 Még enyhébb hidrolízis: (enzimmel, híg lúggal /pl. 1 a, 30 o C, 20 h /, vagy közepes savval /pl. 1 Cl, 100 o C, 1 h /) UKLETIDK (bázis+cukor+foszforsav) A foszforsav a DS-ben két, az RS-ben 3 helyen észteresítheti a cukor komponenst. A citidin esetében például: 2 nukleotid = nukleozid+foszforsav 2 2 5' 5' P 5' 3' 2' 3' 2' 3' 2' P P citidin-2 -foszfát (2 -CMP) citidin-3 -foszfát (3 -CMP) citidin-5 -foszfát (5 -CMP) 53 citidilsav CMP = citidin mono phosphate

54 54 5 -foszfátok uridilsav timidilsav citidilsav I. Pirimidin nukleotidok: RS DS 2-dezoxicitidilsav P 2' 3' 5' C 3 P 2' 3' 5' 2 P 2' 3' 5' 2 P 2' 3' 5'

55 55 adenilsav guanilsav II. Purin nukleotidok: RS DS 2-dezoxiadenilsav 2-dezoxiguanilsav 2' 2 P 3' 5' 2' 2 P 3' 5' 2' P 2 3' 5' 2' P 2 3' 5'

56 Koenzim-A (CoA) 2 S R P P 5' R= : koenzim-a R=acetil : acetilkoenzim-a 3' 2' acetilezéseket katalizáló enzim pl. anyagcsere folyamatokban 56

57 ikotinamid-adenin-dinukleotid (AD + ) Biológiai oxidálószer: oxidálja (dehidrogénezi) pl. a cukrokat, zsírokat, azaz energiát termel 2 2 nikotinamid ribóz 2' 5' 3' P P 5' 3' 2' ribóz adenin ikotinsav = 3-piridinkarbonsav pirofoszfát foszforsavésztere: ADP 57

58 ukleinsavak térszerkezete 58

59 Cukor Foszfor atom 59