Naturalne związki organiczne

1. Aleksander Kołodziejczyk Naturalne związki organiczne Gdańsk 2013

2. Program wykładów z Chemii Naturalnych związków Organicznych 30 godz. dla studentów kierunku Biotechnologia Treść 1. Aminokwasy 6. Alkaloidy 2. Peptydy 7. Sterydy i steroidy 3. Białka 8. Hormony, w tym h. płciowe i kortykosterydy 4. Sacharydy 9. Terpeny i terpenoidy 5. Lipidy 10. Związki semiochemiczne, w tym feromony Zaliczenie wykładów: na podstawie sprawdzianu pisemnego lub pisemnego i ustnego ustnego materiału podanego na wykładach.

3. Literatura uzupełniająca 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, M. Sivakumar, „Chemistry of Natural Products”, Springer, Narosa, Berlin, Heidelbrg, New York, New Delhi, 2005. 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. 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. 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. 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.

4. 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. 1. A.M. Kołodziejczyk, „Przemysłowa produkcja aminokwasów”, Przemysł chemiczny, 84, 84-121 (2005). 1. A.M. Kołodziejczyk, A. S. Kołodziejczyk, „Muramylopeptydy i ich farmakologiczne własności”, Postępy Biochemii, 33, 203-229 (1987). 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. 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.

5. 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 a-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 2012, poprawione wznowienie drugiego wydania. A. Kołodziejczyk, „Naturalne Związki Organiczne”, PWN, Warszawa 2013, wydanie 3, rozszerzone i poprawione, przewidywana data wydania październik 2013

6. Aleksander Kołodziejczyk 1. A M I N O K W A S Y Gdańsk 2013

7. A M I N O K W A S Y niebiałkowe (D lub L) białkowe (L) trzeciorzędowe pierwszorzędowe (kodowane) drugorzędowe a-aminokwas

8. Aminokwasy kodowane alifatyczne Wzór prolina izoleucyna leucyna alanina walina nazwa glicyna Leu kod 3-literowy Ile Val Pro Gly Ala G P V A L I kod 1-literowy 5,97 5,98 6,02 pHi 6,02 5,97 6,10

9. Hydroksyaminokwasy

10. Aminokwasy siarkowe

11. Aminokwasy aromatyczne 5,98 fenyloalanina F Phe tyrozyna Tyr Y 5,65 tryptofan Trp W 5,88

12. Aminokwasy kwaśne i ich amidy kwas asparaginowy Asp D 2,87 Asn N 5,41 asparagina kwas glutaminowy Glu E 3,22 glutamina Gln Q 5,65

13. Aminokwasy zasadowe Lys K 9,74 lizyna Arg R 10,08 arginina H 7,64 histydyna His hydroksy- lizyna Hly -

14. Aminokwasy białkowe drugorzędowe powstają w wyniku postrybosomalnej modyfikacji głównie w reakcjach: N-alkilowania,C-hydroksylowania i C-halogenowania

15. Aminokwasy b. trzeciorzędowe powstają w procesach postryboso-malnych, w reakcjach pomiędzy grupami funkcyjnymi różnych AA Utlenienie Cys do (Cys)2

16. Insulina

17. Reakcje funkcji bocznych aminokwasów

18. Aminokwasy niezbędne (egzogenne) 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. rac-Asn Niektórzy autorzy konfigura- cję D przedstawią symbolami pisanymi z małej litery, np. v oznacza D-Val ala, oznacza D-Ala z-Ser Konfigurację nieznaną oznacza się litery z (czytaj ksi) Konfiguracja aminokwasów Wszystkie aminokwasy białkowe (oprócz Gly) są chiralne i mają konfigurację L na Ca. lustro Projekcja Fischera

20. Chiralne AA białkowe, oprócz Cys mają na Ca konfigurację absolutną S Projekcja Newmana Dwa aminokwasy kodowane: Ile i Thr mają dwa centra chiralne

21. W cząsteczce aminokwasu grupy aminowa – NH2 i kwasowa – COOH reagują z sobą tworząc sól wewnetrzną, tzw. jon obojnaczy, inaczej zwitterion Właściwości kwasowo-zasadowe Dysocjacja aminokwasów w roztworze wodnym:

22. Stałe dysocjacji: Krzywa miareczkowania glicyny

23. Stałe dysocjacji pKa niektórych aminokwasów kodowanych Stałe dysocjacji pKa niektórych aminokwasów kodowanych 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 dlaAsp Stałe dysocjacji dlaLys

25. Rozpuszczalność Jonowa budowa AA decyduje o ich rozpuszczalności – są polarne i większość AA kodowanych rozpuszcza się w wodzie. Są i trudno rozpuszczalne w wodzie: Najłatwiej w wodzie rozpuszczają się: Hyp – 36 g/100 cm3i Gly – 25 g/cm3. Wszystkie AA kodowane rozpuszczają się w AcOH i NH3.aq. Jedynie Pro jest rozpuszczalna w EtOH. 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 AAkodowanych 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 AAbiałkowych 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. monoglutaminian sodu – MGN 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). 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 i jeńcom 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 podobne do fenyloketonurii Nadmiar Trp wywołuje u zwierząt doświadczalnych depresję, nawet przy diecie wysokobiałkowej. Nadmiar Cys i Met powodują nekrozę wątroby i nerek Szkodliwy jest nadmiar AA hydrofobowych. Natomiast wiele AA hydrofilowych (Asp, Arg, Glu, OrniLys)jest stosowane jako leki i nawet w dużych dawkach nie wykazują szkodliwego działania.

29. Naturalne aminokwasy niebiałkowe

32. Zastosowanie aminokwasów do wzbogacania wartości odżywczej pokarmów i pasz jako substancje smakowe do produkcji aspartamu substraty w syntezie chemicznej Substraty chiralne do karmienia pozajelitowego w syntezie peptydów leki

33. Lp Aminokwas Wielkość produkcji [t] Główna metoda produkcji Główne zastosowanie Produkcja najpopularniejszych aminokwsów 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

34. Przemysłowe otrzymywanie aminokwasów

35. metionina

36. Chemiczna synteza aminokwasów Aminowanie halogenokwasów Synteza Gabriela

37. Synteza z estru aminomalonowego Reakcja Michaela Synteza Streckera

38. Alkilowanie glicyny, np. kondensacja Perkina Alkilowanie zasady Schiffa – aminoacetonitrylu

39. Alkilowanie hydantoiny glicyny

40. Redukcyjne aminowanie a-ketokwasów Syntezy specyficzne

41. Synteza aminokwasów znaczonych radioizotopami Synteza prebiotyczna

42. Aminokwasy chiralnie czyste Otrzymywanie: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 zawartość enancjomeru w mieszaninie racemicznej czystość optyczna – o.p. – (ang. optical purity) nadmiar enenacjomeryczny – e.e. – (ang. enanctiomeric excess) zawartość jednego enancjomeru względem drugiego Jeżeli o.p. = 95%, to e.e. = 90%

43. PRZYKŁADY SYNTEZ CHIRALNYCH AMINOKWASÓW 1. Syntezy Kagana i Coreya Y = 100%, e.e. = 98% (S)-b-asparaginian metylu 2. Uwodornienie a,b-nienasyconych AA zawierających chiralny podstawnik

44. 3. Redukcja wobec chiralnych katalizatorów Rozpuszczalne katalizatory rodowe, zawierające chiralne ligandy umożliwiają otrzymywanie związków chiralnych z dużą wydajnością chiralną. L: Kat.: Rh2LCl Ac-Phe-OMe; R:a = H; b = CH3

45. Osadzenie katalizatora na stałym nośniku ułatwia jego regenerację wyd. chem 100% RS/SS99,2/0,8 Do indukowania chiralnego centrum można wykorzystać związki naturalne.

46. 5. Redukcja borowodorem zawierającym chiralne grupy

47. 6. Metody mikrobiologiczne i enzymatyczne 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 diastereomeryczne sole diastereomeryczne sole

49. Diastereoizomeryczne sole rozdziela się najczęściej poprzez krystalizację chiralne zasady: fenyloetyloamina, nitrofenyloetyloamina, naftylofenyloamina,brucyna,efedryna chiralne kwasy: kw. dibenzylowinowy,kw. D-kamforosulfonowy Pochodne diastereoizomeryczne Aminokwasy 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. Do przekształcania DL-AK w estry można użyć np. mentolu Peptydy też mogą służyć do rozdzielania stereoizomerów. Metody chromatograficzne • Stacjonarne fazy chiralne • Chiralne fazy ruchome Krystalizacja spontaniczna