Investice do rozvoje vzdělávání
Inovace studia molekulární a buněčné biologie
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Investice do rozvoje vzdělávání
Předmět: LRR CHPB II./Chemi pro Biology II.
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Investice do rozvoje vzdělávání
Stereochemie organických molekul a izomerie. Biogenní prvky.
Lucie Szüčová
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Investice do rozvoje vzdělávání
Osnova:
stereochemie organických sloučenin izomerie strukturní, optická, geometrická racemická směs, dělení racemátu optické antipody
Klíčová slova: izomerie, optické antipody, racemát, geometrická izomerie biogenní prvky
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Základní stavební prvek: uhlík základní stavební prvek živé hmoty uhlík může tvořit vazby C-C, tzn. vytváří řetězce a kruhy 4 elektrony v poslední slupce mohou vytvářet 4 kovalentní vazby, celá řada funkčních skupin může přispívat k rozmanitosti života
Izomerie organických sloučenin Izomerie: pokud mají dvě látky stejný molekulový vzorec a jiné strukturní uspořádání, liší-li velice pravděpodobně také ve svých chemických a fyzikálních vlastnostech a tento jev nazýváme izomerie. Izomery: jsou pak tedy látky, které mají stejný molekulární vzorec ale rozdílnou strukturu Strukturní, geometrická, optická
První historické zmínky o izomerii první zmínky z roku 1825 Friedrich Woehler připravil kyselinu kyanatou a zjistil, že má stejné složení prvků jako kyselina fulminová,ale její vlastnosti se liší!!! (do té doby se myslelo, že se látky liší jen pokud složeny z jiných prvků)
V roce 1849 Louis Pasteur krystaly obou enantiomerů kyseliny hroznové Konformaci jednotlivých enantiomerů zjistil pomocí měření otáčení roviny polarizovaného světla (polarimetrie).
Strukturní (konstituční) izomerie izomery mají stejný souhrnný (molekulový) vzorec ale jiné vnitřní uspořádání a) řetězcová (větvení řetězce) b) polohová (poloha nás. vazby) c) funkční (změna dotýkající se fční skupiny)
Stereoizomerie izomerie strukturně jsou izomery stejné, liší se geometrií: uspořádáním v prostoru patří sem enantiomery (optická izomerie) dále pak diastereomery – tyto se dělí na a)konformační izomery b)geometrické izomery
Optická izomerie: enantiomery enantiomery (zrcadlově uspořádané molekuly, jako předmět a jeho obraz v zrcadle, jedna např. biologicky aktivní, druhý neaktivní vždy,podmínkou je přítomnost: asymetrického (chirálního) uhlíku: se čtyřmi různými substituenty buňka schopna enantiomery rozlišit! thalidomid– nešťastná směs dvou enantiomerů: zmírnění ranních nevolností v těhotenství, druhý: nevratné poškození plodu L-Dopa (zmírnění příznaků Parkinsonovy choroby, D-Dopa žádný efekt)
Optická izomerie: enantiomery
látky s chirálním uhlíkem mají tzv. schopnost optické otáčivosti: stáčejí rovinu polarizovaného světla (opticky aktivní) Směs stejných množství pravotočivé a levotočivé látky vytváří opticky neaktivní (inaktivní) látku, tedy látku, která polarizační rovinu nestáčí (racemická směs, racemát) Příkladem může být opticky nenaktivní kyselina hroznová, což je směs stejných množství pravotočivé a levotočivé kyseliny vinné. optické izomery se značí L- (levo) a D(pravo) točivé
Racemát a optické antipody optické antipody jsou dve enantiomerní formy mají v podstatě stejné fyzikální vlastnosti právě až na optickou aktivitu (rozdílná) smísením těchto antipodů ve stejném poměru: vzniká racemát, racemická směs (v tuhé fázi) aktivita jednoho antipodu je rušena aktivitou druhého bod tání racemátu je nižší než u jednotlivých izomerů a jeho rozpustnost je vyšší pod pojmem „štěpení“ racemátu na optické antipody se rozumí rozdělení směsi na izomery tak, že se získá jeden antipod v opticky čistém stavu většina látek s chirálními molekulami existuje v přírodě v opticky čisté formě (cukry, steroidy, terpeny, alkaloidy atd.) synteticky často racemát (L+D) a ten se štěpí na optické antipody
Odlišnost opticky aktivních látek Chemickými a fyzikálními vlastnostmi se optické izomery většinou příliš neliší Výjimkou je pouze biologická aktivita Obě formy rozdílně interagují s enzymy, účinky látek na živý organismus jsou tedy odlišné V živé hmotě se proto většinou nachází příslušná látka jen s jednou možnou konfigurací. Např. všechny aminokyseliny jsou v bílkovinách v L formě.
www.wikipedia.org
Příklady opticky aktivních látek Při použití nesprávné konfigurace např. při výrobě léčiv lze dosáhnout nevratných změn v lidském organismu. Např. Thalidomid, účinná látka z léku prodávaného mezi roky 1957 a 1961 v téměř 50 zemích jako antiemetikum proti ranním nevolnostem těhotných žen, jehož jeden enantiomer působí proti ranním nevolnostem zatímco druhý enantiomer je teratogenní
www.wikipedia.org
Konformační izomery Konformace je termín označující různá uspořádání molekul jedné sloučeniny, nejčastěji se používá u uhlovodíkových (organických) sloučenin Konformační variabilita je možná díky vnitřní rotaci částí molekul okolo jednoduchých vazeb
„vaničková“ konformace cyklohexanu
Sloučeniny s dvojnou vazbou díky přítomnosti π hybridizovaného orbitalu tuto vlastnost ztrácejí nejznámější je „židličková“ a „vaničková“ konformace u molekuly cyklohexanu „židličková“ konformace je stabilnější než její „vaničková“ varianta
www.wikipedia.org
„židličková“ konformace cyklohexanu
Geometrické izomery •odlišují se v prostorovém uspořádání v organické chemii je tato izomerie dána přítomností neohebné dvojné vazby: velká odlišnost v biologických funkcích molekul v případě dvojné vazby dochází ke vzniku izomerů cis (oba substituenty na jedné straně dvojné vazby) a trans (substituenty v diagonální rovině vůči dvojné vazbě)
Biogenní prvky ze všech známých 92 prvků přibližně 25 prvků nezbytně nutných pro život uhlík (C), kyslík (O), vodík (H) a dusík (N) 96% živé hmoty fosfor (P), síra (S), vápník (Ca), draslík (K), sodík (Na), chlor (Cl), hořčík (Mg) tvoří dohromady necelá 4% živé hmoty Dále také známe tzv. prvky stopové (Cu, Zn, Mn, Fe, ...), které tvoří méně než 1% živé hmoty,ale jejich výskyt v organismech je nezbytný zelené rostliny: ve formě jednoduchých anorganických sloučenin např. živočichům nestačí jakákoliv sloučenina síry, ale potřebují jednotlivé hotové organické sloučeniny, které obsahují síru: aminokyseliny (např. methionin), vitamín B1 (thiamin) a biotin.
Makro a mikrobiogenní prvky A) makrobiogenní: C, O, H, N, S, K, P, Mg, Ca, Cl, Na, Fe tvoří více než 99% hmotnosti živých organismů a jsou pro život nezbytné uhlík je základní stavební prvek všech živých organismů B) mikrobiogenní (stopové), v organismu méně než 0.01 %: Cu, Zn, Mn, Mo, Cr, B, Co, F, I, Se, Si, V (ve formě iontů) jen velmi malé množství, ve velkém množství jsou pro organismy toxické nezbytné pro enzymatické a katalytické děje některé stopové prvky jsou nutné pro všechny organismy (Fe), jiné jen pro určité druhy (I, u obratlovců)
Vápník základní součástí kostí a zubů (99%), ale i ve svalech, krvi (1%) udržuje pravidelný srdeční tep využití Ca v těle řídí některé hormony štítné žlázy a příštitných tělísek u dětí spolu s vit. D brání křivici (rachitis) u starších lidí: nedostatkem pohybu a nedostatečným příjmem Ca: osteoporóza (řídnutí kostí), osteomalacie (měknutí kostí, u nás se již téměř nevyskytuje)
Fosfor
v organismech v pětimocné formě, jako fosforečnan (fosfát) fosfor se nachází v ATP (jako tri, di a monofosfát) -energie nukleových kyselinách (DNA, RNA) buněčných membránách (fosfolipidy) v kostech, zubech (4/5 celk. množství v těle člověka) rostliny přijímají fosfor ve formě aniontů H2PO4- a HPO42primárními metabolity jsou pak adenosinfosfáty (zejména ATP)
Draslík udržuje svalový tonus buňky, nervy a svaly by bez draslíku nemohly správně pracovat rovnováha tekutin a elektrolytů v buňkách a tkáních nezbytný pro šíření nervových vzruchů snižuje krevní tlak přirozeným diuretikem u člověka: odstraňuje únavu pomáhá snášet vysoké klimatické teploty protivníkem K je Na (je však také narušován diuretiky, kortizonem, testosteronem, aspirinem Zdroje draslíku: čerstvý hrášek, kuřata, brambory, jablka, kapusta, losos, sleď, vejce, sýry, mléko, játra, ledvinky, hrozny, obilné klíčky, houby, banány, šťáva z rajčat.
Síra sirné bakterie „dýchají síru“ místo kyslíku – tyto bakterie převádějí (redukují) síru na H2S nebo jiné sulfidy (zkažená vajíčka) S součástí tzv. beta laktamových antibiotik prod. plísněmi (peniciliny, cefalosporiny, monobactamy), A. Fleming absorbována rostlinami z půdy jako sulfát a redukována na sulfid před inkorporací do molekuly cysteinu v rostlinách i živočiších: cystein a methionin, proteiny a enzymy obsahující tyto aminokyseliny v homocysteinu a taurinu prosthetické skupiny enzymů:tvoří S-S můstek v CuA vazebném místě enzymu cytochrom c-oxidázy (dýchání, mitochondrie) S-S vazby (disulfidické vazby) mezi cysteinovými zbytky v peptidech (proteinová struktura) – vlasy, peří, srst- nestravitelnost, zápach při hoření
Sodík spolu s draslíkem význam pro metabolismus živočišných buněk (v rostlinách minimum) Na+ je nejdůležitějším extracelulárním kationtem, má význam při udržování osmotického tlaku odpovědný za celkový obsah vody v těle, správnou fci srdce, regulaci krve a krevních tekutin, přenos nervových vzruchů prostupuje tzv. „iontovými kanály“ což jsou pasivní iotové transportní mechanismy (skrze membrány) (Na+ do buňky) batrachotoxin, jed (dendrobátky, šípové žáby), zvyšuje prostupnost membránou v iontových pumpách (aktivní transport) Na+/K+-ATPáza, hlavní komponenta Na/K pumpy ( „pumpuje“ Na+ z buňky) (digitoxigenin z rostliny Digitalis vede k inhibici tohoto enzymu a nárustu koncentrace Na+ v srdečním svalu, což má za následek jeho zvýšenou aktivitu)
Hořčík globální význam hořčíku je dán jeho výskytem v molekule chlorofylu přeměna sluneční energie na energii chem. vazeb sacharidů prostřednictvím fotosyntézy z CO2 a vody zelené zbarvení rostlin je způsobeno právě přítomností chlorofylu (nejsilněji absorbuje červené a modré světlo)
Železo v lidském těle asi 4-5 g železa (Fe2+, Fe3+) 65-70 % se nachází v hemoglobinu (Fe2+) 3-4 % v myoglobinu asi 1 % v enzymech (cytochromy, cytochromoxidasa, peroxidasa) 0,1 % je tzv. transportní železo (transferrin) 15-30 % připadá na zásobní železo, které je vázáno na bílkoviny (ferritin, hemosiderin) hemoglobin: nezbytná sloučenina pro dýchání – přenos kyslíku (porfyrinový skelet složený ze čtyřech pyrolových jader) : v krvinkách Otrava CO: váže se na Fe místo O2 s větší afinitou
Měď v řadě enzymů vyšších živočichů nezbytné pro životní pochody (metabolismus sacharidů, vytváření kostní hmoty a krvetvorby, fungování nervového systému) Pozor! Na nižší organismy působí jako silný jed!(protiplísňové prostředky) centrálním kovem hemocyaninu, který u některých měkkýšů a členovců (krabi) funguje jako přenašeč kyslíku – analogie k hemoglobinu u teplokrevných živočichů DDD: 1.2 mg vyskytuje se v játrech, kakau, ořechách, houbách, korýších a měkkýších nedostatek mědi: anémie, ztráta pigmentů a vypadávání vlasů
Kobalt jako Co2+ součástí vitamínu B12 (kyanocobalamin), který je nezbytný pro správnou fci krvetvorby, podílí se na syntéze DNA a ATP a je nezbytný pro správnou fci nervového systému v kofaktorech enzymů odvozených od vit. B12 nebo přímo navázané na protein – methionylaminopeptidáza 2 a nitryl hydratáza vyskytuje se v mase, vnitřnostech a některé zelenině jeho výskyt v rostlinách zlepšuje prokazatelně zdraví pasoucích se zvířat
Molybden v rostlinách: fixace dusíku (heteroatom aktivního místa enzymu v posledním kroku) u živočichů a v lidském těle: aktivně v řadě enzymů (20) (heteroatom aktivního místa), jako např. aldehyd oxidáza, xantin oxidáza enzymů účastných v metabolismu železa a detoxikaci sulfidů (sulfidoxidáza) prevence zubního kazu a jeho přítomnost zvyšuje tvrdost zubní skloviny nedostatek vede k anémii, přispívá k zvýšenému výskytu záchvatů astmatu, zvýšené kazivosti zubů a zhoršení ochrany proti infekci močového měchýře, depresi v 70 kg lidském těle je asi 9.3 mg Mo hlavním přirozeným zdrojem molybdenu v potravě jsou luštěniny, celozrnné pečivo a listová zelenina, játra (DDD: 50-400 mikrogramů)
Zinek klíčový faktor pro funkci prostaty a reprodukčních orgánů (nedostatek může vést ke zbytnění prostaty) podílí se na schopnosti těla „číst“ genetickou informaci součástí prosthetických skupin tisíců proteinů v lidském těle (např. typu „zinc finger“) součástí enzymu odbourávajícího alkohol důležitý pro imunitní systém Zn(II) ionty považovány za neutrotransmitery (tuto signalizaci používají buňky prostaty, imunitního systému, střev a slinných žláz) Zdroj: korýši, ústřice, obilniny, maso, slunečnicová sem. DDD: 8-9 mg denně
Jód součástí thyroidních hormonů: tyroxinu (T4) a triiodothyroninu (T3) je zásobně uložen v těle v proteinu thyroglobulinu štítná žláza absorbuje uvolněný jód přímo z krve a do krve uvolňuje oba hormony T4 a T3 oba hormony regulují bazální metabolismus a růst (děti) DDD je 150 microg/den obsažen v mořské vodě, řasách, mořských plodech, rybách (I-), sůl obohacená jodem nedostatek jódu: zbytnění štítné žlázy (struma)
Důležité izotopy všechny atomy stejného prvku mají stejný počet protonů a jiný počet neutronů – izotopy (1H, 2H, 3H) v přírodě: směsi izotopů (12C (99%), 13C (1%) a 14C (st.) účinné aplikace v biologii:určování stáří fosilií (14C) sledování metabolismu org. (3H) izotopy se liší hmotností ale mají stejné chemické chování standardy při MS (2H, 15N, 13C) NMR (2H, 13C, 15N, 31P, 195Pt) Izotopy používané v nukleární medicíně: 131I a 32P se užívají jako radioizotopy v nádorové terapii (jód při nádorech štítné žlázy, fosfor při abnormální produkci červených krvinek kostní dření), novinka 10B, který se kumuluje v nádorové tkáni, 60Co se používá k ozařování nádorů, 62Cu, 18F se používá jako zobrazovací značka v tzv. pozitronové emisní tomografii (PET)
Děkuji Vám za pozornost
