Wykład 9.1 MK-S

Związki heterocykliczne w codziennym życiu
Na podstawie:
J. A. Joule, K. Mills Heterocyclic chemistry at a glace 2nd ed., Wiley 2013.
S. Rolski Chemia środków leczniczych wyd. III, PZWL 1968.
1
Heterocykliczne α-amino kwasy
Egzogenne α-amino kwasy i produkty ich dekarboksylacji
Egzogenne – dostarczane w diecie
imidazol
(S) CO2H
HN N
NH2
− CO2
HN N
Histydyna
indol
Główny czynnik wywołujący reakcje alergiczne - wzmaga
przepuszczalność naczyń krwionośnych, prowadząc do obrzęków i
wysypek
NH2
Histamina
(S)CO2 H
NH2
− CO 2
[O]
N
H
NH2
HO
N
H
Tryptofan
Serotonina
Me
N
H O
MeO
N
H
Neuroprzekaźnik – zaburzenia w jego produkcji mogą mieć
związek z zapadaniem na niektóre choroby psychiczne.
Środki obniżające poziom serotoniny – działanie
uspokajające w stanach pobudzenia psychicznego.
Środki podwyższające poziom serotoniny – działanie
pobudzające w stanach zmniejszonej pobudliwości
psychicznej.
Produkowana przez szyszynke, bierze udział w regulacji cyklu dziennego;
Suplement diety w zaburzeniach cyklu dziennego, np. w wyniku zmiany
strefy czasowej.
Melatonina
2
Heterocykliczne α-amino kwasy
pirolidyna
HO
N
H
CO2 H
Prolina
N
H
CO 2H
Hydroksyprolina
Główny składnik kolagenu, białka biorącego
w udział w konstrukcji tkanek.
3
Heterocykliczne α-amino kwasy
Hydroliza (trawienie) białek przez chymotrypsynę - rola pierścienia imidazolowego w histydynie
Chymotrypsyna – enzym trawienny ssaków wydzielany przez trzustkę
białko
białko
O
O
imidazol
jako kwas
H N N
białko
białko
imidazol
jako zasada
H
O
H
N
białko
seryna-białko
O
O
H
imidazol
jako zasada
białko
O
imidazol
jako kwas
N N H
seryna-białko
O
H
N
białko
b iałko
O
tetraedryczny produkt
białko trawione
(hydroliza wiązania amidowego)
białko
białko
O
O
H N N
O
O
białko
seryna-białko
białko
NH2
wiązanie estrowe zostanie zhydrolizowane
przy udziale H2 O i reszty imidazolowej enzymu
wiązanie amidowe
zostało rozerwane
4
Heterocykliczne witaminy
pteryn a
O
HN
H2 N
N
O CO2 H
N
N
H
N
H
N
CO2 H
Niezbędny do syntezy kwasów nukleinowych w organizmie. Niedobór – zaburzenia
czynności krwiotwórczej szpiku kostnego.
O CO2 H
NH2
N
N
Kwas foliowy
(witamina M, 1938)
H2 N
N
N
N
CH 3
N
H
N
H2N
N
N
H2 N
Metotreksat
Lek pr zeciwbi ałaczkow y
OH
NH2
CO2 H
N
OCH3
OCH3
OCH3
Trymetoprym
Lek przeciwbaktery jny
N OH
N
Ksantopteryna
żółt y pigment owad ów
O
O
HN
H
NH
H
CO 2H
S
Biotyna (witamina H)
HN
H
NH
H
S
O
HN
CO 2H
NH2
Występowanie – żółtko jaj, mleko, wątróbka, ryż.
Niedobór – zapalenie skóry, łojotok, zapalenie
błon śluzowych, zahamowanie wzrostu.
Biocytyna - połączenie w komórkach z L-lizyną
5
Heterocykliczne witaminy
HO
Me
N
Me
N
S
N
H2 N
O
OH
Piryd oksyna (witamina B6)
N
O
HO
HO2 C
NH
N
O
CO 2H
N
Cyjanokobalamina
(witamina B2)
(1948 r)
N
Co
N
N
H 2N
Metoksatyna
NH2
H2 N
N
O
H2 N
O
CO2H
N
O
H
Niacyna
(nikotynamid, witamina B3)
O
NH
OH
N
NH2
OH
O
O
O P
Me
O
Ryboflavina (witamina B2)
Tiamina (witamina B1)
HO
NH
N O
CH2
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
N
N
O
O
O
CN
NH2
O
6
CO2 H
Heterocykliczne witaminy - koenzymy
Koenzymy – niebiałkowe składniki białek niezbędne dla ich aktywności.
Dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD) – przenośnik elektronów w procesach utleniania-redukcji;
redukcja wiązania C=C i utleniania wiązania C-C
miejsce
redukujące
Me
Me
N
O
NH
N
N
CH2
H
H
H
H2 C
Me
miejsce
redukujące
O
OH
OH
O
OH O
O
P O P
O
O
N
N
2H+ + 2e−
NH2
N
N
O
Me
H O
N
NH
N
N
O
CH2H
H
H
H
H2 C
OH
OH
O
OH O
O
P O P
O
O
HO OH
Dinukleotyd flawinoadeninowy
(FAD)
N
N
NH2
N
N
O
HO OH
Forma zredukowana
(FADH2)
7
Heterocykliczne witaminy - koenzymy
O NH
2
R
OH
O N
O P O
O HO OH
O P O
HO
NH2
N
N
O
O
N
NH2
R
N N
OPO 3H2
HO
Fosforan dinukleotydu nikotynamido-adeninowego
(NADP+)
NADP+ - akceptor elektronów
w biosyntezach utleniających
O
H
+
NH2
(H
−
+ 2e )
N
R
NADP
NADPH - donor elektronów
w biosyntezach redukujących
H
NH2
H
N
N
R
R
O
NADPH
+
O
HO
H
R1
R2
H
H
O
NH2
N
H+
O
H R1
H O R2
NH2
+
N
R
R
NADPH
NADP+
8
NH2
Heterocykliczne witaminy - koenzymy
Rola pirydoksyny w enzymatycznej dekarboksylacji aminokwasów
OH
HO
Me
OPO 3H2
N
Fosforan pirydoksyny
(witaminy B6)
[O]
HO
Me
R
CHO
OPO3 H2
H
O
N
O
R
H
CO2H
NH2
H
O
N
H
Me
Fosforan p irydoksalu
w postaci soli
R
OPO 3H2
- CO2
N
H
H
O
H
N
H+
OPO3 H2
Me
N
H
Dekar boksylacj a
amino kwasu
R
H
H
N
H
H
R
H
H+
R H
HN O
HO
Me
H
OPO3 H2
H2 O
H
O
Me
N
H
9
H
H
N
OPO3 H2
N
H
Heterocykliczne witaminy - koenzymy
Rola pirofosforanu tiaminy w dekarboksylacji kwasu pirogronowego
N
N
NH2 R2
N
O
O
HO P O P O
OH OH
S
H
H+
N
R1 S
addycja ylidu do
kwasu pirogronowego
R2
O
O
O H
R2
N
R1 S
O H
O O
R1
- CO 2
utworzenie enaminy
H
O
- H+
N
β -protonowanie
fragmentu
enaminowego
R2
R1 S
H
O H
N
R1 S
10
R2
OH
H+
„Barwniki życia”
O
O
N
N
N
HO 2C
N
Fe N
N
Fe N
HO 2C
N
N
N
N
białko
C20H39O 2C
CO2 H
Hem
N
MeO2 C
N
H
HO 2C
O
Fragment utlenowananej
hemoglobiny
Chlorofil a
Tworzenie układu tetrapirolowego
1
R
HO2 C
R2 CO 2H
R1
- NH3
H2 N
enzym-XH
N
H
Porfobilinogen
R1
itd
enzym-X
R1
R2
N
H
R2
R1
R1
R
2
enzym-X
R1
N
H
enzym-X
R2
N
H H
HN
Mg N
HN
R2
R2
N
H
R1
HN
R2
11
Kwasy nukleinowe
Kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) – „magazyn” informacji genetycznej
Kwas rybonukleinowy (RNA) – „dostawca” informacji genetycznej
O P O
HO
O
O P O
HO
Fragment DNA
O P O
HO
zasada
nukleinowa
O
zasada
nukleinowa
O
Fragment RNA
O OH
O P O
O
HO
O
O
O P O
HO
zasada
nukleinowa
Wystepuje w:
zasada
nukleinowa
N
N
H
NH2
N
N
O
N
H
O P O
HO
zasada
nukleinowa
O P O
HO
NH2
NH2
N
O
N
H
N
H
O
O
NH
O
NH
N
H
O
Guanina
(Gua)
Cytozyna
(Cyt)
Tymina
(Thy)
Uracyl
(Ura)
DNA, RNA
DNA, RNA
DNA, RNA
DNA
RNA
N
NH2
N
N
O
N
N
NH
N
NH2
NH2
N
O
N
N
O
O
NH
NH
O
N O
12
zasada
nukleinowa
O
O P O
HO
Adenina
(Ade)
N
OH
O
NH
N
zasada
nukleinowa
O
O
N
zasada
nukleinowa
O
OH
Kwasy nukleinowe
Oddziaływania między zasadami nukleinowymi w DNA i RNA (parowanie zasad nukleinowych) –
tworzenie komplementarnych nici kwasu nukleinowego
N
wiązanie wodorowe
O
N
O
H
wiązanie wodorowe
H
N
N
O
NH
N
N
H
N
H
H
N
N
para Ade-Thy
H
O
N
N
N
N
H
N
p ara G ua-Cyt
odczytuje sekwencję
aminokwasów w białku
kodowanym przez dany gen
transportuje odpowiednie
aminokwasy do rRNA
syntezuje białko wg
sekwencji odczytanej
przez mRNA
mRNA
tRNA
rRNA
DNA
przekazanie
informacji genetycznej
odczytanie
informacji genetycznej
informacyjne RNA
(ang. messenger RNA)
białko
transportujące RNA
(ang. transfer RNA)
rybosomowy RNA
(ang. ribosomal RNA)
13
Mechanizm działania wybranego leku
Omeprazol – inhibitor pompy protonowej
N
N
N
H
MeO
HN
N
H
S
MeO
O
H
S
N
O
H
OMe
OMe
S S enzym
N
OMe
OMe
OMe
H N NH
OMe
HS-enzym
N
N N
teraz enzym jest
zdeaktywowany
S
OMe
N
N
S
NH O
H
OMe
N
H N N S OH
OMe
14
Mechanizm działania wybranego leku
Temozolamid – lek przeciwnowotworory
O
H2N
N
N
N
Me
O
N
N
H2 O, pH > 7
- CO2
O
H2 N
H
HN
N
N
Me
O
N
N
H
H 2N
H
H2 N
N
N
H
Me N 2
kation metylodiazoniowy
( czynnik alkilujący zasady
nukleinowe w DNA)
Temozolamid
(T emodar )
15
Insektycydy - fipronil
O
F3 C S
H2 N
CN
N
N
Cl
Cl
CF3
CO2Et
+
NC
CN
CO2 Et
N
N N Ar
CN
NC
O
N
N
N
N
N
Ar
N
CN
+ H+
HN
N
Ar
N
N
Ar
Ar
CN
O
NC
aq NH3 , 0 °C
O
S
F3C
CN
H 2N
N
Ar
N
CN
CF 3SOCl
H2N
16
N
Ar
N
Toksyny
H
N
O
HOH
O
Me
O
N
N
H
N
Me
O
H
O
N
Me
H
HO
O
H
N
N
mesylan dihydroergotaminy
lek przeciwmigr enowy (Migranal)
maksymalnie 3 mg/dzień lub 6 mg/tydzień!!!
Wydawana wyłącznie z przepisu lekarza,
leczenie musi być ściśle kontrolowane.
HN
ergotamina
spor ysz (ang. ergot )
O
N
H2 N
N
H
NH2
OH
diwicyna
bób (ang. fava beam)
OH
Me4N
O
O
H
O
O
HO2 C
H
O
aflatoksyna B1
grzyby z gatunku Aspergillus
Me
muskaryna
Amanita muscar ia
O
OMe
O
O
O
N
Me
H
HN
HO
CH3 SO 3H
OH O
N
H
O
Me
Cl
ochratoksyna A
grzyby z gatunku Asper gillus
17
„Kucharzenie” a chemia związków heterocyklicznych
Produkty rozkładu cukrów
i tłuszczu podczas
pieczenia lub smażenia
CHO
HO
Główne składniki
karmelu
CHO
HCHO
CHO
Me
O
OH
O
HO
O
O
Me
O
OH
O
N
OHC
O
O
O
N
Dodatek do:
OMe
zielony gr oszek
kawa
N
Me
N
kawa
O
OH
OH
3-hydroksy-2-metylo-4H-piran-4-on
(maltol)
(tworzony w reakcji Maillarda)
O
Me
OH
5-(hydroksymetylo)furfural
(tworzony podczas karmelizacji cukru)
OH
N
OH
O
4-hydroksy-2,5-dimetylodihydrofuran-3(2H)-on
Et
Wystepowanie
OHC
O
Me
1-(3-hydroksyfuran-2-ylo)etanon
(izomaltol)
(tworzony w reakcji Maillarda)
Aromaty naturalne
I syntetyczne
O OH
O
4-hydroksy-2,5-dimetylodihydrofuran-3(2H)-on
Aromaty powstające
podczas pieczenia lub
opiekania pieczywa
Me
S
Me
O
HO
Me
Me
O
O
Me
Me
OH
O
O
ziemniaki
chleb
syntetyk
syntetyk
popcornu
wyrobów o smaku
truskawkowym
cukru trzcinowego
sztucznego syropu klonowego
18
„Kucharzenie” a chemia związków heterocyklicznych
Powstawanie 5-(hydroksy)furfuralu podczas karmelizacji cukru
O
H
HO
H
H
OH
tautomeria
keto-enolowa
H
O
OH
HO
H
H O
- H 2O
H
OHC
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
CH2 OH
CH2OH
O
- H 2O
- H 2O
CHO
OH
CH2OH
OHC
cyklizacja
CH2OH
Powstawanie maltolu i izomaltolu w reakcji Maillarda
amino-enol
H
HO
H
OH
H
H
OH
H
OH
RHN
RNH2
HO
- H 2O
CH2 OH
RHN
OH
tautomeria
H
O
HO
RHN
H
tautomeria HO
O
H
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
CH2OH
- RNH2
CH2OH
D-glukoza
HO
O
H
OH
H
OH
CH2OH
Me
tautomeria
O
OH
Me isomaltol
O
O
O
H
OH
H
OH
CH2OH
HO O
HO
OH O
Me
OH
5-(hydroksymetylo)furfural
D-glukoza
O
O
O
OH
O Me
19
maltol