chemie für biologen · c ch 3 h ch 2 cl h 3c c h 3c h ch 2ch cl h 3cchcooh oh milchsäure c oh...
TRANSCRIPT
Chemie für Biologen
WS 2005/6
Arne LützenInstitut für Organische Chemieder Universität Duisburg-Essen
(Teil 13: Chiralität, Naturstoffe)
chiral (griechisch cheir – Hand bzw. Händigkeit)
Chiralität bedeutet Händigkeit
Chirale Objekte sind mit ihrem Spiegelbild nicht deckungsgleich.
Beispiele: Hände, Handschuhe, Schuhe, Füße, Beine, Schrauben, Korkenzieher, Schneckengehäuse, Hirschgeweihe, Spiralnebel, ...
Dieses Phänomen tritt auch bei einigen Konfigurations- oder Stereoisomeren auf.
H3C CH2 CHCl
CH3
2-Chlorbutan
CCH3
H
CH2Cl
H3C CH3C
H
CH2CH3Cl
H3C CH COOHOHMilchsäure
COH
COOH
HH3C
CHO
COOH
HCH3
- stereogenes Zentrum asymmetrisches C-Atom
Bild Spiegelbild
nicht deckungsgleiche Enantiomere
Beispiele für Stereoisomere
Ein 1:1-Gemische der Enantiomere heißt auch racemisches Gemisch oder Racemat.
Enantiomere sind trennbare, stabile Verbindungen. Sie sind nur durch Umgruppierung von Bindungen ineinander überführbar. Sie besitzen die gleiche Konstitution. Sie zeigen gegenüber achiralenReagenzien gleiche chemische Eigenschaften. Auch die meisten physikalischen Eigenschaften sind gleich (z.B. Dichte, Schmelzpunkt, Siedepunkt). Lediglich die Wechselwirkung mit polarisiertem Licht ist anders. Enantiomere besitzen für zirkular polarisiertes Licht unterschiedliche Brechungsindices. Sie drehen die Ebene von linear polarisiertem Licht.Chirale Verbindungen sind optisch aktiv. Racemate sind optisch inaktiv.
PolarimeterMessung der spezifischen Drehung[α]D
Messung mit derD-Linie des Natriums (ca. 589 nm)
Unterscheidung von Enantiomeren
stereogenes C-Atom und Enantiomerenpaar
Kleinste chirale Einheit: C-Atom mit vier verschiedenen Substituenten.
C C
a
b
c
d
a
b
c
d
Spiegel
a ≠ b ≠ c ≠ d
Bild und Spiegelbild sind nicht deckungsgleich. Moleküle mit einem Asymmetriezentrum sind chiral.
Beispiel: 2-Iodbutan, Enantiomerenpaar
Konfiguration:S-(+) R-(−)
Spezifische Drehung:[α]D: +15.9° −15.9°
EtC
Me IH
MeC
EtHI
Bezeichnung der Konfiguration: R,S-System
Die Angabe des Drehsinns (+ oder −) reicht nicht, da zwischen Konfiguration und Drehsinn keine einfache Beziehung besteht. In vielen Fällen ist es wichtig, die Konfiguration zu kennen. Sie muss empirisch bestimmt werden!R,S-Nomenklatur, (Cahn, Ingold, Prelog, 1951ff), Beispiel Milchsäure:
CH3
C
OH H
CO2HCH3
C
OH
HCO2H
C
OH H
CH3HO2CC
OH
HCH3
CO2H
4
3
1
2
2
3
1
4
32
1
R-(_)-Milchsäure R = rectus (rechts)
S-(+)-Milchsäure S = sinister (links)
4
1
2
34
Blickrichtung
Sequenzregeln für Substituenten ~ Ordnungszahl
Die linksdrehende Milchsäure besitzt die R-Konfiguration.Die rechtsdrehende Milchsäure besitzt die S-Konfiguration.
Bezeichnung der Konfiguration: D,L-System
Neben der R,S-Nomenklatur verwendet man bei bestimmten Stoffklassen wie Aminosäuren, Hydroxysäuren und Zuckern die D,L-Nomenklatur (E. Fischer, 1891), Beispiel Milchsäure:
CH3
C
OH H
CO2H
C
OH H
CH3HO2C
CH3
C OHH
CO2H
CH3
OHH
CO2H
CH3
COH H
CO2H
CH3
OH H
CO2H
R-(_)-Milchsäure
S-(+)-Milchsäure
D-(_)-Milchsäure
D = dexter (rechts)
L-(+)-Milchsäure
L = laevus (links)
Fischer-Projektion
Moleküle mit mehreren stereogenen Zentren. Ein Beispiel
CH3
OH
CH3 CH3
* **
1
2
5
C10H20O ein Terpenalkohol
Das Molekül besitzt 3 stereogene Kohlenstoffatome. Damit ergeben sich 23 = 8 Stereoisomere, oder 4 Enantiomerenpaare.Enantiomere besitzen an allen C* entgegengesetzteKonfiguration.Diastereomere, also Stereomere, die keine Enantiomeresind, werden häufig mit Trivialnamen unterschieden.
C-1 C-2 C-5 Name C-1 C-2 C-5 Name R S R (−)-Menthol*) S R S (+)-Menthol S R R (+)-Isomenthol R S S (−)-Isomenthol S S R (+)-Neomenthol R R S (−)-Neomenthol R R R (+)-Neoisomenthol S S S (−)-Neoisomenthol *)Systematischer Name: (1R,2S,5R)-2-Isopropyl-5-methylcyclohexanol
Trennung von Enantiomeren
Bei technischen und Laborsynthesen entstehen zumeist racemische Gemische, da man in einer achiralen Umgebung arbeitet. Est in einer chiralen Umgebung kann es zu einer selektiven Bildung einzelner Enantiomerer kommen, wie z. B. bei den meisten biochemischen Synthesen. Zur Trennung racemischer Gemische kann man vor allem vier Methoden anwenden:
1. Spontane Kristallisation als Konglomerat (Pasteur 1848)
2. Biochemische Spaltung (Pasteur 1858)COOH
C
CH3
HO H
COOH
C
CH3
O
COOH
C
CH3
OHHEnzym Enzym
(S)- (R)-Milchsäure
Milchsäure-dehydrogenase
3. Bildung von Diastereomeren mit optisch aktivem Auxiliar (Pasteur 1858)(R)-P(S)-P + (R)-A (R)-P x (R)-A
(S)-P x (R)-ARacemat
von PEnantiomer des
Auxiliars ADiastereomere
Beispiel: (2R,3R)-Weinsäure Salz Trennung durch Umkristallisieren
CHNH2
Ph CH3
4. Chromatographie mittels chiraler stationärer Phase
Trennung von Enantiomeren
H2NOH
O
O H2N HHO
NH2
O
ONH2HS Rbitter Asparagin süß
N N
OO
OCH 3H
C 6 H 5n-C 4H 9
N N
OO
OHH 3 C
C 6 H 5n-C 4H 9
S R
Krampfanfall Barbitursäure-Derivat narkotisch
N
O
O
NO
O H
H
NO
OH
HN
O
O
S R
extrem teratogen Contergan keine MißbildungenC H 3
H 3 C C H 2
C H 3
H 2 C C H 3
S R
Geruch nach Zitrone Limonen Geruch nach Orange
Konfiguration und physiologische Eigenschaft
Wichtige Naturstoffe - Übersicht
Aminosäuren, Peptide, Proteine Hormone, Enzyme, Synthesebausteine, Energiequelle (Nahrungsmittel) Gewebe, Fasern, Muskeln Medikamente, Antibiotika
Lipide (Fette, Wachse, Öle) Nahrungsmittel, Membranen, Rohstoffe für Detergentien, Kosmetika
Alkaloide, biogene Amine N-haltige Verbindungen, meist pflanzlicher Herkunft, pharmakologisch wirksam, Medikamente, Genussmittel
Terpene Pflanzlicher Herkunft, Duft- und Geschmackstoffe, Kosmetika Lacke, Farbstoffe, Vitamine, Pharmaka
Kohlenhydrate Zucker, Cellulose, Stärke, Glykogen, Energiespeicher Synthesebausteine, Nahrungsmittel
Steroide Hormone, Vitamine, biologische Regulatoren
Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren DNA, RNA, Speicher der genetischen Information, Proteinbiosynthese
Pheromone Signalstoffe, Sexual-, Aggregations-, Erkennungspheromone, Alarmstoffe, Repellentien
Porphyrine Farbstoffe, Vitamine
D-Glucose, Traubenzucker
CO
OH
H
H
H OH
H OH
HOH
CH2OH
C
OHH
H OH
H
HOH
CH2OH
OHH
C
OHH
H OH
H
HOH
CH2OH
HOH
O
OH
OHOH
OH
OOH
OHOH
OH
COH
CHOH
CH2OH
O
O
CH2OH
CH2OH
α-D-Glucopyranose 36 %
β-D-Glucopyranose 64 % (stabilste Form)
1
11
1
14
Aldohexosen< 0.01%D-Glucose,eines von 24 = 16Stereoisomeren
Cyclische Halbacetale:Pyranosen
6
6
6
6
6
Gleichgewicht in wässriger Lösung.
Glucose bildet zwei Pyranosen (Sechsringe) als cyclische Halbacetale.Beide sind isolierbar. β-Form = kristalliner Traubenzucker
D-Fructose, Fruchtzucker
O
HH
OH H
CH2OH
OH
O
HH
OH H
CH2OH
OH
C O
H OH
H OH
HOH
CH2OH
CH2OH
OCH2OH
OH
H
H
OH
HO
CH2OH
H
H
OH
H OH
C O
CH2OH
CHOH
CH2OH
HOCH2
HO
1
2
HOCH2
HO
1
2
α-Fructofuranose 9 %
β-Fructofuranose 31 %
1
2
HO
HO
1
2
HO
HO
1
2
α-Fructopyranose 3 %
β-Fructopyranose*)
57 %
(< 1 %)
3
Ketohexosen
D-Fructose,eines von 23 = 8Stereoisomeren
(a)(b)
(b)
(a) +
+
6 6
66
6
*)Nur diese Form ist rein isolierbar,= kristalliner Fruchtzucker
Gleichgewicht in wässriger Lösung.
Fructose bildet vier cyclische Halbketale,mit Fünfringen: Furanosen mit Sechsringen: Pyranosen
CHOOHHOHHOHHOHH
CH2OH
CHOHHOOHHOHHOHH
CH2OH
CHOOHHHHOOHHOHH
CH2OH
CHOHHOHHOOHHOHH
CH2OH
CHOOHHOHHHHOOHH
CH2OH
CHOHHOOHHHHOOHH
CH2OH
CHOOHHHHOHHOOHH
CH2OH
CHOHHOHHOHHOOHH
CH2OH
D-Allose D-Altrose D-Glucose D-Mannose D-Gulose D-Idose D-Galactose D-Talose
CHOOHHOHHOHH
CH2OH
CHOHHOOHHOHH
CH2OH
CHOOHHHHOOHH
CH2OH
CHOHHOHHOOHH
CH2OHD-LyxoseD-XyloseD-ArabinoseD-Ribose
CHOOHHOHH
CH2OH
CHOHHOOHH
CH2OHD-Erythrose D-Threose
CHOOHH
CH2OHD-(+)-Glycerinaldehyd
12 2
1
12
12
3
4
3
4
12
D-Aldosen
Die natürlich vorkommenden Aldosenund Ketosen besitzen die D-Konfiguration.
(+)-Maltose, Malzzucker
(+)-Cellobiose
Disaccharide: Maltose und Cellobiose
α-D-Glucopyranose
2
α-glucosidischeVerknüpfung
O
HH
OH
HO
H
CH2OHH
HOH
OH
O
HH
O
HO
H
CH2OHH
HOH
OH O
HH
OH
HO
H
CH2OHH
H
OH
Maltas e(α-Sp altung)
+ H 2O
β-D-Glucopyranose
O
HOH
H
HO
H
CH2OHH
HOH
OH123
4 5
6
2
β-glucosidischeVerknüpfung
6´
5´4´
3´ 2´ 1´6
54
32
1O
HO
H
HO
H
CH2OHH
HOH
OHH O
OH
H
HO
H
CH2OHH
HOH
Emulsin(β-Spaltung)
+ H2O
O
HH
O
HO
H
CH2OHH
HOH
OHCH2OH
H
O
H
OHOH
H
CH2OHVollketal
6
5
43
2
1α-D-Glucopyranose
O
HH
OH
HO
H
CH2OHH
HOH
OH123
4 5
6
+
β-D-Fructofuranose
Vollacetal
O
O OCH2OH
CH2OH
OHHO
OH
HOCH2OH
HO
6´
5´4´
3´ 2´1´
6
5
43
2
1
+ H2O HO CH2OH
H
O
H
OHOH
H
CH2OH
6
5
43
2
1
6´
5´4´
3´ 2´1´
(+)-Saccharose, Rohrzucker, "Zucker"
(+)-Lactose, Milchzucker
Disaccharide: Lactose und Saccharose
Invertzucker: Gemisch aus Glucose und FructoseHonig: teilweise hydrolysierte Saccharose (= Kunsthonig)
β-galaktosidisch
6
54
32
1O
HO
H
HO
H
CH2OHHO
HH
OHH O
OH
H
HO
H
CH2OHH
HOH
β-D-Galaktopyranose
O
HOH
H
HO
H
CH2OHHO
HH
OH123
4 5
6
β-D-Glucopyranose
O
HOH
H
HO
H
CH2OHH
HOH
OH123
4 5
6
++ H2O
[α]D = +66.5° Endwert in Wasser: [α]D = −92°
Invertase
Cellulose, ein Polysaccharid
Die Glucose-Moleküle sind β-glucosidisch verknüpft. Cellulose wird also aus der stabilsten Form der Glucose aufgebaut.
Cellulose ist der mengenmäßig wichtigste Naturstoff.
123
4O
HO
H
HO
H
CH2OHH
OH
OHH O
O
H
HO
H
CH2OHH
HOH O
HO
H
HO
H
CH2OHH
H
OH
12
3
4
β-glucosidisch
Chitin, ein Polysaccharid
Die Glucosamin-Moleküle sind β-glucosidisch verknüpft. Es bildet sich ein 2-Acetamido-2-desoxy-D-glycan, oder kurz (β-1,4-GlcNAc)n .
H
OOHO
AcNH
CH2OH
O O
HOAcNH
CH2OH
OO
HOAcNH
CH2OH
O1
4
β
14
β14
β
H
H
H
HH H
HH
H H
H
H
HH
Amylose (20% der Stärke)
linkshändige Helix-Struktur
O
HH
O
HO
H
CH2OHH
OH
OH O
HH
O
HO
H
CH2OHH
H
OH
O
HH
O
HO
H
CH2OHH
OH
OH Amylopektin (80% der Stärke)
n
Stärke, ein Polysaccharid
1
4
42 1
O
HH
O
HO
H
CH2OHH
HOH
OH O
HH
O
HO
H
CH2OHH
H
OH O
HH
OH
HO
H
CH2OHH
H
OH
1
3
4 5
6α-glucosidisch
Glykogen: "Reservekohlenhydrat" des tierischen Organismus besitzt eine ähnliche Struktur
Zucker und Basen der Nucleinsäuren
Pyrimidin-Derivate Purin-Derivate
Uracil (U)nur RNA
Guanin (G)DNARNA
Adenin (A)DNARNA
Thymin (T)nur DNA
Cytosin (C)DNARNA
HN
NH
O
O N
NH
N
NO
NH2HHN
N
N
NNH2
HN
NH
O
O
H3C
HN
N
NH2
O
Adenin: Spontane Bildung aus Cyanwasserstoff in der "Ursuppe": 5 × HCN → C5H5N5
β-D-Ribofuranose in RNA
2-Desoxy-β-D-ribofuranose in DNA
O
OH
HH
OH
HH
HOCH2 OHO
H
HH
OH
HH
HOCH2 OH
1
2
1
2
CH=OH OHH OHH OH
CH2OH
CH=OCH2
H OHH OH
CH2OH
1
2
D-RiboseC5H10O5
1
2-Desoxy-D-riboseC5H10O4
Nucleotide der Desoxyribonucleinsäure (DNA)
O
OH
HOPOCH2
O
OHN
N
N
N
NH2
2-Desoxyadenylsäure
O
OH
HOPOCH2
O
OHN
N
N
N
O
NH2
H
2-Desoxyguanidylsäure
O
OH
HOPOCH2
O
OHN
N
O
O
H3C H
2-Desoxythymidylsäure
O
OH
HOPOCH2
O
OHN
N
NH2
O
2-Desoxycytidylsäure
Ausschnitt aus einer DNA-Kette
O
H
HH
O
HH
H2C
OP O-O
Base
BaseO
H
HH
O
HH
H2C
OP O-O
O
H
HH
O
HH
H2C
OP O-O
Base
A T
C
G
G
C
A
T
Basenpaarung: Zwei komplementäre Stränge werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammen gehalten. ⇒ Doppelhelix
Bei der Zellteilung wird zu jedem Einzelstrang der komplementäre neu synthetisiert, so dass jede Tochterzelle wieder die gleiche Doppelhelix wie die Mutterzelle besitzt.
Komplementäre Basenpaare der DNA
A G C T A C G A T C
T C G A T G C T A G
NNN
N N
Zucker
H
Zucker NNN
N O
N
NN
O
NH
H
H
NN
O
CH3O
H
H
H
H
Zucker
Zucker
Adenin-Thymin
Guanin-Cytosin
A T
G C
DNA-Modell nach Watson und Crick
Nobelpreis 1962 für Medizin oder Physiologie.
Genetischer Code
Triplett-Codonsfür die 20 wichtigsten proteinogenenL-Aminosäuren
UGA kann auch die seltene Aminosäure L-Selenocysteincodieren.
UAG kann auch die seltene Aminosäure L-Pyrrolysincodieren
Jeweils drei Nucleotide (Tripletts) codieren eine Aminosäure,z. B. AUG ⇒ Met = Methionin. (Der Code ist entartet.)
Erste Base Zweite Base Dritte Base . U C A G . U Phe Ser Tyr Cys U Phe Ser Tyr Cys C Leu Ser "Stop" "Stop" A Leu Ser "Stop" Trp G
C Leu Pro His Arg U Leu Pro His Arg C Leu Pro Gln Arg A Leu Pro Gln Arg G
A Ile Thr Asn Ser U Ile Thr Asn Ser C Ile Thr Lys Arg A Met (Start) Thr Lys Arg G
G Val Ala Asp Gly U Val Ala Asp Gly C Val Ala Glu Gly A Val Ala Glu Gly G
Aminosäuren
α-AminosäurenBausteine von Peptiden und Proteinen
γ-Aminobuttersäure (GABA)Neurotransmitter, Mangel führt zu epileptischen Anfällen
3-Aminopropansäure,β-Alanin, eine β-AminosäureBaustein von Coenzym A
R CHNH2
CO
OH
α
CH2 CH2 CO
OH
αβ
NH2
CH2 CH2 CO
OHCH2
NH2
αβγ
Aminosäuren sind difunktionelle Verbindungen.Sie besitzen eine basische und eine saure funktionelle Gruppe.
R CHNH2
CO
OHR CH
NH3
CO
O
unpolare Form:Gasphase
zwitterionische (normale) Form:in polarem Lösungsmittel
Titrationskurve von Glycin
Isoelektrischer Punkt: pH-Wert, bei dem die Aminosäure im elektrischen Feld nicht wandert. pI = ½ (pK1 + pK2)
α-Aminosäuren, Beispiele
IsomereDipeptide
Schema der Peptide-Synthese
Die Synthese kann so gesteuert werden, dass nur eines der beiden Isomereentsteht.
NH2
R1
OH
O
NH
R2
OH
O
HNH2
R1
O
NH
R2
O
OH+ - H2O
Schützen (1)
Aktivieren (2)
Schützen (3)
Säure- Amin-Komponente
(4)
Schützen = Desaktivieren
CH2NH2
CO
OH+ H2N CH C
CH3 O
OH
AlaninGlycin
- H2OH3C CH C
NH2
ONH CH2 C
OOH
H-Ala-Gly-OH
CH2NH2
CO
NH CH CCH3 O
OH
H-Gly-Ala-OH
Amid- bzw. Peptid-Bindung
Aminosäuresequenz (Primärstruktur) – Beispiel Humaninsulin
Insulin ist ein Hormon der Bauchspeicheldrüse und wirkt blutzuckersenkend.
Es besteht aus zwei Peptidketten, der A-Kette aus 21 und der B-Kette aus 30 Aminosäuren, die durch Disulfidbrücken verknüpft sind.
Struktur von Proteinen
Wasserstoffbrücken-Bindungen sind als .... markiert.
Faltblattstruktur zweier Polypeptidketten
Wasserstoffbrücken-Bindungen sindals ....... markiert.
Rechtsgängige α-Helix mit denAtomen, die das Rückrat der Peptidkettebilden
α-Helix einer Polypeptidkette
Alkaloide
Schlaf-Mohn,Papaver somniferum
O
HN
HO
HOCH3
(−)-Morphin,Morphium
Die Bezeichnung "Alkaloide" wurde 1819 von dem Apotheker C. F. W. Meissner für "alkaliähnliche Pflanzenstoffe" geprägt.Morphin (isoliert 1804 bzw. 1816, Sertürner), Strychnin(1818), Coffein (1820), Chinin (1820), Nicotin (1828), Atropin (1831), Codein (1832), Theobromin (1842), Cocain(1862). Präparate aus Opium sind alte und auch heute noch wirkungs-volle Heilmittel. Sie wirken schmerzstillend, beruhigend und einschläfernd.Morphium setzt man bei starken Schmerzen ein. Suchtgefahr.
F.W.A. Sertürner, Apotheker, isolierte das 1. Alkaloid
Alkaloide
Alkaloide - Definitionen
„alkalisch reagierende Pflanzenstoffe“(W. Meissner, 1819)
„stickstoffhaltige, nicht-saure organische Verbindungen“ (C. J. Löwig, 1839)
„stickstoffhaltige organische Verbindungen natürlichen Ursprungs mit mehr oder weniger ausgeprägtem basischen Charakter“(M. Hesse, 2000)
Heute sind über 10.000 verschiedene Alkaloide bekannt, die aus pflanzlichen und tierischen Organismen, Pilzen sowie aus Drogenmixturen von Naturvölkern isoliert wurden. Bis heute gibt es wegen der großen Strukturvielfalt kein einheitliches allgemeines Einteilungsprinzip.
- Schutz vor anderen Fraßfeinden
Natürliche Funktionen von Alkaloiden
Alkaloide werden von den Lebewesen, die sie produzieren, vor allem für folgende Zwecke synthetisiert:
- UV-Schutz
- Siderophore (eisenbindende Stoffe)
- Fungizide
- Herbizide
- Insektizide
- Angriffsgifte
- Pheromone (z. B. Lockstoffe)
Alkaloide, Beispiele
Alkaloid Vorkommen Wirkung, Verwendung
Atropin Tollkirsche Augenheilkunde, Asthma
Chinin Chinarinde Chemotherapie von Malaria, Bitterstoff in Getränken
Cocain Coca-Strauch Lokalanästhesie, Rauschgift
Codein Mohn Schmerz-, Hustenmittel
LSD (Mutterkorn) Halluzinogen, Rauschgift
Morphin Mohn Schmerzmittel, Rauschgift
Nicotin Tabak Blutdrucksteigerung, Lähmung (lethale Dosis: 50 mg)
Reserpin Rauwolfia Beruhigungsmittel
Strychnin Brechnuss Rattengift
Ausgewählte Alkaloide
N CH3
H
H
(S )-Form Coniin
N
N
O
R1
R1
H
H
H
H
O
R2
R1 = R2 = H : StrychninR1= OCH3 , R
2 = H : Brucin= H , R2 = OH : PseudostrychninR1
H3C CH2 CO C CH2 C CH3
C6H5
C6H5 N(CH3)2
H
R ( )-(R)-Form : Levomethadon Racemat : Methadon_
N
O C C6H5
O
COOCH3H3C1 2
3
Cocain
N
N
CH3C
O
RH
H
7 6
5 4
3
21
1011
8
9
R = OH R = N(C2H5)2 : Lysergsäure-diethylamid
: Lysergsäure
(LSD)
Heroinsubstitut
N
N N
N
CH3O
H3C
O
CH3
Coffein