Cwiczenie 10.DOC

(271 KB) Pobierz
Proponowany cykl wykładów z Chemii Medycznej

Ćwiczenie nr 10

mgr Kinga Ostrowska

 

Związki heterocykliczne i kwasy nukleinowe

Repetytorium

1.         Definicja i podział związków heterocyklicznych.

2.         Budowa i własności nukleozydów i nukleotydów.

3.         Biomedyczne znaczenie nukleotydów.

4.         Kwasy nukleinowe.

5.         Terapia genowa.

6.         Jednostkowe procesy fizyczne: krystalizacja, destylacja, ekstrakcja.

Część praktyczna

1.     Wykrywanie rybozy (próba Biala).

2.     Wykrywanie fosforanów.

3.     Wykrywanie obecności puryn.

4.     Izolacja furfuralu z otrąb.

5.     Izolacja kofeiny z coca-coli.

6.     Wykrywanie cukrów w coca-coli.

7.     Wykrywanie  fosforanów w coca-coli.

 

Repetytorium

1.  Definicja i podział związków heterocyklicznych

Związki cykliczne, w których zamiast atomu węgla jako człon pierścienia występuje co najmniej jeden atom innego pierwiastka nazywamy związkami heterocyklicznymi. Atomami tymi są najczęściej atomy azotu, tlenu lub siarki.

Najprostszymi układami heterocyklicznymi są układy złożone z 3 atomów w tym 1 heteroatom. Przykładem takiego układu jest etylenoimina (azirydyna) lub tlenek etylenu.

Najczęściej występującymi układami  heterocyklicznymi są układy 5 i 6 członowe.

Cząsteczki związków heterocyklicznych mogą składać się z jednego pierścienia aromatycznego lub wielu takich  pierścieni skondensowanych (połączonych jedną lub kilkoma ścianami). Układy te mogą być częściowo lub całkowicie uwodornione. Znane są również związki heterocykliczne zawierające więcej niż 6 atomów  węgla w cząsteczce, np. azepiny, występujące w wielu lekach uspokajających.

Podstawowe układy heteroaromatyczne to:

 

 

Numerację  związków heterocyklicznych wprowadzamy według następujących zasad:

1.       Heteroatomy w układzie heterocyklicznym oznaczamy najmniejszymi numerami.

2.       Jeżeli w cząsteczce są różne heteroatomy, najważniejszy w numeracji jest atom tlenu, następnie atom siarki, potem atom azotu.

3.       W cząsteczkach wielopierścieniowych numerację zaczyna się od:

a)       pierścienia z heteroatomami innymi, niż N,

b)       pierścienia o największej liczbie heteroatomów,

c)       pierścienia o największej liczbie atomów.

Właściwości chemiczne związków heteroaromatycznych

Pirol, furan i tiofen, a także ich pochodne z większą ilością heteroatomów w pierścieniu  mają charakter aromatyczny. Ulegają reakcjom podstawienia (substytucji elektrofilowej) przebiegającego z zachowaniem pierwotnego cyklicznie sprzężonego układu elektronów w produkcie. Zgodnie z regułą Huckela aromatyczność wykazują cykliczne układy sprzężone o 4n+2 elektronach π, tzn. o 2, 6, 10, 14 itd.

Pochodne pirolu

Pirol wyodrębniono po raz pierwszy w 1857 roku z produktów pirolizy kości. Nazwa pirol wywodzi się z greckiego słowa oznaczającego kolor czerwony, co wiąże się z jaskrawą barwą czerwoną, którą nadaje on wiórkom sosnowym zwilżonym stężonym kwasem solnym.

Głównym impulsem do badań piroli były prace nad budową heminy, barwnika krwi, oraz budową chlorofilu, zielonego pigmentu roślinnego, spełniającego ważną rolę w procesie fotosyntezy, gdyż degradacja obu tych produktów naturalnych prowadzi do mieszaniny alkilopiroli.  Barwniki te tworzą się w żywych komórkach z  porfobilinogenu, jedynego pirolu, który spełnia ważną życiowo funkcję w metabolizmie.

 

                                     

Pochodne furanu

Furany są lotnymi, dość trwałymi związkami  o przyjemnym zapachu. Furan niepodstawiony, stosowany w przemyśle do otrzymywania powszechnie używanego rozpuszczalnika tetrahydrofuranu, otrzymuje się przez dekarbonylację furfuralu, który z kolei otrzymuje się w dużych ilościach działając kwasami na odpady zbożowe (plewy owsa i kukurydzy). W ten sposób otrzymano furfural po raz pierwszy w 1831 roku a jego nazwa pochodzi od łacińskiego słowa furfur – otręby.

Liczne pochodne aldehydu 5-nitro-2-furylowego są ważnymi środkami chemoterapeutycznymi, jak na przykład:

leki przeciwbakteryjne:

       Nitrofurazon

 

                                                    Nitrofurantoina

 

 

 

lek moczopędny:

Furosemid

 

Układ dihydrofuranu zawarty jest w witaminie C (kwasie askorbinowym)

 

i węglowodanach – furanozach (np. fruktoza, ryboza, dezoksyryboza).

Pochodne tiofenu

Niepodstawiony tiofen i jego pochodne występują w destylatach smoły węglowej. Aromatyczne związki tiofenowe nie odgrywają roli w metabolizmie roślinnym, jedna z witamin – biotyna jest pochodna tetrahydrotiofenu.

 

                                                          biotyna

Pochodne pirydyny

Pirydyna i  jej pochodne są cieczami o przykrym zapachu. W syntezie organicznej stosowane są jako rozpuszczalniki o charakterze zasadowym. Pirydynę wyodrębniono po raz pierwszy  z produktów pirolizy kości. Nazwę jej utworzono z greckiego słowa pyr (ogień) i końcówki ydyna stosowanej w nazewnictwie zasad aromatycznych. Występuje ona także w smole węglowej.

Aromatyczny pierścień pirydynowy odgrywa wielką rolę w procesach metabolicznych. Występuje w wielu witaminach, jak. np. w witaminie B6 występującej w dwóch postaciach :

Przykładami leków zawierających pierścień pirydynowy są:

Amid kwasu nikotynowego  (witamina PP)

 

Kardiamid (Koramina)

 

Izoniazyd (Rimifon)

 

Sulfapirydyna

Układ pirydyny występuje w wielu alkaloidach. Są to złożone, biologicznie czynne  związki chemiczne o charakterze zasadowym, pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, zawierające przynajmniej jeden atom azotu. Na przykład nikotyna, alkaloid grupy pirydyny, występuje w tytoniu.

                                            

                                                    nikotyna

 

Pochodne pirymidyny

Barbiturany

Kwas barbiturowy otrzymany został przez Adama Bayera  w 1864 roku. Do dzisiejszego dnia tajemnicą jest nazwa, którą autor nadał otrzymanemu przez siebie związkowi.

                                               Kwas barbiturowy

                                     laktam                                    laktym

        heksahydropirymidyno-2,4,6-trion            2,4,6-trihydroksypirymidyna

 

W 1903 roku został wprowadzony do lecznictwa Barbital (Weronal – kwas 5,5-dietylobarbiturowy) o działaniu nasennym.

-           

                                             Weronal

Dało to początek syntezie wielu tysięcy pochodnych kwasu barbiturowego. Poszukiwano związków działających szybko, ale krótkotrwale, czyli ułatwiających zasypianie; działających długotrwale – przedłużających i pogłębiających płytki sen fizjologiczny oraz dających mocny sen narkotyczny – dożylnych narkotyków chirurgicznych. Wprowadzenie do cząsteczki barbituranu podstawnika aromatycznego rozszerza działanie związku na ośrodki motoryczne sfery ruchowej kory mózgowej oraz na ośrodek wymiotny. Z tego względu arylobarbiturany stosowane są jako środki przeciwpadaczkowe, przeciwdrgawkowe i przeciwwymiotne.

Toksyczne działanie barbituranów wzrasta w miarę zwiększenia masy ich cząsteczki. Związki te mogą także wywoływać uczulenia, a przy dłuższym stosowaniu obserwowane są uszkodzenia narządów miąższowych, a także przyzwyczajenie, które może prowadzić do nałogu.

To krótkie omówienie jednej z lepiej poznanych grup leków pokazuje, że nie ma leku idealnego.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wielopierścieniowe układy heteroaromatyczne

 

 

 

Pochodne chinoliny

Chinolinę wyodrębniono po raz pierwszy ze smoły węglowej w 1834 roku. Nazwa jej wywodzi się z nazwy alkaloidu chininy, wyodrębnionej z kory południowo amerykańskiego drzewa Cinchona. Układ chinoliny występuje także w syntetycznych lekach bakteriobójczych np. w Chlorchinaldinie.

 

       Chlorchinaldin                               Chinina

Pochodne indolu

Układ indolu zawiera aminokwas egzogenny – tryptofan, będący składnikiem budulcowym białek a także służący jako prekursor hormonów: serotoniny

 

                                                              Serotonina

(5-hydroksytryptaminy) oraz  melatoniny. Szereg alkaloidów grupy indolu znalazło powszechne zastosowanie w medycynie. Należą do nich: rezerpina – lek o znaczeniu historycznym, stosowany jako neuroleptyk i środek  obniżający ciśnienie, obecnie wycofywany z lecznictwa,              

winkrystyna i winblastyna stosowane w leczeniu białaczek, ergotamina stosowana w leczeniu migreny i ergonowina, czynnik  regulujący skurcze macicy. LSD – dietyloamid kwasu lizergowego jest halucynogenem.

                                                                     LSD

 

Pochodne tropanu

Jednym z alkaloidów grupy tropanu jest atropina – stosowany w okulistyce lek o działaniu parasympatykolitycznym (cholinolitycznym).

                         

                                        Atropina

Pochodne morfinanu

Duże znaczenie w medycynie mają: morfina, stosowana jako silnie działajacy lek przeciwbólowy o działaniu ośrodkowym, powodujący uzależnienie; kodeina,  lek przciwkaszlowy o działaniu ośrodkowym.

 

                                            Morfina                                Kodeina

Heroina (diacetylomorfina) jest środkiem o bardzo silnym działaniu euforyzującym.

 

Pochodne ksantyny (kofeina, teofilina, teobromina, kwas moczowy)

                                

                                  

                                        Ksantyna

             

           Kofeina (Teina)                              Teofilina

 

                   

               Teobromina                        Kwas moczowy

Kwas moczowy jest przejściowym produktem przemiany materii. Jeżeli nie jest dalej metabolizowany, odkłada się w stawach (dna moczanowa) i przewodach moczowych w postaci moczanów (kamica dróg moczowych).

 

2. Budowa i własności nukleozydów i nukleotydów

Zasady azotowe występujące w kwasach nukleinowych należą do dwóch grup związków heterocyklicznych, pirymidyn i puryn.

                         

Zasadami pirymidynowymi są:  cytozyna , uracyl i tymina  a zasadami purynowymi są: adenina i guanina. Tautomeria keto-enolowa, wynikająca z przemieszczenia się protonów sprawia, że zasady pirymidynowe i purynowe  występują w różnych postaciach  tautomerycznych, mianowicie w formie laktamu lub laktymu.

 

                                Cytozyna             Uracyl                  Tymina

 

                                     Adenina                          Guanina

Nukleozydy są N-glikozydami. Składnikiem cukrowym jest albo b-D-rybofuranoza albo b-D-deoksyrybofuranoza. Wiązanie b-N-glikozydowe łączy anomeryczny atom węgla składnika cukrowego z pierwszym atomem azotu (N1) zasady pirymidynowej  lub dziewiątym atomem azotu (N9) zasady purynowej.

Struktura przestrzenna heterocyklicznych zasad narzuca brak swobodnej rotacji w wiązaniu b-N-glikozydowym. Nukleozydy istnieją więc jako stabilne  izomery  syn i anti (anty) które mogą być zmienione tylko przez rozerwanie i odtworzenie na nowo wiązania glikozydowego. W naturalnych nukleozydach dominuje konformacja anti.

 

                              Konformacje syn i anti adenozyny

Nukleotydy są estrami fosforanowymi nukleozydów. Ortofosforan zastępuje przede wszystkim grupę  OH przy piątym atomie węgla (C5’) rybozy lub deoksyrybozy.

 

                                       Adenozyno-5’-monofosforan (AMP)

Tylko nukleozydo-5’-fosforany są wykorzystywane w organizmie do biosyntezy kwasów nukleinowych.  Grupy fosforanowe nukleotydów mają charakter kwasowy i przy fizjologicznym pH około 7 występują w postaci dianionów.

3. Biomedyczne znaczenie nukleozydów

Syntetyczne analogi nukleozydów są stosowane jako leki przede wszystkim przeciw nowotworom. Podanie analogu, w którym pierścień heterocykliczny  lub cząsteczka cukru zostały zmienione  indukuje działanie cytotoksyczne gdy analog zostaje wbudowany w swoiste składniki komórkowe. Ich skutki odzwierciedlają dwa procesy:

1.  Zahamowanie przez lek swoistych enzymów niezbędnych do  biosyntezy kwasów nukleinowych

2. Wbudowanie takiego metabolitu w kwasy nukleinowe, gdzie wpływa on na parowanie zasad – procesu niezbędnego dla prawidłowego przeniesienia informacji. Przykładem takich leków są 5-fluorouracyl, 6-tioguanina 6-merkaptopuryna. Należy pamiętać, że cytotoksyczne lub cytostatyczne działanie analogów nukleozydów skierowane jest nie tylko przeciw komórkom nowotworowym ale uszkadza także zdrowe, dzielące się intensywnie komórki organizmu, np. układu krwiotwórczego, skóry, jajników czy jąder. Azatioprynę (Immuran) stosuje się jako środek tłumiący procesy odrzucania immunologicznego przy transplantacji narządów.

 

                                    Immuran                             AZT

 

Najbardziej znanym lekiem przeciwko wirusowym jest azydotymidyna (AZT), skuteczny także przeciw wirusom HIV.

 

4. Kwasy nukleinowe

Kwasy nukleinowe, deoksyrybonukleinowy (DNA) i rybonukleinowy (RNA) są chemicznymi nośnikami informacji genetycznej w komórkach. Informację genetyczną stanowi chemicznie „zapisana” (alfabetem zasad azotowych) kolejność deoksyrybonukleotydów w łańcuchach DNA, która przechowywana jest głównie w jądrze komórkowym.

Kwasy nukleinowe są nie rozgałęzionymi łańcuchami polinukleotydowymi w których kolejne mononukleotydy połączone są wiązaniami 3’5’fosfodiestrowymi, tworzącymi obwodowy, ujemnie naładowany  rdzeń fosfocukrowy, od którego sterczą na bok zasady azotowe. Kolejność (sekwencja) czterech różnych nukleotydów w łańcuchu kwasu nukleinowego jest dowolna, przy czym każdy rodzaj nukleotydu może się powtarzać, co stwarza możliwość tworzenia wielkiej ilości kombinacji  nukleotydów w nici kwasu nukleinowego.

Pojedynczy łańcuch o określonej sekwencji nukleotydów określa się mianem struktury I-rzędowej kwasów nukleinowych.

Cząsteczki DNA występują w postaci dwóch spiralnie skręconych nici połączonych ze sobą wiązaniami wodorowymi utworzonymi między komplementarnymi zasadami azotowymi. Zasady te to: adenina i tymina (A-T) oraz guanina i cytozyna (G-C).

Masa cząsteczkowa DNA może osiągać 1,9x106 daltonów, a długość cząsteczki do 12 cm. Nici DNA tworzą podwójne helisy (spirale)  (typów A, B lub Z) wokół centralnej osi.  Helisa stanowi strukturę II-rzędową.

Cząsteczki kwasów rybonukleinowych są znacznie mniejsze od cząsteczek DNA, ich masa cząsteczkowa osiąga 35 000 daltonów. RNA istnieje w postaci jednoniciowych cząsteczek, mogących tworzyć rejony dwuniciowe, stabilizowane wiązaniami wodorowymi. RNA zamiast deoksyrybozy zawiera rybozę, adeninę, guaninę, cytozynę i uracyl (zamiast tyminy).

 

.

Wiązania wodorowe między komplementarnymi zasadami azotowymi.

 

...

Zgłoś jeśli naruszono regulamin