Preambulum Komplexitásinformációtartalom Szövet, organizmus
egy példa
biológia
Sejt
Szupramolekuláris komplexek és nanorendszerek
Biomolekulák
Biológiai kémia; a természetes vegyületek kémiája
kémia
N NH2 N O
HO
O
P
N
N
O OH HO
sokaság-sokszínűség (kDa)
Q=OH Q=H
Q
adenozin-5'-monof oszfát dezoxiadenozin-5'-monofoszfát
A biopolimerek három legfontosabb képviselője:
-a peptidek és fehérjék
- az oligo- és poliszacharidok
- a nukleinsavak
Aminosav-, peptid- és fehérjekémiai kisszótár: Aminosavak: Elsődleges szerkezet: Esszenciális aminosavak: glicin, glikokoll
, Gly, G, H2NCH2COOH: az ecetsav αaminoszármazéka, a húszféle fehérjealkotó → aminosav között a legegyszerûbb és az egyetlen akirális. Színtelen, édes ízû, kristályos anyag, 233 °C-on bomlik. Vízben jól, alkoholban, éterben nem oldódik. Szinte minden fehérjében megtalálható, legnagyobb mennyiségben a selyemfibroin és a zselatin tartalmazza. Az enyv savas hidrolizátumából különítette el elôször H. Braconnot (1820). A ~ volt az elsô mesterségesen elôállított aminosav, a bróm-ecetsav és ammónia reakciójával nyerte W.H. Perkin (1858). A formaldehid (CH2O), hidrogén-cianid (HCN) és ammónia (NH3) reakciójával elôállított amino-acetonitril (H2NCH2CN) hidrolízise útján gyártják. Az élô szervezetben a glikolsav-ciklus tagjaként játszik fontos szerepet. Bár nem esszenciális aminosav, emberi és állati táplálékok kiegészítôje lehet, a nitrogénszükségletet fedezi. Az intravénás infúziós folyadékok egyik fô komponense.
Harmadlagos szerkezet: Moduláris fehérje domének: Másodlagos szerkezet: Negyedleges szerkezet: Természetes aminosavak: Térszerkezet: Savasság (pKa): Dipoláris ion: Iker (Zwitter) ion: Izoelektromos pont (pI): Henderson-Hasselbalch equation: DL-aminosavak: Rezolválás: Enantiomer szelektív szintézis: Kaotróp:
Amid- v. peptidkötés: Oligo- és polipeptidek: Parciális hidrolízis: Hely specifikus hasítás (site-specific cleavage): Peptidszekvenálás: Oxitocin: Vazopresszin: Inzulin: Proteáz: Hidroláz: Kináz: Foszfatáz: Hemoglobin: Tripszin: Kimotripszin: Z-csoport: Boc-csoport: Fmoc-csoport: kinetikus rezolválás: mikor egy reakció sebessége az egyik enantiomer esetében lényegesen eltérő a másik enantiomerétől, és ezért az egyik sztereoizomer túlsúlyát kapjuk
Kapcsolás vegyesanhidriddel: Kapcsolás aktívészterrel: Automata peptidszintézis: Oldatfázisú peptidszintézis: Ortogonális védőcsoportok: Proteomics Genomics: α-hélix: β -redőzött réteg: PoliProlinII téralkat: Kollagén: Kanyar térszerkezetek: Hurok térszerkezetek: A „coiled-coil” téralkat: Diszulfidhíd: Hidrofób mag: Aktív centrum: Enzimspecificitás: Szubsztrát: Inhibitor: Sztereospecificitás: Kofaktor: Koenzim: Prosztetikus csoport: Lizozim:
Az aminosavak peptidek és fehérjék koronázatlan királyai, kémiai Nobel-díjak:
James Batcheller Sumner 1946 Nobel-díj Az enzimek kristályosíthatóak
Wendell Meredith Linus Pauling Stanley 1954 Nobel-díj fehérje szerkezet alapjai 1946 Nobel-díj Enzim és vírusfehérjék izolálása tisztítása
John Howard Northrop
Vincent du Vigneaud 1955 Nobel-díj Biológiailag aktív kénvegyületek és polipeptid hormonok szintéziséért
Az aminosavak peptidek és fehérjék koronázatlan királyai, kémiai Nobel-díjak:
Frederick Sanger
Sir John Cowdery 1958 Nobel-díj Az inzulin szekvenálása Kendrew
Ferdinand Max Perutz
Christian B. Anfinsen
Bruce R. Merrifield
1972 Nobel-díj
1984 Nobel-díj
Ribonukleáz feltekeredése
1962 Nobel-díj Oxigén-transzport fehérjék szerkezetmeghatározása
Robert Brainard Corey (1897 –1971) Az α-hélix és a β-redő felfedezője
A szilárdfázisú peptidszintézis felfedezése
John B. Fenn
Aaron Avram Peter Agre Roderick Ciechanover Hershko MacKinnon
Kurt Wüthrich
Koichi Tanaka Nobel-díj 2002 makromolekulák szerkezetvizsgálati módszerek: NMR, MS
Osamu Shimomura
Martin Chalfie
Nobel-díj 2003 membrán csatornák mélyebb megértése
Roger Y. Tsien
Nobel-díj 2008 GFP-fehérjék
Irwin Rose
Nobel-díj 2004 Az ubiquitin megjelöli azokat a fehérjéket, amelyeket a proteoszóma meg fog emészteni.
Az aminosavak peptidek és fehérjék koronázatlan királyai, orvosi Nobel-díjak:
Frederick Grant Banting
John James Richard Macleod
1923 Nobel-díj az inzulin felfedezéséért
A monomer formában aktív inzulint szervezetünk hexamerként tárolja. (6 His imidazol gyűrűje koordinálódik a Zn-ion köré, három-fogású szimmetriával.
memo: Banting sértőnek és igazságtalannak találta, hogy asszisztensét Charles Best-et mellőzték, s ezért a díjat és az elismerést megosztotta vele. Ennek hatására Macleod is megosztotta az elismerést James Collip-pal. Az inzulinra vonatkozó szabadalmukat pedig - 1 dollár ellenében - átadták a Torontói Egyetemnek.
Charles Best
James Collip
Az aminosavak peptidek és fehérjék koronázatlan királyai, orvosi Nobel-díjak:
Otto Heinrich Warburg 1931 Nobel-díj for his discovery of the nature and mode of action of the respiratory enzyme
Axel Hugo Theodor Theorell 1955 Nobel-díj for his discoveries concerning the nature and mode of action of oxidation enzymes
Robert W. Holley
Har Gobind Khorana
Marshall W. Nirenberg
1968 Nobel-díj for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis
Az aminosavak peptidek és fehérjék koronázatlan királyai, orvosi Nobel-díjak:
Gerald M. Edelman
Rodney R. Porter
1972 Nobel-díj for their discoveries concerning the chemical structure of antibodies
Roger Guillemin
Rita Levi-Montalcini
Rosalyn Yalow
1977 Nobel-díj agyi peptid hormonok
1986 Nobel-díj for their discoveries of growth factors
Stanley Cohen
Andrew V. Schally
Az aminosavak peptidek és fehérjék koronázatlan királyai, orvosi Nobel-díjak:
Alfred G. Gilman
Martin Rodbell
Günter Blobel 1999 Nobel-díj for the discovery that proteins have intrinsic signals that govern their transport and localization in the cell
1994 Nobel-díj for their discovery of G-proteins and the role of these proteins in signal transduction in cells
Stanley B. Prusiner 1997 Nobel-díj for his discovery of Prions - a new biological principle of infection
A legsokrétűbb biopolimer a fehérje; - katalizáló és szabályzó funkció (enzimek és hormonok) - jelző és jelátviteli funkció - szerkezeti funkciók (aktin, tubulin, kollagén, elasztin, keratin, stb.) - szállító fehérjék (pl. hemoglobin [oxigén], kazein [Ca2+], ioncsatornák, stb.) - motorfehérjék (miozin, kinezin, dinein, stb.) -… Minden sokrétűségük ellenére a fehérjék kémiailag igen konzervatív molekulák; „csupán” lineáris polimerek! elágazásmentes poliamidok
tipikus építőelem
Az amid vagy peptidkötés kötésrendje és polaritása: határszerkezetek (rezonancia szerkezetek): O
O
C
C
N
C
C N
C
H
H
H O
C C
tautomerek
tautomerek
H
O
C
C
N
C C
C
N
határszerkezetek (rezonancia szerkezetek): Az amidkötésnek jelentős:
- polaritása van (jelentős dipól ~3.5 Debye ) - kettőskötés jellege van a C-N kötés mentén.
A peptidkötés körüli geometriai izoméria: O
O C
N
C
N
C
H
C
és
transz
C
O
C
C
C
N
H
C
C
izomerek
cisz O
O
C N
C O
C
C
Az aminosavak
α-aminosav (β−, γ−, δ−) konstitúció
- szerkezet L –aminosav (D) konfiguráció fehérjealkotó (proteinogenic) α-L-aminosav természetes (natural) α-L-aminosav >200 - előfordulása
fehérjealkotó (proteinogenic) α-L-aminosav összesen 22, ebből 20 az amelyik genetikailag kódolt, (spec. a Hyp és cisztin), memo: szelenocisztein)
nélkülözhetetlen (essential) aminosav olyanok, amelyeket nem tud az organizmus de novo előállítani (humán pl. Ile, Arg, Lys, Met,..) Betegség: Kwashiorkór
nem-szokványos (uncommon, non-standard) aminosavak: - fehérjékben (pl. Hyp) - fehérjéken kívül (pl. lantionin, 2-amino-izubutánsav, dehidroalanin)
Konfiguráció A fehérjealkotó (proteinogenic) α-aminosavak, a glicin kivételével mind királisak és a Cys kivételével mindegyik S-abszolút konfigurációjú. O
O HOCH2
R
H
OH HO
H2N
CHO
COOH H2N
H
HO
H CH2OH
R H H2N
Az alanin két enantiomerje
R COOH
az L- -aminosavak többnyire (S)-konf igurációjuak
H HO
CH2OH CHO
L-glicerinaldehid (S)
3 HOOC H
4 NH2 CH3 2
D- -alanin (R)
4 H2N H3C 2
3 COOH H
L- -alanin (S)
Homokiralitás L-aminosav "S"
1 NH2 4
H
2 COOH
2 COOH 1 NH2
Q 3
Q 3
De:
3 COOH
H2N–CH2–COOH glicin akirális
H4
1 NH2
H4 CH2 SH 2
L-cisztein "R"
Két kiralitáscentrummal rendelkező aminosavak: COOH H OH
R S CH3
NH2 H
COOH H2N H
S R CH3
COOH
H
H
OH
H
R
COOH
NH2
H2N
CH3 R C2H5
CH3
S
H
H S C2H5
D-treonin
L-treonin
D-izoleucin
L-izoleucin
(2R,3S)
(2S,3R)
(2R,3R)
(2S,3S)
COOH
COOH
COOH
COOH
H H
R R CH3
NH2 OH
allo-D-treonin (2R,3R)
H2N HO
S S CH3
H
H
H
CH3
allo-L-treonin (2S,3S)
(2X,3Y)-2-amino-3-hidroxibutánsav
R
NH2
H S C2H5
H2N H
S
H
CH3 R C2H5
allo-D-izoleucin allo-L-izoleucin (2R,3S) (2S,3R) (2X,3Y)-2-amino-3-metilpentánsav
A konfiguráció jelentősége: L-aminosavak - L-Phe (phenylketonuria, PKU) genetikailag öröklődő anyagcserezavar (fenilalanin-hidroxiláz enzim hiánya, Phe nem bontódik le, idegrendszeri károsodás) - L-Glu (Monosodium glutamate, MSG [E621]) ízfokozó, (1-2 milló tonna/év) O
- Pht-glutárimid (Contergan, thalidomide)
O N N O
Racém aminosavak: - szintézis - rezolválás - kormeghatározás (sztereo szelektivitás szignifikánsan csökken az idővel, múmia)
f talimido rész
glutárimid rész
thalidomid (contergan) egyik enantiomer teratogén kísérleteznek ma is vele, mint AIDS, agydaganat stb. elleni szer
D-aminosavak a természetben: - D-Glu (baktériumsejtfal, pl. lépfene) - D-Ser (földigiliszta) - D-Pro (anyarozs) - D-Phe (antibiotikumok, pl. gramicidin) - D-Cys (antibiotikumok, pl. penicillin)
H
O
(S) vagy D-Cys
Fehérjealkotó aminosavak:
esszenciális aminosavak
Semleges oldallánccal rendelkező apoláris, alifás aminosavak: O H2N OH glicin Gly G
etimológia: glikokoll az ecetsav α-aminoszármazéka, fehérjében csak kis mennyiségben (kivéve a kollagént, a selyemfibroint és a zselatint) előállítás először (H. Braconnot 1820): enyv savas hidrolízise Az első mesterségesen szint. aminosav (W.H. Perkin 1858): bróm-ecetsav + ammónia Gyártás ma: formaldehid (CH2O) + hidrogén-cianid (HCN) + ammónia (NH3) -> amino-acetonitril (H2NCH2CN), amit hidrolízálunk
O
O OH
Ala — 2-aminopropánsav OH
NH2
NH2
alanin Ala A
valin Val V
O
O OH
NH2 izoleucin Ile I
OH NH2 leucin Leu L
Fehérjealkotó aminosavak:
esszenciális aminosavak
Semleges oldallánccal rendelkező apoláris, aromás aminosavak: O
O
OH
OH NH2
HO
tirozin Tyr Y
fenilalanin Phe F
O OH N H
H2N
NH2 triptofán Trp W
Semleges oldallánccal rendelkező aminosavak: O
O HO
OH
HO
OH NH2
NH2
treonin Thr T
szerin Ser S
O
O
OH NH
OH
HO NH
prolin Pro P
hidroxiprolin Hyp O
O
HS
OH NH2 cisztein Cys C
Diszulfidkötés: R
S tiol
H
[O] [H]
R
S
S
R
diszulfid
BPTI
Semleges oldallánccal rendelkező aminosavak: O S OH NH2 metionin Met M
O H2N OH O
NH2 aszparagin Asn N
O
O
H2N
OH NH2 glutamin Gln Q
Savas oldallánccal rendelkező aminosavak: O
O
HO
OH H2N glutaminsav Glu E
Bázikus oldallánccal rendelkező aminosavak: O H2N OH NH2 O
NH H2N
lizin Lys K
NH
OH NH2 arginin Arg R
Szisztematikus nevezéktan:
IUPAC-IUB (Recommendations 1983)
Ala — 2-aminopropánsav Arg — 2-amino-5-guanidinopentánsav Asn — 2-amino-3-karbamoilpropánsav Glu — 2-aminopentándisav His — 2-amino-3(1H-imidazol-4-il)propánsav Lys — 2,5-diaminohexánsav Met — 2-amino-4-(metilszulfanil)butánsav Trp — 2-amino-3(1H-indol-3-il)propánsav Tyr — 2-amino-3-(4-hidroxifenil)propánsav Val — 2-amino-3-metilbutánsav
Kémiai tulajdonságok és következményei: savas és bázisos jelleg (acidity, basicity) polaritás (polarity) aromacitás (aromaticity) térkitöltés (bulkiness) konformációs flexibilitás (conformational flexibility) keresztkötés-hajlam (ability to Xlink) H-kötés – akceptor/donor (ability to H-bond) kémiai reaktivitás (chemical reactivity)
Az aminosavak ikerionos szerkezete (avagy önmaga sója):
Kajtár 823
Egy aminosavnak van mind bázikus (-NH2), mind savas (-COOH) csoportja, tehát amfoter. - gázfázisban neutrális, - szilárd vízmentes közegben dipoláris (iker- vagy zwitter-ionos), - vizes oldatban a pH függvényében az egyensúlyi formák a jellemzőek: a kationos, az ikerionos vagy az anionos formák.
- ha erősen savanyú a közeg → főleg kation, - ha erősen bázikus a közeg → főleg anion formában van jelen. A két pH állapot között van az izoelektromos pont, IEP vagy pI, amikor az ikerionos forma koncentrációja a maximális, és a kationos és anionos formák egyensúlyban vannak egymással. 1) Az IEP-ban a molekula össztöltése zéró! 2) A pI minden aminosavra más és más (a konstitúció függvénye), ami kihasználható a jellemzésükre is.
pI = ½ (pKa1+pKa2) így az alanin izoelektromos pontja ½ (2,3+9,7) = 6,0
Tények, amelyek alátámasztják az aminosavak dipoláris jellegét: 1) igen magas (op.> 200°C) olvadáspont (amit bomlás pl. CO2 vesztés kísér) Ala→ 297 °C, Ala.HCl → 204 °C Glu→ 248 °C, Ala.HCl → 214 °C Gly→ 233 °C, Ala.HCl → 182 °C Lys→ 224 °C, Ala.HCl → 263 °C 2) Vízben jobban oldódnak (hidratáció), mint Et2O, CH2Cl2 és más szerves oldószerekben (szolvatáció) 3) Akár egy nagyságrenddel nagyobb a dipólus momentumuk, mint az egyszerű karbonsavaké vagy alifás aminoké:
(D=Debye)
4) az ikerionos forma kevésbé savanyú, mint egy alifás karbonsav és kevésbé bázikus, mint egy alkilamin: memo: az ikerion nem O-, hanem N-sav és nem N-, hanem O-bázis!
rekollekció: savak és bázisok erőssége: Ka és pKa A HCl vagy H2SO4–tól eltérően a szerves karbonsavak gyenge savak T= 25oC csak ~1% az AcO– az egyensúlyi reakció jellemzése: Ka egyensúlyi együttható CH3
COO
H3O
K eq =
CH3
COO
CH3
COOH
H 3O
K a = K eq H2O = CH3
COOH
H2O
Mivel a víz koncentrációja közel állandó (55,5M), ezért célszerű bevezetni Ka-t a savi egyensúlyi együtthatót. Pl: hangyasavra; KaHCOOH = 1,77.10–4, ecetsavra; KaAcOH = 1,76.10–5 (memo: ha Ka értéke nagy, akkor erős, ha kicsi, akkor gyenge a sav) Praktikusabb a pKa = – lgKa = –log10(Ka) értéket megadni Néhány pKa érték: –1,4 (HNO3), 0,18(TFA), 3,7(H2CO3), 4,75(AcOH), 9,9(fenol), 38(NH3) és 50(etán) pKa analóg a pH definíciójával növekvő savi erősség
CH3
pK a= memo:
16
CH2 OH
CH3
<
COOH
4,75
+5 esetén csak minden százezredik molekula deprotonált -7 esetén csak minden tízmilliomodik molekula protonált.
CF3
<
COOH
0,2
HCl
<
-7
Emlékeztető kérdések:
kérdés: mekkora a hidroxóniumion és mekkora a HCO2– koncentráció a hangyasav 0,1M-os vizes oldatában (Ka = 1,77.10-4)? A hangyasav hány százaléka ionizált ekkor? Legyen x mind a [H3O+] mind a [HCO2–] és így (0,1–x) a [HCOOH]. Mivel Ka kicsi ezért x értéke is kicsi és így (0,1–x)~ 0,1 tehát x2/0,1 = 1.77.10-4 azaz x = 0,0042M (4,2mM), Az ionizáció mértéke (%) = 0,0042/0,1 *100 = 4,2%
kérdés: mekkora a víz Ka-ja, ha abba 25oC-on az [OH–]=10–7 ? válasz: Ka=(10–7)*(10–7)/55,5 = 1,8 10–16 tehát a pKa = 15.7 kérdés: az egyik sav Ka –ja 10-7 a másiké pedig +5. Melyik az erősebb sav? válasz: pKa = – (log 10–7) = 7 valamint pKa = – (log 5) = –0,699, tehát a második az erősebb sav.
Iker- vagy Zwitterion H+
H–CH–COOH
H–CH–COO:
OH–
memo: az ecetsav disszociációja: H
H
pK = 4,8
H2N–CH–COOH
H+ OH
–
H3N–CH–COO:
Q
Q pK1 = 2,4
OH–
H2N–CH–COO:
+
H
Q
pK2 = 9,6
pKa1= első savi disszociációs állandó pKa2= második savi disszociációs állandó H3N–CH–H
OH– H2N–CH–H H+
memo: a metilamin disszociációja:
H
H
pK = 10,6
Aminosav semlegesek G Gly A Ala V Val L Leu I Ile F Phe Y Tyr W Trp S Ser T Thr P Pro O Hyp C Cys Cys-Cys M Met N Asn Q Gln
pKa1 α-COOH 2,3 2,3 2,3 2,4 2,4 1,8 2,2 2,4 2,2 2,6 2,0 1,9 1,7 1,6; 2,3 2,3 2,0 2,2
pKa2 α-NH3+ 9,6 9,7 9,6 9,6 9,7 9,1 9,1 9,4 9,2 10,4 10,6 9,7 10,8 7,9; 9,9 9,2 8,8 9,1
pKa3 R-csoport
10,1
8,3
pI
6,0 6,0 6,0 6,0 6,1 5,5 5,7 5,9 5,7 6,5 6,3 6,3 5,0 5,1 5,8 5,4 5,7
Aminosav
pKa1 α-COOH
savasak D Asp E Glu bázikusak K Lys R Arg H His
pKa2 α-NH3+
2,1 2,2
9,8 9,7
2,2 2,2 1,8
9,0 9,0 9,2
pKa3 R-csoport
pI
3,9 3,0 4,3 3,2 protonált R-csoport 10,5 9,8 12,5 10,8 6,0 7,6
memo: egy α-aminosav (de nem az ikerion) a konjugáció miatt erősebb sav, mint a megfelelő alifás karbonsav: O
O OH
H3N
alanin kation (pKa1=2,3)
O H3N
alanin ikerion pKa2=9.7
A levezetés:
Sav és konjugált bázisának egyensúlya:
HA
−
A + Η
+
Ka =
[H+] [A–] [HA]
pKa = pH +
[HA] [A–]
[HA] [A–] [HA] pH = pKa – log – [A ]
– log [H+] = – log Ka – log
Henderson-Hasselbalch-egyenlet: lg([HA]/[A–])
[H+] = Ka
pKa = pH + log
a savi disszociációs állandó, pKa tehát az a pH érték, - ahol a sav félig semlegesített, azaz [HA]=[A–]. indoklás (bizonyítás): mivel pKa = pH ezért 0 = log([HA]/[A–]), azaz 1= [HA]/[A–] s ez pont az amit állítottunk!
[HA] [A–]
kérdés: mire jó a Henderson Hasselbalch egyenlet? válasz: ha tudjuk egy ionizálható csoport pKa értékét, akkor a H&H- egyenlet segítségével meg tudjuk határozni annak töltését, pontosabban a [HA]/[A–] értéket a pH függvényében gyakorlat: Ha például a pH=(pKa–2), akkor a H&H szerint +2 = lg[HA]/[A–] azaz 100[A–]=[HA], vagyis a funkciós csoport ~99%-ban protonált, s így annak kémiai jellege függvényében töltése vagy 0, vagy +1. Ha a pH=(pKa+2), akkor a H&H szerint -2 = lg[HA]/[A–] azaz 0,01[A–]=[HA], vagyis a funkciós csoport ~99%-ban deprotonált, s így a kémiai jellegének függvényében töltése vagy -1, vagy 0. Ha a pH=pKa, akkor a H&H szerint 0 = lg[HA]/[A–] azaz [A–]= [HA], vagyis a funkcióscsoport 50%-ban deprotonált
Ez a „±2” szabály (Ka=±2), a protonáltsági fokra ad jó kvalitatív becslést.
A glicin titrálása, avagy pH kontrolált töltésállapotok:
Izoelektromos pont Isoelectric point, pI
100%
H3N–CH2–COO:
2,4 + 9,6 2
H2N–CH2–COOH
pH= 6,0
pK1
1
2
3
4
5
6
7
8
= 6,0
pK2
9
pH=2,3
10
11
12
13
pH=9,6 H2 N–CH2–COO:
50%
50%
pH>11.5, akkor lényegében csak anion van jelen az oldatban. pH=9.6, akkor az ikerionos forma fele már az anionos formává alakult át.
pH=6, akkor az összes kationos forma már ikerion formává alakult át. pH=2.3, akkor a kationos forma fele már ikerion formává alakult át. pH<1 akkor lényegében csak kation van jelen az oldatban.
Savas oldallánccal rendelkező aminosavak
pI = ½ (pKa1+pKa2) így az aszparaginsav izoelektromos pontja ½ (2,1+3,9) = 3,0
aszparaginsav
Az aszparaginsav titrálása
1,9 + 3,6 2
aszparaginsav
= 2,75
pI = 3,0
H3 N–CH–COO: CH2 COOH
pK1
pK2 pK2
1
2
pH 2,1
H3N–CH–COOH
3
4
5
pH 3,9
6
7
8
9
10
11
pH 9,8
H2N–CH–COO:
H2N–CH–COO:
CH2
CH2
CH2
COOH
COO:
COO:
12
13
Bázikus oldallánccal rendelkező aminosavak
pI = ½ (pKa2+pKa3), így a lizin izoelektromos pontja ½ (9,0+10,5) = 9,8
H3 N–CH–COO:
9,0 + 10,5 2
= 9,75
pI = 9,75
pK1
2
1
pK2
3
4
CH2
5
6
7
pH 2,2
8
9
pH 9,0
NH2
pK3
10
11
12
pH 10,5
H3N–CH–COOH
H2N–CH–COO:
H2N–CH–COO:
(CH2)n
(CH2)n
(CH2)n
NH3
NH2
NH2
13
A hisztidin titrálása 6,0 + 9,2 H3 N–CH–COO:
2
= 7,6
CH2
: NH
pI = 7,6
:N pK1
2
1
pK2
3
4
5
pH 1,8
H3N–CH–COOH CH2
pH 6,0
H3N–CH–COO: CH2
:NH
7
8
9
10
N H
11
12
pH 9,2
13
pH –15
H3N–CH–COO:
H2N–CH–COO:
CH2
CH2
:NH
N H
6
pK4
p K3
:N: :N
:N : :N
Az elektroforézis: The distribution of charged species in a sample can be shown experimentally by observing the movement of solute molecules in an electric field, using the technique of electrophoresis. Kísérleti körülmények: For such experiments an ionic buffer solution is incorporated in a solid matrix layer, composed of paper or a crosslinked gelatin-like substance. A kísérlet kivitelezésének módja: A small amount of the amino acid, peptide or protein sample is placed near the center of the matrix strip and an electric potential is applied at the ends of the strip. The solid structure of the matrix retards the diffusion of the solute molecules, which will remain where they are inserted, unless acted upon by the electrostatic potential. Példa: In the example shown here, four different amino acids are examined simultaneously in a pH= 6.00 buffered medium.
Note that the colors in the display are only a convenient reference, since these amino acids are colorless.
Megfigyelés: 1) At pH 6.00 Ala (alanine) and Ile (isoleucine) exist on average as neutral zwitterionic molecules and are not influenced by the electric field. 2) Arg (arginine) is a basic amino acid. Both base functions exist as "onium" conjugate acids in the pH 6.00 matrix. The solute molecules of arginine therefore carry an excess positive charge, and they move toward the cathode. 3) The two carboxyl functions in Asp (aspartic acid) are both ionized at pH 6.00, and the negatively charged solute molecules move toward the anode in the electric field. Megfigyelés és következtetések: It should be clear that the result of this experiment is critically dependent on the pH of the matrix buffer. 1) If we were to repeat the electrophoresis of these compounds at a pH of 3.00, the aspartic acid would remain at its point of origin, and the other amino acids would move toward the cathode. 2) Ignoring differences in molecular size and shape, the arginine would move twice as fast as the alanine and isoleucine because its solute molecules on average would carry a double positive charge.
Offord-féle szabály:
zA µ A = k 2/ 3 MA
µ = mozgékonyság z = töltés M = molekulatömeg k = koefficiens
Offord-féle szabály alkalmazása:
µ A zA M B µ rel = = µ B zB MA
2/ 3
Peptidek/fehérjék töltésviszonyai, fehérjék: komplex titrálási görbe
3.86
9.62
8.33
6.0
10.53
2.18
H2N–CH–CO––NH–CH–CO––NH–CH–CO––NH–CH–CO––NH–CH–COOH CH H3C CH3
CH2
CH2
COOH
SH
(CH2)4 :N
:NH
NH2
pH 3
+1
0
0
+1
+1
–1 +2
pH 7
+1
–1
0
0
+1
–1
0
α-aminosavak előállítása (pl.: Met) 1) módosított Gabriel-szintézissel kálium-ftálimidből
R-X + 2NH3 alkil-halogenid
memo: aminok előállítása Bruckner I/1 407. o.
R-NH2 + NH4X ahol X=F, Cl, Br alkil-amin
gond: keveréket kapunk (R-NH2, R2NH, R3N és R4NX) „túlalkileződés” primer szek. terc. kvat. 1. Primer aminok előállítása: (Gabriel-féle szint. 1887)
O
O
O + Br
N
R
-KBr N-R
OH
2H2O
f tálsav
OH
K O f tálimid-kálium
N-alkilf tálimid
2. Szekunder aminok előállítása:
O
O H3C
C
+ R'Br N H
primer savamid
O + R-NH2
O
R
H3C
C
cc. HCl CH3-COOH N
R
fõzés
R'R-NH
R' szekunder amin szekunder savamid
3. Tercier aminok előállítása: szekunder aminok reakciója alkil-halogenidekkel.
α-aminosavak előállítása (pl.: Met) 2) Strecker-szintézis
CN
O HCN NH3
R
H
R
COO NH2
H -amino-nitril
A Strecker-szintézis mechanizmusa:
H3O+ H2O, hõ
R
NH3 H
DL- -aminosav
DL-aminosavak rezolválása COO
O +
R
OH COO R +
NH3
H
COOH (CH3CO)2O
NH3
L- -aminosav
deaciláz enzim
R COOH NH R
racém elegy
NH O N -acil-aminosav
COO
H R
egy (R)-konfigurációjúak L-α-aminosav
NH3
+ R H
COO
NH3
egy (S)-konfigurációjúak L-α-aminosav
O
D-N -acil-aminosav
memo: a legtöbb enzim „zsebe” enantiospecifikus felismerő képességgel rendelkezik.
aszimmetrikus szintézis: CH3O
COOH H2
NHCOCH3
−
[(Rh(R,R)-DiPAMP)cod]+BF4
CH3COO
katalizátor
CH3O
COOH
HO
COOH
+
H3O
H
NHCOCH3
CH3COO
H
NH2
HO 100% kitermelás 95% enantioszelektivitás
L-DOPA (S)-3,4-dihidroxifenilalanin
OCH3
P
P
CH3O (R,R)-DiPAMP (R,R)-1,2-bisz[(2-metoxi-fenil)-fenil-foszfino]etán ródium királis liganduma
cod 1,5-ciklooktadién
katalitikus aszimmetrikus hidrogénezés 83% enantioszelektivitás
97% enantioszelektivitás átkristályosítás után
COOH
HOOC
COOCH3 (1) H2 / (R,R)-PNNP-Rh(I) (2) CH3OH, HA
NHCOCH3
H
H
NH2 L-aszparaginsav
S-fenilalanin-metilészter
H
H2N
COOCH3
NH2
NH COOCH3 HOOC
H
O
aszpartám
H3C
N
N
P
P
CH3
(R,R)-PNNP N,N'-bisz(difenil-foszfino)-bisz[(R)-1-fenil-etil]etiléndiamin ródium királis liganduma
[Rh(nbd)2]ClO4
(R)-profosz
[Rh((R)-profosz)(nbd)]ClO4 + nbd 7
királis ródium-komplex
1
H3C
6
(C6H5)2P
4
P(C6H5)2
5
COOH
(1) OH , H2O, hõ +
+
[Rh((R)-profosz)(H)2(C2H5OH)2]
2-acetilamino-propénsav
COO−
−
H2
NHCOCH3
3 nbd 2,5-norbornadién
(R)-profosz (R)-1,2-bisz(difenil-foszfino)-propán
COOH
(2) H3O
NH2
+
NH3
N-acetil-L-alanin 90% enanetioszelektivitás
COOH (1) H2 / [Rh((R)-profosz)(H)2(oldószer)2]
R NHCOCH3 (Z)-3-szubsztituált 2-acetilamino-propénsav
2
(2) OH−, H2O, hõ +
(3) H3O
L-alanin
COO−
+
+
NH3
L-aminosav 87-93% enanetioszelektivitás
