ZWIĄZKI HETEROCYKLICZNE, NUKLEOZYDY I NUKLEOTYDY

Cykliczne związki organiczne dzieli się na karbocykliczne i heterocykliczne. Pierścienie karbocykliczne zawierają jedynie atomy węgla, a w przypadku pierścieni heterocyklicznych w skład pierścieni wchodzi jeden lub więcej atomów innych niż węgiel ( N, O, S).

Wiele związków heterocyklicznych przejawia ważne właściwości biologiczne np. penicylina G, cymetydyna, fenobarbital, sacharyna.

Większość związków heterocyklicznych charakteryzuje się podobnymi właściwościami chemicznymi jak ich łańcuchowe odpowiedniki.

W niektórych przypadkach, zwłaszcza gdy pierścień heterocykliczny jest nienasycony, pojawiają się unikalne i interesujące właściwości.

Cykliczne związki organiczne zawierające w pierścieniu heteroatomy, czyli atomy inne niż atom węgla ( jeden lub więcej, najczęściej N, O, S) oraz odpowiednią liczbę podwójnych wiązań, tak, żeby spełnić regułę Huckla (ewentualnie razem z wolną parą heteroatomu) wykazują właściwości aromatyczne. Należą do nich heterocykle pięcio- lub sześcioczłonowe.

Znane są też hetero cykle pięcioczłonowe skondensowane z innymi pierścieniami homo- lub heterocyklicznymi. Np. indol, karbazol, puryna, ksantyna, teofilina, teobromina, kofeina(teina).

Pirydyna znajduje się w smole pogazowej, natomiast wiele jej analogów i pochodnych występuje w naturze. Pierścień pirydynowy wchodzi w skład wielu alkaloidów, np. rycyniny ( w nasionach olejodajnej rośliny-rącznika) czy nikotyny. Uwodorniony pierścień odnajdujemy w koniinie, lobelinie (w stroiczce rozdętej) czy w alkaloidach palmy areki (np. arekaidyna).

Pięcioczłonowe, heterocykliczne pierścienie znajdują się w wielu związkach naturalnych. Przykładem mogą być aminokwasy- tryptofan i histydyna, aminy biogenne, np. tryptamina, histamina czy skatol, alkaloidy, np. alkaloidy sporyszu (pochodne kwasu lizerginowego), LSD-25 (syntetyczna pochodna kwasu lizerginowego), johimbina, strychnina (zawierają układ indolowy), alkaloidy purynowe (kofeina i analogi), aminy wchodzące w skład kwasów nukleinowych, np. guanina, związki zawierające hem, np. hemoglobina, chlorofil, tiamina (witamina B₁) i wiele innych. Kwas indolio-3-octowy jest hormonem ułatwiającym wzrost korzeni roślin. Stymuluje on ukorzenienie już przy stężeniu 10¹²g, po przekroczeniu stężenia optymalnego staje się inhibitorem wzrostu korzeni. W handlu jest dostępny preparat zawierający kwas indolio-3-octowy, stosowany przy przesadzaniu roślin w celu ułatwienia ich ukorzeniania.

Heterocykliczne związki lotne mają udział w aromacie mięsa powstającym w czasie jego obróbki cieplnej, np. pirolo( 1,2-alfa)pirazyna; 4-acetylo-2-metylo-pirymidyna; 4-hydroksy-5metylo-3(2H) furan;

KWASY NUKLEINOWE

W komórce, zarówno w jądrze jak i w cytoplazmie, większość kwasów nukleinowych występuje w formie nukleoprotein.

Kwas rybonukleinowy ( RNA ) i deoksyrybonukleinowy ( DNA ) są biopolimerami zbudowanymi z jednostek zwanych nukleotydami.

Nukleotydy są 5` - trifosforanami nukleozydów.

Nukleozydy zbudowane są z części cukrowej oraz zasady purynowej lub pirymidynowej.

W DNA występuje adenina ( A ), guanina ( G ), tymina ( T ), i cytozyna (C ). Część cukrową stanowi 2-deoksyryboza.

W RNA występuje adenina, guanina, cytozyna i uracyl ( U ). Część cukrową stanowi ryboza.

Poszczególne nukleotydy, tworzą długie łańcuchy polimerowe dna lub RNA, są połączone wiązaniami kowalencyjnymi pomiędzy fosforanami i cukrami. Fosforan połączony z grupą 5’-hydroksylową, łączy się z grupą 3’-hydroksylową następnego nukleotydu. Wiązania pomiędzy dwoma nukleotydami to wiązania 3’,5’-fosfodiestrowe.

W kwasach nukleinowych każdy nukleotyd oznacza się pojedynczą litera określającą zasadę A,G,C,T lub U. Różne geny zawierają różne sekwencje tych liter dzięki czemu kodują różne informacje. Sekwencje nukleotydów są, więc sekwencjami zasad, kodującymi odpowiednie fragmenty jakiegoś białka.

Przyjęto, że w DNA sekwencje zasad pisze się w kierunku od końca 5’ łańcucha do końca 3’.

Wiedząc, że w DNA występują 4 zasady, można obliczyć, że łańcuch o długości n nukleozydów może tworzyć 4ⁿ sekwencji. Typowa cząsteczka DNA ma kilka tysięcy nukleotydów.

Na podstawie obrazów dyfrakcyjnych promieni X Watson i Crick opracowali strukturę DNA. Kwas dezoksynukleinowy składa się z dwóch wzajemnie oplatających się nici, razem tworzących helikalną strukturę, w której zasady skierowane są do wewnątrz, a rdzeń cukrowo-fosforanowy znajduje się na zewnątrz. Dwie nici ułożone są antyrównolegle względem siebie. Zasady znajdujące się w przeciwległych niciach tworzą ze sobą wiązania wodorowe.

Związki heterocykliczne w żywności powstają głównie w wyniku obróbki cieplnej i stanowią o zapachu i smakowitości. Np. pirozyna, pirydyna, furan, tiazol, pirol.

FLAWANOIDY , naturalne składniki wielu roślin. Posiadają wolne grupy hydroksylowe, które odgrywają ważną rolę jako antyoksydanty. (przeważnie kolor żółty)

FLAWONOLE- działają jako naturalne konserwanty.

Flawony i flawanole występują jako glikozydy zlokalizowane w roślinach głównie w liściach i owocach.

Flawanony występują w owocach cytrusowych jako glikozyd, nadają gorzki smak np. w grejpfrutach.

POLIMERY I BIOPOLIMERY

Biopolimery – polimery występujące naturalnie w organizmach żywych, które są przez nie produkowane. Znaczna część związków organicznych występujących w tych organizmach to właśnie biopolimery wchodzą w skład komórki, są też budulcem w obszarach międzykomórkowych. Szczególnie ważną rolę pełnia biopolimery, które mają wiele grup funkcyjnych.

Białka- wielkocząsteczkowe biopolimery, a właściwie biologiczne polikondensaty , zbudowane z reszt aminokwasów połączonych ze sobą wiązaniami peptydowymi –CO-NH- . Występują we wszystkich żywych organizmach oraz wirusach. Synteza białek odbywa się przy udziale specjalnych organelli komórkowych zwanych rybosomami.

Związki zbudowane z co najmniej 100 aminokwasów. Pewna grupa białek zawiera dodatkowo składniki niepeptydowe (grypy prostetyczne), stąd podział na białka proste i złożone.

Podział ze względu na kształt białka: globularne (sferyczne) i białka fibrylarne.

Globularne- rozpuszczalne w wodzie lub w roztworach soli (enzymy, antygeny itp.)

Fibrylarne- maja stałą strukturę i są na ogół nierozpuszczalne (białka strukturalne i podporowe)

Białka fibrylarne- białka proste o strukturze włókienkowej stanowiące podstawowy materiał budulcowy organizmów zwierzęcych.

Właściwości:

• Trudno rozpuszczalne w wodzie

• Mało wrażliwe na działanie enzymów proteolitycznych

• Cząsteczki są długie i nitkowate, maja skłonność do układania się obok siebie i tworzenia włókien

Występowanie: szkielety, pancerze, paznokcie, rogi, ścięgna, włosy, pióra ptaków, skóra

Białka globularne- hemoglobina

Białka proste:

• Protaminy

• Histony

• Albuminy

• Globuliny

Białka złożone:

• Lipidoproteiny

• Glikoproteiny

• Metaloproteiny

Struktura białek

Zsyntetyzowany w komórkach łańcuch białkowy przypomina unoszącą się swobodnie w komórce nitkę, która może przyjąć dowolny kształt, ale ulega procesowi tzw. zwijania białka tworząc mniej lub bardziej sztywną strukturę przestrzenną, zwana strukturą lub konformacja białka „natywną”. Tylko cząsteczki, które uległy zwinięciu do takiej struktury mogą pełnić właściwą danemu białku rolę biochemiczną.

Struktury:

• I-rzędowa- sekwencja aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym

• II-rzędowa- odnosi się do tego jaki segment łańcucha peptydowego układa się w przestrzeni:

- helisa alfa (α-helix)

-harmonijka beta

Beta zakręt (zwrot beta) – element struktury większości białek powodujący zmianę kierunku łańcucha polipeptydowego. Beta zakręt jest elementem II-rzędowej struktury białka. Dzięki zmianom kierunku łańcucha, cząsteczki białka są ściśle upakowane i posiadają globularne kształty.

Łańcuchy białka mogą być równoległe i antyrównoległe.

Ponad 60% łańcuchów polipeptydowych statystycznego białka przybiera konformację α-helisy lub β-harmonijki, trzecią pod względem struktury jest zwrot beta.

• III-rzędowa – wzajemne położenie elementów struktury II-rzędowej. Odnosi się do sposobu w jaki cała cząsteczka białka zwija się przyjmując ostateczny kształt. Struktura III-rzędowa składa się z szeregu domen.

Siły stabilizujące strukturę III-rzędową

• Oddziaływanie Van der Waalsa i hydrofobowe

• Wiązania dwusiarczkowe

• Wiązania jonowe i wodorowe

• Wiązania fosfoestrowe i fosfodiestrowe

• Rola proliny

Wśród sił stabilizujących trzeciorzędową strukturę białka są oddziaływania hydrofobowe łańcuchów węglowodorowych aminokwasów obojętnych. Aminokwasy te skupiają się we wnętrzu cząsteczki. W przeciwieństwie do tego aminokwasy kwasowe lub zasadowe, skupiają się na powierzchni białka, gdzie mogą być sol watowane przez wodę.

Niemniej ważne dla stabilizacji struktury III-rzędowej jest tworzenie mostków disulfidowych między resztami cysteinowymi.

• IV-rzędowa- wzajemne położenie łańcuchów polipeptydowych oraz ewentualnie struktur niebiałkowych (grup prostetycznych):

-cukrów w glikoproteidach

-lipidów w lipoproteidach

-kwasów nukleinowych w nukleoproteidach

-barwników w chromoproteidach

-resztę kwasu fosforowego w fosfoproteidach

Denaturacja białek

Struktura III-rzędowa białka globularnego, utrzymywana jest w równowadze przez słabe siły wewnątrzcząsteczkowe.

Często nieznaczna zmiana temperatury, pH, zaburza tę równowagę i białko ulega denaturacji.

W takiej sytuacji zachowana zostaje I-rzędowa struktura, ale struktura przestrzenna zmienia się ze ściśle zdefiniowanego kulistego kształtu w bezładny kłębek.

Denaturacji towarzyszy zmiana właściwości fizycznych, jak i biologicznych.

Denaturacja może być odwracalna (renaturacja) lub nieodwracalna.

Białko globularne traci swój uporządkowany 3-wymiarowy kształt i zwija się bezładnie.

Denaturacja b = zniszczenie struktura II, III, i IV rzędowa, przy zachowaniu struktury I-rzędowej

Denaturacja fizyczna- ogrzewanie, silne mieszanie, wytrząsanie, promieniowanie UV, rentgenowskie, ultradźwięki

Denaturacja chemiczna

Rozerwanie wiązań wodorowych – mocznik (6-8 mol), zasady, kwasy (pH<3,>9), sole metali ciężkich, dodecylosiarczan sodu ( 1%)

Obróbka termiczna żywności powoduje denaturację białek, a to ułatwia ich trawienie, ponieważ rozluźnione struktury i rozwinięte polipeptydowe łańcuchy są bardziej dostępne dla enzymów trawiących oraz innych czynników chemicznych występujących w sokach trawiennych.

Denaturacja termiczna białka zwiększa nie tylko przyswajalność produktów spożywczych, ale powoduje jednocześnie dezaktywację niepożądanych związków występujących w surowych produktach, w tym niektórych enzymów jak proteazy czy lipazy.

Zbyt długie ogrzewanie białek prowadzi do niepożądanych zjawisk takich jak usieciowanie łańcuchów peptydowych w wyniku reakcji między wolnymi grupami karboksylowymi i aminowymi, czy rozkładu niektórych aminokwasów jak: Cys, Met, Lys.

Sacharydy (węglowodany, cukry)

Sacharydy-jedna z najważniejszych grup związków organicznych występujących w przyrodzie (materiał zapasowy, źródło energii, materiał strukturalny, ważne składniki związków istotnych ze względów przebiegających w organizmach procesów biochemicznych - np. składniki koenzymów czy kwasów nukleinowych).

Budowa cukrów – polihydroksyaldehydy lub polihydroksyketony lub ich polimery.

Wiele z nich ma ogólny (CH₂O)_n ≡ C_n (H₂O)_n stąd nadana im w XIX w. błędna z punktu widzenia istoty ich budowy nazwa węglowodany czyli wodziany węgla [glukoza C₆(H₂O)₆].

Podział sacharydów w oparciu o wielkość cząsteczek:

• monosacharydy ,związki, które w wyniku hydrolizy nie mogą wytworzyć cząsteczek prostszych cukrów. Zawierają od 3-do 8 atomów węgla w cząsteczce, najbardziej rozpowszechnione są monosacharydy zawierające 5 lub 6 atomów węgla w cząsteczce, czyli pentozy i heksozy (przyrostek o-oza jest cechą charakterystyczna w nazwach cukrów);

• disacharydy- cukry składające się z dwóch cząsteczek monosacharydów, połączonych wiązaniem acetalowym (w odniesieniu do cukrów ten rodzaj nazywany jest wiązaniem glikozydowym);

• oligosacharydy- związki składające się z kilku (od trzech do kilkunastu) cząsteczek monosacharydów połączonych wiązaniem glikozydowym;

• polisacharydy – związki o charakterze polimerycznym zbudowane z setek lub tysięcy cząsteczek cukrów prostych połączonych wiązaniem acetalowym (glikozydowym).

Cukry występujące w przyrodzie to przede wszystkim cukry należące do szeregu D.

Triozy i tetrozy nie występują nigdzie w większych ilościach, ale każda komórka zawiera aldehyd glicerynowy, dihydoroksyaceton i erytrozę będące produktami pośrednimi syntezy i degradacji cukrów w organizmie. Pentozy ( z wyjątkiem liksozy) są rozpowszechnione w przyrodzie – do najważniejszych pentoz należą D-ryboza i D-deoksyryboza (dezoksyryboza). D-ksyloza i D-arabinoza są składnikami polisacharydów roślinnych. Wyjątek stanowi L-arabinoza , która występuje częściej od D-arabinozy.

Ketopentozy występują w komórkach (D-rybuloza i D-ksyluloza) w małych ilościach. D-fruktoza jest pospolitą ketoheksozą.

Do najbardziej rozpowszechnionych w przyrodzie cukrów należy glukoza. Rośliny wytwarzają w toku fotosyntezy rocznie ok. 100 miliardów ton tego związku. Jest to podstawowy składnik cukrów złożonych występuje w di-, oligo- i polisacharydach (celuloza- składnik budulcowy szeregu roślin).

Właściwości cukrów prostych zostaną przedstawione na przykładzie glukozy.

Glukoza występująca powszechnie w przyrodzie należy do szeregu D jest cukrem prawoskrętnym (+). Określenie D-odnosi się do konfiguracji względnej na ostatnim asymetrycznym (piątym atomie węgla w cząsteczce glukozy). Glukoza jest aldoheksozą (czyli posiada grupę aldehydową oznaczaną w numeracji atomów glukozy lokantem 1 i sześć atomów węgla w cząsteczce).

Cukry różniące się konfiguracją na tylko jednym atomie węgla (obojętnie którym) nazywamy epimerami.

Mutarotacja – zmiana skręcalności roztworów cukrów. Mutarotacja jest wynikiem równowag tautomerycznych ustalających się w roztworach sacharydów. Ta równowaga może dotyczyć również wielkości pierścienia.

W tych warunkach glikozydy nie ulegają mutarotacji.

Glikozydy nie ulegają mutarotacji, ponieważ przy węglu (C1) tworzącym wiązanie hemiacetalowe nie ma grupy OH.

Wiele odczynników utleniających używanych jest w chemii cukrów celem wyjaśnienia ich budowy:

Odczynnik Fehlinga – winianowy kompleks Cu²⁺w środowisku zasadowym

Odczynnik Tollensa – amoniakalny roztwór azotanu (V) srebra

Odczynnik Benedicta – cytrynian Cu²⁺ w zasadowym środowisku

Utleniają aldehydy i α-hydroksyketony.

Dają pozytywny wynik dla wszystkich aldoz i ketoz (α-hydroksy).

Wszystkie cukry zawierające grupę hemiacetalową lub hemiketalową dadzą pozytywny wynik gdyż są w równowadze z formą łańcuchową.

Acetale i ketale nie dają pozytywnego wyniku gdyż są trwałe w zasadowym środowisku reagentów.

Odczynniki te mają znaczenie diagnostyczne (odczynnik Benedicta można stosować do ilościowego oznaczenia cukru w moczu i krwi) ale nie mają znaczenia preparatywnego.

AMINOKWASY, PEPTYDY, BIAŁKA

AMINOKWASY- związki dwufunkcyjne zawierające grupę kwasową ( karboksylowa COOH lub sulfonowa SO₃H ) i grze zasadową ( aminową NH₂ ).

Aminokwasy w znaczeniu potocznym – kwasy karboksylowe posiadające grupę aminową w położeniu alfa w stosunku do grupy karboksylowej. Występują w przyrodzie w postaci wolnej lub w postaci związku o budowie polimerycznej ( peptydy, białka ). Dotychczas poznano około 200 aminokwasów, jednak zaledwie 20 z nich to aminokwasy białkowe.

Aminokwasy występujące w przyrodzie to głównie alfa-aminokwasy.

IZOMERIA OPTYCZNA:

Konfiguracja względna: porównanie do budowy wzorca jakim orbitalnie uznano aldehyd (+) glicerynowy i przypisano mu konfigurację D.

Konfiguracja absolutna: Węgiel alfa w aminokwasach jest węglem asymetrycznym ( za wyjątkiem glicyny wszystkie aminokwasy są optycznie czynne).

W przyrodzie większość aminokwasów to L-aminokwasy.

Białka wszystkich gatunków od bakterii do człowieka są zbudowane z tych samych 20 aminokwasów za wyjątkiem glicyny wszystkie aminokwasy posiadają centrum chiralne.

Ponieważ aminokwasy zawierają grupę kwasową i zasadową ulegają one wewnątrzcząsteczkowej reakcji kwas-zasada i występują głównie w formie jonu dipolowego lub obojnaczego ( lub zwitter jonu).

Jony obojnacze aminokwasu są rodzajem wewnętrznych soli i dlatego charakteryzują się wieloma właściwościami fizycznymi typowymi dla soli. Mają duże monomery dipolowe, są rozpuszczalne w wodzie ale nierozpuszczalne w węglowodorach, są substancjami krystalicznymi o wysokich temperaturach topnienia. Zawierają co najmniej dwie słabo kwaśne grupy: -COOH, -NH₂

W roztworze obie formy występują w równowadze protonowej.

W punkcie izoelektrycznym jest najmniejsza rozpuszczalność.

Punkt izoelektryczny – taka wartość pH przy której w przyrodzie występuje jon obojnaczy a formy anionowe i kationowe są w równowadze. Każdy aminokwas ma inna wartość pI, która zależy od stałej dysocjacji grup obecnych w aminokwasie.

Podział aminokwasów:

• Rodzaj rodnika ( łańcuchowe, pierścieniowe )

• Polarność rodnika ( polarne, niepolarne )

• Miejsce syntezy ( endogenne, egzogenne)

• Położenie grupy aminowej względem karboksylowej ( alfa, beta, gamma, sigma? , e-aminokwasy)

Przemiany szkieletów :

• Glikogenie dostarczają pirogronianu

• Ketogenne dostarczają acetylo koenzymu A

• Glikoketogenne

Aminokwasy endogenne- wytwarzane przez organizmy zwierzęce.

Aminokwasy egzogenne- muszą być dostarczane. Są to: wal, leu, ilu, phe, Tyr, tryp,lys, met.

Aminokwasy niepolarne: glicyna ( G), alanina (A), walina (V), leucyna (L), izoleucyna (I), tryptofan (W), prolina (P), metionina ( M), fenyloalanina (F).

Aminokwasy polarne: asparagina (N), glutamina (Q), tyrozyna (V), cysteina (C), seryna (S), treonina (T).

Aminokwasy kwasowe: kwas asparaginowy (D), kwas glutaminowy (E).

Aminokwasy zasadowe: arginina (R), lizyna (K), histydyna (H).

Poza aminokwasami białkowymi w organizmach żywych spotykamy inne aminokwasy pełniące różne funkcje metaboliczne np. tyroksyna – prekursor hormonów tarczycy lub 3,4-dihydroksyfenyloalanina tzw. dopa prekursor dopaminy, a także beta-alanina ( kwas 3-amino propanowy- składnik koenzymu A ).

BUDOWA I NOMENKLATURA PEPTYDÓW:

Najważniejszą reakcją chemiczną aminokwasów jako związków dwufunkcyjnych przebiegającą z jednoczesnym wykorzystaniem obu grup funkcyjnych (pochodzących od dwóch aminokwasów jest reakcja tworzenia wiązania amidowego –CO-NH- zwanego wiązaniem peptydowym. W wyniku tej reakcji powstaje związki polimeryczne zwane peptydami.

Peptydy – amidy powstałe z dwóch lub więcej aminokwasów. Z wyjątkiem wiązania peptydowego zawierającego resztę proliny wzajemne ułożenie tlenu karbonylowego i wodoru amidowego występuje w konformacji transoidalnej.

Wiązanie peptydowe dzięki delokalizacji pary elektronów azotu wykazuje dwie struktury rezonansowe. Dzięki podwójnemu wiązaniu węgiel-azot konformacja łańcucha jest stabilna.

Wiązanie peptydowe jest sztywnym elementem cząsteczki ponieważ w wiązaniu tym występuje delokalizacja pary elektronowej atomu azotu.

Badania niezbędne przy określaniu budowy peptydów:

• Oznaczenie składu aminokwasów oraz ich sekwencji

• Należy wykonać hydrolizę peptydów lub białek – na drodze chemicznej ( wodnym roztworem kwasu ) lub enzymatyczne za pomocą enzymów np. takich jak trypsyna, chymotrypsyna

• Hydroliza kwasowa jest nieselektywna i prowadzi do powstania pojedynczych aminokwasów lub przypadkowej mieszaniny różnych małych fragmentów

• Hydroliza enzymatyczna wykazuje dość znaczną selektywność

HYDROLIZA ENZYMATYCZNA:

• Trypsyna – katalizuje hydrolizę jedynie przy grupie karboksylowej lizyny i argininy a grupą aminową innych aminokwasów

• Chymotrypsyna rozszczepia peptyd jedynie przy grupie karboksylowej aminokwasów podstawionych grupą arylową, takich jak fenyloalanina, tyrozyna, tryptofan.

Występowanie aminokwasów: dużo w białkach strukturalnych. Kolagen 25-30% glicyny, po raz pierwszy wyizolowany w żelatynie. Cysteina – rogi, paznokcie, ważne ze względu na tworzenie wiązań disiarczkowych.

WOLNE AMINOKWASY I PEPTYDY W ŻYWNOŚCI

Aminokwasy zawarte w z żywności mają przeważnie konfigurację L, lecz na skutek przetwarzania ( ogrzewanie w środowisku alkalicznym ) następuje ich częściowa racemizacja.

Datowanie metodą racemizacji aminokwasów.

Właściwości:

• Na ogół dobrze rozpuszczalne

• Aminokwasy zależnie od konfiguracji mają smak obojętny, słodki lub gorzki

• Peptydy są smakowo obojętne

ASPARTAM- organiczny związek chemiczny o wzorze sumarycznym C14H18O5N2, należy do grupy estrów peptydowych.

W wielu tkankach roślinnych i zwierzęcych występuje trimetylowe pochodne aminokwasów znane pod ogólną nazwą betain.

Pod wpływem endogennych enzymów oraz flory bakteryjnej zachodzą w żywności przemiany aminokwasów i peptydów.