Chemie für Biologen WS 2005/6 Arne Lützen Institut für Organische Chemie der Universität Duisburg-Essen (Teil 13: Chiralität, Naturstoffe)

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1 hemie für Biologen WS 005/6 Arne Lützen Institut für rganische hemie der Universität Duisburg-Essen (Teil 3: hiralität, aturstoffe)

2 hiralität bedeutet ändigkeit chiral (griechisch cheir and bzw. ändigkeit) hirale bjekte sind mit ihrem Spiegelbild nicht deckungsgleich. Beispiele: ände, andschuhe, Schuhe, Füße, Beine, Schrauben, Korkenzieher, Schneckengehäuse, irschgeweihe, Spiralnebel,... Dieses Phänomen tritt auch bei einigen Konfigurations- oder Stereoisomeren auf.

3 Beispiele für Stereoisomere 3 3 l -hlorbutan 3 l l 3 Milchsäure stereogenes Zentrum asymmetrisches -Atom Bild Spiegelbild nicht deckungsgleiche Enantiomere Ein :-Gemische der Enantiomere heißt auch racemisches Gemisch oder Racemat.

4 Unterscheidung von Enantiomeren Enantiomere sind trennbare, stabile Verbindungen. Sie sind nur durch Umgruppierung von Bindungen ineinander überführbar. Sie besitzen die gleiche Konstitution. Sie zeigen gegenüber achiralen Reagenzien 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. hirale Verbindungen sind optisch aktiv. Racemate sind optisch inaktiv. Polarimeter Messung der spezifischen Drehung [α] D Messung mit der D-Linie des atriums (ca. 589 nm)

5 stereogenes -Atom und Enantiomerenpaar Kleinste chirale Einheit: -Atom mit vier verschiedenen Substituenten. a b c d a c c b d d Spiegel a b Beispiel: -Iodbutan, Enantiomerenpaar Et Me Konfiguration: I S-(+) R-( ) Spezifische Drehung: [α] D : I Et Me Bild und Spiegelbild sind nicht deckungsgleich. Moleküle mit einem Asymmetriezentrum sind chiral.

6 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-omenklatur, (ahn, Ingold, Prelog, 95ff), Beispiel Milchsäure: 4 4 R-( 3 _ )-Milchsäure R = rectus (rechts) Blickrichtung S-(+)-Milchsäure S = sinister (links) Sequenzregeln für Substituenten ~ rdnungszahl Die linksdrehende Milchsäure besitzt die R-Konfiguration. Die rechtsdrehende Milchsäure besitzt die S-Konfiguration.

7 Bezeichnung der Konfiguration: D,L-System eben der R,S-omenklatur verwendet man bei bestimmten Stoffklassen wie Aminosäuren, ydroxysäuren und Zuckern die D,L-omenklatur (E. Fischer, 89), Beispiel Milchsäure: 3 R-( _ )-Milchsäure 3 3 D-( _ )-Milchsäure D = dexter (rechts) 3 S-(+)-Milchsäure 3 3 L-(+)-Milchsäure L = laevus (links) Fischer-Projektion

8 Moleküle mit mehreren stereogenen Zentren. Ein Beispiel 3 5 * * * ein Terpenalkohol Das Molekül besitzt 3 stereogene Kohlenstoffatome. Damit ergeben sich 3 = 8 Stereoisomere, oder 4 Enantiomerenpaare. Enantiomere besitzen an allen * entgegengesetzte Konfiguration. Diastereomere, also Stereomere, die keine Enantiomere sind, werden häufig mit Trivialnamen unterschieden ame ame R S R ( )-Menthol *) S R S (+)-Menthol S R R (+)-Isomenthol R S S ( )-Isomenthol S S R (+)-eomenthol R R S ( )-eomenthol R R R (+)-eoisomenthol S S S ( )-eoisomenthol *) Systematischer ame: (R,S,5R)--Isopropyl-5-methylcyclohexanol

9 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:. Spontane Kristallisation als Konglomerat (Pasteur 848). Biochemische Spaltung (Pasteur 858) Enzym Milchsäuredehydrogenase 3 3 (S)- Enzym 3 (R)-Milchsäure

10 Trennung von Enantiomeren 3. Bildung von Diastereomeren mit optisch aktivem Auxiliar (Pasteur 858) (R)-P (R)-P x (R)-A + (R)-A (S)-P (S)-P x (R)-A Racemat von P Enantiomer des Auxiliars A Beispiel: Ph 3 (R,3R)-Weinsäure Salz Diastereomere Trennung durch Umkristallisieren 4. hromatographie mittels chiraler stationärer Phase

11 Konfiguration und physiologische Eigenschaft S S S bitter Asparagin süß 3 3 n n Krampfanfall Barbitursäure-Derivat narkotisch extrem teratogen ontergan keine Mißbildungen R R R 3 3 S R 3 Geruch nach Zitrone Limonen 3 Geruch nach range

12 Wichtige aturstoffe - Übersicht Aminosäuren, Peptide, Proteine ormone, Enzyme, Synthesebausteine, Energiequelle (ahrungsmittel) Gewebe, Fasern, Muskeln Medikamente, Antibiotika Alkaloide, biogene Amine -haltige Verbindungen, meist pflanzlicher erkunft, pharmakologisch wirksam, Medikamente, Genussmittel Kohlenhydrate Zucker, ellulose, Stärke, Glykogen, Energiespeicher Synthesebausteine, ahrungsmittel ucleoside, ucleotide, ucleinsäuren DA, RA, Speicher der genetischen Information, Proteinbiosynthese Lipide (Fette, Wachse, Öle) ahrungsmittel, Membranen, Rohstoffe für Detergentien, Kosmetika Terpene Pflanzlicher erkunft, Duft- und Geschmackstoffe, Kosmetika Lacke, Farbstoffe, Vitamine, Pharmaka Steroide ormone, Vitamine, biologische Regulatoren Pheromone Signalstoffe, Sexual-, Aggregations-, Erkennungspheromone, Alarmstoffe, Repellentien Porphyrine Farbstoffe, Vitamine

13 D-Glucose, Traubenzucker 4 Aldohexosen 6 < 0.0% D-Glucose, eines von 4 = 6 Stereoisomeren 6 6 yclische albacetale: Pyranosen 6 6 α-d-glucopyranose 36 % β-d-glucopyranose 64 % (stabilste Form) Gleichgewicht in wässriger Lösung. Glucose bildet zwei Pyranosen (Sechsringe) als cyclische albacetale. Beide sind isolierbar. β-form = kristalliner Traubenzucker

14 3 Ketohexosen D-Fructose, Fruchtzucker 6 (a) + (a) (b) α-fructofuranose 9 % 6 (b) 6 (< %) D-Fructose, eines von 3 = 8 Stereoisomeren *) ur diese Form ist rein isolierbar, = kristalliner Fruchtzucker α-fructopyranose 3 % + 6 β-fructofuranose 3 % 6 β-fructopyranose *) 57 % Gleichgewicht in wässriger Lösung. Fructose bildet vier cyclische albketale, mit Fünfringen: Furanosen mit Sechsringen: Pyranosen

15 D-Aldosen Die natürlich vorkommenden Aldosen und Ketosen besitzen die D-Konfiguration. D-(+)-Glycerinaldehyd D-Erythrose D-Threose D-Ribose D-Arabinose D-Xylose D-Lyxose D-Allose D-Altrose D-Glucose D-Mannose D-Gulose D-Idose D-Galactose D-Talose

16 Disaccharide: Maltose und ellobiose (+)-Maltose, Malzzucker α-glucosidische Verknüpfung + Maltas e (α-sp altung) α-d-glucopyranose (+)-ellobiose β-glucosidische Verknüpfung Emulsin 3 (β-spaltung) β-d-glucopyranose

17 (+)-Lactose, Milchzucker β-galaktosidisch (+)-Saccharose, Rohrzucker, "Zucker" 6 4 Vollacetal Vollketal Disaccharide: Lactose und Saccharose Invertase β-d-galaktopyranose α-d-glucopyranose β-d-fructofuranose Invertzucker: Gemisch aus Glucose und Fructose onig: teilweise hydrolysierte Saccharose (= Kunsthonig) β-d-glucopyranose [α] D = Endwert in Wasser: [α] D = 9

18 ellulose, ein Polysaccharid β-glucosidisch Die Glucose-Moleküle sind β-glucosidisch verknüpft. ellulose wird also aus der stabilsten Form der Glucose aufgebaut. ellulose ist der mengenmäßig wichtigste aturstoff.

19 hitin, ein Polysaccharid 4 4 β Ac Ac β 4 β Ac Die Glucosamin-Moleküle sind β-glucosidisch verknüpft. Es bildet sich ein -Acetamido--desoxy-D-glycan, oder kurz (β-,4-glcac) n.

20 Amylose (0% der Stärke) α-glucosidisch 4 n Stärke, ein Polysaccharid 4 linkshändige elix-struktur Amylopektin (80% der Stärke) Glykogen: "Reservekohlenhydrat" des tierischen rganismus besitzt eine ähnliche Struktur

21 Zucker und Basen der ucleinsäuren = D-Ribose = β-d-ribofuranose in RA -Desoxy-D-ribose Desoxy-β-D-ribofuranose in DA Pyrimidin-Derivate Purin-Derivate ytosin () DA RA 3 Thymin (T) nur DA Uracil (U) nur RA Adenin (A) DA RA Guanin (G) DA RA Adenin: Spontane Bildung aus yanwasserstoff in der "Ursuppe":

22 ucleotide der Desoxyribonucleinsäure (DA) P P -Desoxyadenylsäure P -Desoxyguanidylsäure 3 P -Desoxycytidylsäure -Desoxythymidylsäure

23 Ausschnitt aus einer DA-Kette - P T Base - G A P Base T G - A P Base Basenpaarung: Zwei komplementäre Stränge werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammen gehalten. Doppelhelix

24 Komplementäre Basenpaare der DA A G T A G A T T G A T G T A G 3 Zucker A T Adenin-Thymin Zucker Zucker G Guanin-ytosin Zucker Bei der Zellteilung wird zu jedem Einzelstrang der komplementäre neu synthetisiert, so dass jede Tochterzelle wieder die gleiche Doppelhelix wie die Mutterzelle besitzt.

25 DA-Modell nach Watson und rick obelpreis 96 für Medizin oder Physiologie.

26 Genetischer ode Erste Base Zweite Base Dritte Base. U A G. U Phe Ser Tyr ys U Phe Ser Tyr ys Leu Ser "Stop" "Stop" A Leu Ser "Stop" Trp G Leu Pro is Arg U Leu Pro is Arg Leu Pro Gln Arg A Leu Pro Gln Arg G A Ile Thr Asn Ser U Ile Thr Asn Ser Ile Thr Lys Arg A Met (Start) Thr Lys Arg G G Val Ala Asp Gly U Val Ala Asp Gly Val Ala Glu Gly A Val Ala Glu Gly G Jeweils drei ucleotide (Tripletts) codieren eine Aminosäure, z. B. AUG Met = Methionin. (Der ode ist entartet.) Triplett-odons für die 0 wichtigsten proteinogenen L-Aminosäuren UGA kann auch die seltene Aminosäure L-Selenocystein codieren. UAG kann auch die seltene Aminosäure L-Pyrrolysin codieren

27 α R β α γ β α Aminosäuren α-aminosäuren Bausteine von Peptiden und Proteinen 3-Aminopropansäure, β-alanin, eine β-aminosäure Baustein von oenzym A γ-aminobuttersäure (GABA) eurotransmitter, Mangel führt zu epileptischen Anfällen Aminosäuren sind difunktionelle Verbindungen. Sie besitzen eine basische und eine saure funktionelle Gruppe. R unpolare Form: Gasphase R 3 zwitterionische (normale) Form: in polarem Lösungsmittel

28 Titrationskurve von Glycin Isoelektrischer Punkt: p-wert, bei dem die Aminosäure im elektrischen Feld nicht wandert. pi = ½ (pk + pk )

29 α-aminosäuren, Beispiele

30 Schema der Peptide-Synthese Amid- bzw. Peptid-Bindung 3 + Glycin Alanin Gly-Ala- Isomere Dipeptide -Ala-Gly- Schützen () Säure- R Amin- Komponente + Aktivieren () R Schützen (3) - (4) R R Schützen = Desaktivieren Die Synthese kann so gesteuert werden, dass nur eines der beiden Isomere entsteht.

31 Aminosäuresequenz (Primärstruktur) Beispiel umaninsulin Insulin ist ein ormon der Bauchspeicheldrüse und wirkt blutzuckersenkend. Es besteht aus zwei Peptidketten, der A-Kette aus und der B-Kette aus 30 Aminosäuren, die durch Disulfidbrücken verknüpft sind.

32 Struktur von Proteinen

33 Faltblattstruktur zweier Polypeptidketten Wasserstoffbrücken-Bindungen sind als... markiert.

34 α-elix einer Polypeptidkette Wasserstoffbrücken- Bindungen sind als... markiert. Rechtsgängige α-elix mit den Atomen, die das Rückrat der Peptidkette bilden

35 Alkaloide ( )-Morphin, Morphium 3 F.W.A. Sertürner, Apotheker, isolierte das. Alkaloid Schlaf-Mohn, Papaver somniferum Die Bezeichnung "Alkaloide" wurde 89 von dem Apotheker. F. W. Meissner für "alkaliähnliche Pflanzenstoffe" geprägt. Morphin (isoliert 804 bzw. 86, Sertürner), Strychnin (88), offein (80), hinin (80), icotin (88), Atropin (83), odein (83), Theobromin (84), ocain (86). Präparate aus pium sind alte und auch heute noch wirkungsvolle eilmittel. Sie wirken schmerzstillend, beruhigend und einschläfernd. Morphium setzt man bei starken Schmerzen ein. Suchtgefahr.

36 Alkaloide Alkaloide - Definitionen alkalisch reagierende Pflanzenstoffe (W. Meissner, 89) stickstoffhaltige, nicht-saure organische Verbindungen (. J. Löwig, 839) stickstoffhaltige organische Verbindungen natürlichen Ursprungs mit mehr oder weniger ausgeprägtem basischen harakter (M. esse, 000) eute sind über verschiedene Alkaloide bekannt, die aus pflanzlichen und tierischen rganismen, Pilzen sowie aus Drogenmixturen von aturvölkern isoliert wurden. Bis heute gibt es wegen der großen Strukturvielfalt kein einheitliches allgemeines Einteilungsprinzip.

37 atürliche Funktionen von Alkaloiden Alkaloide werden von den Lebewesen, die sie produzieren, vor allem für folgende Zwecke synthetisiert: - UV-Schutz - Siderophore (eisenbindende Stoffe) - Fungizide - erbizide - Insektizide - Schutz vor anderen Fraßfeinden - Angriffsgifte - Pheromone (z. B. Lockstoffe)

38 Alkaloide, Beispiele Alkaloid Vorkommen Wirkung, Verwendung Atropin Tollkirsche Augenheilkunde, Asthma hinin hinarinde hemotherapie von Malaria, Bitterstoff in Getränken ocain oca-strauch Lokalanästhesie, Rauschgift odein Mohn Schmerz-, ustenmittel LSD (Mutterkorn) alluzinogen, Rauschgift Morphin Mohn Schmerzmittel, Rauschgift icotin Tabak Blutdrucksteigerung, Lähmung (lethale Dosis: 50 mg) Reserpin Rauwolfia Beruhigungsmittel Strychnin Brechnuss Rattengift

39 Ausgewählte Alkaloide R R R R = R = : Strychnin R = 3, R = : Brucin R =, R = : Pseudostrychnin ocain ( 3 ) R ( _ )-(R)-Form : Levomethadon Racemat : Methadon eroinsubstitut 3 (S )-Form oniin R R = : Lysergsäure R = ( 5 ) : Lysergsäure-diethylamid (LSD) offein