Bioloģisko savienojumu monomēri

Παρουσίαση με θέμα: "Bioloģisko savienojumu monomēri"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Bioloģisko savienojumu monomēri
2. lekcija

2 Lekcijas saturs Organiskie savienojumi, to funkcionālās grupas
Aminoskābes Ogļhidrāti Nukleotīdi Nekovalentās mijiedarbības

3 Organisko savienojumu vispārīgās īpašības
Molekulas veido oglekļa atomu ķēdes Pie oglekļa atomiem var būt piesaistītas dažādas funkcionālās grupas Funkcionālajām grupām ir raksturīgas noteiktas ķīmiskās īpašības Molekulas īpašības nosaka atomu izvietojums

4 Ogļūdeņraži Organiskie savienojumi, kuri sastāv tikai no oglekļa un ūdeņraža atomiem Piesātinātie ogļūdeņraži (alkāni) satur tikai vienkāršās saites Piesātinātie = piesātināti ar ūdeņradi, satur maksimālo H atomu skaitu CH4, metāns C2H6 ( CH3-CH3 ), etāns C4H10, ( CH3-CH2-CH2-CH3 ), butāns

5 Pilna struktūrformula
Alkānu struktūru attēlojumi Alkānu un citu organisko savienojumu attēlošanai oglekļa atomus bieži neattēlo ar elementa simbolu «C», bet tikai zīmē saites starp tiem Ūdeņraža atomus pie oglekļa atomiem bieži vispār neattēlo Organiskajos savienojumos C atoms vienmēr veido 4 saites ar blakus esošajiem atomiem, H atoms – 1 saiti Tātad no savienojuma shematiskā attēla var viegli saprast, cik ūdeņraža atomu ir pie katra oglekļa Heksāns, C6H12 Pilna struktūrformula CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 Vienkāršoti varianti Shematisks attēls

6 Cikliskie alkāni: CnH2n
Cikloheksāns

7 Nepiesātinātie ogļūdeņraži
Nepiesātinātie ogļūdeņraži satur arī divkāršās (alkēni) vai trīskāršās (alkīni) saites Acetilēns Etilēns

8 Aromātiskie savienojumi (arēni)
Aromātiskajos gredzenos dubultsaites ir delokalizētas

9 Organisko savienojumu izomēri
Strukturālie izomēri – savienojumi ar vienādām kopīgajām formulām, bet dažādā secībā savienotiem atomiem Stereoizomēri – savienojumi ar vienādām kopīgajām formulām un vienādā secībā savienotiem atomiem, bet atšķirīgu atomu telpisko novietojumu Cis-trans izomēri Enantiomēri jeb optiskie izomēri

10 Strukturālie izomēri Strukturālie izomēri var būt gan ķīmiski līdzīgi, gan arī ļoti atšķirīgi Piemērs: ir 3 savienojumi ar vispārējo formulu C3H8O, no kuriem divi ir spirti (ķīmiski līdzīgi), bet trešais – ēteris (ķīmiski atšķirīgs no spirtiem) CH3 CH OH CH3 CH2 CH OH CH3 CH2 O CH3 CH3 Propilspirts Metiletilēteris Izopropilspirts

11 Cis-trans izomēri trans- butilēns cis- butilēns
Pagriešanās ap dubultsaiti ir iespējama, tikai saraujot π saiti, tāpēc eksistē stabili cis- un trans- savienojumu ar dubultsaitēm izomēri trans- butilēns cis- butilēns

12 Enantiomēri Ja oglekļa atoms ir savienots ar 4 dažādiem aizvietotājiem, ir iespējami 2 atšķirīgi izomēri, kurus sauc par enantiomēriem Enantiomēri ir savstarpēji spoguļattēli Tīri enantiomēri ir optiski aktīvi – t.i., tie rotē polarizētu gaismu uz labo (dextro, D-izomēri) vai kreiso (laevo, L-izomēri) pusi D-pienskābe L-pienskābe

13 Funkcionālās grupas ... R-CO-R R-OH R-COOH R- ogļūdeņraža atlikums
Molekulu sastāvā esošas atomu grupas ar noteiktām ķīmiskām īpašībām Funkcionālās grupas ... R-OH R-CO-R R-COOH Hidroksil- Karbonil- Karboksil- R- ogļūdeņraža atlikums

14 Hidroksilgrupa, spirti
Savienojumus, kuros ogļūdenraža radikālis ir savienots ar hidroksilgrupu sauc par spirtiem R-OH CH3-OH Metanols, metilspirts Etanols, etilspirts CH3-CH2-OH CH3-CH2-CH2-OH Propanols, propilspirts

15 Karbonilgrupa, aldehīdi
Savienojumus, kuros karbonilgrupa ir savienota ar vienu ūdeņraža atomu un vienu ogļūdeņraža radikāli sauc par aldehīdiem R C=O C=O H Karbonilgrupa Aldehīds H CH3 C=O C=O H H Metanāls, formaldehīds Etanāls, acetaldehīds

16 Karbonilgrupa, ketoni R CH3 C=O C=O CH3 R’
Savienojumus, kuros karbonilgrupa ir savienota ar diviem ogļūdeņražu radikāļiem sauc par ketoniem R CH3 C=O C=O CH3 R’ Ketons Dimetilketons, acetons

17 Karboksilgrupa, karbonskābes
Savienojumus, kuros karboksilgrupa ir savienota ar ogļūdeņraža radikāli sauc par karbonskābēm O O O C R C CH3 C OH OH OH Karboksilgrupa Karbonskābe Etānskābe, etiķskābe

18 Amīni, aminogrupa NH3 CH3-NH2 CH3-NH-CH3 -NH2 CH3 CH3-N-CH3
Amīni ir amonjaka atvasinājumi, kur viens, divi vai trīs ūdeņraža atomi ir aizvietoti ar ogļūdeņraža radikāli (pirmējie, otrējie un trešējie amīni) Aminogrupa ir pirmējo amīnu sastāvā un satur vienu slāpekļa un divus ūdeņraža atomus NH3 CH3-NH2 CH3-NH-CH3 Amonjaks Dimetilamīns Metilamīns -NH2 CH3 Aminogrupa CH3-N-CH3 Trimetilamīns

19 Citas funkcionālās grupas un savienojumi
R-SH Sulfhidrilgrupa, merkaptāni (tioli) R-S-S-R’ Disulfīdgrupa, disulfīdi O R-O-P-O- Fosfātgrupa, organiskie fosfāti O-

20 Heterocikliskie savienojumi
Cikliski savienojumi, kuros cikla sastāvā ir no oglekļa atšķirīgi atomi (heteroatomi, parasti N, O vai S) Heterocikliskie savienojumi ir visu nukleotīdu un dažu aminoskābju sastāvā Furāns Piridīns Tiofēns Imidazols

21 Funkcionālo grupu reakcijas
Funkcionālās grupas spēj iesaistīties dažādās ķīmiskās reakcijās, piemēram: Kondensācijas (savienošana, atņemot ūdens molekulu) reakcija. Hidrolīzes (sašķelšana, pievienojot ūdens molekulu) reakcija. R -OH + OH-R R-O-R +H2O R-O-R +H2O R -OH + OH-R

22 Ēteri R -OH + OH-R R-O-R +H2O 2 C2H5OH → C2H5-O-C2H5 + H2O
Kondensējoties divām spirta molekulām, veidojas ēteri: R -OH + OH-R R-O-R +H2O 2 C2H5OH → C2H5-O-C2H5 + H2O Dietilēteris C2H5OH + CH3OH → C2H5-O-CH3+ H2O Metiletilēteris

23 Esteri Kondensējoties spirta un skābes molekulām, veidojas esteri:
Etiķskābes etilesteris, etilacetāts

24 Amīdi Kondensējoties amīnu un skābes molekulām, veidojas amīdi: H + N-R’ H NHR’

25 Molekulas ar vairākām funkcionālajām grupām
Vienā molekulā var atrasties vairākas vienādas vai dažādas funkcionālās grupas Daudzvērtīgie spirti – polioli. Glicerols (glicerīns) Kompleksās karbonskābes. Pienskābe

26 Aminoskābes Organiski savienojumi ar amino- un karboksil- grupām Proteīni sastāv no 20 dažādām aminoskābēm ar vienādu skeletu (“backbone”), bet atšķirīgām sānu ķēdēm (“R”) Visas proteīnus veidojošās aminoskābes ir a-aminoskābes (karboksil- un amino- grupas ir pievienotas pie viena un tā paša oglekļa atoma, saukta par Ca) H3+N―Ca―H COO- | R H3+N―Ca―Cb―H COO- | R COO- | H3+N―Ca―Cb―Cg―H | R’ | R | | R’ R’’ a-aminoskābe b- un g- aminoskābes (proteīnus neveido)

27 Aminoskābju optiskie izomēri
Visu aminoskābju (izņemot glicīnu) a-ogleklim ir 4 dažādi aizvietotāji, tāpēc ir iespējami 2 optiskie izomēri – D un L. Proteīnos sastopamās aminoskābes ir L- aminoskābes

28 Aminoskābju klasifikācija
Parasti aminoskābes klasificē pēc to sānu ķēžu polaritātes Izdala nepolārās (hidrofobās), polārās un lādētās aminoskābes

29 Nepolārās (hidrofobās) aminoskābes
R grupa satur nepolāras, hidrofobas oglekļa ķēdes. Nepolārās aminoskābes (izņemot glicīnu) slikti šķīst ūdenī. Glicīns Alanīns Valīns Leicīns Izoleicīns (G, gly) (A, ala) (V, val) (L, leu) (I, ile) Glicīnam nav sānu ķēdes un to bieži klasificē atsevišķi. Vienīgā aminoskābe, kurai nav optisko izomēru Leicīns un izoleicīns ir strukturālie izomēri

30 Nepolārās (hidrofobās) aminoskābes
Metionīns Fenilalanīns Triptofāns Prolīns (M, met) (F, phe) (W, trp) (P, pro) Prolīna sānu ķēde ir piesaistīta aminogrupai, veidojot ciklu Metionīns satur sēra atomu Fenilalanīns un triptofāns satur plakanus aromātiskos gredzenus Triptofānu, tā NH grupas dēļ dažreiz klasificē kā polāru, bet praksē tam ir izteiktākas nepolārās īpašības

31 Polārās aminoskābes - R grupa sastāv no oglekļa, skābekļa, un skābekļa atomiem, kuri sānu ķēdi padara polārāku un tādejādi hidrofilāku. Polārās aminoskābes labi šķīst ūdenī. Serīns Treonīns Cisteīns Tirozīns Aspargīns Glutamīns (S, ser) (T, thr) (C, cys) (Y, tyr) (N, asn) (Q, gln) Cisteīnam ir gan polāras, gan hidrofobas īpašības. Divi cisteīni var savienoties ar SH grupām

32 Lādētās aminoskābes - R grupai ir lādiņš pie fizioloģiska pH
Aspargīnskābe Glutamīnskābe Lizīns Arginīns Histidīns (D, asp) (E, glu) (K, lys) (R, arg) (H, his) Histidīns var būt gan lādēts, gan polārs pie fizioloģiski relevantām pH vērtībām. Bieži klasificē kā polāru aminoskābi

33 Ogļhidrāti (ogļūdeņi, cukuri)
Vispārīgā ķīmiskā formula (CH2O)n = ogļhidrāti Monosaharīdi: 3 – 6 C atomu ķēde + viena karbonil- un vairākas hidroksil- funkcionālās grupas Monosaharīdu kondensācijas reakcijās veidojas di-, tri- un polisaharīdi

34 Monosaharīdu klasifikācija
Atkarībā no funkcionālās grupas, izšķir divus monosaharīdu veidus – aldozes un ketozes Nosaukumos ietilpst arī oglekļa atomu skaits – piem. triozes (3 oglekļi), heksozes (6 oglekļi), u.c. Līdzīgi aminoskabēm, monosaharīdiem ir D- un L- izomēri; dabā sastopama pārsvarā D- forma D-gliceraldehīds, aldotrioze Dihidroksiacetons, ketotrioze

35 D- un L- izomēru formulu attēlojums perspektīvā
D- un L-izomēri Nomenklatūra aizgūta no gliceraldehīda formām Konfigurāciju nosaka hirālais C atoms, kurš ir vistālāk no karbonilgrupas Princips tāds pats, kā aminoskābēm Dabā pastāv galvenokārt D- izomēri (pretēji aminoskābēm, kuras ir tikai L-formā) Izņēmums ir arabinoze, kura dabā biežāk ir L-formā Ogļhidrātu L- izomērus var iegūt ķīmiski D L D- un L- izomēru formulu attēlojums perspektīvā

36 D- un L- konfigurāciju nosakošais C- atoms
D- un L- glikoze D L Pēc garšas, L-glikozi nevar atšķirt no D-glikozes, jo tās vienādi piesaistās pie receptoriem L-glikoze nemetabolizējas, jo enzīms heksokināze to nespēj fosforilēt (pirmais solis glikolīzē) L- glikozi varētu izmantot kā saldinātāju ar identisku garšu D-glikozei Tomēr, L-glikozes ražošanas izmaksas ir pārāk augstas D- un L- konfigurāciju nosakošais C- atoms D L

37 Citi stereoizomēri D-Aldoheksozes
Lielākajai daļai ogļhidrātu ir vairāk, kā viens hirālais centrs Aldoheksozēm ir 4 hirālie centri Aldoheksozēm ir kopā 16 stereoizomēri, no tiem 8 ir D formā Dabā bieži sastopamās aldoheksozes ir glikoze, mannoze un galaktoze D-Aldoheksozes

38 Pazīstamākie monosaharīdi
1 1 1 1 1 5 5 5 6 6 6

39 Ogļhidrātu ciklizācija: pusacetālu un pusketālu veidošanās
Pusacetāls Aldehīds Spirts Ketons Spirts Pusketāls

40 Ogļhidrātu tautomerizācija
D-glikoze, lineārā forma (<1%) Ūdens šķīdumos ogļhidrāti parasti pastāv kā cikliski tautomēri Tautomēri – izomēri, kuri ātri pārvēršas viens par otru, un kurus atsevišķi nevar izolēt Aldo- vai keto- grupa savienojas ar vienu hidroksilgrupu, veidojot pusacetālu vai pusketālu Veidojas divi atšķirīgi cikliski izomēri – ar OH grupu pretējā (α) vai tajā pašā (β) cikla pusē, kā vistālākā hidroksilgrupa α-D-glikopiranoze (62%) β -D-glikopiranoze (38%)

41 D-glikoze, lineārā forma
Glikozes ciklizācija Aldo- vai keto- grupa var reaģēt ar vairākām hidroksilgrupām Parasti izveidojas 5- vai 6- locekļu cikls Glikozes gadījumā reakcija parasti notiek ar 5-OH grupu, bet retos gadījumos arī ar 4-OH grupu β -D-glikopiranoze (38%) α-D-glikopiranoze (62%) D-glikoze, lineārā forma (<1%) α-D-glikofuranoze (<<0.01%) β -D-glikofuranoze (<<0.01%)

42 Nukleotīdi Bāze Fosfāts Pentoze
Sastāv no pentozes cukura, bāzes un fosfāta Cukurs var būt riboze vai dezoksiriboze Bāze var būt purīna vai pirimidīna tipa Bāze Fosfāts Pentoze

43 Pirimidīns un purīns Pirimidīns Purīns
Heterocikliski, aromātiski savienojumi, no kuriem atvasinātas nukleotīdu bāzes Pirimidīns Purīns

44 Purīni Guanīns Adenīns

45 Pirimidīni Citozīns Timīns (tikai DNS) Uracils (tikai RNS)

46 Nukleotīdi un nukleozīdi
Nukleozīds ir nukleotīds bez fosfāta atlikuma Adenilāts (nukleotīds) Adenozīns (nukleozīds)

47 Ribonukleotīdi A G U C adenilāts guanilāts uridilāts citidilāts
(adenozīna ( guanozīna (uridīna (citidīna 5’ monofosfāts ) ’ monofosfāts ) 5’ monofosfāts ) ’ monofosfāts ) AMP GMP UMP CMP

48 Dezoksiribonukleotīdi
dA dG dT dC dezoksiadenilāts dezoksiguanilāts dezoksitimidilāts dezoksicitidilāts (dezoksiadenozīna ( dezoksiguanozīna (dezoksitimidīna (dezoksicitidīna 5’ monofosfāts ) ’ monofosfāts ) 5’ monofosfāts ) ’ monofosfāts ) dAMP dGMP dTMP dCMP

49 Nukleozīdu mono-, di- un trifosfāti
Adenīns Adenozīns Adenilāts, adenozīna monofosfāts, AMP Adenozīna difosfāts, ADP Adenozīna trifosfāts, ATP

50 Nekovalentās mijiedarbības starp molekulām
Bioķīmiskajos procesos ļoti liela nozīme ir dažādām salīdzinoši vājām elektrostatiskajām mijiedarbībām starp atomiem Bioloģiskās makromolekulas sastāv no ļoti daudziem atomiem, tāpēc atomu vājās mijiedarbības summējas un kļūst nozīmīgas

51 Jonizētu grupu mijiedarbības
Mijiedarbības starp lādētām ķīmiskām grupām Piemēram proteīnos – starp pozitīvi un negatīvi lādētām aminoskābēm Analogas jonu saitei

52 Van der Vālsa spēki Definēti kā jebkura mijiedarbība starp molekulām, atšķirīga no kovalentās vai jonu mijiedarbības Teorētiski H-saites arī ir van der Vālsa spēku paveids, bet tās ir daudz stiprākas par citiem van der Vālsa spēkiem, tādēļ tās parasti klasificē atsevišķi Molekulām, kuru sastāvā ir atomi ar atšķirīgām elektronegativitātēm, veidojas permanentie dipoli ar daļējiem lādiņiem Pat ja elektronegativitātes ir vienādas, tomēr fluktuāciju dēļ izveidojas īslaicīgi dipoli, kuri var inducēt dipolu blakus esošajā molekulā Gekonu spēja rāpties pa vertikālām, pilnīgi gludām virsmām tiek skaidrota ar van der Vālsa spēkiem

53 Van der Vālsa spēku paveidi
Starp diviem permanentiem dipoliem – Kīsoma (Keesom) spēki (piemērs – starp divām CO molekulām) Starp permanentu dipolu (vai jonu) un inducētu dipolu – Debaija (Debie) spēki d+ d- d+ d- d+ d- d+ d+ d- d- Pīters Debaijs Viljams Kīsoms

54 Van der Vālsa spēku paveidi
Starp diviem inducētiem dipoliem – Londona dispersijas spēki d+ d- Fricis Londons Dispersijas spēki ir salīdzinoši niecīgi, bet tā kā tie pastāv starp ļoti daudziem atomiem, to kopējais efekts makromolekulu mijiedarbībās ir ievērojams d+ d- d+ d-

55 H-saišu piemēri Starp 3 H2O molekulām a-spirālē proteīnos
Starp nukleotīdiem DNS dubultspirālē

56 Aromātiskās mijiedarbības
Starp aromātiskiem gredzeniem Hidrofobās un van der Vālsa mijiedarbības kombinācija Aromātiskajos gredzenos ir paaugstināts elektronu blīvums (p elektroni) virs un zem gredzenu plaknes un samazināts – gredzenu galos Tādēļ aromātiskie gredzeni viens pret otru pakojas “T” veidā vai arī paralēli ar nobīdi Bieži sastopama mijiedarbība DNS un proteīnos Viens no iemesliem, kāpēc DNS veido spirāli T pakošanās Paralēlā pakošanās

57 Hidrofobais efekts H2O Hidrofobais (“bailes no ūdens”) efekts ir novērojams, jebkuru nepolāru savienojumu sajaucot ar ūdeni Kontakti starp polārām un nepolārām molekulām ir enerģētiski neizdevīgi Tāpēc nepolārās molekulas agregējas kopā, lai minimizētu kontaktus ar polārajām molekulām

58 Hidrofobās mijiedarbības
Lai kādu savienojumu izšķīdinātu ūdenī, ir jāizjauc dažas H-saites starp ūdens molekulām Izšķīdinot polāru savienojumu, veidojas jaunas H-saites ar izšķīdināto vielu, kas kompensē izjauktās saites starp ūdens molekulām Nepolāra savienojuma gadījumā kompensējošas H-saites veidoties nevar, kas nav izdevīgi no entalpijas viedokļa Papildus, ap nepolārā savienojuma molekulām izveidojas parakristālisku ūdens molekulu slānis, kas no entropijas viedokļa nav izdevīgi Tādejādi, hidrofobām molekulām ir enerģētiski izdevīgāk mijiedarboties vienai ar otru, nekā ar ūdeni Amfipātisko molekulu hidrofilā daļa var mijiedarboties ar ūdeni, bet hidrofobā daļa – ar citu molekulu hidrofobajām daļām Rezultātā, amfipātiskas molekulas (piem. fosfolipīdi) ūdenī veido bislāņus un micellas

59 Entalpijas efekts hidrofobajā mijiedarbībā
Ūdens molekulas viena ar otru veido ūdeņraža saites Sajaucot ūdeni ar jebkuru savienojumu, dažas no šīm H-saitēm tiek izjauktas Ja ir izšķīdināts polārs savienojums, izjauktās H-saites tiek kompensētas ar ūdens-polārā savienojuma H-saitēm Nepolāra savienojuma gadījumā kompensācija nav iespējama Vismazākais nekompensēto H-saišu skaits ir iespējams pie minimālas hidrofobās virsmas + + Ūdens molekulas neveido maksimālo H-saišu skaitu Tagad ūdens molekulas veido maksimālo H-saišu skaitu

60 Entropijas efekts hidrofobajā mijiedarbībā
Ap hidrofobām virsmām ūdenī pastāv augsti sakārtotu (parakristālisku) ūdens molekulu slānis Divām hidrofobām virsmām mijiedarbojoties, sakārtoto ūdens molekulu slānis izjūk, kas ir entropiski izdevīgi Hidrofobajā mijiedarbībā entropijas efekts ir daudz lielāks par entalpijas efektu +7H2O