I ti d j dělá á í

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Investice do rozvoje vzdělávání

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

I ti d j dělá á í

Předmět: LRR CHPB II./Chemi pro Biology II.

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Investice do rozvoje vzdělávání

I ti d j dělá á í

Stereochemie organických molekul a izomerie.

Biogenní prvky.

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Investice do rozvoje vzdělávání

Lucie Szüčová

I ti d j dělá á í

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Investice do rozvoje vzdělávání

Osnova:stereochemie organických sloučeninizomerie strukturní, optická, geometrickáracemická směs, dělení racemátuoptické antipody

Klíčová slova: izomerie, optické antipody, racemát, geometrická izomerie

biogenní prvky

I ti d j dělá á í

Základní stavební prvek: uhlík

základní stavební prvek živé hmotyuhlík může tvořit vazby C-C, tzn. vytváří řetězce a kruhy

4 elektrony v poslední slupce mohou vytvářet4 kovalentní vazby, celá řada funkčních skupin může přispívat k rozmanitosti života

I ti d j dělá á í

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 jevnazýváme izomerie.

Izomery: jsou pak tedy látky, které mají stejný molekulární vzorec ale rozdílnou strukturu

Strukturní, geometrická, optická

I ti d j dělá á í

První historické zmínky o izomeriiprvní zmínky z roku 1825Friedrich 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).

I ti d j dělá á í

Strukturní (konstituční) izomerie

izomery mají stejný souhrnný (molekulový) vzorec ale jinévnitřní uspořádánía) řetězcová (větvení řetězce)b) polohová (poloha nás. vazby)c) funkční (změna dotýkající se

fční skupiny)

I ti d j dělá á í

Stereoizomerie izomerie

strukturně jsou izomery stejné, liší se geometrií: uspořádáním v prostorupatří sem enantiomery (optická izomerie)dále pak diastereomery – tyto se dělí naa)konformační izomeryb)geometrické izomery

I ti d j dělá á í

Optická izomerie: enantiomery

enantiomery (zrcadlově uspořádané molekuly, jako předmět a jeho obraz v zrcadle, jedna např. biologicky aktivní, druhý neaktivnívždy,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)

I ti d j dělá á í

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

I ti d j dělá á í

Racemát a optické antipody

optické antipody jsou dve enantiomerní formymají v podstatě stejné fyzikální vlastnosti právě až naoptickou aktivitu (rozdílná)smísením těchto antipodů ve stejném poměru:vzniká racemát, racemická směs (v tuhé fázi)aktivita jednoho antipodu je rušena aktivitou druhéhobod tání racemátu je nižší než u jednotlivých izomerůa jeho rozpustnost je vyššípod pojmem „štěpení“ racemátu na optické antipody se rozumírozdělení směsi na izomery tak, že se získá jeden antipod vopticky čistém stavuvětšina 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

I ti d j dělá á í

Odlišnost opticky aktivních látekChemickými a fyzikálními vlastnostmi se optické izomery většinou příliš neliší Výjimkou je pouze biologická aktivitaObě formy rozdílně interagují s enzymy, účinky látek na živý organismus jsou tedy odlišnéV 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

I ti d j dělá á í

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

I ti d j dělá á í

Konformační izomeryKonformace 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

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

„vaničková“ konformace cyklohexanu

„židličková“ konformace cyklohexanu

I ti d j dělá á í

Geometrické izomery

•odlišují se v prostorovém uspořádání v organické chemii je tato izomerie dána přítomností neohebné dvojné vazby: velká odlišnost v biologických funkcích molekulv případě dvojné vazby dochází ke vzniku izomerů cis (oba substituenty na jedné straně dvojné vazby) a trans (substituenty v diagonální rovině vůči dvojné vazbě)

I ti d j dělá á í

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.

I ti d j dělá á í

Makro a mikrobiogenní prvky

A) makrobiogenní: C, O, H, N, S, K, P, Mg, Ca, Cl, Na, Fetvoří více než 99% hmotnosti živých organismů a jsou pro život nezbytnéuhlík 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 toxickénezbytné pro enzymatické a katalytické děje

některé stopové prvky jsou nutné pro všechny organismy (Fe), jiné jen pro určité druhy (I, u obratlovců)

I ti d j dělá á í

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 tělíseku 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)

Fosforv organismech v pětimocné formě, jako fosforečnan (fosfát)fosfor se nachází v ATP (jako tri, di a monofosfát) -energienukleových kyselinách (DNA, RNA)buněčných membránách (fosfolipidy) v kostech, zubech (4/5 celk. množství v těle člověka)rostliny přijímají fosfor ve formě aniontů H2PO4

- a HPO42-

primárními metabolity jsou pak adenosinfosfáty (zejména ATP)

I ti d j dělá á í

Draslík

udržuje svalový tonusbuňky, nervy a svaly by bez draslíku nemohly správně pracovatrovnováha tekutin a elektrolytů v buňkách a tkáníchnezbytný pro šíření nervových vzruchůsnižuje krevní tlakpřirozeným diuretikemu člověka: odstraňuje únavupomáhá 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.

I ti d j dělá á í

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. Flemingabsorbována rostlinami z půdy jako sulfát a redukována na sulfid před inkorporací do molekuly cysteinuv rostlinách i živočiších: cystein a methionin, proteiny a enzymy obsahující tyto aminokyselinyv homocysteinu a taurinuprosthetické 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

I ti d j dělá á í

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 nárustukoncentrace Na+ v srdečním svalu, což má za následek jeho zvýšenou aktivitu)

I ti d j dělá á í

Hořčík

globální význam hořčíku je dán jeho výskytem v molekule chlorofylupřeměna sluneční energie na energii chem. vazeb sacharidů prostřednictvím fotosyntézy z CO2 a vodyzelené zbarvení rostlin je způsobeno právě přítomností chlorofylu (nejsilněji absorbuje červené a modré světlo)

Železov lidském těle asi 4-5 g železa (Fe2+, Fe3+)65-70 % se nachází v hemoglobinu (Fe2+)3-4 % v myoglobinuasi 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 krvinkáchOtrava CO: váže se na Fe místo O2 s větší afinitou

I ti d j dělá á í

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

I ti d j dělá á í

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. B12nebo přímo navázané na protein – methionylaminopeptidáza 2 a nitrylhydratáza

vyskytuje se v mase, vnitřnostech a některé zelenině

jeho výskyt v rostlinách zlepšuje prokazatelně zdraví pasoucích se zvířat

I ti d j dělá á í

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 Mohlavním přirozeným zdrojem molybdenu v potravě jsou luštěniny, celozrnné pečivo a listová zelenina, játra (DDD: 50-400 mikrogramů)

I ti d j dělá á í

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

I ti d j dělá á í

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)

I ti d j dělá á í

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

chovánístandardy 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)

I ti d j dělá á í

Děkuji Vám za pozornost