Vorlesungsskripte pdf/Chemie fuer Biologen

Chemie für Biologen
Vorlesung im
WS 2004/05
V2, Mi 10-12, S04 T01 A02
Paul Rademacher
Institut für Organische Chemie
der Universität Duisburg-Essen
(Teil 14: 26.01.2005)
MILESS: Chemie für Biologen
254
Carbonsäureamide
Synthesen
O
R C
OH
O
+ NH 3
R C
HNH3
∆T
O
R C
- H 2O
O
Ammoniumcarboxylat
Carbonsäure
NH 2
P2O5 - H 2O
Carbonsäurenitril R C N
O
R C
Cl
O
+ NHR'2
+ HCl
R C
NR'2
Carbonsäurechlorid
Nomenklatur
O
H C
NH 2
Formamid
H3C C
O
O
H C
NH 2
N CH 3
CH 3
N,N-Dimethylformamid
Acetamid
255
Cyclische Amide: Lactame
α
β
S CH
3
N
CH 3
COOH
NH
O
β-Lactam
(gespannter Vierring,
hydrolyseempfindlich)
O
Penicilline
..
O
R C
: NR2
α
H
RNH
β
O
N
γ
H
γ-Lactam
α
β
γ
O
NH
δ
ε
ε-Lactam
ε-Caprolactam
(-)
: O:
R C
NR2
Mesomerie:
Die Amidbindung besitzt partiellen
Doppelbindungscharakter.
(+)
256
Kohlensäure-Derivate
O
+ 2 HCl
H2N NH 2
Harnstoff
(Diamid der Kohlensäure)
Cl + 2 NH3
Cl
Phosgen
(Säurechlorid)
HO OH
H 2CO3
Kohlensäure
NH
H2N
O
O
CO 2H
NH
NH 2
Arginin
α-Aminosäure
O
+ H 2O
H2N
NH 2 + H2N
Harnstoff
CO 2H
NH 2
Ornithin
α-Aminosäure
Harnstoff ist das Endprodukt des Eiweißabbaus bei Menschen und
Säugetieren. Ein erwachsener Mensch produziert ca. 20 g/Tag.
Die Hydrolyse von Arginin ist der letzte Schritt im Harnstoff-Zyklus.
257
Aminosäuren
α
O
α-Aminosäuren
R CH C
Bausteine von Peptiden und Proteinen
NH 2 OH
β
3-Aminopropansäure,
O
α
CH 2 CH 2 C
β-Alanin, eine β-Aminosäure
OH
Baustein von Coenzym A
NH 2
γ
γ-Aminobuttersäure (GABA)
β
α
O
CH 2 CH 2 CH 2 C
Neurotransmitter, Mangel führt zu
OH
epileptischen Anfällen
NH 2
Aminosäuren sind difunktionelle Verbindungen.
Sie besitzen eine basische und eine saure funktionelle Gruppe.
O
O
R CH C
R CH C
NH 3 O
NH 2 OH
zwitterionische (normale) Form:
unpolare Form:
in polarem Lösungsmittel
Gasphase
258
α-Aminosäuren, Beispiele
Viele Aminosäuren besitzen weitere funktionelle Gruppen.
259
L- und D-Form von Aminosäuren im
Tetraedermodell und in der Fischer-Projektion
Die natürlich vorkommenden α-Aminosäuren besitzen zumeist die
L-Konfiguration.
260
Titrationskurve von Glycin
Isoelektrischer Punkt: pH-Wert, bei dem die Aminosäure im
elektrischen Feld nicht wandert. pI = ½ (pK1 + pK2)
261
Schema der Peptide-Synthese
Amid- bzw. Peptid-Bindung
O
CH 2 C
OH
NH 2
Glycin
CH 3 O
+ H2N CH C
OH
O
CH 3 O
CH 2 C NH CH C
OH
NH 2
H-Gly-Ala-OH
- H 2O
Alanin
O
O
H3C CH C NH CH 2 C
OH
NH 2
Isomere
Dipeptide
H-Ala-Gly-OH
SäureO
H2N
AminKomponente
OH + H
R1
O
H
N
R2
O
OH
R2
H2N
- H2O
R1
N
H
OH
O
(4)
Schützen
(1)
Aktivieren
(2)
Schützen
(3)
Schützen = Desaktivieren
Die Synthese
kann so
gesteuert
werden, dass
nur eines der
beiden Isomere
entsteht.
262
Bradykinin, ein Nonapeptid
Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg
N-terminale
Aminosäure
C-terminale
Gewebshormon, wird bei Entzündungen und Immunreaktionen
freigesetzt, beeinflusst den Blutdruck.
Peptide sind wie andere Carbonsäureamide in stark sauren und alkalischen
Lösungen hydrolyseempfindlich. Die Totalhydrolyse liefert Art und
Anzahl der Aminosäuren, nicht aber die Sequenz.
Sequenzanalyse durch schrittweisen Abbau.
Aminosäure-Sequenz = Primärstruktur von Proteinen (in DNA
codiert)
Peptide können im Labor synthetisiert werden.
Beispiel:
Synthese des Enzyms Ribonuclease (124 Aminosäuren), R. B. Merrifield
1969, Nobelpreis 1983.
Besser: Biotechnologische Synthese, z. B. Humaninsulin (Escherichia
263
coli).
Humaninsulin: Aminosäuresequenz
(Primärstruktur)
A-Kette: 21, B-Kette: 30
Aminosäuren, verknüpft durch
Disulfidbrücken
Hormon der Bauspeicheldrüse
(Pankreas), wirkt
blutzuckersenkend
Name: Langerhanssche "Inseln"
des Pankreas
264
Struktur von Proteinen
265
Faltblattstruktur zweier Polypeptidketten
Wasserstoffbrücken-Bindungen sind als .... markiert.
266
α-Helix einer Polypeptidkette
WasserstoffbrückenBindungen sind
als ....... markiert.
Rechtsgängige α-Helix mit den
Atomen, die das Rückrat der Peptidkette
bilden
267
Triosephosphat-Isomerase
Ein ubiquitäres
Enzym, ist in der
Glykolyse von
Bedeutung.
6
Bänder = α-Helix,
Pfeile = Faltblatt
268
BSE und CJK: Spongiforme Enzephalopathie
Nobelpreis für Physiologie oder
Medizin 1997:
"for his discovery of Prions – a new
biological principle of infection"
St. B. Prusiner
Gesundes Prion-Protein wandelt sich in krankmachendes (infektiöses)
um.
269
Konformationsisomerie von Proteinen
Gesundes
Teil eines MHC-Proteins,
Bändermodell:
α-Helices: rot-gelb
Faltblatt: blau
MHC = Major Histocompatibility
Complex (Immunabwehr)
krankhaft verändertes
Prion
Die Infektion bewirkt eine partielle
Umwandlung der Sekundärstruktur
von α-Helix in Faltblatt. Die Isomere
unterscheiden sich in ihrer
Konformation.
270
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
LSD
(Mutterkorn) Halluzinogen, Rauschgift
Schmerz-, Hustenmittel
Morphin Mohn
Schmerzmittel, Rauschgift
Nicotin
Blutdrucksteigerung, Lähmung (lethale Dosis: 50 mg)
Tabak
Reserpin Rauwolfia
Beruhigungsmittel
Strychnin Brechnuss
Rattengift
Ca. 10.000 bekannte Alkaloide, große Strukturvielfalt, alle enthalten N, häufig
in Fünf- oder Sechsring. Biogene Amine, werden ganz überwiegend von
Pflanzen aus Aminosäuren gebildet. Abwehr von Tieren (Fraßfeinden).
271
Alkaloide, Geschichte
(−)-Morphin,
Morphium
HO
O
H
N
CH3
HO
F.W.A. Sertürner,
Apotheker, isolierte das 1. Alkaloid
Schlaf-Mohn,
Papaver somniferum
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
wirkungsvolle Heilmittel. Sie wirken schmerzstillend,
beruhigend und einschläfernd.
Morphium setzt man bei starken Schmerzen ein.
272
Suchtgefahr.
Purin-Alkaloide (Beispiele)
R3
O
R2
N
N
N
O
N
R1
R1
R2
R3
CH3 CH3 H
CH3 H
Name
Purine bilden eine Gruppe wichtiger, in der
Natur weit verbreiteter Stoffe, die an
menschlichen, tierischen, pflanzlichen
und mikrobiellen Stoffwechselvorgängen
beteiligt sind. Sie leiten sich vom Grundkörper
Purin durch Substitution mit CH3, OH, NH2,
SH ab.
Wichtige Purin-Alkaloide:
Vorkommen
Theophyllin Teeblätter
CH3 Theobromin Kakaobohnen, Teeblätter, Colanuß
CH3 CH3 CH3 Coffein
Kaffeebohnen, Teeblätter
273
Chinolin-Alkaloide (Beispiele)
R
H
HO
H3C
S
HO
H
N
O
H3C
N
(_)-Chinin
N
O
N
(+)-Chinidin
Ca. 200 Alkaloide mit dem Grundgerüst des Chinolins, das durch
Hydrierung oder Ankondensation weiterer Ringe verändert sein kann.
Therapeutisch wichtige China-Alkaloide (Cinchona-Alkaloide):
Chinin und Chinidin (Diastereomere).
Chinidin wird zur Behandlung von Herzrythmusstörungen
verwendet.
274
Ausgewählte Alkaloide
R2
H3C
N
R1
COOCH3
N
1
2
1
R = R2 = H
: Strychnin
1
2
R = OCH3 , R = H : Brucin
1
R = H , R2 = OH : Pseudostrychnin
H
1
R
N
H
H
O
3
C
C6H5
O
Cocain
O
H
O
H
C6H5
H3C
CH2
N(CH3)2
R
CH2 C CH3
CO C
C6H5
H
(_ )-(R)-Form : Levomethadon
Racemat
: Methadon
Heroinsubstitut
O
7
C
R
6
N
8
CH3
H
9
10
11
5
(LSD)
4
3
2
N1
H
R = OH
: Lysergsäure
R = N(C2H5)2 : Lysergsäure-diethylamid
N
H
CH3
(S )-Form Coniin
Schierling (Conium maculatum).
Gift, Lähmung der
Brustkorbmuskulatur.
Das Vergiftungsbild hat Plato bei
Sokrates Tod 399 v. Chr.
geschildert.
275
Bombardierkäfer, Brachynus crepitans
Quarks & Co, WDR, 15.07.2003
Katalysator: Peroxidasen und Katalasen (Enzyme)
276
Motivation für die Beschäftigung mit der
Chemie
"Keine unter allen Wissenschaften bietet dem Menschen eine
größere Fülle von Gegenständen des Denkens, der Überlegung
und von frischer, sich stets erneuernder Erkenntnis dar als die
Chemie."
Justus von Liebig (1803–1873, Prof. für Chemie, Gießen u.
München), Chemische Briefe
277