1. 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 2. OSNOVNI POJMOVI 3 STRUKTURA I VEZANJE ATOMA UGLJIKA REZONANCIJA FORMULE ORGANSKIH SPOJEVA SVOJSTVA ORGANSKIH SPOJEVA PODJELA ORGANSKIH SPOJEVA 3 4 6 7 8 IZOMERIJA ORGANSKIH SPOJEVA 9 2.1. STRUKTURNA ILI KONSTITUCIJSKA IZOMERIJA 2.2. TAUTOMERIJA 2.3. STEREOIZOMERIJA 2.3.1. KONFORMACIJA MOLEKULE 2.3.2. KONFORMACIJA CIKLIČKIH SPOJEVA 2.3.3. KONFIGURACIJA MOLEKULE 9 10 11 11 12 13 3. SKUPINE ORGANSKIH SPOJEVA 18 3.1. UGLJIKOVODICI 3.1.1 ALKANI 3.1.2 ALKENI 3.1.3 ALKINI 3.1.4 ALICIKLIČKI UGLJIKOVODICI 3.1.5 AROMATSKI UGLJIKOVODICI (ARENI) 3.1.6 HALOGENI DERIVATI UGLJIKOVODIKA 3.2. ALKOHOLI 3.3. FENOLI 3.4. ETERI 3.5. ALDEHIDI I KETONI 3.6. KARBOKSILNE KISELINE
3.7. SUPSTITUIRANE KARBOKSILNE KISELINE 3.7.1 HALOGENKISELINE 3.7.2 HIDROKSI – KISELINE 3.7.3 OKSO – KISELINE 3.7.4 AMINOKISELINE 3.8. DERIVATI KARBOKSILNIH KISELINA 3.8.1. KISELINSKI HALOGENIDI 3.8.2. ANHIDRIDI KISELINA 3.8.3. ESTERI 3.8.4. AMIDI 3.8.5. DERIVATI KARBONATNE KISELINE 3.9. DUŠIKOVI SPOJEVI 3.9.1. NITRILI 3.9.2. AMINI 3.9.3. AMINO – ALKOHOLI I AMINO – FENOLI 3.10. SUMPORNI SPOJEVI 3.10.1. TIOLI 3.10.2. SULFONSKE KISELINE 3.10.3. SULFONAMIDI 3.11. HETEROCIKLIČKI SPOJEVI 18 18 20 25 25 26 28 30 34 37 37 42 47 47 47 50 51 59 60 60 61 62 63 65 65 66 70 71 72 73 73 74 1
3.11.1. 3.11.2. 3.11.3. 4. PETEROČLANI HETEROCIKLIČKI SPOJEVI ŠESTEROČLANI HETEROCIKLIČKI SPOJEVI HETEROCIKLIČKI SPOJVI S KONDENZIRANIM PRSTENOVIMA SLOŽENI PRIRODNI SPOJEVI 4.1. 4.1.1. 4.1.2. 4.1.3. 4.2. 4.2.1. 4.2.2. 4.2.3. 4.2.4. 4.3. 4.4. 4.4.1. 4.4.2. 4.5. 4.5.1. 4.5.2. 4.6. 4.7. 4.7.1. 4.7.2. 4.7.3. 4.7.4. 4.7.5. 75 77 80 82 UGLJIKOHIDRATI MONOSAHARIDI OLIGOSAHARIDI POLISAHARIDI LIPIDI JEDNOSTAVNI ESTERI SLOŽENI LIPIDI GLIKOLIPIDI IZOPRENOIDNI LIPIDI PEPTIDI PROTEINI SVOJSTVA PROTEINA PODJELA PROTEINA NUKLEINSKE KISELINE DNA RNA VITAMINI STANIČNA SIGNALIZACIJA STEROIDNI HORMONI JEDNOSTAVNI PLINOVI
NEUROTRANSMITERI PEPTIDNI HORMONI I FAKTORI RASTA EIKOZANOIDI 82 83 92 94 95 95 97 99 100 104 105 110 110 111 113 114 115 121 122 123 123 124 125 2
1. Osnovni pojmovi 1.1. Struktura i vezanje atoma ugljika Broj poznatih ugljikovih atoma daleko nadmašuje broj spojeva što ih čine svi ostali elementi zajedno. Osnovni razlog tolikom mnoštvu spojeva je u sposobnosti ugljikov ih atoma da se međusobno vežu tvoreći ravne ili razgranate lance i prstenove raznih veličina. S d ruge strane, na ugljikove atome lako se vežu atomi mnogih drugih elemenata, poput vodik a, kisika, dušika, sumpora, fosfora ili halogenih elemenata. Međusobno ili s drugim elementima, ugljikovi atomi mogu se vezati jednostrukim ili višestrukim vezama. Navedene osobi ne ugljika objašnjava jedinstvena struktura njegova atoma. Atom ugljika ima elektronsku konfiguraciju: 1s2 2s2 2p2. Dovođenjem energije jedan elektron iz 2s orbitale može se pomaknuti u praznu 2p orbitalu, pa dobivamo atom ugljika s četiri nesparena elektrona. Time se tumači sklonost ugljika da tvori četiri veze, tj. da se spoji s četiri druga atoma. Spojevi ugljika postižu stabilnost ako sva četiri raspoloživa elektrona sudjeluju u stvaranju kemijskih veza. Ugljik je tetrakovalentan u svim organskim spojevima. Divalentnih spojeva ugljika praktički nema jer se takvi spojevi stabiliziraju stvaranjem višestrukih veza (dodatnih veza). Npr. najjednostavniji organski spoj metan, CH4 – ugljik je s četiri energetski ekvivalentne kovalentne veze spojen s četiri atoma vodika. Ekvivalentne veze mogu nastati samo ako se 1s orbitale četiri atoma vodika preklope s četiri istovrsne orbitale ato ma ugljika. Istovrsne orbitale nastaju 'miješanjem' ili hibridizacijom orbitala i nazivaju se hibridne orbitale. Iz jedne s-orbitale i tri p-orbitale nastaju četiri hibridne sp3-orbital e. Četiri sp3-orbitale usmjerene su prostorno prema uglovima tetraedra i međusobno zatvaraju kut od 109,5°. Nazivamo ih tetraedarske hibridne orbitale. Pretpostavlja se da do hibridizacije dolazi pri nastajanju kemijske veze. Preklapanjem svake od sp3-orbitala ugljika sa po jednom s-orbitalom vodika nastaje molekula metana koja je tetraedarske strukture. Molekulske vezne orbitale nastale preklapanjem atomskih orbitala ugljika i vodika cilindrično su simetrične uzduž osi koja spaja jezgre atoma. Nazivaju se σ-orbitale (sigma), a veze σ-veze. 3
Sve četiri σ-veze u molekuli metana jednake su jakosti i duljine (435 kJ/mol i 0,11 nm). Može se još napomenuti da hibridne sp3-orbitale (hibridne orbitale općenito) daju znat no čvršću vezu nego nehibridne s- ili p-orbitale. Atomi ugljika mogu se, zahvaljujući malom volumenu, lako međusobno ili s drugim atomima vezati višestrukim vezama: dvostrukim i trostrukim. Osobito se često susreće dvostruka veza. U molekuli etena dva atoma ugljika povezana su dvostrukom vezom, H2C=CH2. Svaki ugljik vezan je s tri druga atoma ekvivalentnim orbitalama, što znači da dolazi do sp2 hibridizacije. Iz jedne s-orbitale i dvije p-orbitale nastaju tri hibridne sp2. Tri sp2 orbitale leže u ravnini i međusobno zatvaraju kut od 120°. Nazivamo ih trokutaste ili trigonalne hibridne orbitale. Ugljik koristi sp2 orbitale za veza nje s dva atoma vodika i s drugim atomom ugljika, pri čemu nastaju σ-veze. Na svakom atomu ugljika preostaje još po jedna p-orbitala okomita na ravninu hibridnih orbitala. Njihovim preklapanjem stvara se dodatna π-veza (pi) koja se sastoji od dva elektronska obla ka: jednog iznad a drugog ispod ravnine σ-veza. Dvo truka veza jača je od jednostruke. Za usporedbu navodimo entalpije i duljine v eze ugljik – ugljik u molekulama etana i etena. Veza Entalpija veze (kJ/mol) Duljina veze (nm) C – C (etan) 368 0,153 C = C (eten) 682 0,134 Međutim, dvostruka veza nije dvostruko jača od jednostruke. Zbog slabijeg preklapanja p-orbitala, π-veza je slabija od σ-veze. Spojevi s dvostrukom vezom lako će reagirati s reagensima koji se mogu vezati, adirati, na dvostruku vezu. Pri takv im reakcijama kida se slabija π-veza a umjesto nje stvaraju se dvije jake σ-veze. Reakcija adicije može se prikazati na slijedeći način: 1.2. Rezonancija Pojavu rezonancije možemo susresti kod spojeva s dvostrukom vezom. Rezonancija postoji kod spoja čija se molekula može prikazati s dvije ili više struktura koje se r azlikuju samo po raspodjeli elektrona. Na primjer, molekula acetona može biti prikazana dvj ema strukturama: kao nepolarna i kao polarna molekula. i
Stvarna struktura je djelomično polarizirana molekula, hibrid navedenih struktura. Niti jedna granična struktura ne može točno prikazati strukturu rezonantnog hibrida – ona je 4
negdje između graničnih struktura. To je uvijek struktura s najnižim sadržajem energije a time i najstabilnija struktura. Rezonancija se naziva i mezomerija (grč. mesos – srednji) jer stanje molekule predstavlja međustanje između mogućih struktura prikazanih s crticama valenci je. Stvaranje rezonantnog hibrida tumačimo sposobnošću π-elektrona da sudjeluju u više veza, tj. da povezuju više jezgara. Kažemo da se π-elektroni delokaliziraju, što znači više ili manje podjednako raspodjeljuju unutar jednog dijela ili unutar cijele molekule. Delokalizacija π-elektrona dovodi do čvršćih veza i stabilnijih molekula. Povećana stabilnost molekule izražava se energijom delokalizacije odnosno energojom rezonancije. Svojstva mnogih spojeva mogu se objasniti time što postoje kao rezonantni hibridi. Jedan od najpoznatijih primjera predstavlja molekula benzena. Prema teoriji rezonancij e benzen je rezonantni hibrid dviju ekvivalentnih struktura cikloheksatriena, i najčešće se prikaz uje šesterokutom s upisanim krugom. Strelica s dva vrha između dviju rezonantnih struktura, označuje da prava struktura benzena predstavlja kombinaciju tih struktura. To je planarna molekula u kojoj su svi atomi ugljika i vodika u jednoj ravnini povezani σ-vezama. Kut između veza iznosi 120°. Svaki atom ugljika je s tri susjedna atoma (dva ugljika i jednim vodikom) vezan preko sp2 orbitala. Preostaje još p-orbitala koja se dijelom nalazi iznad a dijelom ispod ravnine σ-veza. -orbitala svakog od šest atoma ugljika preklapa se sad s p-orbitalama susjednih a toma ugljika tvoreći dva ciklička elektronska oblaka, jedan iznad a drugi ispod ravnine p rstena. Ovakvo preklapanje p-orbitala u dva suprotna smjera dovodi do delokalizacije ele ktrona i omogućuje nastajanje šest potpuno jednakih veza između ugljikovih atoma prstena. Dulji na svake veze iznosi 0,140 nm, što pokazuje da nastale veze imaju manju duljinu od je dnostruke a veću od dvostruke veze ugljik – ugljik. Zbog delokalizacije elektrona smanjuje se međusobno odbijanje elektrona unutar molekule pa se stabilnost molekule povećava. U odnosu na cikloheksatrien, benzen j e energetski siromašniji za 163 kJ/mol. To je energija rezonancije benzena. Zbog rez onancije, benzen posjeduje svojstva koja nazivamo aromatskim svojstvima. Rezonancija tumači, također, kiselost karboksilnih kiselina. –OH skupina karboksilne kiseline lako otpušta vodikov ion, za razliku od –OH skupine alkohola, upravo zbog z natne rezonantne stabilizacije aniona kiseline. Karboksilat – anion je hibrid dviju stru ktura jednake stabilnosti. Elektroni su jednoliko raspodijeljeni na oba atoma kisika, odnosno preko cijele –COO – skupine, što je prikazano isprekidanom crtom. 5
Obje veze ugljik – kisik su jednako vrijedne i jednake duljine. Kod nedisocirane k arboksilne skupine također dolazi do delokalizacije elektrona, no ona ne može biti simetrična kao kod aniona (vodik karboksilne skupine 'smeta'). Zbog toga je rezonantna stabilizacij a kod aniona veća nego kod nedisocirane kiseline. Kiselina teži da otpusti proton i tako postigne veću stabilnost. Fenoli su jače kiseline od alifatskih alkohola zbog pojave rezonancije. Nedisocira ni fenol kao i fenoksid – anion stabilizirani su rezonancijom, no stabilizacija je ko d aniona jača. Posljedica je jača disocijacija fenola. Gvanidin je vrlo jaka baza – privlači proton – z bog jake rezonantne stabilizacije protoniranog oblika. Rezonancijom se može tumačiti i djelom ični karakter dvostruke veze koju ima veza ugljik – dušik u –CONH- skupini (peptidnoj vezi) . 1.3. Formule organskih spojeva Organski spoj možemo prikazati molekulskom formulom koja pokazuje broj i vrstu ato ma u molekuli spoja. Međutim, molekulska formula nam ništa ne kaže o strukturi spoja, o t ome kako su atomi međusobno povezani. Raspored atoma u molekuli pokazuje strukturna fo rmula s crticama koje označuju kovalentnu vezu između atoma (zajednički elektronski par odno sno dva vezana elektrona). Molekulu etanola možemo prema tome prikazati ovako: U praksi se najviše upotrebljavaju sažete strukturne formule, tj. formule u kojima j e naglašena funkcionalna skupina. Neki primjeri navedeni su u tablici. Spoj Strukturna formula Funkcionalna skupina etanol CH3CH2OH -OH, hidroksilna etanal , aldehidna eten , dvostruka veza -Br, brom (halogen) brometan CH3CH2Br metilamin
CH3NH2 -NH2, amino acetamid CH3CONH2 -CONH2, amidna 6
Atom ili skupina atoma koja je karakteristična za određeni spoj naziva se funkcionalnom skupinom. Ona određuje kemijska svojstva spoja jer se reakcije karakteristične za neki spoj odvijaju na funkcionalnoj skupini. Molekule koje sadrže više različitih funkcionalnih skupina pokazivat će svojstva karakteristična za te skupine. Aminokiseline će, na primjer, pokazivati svojstva karboksilnih kiselina kao i svoj stva amina. Možemo reći da je veliki dio organske kemije, kemija funkcionalnih skupina. Kad govorimo o skupini spojeva koje karakterizira neka funkcionalna skupina, često formulom želimo istaći samo funkcionalnu skupinu pa preostali dio molekule označujemo samo simbolom R ili Ar. Na primjer, opća formula karboksilne kiseline može biti R-CO OH ili Ar-COOH. Simbol R upotrebljava se za označavanje bilo koje alkilne skupine, a simb ol Ar za označavanje bilo koje aromatske skupine (ako se radio o zamjeni vodika vezanog izr avno na ugljik aromatskog prstena). Opća formula alkohola je prema tome ROH a fenola ArOH. Skupina Formula skupine metilna -CH3 etilna -C2H5 izopropilna -CH (CH3)2 vinilna -CH = CH2 fenilna -C6H5 tolilna -C6H4CH3 naftilna -C10H7 alkilne skupine aromatske skupine Postavimo pitanje što učiniti kad se nađemo pred nepoznatim ili nepotpuno ispitanim organskim spojem. Do molekulske formule spoja može se doći elementarnom analizom i određivanjem relativne molekulske mase. Elementarnom analizom, kvalitativnom i kvantitativnom, određuje se koja je vrsta atoma prisutna u molekuli i kakav je odn os tih raznih atoma u molekuli. Stvarni broj atoma u molekuli dobije se određivanjem rela tivne
molekulske mase. Potpuniju sliku nekog spoja možemo, međutim, dobiti tek određivanjem strukture spoja. Potrebno je dokazati prisutnost funkcionalnih skupina i odredit i prostornu strukturu molekule. Uz klasične metode analize i sinteze, za određivanje molekularne strukture danas se sve više upotrebljavaju fizikalne metode koje se služe raznim instrumentima. Najzanimljivije podatke o strukturi daju spektrometri, instrument i koji mjere spektre molekula. Od različitih spektara navodimo dva, kojima se najviše služimo u ana lizi strukture organskog spoja, a to su: infracrveni spektar (IR) i spektar nuklearne magnetske rezonancije (NMR). 1.4. Svojstva organskih spojeva Svojstva spoja ovise o njegovoj strukturi. Za spojeve ugljika karakteristična je k ovalentna veza, koja je prostorno usmjerena i koja određuje veličinu i oblik molekule. Kovalen tna veza može biti polarna ako povezuje atome različite elektronegativnosti (različite snage pr ivlačenja elektrona). Elektroni se u kovalentnoj vezi asimetrično raspodjeljuju, vezna orbit ala se iskrivljuje a kovalentna veza dobiva djelomični ionski karakter. Posljedica polarn osti 7
pojedinih veza je polarnost molekule. Karakter kemijskih veza u molekuli utječe na ravno na svojstva spoja. Prisutnost višestruke veze u molekuli spoja također utječe na svojstva spoja, osobito ako dolazi do pojave rezonancije. Većina organskih spojeva može se, međutim, ubrojiti u ne – ionske spojeve. Njihove opće karakteristike su karakteristike tvari s kovalentnom vezom. Odlikuju se određenom strukturom i geometrijskim oblikom. Zbog čvrstih kovalentnih veza kojima su poveza ni atomi u molekuli, privlačne sile koje vladaju među molekulama vrlo su male i molekule se m ogu lako odijeliti. Organski spojevi su često plinovi ili tekućine ili čvrste tvari koje l ako sublimiraju a imaju relativno nisko talište i vrelište. Na primjer, metan se tali pr i -183°C, a natrij-klorid (ionski spoj) pri +801°C. Topljivost organskih spojeva u vodi je običn o slaba ili nikakva. Ona ovisi o polarnosti spoja: polarni spojevi topljivi su u polarnim ot apalima, npr. u vodi, a nepolarni ili slabo polarni spojevi u nepolarnim ili slabo polarnim otap alima kao što su benzen, eter i kloroform. U kemijskim svojstvima organski spojevi mogu pokazivati velike razlike. To su u prvom redu razlike u načinu reagiranja odnosno tipu reakcije. Razlike postoje i u reakti vnosti, tj. u brzini reakcije i u ravnoteži reakcije. Na kemijska svojstva spoja najveći utjecaj i ma funkcionalna skupina. Spojevi s istom funkcionalnom skupinom reagirat će s istim r eagensom na isti način no različitom brzinom. Reakcije organskih spojeva su većinom spore reakc ije te ih ubrzavamo grijanjem ili katalizatorom. Reakcije u organizmu ubrzavaju enzimi. 1.5. Podjela organskih spojeva Osnova za podjelu organskih spojeva je njihova struktura. Obično ih dijelimo prema funkcionalnoj skupini, kao najvažnijoj karakteristici strukture spoja. To je ujedn o pojela prema karakterističnim kemijskim svojstvima. U sljedećoj tablici navedene su neke važn ije skupine organskih spojeva te struktura i naziv funkcionalne skupine koju sadrže. Skupina spojeva Funkcionalna skupina alkoholi, fenoli -OH, hidroksilna haloginidi -X, halogen ketoni, aldehidi karboksilne kiseline , karbonilna -COOH, karboksilna sulfonske kiseline
-SO3H, sulfonska tioli -SH, merkapto nitro - spojevi -NO2, nitro amini (primarni) -NH2, amino imini =NH, imino Spojevi jedne skupine često se mogu svrstati u niz u kojem se svaki član razlikuje o d prethodnog ili slijedećeg člana za –CH2- skupinu. Niz se naziva homologni niz a članovi se nazivaju homolozi. Homologni niz normalnih lančastih alkohola je slijedeći. metanol etanol propanol 8 butanol opća formula
Sve organske spojeve dijelimo na lančaste ili alifatske i cikličke spojeve. Razlikuj emo homocikličke i heterocikličke spojeve s obzirom na vrstu atoma od kojih je sastavlje n prsten spoja. Kod homocikličkih spojeva prsten se sastoji isključivo od atoma ugljika, dok heterociklički spoj uz ugljik sadrži i neke druge atome. To su najčešće atomi dušika, kisika ili sumpora. Navedenu podjelu možemo prikazati slijedećom shemom i nekim primjerima. Navedeni homociklički spojevi znatno se razlikuju u kemijskim svojstvima. Cikloheksan ima svojstva slična svojstvima alifatskih spojeva pa ga ubrajamo u sku pinu alicikličkih spojeva (alifatski ciklički spojevi). Benzen i spojevi koji su po kemij skom ponašanju slični benzenu ubrajamo u aromatske spojeve – spojeve s aromatskim svojstvim a. Treba napomenuti da većina heterocikličkih spojeva ima svojstva slična benzenu pa ih smatramo aromatskim spojevima. Međutim, u sistematici organskih spojeva obično se prikazuju kao posebna skupina spojeva jer se po strukturi znatno razlikuju od be nzena. Slični su samo po elektronskoj konfiguraciji (pokazuju rezonanciju) što objašnjava sličnost kemijskih svojstava. Podjela na alifatske, alicikličke, aromatske i heterocikličke spojeve manje je važna o d podjele prema funkcionalnoj skupini. Naime, važnije je istaknuti da između neke alif atske i aromatske kiseline postoje sličnosti (ista funkcionalna skupina), nego da postoje razlike (različit utjecaj preostalog dijela molekule). 2. Izomerija organskih spojeva Izomerija (grč. isos – isti, meros – dio) je pojava da neki spojevi iste molekulske fo rmule imaju različite strukture. Takvi spojevi nazivaju se izomeri. Oni sadrže isti broj i stovrsnih atoma ali se međusobno razlikuju po redoslijedu vezanja atoma ili po rasporedu ato ma u prostoru. To su različiti spojevi s različitim svojstvima. 2.1. Strukturna ili konstitucijska izomerija Izomeri ove grupe razlikuju se po načinu na koji su atomi međusobno povezani, tj. po rasporedu atoma u molekuli. Jedan izomer ne prelazi u drugi a njihovo nastajanje većinom teče različitim putovima. U ovom prikazu navodimo samo neke primjere ovakvih jednostavnih izomerija. Izomeriju lanca susrećemo npr. kod alkana. Butan, čija je molekulska formula C4H10, može imati dva izomera: ravnolančasti (normalni butan ili n-butan) ili razgranati (i zobutan). 9
Različit položaj nekog supstituenta u molekuli uzrok je pojavi tzv. položajne izomerij e. Tako kod propanola razlikujemo dva izomera, a kod disupstitucijskih derivata benzena tri izomera: orto, meta i para. o - dibrombenzen m - dibrombenzen p - dibrombenzen Pojedini izomeri mogu pripadati kemijski različitim skupinama spojeva ako se razlikuju po funkcionalnim skupinama. Spoj molekulske formule C2H6O može biti alko hol ili eter. 2.2. Tautomerija Spojevi s različitim rasporedom atoma u molekuli koji mogu prelaziti jedan u drugi nazivaju se tautomeri. O tautomeriji prema tome govorimo kada se dvije strukture , dva oblika molekula, nalaze u ravnoteži. Jedan oblik molekule prelazi u drugi pregradnjom, pr i čemu se obično radi o premještanju atoma vodika. Najvažniji slučaj tautomerije, keto-enolna tautomerija, susreće se kod spojeva s –OH skupinom vezanom na atom ugljika koji je s a susjednim atomom (C ili N) vezan dvostrukom vezom. Naziv enol dobiven je spajanjem nastavka –en za dvostruku vezu i –ol za alkohol. Tautomerna ravnoteža nalazi se na strani oblika u kojem je vodik vezan ugljik, ket o – oblika, kao slabije kiselog oblika. Primjere keto – enolne tautomerije nalazimo kod biokem ijski važnih spojeva: pirogrožđane kiseline, pirimidinskih i purinskih baza, zatim kod barbi turne kiseline i njenih derivata, mokraćne kiseline i dr. 10
2.3. Stereoizomerija Prostornom izomerijom molekula bavi se dio kemije koji nazivamo stereokemija (grč. stereos, u složenicama označuje prostornost). Stereokemija se bavi i stereoizomerijo m, pojavom izomera koji se međusobno razlikuju samo po razmještaju atoma u prostoru. Ta kvi izomeri nazivaju se općenito stereoizomeri. Razlike u strukturi pojedinih stereoiz omera mogu se najbolje prikazati na trodimenzijskim modelima. Stoga ćemo za prikaz stereoizom era, uz jednostavne strukturne formule, upotrebljavati i perspektivne crteže ili projekcij e prostornih modela. Stereoizomeri se mogu klasificirati s obzirom na mogućnost izolacije odnosno mogućno st prevođenja jednog izomera u drugi. Razlikujemo konformacijske izomere, koji se običn o lako prevode jedan u drugi pa je njihovo odvajanje rijetko moguće, i konfiguracijske iz omere, 'stvarne' izomere čije je prevođenje teško ili nemoguće a izolacija moguća. 2.3.1. Konformacija molekule Različite strukture neke molekule koje (obično) mogu lako i brzo prelaziti jedna u drugu rotacijom oko jednostrukih veza nazivaju se konformacije te molekule. Uzmi mo kao primjer jednostavnu molekulu etana. Uslijed slobodne rotacije metilnih skupina o ko jednostruke veze ugljik – ugljik molekula etana može imati beskonačno mnogo različitih strukturnih oblika ili konformacija. Od niza mogućih konformacija razlikujemo dvij e krajnje: zasjenjenu i zvjezdastu. Rotacije, međutim, nije 'potpuno slobodna'. Konformacije molekula razlikuju se po sadržaju energije a time i po stabilnosti. Kod etana, energija molekule ima minimu m pri zvjezdastoj konformaciji a maksimum pri zasjenjenoj. Razlika iznosi oko 13 kJ/mo l. Stabilnija je energetski siromašnija zvjezdasta konformacija. Smatra se da je ener getska razlika između konformacija etana uzrokovana interakcijama (odbijanjima) elektrons kih oblaka veza ugljik – vodik. Energetski nivo odnosno relativna stabilnost neke konf ormacije može općenito zavisiti i o nekim drugim faktorima kao što su van der Waalsove sile, interakcija dipol – dipol, i stvaranje vodikove veze. Molekule spoja nalazit će se p retežno u stabilnijoj konformaciji (ili konformacijama). Kod spoja složenije građe moguć je i veći broj relativno stabilnih konformacija manjeg sadržaja energije u odnosu na ostale moguće konformacije. Takve konformacije s energetskim minimumom predstavljaju konformacijske izomere. Oni obično lako i brzo prelaze jedan u drugi pa njihova izolacija u većini slučajeva nije moguća. Velike molekule s mnogo jednostrukih veza mogu imati veliki broj relativno stabi lnih konformacija. Pitanje je, međutim, kakva je stvarna konformacija neke složene moleku le. Ona može značajno utjecati na biološka svojstva molekule kao što je to slučaj kod proteina ili nukleinskih kiselina. Studij konformacija stoga ima veliko značenje. 11
2.3.2. Konformacija cikličkih spojeva Stabilnost zasićenih cikličkih ugljikovodika (cikloalkana) bila je još davno predmet proučavanja znanstvenika. Tumačenje stabilnosti a time i svojstava tih spojeva dala je konformacijska analiza. Pogledajmo, kao prvo, koji faktori utječu na stabilnost ko nformacije da bi ustvrdili koja je konformacija neke molekule najpovoljnija. Poznata je činjenica da spojevi kod kojih je ugljik vezan s četiri druga atoma ili atomske skupine imaju tetraedarsku prostornu građu. Ako se radi o istovrsnim atomi ma ili skupinama kut između veza ugljika s drugim atomima iznosi 109,5°. Prema tzv. Baeyero voj teoriji napetosti svako odstupanje od 'normalnog' tetraedarskog kuta između veza C -C-C u molekuli nekog cikloalkana dovodi do napetosti a time i do smanjenja stabilnosti spoja. Na primjer, tročlani planarni ciklopropan je najnestabilniji cikloalkan zbog velike k utne napetosti. Odstupanje iznosi: 109,5° - 60° = 49,5° Na stabilnost konformacije utječe i svako odstupanje od zvjezdastog rasporeda koje dovodi do tzv. torzijskih naprezanja. Ako su u cikličkom spoju jedan ili više atoma vodika zamijenjeni drugim atomima ili atomskim skupinama može doći do raznih dodatnih interakcija čiji rezultat je povećanje i li smanjenje stabilnosti konformacije. Važni cikloalkan je cikloheksan. Konformacije cikloheksana i njegovih derivata detaljno su ispitane. Utvrđeno je da molekula cikloheksana nije planarna, tj. da atomi ugljika nisu u jednoj ravnini, kao što bi se to iz jednostavnog prikaza moglo zaključiti. Struktura cikloheksana je izlomljena (valovita). Atomi ugljika smješteni su u prostoru tako da kutovi između veza iznose 109,5°. Postoj e dvije krajnje konformacije kod kojih nema kutne napetosti a to su oblik stolice i obli k kolijevke. oblik stolice oblik kolijevke Oblik stolice je najstabilnija konformacija cikloheksana i njegovih derivata. Ob lik kolijevke je mnogo nestabilnije (za oko 29 kJ/mol) zbog naprezanja uzrokovanih z asjenjenim rasporedom. Mjerenja su pokazala da cikloheksan i derivati cikloheksana imaju sk oro isključivo oblik stolice. Mnogi ugljikohidrati imaju cikličku strukturu koja sadrži šesteročlani prsten. Takav prsten je po strukturi vrlo sličan cikloheksanskom prstenu. Izlomljena je oblika i postoji pretežno u obliku stolice. Kod navedenih šesteročlanih cikličkih struktura atomi ili atomske skupine (supstituenti prstena) zauzimaju u prostoru dvije vrste položaja: ekvatorijalni i aksijalni. Ekvatorijalni je položaju u 'ravnini' prstena, dok je aksijalni položaj okomit na 'r avininu' prstena. Kod molekule metilcikloheksana razlikujemo stoga dvije moguće konformacij e
stolica koje se međusobno razlikuju po položaju metilne skupine. 12
ekvatorijalni položaj aksijalni položaj konformacije stolice metilcikloheksana Konformacija s ekvatorijalnim položajem metilne skupine je stabilnija. Ekvatorijal ni položaj nekog supstituenta, pogotovo ako se radi o nekoj većoj atomskoj skupini, je općenito povoljnija zbog manjih interakcija s ostalim supstituentima. Iz ovog kratkog prikaza vidljivo je da na stabilnost neke konformacije utječe niz faktora. Najpovoljnija konformacija molekule predstavljat će rezultantu različitih u tjecaja. O konformacijama raznih cikličkih spojeva (jednostavnih cikloalkana i njihovih deriv ata, steroida, ugljikohidrata) bit će više govora kasnije. 2.3.3. Konfiguracija molekule Naziv 'konfiguracija' označuje raspored atoma karakterističan za pojedini stereoizom er kod kojeg su atomi u prostoru 'fiksirani' u određenom položaju. Stereoizomeri koji s e mogu prevesti jedan u drugi samo uz kidanje kemijske veze, a to znači teško ili nikako, s padaju po tome u konfiguracijske izomere. Takvi su geometrijski izomeri i tzv. enantiomeri . Geometrijska izomerija. Zbog ograničene rotacije oko dvostruke veze ugljik - uglji k može doći do pojave tzv. geometrijske izomerije. Geometrijska izomerija će postojati kod spojeva kod kojih se na atomima ugljika vezanim dvostrukom vezom nalaze različiti atomi li atomske skupine. Na primjer, spoj 1,2-dikloreten može se prikazati dvjema strukturama, konfiguracijama, koje se razlikuju po rasporedu atoma u prostoru. cis-konfiguracija trans-konfiguracija 1,2-dikloreten Dvije različite konfiguracije spoja označuju se prefiksima cis- (lat. s ove strane) i trans- (lat. s druge strane), gdje cis- označuje konfiguraciju kod koje su atomi k lora s iste strane dvostruke veze, a trans- suprotnu konfiguraciju. Kao primjer može se navesti i nezasićena dikarboksilna kiselina, buten-dikiselina, s poznatim parom izomera: maleinska i fumarna kiselina. cis-konfiguracija trans-konfiguracija maleinska kiselina fumarna kiselina Geometrijski izomeri imaju različita fizikalna svojstva na osnovi kojih se mogu odjeljivati. Na primjer, maleinska kiselina ima talište pri 130°C, a fumarna pri 286°C . Kemijska svojstva su im slična no ne jednaka. Geometrijski izomeri se u principu m ogu 13
prevesti jedan u drugi rotacijom oko dvostruke veze – pri čemu mora doći do kidanja π-ve ze, što se odvija dosta teško. Za prevođenje jednog izomera u drugi potrebno je dovesti en ergiju (u protivnom je reakcija izvanredno spora). Izomeri se međusobno razlikuju po sadržaju energije odnosno stabilnosti. Transizomer je obično stabilniji izomer. Manje stabilna maleinska kiselina će pri zagrijavanju ili uz osvjetljenje prijeći u stabilniju fumarnu kiselinu. Do pojave cis- i trans-izomera može doći i kod nekih cikličkih spojeva. Jednostavan primjer za takvu izomeriju je 1,2dimetilc iklopropan. cis-konfiguracija trans-konfiguracija 1,2-dimetilciklopropan Cis-izomer ima obje metilne skupine ispod (ili iznad) ravnine prstena, dok je ko d trans-izomera jedna metilna skupina iznad a druga ispod ravnine prstena. Prevođenj e jednog izomera u drugi nije moguće provesti rotacijom oko jednostrukih veza, već kidanjem v eze. Takvi se izomeri mogu razdvojiti na osnovi razlika u fizikalnim svojstvima. Cis- i trans-izomere kod spojeva s većim prstenovima najlakše je prikazati pomoću planarnih skica. Na takav jednostavan način prikazujemo ovdje izomere 1,2dimetilci kloheksan. cis-konfiguracija trans-konfiguracija 1,2-dimetilcikloheksan Ovakav prikaz se često upotrebljava kod derivata cikloheksana ili ugljikohidrata. Treba, međutim, imati na umu da prsten u stvarnosti nije planaran i da određeni izom er, zbog rotacije oko jednostrukih veza, može postojati u različitim konformacijama. Enantiomerija i optička aktivnost. Izomeri koji se jedan prema drugome odnose kao zrcalne slike nazivaju se enantiomeri (grč. enantios – suprotan). Uvjet za enantiomeriju je tzv. kiralnost molekule. Izraz 'kiralnost' se izvodi iz grčke riječi 'ruka', pri čemu se misli na dvije ruke koje su međusobno zrcalne slike. Molekula je, prema tome, kiralna kad se ne preklapa sa svojom zrcalnom slikom, što znači da može postojati kao par enantiomera. Kiralna molekula sadrži kiralni centar, atom ugljika (dušika ili fosfora) na koji su vezana četiri različita atoma ili različite atomske skupine. Takav 'asimetrično supstituiran' atom ugljika označuje se zvjezdicom (C*). Poznati primjer kiralne molekule imamo kod mliječne kiseline. 14 Skica prostornih modela i projekcijske formule enantiomera mliječne kiseline
Par enantiomera razlikuje se po konfiguraciji na kiralnom centru. Prevođenje jedno g oblika u drugi zahtijevalo bi kidanje kemijske veze pa se može zanemariti. U fizik alnim i kemijskim svojstvima, enantiomeri se razlikuju samo po smjeru zakretanja ravnine polariziranog svjetla i po reakcijama s optički aktivnim reagensima. Pojava enanti omerije povezana je, naime, s optičkom aktivnosti. Kažemo da je optički aktivna tvar ona koja zakreće ravninu titranja linearno polariziranog svjetla koje kroz nju prolazi. Pogledajmo kako se može rastumačiti pojava optičke aktivnosti. Kad zraka polariziranog svjetla prolazi kroz neku molekulu ravnina titranja se zakreće zbog djelovanja nab oja na pojedinim dijelovima molekule. Sve molekule jednog enantiomera zakretat će ravninu titranja u jednom smjeru, a drugog enantiomera u suprotnom smjeru. Uzorak samo jednog enantiomera ili uzorak s viškom jednog enantiomera bit će stoga optički aktivan. Veličin a kuta zakretanja ravnine polariziranog svjetla ovisit će o broju molekula enantiome ra u uzorku, kao i o vrsti molekula (spoja). Optička aktivnost je dakle posljedica kiralnosti m olekula i karakteristično svojstvo enantiomera. Pri istim uvjetima mjerenja, kut zakretanja ravnine polariziranog svjetla bit će kod para enantiomera isti samo suprotnog smjera. Oblik spoja koji zakreće ravninu titranja polariziranog svjetla u smjeru hoda kaza ljke na satu nazivamo desnoskretni (oznaka +), a suprotni oblik lijevoskretni (oznaka ). Optičku aktivnost nekog spoja karakterizira specifična moć optičkog zakretanja αm. Za enantiomer e mliječne kiseline ona iznosi: αm [(+) –mliječna kiselina] = + 2,9° cm3 g-1dm-1 αm [(-) –mliječna kiselina] = - 2,9° cm3 g-1dm-1 Kako se enantiomeri međusobno razlikuju samo po smjeru optičkog zakretanja često se nazivaju optički antipodi (grč. anti – protu, podos – noga). U starijoj literaturi susreće se i naziv optički izomeri. Vidjeli smo da je neki uzorak optički aktivan onda kad sadrži samo jedan enantiomer ili višak jednog enantiomera. Smjesa jednakih količina enantiomera optički je neaktivna, a naziva se racemična smjesa (oznaka ). Zakretanje koje uzrokuju molekule jednog izom era poništavaju se zakretanjem kojeg uzrokuju molekule drugog izomera. Pri običnoj kemij skoj sintezi spoja s kiralnom molekulom kao produkt će se uvijek dobiti racemična smjesa. Za stvaranje samo jednog optički aktivnog oblika, jednog enantiomera, potrebna je pri sutnost optički aktivnog reagensa. Živi organizmi obično proizvode samo jedan enantiomer zbog toga što u reakcijama sudjeluju enzimi – a enzimi su optički aktivne tvari. Veliki broj pri rodnih spojeva optički su aktivne tvari kao na primjer: ugljikohidrati, proteini, mnoge k iseline, hormoni, vitamini i alkaloidi. Kaže se da je kiralnost (određena disimetrična struktur a) karakteristika ili znak života.
Što se može reći o kemijskim svojstvima enantiomera? Enantiomeri se ne razlikuju po sadržaju energije. U reakciji s optički nereaktivnim reagensom reagirat će na isti način i istom brzinom. Međutim, ako je reagens optički aktivan, enantiomeri će reagirati različitim brzinama. Brzine reakcija dvaju enantiomera mogu biti toliko različite da reakcija s jednim od izomera neće uopće teći. To je čest slučaj u biološkim sustavima. Na primjer, neki enzim može djelovati samo na jedan izomer, pa govorimo o stereokemijskoj specifičnosti enz imske katalize. Aktivnost hormona i antibiotika je u nekim slučajevima usko vezana uz od ređeni izomer. Tako je (-) – adrenalin oko petnaest puta aktivniji od njegovog enantiomer a. Mogli bismo navesti još mnogo primjera iz kojih je vidljivo da određenu ulogu u organizmim a imaju samo točno određeni optički aktivni oblici. Gotovo svi biološki polimeri moraju biti homokiralni (optički čisti, tj. 100% optički aktivni) da bi funkcionirali. Sve amino-kiseline u bjelančevinama su lijevozakrećuće, dok su šećeri u DNA i RNA, te u metabolizmu, desnozakrećući. Racemični polipeptidi ne mogu formirati specifične oblike potrebne za enzime, niti pogrešno orijentirani monomer m ože postati sastavni dio DNA. Jedina amino-kiselina kod koje se kiralnost ne očituje j est glicin, jer 15
je njegov radikal R zapravo atom vodika. U svim aminokiselinama u bjelančevinama pojavljuje se samo jedna konfiguracija nazvana L-gliceraldehid. Stoga su sve te aminokiseline L-α-mino-kiseline. D-amino-kiseline se nikada ne mogu pronaći u bjela nčevinama, iako postoje u prirodi. Često se nalaze u polipeptidnim antibioticima. Kod spojeva čije molekule sadrže više od jednog kiralnog centra moguć je veći broj stereoizomera. Maksimalni broj mogućih stereoizomera jednak je 2n (n je broj kiral nih centara). Aldotetroza se, na primjer, može prikazati četirima strukturama (22 = 4). Strukture I i II, te III i IV, predstavljaju dva para enantiomera. Struktura I, međutim, nije zrcalna slika ni strukture III ni strukture IV. Ona je dijastereoizomer od spoja strukture III odnosno IV. Struktura II je također dijastereoizomer od III i IV. Međusobno se razli kuju samo po konfiguraciji na jednom od kiralnih centara. Za razliku od para enantiomera, dijastereoizomeri se razlikuju i u kemijskim i f izikalnim svojstvima. Zbog pripadnosti istoj vrsti spojeva, kemijska svojstva su i doduše sl ična no ne jednaka. Na osnovi razlika u fizikalnim svojstvima mogu se lagano odvojiti jedan od drugog. Razlikuju se u specifičnoj moći optičkog zakretanja a mogu biti i optički neaktivni. Poseban slučaj predstavlja spoj čija molekula ima ravninu simetrije. Primjer takvog spoja je vinska kiselina. Unatoč kiralnim centrima vinska kiselina ima samo tri stereoizomera: dva enantiome ra i jedan optički neaktivan dijastereoizomer, mezo-spoj. Molekula mezo-spoja može se jed nom ravninom presjeći na polovine koje su međusobno zrcalne slike. Takva molekula, koja ima ravninu simetrije, je akiralna. Razdvajanje racemične smjese. Razdvajanje racemične smjese kristala dvaju enantiomer a uz pomoć lupe i pincete povijesnog je značenja. Godine 1848. Pasteur je prvi opazio da se kristali natrij, amonij – tartarata međusobno razlikuju, tj., odnose se kao zrcalne slike. On ih je rastavio u dvije skupine od kojih je svaka, otopljena u vodi, pokazala optičku akt ivnost. Danas se razdvajanje racemične smjese na enantiomere izvodi većinom uz pomoć optički aktivnih tvari. Poznata je metoda razdvajanja koja se osniva na stvaranju dijastereoizomera. Par enantiomera u reakciji si optički aktivnim reagensom dat će dva različita produkta, dv a 16
dijastereoizomera, koji se lako mogu odvojiti. Pretpostavimo da se radi o razdva janju neke racemične kiseline ()-K. S optički aktivnom bazom (-)-B, nastat će dijastereoizomerne s oli koje se zatim mogu rastaviti (npr. frakcijskom kristalizacijom). Razdvajanje se može izvesti i enzimskom metodom. Enzime, naime, karakterizira specifičnost prema supstratu, koja je osobito izražena prema enantiomerima. Skoro je pravilo da enzim katalizira reakciju samo jednog enantiomera – drugi ostaje netaknut i može se izolirati. Danas se vrlo dobro razdvajanje (ili čišćenje) enantiomera može provesti uz pomoć kromatografije koja upotrebljava adsorbanse koji su strogo selektivni obzirom na određeni enantiomer. Konfiguracija enantiomera. Kad govorimo o konfiguraciji enantiomera mislimo na prostorni raspored oko kiralnog centra. Postavlja se pitanje koja konfiguracija se može pripisati (+) – a koja (-) – enantiomeru nekog spoja. Smjer optičkog zakretanja lako j e odrediti no mnogo je teže utvrditi stvarni raspored supstituenata u prostoru. Kemijskim rea kcijama kod kojih se ne kida veza na kiralnom centru moguće je, međutim, odrediti konfigurac ijski odnos između pojedinih optički aktivnih spojeva. Polazeći od odabranog referentnog standarda, tj. pretpostavljene konfiguracije nekog enantiomera, moguće je odrediti relativne konfiguracije drugih optički aktivnih spojeva u odnosu na odabrani standard. Još 190 6. predložen je gliceraldehid kao standard prema kojem su kasnije bile izvedene relat ivne konfiguracije ugljikohidrata. Za (+) – gliceraldehid pretpostavljena je konfigurac ija s oznakom D, a za (-) – gliceraldehid s oznakom L. D - (+) – gliceraldehid L - (-) – gliceraldehid Kod prikaza konfiguracija projekcijskim formulama u kojima je aldehidna skupina pisana gore, s D je označena konfiguracija gdje se –OH skupina nalazi na desnoj strani, a s L konfiguracija s –OH skupinom na lijevoj strani. Proizvoljno izabrane konfiguracije gliceraldehida pokazale su se kasnije kao točne. Godine 1951. rendgenskom analizom određena je, naime, stvarna ili apsolutna konfiguracija (+) – vinske kiseline. Na os novi ranije poznatih konfiguracijskih odnosa između vinske kiseline i gliceraldehida, te glice raldehida i ugljikohidrata, ustanovljeno je da pretpostavljene, relativne konfiguracije nave denih spojeva doista odgovaraju njihovim apsolutnim konfiguracijama. Simboli D i L upotrebljavaju se i danas za označavanje konfiguracije optički aktivni h spojeva (osobito ugljikohidrata i aminokiselina) jer pokazuju kakav konfiguracij ski odnos postoji između dva spoja. Prema sporazumu, spoj ima oznaku D (pripada D seriji) ak o je po konfiguraciji srodan D - gliceraldehidu i obrnuto. Kod spojeva s više od jednog ki ralnog centra, konfiguracijska pripadnost se određuje prema najnižem kiralnom centru. U pri kazu
strukture 'najviše oksidirani' C – atom (prvi C atom, C-1) piše se prema gore. Za ilus traciju: 17
D – (+) gliceraldehid D – (-) – mliječna kiselina L – (+) - alanin L – (+) – vinska kiselina D – (+) glukoza Kao što je iz primjera vidljivo, oznake D i L neovisne su o smjeru optičkog zakretan ja i označuju jedino konfiguraciju spoja. 3. Skupine organskih spojeva 3.1. Ugljikovodici Ugljikovodici su spojevi sastavljeni samo od dva elementa: ugljika i vodika. Sma traju se osnovnom skupinom organskih spojeva iz kojih se, u principu, mogu izvesti svi os tali spojevi. Mogu se svrstati u slijedeće grupe: a) Alifatski ili lančasti, u koje spadaju alkani, alkeni i alkini, te b) Cikličke ili prstenaste, koji obuhvaćaju alicikličke (alifatske cikličke) i aromatske ugljikovodike. 3.1.1 Alkani Zasićeni ugljikovodici nazivaju se alkani, ili po starom – parafirini (lat. parum af finis – slaba privlačnost), naziv koji su dobili zbog svoje slabe reaktivnosti. Opća formula alkana je CnH2n+2. Nomenklatura. Kod organskih spojeva, pa tako i kod alkana često susrećemo uobičajene ili trivijalne nazive koje su ti spojevi dobili još u doba početnog razvoja organske kemije. S vremenom su razne komisije predlagale sustave za imenovanje sve složenij ih spojeva da bi se danas došlo do sustava IUPAC (International Union of Pure and App lied Chemistry) koji daje internacionalna pravila za nomenklaturu organskih spojeva. Mnogi trivijalni nazivi su se međutim zadržali, često zbog kratkoće naziva nekog složenog spoja. Uzmimo da se radi o nerazgranatim, normalnim alkanima. Prva četiri člana homolognog niza imaju trivijalna imena a nazivi viših članova izvode se iz grčkog imen a broja ugljikovih atoma s nastavkom –an. 18
Broj C atoma Molekulska formula Naziv spoja 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3(CH2)2CH3 CH3(CH2)3CH3 CH3(CH2)4CH3 CH3(CH2)5CH3 CH3(CH2)6CH3 CH3(CH2)7CH3 CH3(CH2)8CH3 Metan Etan Propan Butan Pentan Heksan Heptan Oktan Nonan Dekan Nomenklatura alkana razgranatog lanca znatno je složenija a određena je slijedećim pravilima: a) Osnovni naziv spoja dobiva se prema najduljem lancu ugljikovih atoma u molekuli, pri čemu se atomi u lancu numeriraju tako da bočni lanci imaju što manje brojeve. b) Imena bočnih lanaca dolaze u obliku prefiksa ispred imena odabranog najduljeg lanca. Bočni lanac odnosno alkilna skupina dobiva naziv koji se tvori iz korijena naziva koji označava broj ugljikovih atoma u skupini s nastavkom –il. Broj istovrsnih skupina vezanih za odabrani lanac označuje se prefiksom di-, tri-, tetr a-, itd., a brojkama se označuje položaj na lancu. Skupine raznih vrsta navode se u nazivu spoja abecednim redom. Primjeri: 2-metilpentan (trivijalno: izoheksan) 2, 3, 5 – trimetilheksan 4-etil – 3, 3 – dimetilheptan Fizikalna svojstva. Zbog vrlo slabih međumolekulskih privlačnih sila alkani imaju relativno niska vrelišta i tališta. U homolognom nizu n-alkana prca četiri člana su plin
ovi, od C5 do C17 su tekućine, a viši članovi su čvrste tvari. Porast tališta i vrelišta uzrokovan j e jačanjem međumolekulskih privlačnih sila kod molekula s većim brojem ugljikovih atoma. Molekule alkana su nepolarne ili vrlo slabo polarne molekule, pa su alkani toplj ivi u nepolarnim otapalima kao što su benzen, kloroform i eter. Kemijska svojstva. Alkani su slabo reaktivni i kod sobne temperature otporni pre ma djelovanju jakih kiselina, baza i oksidansa. S kisikom reagiraju na povišenoj temp eraturi dajući ugljik (II) – oksid i vodu uz oslobađanje znatne količine topline. 19
Djelovanjem halogena na povišenoj temperaturi ili pod utjecajem ultraljubičaste svjetlosti dolazi do reakcije halogeniranja alkana. Atomi vodika zamjenjuju se, supstituiraju atomima halogena uz istovremeno stvaranje ekvivalentne količine halogenvodika. Ako se npr. radi o kloriranju metana, kao produkt reakcije nastat će klormetan, CH3Cl, a daljn jom supstitucijom diklormetan, CH2Cl2, pa triklormetan ili kloroform, CHCl3, i konačno tetraklormetan, CCl4. Mehanizam reakcije je slijedeći: pod djelovanjem topline ili UV svjetlosti u prvom stupnju reakcije molekula klora podliježe homolizi (vidjeti: ti povi kemijskih reakcija), tj. kidanju kovalentne veze Cl-Cl na neutralne atome klora. Svakom atomu klora pripao je po jedan elektron iz elektronskog para veze, pa su nastali atomi klora po svojoj elektronskoj strukturi, tj. po tome što posjeduju jedan nespareni elektron, slobodni radikali. Kao većina slobodnih radikala atom klora je jako reaktivan pa reagira s molekulom metana dajući klorovodik i metil radikal koji dalje reagira s molekulom klora. Reakcije se dalje nastavljaju i ponavljaju što je tipično za tzv. lančane reakcije. Redoslijed gornjih reakcija se prekida međusobnim spajanjem radikala. 3.1.2 Alkeni Alkeni su ugljikovodici s jednom ili više dvostrukih veza između ugljikovih atoma. Sadrže manje vodika nego što je maksimalno moguće pa se svrstavaju u nezasićene spojeve. Imenuju se tako da se korijenu naziva odgovarajućeg nezasićenog ugljikovodika doda nastavak –en, kod dvije dvostruke veze –adien, pa –atrien itd. Primjer: , 1,4 – heksadien Dobivanje alkena. Iz spojeva koji sadrže jednostruke veze alkeni se mogu prirediti eliminacijom (izdvajanjem) atoma ili atomskih skupina na dva susjedna ugljikova atoma. Reakcijom eliminacije u molekulu se uvodi dvostruka veza. Kao primjer mogu se navesti sljedeći postupci: a) Eliminacija molekule halogenvodika iz alkilhalogenida s nekom bazom. 20
Kao reagens obično se upotrebljava alkoholna otopina KOH pri čemu alkohol služi kao zajedničko otapalo za bazu i alkilhalogenid. Mehanizam reakcije je slijedeći. Hidrok sid – ion sa slobodnim elektronskim parom 'napada' vodikov atom na β-položju pa dolazi do kid anja veze ugljik – vodik. Elektronski par koji zaostaje iza odcjepljenja protona stvara drugu vezu (π – vezu) između atoma ugljika uz istovremeno kidanje veze ugljik – halogen i odlazak halogenid – iona. Strelice pokazuju smjer pomicanja elektrona. b) Eliminacija molekule vode iz alkohola (dehidratacija alkohola) uz prisutnost kiseline, najčešće H2SO4. Mehanizam reakcije je složen. U prvom stupnju dolazi do protonacije alkohola, u dr ugom do odcjepljenja vode i stvaranja karbonium iona s pozitivnim nabojem na ugljiku, a u trećem do gubitka protona i stvaranje alkena. Karbonium ion predstavlja skupinu atoma koja sadrži ugljik sa samo šest elektrona. Zbog potrebe da s elektronima popuni ugljikov oktet vrlo je nestabilan i reaktiv an. Da bi se povećala pretvorba karbonium iona u alken, tj. da bi se ravnoteža pomaknula udesno, alken se kao lako hlapljiv odvodi iz reakcijske smjese. Kemijska svojstva. Reaktivnost alkena uvjetovana je dodatnom π-vezom između ugljikovih atoma a reakcije karakteristične za alkene zbivaju se upravo na mjestu te veze. To su reakcije adicije atoma ili atomskih skupina na ugljikove atome koji su poveza ni dvostrukom vezom. Zbog povećane gustoće elektrona na mjestu dvostruke veze, alkeni djeluju kao baze i kao takvi reagiraju uglavnom s kiselinama, dakle tvarima koje imaju manjak elektrona. To su elektrofilne tvari pa kažemo da su za alkene karakteristične reakcije elektrofilne adicije. Reakcije adicije različitih tvari na dvostruku vezu općenito s u egzotermne. a) Adicija vodika (hidrogeniranje alkena) Kao katalizator u reakcijama hidriranja upotrebljavaju se platina, paladij i nik al. Na površinu katalizatora adsorbiraju se reaktanti. Alken se pri tome veže preko π-elektrona dvos truke veze dok vodik pri vezanju disocira na atome koji se tad lako mogu adirati na prisutn i nezasićeni spoj. Entalpija hidriranja alkena za jednu dvostruku vezu u spoju iznosi oko 125 kJ/mol. 21
b) Adicija halogena Alkeni lako reagiraju s klorom i bromom. Mehanizam je slijedeći. Pod utjecajem jak og električnog polja dvostruke veze, molekula halogena se polarizira. δ+ i δ- označavaju djelomične naboje atoma Pozitivni halogen veže se na alken dajući karbonium ion koji zatim u reakciji s preo stalim bromid – ionom daje dihalogenid. Na primjer, c) Adicija halogenvodika Stvaranje izomernog 1 – brompropana je zanemarivo u odnosu na stvarni produkt 2 – bromproman. Objašnjenje je slijedeće. Karbonium ion koji nastaje kao intermedijer u reakciji stvaranja 2 – brompropana stabilniji je i nastaje brže od karbonium iona kod stvaran ja 1 – brompropana, pa se i 2 – brompropan stvara većom brzinom. Ovakvo ponašanje bilo je uočeno još u prošlom stoljeću i izraženo empirijskim Markovnikovljevim pravilom: kod adicije kiseline na dvostruku vezu alkena, atom vodika veže se na ugljikov atom ko ji već ima više vodikovih atoma. Mehanizam reakcije je u osnovi jednak onome kod adicije halo gena i može se prikazati na primjeru: d) Adicija vode (hidratacija alkena) Adicijom vode na alkene u prisutnosti kiseline nastaju alkoholi. Adicija se odvi ja prema Markovnikovljevom pravilu. Mehanizam reakcije čine tri reverzibilna stupnja či ji redoslijed je suprotan onome koji je prikazan kod dehidratacije alkohola. Reakci ja započinje adicijom protona i stvaranjem karbonium iona, koji s vodom daje protonirani alko hol, iz kojeg se gubitkom protona oslobađa alkohol. Zbog velike koncentracije vode ravnoteža hidra tacije pomaknuta je prema stvaranju alkohola. 22
e) Hidroksilacija alkena Neki oksidansi, među kojima i kalij – permanganat, prevode alkene u dihidroksi spoje ve, poznate pod nazivom glikoli. f) Polimerizacija Uz određene uvjete iz malih strukturnih jedinica, monomera, nastaju spojevi velike molekulske mase, polimer. Iz monomera koji sadrže dvostruke veze adicijskim reakci jama nastaju adicijski polimeri. Primjer za to je polimerizacija etena. Za početak reakcije potreban je inicijator, obično neki organski peroksid koji stvar a slobodne radikale. Radikal se adira na molekulu alkena, stvara novi veći radikal i tako rea kcija napreduje. Dieni. Dieni su alkeni koji sadrže dvije dvostruke veze. Razlikuju se prema relati vnom položaju dvostrukih veza, a time i po kemijskim svojstvima. Razlikujemo tri skupin e diena. Prvu, najmanje važnu, skupinu čine dieni s kumuliranim dvostrukim vezama uz jedan ugljikov atom, npr. 1, 2 – propandien (alen) Kad se između dvostrukih veza nalazi jednostruka veza radi se o konjungiranom dien u, a kad su dvostruke veze odvojene s dvije ili više jednostrukih veza onda su to izolirani dieni. konjungirane dvostruke veze izolirane dvostruke veze Izolirane dvostruke veze slabo utječu jedna na drugu i reagiraju neovisno jedna o drugoj. Stoga su kemijska svojstva nakon nekonjungiranih diena jednaka svojstvim a alkena s jednom dvostrukom vezom. Konjungirani dieni se međutim po nekim svojstvima razliku ju od jednostavnih alkena. Vrlo su stabilni, stabilniji od izoliranih diena ili jednos tavnih alkena, i drugačije se ponašaju u reakcijama adicije, npr. podliježu 1, 4 – adiciji. Razlog tome j e pojava rezonancije. Kod konjungiranih diena dolazi naime do delokalizacije π – elektrona un utar dijela molekule koji sadrži konjungirane dvostruke veze. Nastaje rezonantna struktura s nižim sadržajem energije i većom stabilnosti. Veza između dva unutrašnja ugljikova atoma u prikazanoj strukturi ima sad karakter dvostr uke 23
veze: čvršća je (kraća) od jednostruke veze premda nešto slabija (dulja) od dvostrukih vez a između vanjskih parova ugljikovih atoma. Kod elektrofilne adicije na konjungirane diene dvostruke veze u molekuli reagira ju kao jedna cjelina pa se reagens veže ne samo na par susjednih ugljikovih atoma (1, 2 – adicija) već i na krajnje atome konjungiranog sustava (1, 4 – adicija). Štoviše, u većini slučajeva glavni produkt je stabilniji spoj dobiven 1, 4 – adicijom. Na primjer, adi cijom HBr na 1, 3 – butadien nastaju slijedeća dva adicijska produkta: Oba adicijska produkta nastaju preko međuprodukta, karbonium iona, u ovom slučaju alil – kationa rezonantne strukture koji može vezati anion na dva različita ugljika. Slično etenu, konjungirani dieni podliježu polimerizaciji preko slobodnih radikala. Iz 1, 3 – butadiena nastaje polibutadien procesom 1, 4 – adicije. Sintetskom polibutadienu sličan je prirodni kaučuk iz kojeg se procesom vulkanizacij e dobiva prirodna guma. To je polimer derivata butadiena, 2 – metil – 1, 3 – butadiena i li izoprena. ili Mnogi prirodni spojevi imaju skelet izgrađen od jedinica izoprena (5 C – atoma) često povezanih po pravilu ''glava – rep''. Tako su građeni terpeni, mirisna ulja koja nal azimo u biljkama kao i steroidi, npr. kolesterol koji je prisutan u svim živim stanicama. Grupi monocikličkih terpena pripada na primjer vitamin A. To je diterpen (sadrži 4 izopren ske jedinice što znači 20 C – atoma) koji nastaje cijepanjem tetraterpena β – karotena s 40 C – atoma. ili 24
Elektronski spektri. Elektroni u molekuli spoja mogu se pobuditi, prijeći iz osnov nog stanja u viši energijski nivo, apsorpcijom svjetlosti određene valne duljine. Za pob uđivanje πelektrona potrebna je manja energija nego za σ-elektrone, pa spojevi s dvost rukom vezom u molekuli, dakle s π-elektronima, apsorbiraju svjetlost niže energije (veće valne dulji ne). Potrebnu energiju daju fotoni ultraljubičastog i vidljivog dijela spektra. Konjung acija dvostrukih veza smanjuje energiju potrebnu za prijelaz elektrona i pomiče apsorpci ju prema još većim valnim duljinama. Što je veći broj konjungiranih dvostrukih veza, to je energe tska razlika između osnovnog i pobuđenog stanja manja a valna duljina apsorpcije veća. Spoj s dovoljno konjungiranih veza apsorbirat će u vidljivom dijelu spektra i bit će obojen . Na primjer, ranije spomenuti β-kroten je žuto obojen. Ima jedanaest konjungiranih veza ugljik – ugljik i najviše apsorbira kod 451 nm (apsorpcijski maksimum). Vitamin A s pet konjungiranih dvostrukih veza apsorbira u području nešto manjih valnih duljina s maksimumom apsorpcije kod 324 nm. 3.1.3 Alkini Spojevi s trostrukom vezom između ugljikovih atoma jedva da se mogu naći u prirodi. Industrijski je pak važan samo etin ili acetilen, HC≡CH. U trgovinu dolazi u čeličnim bo cama otopljen pod tlakom u acetonu, a upotrebljava se kao gorico za acetilenske plame nike jer daje plamen vrlo visoke temperature. 3.1.4 Aliciklički ugljikovodici Zasićeni i nezasićeni ciklički ugljikovodici, cikloalkani i cikloalkeni po svojstvima su vrlo slični odgovarajućim lančastim spojevima, alkanima i alkenima. Ciklički oblik, međuti m, daje nekima od ovih spojeva specifična svojstva. Imena cikličkih ugljikovodika tvore se dodavanjem prefiksa 'ciklo' imenu ravnolančastog ugljikovodika s istim brojem ugljikovih atoma. Položaju supstituenata označuju se brojevima, po mogućnosti što nižim. Na primjer: Na osnovi ranije iznesenih podataka o stabilnosti i konformacijama cikloalkana, lako se mogu razumjeti i objasniti svojstva i konformacije jednostavnih predstavnika spojeva ovog reda. Dva najmanja cikloalkana, ciklopropan i ciklobutan razlikuju se po nekim s vojstvima od spojeva s većim prstenovima. Budući da su nestabilni (kutna napetost), pri djelovanj u nekih reagensa podliježu reakcijama adicije. Prsten se pri tome razara pa nastaju spojev i otvorena lanca. Veći prstenovi su stabilniji. Ciklopentan i cikloheksan ponašaju se kao zasićen i ugljikovodici. Njihova struktura nije planarna već izlomljena pa dolazi do smanjen ja ili nestanka kutne napetosti i torzijskih naprezanja. Smatra se da molekule ciklopen
tana imaju pretežno oblik kuverte, ciklopentan 25
dok je za cikloheksan već ranije rečeno da ima oblik stolice ili sedla. Treba spomenuti i policikličke ugljikovodike s dva ili više prstena u molekuli. Među njima posebno mjesto zauzima gonan, čiji skelet čini osnovu velikog broja važnih biomolekula, tzv. steroida. Izgrađen je od četiri kondenzirana prstena, tri ciklohek sanska i jednog ciklopentanskog. gonan 3.1.5 Aromatski ugljikovodici (Areni) Prvobitno značenje naziva 'aromatski' (ugodna mirisa) izgubilo je doslovno značenje jer se danas pod tim nazivom podrazumijevaju spojevi s aromatskim svojstvima. Tu spadaju benzen i spojevi koji su po kemijskom ponašanju slični benzenu. Benzen, premda nezasićeni ciklički spoj, po svojim reakcijama razlikuje se od običnih alkena. Uz uvjete u kojima se odvijaju reakcije adicije kod nezasićenih spojeva, b enzen ne podliježe adiciji koja bi dovela do razaranja prstena. Benzenski prsten je, naime, izvanredno stabilan pa lakše dolazi do reakcija supstitucije u kojima prsten ostaje sačuvan. Nomenklatura derivata benzena. Mnogi derivati benzena imenuju se tako da se prefiks koji označuje naziv supstituenta stavlja ispred riječi benzen. Ako su na ben zen vezana dva ili više supstituenata njihov položaj se obilježava brojevima, a u slučaju kad su pr isutna samo dva supstituenta, umjesto brojeva 1, 2 - , 1, 3 - , i 1, 4 - , mogu se upot rijebiti oznake o – (orto), m – (meta) i p – (para). Primjeri: Metilbenzen (toluen) 2 – etiltoluen (o – etiltoluen) 1, 3 – dimetilbenzen (m – ksilen) Vinilbenzen (stiren) Aromatska skupina C6H5- naziva se fenil, skupina -C6H4- fenilen, a skupina sa sl obodnom valencijom u bočnom lancu C6H5CH2- benzil. fenil p - fenilen Benzil Spoj koji sadrži drugi odnosno složeni pobočni lanac imenuje se općenito kao derivat lančastog spoja. Isti je slučaj i kod spoja koji sadrži više od jednog prstena. 26
2 - fenilbutan bifenil (fenilbenzen) Trifenilmetan Policiklički spojevi s kondenziranim prstenovima imaju trivijalna imena. naftalen antracen Fenantren Reakcije benzena. Oblaci π-elektrona čine benzen i druge arene slabim bazama koje reagiraju prvenstveno s elektrofilnim reagensima ili kiselinama. Stoga su za ben zen tipične reakcije elektrofilne supstitucije. Takve reakcije tipične su ne samo za benzenski prsten već i za druge aromatske prstenove, npr. aromatske heterocikličke spojeve. Elektrofilne aromatske supstitucije uključuju dva stupnja. U prvom stupnju elektro filni reagens (E+) napada prsten i veže se na jedan od ugljikovih atoma. Stvara se karbo nium ion koji u drugom stupnju gubi proton uz nastajanje produkta supstitucije. Stvaranje karbonium iona je spora reakcija koja određuje brzinu supstitucije. Ion ima rezonantnu strukturu u kojoj je pozitivan naboj raspoređen unutar prstena, pa je m nogo stabilniji od bilo kojeg iona s lokaliziranim nabojem. Daljnja sudbina karbonium iona u reakciji mogla bi biti dvojaka: vezanje neke bazne skupine uz stvaranje adicijsk og produkta s razorenim aromatskim sustavom, ili; otpuštanje protona uz stvaranje supstitucijsko g produkta s obnovljenom rezonantnom strukturom prstena. Otpuštanje protona je naravno energe tski mnogo povoljnije i reakcija će teći u skladu s prikazanom shemom. Adicijske reakcije aromata zbivaju se samo u određenim uvjetima, npr. uz visoku temperaturu i tlak il i pod utjecajem svjetlosti. Primjeri elektrofilnih supstitucija: a) Halogeniranje Reakcija teče uz katalizator FeCl3 koji veže Cl2 tvoreći kompleks FeCl4- i elektrofiln i Cl+ kojim započinje reakcija. b) Nitriranje 27
Jaka sulfatna kiselina omogućuje nastanak nitronium iona, NO2+, koji kao elektrofi lna čestica napada aromat. c) Sulfoniranje Reakcija se obično izvodi s dimljivom sulfatnom kiselinom koja sadrži višak SO3, a to je elektrofilni reagens (ima manjak elektrona) koji započinje reakciju. Postojeći supstituenti na benzenskom prstenu utječu na reaktivnost prstena prema daljnjoj supstituciji a utječu i na položaj novog supstituenta. Tzv. aktivirajuće skup ine povećavaju reaktivnost prstena a nove supstituente dirigiraju u orto i para položaj. Takav utjecaj imaju na primjer, -CH3, -NH2 i –OH. Za ilustraciju: toluen se lakše nitrira od benzena a kao konačni produkt dobiva se 2, 4, 6 – trinitrotoluen (eksploziv trotil ili TNT). U tzv. dezaktivirajuće skupine koje slijedeći supstituent dirigiraju u meta položaj ubrajaju se –NO2, -COOH, -SO3H i –CHO. Utjecaj postojeće skupine tumači se njenom sposobnošću da otpušta ili privlači elektrone i tako utječe na stabilnost i raspodjelu nab oja u karbonium ionu – stabilizacija karbonium iona daje bržu reakciju i obrnuto. Skupina koja otpušta elektrone je aktivirajuća a ona koja ih privlači dezaktivirajuća. Kancerogeni ugljikovodici. Neki kondenzirani aromatski ugljikovodici jako su kancerogene tvari. Tu spadaju npr. benzantracen i benzpiren i njihovi metilni de rivati. benzantracen 3.1.6 Benzpiren Halogeni derivati ugljikovodika Opća je formula alkilhalogenida R-X (za arilhalogenide Ar-X), gdje je X atom halogenog elementa. Alkilgalogenidi su, za razliku od alkana, vrlo reaktivni spo jevi a mnogo 28
su reaktivniji i od arilhalogenida. Zbog toga se upotrebljavaju u sintetskoj kem iji kao polazne tvari za dobivanje niza organskih spojeva. Kemijska svojstva. Zbog različite elektronegativnosti atoma ugljika i klora, kovalentna veza C-X je polarna. Elektronegativniji halogen privlači vezne elektrone i nabija se djelomično negativno a na ugljiku ostaje djelomični pozitivni naboj. Djelomično pozitivan ugljik lako podliježe napadu nukleofilnog reagensa koji posjeduje slobodan elektronski par. Nukleofil se veže za ugljik a veza ugljika i h alogena se kida uz oslobađanje halogenid iona. Za alkilhalogenide su prema tome tipične reakcij e nukleofilne supstutucije. Odlazeći halogenid ion je slaba baza jake konjungirane kiselina, npr. HCl ili HBr, i lako se zamjenjuje nukleofilom. Halogen predstavlja 'lako odlazeću skupinu' što je i razlog velike upotrebe alkilhalogenida u organskoj sintezi. Alkilhalogenidi reagiraju s mnoštvom nukleofilnih reagensa od kojih ćemo navesti najvažnije. a) Reakcija s hidroksidom Reakcija se izvodi s razrijeđenom vodenom ili alkoholnom otopinom lužine. b) Reakcija s cijanidom c) Reakcija s amonijakom d) Reakcija s primarnim aminom Iz primarnog amina i alkilhalogenida nastaje sekundarni amin, dietilamin. U reak ciji sa slijedećom molekulom alkilhalogenida nastao bi tercijarni amin. e) Reakcija s hidrogensulfidom f) Reakcija s tiolatom 29
U prikazanim reakcijama, uz pojedine anione nisu navedeni prateći kationi jer nisu bitni za odvijanje reakcije – radi se obično o spojevima natrija. Za alkilhalogenide su tipične i reakcije eliminacije čiji produkt je spoj s dvostruk om vezom. Primjer takve reakcije je ranije prikazan postupak dobivanja alkena. Predstavnici Kloroform, CHCl3, je bezbojna tekućina sladunjavog mirisa. Čuva se u tamnim bocama jer se na svjetlu i zraku lako oksidira u otrovni fozgen, COCl2. Upotrebl java se kao otapalo. Poznat je i kao opći anestetik no danas se zbog svoje toksičnosti rijetko u potrebljava. Jodoform, CHI3, je zelenkastožuti kristalni prašak koji se ranije upotrebljavao kao antiseptik. Halotan, CF3CHClBr, je tekući inhalacijski opći anestetik. Neki klorirani ugljikovodici dobri su insekticidi, sredstva koja uništavaju insekt e. Najpoznatiji je DDT, što je kratica naziva diklordifeniltrikloretan – točan naziv bio bi 1, 1, 1 – triklor – 2, 2 – bis (p – klorfenil) etan. DDT Zbog opasnosti nagomilavanja u masnom tkivu njegova upotreba se danas izbjegava. Dobar insekticid je i heksaklorcikloheksan (Gameksan), C6H6Cl6. 3.2. Alkoholi Opća formula alkohola je R-OH, što znači da je funkcionalna skupina vezana na neku alkilnu ili cikloalkilnu skupinu. Pri imenovanju alkohola prema pravilima IUPAC, imenu osnovnog spoja dodaje se sufiks –ol, no naziv se može tvoriti i tako da se imenu alk ilne skupine doda riječ 'alkohol' odvojena crticom. metanol (metil – alkohol) 2 – propanol (izopropil – alkohol) 2 – propen – 1 - ol U nekim slučajevima zadržana su trivijalna imena: benzil - alkohol etilen - glikol 30 glicerol Cikloheksanol
Benzil – alkohol je aromatski alkohol, etilen glikol je dihidroksi – alkohol a glice rol je trihidroksi – alkohol. Prema ugljikovom atomu na koji je vezana hidroksilna skupina alkoholi se dijele u tri grupe: primarne, sekundarne i tercijarne alkohole. primarni alkohol sekundarni alkohol tercijarni alkohol Fizikalna svojstva. Alkoholi sadrže polarnu –OH skupinu s vodikom vezanim na vrlo elektronegativni kisik. Na kisiku su dva slobodna elektronska para koja privlače a tome vodika drugih molekula pa se molekule alkohola međusobno vežu vodikovim vezama. Vrelišta alkohola su iznimno visoka jer se za kidanje vodikovih veza troši energija. Zbog mogućeg stvaranja vodikovih veza između molekula alkohola i vode, niži alkoholi su u v odi dobro topljivi. Metanol, etanol i 1 – propanol miješaju se s vodom u svim omjerima, dok topljivost viših alkohola pada s veličinom alkilne skupine. Dobivanje alkohola. Neke metode priprave alkohola opisane su već ranije. To su reakcije hidratacije i hidroksilacije alkena – adicija vode i djelovanje oksidansa na alkene, i reakcija alkilhalogenida s hidroksidom. Alkoholi nastaju i redukcijom karbonilni h spojeva. Iz aldehida se redukcijom dobivaju primarni alkoholi, a iz ketona se dobivaju sekundarni alkoholi. Iz estera se alkohol oslobađa hidrolizom koja može biti katalizirana kiselinom ili b azom. Na primjer: Najstarija industrijska metoda dobivanja alkohola je alkoholno vrenje. Iz šećera, obično škroba, djelovanjem enzima dobiva se etanol uz manje količine drugih primarnih alkohola. Škrob se prvo cijepa na maltozu, pa na glukozu koja se prevodi u etanol i ugljik – dioksid. 31
Čisti etanol se, međutim, danas u velikim količinama proizvodi hidratacijom etena. Kemijska svojstva. U vodenim otopinama i u fiziološkim uvjetima alkoholi praktički nisu disocirani, neutralni su. Međutim, ovisno o reagensu alkoholi pokazuju svojst va slabe kiseline ili slabe baze. S izuzetkom metanola, alkoholi su slabije kiseline od v ode, pa do gubitka vodika i stvaranja alkoksid – iona može doći samo u reakciji s npr. alkalnim m etalom. Alkoksidi su vrlo jake baze i dobri nukleofili pa se upotrebljavaju kao reagensi za uvođenje RO- skupine u molekulu. U reakciji s jakim kiselinama alkoholi se ponašaju kao slabe baze pri čemu dolazi do vezanja protona na slobodni elektronski par kisika i stvaranja protoniranih alko hola, ROH+. To su nestabilni spojevi koji, na primjer, uz gubitak vode mogu dati alkene. Deh idratacija alkohola uz prisutnost kiseline prikazana je već ranije kao postupak kojim se u mo lekulu uvodi dvostruka veza. S jakim oksidansima, npr. CrO3 ili KMnO4, primarni i sekundarni alkoholi se oksi diraju u karbonilne spojeve, primarni alkoholi se oksidiraju u aldehide i dalje vrlo lako u kiseline, a sekundarni alkoholi prelaze oksidacijom u ketone. Pri oksidaciji alkohola pomoću spoja Cr(VI) dolazi do redukcije kroma na Cr(III). Otopine soli Cr(III) su zelenkaste boje pa navedena reakcija nalazi svoju primje nu u testu za dokaz alkohola (puhanje u balon). S kiselinama alkoholi daju estere, pri čemu se hidroksilna skupina kiseline zamjen juje s alkoksidnom skupinom. Na primjer: 32
Predstavnici Metanol, CH3OH, je vrlo otrovan. Ako se pije, udiše dulje vrijeme ili ako djeluje na kožu, izaziva sljepoću pa i smrt. Njegova velika toksičnost potječe od formaldehida koji se stvara u organizmu enzimskom oksidacijom metanola. Služi za denaturiranje etanola koji se upotrebljava u industriji – dodatak metanola čini ga neupotrebljivim za proizvodnju pića. Etanol, C2H5OH, je manje otrovan od drugih alkohola. Ima veliku primjenu u industriji i nalazi se u alkoholnim pićima. U prodaju dolazi kao koncentrirani alk ohol volumnog udjela 95% ili kao čisti, tzv. apsolutni alkohol. Široku primjenu ima kao o tapalo a u mnogo se primjenjuje kao kožni antiseptik u optimalnom sastavu od 70% (Spiritus dilutus). Kao antiseptik upotrebljava se i propanol. Etilen – glikol ili 1, 2 – etandiol, HOCH2CH2OH, slatkasta je gusta tekućina koja se dobro miješa s vodom. Prilično je otrovan a u organizmu se većinom oksidira u oksalnu kiselinu. Slabo je hlapljiv pa se upotrebljava kao dodatak za sniženje ledišta vode (antifriz) u automobilskim i avionskim hladnjacima. Glicerol ili 1, 2, 3 – propantriol, HOCH2CHOHCH2OH, je gusta tekućina slatkastog okusa. Dobro se miješa s vodom. Dobiva se hidrolizom triglicerida, masti i ulja. Blagom oksidacijom glicerola mogu nastati dva karbonilna spoja, gliceraldehid i 1, 3 – dihidroksiaceton, koji predstavljaju najjednostavnije ugljikohidrate – trioze. Gli ceraldehid se lako oksidira na glicerinsku kiselinu. Glicerol je osnovna komponenta mnogih lipida a oksidacijski produkti i esteri gl icerola česti su međuprodukti metabolizma. Inozitol ili heksahidroksicikloheksan je važan aliciklički alkohol. Budući da se hidroksilne skupine mogu nalaziti iznad ili ispod 'ravnine' šesteročlanog prstena, p ostoji osam mogućin stereoizomera inozitola. Fiziološki je važan tzv. mio – inozitol gdje je pet od še st hidroksilnih skupina smješteno u ekvatorijalni položaj. 33
Molekula ima ravninu simetrije pa je prikazani izomer optički neaktivan mezo – oblik . Sastavni je dio fosfolipida – fosfatidil inozitola. 3.3. Fenoli Kod fenola je hidroksilna skupina izravno vezana na ugljikov atom aromatskog prs tena pa je opća formula fenola Ar-OH. Ime su dobili po najjednostavnijem predstavniku: fen olu. Metilni derivati fenola nazivaju se krezoli a dihidroksi- i trihidroksi- fenoli također su poznati pod trivijalnim nazivima. Hidroksi – derivati naftalena su naftoli. fenol pirogalol m - krezol katehol (pirokatehol) 1 – naftol (α – naftol) rezorcinol Hidrokinon 2 – naftol (β – naftol) Fizikalna svojstva. Fenoli su bezbojne tekuće ili čvrste tvari no lako podliježu oksidaciji pa su zbog prisutnosti oksidacijskih produkata obično crveno obojeni. K ao i alkoholi povezuju se vodikovim vezama. Sam fenol kristalna je tvar karakteristična mirisa. Pri 25°C topljivost fenola u vodi iznosi 9g na 100g vode, a topljivost vode u fenolu 2 9g na 100g fenola. Zato se miješanjem fenola s vodom stvaraju dva sloja. Već i male količine vode snizuju talište fenola ispod sobne temperature pa se dobiva fenol u tekućem stanju n azvan karbolna kiselina (fenoli imaju svojstva slabih kiselina). Kemijska svojstva. Fenoli su jače kiseline od alkohola i od vode no slabije su kis elina od karboksilnih kiselina. Konstante disocijacije većine fenola su reda veličine 10-1 0 mol dm-3 (za vodu kod 25°C, K=1, 8·10-16 mol dm-3). Do disocijacije fenola dolazi zbog razlik e u stabilnosti između samog fenola i fenoksid – aniona koji nastaje disocijacijom – stabi lnija je struktura fenoksid – aniona. Naime, fenol i fenoksid – anion rezonantni su hibridi od pet mogućih struktura. 34
Vidljivo je da rezonantne strukture aniona imaju samo negativan naboj a neke od struktura fenola i pozitivan i negativan naboj. Zbog potrebe razdvajanja suprotnih naboja takve strukture sadrže više energije pa im je stabilnost manja. Zbog toga je i stabilizaci ja do koje dolazi zbog rezonancije veća kod fenoksid – aniona nego kod fenola. Fenoli se mogu prevesti u fenokside s metalnim hidroksidima, npr. s NaOH. U reakcijama elektrofilne supstitucije fenoli su vrlo reaktivni. Fenolna skupina , kao skupina koja otpušta elektrone, aktivira aromatski prsten i dirigira nove supstitu ente u orto i para položaj. Objašnjenje za takvo ponašanje daju rezonantne strukture fenola čiji se rezonantni hibrid može prikazati na sljedeći način. Rezonantni hibrid fenola Na prikazanoj strukturi vidljiva je pojava djelomičnog negativnog naboja na orto i para položajima pa su to i mjesta izložena napadu elektrofilnog reagensa. Na primjer , bromiranjem fenola pomoću bromne vode dobiva se kao konačni produkt 2, 4, 6 – tribromfenol koji u otopini ispada kao bijeli talog (dokaz tragova fenola u vodi ). Nitriranje fenola s koncentriranom nitratnom kiselinom nastaje 2, 4, 6 – trinitrof enol (pikrinska kiselina) uz nešto oksidacijskih produkata. To je jaka kiselina a njezi ne soli, pikrati su eksplozivne. Žute je boje a upotrebljava se kao reagens za dokazivanje odnosno taloženje proteina. Fenoli se lako oksidiraju bilo sa zrakom ili s nekim drugim oksidansom. Najlakše s e oksidiraju orto- i para-izomeri dihidroksi – fenola, katehol i hidrokinon, dajući ki none. 35
Navedeni tip oksidacije nije moguć kod meta – izomera jer se meta – kinon ne može niti predstaviti u stabilnom konjungiranom strukturom. Para – benzokinon se redukcijom može u potpunosti prevesti ponovno u hidrokinon, pa navedeni spojevi tvore redoks – susta v. Para – benzokinon je također jedan od oksidacijskih produkata samog fenola, C6H5OH, i nekih para – derivata benzena. Aromatski karakter prstena je kod kinona narušen pa ih se može smatrati za cikličke diketone. Struktura im je kinoidna. Dosta su stabilni a zbog izrazite konjungaci je su obojeni. Oksidacijom nekih derivata naftalena mogu nastati naftokinoni. Mnogi derivati 1, 4 – naftokinona prirodni su spojevi različitih boja u koje možemo ubrojiti i vitamine K. Kinoni antracena su antrakinoni, od kojih je važan samo 9, 10 – antrakinon ili jednostavno antrakinon, od kojeg se odvode antrakinonske boje. 1, 4 - naftokinon Antrakinon Kinonski prsten sadrže mnogi biološki važni spojevi. Neki od njih sudjeluju u metaboličkim procesima na mjestima gdje dolazi do oksidacije i redukcije, pri čemu reverzibilno prelaze iz oksidiranih, kinoidnih oblika u reducirane oblike s odgo varajućom 'benzenskom' strukturom. U stvari, oni djeluju kao reverzibilni redoks – sustavi. Predstavnici Fenol, C6H5OH, je nekoč bio popularno antiseptičko sredstvo. Metilni derivati fenola , krezoli, CH3C6H4OH, aktivniji su i manje otrovni od fenola pa se u obliku sapuns ke otopine (Lysol) upotrebljavaju za dezinfekciju prostorija i predmeta. Sapunska otopina s adrži trikrezol koji je u stvari mješavina triju izomera krezola: orto-, meta- i para-izomera. Rezorcinol ili m-dihidroksibenzen, C6H4(OH)2, služi u dermatologiji kao keratoliti k (omekšava keratinski sloj kože). Hidrokinon ili p-dihidroksibenzen i pirogalol ili 1, 2, 3 – trihidroksibenzen jaki su reducensi pa se upotrebljavaju kao razvijači u fotografiji. Lužnata otopina pirogalo la jako brzo apsorbira kisik iz smjese s drugim plinovima pa se koristi u plinskoj anali zi. Od katehola ili o – dihidroksibenzena odvode se derivati kateholamini, npr. hormon i noradrenalin i adrenalin. To su farmakološki vrlo zanimljivi spojevi. 36
3.4. Eteri Eteri su spojevi opće formule R1 – O – R2. imena jednostavnih etera tvore se obično tako da se imenima skupina povezanih preko kisika doda riječ 'eter'. Ako su skupine slože ne eteri se imenuju kao alkoksi – derivati, tj. kao spojevi kod kojih je jedan vodik zamije njen alkoksilnom skupino, R – O - . Na primjer: dimetil – eter ili metoksimetan etil – vinil – eter ili etoksietilen metil – fenil – eter ili metoksibenzen Simetrični eteri (R1=R2) mogu se dobiti dehidratacijom alkohola uz prisutnost H2SO 4 i uz zagrijavanje. Kao primjer može poslužiti dobianje dietil – etera iz etanola. Stvaranje alkena, etena, koji također nastaje dehidratacijom alkohola, može se izbjeći održavanjem određenih uvjeta reakcije. Uz nešto nižu temperaturu i uz stalan suvišak etano la produkt reakcije bit će eter. Eteri su slabo polarni spojevi čija vrelišta su znatno niža od vrelišta izomernih alkohola. U vodi su slabo topljivi a sami služe kao otapala za mnoge organske tvar i. Na zraku alifatski eteri lako prelaze u nestabilne perokside koji mogu biti uzrok eksploz ije. Pri radu s lakohlapljivim dietil – eterom potreban je oprez i kada ne sadrži perokside jer su p are etera lako zapaljive što opet može izazvati eksploziju. Kemijski su nereaktivni. Otporni su prema lužinama, oksidansima i reducensima, no jake kiseline ih u određenim uvjetima cijepaju. Dietil – eter ili eter (C2H5)2O, je bezbojna hlapljiva tekućina. Čuva se u tamnim puni m bocama da se zaštiti od svjetla i zraka. Pare etera teže su od zraka. Eter je poznat i inhalacijski opći anestetik – sredstvo za narkozu. 3.5. Aldehidi i ketoni Aldehidi i ketoni imaju istu funkcionalnu skupinu . To je karbonilna skupina pa se za navedene spojeve često upotrebljava zajednički naziv karbonilni spojevi. Aldehidi sadrže skupinu – C(=O)H vezanu na atom ugljika a ketoni skupinu vezanu na dva ugljikova 2 atoma. Karbonilni ugljik je, preko sp – hibridnih orbitala, sa susjednim atomima p ovezan trima σ – vezama. Svi atomi leže u ravnini pa kutovi između veza iznose približno 120°. Preostala nehibridizirana p – orbitala ugljika s odgovarajućom orbitalom kisika tvor i π – vezu pa se između ugljika i kisika stvara dvostruka veza. Elektronegativni kisik privlači elektrone veze više od ugljika što ima za posljedicu p olarnost karbonilne skupine. Kisik ima djelomično negativan a ugljik djelomično pozitivan nab oj.
37
Struktura i polarnost karbonilne kupine određuje svojstva aldehida i ketona. Ona s u vrlo slična no aldehidi su uglavnom reaktivniji i lakše se mogu oksidirati nego ketoni. Nomenklatura. Prema sustavi IUPAC imena aldehida tvore se tako da se imenu ugljikovodika čiji lanac ima aldehidnu skupinu doda nastavak –al. Trivijalna imena i zvode se obično iz imena karboksilnih kiselina s istim brojem ugljikovih atoma tako da se o snovi naziva kiseline doda riječ '-aldehid'. Na primjer: metanal (formaldehid) etanal (acetaldehid) fenilmetanal (benzaldehid) Ketoni se imenuju uporabom nastavka –on, ili tako da se nazivma skupina vezanim na karbonilni ugljik doda riječ '-keton'. propanon (dimetil – keton) aceton 2 – pentanon (metil – propil keton) 4 – penten – 2 on Imena ketona tvore se koji puta uz uporabu prefiksa 'okso', na primjer: 3 - oksopentan Fizikalna svojstva. Molekule aldehida i ketona se ne mogu međusobno vezati vodikovim vezama no do stvaranja vodikovih veza može doći između kisika karbonilne skupine i molekule vode. To je i razlog dobre topljivosti nižih aldehida i ketona u vodi. Odlikuju se karakterističnim mirisima. Kemijska svojstva. Za aldehide i ketone karakteristične su reakcije nukleofilne ad icije na karbonilnu skupinu i reakcije do kojih dolazi uslijed povećane kiselosti α – vodika , tj. vodika vezanog na ugljik koji se nalazi neposredno uz karbonilnu skupinu (α – položaj) . Reakcije nukleofilne adicije su mnogobrojne. Ugljik karbonilne skupine, zbog viška pozitivnog naboja, lako prihvaća nukleofilne reagense bogate elektronima, dakle ba ze. Elektronegativni kisik prihvaća elektrofilne čestice, a to su najčešće protoni. Mehanizam se može prikazati na slijedeći način. Slijede najvažnije adicijske reakcije. a) adicija alkohola 38
Adicijom nukleofilne molekule alkohola nastaje poluacetal koji je i eter i alkoh ol. U prisutnosti kiseline, poluacetal se ponaša kao alkohol pa s drugom molekulom alkoh ola tvori eter – acetal. Kod ketona se adicijom alkohola stvaraju poluketali i ketali. Nastajanje acetala odnosno ketala povratne su reakcije pa se navedeni spojevi pomoću razrijeđenih kiselina lako cijepaju na polazne alkohole i karbonilne spojeve. Prema lužinama su, međutim, stabilni. Stva ranje poluacetala i acetala, odnosno poluketala i ketala značajno je u kemiji ugljikohid rata. b) Adicija derivata amonijaka Niz derivata amonijaka u reakciji s karbonilnim spojevima brzo stvaraju adicijsk e produkte koji, u nešto sporijoj reakciji, eliminacijom vode prelaze u konačne produkte s dvos trukom vezom između ugljika i dušika. Produkti su spojevi određenog značaja, bilo kao spojevi k oje susrećemo u živim organizmima, kao lijekovi, ili kao spojevi koji služe za identifikac iju aldehida i ketona. Neke reakcije i njihove produkte prikazat ćemo na primjerima. R eakcije teku uvijek istim mehanizmom pa adicijski intermedijar nije potrebno navoditi. U reakciji s aminima nastaju Schiffove baze. Schiffove baze su važni međuprodukti enzimskih reakcija. Karbonilni spoj koji adira amin može biti neki ugljikohidrat ili neki drugi prirodni aldehid odnosno keton, a kod amina se može raditi npr. o nekoj aminokiselini. U reakciji s hidroksilaminom nastaju oksimi. Neki od oksima koji u svojoj molekuli sadrže kvarterni dušik imaju sposobnost reakti vacije enzima acetilkolin – esteraze inhibiranog organofosfornim spojevima (npr. insektic idi) pa se upotrebljavaju u liječenju kod navedenog trovanja. S hidrazinom dobivaju se hidrazoni, a s fenilhidrazinom fenilhidrazoni. 39
Hidrazoni i fenilhidrazoni su obično dobro definirane kristalne tvari koje služe kod prečišćavanja i za identifikaciju aldehida i ketona. Za identifikaciju šećera važna je reakc ija se fenilhidrazinom čiji su produkti poznati pod nazivom osazoni. Druga vrsta reakcija tipičnih za aldehide i ketone u vezi je s povećanom kiselosti α – vodika. Karbonilna skupina, naime, olakšava kidanje veze ugljik – vodik na atomu ugl jika u susjedstvu karbonilne skupine, jer preuzima dio negativnog naboja i stabilizira negativno nabijeni ion – karbanion – koji nastaje ionizacijom, tj. gubitkom H+ iona. Reakcija se zbiva u prisutnosti baza. Nastali karbanion je rezonantni hibrid dviju prikazanih struktura, kod kojeg je veći dio negativnog naboja na kisiku. Naziva se i enolat – ion jer prim itkom protona može preći u enolni oblik karbonilnog spoja. U stvari, enolat – ion predstavlj a intermedijer kod pregradnje keto – enolnog pipa, tj. keto enolne tautomerije. Navedeni oblici prisutni su kod svih aldehida ili ketona, s tim da je kod monoka rbonilnih spojeva ravnoteža na strani stabilnijeg keto – oblika, dok se kod nekih spojeva s dv ije karbonilne skupine u ravnoteži mogu naći i znatnije količine enolnog oblika. Od brojnih reakcija koje uključuju karbanion odnosno enolat – ion, navest ćemo aldolnu adiciju (aldolna kondenzacija). U navedenoj reakciji, enolat – ion nastao iz jedne molekule karbonilnog spoja veže se kao nukleofilni reagens na karbonilnu skupinu d ruge molekule, one koja nije enolizirana. Reakcija teče u prisutnosti razrijeđene baze. N a primjer: 40
Produkt reakcije je aldol (β – hidroksialdehid) prema kojemu je i reakcija dobila im e. Aldolni produkti lako gube vodu i prelaze u nezasićene spojeve, u gornjem primjeru u 2 – but enal (krotonaldehid), CH3-CH=CH-CHO. Reakcije aldolne adicije u kojima nastaju aldoli kao i reakcije cijepanja aldola važne su u biokemiji a osobito u metabolizmu ugljikohidrata. Na primjer, fruktoza -1, 6 – bifosfat cijepa se na dvije trioze: dihidroksiaceton – fosfat i gliceraldehid – 3 – fosfat. Rea kcija je reverzibilna. U povratnoj reakciji, iz nastalih trioza procesom aldolne adicije ponovno se stvara heksoza. To je jako egrezrgona reakcija pa je ravnoteža sastim na strani fr uktoza – 1, 6 – bifosfata. Pretvorbe katalizira enzim aldolaza. U reakcijama oksidacije aldehidi i ketoni se bitno razlikuju. Aldehidi se lako oksidiraju u karboksilne kiseline dok pri oksidaciji ketona mora doći do kidanja v eze između dva ugljika. Oksidacija aldehida moguća je i s vrlo blagim oksidansima, kao što je npr. Fehlingov a otopina (alkalna otopina kompleksnog bakar (II) – tartarata). Oksidacija ketona moguća je samo uz snažne oksidanse kao što su CrO3 ili KMnO4. Keton se pri tome cijepa na dvije karboksilne kiseline. Ako struktura dozvoljava , do cijepanja može doći na obje strane karbonilne skupine. Redukcijom aldehida i ketona mogu se dobiti primarni odnosno sekundarni alkoholi . Redukcija se može izvesti s vodikom u prisutnosti katalizatora, npr. platine. S jačim reducensima karbonilni spojevi mogu se prevesti u odgovarajuće ugljikovodike . 41
Predstavnici Formaldehid ili metanal, HCHO, je plin oštra mirisa koji se dobro otapa u vodi. U trgovinu dolazi kao vodena otopina masene koncentracije između 0,36 i 0,40 g cm-1 (36 do 40 g na 100 cm3) koja je poznata pod nazivom formalin. Upotrebljava se kao dezinfic ijens i kao konzervans za anatomske preparate (učvršćuje ih, taloži proteine). U trgovinu dolazi i k ao kruti polimer poznat kao paraformaldehid (-CH2OCH2O-)n, koji lako nastaje polime rizacijom formaldehida. Formaldehidi se u velikim količinama upotrebljava u proizvodnji razl ičitih polimera. Acetaldehid ili etanal, CH3CHO, je tekućina karakteristična mirisa. Polimerizira se u trimer paraldehid, (CH3CHO)3, koji je dobar hipnotik (uvodi u san). Aceton ili propanon, CH3COCH3, je lako zapaljiva tekučina neugodna mirisa. Miješa se s vodom i s organskim otapalima a i sam je poznat kao izvanredno otapalo. Kod poremećaja u metabolizmu, npr. kod šećerne bolesti (dijabetes mellitus), može se pojavit i u krvi i u urinu zajedno s acetooctenom kiselinom i 3 – hidroksimaslačnom kiselino, na vedeni spojevi imaju zajednički naziv 'ketonska tijela', premda 3 – hidroksimaslačna kiselina , koje obično ima najviše, nema karbonilnu skupinu, tj. nije okso- već hidroksi – kiselina. Kak o se u biokemiji umjesto naziva kiselina pretežno koriste nazivi odgovarajućih aniona, bez obzira na to u kojoj mjeri je kiselina pri danim uvjetima disocirana, kaže se da ketonska ti jela čine: aceton, acetoacetat i 3 – hidroksibutirat. 3.6. Karboksilne kiseline Funkcionalna skupina karboksilnih kiselina je karboksilna skupina, -COOH. Ona je odgovorna za kisela svojstva tih spojeva, koji u reakciji s bazom lako gube prot on uz stvaranje karboksilat – iona – rezonantna stabilizacija aniona prikazana je već ranije . Disocijacija je, međutim, nepotpuna pa su karboksilne kiseline znatno slabije od j akih anorganskih kiselina, no znatno su jače od npr. fenola. Nomenklatura. Sustavno ime karboksilne kiseline tvori se općenito tako da se imenu najduljeg lanca u molekuli doda riječ 'kiselina', s tim da se ugljikov atom karbok silne skupine numerira brojem 1. U velikoj su uporabi i uobičajena ili trivijalna imena kiselina poznatih još iz davnih vremena, a u vezi su s prirodnim izvorom dotične kiseline ili nekim njen im svojstvom. Kod toga se ugljikovi atomi u lancu često označuju grčkim slovima počevši od prvog ugljika do karboksilne skupine kao α – ugljika. prema sustavu IUPAC u trivijalnim imenima etan – kiselina (octena kiselina) cis – 9 – oktadecen – kiselina (oleinska kiselina) 42
benzojeva kiselina
Fizikalna svojstva. Zbog izrazite polarnosti funkcionalne skupine, karboksilne kiseline mogu stvarati vodikove veze međusobno i s drugim spojevima. Međusobno se povezuju dvjema vodikovim vezama tvoreći dimere koji su prisutni u čvrstom, tekućem a djelomično i u plinovitom stanju. dimer karboksilne kiseline Prisutnost vodikovih veza uzrok je relativno visokih tališta i vrelišta karboksilnih kiselina – ona su viša nego npr. kod odgovarajućih alkohola kod kojih je stvaranje vod ikovih veza manje izraženo. Zbog mogućnosti stvaranja vodikovih veza s molekulama vode, kis eline s manjim brojem ugljikovih atoma su u vodi dobro topljive. Niži članovi homolognog niza alifatskih monokarboksilnih kiselina su tekućine oštra mirisa koji je osobito neugodan kod kiselina s 4 do 6 ugljikovih atoma. Više kisel ine su zbog slabe hlapljivosti praktički bez mirisa. To su čvrste tvari netopljive u vodi. Toplj ive su u obliku kalijskih i natrijskih soli dok su soli zemnoalkalijskih i teških metala u vodi netopljive. Kemijska svojstva. Kako je već spomenuto, jedno od svojstava karboksilnih kiselina je lako otcjepljenje i zamjena protona hidroksilne skupine. Ako pak dođe do zamjen e hidroksilne skupine s nekim drugim skupinama, npr. atomom halogena, amino- ili a lkoksi – skupinom, nastaju derivati kiselina. Sve te reakcije omogućuje prisutnost karboksi lne skupine. Tu su još i reakcije supstitucije u ugljikovodičnom ostatku kiseline čiji produkti su supstituirane kiseline, te reakcije dekarboksilacije supstituiranih kiselina i o ksidacije masnih kiselina. 1. Nastajanje soli U reakciji s bazama dolazi do neutralizacije i stvaranja soli. 2. Dobivanje derivata kiseline Zamjenom hidroksilne skupine kiseline s halogenom nastaju kiselinski halogenidi. Zamjena se ne može provesti u reakciji s nekim halogenvodikom pa se u tu svrhu koriste nek i drugi reagensi kao npr. fosfor (V) – klorid, PCl5. Radi se o tipičnoj nukleofilnoj supstituciji kod koje dolazi do zamjene skupine –OH drugom baznom skupinom. Zamjenu olakšava prisutnost karbonilne skupine. Produkt reakcije je acilni spoj, acil – halogenid, zato jer sadrži acilnu skupinu: 43
Kiselinski halogenidi su vrlo reaktivni spojevi preko kojih se, također nukleofiln om supstitucijom, mogu dobiti drugi derivati kiselina – drugi acilni spojevi. U reakc iji s amonijakom nastaju amidi, a s alkoholom esteri. 3. Halogeniranje alifatskih kiselina Djelovanjem halogena uz prisutnost male količine fosfora dolazi do α – halogeniranja – zamjene α – vodika u kiselinama halogenom. Dobivena halogenkiselina je supstituirana kiselina. Halogen lako podliježe nukleof ilnoj supstituciji pa se druge važne supstituirane kiseline često priređuju preko halogenkis elina. Tako djelovanjem amonijaka nastaju aminokiseline a s lužinama hidroksi – kiseline. 4. Dekarboksilacija Radi se o eliminaciji karboksilne skupine, reakciji koja je važna samo kod nekih supstituiranih kiselina. Na primjer, iz 3 – okso – kiselina dekarboksilacijom nastaj u ketoni, a iz aminokiselina amini. 5. β – oksidacija masnih kiselina Biološka razgradnja masnih kiselina teče u nizu od četiri reakcijska stupnja koji se z bivaju na β – C – atomu. U prvom stupnju dolazi do dehidrogeniranja (oksidacije), iza čega slijedi 44
hidratacija (adicija vode), ponovno dehidrogeniranje i na kraju cijepanje na C2 – jedinicu i skraćenu masnu kiselinu. Reakcija se zbiva s 'aktiviranom' masnom kiselinom – energi jom bogatim tioesterom koji je spoj masne kiseline i koenzima A. Kao C2 – jedinica pojavljuje se u stvari acetil – CoA (CoA znači koenzim A). Iz prikaz a je vidljivo da β – oksidacija znači skraćivanje lanca masnih kiselina za po 2 C atoma sve d o potpune razgradnje na acetil – CoA. Predstavnici Monokarboksilne kiseline. U tablici su navedena imena nekih alifatskih monokarboksilnih kiselina i njihovih soli. Formula HCOOH CH3COOH CH3CH2COOH CH3(CH2)2COOH CH3(CH2)14COOH CH3(CH2)16COOH CH(CH2)7COOH CH(CH2)7CH3 Sustavno ime Trivijalno ime Ime soli metan – kiselina etan – kiselina propan – kiselina butan – kiselina heksadekan – kiselina oktadekan – kiselina mravlja octena propionska maslačna palmitinska stearinska Formijati Acetati Propionati Butirati Palmitati Stearati cis – 9 - oktadecen kiselina oleinska ili uljna Oleati 45
Od navedenih kiselina najjača je mravlja kiselina. Slijedeća u nizu, octena kiselina oko deset je puta slabija od mravlje. To je jedna od najvažnijih karboksilnih kiselina koja se pojavljuje u mnogim prirodnim procesima. Ostale kiseline također nalazimo u prirod i, najčešće kao sastavne komponente masti i kompleksno građenih lipida. Najviše su zastupljen e kiseline sa 16 i 18 ugljikovih atoma, tj. palmitinska i stearinska kao zasićene, t e oleinska, linolna i linolenska kao nezasićene kiseline. To su dugolančane masne kiseline kod k ojih se dugi lanac sastavljen iz CH2 – skupina može prikazati izlomljenom linijom kod koje s vaki vrh označuje atom ugljika. Atomi vodika se u takvom prikazu ne pišu, no ostali elementi ili funkcionalne skupine se moraju označiti. Na primjer, palmitinska kis Ovakav prikaz u stvari pokazuje najstabilniji raspored lanca u prostoru. Nezasićene kiseline oleinska, linolna i linolenska sadrže jednu, dvije odnosno tri dvostruke veze u molekuli. Imaju 18 ugljikovih atoma i gotovo bez izuzetka se po javljuju u cis – konfiguraciji. Kiselina s jednom dvostrukom vezom ima npr. dva izomerna obli ka. cis – izomer oleinska kiselina trans – izomer elaidinska kiselina Oleinska kiselina je kod sobne temperature tekućina dok je elaidinska kiselina čvrst a tvar (trans – izomer obično ima više talište). Izgled lanca oleinske kiseline u prostoru bio bi prema tome slijedeći: oleinska kis Kod linolne i linolenske kiseline dvostruke veze su izolirane, tj. odvojene jedn om CH2 – skupinom. Njihove formule su: linolna kiselina linolenska kiselina Lanci nezasićenih kiselina, zbog cis – konfiguracije dvostrukih veza, imaju na dvostrukoj vezi zavoj pa ne mogu u prostoru dobro prileći uz druge masne kiseline, npr. u mastima. Nezasićene kiseline zbog toga snizuju talište masti. U uljima ih nalazimo u većim količinama od zasićenih kiselina a osobito mnogo ih ima u tzv. sušivim uljima koja zbo g toga lako podliježu autooksidaciji i polimerizaciji. Takva ulja, poput npr. lanenog ulj a, sadrže uglavnom linolnu i linolensku kiselinu. Dikarboksilne kiseline. U prvom stupnju disocijacije dikarboksilne kiseline jače s u od monokarboksilnih kiselina s istim brojem ugljikovih atoma. U tablici su naved ena imena nekih alifatskih dikarboksilnih kiselina i njihovih soli. 46
Formula HOOC - COOH HOOCCH2COOH HOOC(CH2)2COOH HOOC(CH2)3COOH HOOCCH = CHCOOH Sustavno ime Trivijalno ime Ime soli etan dikiselina propan – dikiselina butan – dikiselina pentan – dikiselina trans – buten – dikiselina cis – buten - dikiselina oksalna malonska jantarna glutarna oksalati malonati sukcinati glutarati maleinska maleinati Nezasićena fumarna kiselina metabolit je nekih biokemijskih reakcija. Može nastati dehidrogeniranjem jantarne kiseline. 3.7. Supstituirane karboksilne kiseline 3.7.1 Halogenkiseline Supstituenti u ugljikovodičnom ostatku kiseline utječu na njenu kiselost. Ako su to supstituenti koji privlače elektrone i na taj način raspršuju negativni naboj aniona, stabilnost aniona će se povećati pa će se povećati i kiselost. Izrazito elektronegativni atomi halo gena znatno povećavaju kiselost: kloroctena kiselina je 100 puta jača a trikloroctena kis elina čak preko 10 000 puta jača od octene kiseline. Utjecaj supstituenata na α – C – atomu je općen ito najveći, a naglo pada s većom udaljenošću od karboksilne skupine. Važan predstavnik ovih kiselina je trikloroctena kiselina, CCl3COOH. To je kristal na tvar lako topljiva u vodi. Upotrebljava se za taloženje proteina. 3.7.2 Hidroksi – kiseline Hidroksilna skupina također je elektronegativnija od vodika, privlači elektrone i
povećava kiselost supstituirane kiselina u odnosu na kiselinu iz koje je izvedena. Hidroksi – kiseline su i alkoholi i kiseline pa, kad postoji mogućnost, stavaju cikličke estere koji se nazivaju laktoni. Laktoni mogu nastati intramolekulskim gubitkom vode kod γ- ili δhidroksi – kiselina, jer tad postoji mogućnost stvaranja stabilnog peteročlanog ili šesteročlanog prstena. Na primjer: Hidrolizom laktona nastaju hidroksi – kiseline. 47
Do stvaranja laktona može doći i oksidacijom šećera. Iz glukoze se dobiva glukonlakton koji se lako hidrolizira u glukonsku kiselinu. U laktone spada i as korbinska kiselina (vitamin C). Mnoge hidroksi – kiseline važni su prirodni spojevi. Ima ih u voću a neke od njih su međuprodukti odnosno produkti metaboličkih procesa u organizmu. Tu su i neki lijekov i izvedeni od aromatske hidroksi – kiseline, salicilne kiseline. Najjednostavnija je glikolna kiselina ili hidroksietan – kiselina, HOCH2COOH. Slijedeća, mliječna kiselina (soli: laktati) ili 2 – hidroksi – propan – kiselina, kiralni je spoj. Ime je dobila po tome što se nalazi u kiselom mlijeku. Nastaje mliječno – kiselim vren jem ugljikohidrata pomoću bakterija. U kiselom mlijeku vrenjem se stvara racemična smjes a dok neke druge bakterije proizvode D – (-) – izomer. Kiselina odnosno laktat koji nastaj e u mišiću je L – (+) – izomer, dakle, desnoskretni izomer. Laktat nastaje redukcijom piruvata (anion pirogrožđane kiseline), a njegov ulazak u daljnje metaboličke putove, u srčanom mišiću ili u jetri, uključuje ponovnu oksidaciju u piruvat. Pretvorbe omogućuje laktat dehidrogen aza. Glicerinska kiselina ili 2, 3 – dihidroksipropan kiselina nastaje kao međuprodukt u procesima izgradnje i metabolizma ugljikohidrata: Od dikarboksilnih hidroksi kiselina važne su jabučna kiselina ili hidroksibutan – dikiselina i vinska kiselina ili 2, 3 – dihidroksibutan – dikiselina. jabucna kiselina (soli: malati) vinska kiselina (soli: tartarati) U metaboličkim procesima malati mogu nastati redukcijom oksalacetata. Moguća je i suprotna reakcija oksidacije malata u oksalacetat: Malati nastaju također adicijom vode na fumarate: 48
Jabučna i vinska kiselina nalaze su u sokovima različitog voća. Vinska kiselina se čak ubraja među najraširenije kiseline u biljnom svijetu. Važne monohidroksitrikarboksilne kiseline su limunska kiselina i njezin izomer izolimunska kiselina. izolimunska kiselina (soli: izocitrati) limunska kiselina (soli: citrati) U ciklusu limunske kiseline citrati nastaju iz acetil – CoA i oksalacetata proceso m aldolne adicije uz enzim citrat – sintazu. Znak ~ označuje 'energijom bogatu vezu' čijom se hidrolizom oslobađa znatna energija. Poznata aromatska hidroksi – kiselina (fenolna kiselina) je salicilna kiselina (soli: salicilati) ili o – hidroksibenzojeva kiselina. To je bijela kristalna tvar slabo topljiva u vodi a dobro u alkoholu. U obliku alkoholne otopine upotrebljava se kao antiseptik i kao keratolitik. Natrij – salicilat i acetilsalicilna kiselina (Acisal, Aspirin) salicilna kiselina ubrajaju se u blage analgetike, lijekove koi smanjuju osjet boli, a imaju i antipiretsko djelovanje, tj. snizuju povišenu temperaturu tijela. Djeluju i anti reumatski. Acetilsalicilna kiselina je ester kod kojeg je octena kiselina esterski vezana z a hidroksilnu skupinu salicilne kiseline. Kao važan antituberkulotik, lijek protiv tuberkuloze, poznata je 2 – hidroksi – 4 – aminobenzojeva kiselina, koja se obično promatra kao supstituirana sali cilna kiselina i naziva se p – aminosalicilna kiselina ili skaraćeno PAS: acetilsalicilna kiselina PAS Galna kiselina (soli: galati) je 3, 4, 5 – trihidroksibenzojeva kiselina. Nalazi se u listićima čaja i mnogim drugim biljkama. U taninu se nalazi esterski vezana za glukozu. Tanini su vrlo rašireni u kori, drvetu, lišću i plodovima nekih biljaka. Ranije su se upotrebljavali kao adstringensi – talože proteine na površini sluznice što izaziva stzanje tkiva pa djeluju protuupalno. 49 galna kiselina
3.7.3 Okso – kiseline Okso kiseline važni su sudionici metaboličkih procesa. Poznate su pod trivijalnim nazivima. Aldehidnu skupinu ima glioksilna kiselina, OHC – COOH. Soli se zovi glioksilati. Nastaje u glioksilatnom ciklusu kojim se vrši sinteza ugljikohidrata iz masti, a m oguć je kod mikroorganizama i biljaka. Pirogrožđana kiselina odnosno piruvat najvažniji je metabolit u metabolizmu ugljikohidrata. Javlja se u dva izomerna oblika koji su u ravnoteži. Sa fosfatnom kiselinom fosforilira se enolni oblik u fosfoenol – piruvat, poznati 'energijom bogati spoj'. Njegovom hidrolizom oslobađa se velika Gibbsova energija (61,9 kJ mol-1) što znači da je reakcija jako egzergona. U stanici se, međutim, fosfat obično ne prenosi na vo du već na neki drugi akceptor fosfata pa se umjesto o energiji hidrolize govori o 'potenci jalu prijenosa grupa'. Veza grupe u energijom bogatom spoju umjesto crticom označuje se znakom ~ , a fosfatnu grupu u takvom spoju obično simbolizira veliko slovo P. Acetoctena kiselina odnosno acetoacetat nastaje u metabolizmu masti. Pripada ketonskim tijelima koja se u patološkim stanjima javljaju u većoj količini u krvi i ur inu. Kod acetoctene kiseline također susrećemo pojavu tautomerije. Redukcijom acetoacetata (3 – oksobutirata) nastaje 3 – hidroksibutirat, CH3CH(OH)CH2COOH, a dekarboksilacijom nastaje aceton – svi zajedno čine ketonska tijela. Acetoctena kiselina spada inače u 3 – okso – kiseline koje lako podliježu dekarboksilaciji koja ih prevodi u ketone. O oksaloctenoj kiselini odnosno oksalacetatu već je bilo govora. U ciklusu limunske kiseline, zajedno s acetil – CoA, oksalacetat je polazna tvar u sintezi citrata. To je okso – dikarboksilna kiselina slijedeće strukture: 50
3.7.4 Aminokiseline Dok nukleinske kiseline nose genetičku informaciju stanice, primarna odgovornost proteina jest izvršavati zadatke određene tom informacijom. Proteini su najraznoliki ji od svih makromolekula, a svaka stanica sadrži nekoliko tisuća različitih proteina, koji izvršava ju široki raspon funkcija. Proteini služe kao strukturne komponente stanica i tkiva, dj eluju u prijenosu i skladištenju malih molekula (hemogolobin i mioglobin), prenose informa cije među stanicama (proteinski hormoni) i omogućuju obranu protiv infekcije (antitijela) . Jako je važno svojstvo proteina da mogu djelovati kao enzimi koji kataliziraju gotovo sve kemijske reakcije u biološkom sistemu. Proteini su polimeri aminokiselina. Od velikog broja aminokiselina koje se pojav ljuju u prirodi biološki su važne uglavnom samo one kiseline koje sadrže amino skupinu na C – 2 – atomu ili α – C – atomu. U proteinima se redovito nalazi svega dvadeset različitih aminokiselina. Svaka amino kiselina sastoji se od ugljikova atoma (α – C – atoma) veza nog na karboksilnu grupu (COO-), amino grupu (NH3+), atom vodika i različiti pobočni lan ac. Specifična kemijska svojstva različitih pobočnih lanaca aminokiselina određuju ulogu sva ke aminokiseline u proteinskoj strukturi i funkciji. Dakle, sve su aminokiseline α – aminokiseline, osim prolina koji spada u α – iminokiseline. Sve su optički aktivne osim najjednostavnije aminokiseline glicina. Po konfiguraci ji pripadaju L – seriji, a mogu biti desno – ili lijevo – skretne. U tablici su prikazane strukture 20 najvažnijih aminokiselina s njihovim uobičajenim kraticama i pojedinim svojstvima . Aminokiseline se mogu svrstati u četiri grupe prema svojstvima njihovih pobočnih lan aca. 1. Nepolarne aminokiseline. Deset aminokiselina ima nepolarne pobočne lance koji n emaju interakcije s vodom (hidrofobni su). Glicin je najjednostavnija aminokiselina ko joj se pobočni lanac sastoji od samo jednog vodikova atoma. Alanin, valin, leucin i izoleucin i maju ugljikovodične pobočne lance koji se sastoje od najviše četiri ugljikova atoma. Pošto su pobočni lanci hidrofobni, smještaju se u unutrašnjost proteina gdje nisu u kontaktu s vodom. Slično, prolin ima ugljikovodični lanac, ali jedinstven je po tome što mu je pobočni lan ac vezan na dušik amino grupe kao i na α – C – atom, formirajući tako cikličku strukturu. Pobočni lanci dvije aminokiseline, cisteina i metionina, sadrže sumpor. Metionin je prilično hidrofoban, ali cistein je manje hidrofoban zbog sulfhidridne grupe (SH). Sulfid ridna grupa igra vrlo važnu ulogu u strukturi proteina jer se disulfidne veze mogu stvarati među pobočnim lancima različitih cisteina. Napokon, dvije nepolarne kiseline, fenilalanin i trip tofan, imaju
pobočne lance koji sadrže vrlo hidrofobne aromatske prstenove. Glicin Gly (G) 2 – aminooctena aminokiselina i atom. Glicinski što je važno za npr. kolagena. 51
kiselina, najjednostavnija jedina koja nema asimetrični C ostatak ima vrlo malen volumen, izgradnju određenih struktura,
Alanin Ala (A) valine Val (V) leucine Leu (L) izoleucine Ile (I) prolin Cistein metionine Alanin se može shvatiti kao ishodni spoj za sve druge aminokiseline jer zamjenom jednog ili obaju vodika u metilnoj grupi nekim drugim ostatkom nastaju strukturne formule ostalih aminokiselina. Valin (2 – aminoizovalerijanska kiselina) , leucin (2 – amino – 4 – metil – valerijanska kiselina) i izoleucin (2 – amino – 3- metil valerijanska kiselina) imaju razgranat ugljikov skelet. Kemijski su razmjerno slični, pogotovo leucin i izoleucin. Pro (P) Prolin je ciklički građen. Dušikov atom u α položju uključen je u prsten, pa stoga nije primaran, već sekundaran amin. Prolin, povezan u peptidu, može se hidroksilacijom modificirati u hidroksiprolin što je bitno npr. u sintezi kolagena. Cys (C) Cistein sadrži sumpor, sulfhidridna skupina prilično je reaktivna. Važno je da se cistein i unutar peptida može lagano dehidrogenirati, a pri tome nastaje disulfid. To povezivanje preko S-S veze nalazi se u mnogih proteina. Met (M)
Metionin jest esencijalna aminokiselina, S – metil derivat homocisteina. Metilna grupa može se u metabolizmu prenijeti na druge molekule, te je metionin time glavni donor –CH3 grupa. 52
fenilalanine triptofane Phe (F) Fenilalanin sadrži jedan aromatski prsten, pa se stoga ne može sintetizirati u životinjskom organizmu. Trp Triptofan je heterocikločka α – aminokiselina (W) koja posjeduje indolski prsten. 2. Polarne aminokiseline. Pet aminokiselina ima nenabijene ali polarne pobočne lan ce. To su serin, treonin i tirozin, koji imaju hidroksilnu grupu u pobočnim lancima, te aspa ragin i glutamin koji imaju polarne amidne grupe (O=C-NH2). Zbog polarnih svojstava, ove aminokiseline mogu formirati vodikove veze s vodo, hidrofilne su, te imaju tende nciju da budu smještene na površini proteina. Ser (S) Serin sadrži jednu alkoholnu hidroksilnu skupinu koja može ući u uobičajene reakcije, npr. stvaranje estera. Ester s fosfatnom kiselinom fiziološki je važan sastavni dio nekih proteina i fosfatida. Hidroksilna skupina ima posebnu funkciju u nekim enzimima. treonin Thr (T) Treonin je idući viši homolog serina. Ime upućuje na srodstvo sa šećerom treozom. Posjeduje dva asimetrična C atoma pa može postojati u četiri stereoizomerna oblika. tirozin Tyr (Y) Tirozin posjeduje fenolnu grupu koja ima slabo kisela svojstva te iznad pH 9 disocira proton. Serin e 53
asparagin Asn (N) Asparagin i glutamin su amidi 'kiselih aminokiselina'. Pri hidrolizi proteina s kiselinom ili lužinom otcjepljuju se amidne grupe i pri tom nastaje amonijak i asparaginska, odnosno glutaminska kiselina. glutamin Gln (Q) 3. Bazične aminokiseline (diamino – monokarboksilne kiseline). Aminokiseline lizin, arginin i histidin imaju pobočne lance s nabijenim bazičnim grupama. Lizin i arginin su vrlo bazične aminokiseline i njihovi pobočni lanci su pozitivno nabijeni u stanici. Dakle , vrlo su hidrofilne i nalaze se u kontaktu s vodom na površini proteina. Histidin može biti n eutralan ili pozitivno nabijen na piziološkom pH pa često igra aktivnu ulogu u enzimskim reakcija ma koje uključuju izmjenu vodikovih iona. lizine Lys (K) arginin Arg (R) histidin His (H) Lizin, arginin i histidin imaju po 6 C atoma. Bazne grupe u pobočnim lancima tih aminokiselina odgovorne su za pozitivne naboje na proteinima. Arginin ima najjača bazična svojstva a zatim slijedi lizin. U mnogim aktivnim centrima enzima nalazi se reaktivna NH2 skupina lizina. Histidin sadrži slabo bazični imidazolski prsten. Kako pH vrijednost imidazola leži blizu neutralne vrijednosti, histidin može kod enzimske katalize djelovati kao donor ili akceptor protona. Zbog toga se u mnogim aktivnim centrima enzima nalaze histidinski ostaci. 54
4. Kisele (monoamino – dikarboksilne) aminokiseline. Dvije aminokiseline, asparagi nska i glutaminska kiselina imaju kisele pobočne lance koji završavaju karboksilnim grupama . Ove aminokiseline su negativno nabijene unutar stanice i stoga često imenuju kao aspar at i glutamat. Kao bazične aminokiseline, vrlo su hidrofilne i obično locirane na površini proteina. Asparaginska Asp kiselina (D) Na pobočnom lancu imaju još jednu kiselu skupinu kojoj se proton lagano odcjepljuje disocijacijom. Zbog toga nastaju dodatni negativni naboji (važno za elektrokemijska svojstva proteina). Glutaminska kiselina Glu (E) Neke aminokiseline koje dolaze u proteinima životinjski organizam može sam sintetizirati – aminiranjem odgovarajućih 2 – okso – kiselina ili pregradnjom iz drugih aminokiselina. Kiseline koje organizam ne može izgraditi sintetiziraju biljke a u organizam se unose hranom. To su nezamjenjive ili esencijalne aminokiseline. Označene su supers kriptom e. Svojstva aminokiselina. Premda sadrže amino- i karboksilnu skupinu, aminokiseline se po nekim svojstvima razlikuju od amina i karboksilnih kiselina pa i od većine o rganskih spojeva. To su nehlapljive kristalne tvari koje se tale na relativno visokim tem peraturama od oko 300°C. Netopljive su u nepolarnim otapalima a dosta su dobro topljive u vodi. Po fizičkim svojstvima su dakle slične ionskim spojevima. Objašnjenje za to je dipolarna ionska struktura aminokiselina, koja nastaje prelaskom protona kisele karboksilne skupine na baznu amino – skupinu iste molekule. Aminokiselina otopljena u vodi može djelovati kao donor ili kao akceptor protona, tj. može neutralizirati i baze i kiseline. Tako se tumače puferska svojstva aminokiselina i proteina kao visokopolimernih spo jeva izgrađenih iz aminokiselina. Oblik aminokiseline u otopini ovisi o pH, što se može prikazati na nekim primjerima. Monoamino – monokarboksilna kiselina, npr. glicin, u otopini može biti prisutna kao kation, dipolarni ion ili anion. 55
Vrijednost pH kod kojeg u otopini prevladava dipolarni ion (izoelektrična točka) je aritmetička sredina prijednosti pK karboksilne i amino – skupine. U jako kiseloj otopini aminokiselina je prisutna kao kation, kod pH izoelektrične točke prevladava dipolarni ion, a u jako lužnatoj otopini aminokiselina postaje anion. Kod monoamino – dikarboksilne kiseline, npr. asparaginske kiseline, u otopini su moguća četiri oblika. pH vrijednost izoelektrične točke je sredina između pK1 i pK2 i iznosi 2,8. Četiri oblika moguća su i kod diamino – monokarboksilne kiseline, npr. lizina. pH vrijednost izoelektrične točke je sredina između pK2 i pK3 i iznosi 9,7. Vrijednosti pK za α – COOH (pK1 karboksilnih skupina) kreću se u uskom području od 1,7 do 2,6 – u prosjeku 2,2, dok se za α – NH3+ pK vrijednosti kreću od 8,9 do 10,6 – u prosjeku 9,5. Tu su još i funkcionalne skupine pobočnih lanaca aminokiselina. Na pri mjer, pK za –SH skupinu cisteina iznosi 8,3 a za imidazolski prsten histidina 6,0. kako je pK vrijednost imidazola blizu pH neutralnog medija, histidin može djelovati kao donor odnosno ak ceptor protona kod enzimskih kataliza koje se zbivaju u neutralnom području. Histidinski ostaci nalaze se zbog toga u aktivnim centrima mnogih enzima. 56
Aminokiseline reagiraju dakle kao kiseline i kao baze. Osim toga, one pokazuju reakcije tipične za karboksilne kiselina i za primarne amine. Navest ćemo najvažnije. a) Dekarboksilacija Produkti dekarboksilacije su primarni amini, tzv. 'biogeni amini'. Mnogi od njih su farmakološki zanimljivi, neki ulaze u sastav koenzima a neki su važni kao prekursori hormona ili kao hormoni. Struktura amina nastalog dekarboksilacijom lako se može i zvesti iz formule aminokiseline. serin etanolamin (kolamin) histidin histamin triptofan triptamin 5 - hidroksitriptofan serotonin Dekarboksilacijom diamino – monokarboksilnih kiselina nastaju diamini. 1,4 – butandiamin ili putrescin i 1,5 – pentandiamin ili kadaverin nastaju pri razgradnj i proteina dekarboksilacijom aminokiselina ornitina odnosno lizina. Neugodnog su mirista a nalazimo ih npr. u pokvarenom mesu. 57
1,4 – butandiamin (putrescin) 1,5 – pentandiamin (kadaverin) b) Alkiliranje Amino skupina aminokiselina može se alkilirati. U lužnatoj otopini nukleofilna amino – skupina reagira s alkilhalogenidom pri čemu dolazi do supstitucije vodika vezanih na dušiku s alkilnim skupinama. Metiliranjem glicina dobiva se N-metilglicin ili sarkozin. Konačni produkt metiliranja je kvaterni amonijev spoj, betain. Dipolarne je strukture, pa se naziv 'betain' upotrebljava i za druge spojeve u d ipolarnom obliku. Za takve spojeve se također kaže da imaju betainsku strukturu. Sarkozin se nalazi u nekim peptidima dok je sam betain biogeni produkt oksidacij e aminoalkohola kolina, (CH3)3N – CH2 – CH2OH. c) Transaminacija Reakcije transaminacije su važne reakcije u metabolizmu proteina odnosno aminokise lina. Kod transaminacije dolazi do prijenosa amino – skupine s aminokiseline na 2 – okso – kiselinu, 2 – oksoglutarnu ili oksaloctenu. Pri tome se aminokiselina pretvara u o kso – kiselinu a iz okso – kiseline nastaje aminokiselina, glutaminska ili asparaginska kiselina. To je put razgradnje mnogih aminokiselina. Moguća je i povratna reakcija kojom org anizam može iz 2 – okso – kiselina i glutaminske kiseline izgraditi neke druge aminokiseline. d) Dezaminacija Kod dezaminacije aminokiselina oslobađa se amonijak. Ako je to oksidativna dezaminacija, u prvom stupnju reakcije odcjepljuju se dva vodika pa nastaje imin o – kiselina, a u drugom stupnju iminokiselina se hidrolizira na 2 – okso – kiselinu i amonijak. 58
e) Stvaranje peptidne veze Aminokiseline mogu međusobno reagirati tako da karboksilna skupina jedne molekule reagira s amino – skupinom druge molekule uz izdvajanje molekule vode. Kemijska ve za koja pri tome nastaje naziva se peptidna ili amidna veza. 3.8. Derivati karboksilnih kiselina Zamjenom hidroksilne skupine kiseline nekim atomom ili drugom skupinom nastaju derivati kiselina. Mogu se prirediti, posredno ili neposredno, iz odgovarajuće kar boksilne kiseline a njihovom hidrolizom dobiva se opet slobodna kiselina. U derivate kise lina spadaju kiselinski halogenidi, anhidridi, esteri i amidi. kiselinski halogenid anhidrid ester Amid Svima je zajednička acilna skupina, R – CO – . Karbonilna skupina pak daje derivatima kiselina polarni karakter i time određuje njihovu reaktivnost. Djelomično pozitivan ugljik karbonilne skupine pogodno je mjesto za napad nukleofilnog reagensa pa na jveći broj reakcija derivata karboksilnih kiselina čine reakcije nukleofilne supstitucije koj e teku prema slijedećoj shemi: U prvom stupnju reakcija je ista kao i kod aldehida i ketona, a dovodi do stvara nja tetraedarskog međuprodukta. U drugom stupnju, međutim, tetraedarski međuprodukt otpušta skupinu i prelazi u trigonalan produkt. Lakoća otpuštanja skupine ovisi o njenoj baz ičnosti odnosno nukleofilnosti. Slabija baza ili slabiji nukleofil bolja je odlazeća skupi na. Haloginid je vrlo slaba baza a amid jaka pa reaktivnost derivata kiselina pada u nizu: kis elinski klorid > anhidrid > ester > amid. Kiselinski kloridi i anhidridi se stoga upotrebljavaju u organskoj preparativnoj kemiji. U biokemiji pak reaktivne derivate kiselina predstavljaju anhidridi fosfatne kiseline i tioesteri, npr. acil – CoA gdje je acilna skupina vezana na sumpor tiolne skupine koenzima A. 59
3.8.1. Kiselinski halogenidi Kiselinski halogenidi, kao najreaktivniji derivati kiselina, lako reagiraju i sa slabim nukleofilima kao što su voda i alkohol pa se upotrebljavaju za pripravu derivata k oji se teško mogu dobiti iz samih kiselina. Hidrolizom daju kiseline, s alkoholom estere a s amonijakom amide. 3.8.2. Anhidridi kiselina Anhidridi kiselina reagiraju s istim nukleofilima kao i kiselinski kloridi no re aktivnost im je manja, tj. reagiraju sporije. Jedan od najpoznatijih je anhidrid octene ki seline ili acetanhidrid: anhidrid octene kiseline Upotrebljava se za pripravu spojeva koji sadrže acetilnu skupinu, npr. estera. Prednost postupka priprave s anhidridom je u tome da se pri reakciji stvara slab a karboksilna kiselina, a ne kemijski agresivan klorovodik kao kod rada s kiselinskim kloridim a. Anhidridi nekih dikarboksilnih kiselina mogu se dobiti jednostavnim zagrijavanje m. To je moguće u slučaja kad se pri stvaranju anhidrida zatvara peteročlani ili šesteročlani prsten. Primjer za to je stvaranje anhidrida ftalne kiseline ili ftalanhidrida. Mješoviti anhidridi su anhidridi različitih kiselina, na primjer: 60
Neki od anhidrida kiselina značajni su za biološke sustave. Hidrolizom anhidrida oslobađa se naime znatna Gibbsova energija pa spojeve s anhidridnom vezom ubrajamo u energijom bogate spojeve. To mogu biti anhidridi karboksilnih kao i nekih anorga nskih kiselina. Uzmimo za primjer hidrolizu anhidrida octene kiseline, (CH3CO)2O + H2O → 2 CH3COOH ; ∆rGΘ = -48,9 kJ mol-1 i anhidrida fosfatne kiseline, tzv. difosfatne (pirofosfatne) kiseline, H4P2O7 + H2O → 2 H3PO4 ; ∆rGΘ = -33 kJ mol-1 što se često prikazuje na slijedeći jednostavan način: P – O – P + H2O 2 P ; ∆rGΘ = -33 kJ mol-1 → Od spojeva koji sadrže anhidridnu vezu osobito je važan adenozintrifosfat, ATP, sa dvije anhidridne veze između fosfatnih skupina i visokim potencijalom prijenosa gr upa. U fosfoadenozin – fosfosulfatu su pak anhidridnom vezom povezani ostaci fosfatne i s ulfatne kiseline. Sulfatni ostatak se odavde lako prenosi na druge spojeve. 3.8.3. Esteri Kod estera je hidroksilna skupina kiseline zamijenjena alkoksilnom skupinom, RO. Mogu se prirediti izravnom esterifikacijom kiselina s alkoholom uz zagrijavanje u prisutnosti male količine jake kiseline, najčešće sulfatne kiseline. Npr.: Kiselina katalizira reakciju esterifikacije kao i povratnu reakciju hidrolize es tera, zbog toga što izaziva protoniranje karbonilnog kisika pa karbonilni ugljik lakše podliježe napadu nukleofilnog reagensa – alkohola u reakciji esterifikacije ili vode u reakciji hid rolize. Produkt nukleofilnog napada je tetraedarski međuprodukt reakcije, odnosno više njih. Iz međuprodukta se, ako je riječ o procesu esterifikacije, odcjepljuje molekula vode ko ja u sebi sadrži kisik iz molekule kiseline. Na kraju se gubi proton i stvara ester. Za taka v mehanizam postoje brojni dokazi pa se izdvajanje vode pri esterfikaciji i cijepanje estera pri hidrolizi može shematski prikazati na slijedeći način. Reakcija esterifikacije teče sporo jer su alkohol i voda nukleofili približno iste j akosti. Osim toga, u dobivenoj ravnotežnoj smjesi, uz stvoreni ester, prisutni su u znatno j količini i polazni spojevi. Zbog navedenih poteškoća, za sintezu estera obično se upotrebljavaju kiselinski kloridi ili anhidridi. Alkohol će, npr. brzo istisnuti elektronegativni
ji klor iz halogenida i reakcija će teći praktički do kraja – ravnoteža je sasvim na strani produkata reakcije. 61
Esteri karboksilnih kiselina relativno su slabo topljivi u vodi – topljivi su samo esteri s malim brojem ugljikovih atoma. Hlapljivi esteri imaju ugodne mirise (voćni mirisi) pa se upotrebljavaju za pripravu mirisnih sredstava. Ugodan miris vina potječe također od estera nastalih u procesu starenja. Esteri se često upotrebljavaju i kao otapala ili kao omekšivači za smole i plastične mase. Mnogi prirodni spojevi su esteri karboksilnih no i nekih anorganskih kiselina. M asti i voskovi esteri su viših masnih kiselina. Fosfatnu kiselinu nalazimo esterski vezan u u fosfolipidima i nukleinskim kiselinama a sulfatnu kiselinu u nekim kompleksno gr ađenim polisaharidima. Stvaranje nekih estera s anorganskim kiselinama prikazuju slijed eći primjeri. Ester glicerola s nitratnom kiselinom, glicerol – trinitrat spada u grupu vazodila tatora, tvari koje šire krvne žile. 3.8.4. Amidi Amidi su spojevi kod kojih je hidroksilna skupina kiseline zamijenjena amino – skupinom, - NH2. Općenito se pripravljaju djelovanjem amonijaka na kiselinske klor ide ili anhidride. Ciklički anhidridi s amonijakom uz grijanje daju imide. Na primjer: 62
Hidrolizom amida oslobađa se odgovarajuća kiselina. 3.8.5. Derivati karbonatne kiseline U strukturi karbonatne kiseline prisutne su dvije hidroksilne skupine pa se iz n je izvodi više derivata. Među važnije derivate spadaju: karbonatna kiselina fosgen (kiselinski urea, karbamid klorid) (amid) karbaminska kiselina (kiselina) etil – karbamat (uretan; ester) Fosgen, COCl2, je vrlo otrovan plin. U prvom svjetskom ratu se upotrebljavao kao bojni otrov. Iz karbaminske kiseline, H2NCOOH, mogu se izvesti esteri, uretani. Najpoznatiji je etil – uretan ili jednostavno uretan, H2NCOOC2H5, koji je slabi hipnotik (uvodi u san). Važan derivat karbaminske kiseline je i karbamoil – fosfat, H2N – CO ~ O – P , spoj s visoki m potencijalom prijenosa grupe. Urea, karbamid ili mokraćevina, H2NCONH2, konačni je produkt razgradnje proteina putem kojeg se iz organizma uklanja dušik. Izlučuje se u urinu. To je kristalna tvar dobro topljiva u vodi. Upotrebljava se kao gnojivo, kao sirovina za proizvodnju plastičn ih masa te za sintezu nekih lijekova. U prisutnosti kiselina, baza ili enzima ureaze podlij eže hidrolizi. S kiselinskim kloridima ili anhidridima urea daje ureide. Na primjer: Ureidi su, kao što je prikazano, derivati uree koji nastaju zamjenom vodika acilno m skupinom. U ureide spadaju neki poznati hipnotici (sedativi, ako se radi o malim dozama). Od lančastih je najpoznatiji bromival, koji se izvodi iz α – bromizovalerijanske kiseline . bromival Iz dikarboksilne malonske kiseline izvodi se ciklički ureid barbiturna kiselina čiji supstitucijski derivati, barbiturati, su izraziti hipnotici. Dobiva se iz estera dietil – malonata i uree, no zbog jednostavnosti se reakcija prikazuje sa slobodnom malonskom kiseli nom. 63
Zamjenom vodikovih atoma na položaju 5 šesteročlanog pirimidinskog prstena odgovarajućim skupinama nastaju barbiturati. U mnogo upotrebljavane barbiturate sp ada npr.: barbiton, Veronal (dietilbarbiturna kiselina) Iz dikarboksilne mezoksalne kiseline izvodi se ureid aloksan. Unesen u organizam pokusnih životinja može izazvati dijabetes pa je njegova primjena pomogla u istraživan ju ove bolesti. U derivate karbonatne kiseline svrstava si i gvanidin, često zvan i iminourea. gvanidin Spada u jake baze, što se tumači znatnom rezonantnom stabilizacijom protoniranog oblika. Soli gvanidina se stoga lako priređuju a znatno teže se može dobiti slobodna b aza. Neki derivati gvanidina biološki su važni spojevi. Na primjer, gvanidinooctena kisel ina koja uvođenjem metilne grupe prelazi u kreatin gvanidinooctena kiselina Kreatin Vezanjem fosfata nastaje energijom bogati kreatin – fosfat: ili kreatin - fosfat Kreatin gubitkom vode može lako preći u kreatinin koji se izlučuje u urinu: 64
ili kreatinin Derivat gvanidina je i aminokiselina arginin: 3.9. Dušikovi spojevi Organski spojevi s dušikom su mnogobrojni. Tu spadaju već ranije prikazani amidi i aminokiseline, zatim nitrili, amini, oksimi, hidrazini, nitro – spojevi i dr. Mnog i od njih važni su prirodni spojevi. Dušik je element pete skupine s elektronskom konfiguracijom: 1s2 2s2 2p3. U valent noj ljusci, uz slobodan elektronski par 2s – orbitale, tri su nesparena elektrona u tr i 2p – orbitale pa se stvaraju molekule s tetraedarskim usmjerenjem vezanih orbitala. Kut što ga z atvaraju nastale σ – veze je, međutim, nešto manji od 'normalnog' tetraedarskog kuta, zbog veće gustoće naboja elektronskog oblaka i jačeg odbojnog djelovanja hibridne orbitale sa slobodnim elektronskim parom. Na primjer, kod molekule amonijaka kut između σ – veza iznose 107° a kod trimetilamina 108°. Molekule imaju oblik piramide na čijem vrhu se n alazi atom dušika. amonijak trimetilamin Atom dušika može otpustiti jedan elektron iz 2s – orbitale i prijeći u N+ ion konfigurac ije 1s2 2s1 2p3, koji može tvoriti četiri kovalentne veze. Četverovalentni dušik susrećemo kod tzv. amonijevih spojeva. Takav dušik koji je po rasporedu elektrona sličan atomu ugljika pa su i spojevi četverovalentnog dušika vrlo stabilni. Primjer takvog spoja je: tetrametilamonij - klorid 3.9.1. Nitrili Nitrili ili cijanidi sadrže skupinu -C≡N. Alifatski nitrili dobivaju se iz alkilhalo genida i natrij – cijanida reakcijom nukleofilne supstitucije. 65
Imena nitrila tvore se često od imena kiselina koje tvore hidrolizom, tako da se korijenu naziva kiseline doda nastavak '-nitril'. Propanonitril bi po toj nomenk laturi bio propanonitril jer se izvodi od propionske kiseline. Od octene kiseline izvodi se acetonitril a od benzojeve benzonitril. acetonitril benzonitril Nitril mravlje kiseline je cijanovodik, HCN. To je vrlo otrovna lako hlapljiva t ekućina karakteristična slatka mirisa. Lako se otapa u vodi tvoreći otopinu slabe cijanidne kiseline. Njezine soli, cijanidi su također jaki otrovi. Cijanovodik služi u industriji za sin teze različitih organskih spojeva. Nitrili su pak važni međuprodukti u laboratorijskim sintezama kis elina, derivata kiselina i amina. Od reakcija nitrila najvažnije su hidroliza i redukcija. Hidrolizu nitrila kataliz iraju kiseline ili baze. Kao međuprodukt reakcije prvo se stvara amid koji se zatim hidr olitički razgrađuje na kiselinu i amonijak. U slučaju hidrolize katalizirane kiselinom reakci ju se može prikazati na slijedeći način. Redukcijom nitrila, tj. adicijom vodika nastaju primarni amini. Nitrilima ili cijanidima su izomerni izocijanidi, Neugodna su mirisa i otrovniji su od nitrila. Grijanjem se pregrađuju u stabilnije nitrile. Skupinu –CN sadrže i neki prirodni spojevi. To su biljni glikozidi koje nalazimo npr . u gorkom bademu i u košticama kajsija. Od cijanogenih glikozida najpoznatiji je amig dalin koji se hidrolizom razgrađuje na glukozu i benzaldehid uz oslobađanje cijanovodika. 3.9.2. Amini Amini se smatraju derivatima amonijaka kod kojih su umjesto atoma vodika na dušik vezane alkilne ili aromatske skupine. Prema broju skupina vezanih na atom dušika razlikujemo primarne, sekundarne i tercijarne amine. primarni amin sekundarni amin tercijarni amin Potpunim alkiliranjem dušika nastaju amonijevi spojevi koji sadrže četverovalentni dušik. To su kvaterne amonijeve soli ili hidroksidi. 66
kvaterna amonijeva sol kvaterni amonij - hidroksid Aminima se mogu smatrati i spojevi kod kojih je dušik sastavni dio prstena. No to su heterociklički spojevi koji će biti prikazani u posebnom poglavlju. Nomenklatura. Imena amina tvore se obično dodatkom sufiksa '-amin'. Kod jednostavnih amina sufiks se dodaje nazivu odgovarajuće skupine a kod složenih amina nazivu osnovnog spoja. Imena složenih amina mogu se tvoriti i dodavanjem prefiksa 'amino-' imenu osnovnog spoja. Simetrični sekundarni i tercijarni amini dobivaju prefikse ' di-' odnosno 'tri-', a nesimetrični se obično imenuju kao N – supstitucijski produkti primarnih ami na. Zadržana su i neka trivijalna imena. Na primjer: etilamin piridin dietilamin 2 – piridinamin 2 - aminopiridin trietilamin anilin N, N – dimetilanilin Soli i hidroksidi koji sadrže četverovalentni dušik imenuju se kao supstituirane amonijeve soli odnosno kao supstituiran amonij – hidroksid. trimetilamonij- nitrat etilamonij - klorid tetrameilamonij - hidroksid anilinij – klorid Fizikalna svojstva. Amini su poput amonijaka polarni spojevi pa, uz izuzetak tercijarnih amina, mogu stvarati intermolekulske vodikove veze, tj. asocijate. V relišta amina su zbog toga viša od vrelišta nepolarnih spojeva slične molekularne mase no, zbog manj eg stupnja asocijacije, ipak niža od vrelišta alkohola i karboksilnih kiselina. Svi ami ni tvore vodikove veze s molekulama vode pa su niži amini dobro topljivi u vodi. Topljivi s u i u većini organskih otapala. Niži članovi po mirisu sliče amonijaku a neki viši amini imaju neugod an miris po ribi. Kvaterne amonijeve soli su kao ionski spojevi čvrste tvari visokog tališta. Lako se otapaju u vodi. Aromatski amini su jako toksični. Toksični su ako se udišu a mogu prodrijeti i kroz kožu.
Dobivanje amina. Amini se mogu dobiti iz alikilhalogenida i amonijaka. Metoda je uglavnom ograničena na dobivanje alifatskih amina. U prvom stupnju reakcije dolazi do supstitucije halogena i stvaranja soli primarnog amina iz koje se zatim s viškom a monijaka oslobađa amin. 67
Slobodni primarni amin je poput amonijaka nukleofilni reagens koji reagira sa sl ijedećom molekulom alkilhalogenida. Pri tome nastaje sol sekundarnog amina, pa sekundarni amin koji u daljnjoj reakciji s alkilhalogenidom daje sol tercijarnog amina, pa tercijarni amin koji opet s alkilhalogenidom kao konačni produkt daje kvaternu amonijevu sol. Primjer stvaranj a amina prikazuje slijedeća shema. Nedostatak ove sinteze je dobivanje smjese amina. Ako se reakcija želi zaustaviti kod primarnog amina, tj. dobiti pretežno primarni amin, amonijak mora biti u velikom s uvišku. Amini se mogu dobiti i redukcijom nekih spojeva koji sadrže dušik, npr. nitro – spojeva i nitrila. Redukcijom nitro spojeva priređuju se ponajviše aromatski primarn i amini. Npr. hidriranjem uz katalizator: Redukcija nitro – spojeva važna je reakcija u aromatskoj kemiji budući da se preko aromatskih amina i njihovih diazonijevih soli može doći do niza drugih važnih spojeva, npr. industrijskih boja. Biogeni amini nastaju dekarboksilacijom aminokiselina. Kemijska svojstva. Od reakcija amina navode se slijedeće: a) Reakcije s kiselinama Amini su izrazito bazični organski spojevi. Preko slobodnog elektronskog para na d ušikovom atomu molekule amina može se vezati proton kiseline i dati sol. Iz soli se amini m ogu osloboditi s lužinama. Soli amina su tipični ionski spojevi dobro topljivi u vodi. U vodi netopljivi ili slabo topljiv amin otapa se stoga u razrijeđenoj kiselini. Na primjer, 68
Alifatski amini su većinom nešto jače baze od amonijaka dok su aromatski amini znatno manje bazični. Alkilne skupine alifatskih amina otpuštaju naime elektrone pre ma dušiku i time olakšavaju vezanje protona, dok aromatski prsten prima elektrone od –NH2 skupine pa je vezanje protona na dušik aromatskih amina otežano. U jake baze spadaju kvaterni amonijevi hidroksidi, R4N+OH− . Vodene otopine takvih spojeva lužnate su kao otopine KOH ili NaOH istih koncentracija. b) Reakcije supstitucije kod aromatskih amina Amino skupina na aromatskom prstenu djeluje aktivirajuće i dirigira slijedeći supsti tuent u orto ili para položaj. Na primjer, sulfoniranjem anilina dobiva se važan p – izomer, s ulfanilna kiselina. Struktura sulfanilne kiseline, kao spoja koji sadrži baznu i kiselu skupinu, je di polarna ionska. Skupina –NH2 je naime mnogo jača baza od skupine –SO3−, tj. aniona kiseline, pa je proton vezan pretežno na dušik amino – skupine. Neki supstituirani amidi sulfanilne kiseline, sulfonamidi, spadaju u skupinu kemoterapijskih lijekova. c) Reakcije s nitritnom kiselinom Alifatski primarni amini reagiraju s nitritnom kiselinom (natrij – nitrit + jaka k iselina) uz oslobađanje dušika i stvaranje smjese raznih organskih spojeva, među kojima je obično najviše zastupljen alkohol. Razvijanje dušika je kvantitativno pa se reakcija može upotrijebiti u analitici spoj eva s primarnom amino – skupinom. Aromatski primarni amini s nitritnom kiselinom u hladnom daju diazonijeve soli, spojeve koji su izvanredno važni u sintetskoj organskoj kemiji. Međutim, u okviru ov og prikaza samo izabranih spojeva o diazonijevim solima neće biti govora. Sekundarni alifatski i aromatski amini s nitritnom kiselinom daju nitrozamine. Nitrozamini su kancerogene tvari za koje se smatra da mogu nastati i u organizmu iz nitrita unesenih nekim lijekovima ili hranom s većim sadržajem nitrita (konzervirana hrana). U kiseloj sredini želuca stvara se nitritna kiselina koja s odgovarajućim aminima može tvoriti nitrozamine. 69
d) Reakcija s karbonilnim spojevima Adicijom amina na karbonilnu skupinu aldehida ili ketona nastaju Schiffove baze. Reakcija je već prikazana pod reakcijama aldehida i ketona. 3.9.3. Amino – alkoholi i amino – fenoli Riječ je o spojevima s dvije funkcionalne skupine – hidroksilnom i amino – skupinom. Među njima susrećemo neke biološki ili farmakološki važne spojeve koje navodimo redom. Etanolamin (kolamin) je najjednostavniji amino – alkohol koji nalazimo u strukturi složenih lipida. etanolamin Kod fiziološkog pH dušik amino – skupine je protoniran i nosi pozitivan naboj. Kolin je alkohol i kvaterni amonij – hidroksid. Poput etanolamina sastavna je komponenta mnogih složenih lipida. kolin Acetilkolin je ester kolina s octenom kiselinom. acetilkolin Ima ulogu prijenosnika živčanih impulsa, tj. spada u neuroprijenosnike. Po završenom djelovanju, acetilkolin se uz acetilkolin – esterazu brzo cijepa na kolin i octenu kiselinu. Tvari koje inhibiraju djelovanje acetilkolin – esteraze i time onemogućuju razgradnju acet ilkolina poznati su jaki otrovi poput insekticida i nervnih bojnih otrova (organofosfatni spojevi). Sfingozin je nezasićeni amino – alkohol koji nalazimo u strukturi sfingolipida. Ima 18 ugljikovih atoma i jednu trans – dvostruku vezu: ili Acetilirani eter p – aminofenola je fenacetin, 4 – etoksiacetanilid. Spada u skupinu lijekova s antipiretskim i analgetskim djelovanjem. fenacetin 70
Dopamin, noradrenalin i adrenalin su derivati katehola s jednom amino – skupinom u pobočnom lancu. Nazivaju se i kateholamini. dopamin noradrenalin Adrenalin Adrenalin je hormon srži nadbubrežne žlijezde. Nastaje biosintezom iz aminokiseline tirozina preko dopamina i noradrenalina, koji se metiliranjem može prevesti u adre nalin. Dopamin i noradrenalin se ubrajaju u neuroprijenosnike. Kemijski i farmakološki sr odni noradrenalin i adrenalin spadaju u kiralne spojeve – u prirodi se stvaraju biološki aktivniji lijevoskretni oblici. 3.10. Sumporni spojevi Sumpor se, poput kisika, nalazi u šestoj skupini periodnog sustava i tvori niz org anskih spojeva koji su analogni spojevima s kisikom. Izraz 'tio' koji se upotrebljava z a tvorbu imena takvih spojeva označuje zamjenu kisika sumporom. Na primjer, tioli su spojevi koji sadrže SH skupinu, sufiks '-tial' znači da se radi o tioaldehidu a '-tion' o tioket onu. Međutim, spojevi tipa R1- S – R2 imenuju se ponajviše kao sulfidi a spojevi tipa R1 – S – S – R2 kao disulf idi. Ime 'tioeter' se ne preporučuje. etantiol butantion dietil – disulfid Od brojnih spojeva koji sadrže sumpor, kao primjer navodimo još samo sumporove oksi – kiseline. One se imenuju dodatkom odgovarajućeg sufiksa, na primjer: ili ili benzensulfinska kiselina etansulfonska kiselina Jednostruka veza između sumpora i kisika nastaje iz elektronskog para samo atoma sumpora. Elektronska struktura npr. sulfonske kiseline može se odgovarajući tome pri kazati na slijedeći način: 71
3.10.1. Tioli Tioli su spojevi koji sadrže –SH skupinu vezanu neposredno na ugljikov atom. Njihova imena tvore se obično dodatkom sufiksa '-tiol' imenu osnovnog spoja ili, k ada –SH nije glavna skupina, dodatkom prefiksa 'merkapto-' koji označuje nesupstituiranu s kupinu – SH. Na primjer: benzentiol p – merkaptobenzojeva kiselina Soli tiola imenuju se analogno solima hidroksi – spojeva. Tako imamo npr. natrij – e tantiolat ili natrij – etil – sulfid: Hlapljivi tioli imaju vrlo neugodan miris koji se osjeća i kod izvanredno malih količina tiola u zraku. Niži tioli toksični su kao i sumporvodik. Po kemijskim svojstvima tioli se razlikuju od alkohola – kiseliji su i lako se oks idiraju. S jakim bazama u vodenoj otopini daju soli, tiolate. Soli što ih tvore teški metali kao što su živa, olovo, bakar i srebro netopljive su u vo di. Ioni teških metala mogu tako blokirati –SH skupine tzv. sulfhidridnih enzima, kod kojih j e tiolna skupina bitna za katalitičku aktivnost, i tako inhibirati enzim. Blagom oksidacijom tiola dobivaju se disulfidi: na primjer pomoću joda. Oksidacija s jodom može poslužiti za određivanje tiola. Lako se oksidiraju i s kisikom iz zraka. Stvaranje disulfidnih veza značajno je za oblikovanje i stabilnost proteinskih molekula. Veza se ostvaruje između ostataka aminokiseline cisteina. Njeno stvaranj e može se prikazati na slobodnom cisteinu koji oksidacijom prelazi u cistin. Djelovanjem jakom oksidansa, npr. HNO3, tioli se oksidiraju u sulfonske kiseline . S karboksilnim kiselinama tioli daju tioestere. Reaktivniji su prema nukleofilnoj supstituciji od estera – veza acil – sumpor se lak o kida jer je tiolat dobra odlazeća skupina. Takvo svojstvo čini tioestere značajnim za neke biološke transformacije. Tioesteri se u biološkim sustavima stvaraju s koenzimom A. To je 72
složena molekula na čijem se kraju nalazi reaktivna tiolna skupina koja može vezati ac ilni ostatak. Najvažniji spoj koenzima A je već spomenuti acetil – CoA, osobito važan kao prenosilac acetilne skupine (sredstvo za acetiliranje). Karakteristično svojstvo tioestera je također kiselost α – vodika, koja je kod tioestera veća nego kod običnih estera. Mnoge reakcije tioestera u biološkim sustavima zbivaju s e stoga na α – ugljikovom atomu. Na primjer, gubitkom protona iz acetil – CoA nastaje karbanion (enolat – ion), koji može reagirati s karbonilnim spojem uz stvaranje nove veze na α – ugljikovom atom u. To je u stvari već ranije prikazani mehanizam aldolne adicije, prema kojem se npr. iz oksalacetata i acetil – CoA vrši sinteza citrata u ciklusu limunske kiseline. Acetil – CoA je zbog toga ključni reaktant u mnogim biosintezama. 3.10.2. Sulfonske kiseline Sulfonske kiseline, R – SO3H, jake su kiseline dobro topljive u vodi. Većina sulfonskih kiselina upotrebljava se u obliku soli. Tako se natrijeve soli alkilb enzensulfonskih kiselina mogu ubrojiti u najviše upotrebljavane deterdžente. Mogu se prikazati općom formulom: Od derivata sulfonskih kiselina značajni su amidi, sulfonamidi, osobito oni koji s e odvode od sulfanilne kiseline. Treba spomenuti i jedan imid. To je imid anhidrid a o – sulfobenzojeve kiseline poznat pod nazivom saharin. Dobro je topljiv u vodi u ob liku natrijeve soli. Po slatkoći daleko premašuje običan šećer pa se može upotrebljavati kao korigens okusa. saharin 3.10.3. Sulfonamidi Važnu grupu kemoterapijskih sredstava protiv bakterija, bakteriostatika, čine sulfonamidi koji se odvode od sulfanilne kiseline. Amid sulfanilne kiseline, sul fanilamid, sulfanilna kiselina sulfanilamid klasični je sulfonamid koji se danas zbog toksičnosti više ne upotrebljava. U uporabi su samo neki manje toksični supstituirani amidi. Npr.: 73
sulfacetamid sulfagvanidin sulfadiazin sulfizoksazol Sulfonamidi su po strukturi vrlo slični p – aminobenzojevoj kiselini, koja je potreb na za sintezu folne kiseline, faktora rasta nekih bakterija. Ako se pri enzimskoj s intezi folne kiseline umjesto p – aminobenzojeve kiseline ugradi sulfonamid, stvara se bezvrije dan spoj i dolazi do kočenja rasta bakterija: 3.11. Heterociklički spojevi Heterociklički spojevi imaju u strukturi prstena, osim ugljika, jedan ili više heter o – atoma. To su najčešće atomi dušika, kisika ili sumpora. Neke heterocikličke spojeve vidjeli smo već ranije u strukturama nekih aminokiselina i sulfonamida. U biološkim sustavima nalazimo ih posvuda. Naime, mnogi prirodni spoj evi kao što su nukleinske kiseline, alkaloidi, vitamini, hem i klorofil pripadaju skupini heterocikličkih spojeva. Heterociklički spojevi bili su poznati i imenovani već u 19. stoljeću, a dobivena tric ijalna imena zadržali su većinom i danas. Na primjer: pirol pirolidin pirimidin Izoksazol Pri numeriranju hetero – atoma treba dati najniže moguće brojeve. Kod dva ili više heter o – atoma u prstenu najniži broj dobiva kisik, zatim sumpor pa dušik. Među heterocikličkim spojevima važno mjesto imaju spojevi s aromatskim svojstvima. Pirol je npr. aromatski heterociklički spoj a pirolikin po svojstvima nalikuje svom lančastom analogu. Aromatska svojstva imaju također pirimidin i izoksazol. No više o t ome saznat ćemo iz prikaza nekih najvažnijih predstavnika ove grupe spojeva. 74
3.11.1. Peteročlani heterociklički spojevi Po jedan hetero – atom u prstenu sadrže pirol, furan i tiofen. pirol furan tiofen Navedeni spojevi ne pokazuju svojstva tipična za diene, odnosno amine, etere i sulfide. Tako npr. pirol nije bazičan poput sekundarnog amina, a tiofen ne podliježe oksidaciji tipičnoj za sulfide. Razlog tome je aromatski karakter navedenih spojeva. Kod njih se, naime, kao kod benzena, preklapanjem nehibridiziranih p – orbitala atoma prstena stvara ' aromatski sekstet' od 6 π – elektrona. Elektroni se smještaju u zajedničku π – orbitalu koja se poput oblaka proteže preko cijelog prstena – iznad i ispod ravnine prstena. Svaki od četiri ugljikova atoma daje za π – elektronski oblak po jedan elektron a hetero – atom daje dva. Opisan a delokalizacija π – elektrona stabilizira prsten pa navedeni spojevi prvenstveno stup aju u reakcije kod kojih struktura prstena ostaje sačuvana. Prsten je bogat elektronima i zato reaktivan u reakcijama tipa elektrofilne supstitucije. Pirol. Slobodni elektronski par dušika u pirolnom prstenu uključen je u aromatski sekstet i delokaliziran u prstenu pa pirol praktično ne pokazuje bazna svojstva. K atalitičkim hidriranjem prelazi u zasićeni spoj, pirolidin. Zasićenjem se narušava aromatska struktura i gube aromatska svojstva. Pirolidin sa slobodnim elektronskim parom na dušiku mnogo je jača baza od pirola i ponaša se kao alifatski amin. Pirolni prsten nalazi se u strukturi porfirina. Osnovu strukture čine četiri pirolna prstena međusobno povezana metinskim skupinama (=CH−). Na pirolinim prstenima nalaze si i pobočni lanci koji određuju tip porfirina. Porfirini koji kao centralni atom sa drže željezo, prostetske su skupine proteina s važnim biološkim funkcijama, kao što su hemoglobin i citokrom. U klorofilu se pak kao centralni arom nalazi magnezij a u kobalaminu ( vitamin B12) kobalt. osnova strukture porfirina porfirin s metalom 75
Žučne boje, kao razgradni produkti hemoglobina, sadrže po četiri pirolna prstena poredana u nizu, pri razgradnji se, naime, otvara porfirinska jezgra. U žučne boje s padaju npr. biliverdin, bilirubin i urobilin. Pirolidinski prsten nalazimo u brojnim alkaloidima kojima daje bazična svojstva. Nalazi se npr. u nikotinu. U derivate pirolidina spada aminokiselina prolin (2pi rolidinkarboksilna kiselina). Furan. Derivat furana, 2 – furaldehid (furfural) nastaje djelovanjem jakih kiselin a na pentoze. Industrijski se 2 – furaldehid proizvodi iz pentoza koje nastaju kiselom hidrolizo m polisaharida sadržanih u poljoprivrednim nusproduktima (slama, pljeva), a služi za p ripravu drugih derivata furana. Djelovanjem jakih kiselina na heksoze također dolazi do dehidratacije i ciklizacij e uz stvaranje 5 – hidroksimetil – 2 – furaldehida (hidroksimetilfurfurala): Furaldehidi s nekim fenolima daju obojene produkte što je osnova klasičnih metoda identifikacije šećera. Tiofen je stalni pratilac benzena dobivenog katrana kamenog ugljena. Manje je reaktivan od pirola i furana i po svojstvima je vrlo sličan benzenu. Peteročlani prsten može sadržavati i više hetero – atoma, no prikazat ćemo samo neke spojeve s dva hetero-atoma. Po dva dušikova atoma sadrže pirazol i imidazol. pirazol imidazol Imaju aromatski karakter i baznih su svojstava. Bazna svojstva pokazuju zbog slo bodnog elektronskog para na dušniku u položaju 2 odnosno 3. Pirazol. Od derivata pirazola, 5 – pirazolona, odvode se neki lijekovi iz grupe antipiretika i analgetika, kao što su fenazon i aminofenazon. Aminofenazon je i iz raziti antireumatik. 5 - pirazolon fenazon (antipirin) aminofenazon (aminopirin, piramidon) Od imidazola se odvodi aminokiselina histidin i amin histamin koje smo već ranije upoznali. 76
Izoksazol sadrži jedan kisikov i jedan dušikov atom. Nalazimo ga u strukturi sulfonamida sulfizoksazola. izoksazol Tiazol kao hetero – atome sadrži sumpor i dušik. Nlazi se u strukturi tiamina, vitamin a B1. fiziološki aktivan oblik je tiamin – difosfat koji djeluje kao prostetska skupin a enzima. tiazol 3.11.2. Šesteročlani heterociklički spojevi Piridin je važan šesteročlani heterociklički spoj s dušikom kao hetero – atomom. Kao aromatski spoj nereaktivan je u reakcijama adicije a podliježe reakcijama elektrof ilne supstitucije. Za razliku od pirola, dušik u piridinu ima slobodan elektronski par koji nije uključen u aromatski sekstet. Piridin je stoga baza: s kiselinama i s alkilhalogen idima daje soli odnosno kvaterne soli. Katalitičkim hidriranjem piridina dobiva se piperidin sa svojstvima sekundarnog alifatskog amina. Piridin i piperidin nalaze su u sastavu mnogih prirodnih i sintetskih spojeva. Čis ti piridin dobro je otapalo za mnoge tvari. Poput mnogih amina ima vrlo neugodan mi ris. Od piridina se odvode tri izomerne piridinkarboksilne kiseline: pikolinska, nikotin ska i izonikotinska. 77
2 – piridinkarboksilna kiselina pikolinska kiselina 3 – piridinkarboksilna kiselina nikotinska kiselina 4 – piridinkarboksilna kiselina izonikotinska kiselina Ime nikotinska kiselina potječe otuda što je prvi put dobivena oksidacijom alkaloida nikotina. Nikotinska kiselina i amid nikotinske kiseline, nikotinamid, ubrajaju se u grupu vitamina B. Poznati su i pod nazivima niacin i niacinamid. U viših životinja i čovjeka mogu nastati iz aminokiseline triptofana pa do avitaminoza dolazi samo u slučaju prehra ne kojoj, uz nikotinsku kiselinu i njezin amid, istovremeno manjka triptofan. nikotinamid izonijazid Izonijazid je hidrazid izonikotinske kiseline. Kao dobar antituberkulotik mnogo se upotrebljava u liječenju tuberkuloze. Nikotinamid je reaktivni sastojak nikotinamidskih nukleotida, NAD+ (nikotinamid – adenin – dinukleotid) i NADP+ (nikotinamid – adenin – dinukleotid – fosfat). To su važni koenzimi za reverzibilno primanje vodika. Piridin je u koenzimima vezan za ostat ak molekule preko dušika, tj. veza je ostvarena s piridinij – kationom, a cijeli koenzim zbog to ga nosi pozitivan naboj. U procesu redukcije koenzima, piridinski prsten prima na C – 4 at om dva elektrona i proton odnosno hidrid – ion, :H−, i gubi pozitivan naboj. Dobiva se redu cirani koenzim NADH odnosno NADPH. Navedena promjena može se prikazati na primjeru oksidacije etanola uz pomoć NAD+. Hidrid – ion prenosi se s alkohola na piridinski prsten koji zbog toga gubi aromat ski karakter. Stvoreni NADH ima sad sposobnost redukcije – vodik predaje drugim tvarima pri čemu s e regenerira NAD+. U derivate piridina spadaju vitaminski aktivni piridoksin, piridoksal i piridoks amin. Navedena piridoksinska grupa spojeva ima zajenički naziv vitamin B6. terapijski se međutim upotrebljava samo piridoksin. U ogranizmu navedeni spojevi prelaze u fiziološki ak tivan 78
piridoksal – fosfat, važnu prostetsku skupinu enzima koji sudjeluju u metabolizmu aminokiselina. piridoksin piridoksal piridoksamin piridoksal – fosfat Piridoksal – fosfat veže aminokiseline preko aldehidne skupine. Stvaraju se Schiffov e baze kao zajednički međuprodukt u reakcijama razgradnje aminokiselina. Piridinski i piperidinski prstenovi nalaze se u brojnim alkaloidima. Da spomenem o nikotin koji uz piridinski prsten sadrži i N – metilpirolidin, te koniin koji je der ivat piperidina. Šesteročlani prsten s kisikom kao hetero – atomom, piran, nema aromatski karakter. U prirodi su poznati samo neki derivati pirana i pirona. piran (2H položaj) piran (4H položaj) 4 – piron (γ – piron) Dva dušikova atoma u prstenu sadrže tri izomerna diazina: pirazin, pirimidin i piridazin. Imaju aromatski karakter i izrazite su baze. pirazin pirimidin Piridazin Najvažniji među njima je pirimidin. U derivate pirimidina spadaju pirimidinske baze: citozin, uracil i timin. Nalazimo ih u nukleinskim kiselinama. citozin (Cyt) uracil (Ura) timin (Thy) Formule prikazuju baze u keto – oblicima koji prevladavaju u keto – enolnoj ravnoteži pri fiziološkim uvjetima. Od derivata pirimidina treba navesti i ranije prikazane barbiturate te sulfonami d sulfadiazin. Pirimidinski prsten sadrži i vitamin tiamin. 79
3.11.3. Heterociklički spojvi s kondenziranim prstenovima Jednostavni heterociklički spojevi mogu biti kondenzirani međusobno ili s benzenskim prstenom. indol triptofan Najvažniji derivat indola je esencijalna aminokiselina triptofan. Hidroksilacijom triptofana nastaje 5 – hidroksitriptofan koji dekarboksilacijom prelazi u serotoni n (5 – hidroksitriptamin). Serotonin je raširen u biljnom i životinjskom svijetu. U živčanom su stavu igra ulogu neuroprijenosnika. Strukture navedenih spojeva upoznali smo već ranije. Razgradnjom pobočnog lanca triptofana mogu nastati skatol i inoksil. Zbog prisutno sti skatola izmet ima vrlo neugodan miris. Indoksil se pak u obliku indoksil – sulfata pojavaljuje u mokraći (mokraćni indikan). skatol indoksil indoksil – sulfat U biljnom svijetu nalazi se indikan koji je glikozid indoksila – hidrolizom daje g lukozu i indoksil. Nekoč je bio važna sirovina za dobivanje indiga, bojila koje je čovjek upotr ebljavao već u prvim počecima vivilizacije. Indigo nastaje oksidacijom indoksila na zraku. Kinolin i izokinolin sadrže benzenski i piridinski prsten. kinolin izokinolin Nalaze se u strukturi mnogih alkaloida među kojima je najpoznatiji kinin. On u svo joj strukturi sadrži kinolinski prsten. Purin se sastoji od dva heterociklička prstena: pirimidina i imidazola. purin Kao što je iz formule vidljivo, kod purina postoji izuzetak od sustavnog numeriran ja atoma prstena. Važni derivati purina su baze koje nalazimo u svim nukleinskim kiselinama: adenin i gvanin. 80
adenin (Ade) gvanin (Gua) Neiskorištene slobodne purinske baze koje nastaju u toku metabolizma oksidiraju se u mokraćnu kiselinu, koja kod čovjeka predstavlja konačni produkt razgradnje baza. Kao međuprodukti u razgradnji adenina pojavljuju se hipoksantin i ksantin, a kod gvani na ksantin. Spojevi su prikazani u keto – obliku no mogu se javiti i u izomernom, enolnom obli ku. Uzmimo kao primjer mokraćnu kiselinu. tautomerni oblici mokraćne kiseline Ponaša se kao dvobazična kiselina i tvori soli urate. Kod povišenih koncentracija mokr aćne kiseline u krvi, urati se, kao slabo topljive soli, mogu taložiti u raznim tkivima . Kristalići urata istaloženi u zglobovima izazivaju uloge (giht). U metilne derivate ksantina spadaju kofein, teofilin i teobromin, koji su odgovo rni za stimulativno djelovanje kave, čaja i kakaa. Na središnji živčani sustav najintenzivnije djeluje trimetilksantin, kofein. Teofilin i teobromin su dimetilksantini. kofein Pteridin sadrži pirimidinski i pirazinski prsten. pteridin 81
Derivati pteridina rašireni su u prirodi. Supstituirani pteridinski prsten sadrži np r. folna kiselina, koja se ubraja u vitamine B – kompleksa. Tetrahidrofolna kiselina spada pak u koenzime. Pteridinski prsten kondenziran s benzenom, benz (g) pteridin, nalazi se u strukt uri riboflavina, još jednog vitamina iz grupe B. Riboflavin se nalazi u prostetskim sk upinama flavoproteina. benz (g) pteridin Slovo 'g' u zazivu spoja označuje stranicu zajedničku za pteridinski i benzenski prs ten (obilježavanje započinje slovom 'a' za stranicu 1, 2). 4. Složeni prirodni spojevi Mnoge prirodne spojeve upoznali smo već ranije kao predstavnike spojeva s karakterističnim funkcionalnim skupinama. Međutim, veliki broj molekula koje sudjelu ju u staničnim procesima ili su sastavni dio stanica složene građe, a neke od njih možemo ubr ojiti u visokomolekulske spojeve ili biopolimere. Određene skupine spojeva čine pak kemijs ki različite tvari sličnih bioloških funkcija ili sličnih svojstava i ponašanja u metabolizmu . Takvim skupinama spojeva a osobito takvim biomolekulama pozabavit ćemo se u ovom dijelu prikaza organskih spojeva. Posebnu pažnju posvetit ćemo skupinama kao što su: ugljikohidrati, lipidi, proteini i nukleinske kiseline. 4.1. Ugljikohidrati Ugljikohidrati čine veliku skupinu prirodnih spojeva važnih za život biljaka i životinja . Nastaju pretežno u biljnom svijetu a za mnoge životinje i čovjeka predstavljaju glavni sastojak hrane. Izvor su energije za sve oblike života, tvore strukturu biljaka i dijelove struktura nekih životinja, a sudjeluju i u mnogim aktivnostima organizma. Jednostavni ugljikohidrati su polihidroksialdehidi ili polihidroksiketoni. Iz sl oženih ugljikohidrata mogu nastati jednostavnom hidrolizom. Naziv 'ugljikohidrati' dobi li su zbog toga što je omjer broja atoma vodika i kisika, u formuli mnogih jednostavnih preds tavnika ove grupe spojeva, kao kod vode, tj. 2:1. Jednostavniji ugljikohidrati često se naziva ju šećeri. Pojedini predstavnici imaju trivijalna imena. Ugljikohidrati koje se hidrolizom ne mogu rastaviti na jednostavnije spojeve naz ivaju se monosaharidi. Složeni ugljikohidrati koji idrolizom daju nekoliko molekula monosah arida spadaju u oligosaharide, a polimeri koje se mogu rastaviti na veliki broj monosa haridnih jedinica u polisaharide. U ugljikohidrate se ubrajaju i spojevi koje su s njima u tijesnoj vezi – slične strukture ili se iz njih izvode. To se na primjer aminošećeri, uronske kiseline i dr. 82
4.1.1. Monosaharidi Imena monosaharida završavaju nastavkom '-oza'. Monosaharidi s aldehidnom skupinom nazivaju se aldoze, a oni s keto – skupinom ketoze. Prema broju ugljikovi h atoma razlikujemo: trioze, tetroze, pentoze, heksoze itd. glukoza je prema tome jedna aldohektoza a fruktoza ketohekzoza. Najjednostavniji monosaharidi su dvije trioze, gliceraldehid (aldotrioza) i dihidroksiaceton (ketotrioza). Gliceraldehid ima kiralni centar pa se javlja u d va izomerna oblika, prema kojima se određuje pripadnost optički aktivnih tvari, npr. drugih mono saharida, D- ili L- seriji. D - gliceraldehid L - gliceraldehid Dihidroksiaceton Polazeći od D – gliceraldehida, produljivanjem lanca za po jedan ugljikov atom, mogu se izvesti aldoze D – serije. D - gliceraldehid D - eritroza D - riboza D-aloza D-altroza D – treoza D - arabinoza Dglukoza D - ksiloza Dmanoza D-guloza D-idoza D – liksoza Dgalaktoza D-taloza Od L – gliceraldehida mogu se na isti način izvesti aldoze L – serije. Tako se dobiva ukupno: 4 aldotetroze, 8 aldopentoza i 16 aldoheksoza. Broj mogućih stereoizomera povećava s e naime s porastom broja kiralnih ugljikovih atoma u molekuli. Na primjer, aldohek soza ima 4
83
kiralna ugljikova atoma pa broj stereoizomera iznosi: 2n = 24 = 16. Od toga 8 iz omera pripada D – seriji a 8 L – seriji. Važni prirodni monosaharidi pripadaju D – seriji. Iz dihidroksiacetona, produljivanjem lanca mogu se izvesti ketoze. Broj stereoiz omera kod ketoza je, međutim, upola manji neko kod aldoza s istim brojem ugljikovih atom a. Na primjer, ketoheksoza ima samo 3 kiralna ugljikova atoma pa broj stereoizomera iz nosi 23 = 8. od toga 4 izomera pripadaju D – seriji a 4 L – seriji. Na prikazanim općim strukturama aldoheksoza i ketoheksoza kiralni ugljikovi atomi označeni su zvjezdicama. aldoheksoza ( 16 stereoizomera) ketoheksoza (8 stereoizomera) Konfiguracijska pripadnost određuje se prema konfiguraciji najnižeg kiralnog centra, tj. kiralnog ugljikovog atoma s najvišim brojem. Od 16 mogućih izomernih aldoheksoza , 8 je parova enantiomera. Jedan od izomera je prirodna D- (+) – glukoza. Enantiomer prir odne glukoze je njana zrcalna slika L – (-) – glukoza. Preostalih 14 izomera čine dijastere oizomere glukoze, koji naravno nisu njene zrcalne slike. Dijastereoizomeri koji se razlik uju samo po konfiguraciji na jednom kiralnom centru zovu se epimeri. U dosadašnjem prikazu pojedinih monosaharida služili smo se tzv. Fischerovim projekcijskim formulama. Kod formula te vrste vodoravne linije predstavljaju vez e koje su usmjerene od ravnine papira prema nama a okomite linije veza skupina –CHO i CH2OH usmjerene su od nas iza ravnine papira. Na primjeru D – glicetaldehida to izgleda ovako: ≡ prostorni model projekcijska formula Na kraju treba napomenuti da prikazane strukture otvorenih lanaca, npr. pentoza i heksoza, ne odgovaraju njihovim stvarnim strukturama. Navedeni monosaharidi javl jaju se naime pretežno u cikličkom obliku. Cikličke strukture monosaharida. Cikličke strukture nastaju reakcijom karbonilne skupine s hidroksilnom skupinom na C-4 ili C-5 atomu iste molekule – radi se o intramolekulskoj nukleofilnoj adiciji na karbonilnu skupinu. Pri tome nastaju stabilne cikličke strukture s pet ili šest atoma u prstenu . Kod aldoza nastaju ciklički poluacetali a kod ketoza poluketali. Uzmimo kao primjere glukozu i fruktozu. Kod glukoze poluacetal nastaje reakcijom karbonilne skupine s hidroksilnom skupi nom na C5 atomu. Stvara se smjesa poluacetalnih oblika: α – D – glukoze i β – D – glukoze. T o su dijastereoizomeri koji se razlikuju u konfiguraciji na C-1 atomu a nazivaju se a nomeri. 84
U projekcijskim formulama poluacetala, oznaku α dobiva oblik kod kojeg se hidroksilna skupina na anomernom ugljikovom atomu nalazi na istoj strani kao i h idroksilna skupina najnižeg kiralnog centra – onoga koji određuje konfiguracijsku pripadnost monosaharida. Kod β – oblika anomera hidroksilna skupina je na suprotnoj strani. To znači da se kod α – D – glukoze hidroksilna skupina na anomernom, C-1 atomu nalazi na desnoj st rani a kod β – D – glukoze na lijevoj. Anomerni ugljikov atom predstavlja novi kiralni cent ar u cikličkim oblicima. Anomeri se razlikuju u specifičnoj moći optičkog zakretanja. α – D – anomer općenito zakreće jače nadesno od β – D – anomera. Svježe priređena otopina α – D – glukoze pokazuje specifičnu moć zakretanja αm= +112°. Međutim, kut zakretanja se s vremenom smanjuje do konačne vrijednosti αm= +52,7°. Kod otopine β – D – glukoze specifična moć optičkog zakretanja također se mijenja s vremenom, tako da od početne vrijednosti αm= +19° narast e na istu konačnu vrijednost αm= +52,7°. Ta promjena kuta zakretanja do konačne, ravnotežne vrijednosti naziva se mutarotacija. Ona je izazvana prijelazom α – oblika u β – oblik i obrnuto, preko oblika otvorenog lanca, sve do uspostavljanja ravnoteže. Ravnotežna s mjesa sadrži 37% α – D – glukoze i 63% β – D – glukoze, uz vrlo male količine strukture s otvorenim lancem. Specifična moć optičkog zakretanja αm= +52,7° odnosi se dakle na ravnotežnu smjesu koja se stvara u otopini glukoze. Pojavu mutarotacije pokazuju s vi monosaharidi, no i mnogi složeni ugljikohidrati. Fruktoza se kao ketoza pojavljuje u poluketalnim oblicima koji nastaju reakcijom karbonilne skupine sa C-2 atoma s hidroksilnom skupinom na C-5 atomu. Stvara se ciklička stuktura s pet atoma u prstenu. Novi kiralni, anomerni ugljikov atom u prikazanim poluketalnim oblicima je C-2 a tom. S obzirom na veličinu prstena, ciklički poluacetali i poluketali imenuju se prema odgovarajućim heterocikličkim spojevima s kisikom: piranu i furanu. Monosaharidi koj i sadrže šesteročlani prsten su piranoze, a oni s peteročlanim prstenom furanoze. Aldoheks oze se pojavljjuju prvenstveno u obliku piranoza, dok npr. ketoheksozu fruktozu i al dopentozu ribozu nalazimo u obliku furanoza. 85
Fischerove projekcijske formule, pogodne za prikazivanje struktura s ravnim lanc ima, daju iskrivljene slike kod cikličkih oblika. Piranozni prsten mora naime biti sličan cikloheksanskom a furanozni ciklopentanskom prstenu. Vjerniju sliku stvarnog obl ika molekule daju Haworthove perspektivne formule. U njima se piranoza prikazuje kao šesterokut a furanoza kao peterokut s anomernim atomom ugljika u krajnjem desnom v rhu. Prsten se numerira u smjeru kazaljke na satu. Do perspektivne formule α – D- glukopi ranoze može se doći preko malo preuređene projekcijske formule na slijedeći način. uobičajena projekcijska formula preuređena projekcijska formula perspektivna formula α – D – glukoze U prikazanoj formuli piranozni prsten je planarni šesterokut. U stvrarnosti prsten je izlomljen i postoji pretežno u konformaciji stolice pa se najtočnije može prikazati konformacijskom formulom. Pri tome je opet najstabilnija ona konformacija stolic e u kojoj su svi veći supstituenti (-CH2OH i –OH) po mogućnosti u ekvatorijalnim položajima. α – D – glukoza β – D – glukoza stabilne konformacije anomera glukoze Kod glukoze i ostalih aldoheksoza, stabilna konformacija je općenito ona u kojoj najveća skupina, -CH2OH, zauzima ekvatorijalni položaj. Kod β – D – glukoze vjerojatnija j e konformacija u kojoj sve velike skupine zauzimaju ekvatorijalne položaje. Zbog tog a vjerojatno nije slučaj da je β – D – glukoza, kao monosaharidna jedinica celuloze, najraši reniji organski spoj u prirodi. Perspektivne formule fruktofuranoza mogu se također lako izvesti iz projekcijskih formula. Uzmimo kao primjer β – D – fruktofuranozu. Β – D – fruktoza Prsten furanoza može poprimiti različite konformacije od kojih je najčešća konformacija kuverte (jedan atom strši iznad ravnine prstena). 86
Reakcije monosaharida. Svojstva monosaharida vezana su uz hidroksilne i karbonilne funkcionalne skupine. Kao polihidroksi – spojevi dobro su topljivi u vo di a netopljivi u lipofilnim otapalima. Kemijska svojstva uvjetovana su ponajviše mnogo brojnim hidroksilnim skupinama a samo rijetko karbonilnom skupinom. Razlog tomu je vrlo mala koncentracija molekula s otvorenim lancem i slobodnom karbonilnom skupinom u rav noteži s poluacetalnim oblicima, te sporost pretvorbe poluacetalnih oblika u oblik s otvo renim lancem. a) Utjecaj kiselina Djelovanjem jakih kiselina uz povišenu temperaturu molekule pentoza i heksoza gube vodu i prelaze u furfural ili hidroksimetilfurfural. Reakcija je već ranije prikaz ana kao postupak za dobivanje derivata furana. b) Utjecaj alkalija Alkalije mogu izazvati pregradnju no i raspad molekula monosaharida. U koncentri ranim otopinama alkalija monosaharidi se cijepaju u manje molekule, a u razrijeđenim oto pinama se pregrađuju u izomerne oblike. Smatra se da u procesu izomerizacije kao međuprodukt n astaje spoj sličan enolu, endiol, tj. da reakcija teče mehanizmom koji obuhvaća enolaciju monosaharida. Reakcije pretvorbe su reverzibilne. Na primjer, glukoza se u razrijeđenim otopinam a alkalije djelomično izomerizira (oko 30%) u ketozu fruktozu a nastaju i male količine epimern e aldoze manoze. Slično se ponašaju i ostale aldoze. c) Oksidacija monosaharida Svi jednostavni i mnogi složeni šećeri lako se oksidiraju pa spadaju u tzv. reducirajuće šećere. S blagim oksidansima, kao što su Fehlingov reagens ili bromna voda, aldoze se okssidiraju u odgovarajuće aldonske kiseline. Imena kiselina se izvode iz imena po laznih aldoza zamjenom sufuksa '-oza' s '-onska kiselina'. Takvom opreznom oksidacijom iz glukoze nastaje glukonska kiselina, koju u otopini, osobito kiseloj, nalazimo djelomice u obliku glukonlaktona. 87
Oksidacijom manoze nastaje manonska kiselina. Fruktoza se, kao ketoza, ne može oksidirati bromnom vodom već samo s lužnatim reagensima poput Fehlingovog. U alkalnim otopinama fruktoza je naime u ravnoteži s aldozama koje se lako oksidiraju. Osim toga ketoze se, kao α – hidroksi – ketoni, mogu oksidirati s Fehlingovim reagensom u diketone. Jačom oksidacijom aldoza ili aldonskih kiselina nastaju dikarboksilne, aldarne kiseline. Imena takvih kiselina izvode se iz imena aldoza zamjenom sufiksa '-oza ' s '-arna kiselina'. Do oksidacije dolazi na krajevima lanca, tj. na aldarnoj i primarnoj alkoholnoj skupini. Kao oksidans može poslužiti nitratna kiselina. Jakom oksidacijom glukoze nastaje glukarna a iz manoze manarna kiselina. Ako se oksidacija zbiva samo na pogljednjem ugljikovom atomu aldoza, aldehidna skupina ostaje sačuvana a primarna alkoholna skupina prelazi u karboksilnu. Tako o ksidirane aldoze poznate su kao uronske kiseline. Sufiks '-oza' u imenima polaznih ladoza zamjenjuje se u ovom slučaju sufiksom '-uronska kiselina'. Uronske kiseline mogu se dobiti oksid acijom aldoza kod kojih je aldehidna skupina zaštićena enzimom, ili redukcijom laktona alda rnih kiselina. Iz glukoze nastaje glukuronska a iz manoze manuronska kiselina. uronska kiselina d) Redukcija monosaharida Redukcijom monosaharida nastaju polihidroksi – alkoholi. Iz glukoze nastaje sorbit ol a iz manoze manitol. 88
polialkohol e) Stvaranje osazona Monosaharidi reagiraju s fenilhidrazinom dajući 1, 2 – difenilhidrazone, poznate kao osazone. Za razliku od tipičnih karbonilnih spojeva, po molekuli monosaharida troše se tri molekule fenilhidrazina – dva fenilhidrazonska ostatka nalazimo vezana u molekuli osazona a treća molekula reagensa prelazi u anilin ili amonijak. Osazoni se međusobno razlikuju po talištu, obliku kristala i brzini stvaranja pa se koriste za identifikaciju šećera. Još u prošlom stoljeću, osazoni su bili prvi čvrsti deriva ti koji su poslužili pri proučavanju strukture šećera. Npr. na osnovi podataka da glukoza, manoz a i fruktoza daju isti osazon, moglo se zaključiti da imaju istu konfiguraciju na uglj ikovim atomima 3, 4 i 5. glukoza i manoza su epimerne aldoze koje se razlikuju samo po konfiguraciji na C-2 atomu, a njihov izomer, fruktoza je 2 – ketoheksoza. Osazone daju i svi reducirajući disaharidi. f) Stvaranje estera Hidroksilne skupine ugljikohidrata mogu lako stvarati estere. Esteri s fosfatnom kiselinom, fosforilirani šećeri, osobito su važni jer se pojavljuju kao međuprodukti metabolizma. Za primjer navodimo fosfatne estere glukoze. glukoza – 6 - fosfat α – D – glukoza – 1 – fosfat Zbog bolje preglednosti u formulama su izostavljeni atomi vodika. Valovita linij a ~ u formuli glukoza – 6 – fosfata (kod –OH skupine) označuje vezu čiji smjer nije određen. U ovom slučaju to znači da konfiguracija na C-1 atomu nije određena te da se može raditi o α ili βoliku. ) Stvaranje glikozida Vidjeli smo da se monosaharidi javljaju u cikličkim poluacetalnim ili poluketalnim oblicima. U reakciji s alkoholima oni prelaze u cikločke acetale ili ketale koje n azivamo glikozidi. Reaktivna poluacetalna ili poluketalna hidroksilna skupina zamjenjuje se pri tome alkoksilnom skupinom. Iz α – oblika monosaharida nastaje αlikozid a iz βolik β – glikozid. Ime glikozida tvori se uz pomoć sufiksa '-ozid'. Tako iz glukoze nastaje glukozid a iz manoze manozid. Na primjer, 89
Novonastala veza između šećera i alkohola naziva se glikozidna veza. Prema konfiguraciji na anomernom ugljikovom atomu, govorimo o α ili β glikozidnoj vezi. Glikozidi su u neutralnoj i lužnatoj vodenoj otopini stabilni i ne prelaze u aldeh idni oblik. Zbog toga ne djeluju reduktivno i ne pokazuju mutarotaciju – α i β glikozidi nisu međusobno u ravnoteži. Pod utjecajem kiselina hidroliziraju u poluacetale. Hidrolitičk i se cijepaju i pod utjecajem enzima koje nazivamo glikozidazama. Većina glikozidaza je grupno specifična i to: s obzirom na prirodu glikozidno vezanog šećera i na vrstu glikozidne veze. Šećerna komponenta glikozida naziva se glikon a nešećerna aglikon. Aglikon može biti bilo koji hidroksi – spoj: alkohol, fenol ili druga molekula šećera. To može biti i spoj koji sadrži –NH- skupinu, koja s poluacetalnom –OH skupinom, uz izdvajanje vode, stvara tzv . N – glikozidnu vezu (za razliku od O-glikozidne veze kod hidroksi spojeva). U takve Nglikozide spadaju biokemijski osobito važni glikozidi: nukleotidi i nukleinske ki seline. Glikozidi su u prirodi vrlo rašireni. U biljnom svijetu nalazimo npr. već spomenuti indikan, koji je glikozid indoksila, pa otrovni amigdalin iz gorkih badema, koji hidrolizom daje glukozu, benzaldehid i HCN. Ovamo spadaju i farmakološki značajni kardio-aktivn i glikozidi (djeluju na srce) koje nalazimo ponajviše u biljci digitalis. Kao agliko n sadrže neki steroid. Najvažniji predstavnici. Od velikog broja monosaharida u prirodi se često pojavljuju samo neki od njih. Trioze gliceraldehid i dihidroksiaceton nastaju u metabolizmu glukoze. U međusobno j su ravnoteži preko enonog oblika, a pretvorbu katalizira enzim izomeraza. Kao međuprodukt metabolizma nastaje i tetroza D – eritroza. D - eritroza 90
Od aldopentoza su najvažnije D – riboza i 2 – deoksi – D – riboza ili dezoksiriboza koje nalazimo u strukturi nukleinskih kiselina. Prefiks '2 – deoksi-' znači da na C2 atomu nema –OH skupine. U nukleinskim kiselinama vezani su β – oblici navedenih pentoza. β – D – riboza β – D - deoksiriboza Ketopentoze nastaju kao međuprodukt metabolizma glukoze. Najvažnija aldoheksoza je D-(+)-glukoza. U prirodi se javlja slobodna ili kao sast avni dio složenih ugljikohidrata. Izgrađuje polisaharide škrob, glikogen i celulozu. Slobod na se nalazi u krvi i ostalim tjelesnim tekućinama, te u biljnim sokovima. Nalazi se i u strukturi mnogih glikozida. Glavni je izvor energije organizma. D-(+)-manoza i D-(+)-galaktoza nalaze se u strukturi nekih polisaharida. Galakto za je sastavni dio mliječnog šećera, laktoze. β – D – manoza β – D - galaktoza Od ketoheksoza važna je D-(-)-fruktoza. Dolazi u voću a sa glukozom gradi saharozu. Glavni je produkt hidrolize polisaharida inulina. 2-ketoheptoza D-sedoheptuloza nastaje u metabolizmu ugljikohidrata. Kod aminošećera je jedna hidroksilna skupina zamijenjena amino-skupinom. Nalazimo ih u nekim polisaharidima, glikolipidima i glikoproteinima. Biokemijski su važni: glukozamin (2-amino-2-dezoksiglukoza), galaktozamin (2-amino-2-dezoksigalaktoza) i neuraminska kiselina koja je složenije građe. Amino – skupina je često acetilirana. Glukozamin N – acetil - glukozamin Neuraminska kiselina nastaje aldolnom adicijom iz manozamina i pirogrožđane kiseline. Kao N – acetil – neuraminska kiselina (sialnska kiselina) nalazi se u sast avu glikolipida i glikoproteina. 91
neuraminska kiselina keto – oblik poluketalni oblik 4.1.2. Oligosaharidi Oligosaharidi sadrže od dvije do deset monosaharidnih jedinica međusobno povezanih glikozidnom vezom. Veza nastaje reakcijom poluacetalne hidroksilne skupine jedne molekule monosaharida s hidroksilnom skupinom druge molekule. To je obično hidroksilna skup ina s C-1 ili C-4 atoma a rjeđe s C-6 atoma. Od oligosaharida su najvažniji disaharidi. Ovisno o tome kako je ostvarena glikozi dna veza između monosaharida, razlikujemo dva tipa disaharida: trahelozni i maltozni t ip. Kod traheloznog tipa, veza nastaje reakcijom poluacetalne skupine jednog monosaharid a s poluacetalnom skupinom drugog monosaharida. Takav disaharid nema slobodnu poluac etalnu hidroksilnu skupinu pa ne pokazuje svojstva za koja je ta skupina odgovorna. On ne pokazuje mutarotaciju, nema sposobnost redukcije i ne stvara osazone niti glikozide. Kod disaharida maltoznog tipa, glikozidna veza nastaje reakcijom poluacetalne skupine samo jednog monosaharida, dok kod drugog monosaharida u reakciju ulazi n eka druga hidroksilna skupina koja nije poluacetalna. Jedna poluacetalna hidroksilna skupina ostaje slobodna pa nastali disaharid pokazuje svojstva monosaharida sa 'slobodno m' karbonilnom skupinom. On pokazuje mutarotaciju, može djelovati reduktivno, stvarat i osazone i glikozide. traheloza Saharoza je najpoznatiji šećer trahaloznog tipa. Raširena je u prirodi a dobiva se iz šećerne trske i šećerne repe. Sastavljena je od glukoze i fruktoze koje su međusobno povezanje preko anomernih ugljkovih atoma, glukoza αlikozidnom a fruktoza βlikozi dnom vezom. 92
saharoza α – D – glukopiranozil – β – D - fruktofuranozid ili β – D – fruktofuranozil – α – D – glukopiranozid skraćeno: Glc (α1 → 2β) Fru Hidrolizom s razrijeđenim kiselinama ili uz enzim invertazu dobiva se smjesa gluko ze i fruktoze u odnosu 1:1. hidrolizu prati promjena predznaka kuta zakretanja pa s e proces naziva inverzija a dobivena smjesa glukoze i fruktoze invertni šećer. saharoza αm= +66,5° + H2O glukoza → αm= +52,7° + fruktoza αm= -92,4° Specifična moć optičkog zakretanja mijenja se od αm= +66,5°, što odgovara saharozi, na αm= −19,9°, što je kut zakretanja dobivene smjese. Za razliku od saharoze, invertni šećer djeluje reduktivno. Nalazi se u medu. Važni disaharidi maltoznog tipa su maltoza, celobioza i laktoza. Maltoza je disaha rid koji nastaje hidrolizom škroba. Sadrži dvije molekule glukoze povezane αlikozidnom vezom koja nastaje reakcijom poluacetalne skupine jedne molekule s hidroksilnom skupinom C-4 atoma druge molekule. maltoza α – glukopiranozil - glukoza skraćeno: Glc (α1 → 4) Glc U škrobu se nalazi vezana i izoltoza, Glc (α1→ 6) Glc. Celobioza je disaharid glukoze kod kojeg su, za razliku od maltoze, molekule glu koze povezane β – glikozidnom vezom. Nastaje hidrolizom celuloze. celobioza β – glukopiranozil - glukoza skraćeno: Glc (β1 → 4) Glc 93
Laktoza ili mliječni šećer dolazi u mlijeku sisavaca. Sadrži galaktozu i glukozu koje su povezane β – glikozidnom vezom, pri čemu slobodna poluacetalna skupina ostaje na gluko zi. laktoza β – galaktopiranozil - glukoza skraćeno: Gal (β1 → 4) Glc 4.1.3. Polisaharidi Polisaharisdi su prirodni polimeri sastavljeni od više stotina pa do nekoliko tisuća glikozidno povezanih monosaharidnih jedinica. Razlikuju se po broju i vrsti mono saharidnih jedinica te po prostornoj strukturi molekule. Celuloza je najvažniji sastojak stijenki biljnih stanica. U drvu je ima oko 50% a gotovo čista celuloza nalazi se u pamuku. Izgrađena je od molekula glukoze međusobno povezanih β1 → 4 glikozidnom vezom. U nitastoj molekuli celuloze, drugi poliglukozid ni lanci unakrsno su povezani vodikovim vezama. Čvrstoću strukture prirodne celuloze povećavaju i veze s polimerima poput lignina i hemiceluloza. Lignin je polimer nek ih fenola a hemiceluloze su polisaharidi izgrađeni uglavnom od pentoza. Uporaba celuloze, njen ih estera i estera od goleme je važnosti za dobivanje raznih industrijskih proizvoda. Kao iz vor glukoze, celuloza može poslužiti životinjama preživačima i nekim insektima u čijem probavnom traktu postoje mikroorganizmi koji proizvode celulaze, enzime koji mogu cijepati β – glikoz idne veze u celulozi. Škrob je biljni polisaharid izgrađen od molekula glukoze međusobno povezanih α – glikozidnom vezom. Nalazimo ga u obliku škrobnih zrnaca čija veličina i oblik ovise o vrsti biljke u kojoj se pojavljuje. Može se rastaviti na dvije frakcije koje se razlikuj u u vezanju molekula glukoze, odnosno u strukturi i svojstvima. Amiloza čini oko 20% nativnog šk roba. To je lančasti polisaharid koji se sastoji od par stotina jedinica glukoze povezan ih samo α1→4 glikozidnim vezama. Poliglukozidni lanac ima oblik uzvojnice (heliksa). Ako se u prostore uzvojnice smjeste molekule joda, zbog intenzivne apsorpcije u vidljivom dijelu spektra, dolazi do nastanka karakterističnog plavog obojenja što ga škrob daje s jodom . Amilopekin čini preostali dio nativnog škroba. Sadrži do nekoliko tisuća jedinica glukoz e povezanih α1→4 i α1→6 glikozidnim vezama. Molekula ima razgranatu strukturu koja se sastoji od nekoliko stotina kratkih lanaca koji se granaju u prosjeku nakon svak ih 25 jedinica glukoze. Molekule glukoze u lancu povezane su α1→4 vezama a na mjestu grananja lanci su povezani α1→6 vezama. Djelovanjem kiselina ili enzima komponente škroba se postupno hidroliziraju u dekstrin (smjesa nižih polisaharida), pa u maltozu i konačno u gluko zu. Škrob ima veliku važnost u ljudskoj prehrani. U organizmu se razgrađuje djelovanjem αmilz e koj se nalazi u slini i tankom crijevu. Glikogen je polisaharid koji nalazimo u životinjskom tkivu, uglavnom u mišićima i jetri. Po strukturi je sličan amilopektinu samo mnogo više razgranat. Lanci molekula glukoze povezanih α1→4 vezama granaju se približno na svakih 12 jedinica glukoze. Na mjestima
94
grananja pobočni lanci povezani su α1→6 vezama. Relativna molekulska masa glikogena može iznositi do 107. Inulin je biljni polisaharid izgrađen najvećim dijelom iz molekula fruktoze povezani h β2→1 vezama. Kao spoj relativno male molekulske mase dobro je topljiv u vodi. Pektini su polimeri galaktouronske kiseline i metil-estera galaktouronske kiseli ne. Monomerne jedinice povezane su α1→4 vezama. Pektini se nalaze u voću a zbog lakog stvaranja gela upotrebljavaju se kao sredstva za želiranje. Gelove stvara i agar, polisaharid sastavljen iz galaktouronskih jedinica. Dobiva se iz morskih algi a upotrebljava se za pripravu podloga u mikrobiologiji. Hitin je izgrađen iz molekula N-acetil-glukozamina koje su povezane β1→4 vezama. Po strukturi je sličan celulozi i služi za izgradnju oklopa mnogih insekata i rakova . Od heteroglikana, polisaharida koji sadrže raznovrsne molekule, spomenut ćemo hijaluronsku kiselinu i heparin. Hijaluronska kiselina izgrađena je iz glukuronske kiseline i Nacetil-glukozamina. Važan je sastojak vezivnog tkiva. Osnovne struktu rne komponente heparina su: sulfatni ester glukuronske kiseline i sulfonirani glukozamin. Djelu je kao antikoagulans. Složene ugljikohidrate različitih duljina lanaca nalazimo vezane na peptidnim lancim a kod molekula glikoproteina. 4.2. Lipidi Lipidima možemo nazvati sve organske spojeve netopljive u vodi a topljive u organs kim otapalima (npr. u eteru, kloroformu ili benzenu). Lipidi koji ne hidroliziraju dugolančani uglikovodici, alkoholi kiseline Jednostavni esteri Fosfolipidi Glikolipidi masti, voskovi, sterolni esteri fosfatidne kiseline, fosfatidi cerebrozidi, gangliozidi Lipidi imaju tri velike uloge u stanicama. Prvo, pružaju važan oblik 'spremnika' ene rgije. Drugo, vrlo su važan sastojak stanične membrane a treća glavna uloga im je u procesima stanične signalizacije – i kao steroidni hormoni (primjerice estrogen i progesteron) i kao signalne molekule koje provode signal s površinskih receptora stanice na unutarsta
nične ciljeve. 4.2.1. Jednostavni esteri Najjednostavniji lipidi su jednostavni esteri, masne kiseline, koji se sastoje o d dugačkih ugljikovodičnih lanaca koji najčešće sadrže 16 ili 18 atoma ugljika s karboksilnom (COO-) grupom na jednom kraju. Nezasićene masne kiseline sadrže jednu ili više dvostrukih vez a između atoma ugljika, dok je kod zasićenih masnih kiselina prisutan maksimalan broj vezanih vodikovih atoma. Dugački ugljikovodični lanci masnih kiselina sadrže samo nepolarne CH 95
veze, koje ne mogu ući u interakcije s vodom. Hidrofobna priroda ovih lanaca masni h kiselina odgovorna je za ponašanje kompleksnih lipida, posebice u tvorbi bioloških membrana. Palmitinska kiselina (C16) Stearinska kiselina (C18) Oleinska kiselina (C18) Masne kiseline su pohranjene u obliku triacilglicerola (triesteri glicerola, neu tralne masti), koje se sastoje od tri masne kiseline vezane na molekulu glicerola. Triacilglice roli su netopljivi u vodi i stoga se akumuliraju kao kapljice masti u citoplazmi. Kada j e potrebno, mogu se razložiti u korist reakcija koje zahtijevaju energiju. Zapravo su masti mn ogo učinkovitije kao spremnici energije nego ugljikohidrati, jer sadržavaju duplo više ene rgije od ostalih upotrebljivih izbvora. S obzirom na molekularnu težinu, dopuštaju skladištenje duplo više energije nego ista količina ugljikohidrata, što je posebno važno za životinje zbog nj ihove pokretljivosti. U organizmu se hidrolitički razgrađuju pod djelovanjem lipaza. triacilglicerol Dakle, kao kiselinsku komponentu sadrže obično nerazgranate monokarboksilne kiseline s parnim brojem ugljikovih atoma, i to zbog izgradnje iz C2 jedinica te su najviše z astupljene kiseline s 16 i 18 ugljikovih atoma. Udjeli pojedinih kiselina mijenjaju se od m asti do masti. Tekuće masti i ulja sadrže veći udio nezasićenih masnih kiselina. 96
Kemijske reakcije masti zbivaju se na esterskoj skupini ili prisutnoj dvostrukoj vezi. To su obično reakcije hidrolize i adicije. Baznom hidrolizom (saponifikacijom) masti dob ivaju se glicerol i smjesa alkalijskih soli masnih kiselina – sapuni. Količina alkalijskog hi droksida potrebnog za osapunjenje masti karakteristika je određene masti – broj osapunjenja o dgovara potrošku KOH (u mg) za osapunjenje 1 g masti. Prisutna neosapunjiva onečišćenja smanjuju broj osapunjenja. Stupanj nezasićenosti, kao važna karakteristika masti, može se odrediti iz količine halogena, obično joda, koji se može adirati. Izražava se jodnim brojem, koji označuje ma su joda (u mg) adiranog na 100g masti. Postupnom hidrolizom i oksidacijom na zraku i svijetlu te pod utjecajem mikroorganizama mast se kvari i postaje užegla. Stvaraju se slobodne kiseline, ald ehidi i ketoni neugodnog mirisa. 4.2.2. Složeni lipidi Fosfolipidi ili fosfatidi su diesteri fosfatne kiseline. Glavni su sastojci stan ične membrane, sastoje se od dvije masne kiseline vezane na polarnu 'glavu'. Najčešće su su to glicerofosfatidi, dvije masne kiseline vezane na atome ugljika glicerola, kao ko d triacilglicerida. Pri tome je na treći atom vezana fosfatna grupa, na koju je pak vezana često druga polarna molekula, kao kolin, serin, inozitol ili etanolamin (na C1 obično je vazan ostatak zasićene a na C2 ostatak nezasićene kiseline). Fosfatidna kiselina Fosfatidil - etanolamin 97 Fosfatidil - kolin
Fosfatidil - serin Fosfatidil - inozitol Diacilgliceroski ostatak je lipofilni dio molekule na koji se nadovezuje hidrofi lni dio. Kod fiziološkog pH, hidrofilni dio molekula najvažnijih je dipolaran. Ostatak fosfat ne skupine nabijen je negativno a dušik kolina, etanolamina ili serina nosi pozitivni ostatak . S obzirom na to da su amfipatske molekule, u vodenom mediju stvaraju micele, odnosno dvostruk e slojeve ili lamele, gdje su hidrofobni lanci okrenuti prema unutra a hidrofilni kraj pre ma vodi. Ovo svojstvo fosfolipida je osnova nastanka bioloških membrana. Kardiolipin je neobičan 'dvostruki' fosfolipid jer sadrži čak četiri lanca masnih kiselina, primarno se nalazi na unutrašnjoj membrani mitohondrija, a izoliran je i iz srčanog mišića. Kardiolipin (bifosfatidil – glicerol) Sfingomijelin je jedini 'ne-glicerolski' fosfolipid u staničnoj membrani. Dva ugljikohidratna lanca vezana su na polarnu glavu koju čini serin. Zapravo, na amin o – grupu 98
serina vezana je amidnom vezom masna kiselina - takav amid naziva se ceramid – a z atim se na krajnju hidroksilnu skupinu esterski veže fosfatna kiselina i kolin, tj. fosfok olin : ceramid sfingomijelin 4.2.3. Glikolipidi Uz fosfolipide, mnoge stanice sadrže glikolipide. Sastoje se od dva ugljikovodična lanca vezana na ugljikovodičnu polarnu glavu. Stoga su po svom općem ustroju kao amfipatske molekule slični fosfolipidima. Glikolipidi su ekskluzivni sastojak vanj skog lista membranskog dvosloja, s ugljikovodičnim dijelom izloženim površini stanice. No, oni tv ore samo oko 2% svih lipida većine membrana. Važni glikolipidi su glinkosfingolipidi. Njihovu osnovu čini ceramid na koji se, pre ko krajnje hidroksilne skupine, veže ugljikohidrat. Kod ovako građenih lipida, ugljikoh idratni ostatak predstavlja hirofilni dio molekule. Jednostavni neutralni glikosfingolip idi, cerebrozidi, kao ugljikohidratnu komponentu sadrže neki monosaharid. Kod cerebrozida koji se na laze u mozgu to je obično galaktoza. Cerebrizid (glikosfingolipid – glikolipid) 99
Kod sulfatida na C-3 atomu galaktoze esterski je vezana sulfatna kiselina. U glikolipide spadaju i gangliozidi, koji na ceramidnom dijelu imaju vezan oligosaharid s dva do četiri šećerna ostatka. Oligosaharid obično sadrži glukozu, galaktoz u, N-acetilgalaktozamin i sialnisku kiselinu, što je nazi N-acetil- ili N- glikolilne uraminsku kiselinu. Nalazimo ih u najvećoj koncentraciji u mozgu. Sastav molekule nekog gang liozida prikazuje slijedeća shema. Na vanjskom listu membrane, glikolipidi su vezani na C-terminalne krajeve proteina pomoću posebne tvorbe koju nazivamo 'GPI sidro' (jer su najčešće vezani na fosfatidil – inozitol, glikofosfatidilinozitol). Oligosaharidni dijelovi GPI sidara vežu se na terminalnu karboksilnu grupu polipeptidnih lanaca, a inozitolna polarna glava fosfatidil-inozitola se opet veže na olisaharid, tako ugljikohidrat služi kao most između proteina i masnih kiselina fosfolipida membrane. GPI sidra sintetiziraju se i dodaju na protein u endoplazmatskom retikulumu kao dio posttranslacijskih modifikacija. 4.2.4. Izoprenoidni lipidi Strukturna jedinica zajednička izoprenoidnim lipidima jest izoprenska jedinica, 2 – metil – 1,3 – butadien. Izopren, 2 – metil – 1,3 - butadien Preteča u biosintezi izoprenoida nije sam izopren već strukturno sličan izopentanil – difosfat (izopentenil – pirofosfat), koji nastaje iz acetil CoA. Izomerizacijom pr elazi u dimetilalil – difosfat. 100
Povezivanjem izopentenil – difosfata i izomernim dimetilalil – difosfatom dolazi se do jednostavnih izoprenoida iz kojih se dalje grade spojevi složenih struktura. Tako, na primjer, iz dvije C5 – jedinice (jedinice od pet C – atoma) nastaje C10 – spoj a iz tri C5 – jedi nice C15 – spoj. Iz dva C15 – spoja nastaje pak C30 – spoj. Izoprenske jedinice nalazimo u strukturi terpena, sastojaka mirisnih biljnih ulj a. Sadrže po 2, 3, 4, 6 ili 8 izoprenskih jedinica. To mogu biti ugljikovodici, alkoh oli, eteri ili karbonilni spojevi, lančaste ili cikličke strukture. Hlapljivi C10 – i C15 – terpeni ugl jaste su tekućine ugodnog mirisa. Jednostavni monoterpeni (sadrže dvije izoprenske jedinice) su na primjer: miracen iz lovora, limonen iz limunovog i narančinog ulja, te mentol iz ulja metvice. miracen limonen mentol Triterpen skvalen, koji sadrži šest izoprenskih jedinica (30 C atoma), međuprodukt je u biosintezi kolesterola: Karotenoidi su tetraterpeni (40 C atoma) rašireni u biljnom i životinjskom svijetu. Sadrže duge ugljikovodične lance pa su dobro topljivi u ostalim lipidima, a zbog vel ikog broja konjugiranih dvostrukih veza žute su ili crvene boje. Tu spada na primjer β – karoten, preteča vitamina A ili provitamin A. Ima ga primjerice u mrkvi. β – karoten Lančasti izomer β – karotena, likopen, daje rajčicama i nekim drugim plodovima crvenu bo ju. Neki spojevi sadrže ugljikovodične lance sastavljene iz izoprenskih jedinica samo ka o bočne lance. Na primjer, izoprenoidni lanac sastavljen od šest C5-jedinica sadrži vita min K2, a lanac od tri C5-jedinice vitamin E. Izoprenoidni lanac od četiri C5-jedinice nalaz i se u klorofilu. Steroidi. Osnova strukture svih steroida je tetraciklički sustav izgrađen od tri cikloheksanska i jednog ciklopentanskog prstena. To je zasićeni aliciklički ugljikov odik koji se naziva gonan, a prikazuje na slijedeći način. 101
steroidni kostur 5α - gonan Prema pravilima nomenklature, konfiguracija na čvorištima 5, 8, 9, 10, 13 i 14 označuje se u formuli uz pomoć punih ili isprekidanih linija. Puna linija (β – prijentac ija) označuje vezu s atomom (ili supstituentom) koji se nalazi iznad ravnine prstena, a isprekidana linija (α – orijentacija) vezu s atomom ispod te ravnine. Konfiguracije na položajima 8, 9, 10, 13 i 14 su kod većine steroida kao u prikazanoj formuli, tj. 8β, 9α, 10β, 13β i 14α, pa ih n ije potrebno navoditi sve dok se ne utvrdi suprotno. Na čvorištu 5 konfiguracija vodika ili supstituenata treba biti označena. Prema tome, '5α' ispred naziva 'gonan' označuje α – orijentaciju na položaju 5. konfiguracija supstituenata vezana na neki drugi položaj u steroidnom sustavu također se označuje s α ili β, odnosno s ξ, ako je konfiguracija nepozn ata. U vezi konformacije steroida treba naglasiti, već od ranije poznatu činjenicu, da cikloheksanski prstenovi u prikazanom sustavu nisu ravni već imaju konformaciju st olice. Kod većine biološki aktivnih steroida na položajima 10 i 13 vezane su metilne skupine a na položaju 17 duži ili kraći β – orijentirani bočni lanac. Ugljikovi atomi metilnih skupi na na C-10 i C-13 su atomi C-19 i C-18, a na C-17 se veže C-20. Uzmimo kao primjer ugljikovodik kolestan: 5α - kolestan Hidroksilni derivat kolestana s dvostrukom vezom na C-5 je kolesterol, najpoznat iji i najvažniji životinjski steroid. kolesterol 5 – kolestan - 3β - ol Kolesterol je prisutan u svim staničnim strukturama. U većim se količinama nalazi u staničnoj membrani, gdje pri nižim temperaturama povećava, a pri višim temperaturama snižava pokretljivost stanične membrane. Naime, membranu ne treba smatrati nekakvom statičnom strukturom – naprotiv – samo jedan lipid promjeni svoje mjesto u membrani 10 6 puta u sekundi, a ne treba zaboraviti niti bezbrojne transportne procese i sl. što staničnu membranu čini izuzetno dinamičnom strukturom. U tjelesnim tekućinama kolesterol se 102
prenosi uz pomoć lipoproteina. Polazna je tvar u biosintezi mnogih drugih važnih ste roida: žučnih kiselina, steroidnih hormona i vitamina D. Soli žučnih kiselina nastaju u jetri kao glavni produkti metabolizma kolesterola. Sadrže polarnu hidrofilnu skupinu pa se mogu ubrojiti u površinski aktivne tvari. Po mažu emulgiranje lipida iz hrane, tj. djeluju kao emulgatori masti i ostalih lipida u probavnom traktu. Najvažnije solu su amidni derivati kolne i dezoksikolne kiseline s aminoki selinama glicinom i taurinom (H2N – CH2 – CH2 – SO3' ). (R=OH) kolna kiselina (R=H) dezoksikolna kiselina glikokolat (taurokolat) Preteča vitamin D, provitamin D, za čovjeka je 7-dehidrokolesterol. U koži se, pod utjecajem ultraljubičaste svjetlosti, pretvara u kolekalciferol (vitamin D3). Pri tome se konjungirani dienski prsten B otvara i mijenja konformacija spoja. Provitamin D je i biljni steroid ergosterol. U prstenu B ima isti raspored konju ngiranih dvostrukih veza kao 7-dehidrokolesterol, od kojeg se razlikuje samo po bočnom lanc u na C17. istim mehanizmom, pod utjecajem UV svjetlosti prelazi u ergokalciferol (vitamin D2). Manjak vitamina D izaziva rahitis. Steroidni hormoni prikazani su u posebnom poglavlju. 103
4.3. Peptidi Peptidi su sastavljeni od aminokiselina međusobno povezanih peptidnom (amidnom) vezom. Prema broju molekula aminokiselina razlikujemo dipeptide, tripeptide itd. , te polipeptide. Polipeptidi koji sadrže preko stotinu aminokiselina (relativne moleku lske mase veće od 10 000) ubrajaju se već u proteine, no između peptida i proteina ne može se povući oštra granica. Peptidna veza nastaje reakcijom karboksilne skupine jedne aminokiseline s aminos kupinom druge aminokiseline: Redoslijed njihova povezivanja može pri tome varirati. Na primjer, iz aminokiselin e glicina i alanina mogu nastati dva izomerna dipeptida: glicil – alanil (Gly-Ala) alanil – glicin (Ala-Gly) Kod glicil – alanina, glicin je N-terminalna aminokiselina (ima slobodnu –NH2 skupinu) a alanin je C-terminalna aminokiselina (ima slobodnu –COOH skupinu). Obrn uti je slučaj kod alanil-glicina. Prema konvenciji, N-terminalna aminokiselina piše se uvij ek na prvom mjestu, tj. na lijevoj strani, a u nazivu spoja dobiva nastavak –il. C-termi nalna aminokiselina zaržava pak svoje puno ime. Tako se iz naziva alanil-fenilalanil-ser in može zaključiti da se radi o tripeptidu kod kojeg je alanin N-terminalna a serin C-term inalna aminokiselina. Ala-Phe-Ser Zbog mogućih varijacija redoslijeda, tzv. sekvencije aminokiselina u peptidu, iz d vije aminokiseline mogu nastati dva izomerna dipeptida, iz tri aminokiseline šest izome rnih tripeptida, a polipeptidi sastavljeni od velikog broja aminokiselina mogu teoret ski postojati u vrlo velikom broju izomernih oblika. Određivanje strukture pojedinog peptida zahti jeva stoga poznavanje, ne samo vrsta i broja aminokiselina koje izgrađuju molekulu, već i sekve ncije aminokiselina u polipeptidnom lancu. Za određivanje sekvencije koriste se metode čij a je osnova postupna razgradnja i identifikacija krajnjih, ponajviše N-terminalnih amin okiselina. 104
Mnogi peptidi imaju važne fiziološke funkcije. Tripeptid glutation je γlutminlciste illicin.
luttion (Glu-Cys-Gly) U reverzibilnoj reakciji lako se oksidira u disulfidni oblik pa mu se pripisuje uloga biološkog redoks sustava. Od peptidnih hormona spomena važni su inzulin i glukagon. Inzulin je polipeptid izgrađen od 51 aminokiseline (Mr≈5800). Osnovu strukture čine dva peptidna lanca međusobno povezana dvjema disulfidnim vezama (preko cisteinskih ostataka). Dulji l anac sadrži 30 a kraći 21 aminokiselinu. Glukagon se sastoji od lanca izgrađenog od 29 aminokiselina (Mr≈3500). U peptide se ubrajaju i neki antibiotici. inzulin 4.4. Proteini Molekule proteina izgrađene su od velikog broja aminokiselina – sadrže od jedne stotine pa do preko tisuću aminokiselinskih ostataka. Kao što je već spomenuto, protei ni imaju ulogu izvršavanja zadataka koji kao informacija zapisani u obliku DNA, pa sl uže kao strukturne komponente stanica i tkiva, djeluju u prijenosu i skladištenju malih mo lekula (hemogolobin i mioglobin), prenose informacije među stanicama (proteinski hormoni) i omogućuju obranu protiv infekcije (antitijela),a posebno je važno svojstvo proteina da mogu djelovati kao enzimi koji kataliziraju gotovo sve kemijske reakcije organizmu. Naravno, osnovu strukture proteina čini peptidni lanac s ograncima ili pobočnim lancima koji se nalaze na svakom trećem (αCtomu) glavnog lanca. Pobočni lanac čini aminokiselinski ostatak (skupina R). Za glicin je to –H, za alanin CH3, za fenilal anin – CH2C6H5, itd. 105
odsječak peptidnog lanca Aminokiselinska sekvenca u proteinu, primarna struktura proteina, samo je prvi element njegove strukture. Proteini nisu samo dugački lanci aminokiselina nego dob ivaju raznolike trodimenzionalne konformacije koje su ključne odrednice za njihove biološk e funkcije. Konformacija proteina rezultat je interakcija među njegovim aminokiselin ama, stoga je i oblik proteina određen sekvencom, ali i svojstvima same peptidne veze (peptid ne skupine, -CO-NH-). Kako je već spomenuto, kod peptidne veze dolazi, naime, do pojave rezona ncije, tj. do stvaranja strukture rezonantnog hibrida. rezonantni hibrid Potpuna rezonantna stabilizacija moguća je samo ako svi atomi peptidne veze leže u jednoj ravnini. Ispitivanja strukture peptida i proteina potvrdila su planarnost peptidne veze. To znači da prostorni raspored peptidnih lanaca ovisi o odnosima ravnina peptidnih veza u molekuli. Rotacija oko jednostruke veze i prelamanje peptidnog lanca mogući su sam o oko veza s obje strane peptidne skupine, tj. na αCtomu. sloodn rotacija u peptidnom lancu Uz peptidnu vezu, u proteinskim molekulama susrećemo i druge vrste veza ili međusobnih privlačanja: vodikovu i disulfidnu vezu te elktrostatička i hidrofobna priv lačenja. To su veze odnosno privlačenja koja povezuju pojedine odsječke peptidnih lanaca i do prinose stabilizaciji određenog prostornog rasporeda. U izgradnji različitih struktura najvažn iju ulogu imaju vodikove veze. One najčešće nastaju između karbonilnog kisika jedne peptidne skupi ne i amidnog vodika druge skupine. vodikova veza između peptidnih skupina U stvaranju vodikove veze mogu sudjelovati i polarne skupine pobočnih lanaca aminokiselina, npr. hidroksilne i karboksilne skupine. Disulfidne veze povezuu p obočne lance preko cisteinskih ostataka. disulfidna veza 106
Između nabijenih skupina koje se nalaze na pobočnim lancima aminokiselina dolazi do ionskih privlačenja, a nepolarne skupine međusobno približavaju tzv. hidrofobne vez e. ionsko privlačenje hidrofobna veza Do približavanja nepolarnih skupina dolazi obično u unutrašnjosti zbijene molekulske strukture na mjestima gdje je došlo do istiskivanja molekula vode. Konformacija proteina obuhvaća i sekundarnu, tercijarnu i kvaternu strukturu. Dok je primarna struktura sekvencija aminokiselina u polipetdinom lancu, sekundarna str uktura odnosi se na prostorni razmještaj peptida u lancu, dakle, uobičajeni smještaj aminokis elina unutar lokaliziranih regija polipeptida. Primjeri sekundarne strukture su αuzvojn ic, βstruktur (βsheet) i kolagenska uzvojnica. αuzvojnic je struktura kod koje je peptidni lanac ovijen oko zamišljenog valjka, p ri čemu su aminokiselinski ostaci usmjereni prema van (izvan uzvojnice). U prirodi je raširena desna αuzvojnic (smjer kazaljke na satu) s 3,6 aminokiselinskih ostataka po navo ju. Takav raspored omogućuje stvaranje vodikovih veza između svih peptidnih skupina u lancu. V eze se uvijek stvaraju između karbonilnog kisika i amidnog vodika skupina koje u lancu ra zdvajaju tri aminokiselinska ostatka. Kao što je na slici vidljivo, vodikova veza između CO i NH skupina povezuje pojedine navoje, što daje osobitu stabilnost strukturi αuzvojnice. α - uzvojnica Udio α – uzvojnice u molekulama proteina varira. Na primjer, kod hemoglobina i mioglobina peptidni lanac je pretežno u obliku α – uzvojnice. U nekim slučajevima peptid ni lanci sa strukturom uzvojnice ovijaju se jedan oko drugog tvoreći izdužene strukture poput užeta. Takvu strukturu ima npr. protein kose ili vune, α – struktura prelazi u nabranu strukturu, tzv. β – keratin, s paralelno položenim peptidnim lancima. Kolagenska uzvojnica je poseban oblik sekundarne strukture. Izgrađena je od tri jednako velika peptidna lanca koji se ovijaju jedan oko drugog tvoreći vrlo čvrstu s trukturu užeta: Zbijenost strukture omogućuje veliki broj malih glicinskih ostataka u svakom od peptidnih lanaca (svaki treći aminokiselinski ostatak u nizu). Uz glicin, u strukt uri uzvojnice 107
često se pojavljuju i aminokiseline prolin i 4-hidroksiprolin. Lanci trostruke uzv ojnice međusobno su povezani vodikovim vezama. U stvaranju veza, uz peptidne skupine, sud jeluju i hidroksilne skupine hidroksiprolina. Udruživanjem većeg broja trostrukih uzvojnica (kolagenskih monomera) nastaju složene strukture kolagenskih vlakana. Posebnu čvrstoću vlaknima daju kovalentne veze kojima se unakrsno povezuju pojedine monomerne jedinice. Kolageni su glavni prot einski sastojci građevnog i vezivnog tkiva (koža, kosti, tetive, hrskavice i krvne žile). Nabrana ili βstruktur (plated sheet) još je jedan oblik sekundarne strukture. Sadrži najčešće između dva i pet peptidnih lanaca međusobno povezanih vodikovim vezama. Peptidni lanci koji čine strukturu nisu potpuno istegnuti, kako bi se stvorio pros tor za pobočne lance aminokiselina i omogućilo međusobno povezivanje susjednih lanaca. Možemo si zamisliti da nabrana struktura nastaje nabiranjem ravnine u kojoj se nalaze međuso bno povezani lanci. Na αCtomim dolazi do prelamanja lanaca, odnosno ravnina peptid nih veza, pri čemu se pobočne skupine usmjeruju okomito nagore ili nadolje, u odnosu na ravninu nabiranja. Tercijarna struktura predstavlja strukturu cijele proteinske molekule, pa time i prostorni položaj svih aminokiselinskih ostataka. Kod većine proteina, peptidni lanc i često mijenjaju smjer i u prostoru su nabrani i smotani na sasvim određeni način. Na raspo red lanaca utječu i elementi sekundarne strukture (αuzvojnice i βstrukture) kao i međusobn e interakcije aminokiselinskih ostataka (vodikove i disulfidne veze, te ionska i h idrofobna privlačenja). Budući da su pojedine aminokiseline sklone stvaranju bilo αuzvojnice bi lo nabrane strukture, može se kazati da sekvencija aminokiselina u proteinu (primarna struktura proteina) određuje i njegovu prostornu građu. Postoje i aminokiseline koje svojom po javom u sekvenciji aminokiselina izazivaju prekid određene pravilne strukture i promjenu s mjera lanca. Na primjer, prolin se, kao ciklička iminokiselina, ne može uklopiti u αuzvojni cu – rotacija oko veze αCN nije moguća, a nedostaje i amidni vodik potreban za stvaranj e vodikove veze. ostatak prolina u peptidnom lancu Na mjestu pojave prolina dolazi stoga do narušavanja pravilne strukture uzvojnice. Većina proteina je kuglastog oblika (globularni proteini). Istraživanje njihove građe, uz pomoć rendgenske kristalografije, su pokazala da tercijarna struktura takvih pr oteina u sebi sadrži odsječke pravilne sekundarne strukture kao i područja s drukčijim razmještajem peptidnog lanca. Udio određene sekundarne strukture u molekulama proteina varira. Kod nekih proteina prevladava struktura αuzvojnice a kod nekih βstruktur. Odsječci α 108
uzvojnice i βvlkn često se udružuju u tzv. smotajne jedinice, koje čine važne elemente građe proteina. Strukture izgrađene od više motiva sekundarnih struktura su supersekundarne. Često imaju točno definiranu molekularnu funkciju. tipovi bačvastih struktura βmendr (ruredoksin)
rčki meandar (prealbumin) βαβčva (trioza – fosfat – izomeraza) Primjer proteina u kojem prevladava struktura αuzvojnice je mioglobin, protein mišića koji može reverzibilno vezati kisik. Izgrađen je od jednog peptidnog lanca koji j e smotan u vrlo kompaktnu molekulu. Oko 75% aminokiselinskih ostataka sudjeluje u izgradnji segmenata αuzvojnice, kojih je ukupno osam. Područja αuzvojnice povezuju zavojne pet lje. U procjepu molekule smještena je prostetska skupina hem (kompleks željeza s porfirin om). shematski prikaz mioglobina Pri stvaranju opisane strukture, aminokiselinski ostaci raspoređuju se na način koji je specifičan za topljive globularne proteine. Nepolarni hidrofobni ostaci, 'bježeći' od vode, skupljaju se u unutrašnjosti molekule, a polarni nabijeni ostaci staju na površini o kruženi molekulama vode. Navedeni raspored nastaje spontanim uvijanjem lanca u termodina mički stabilniji oblik. Proces je popraćen porastom entropije, do kojeg dolazi zbog istiskivanja vode iz unutrašnjeg dijela molekule – dehidratacija dovodi do porasta nereda u sustavu. O kvaternoj strukturi govori se u slučaju kad se globularne proteinske podjedinice s definiranom tercijarnom strukturom spajaju u novu cjelinu ili agregat. Podjedini ce drže 109
zajedno vodikove vezi i ionska privlačenja. Kvaterna struktura karakteristična je i važna za biološku aktivnost određenog broja enzima. Osobito je dobro proučena kod hemoglobina. Molekula hemoglobina sastoji se od četiri podjedinice: 2 αlnc i 2 βlnc. Tercijar na struktura α i β lanaca sadrži 70% αuzvojnice i slična je strukturi mioglobina. U svakoj podjedinici smješten je po jedan hem. 4.4.1. Svojstva proteina Relativna molekulska masa važna je karakteristika proteina. Može se odrediti mjerenjem brzine sedimentacije u ultracentrifugi, gdje se s velikim brojem okret aja postižu sile koje su toliko jake da izazovu taloženje molekula proteina u otopini. Treba s pomenuti i gelfiltracijsku kromatografiju, koja u osnovi služi za razdvajanje čestica po veličini , a može se primijeniti i za određivanje relativne molekulske mase čestice. Topljivost proteina ovisi o građi molekule. Globularni proteini su u pravilu toplj ivi u vodi, a skelroproteini (vlaknasti ili fibrilarni proteini) su netopljivi. Kod to pljivih proteina, na površini molekula nalaze se slobodne nabijene skupine pobočnih lanaca aminokiselina (npr. – COO−, NH3+). U vodenoj otopini, oko hidrofilne proteinske molekule stvara se zaštitn i ovoj molekula vode (hidratni ovoj). Po dimenzijama molekula, otopine proteina spadaju u koloidne otopine. Proteini se najbolje otapaju u razrijeđenim otopinama soli – dodatak većih ko ličina soli taloži proteine. Kod vrijednosti pH koji odgovara izoelektričnoj točki proteina, koloidna otopina je najnestabilnija i protein se lako taloži. Netopljivi proteini imaju na površini molekule raspoređene mnogobrojne hidrofobne aminokiselinske ostatke. Izrađuju se biološke membrane, a s lipidnim sastojcima memb rana stvaraju hidrofobne veze. Denaturacija smanjuje topljivost proteina te izaziva njihovu koagulaciju. Do denaturacije proteina dolazi pri zagrijavanju, djelovanju jakih kiselina ili baz a i niza organskih spojeva od kojih spominjemo: organska otapala, ureu, aromatske kiseline i pikrin sku kiselinu. Pri denaturaciji kidaju se veze koje su stabilizirale nativnu konformaciju molek ule i proteinski lanac se otvara. Stvaranje neorganizirane strukture prati veliki porast entropije. Zbog promjene konformacije, denaturirani protein gubi biološka svojstva, npr. enzimsko ili hormo nsko djelovanje. Denaturacija ne mora uvijek biti ireverzibilna – uklanjanjem uzroka de naturacije, iz slučajnom klupka može nekad ponovno nastati prvobitna struktura, kao i djelovanje m odgovarajućih enzima na denaturiranu molekulu. 4.4.2. Podjela proteina Proteini se mogu podijeliti na jednostavne i složene proteine, tzv. proteide. Jednostavni proteini sastavljeni su samo od aminokiselina, dok proteidi, kao dio svoje strukture sadrže i neproteinski dio ili prostetičku skupinu. Na primjer: 110
glikoproteini (sadrže ugljikohidrat, npr. globulini plazme) lipoproteini (labavi agregati s lipidima, vrše transport lipida u vodenom mediju) • fosfoproteini (sadrže fosfatnu kiselinu, npr. kazein iz mlijeka) • metaloproteini (sadrže metal) Prema obliku molekula, proteini se mogu podijeliti u dvije skupine; skleroprotei ne i globularne proteine. Skleroproteini imaju fibrilarnu strukturu (vlaknasti protei ni). Netopljivi su u vodi pa izgrađuju potporno i vezivno tkivo. Tu spadaju npr. keratini (koža, kos a, nokti), kolageni (koža, tetive, hrskavica) i elastini (krvne žile, ligamenti). Globularni il i sferoproteini imaju zbijene molekule približno kuglastog oblika. Topljivi su u vodi ili razrijeđen im otapalima soli. U ovu skupinu spadaju gotovo svi enzimi, proteini krvne plazme i proteini bjelanca jajeta. • • 4.5. Nukleinske kiseline Nukleinske kiseline – DNA i RNA – su osnovne 'informacijske' molekule stanice. Deoksiribonukleinska kiselina (DNA) ima jedinstvenu ulogu kao genetički materijal, koji je u eukariotskim stanicama smješten u jezgri. Različiti tipovi ribonukleinskih kiselina (RNA) sudjeluju u brojnim staničnim aktivnostima. Glasnička RNA prenosi informaciju od DNA do ribosoma, gdje služi kao predložak za sintezu proteina. Dva druga tipa RNA (rRNA i t RNA) također sudjeluju u sintezi proteina. I druge vrste RNA su 'umiješane' u obradu i pr ijenos i RNA i proteina. Uz ulogu informacijske molekule, RNA je također sposobna katalizir ati nekoliko kemijskih reakcije isto u vezi sa sintezom proteina i obradom RNA. DNA i RNA su polimeri nukleotida, koji se sastoje od purinskih i pirimidinskih b aza povezanih s fosforiliranim šećerima. DNA sadrži dva purina (adenin i guanin) i dva pirimidina (citozin i timin). Adenin, guanin i citozin također su prisutni u RNA, ali je umjesto timidina uracil. purini adenin guanin pirimidini citozin timidin uracil Baze su N-glikozidnom vezom vezane na pentozu: D-ribozu ili 2-deoksi-D-ribozu. Spoj baze s pentozom naziva se nukleozod. Na primjer, adenozin je sastavljen od adenina i Driboze, a dezoksicitidin i dezoksitimidin iz citozina odnosno timina i D-dezoksiriboze. Kod
prirodnih nukleozida N-glikozidna veza ima βkonfiurciju. 111
denozin (A) dezoksicitidin (dC) dezoksitimidin (dT) Nukleotidi su fosfatni esteri nukleozida, od kojih su najčešći i najvažniji nukleozid-5' fosfati (mjesto esterifikacije, tj. mjesto na koje se veže fosfatna grupa jest C-5 ' atom pentoze nukleozida). Esterifikacijom adenozina nastaje ribonukleotid adenozin-5'-fosfat, poznatiji kao adenozin-monofosfat (AMP) ili adenilat (prema nazivu adenilna kiselina). Vezanje m difosfatne skupine dobiva se adenozin-difosfat (ADP), a vezanjem trifosfatne sku pine adenozin-trifosfat (ATP). Svi skupa čine sustav adenilne kiseline. ATP, s dvjema 'energijom bogatim' anhidridnim vezama, odlikuje se visokim potencijalom prijenosa fosfatne skupine. U tom smislu ATP predstavlja glavni nep osredni izvor energije u biološkim sustavima. ATP se neprestano troši i ponovno stvara iz AA DP, pa se može kazati da je ciklus ATP ↔ ADP osobito značajan za izmjenu energije u biološkim sustavima. Od dezoksiribonukleotida navodimo dva primjera: dezoksivanilat i dezoksitimidila t. dezoksigvanozin-5'-fosfat (dGMP) dezoksitimidin-5'-fosfat (dTMP) 5' – nukleotide nalazimo u sastavu nekih koenzima. To su nikotinamidni (NAD+ i NADP ) i flavinski (flavin-adenin-dinukleotid, FAD) nukleotidi, te koenzim A. Oligonukleotidi su mali polimeri koji sadrže samo nekoliko nukleotida, veliki polinukleotidi, čineći staničnu DNA i RNA mogu sadržavati i tisuće ili milione nukleotida. Važno je spomenuti da polinukleotidni lanac ima 'smisao' za smjer, gdje jedan lana c završava + 112
5'-fosfatnom grupom a drugi 3'-hidroksilnom grupom. Polinukleotidi se uvijek sin tetiziraju u 5' → 3' smjeru, gdje se slobodni nukleotid dodaje na 3'OH grupu rastućeg lanca. Prem a konvenciji, sekvencija baza DNA ili RNA također se piše u 5' → 3' smjeru. 4.5.1. DNA Najvažnije obilježje živih bića jest sposobnost reprodukcije. Svi organizmi od roditelja nasljeđuju genetičku informaciju koja određuje njihovu strukturu i funkciju. Isto tako , sve stanice nastaju od već postojećih stanica, tako da se genetički materijal mora replici rati i prenositi sa roditeljske na stanicu potomak pri svakoj diobi. Stoga je razumijev anje mehanizam genetičke transmisije i identifikacije DNA kao genetičkog materijala ključni korak u razumijevanju kemije i biologije na molekularnom nivou. Trodimenzionalnu strukturu DNA predstavili su 1953. godine James Watson i Franci s Crick, a izvedena je na osnovi niza podataka, među kojima su najvažniji bili podaci dobiveni pomoću X-zraka (Rosalind Franklin), podaci o zastupljenosti heterocikličkih baza u m olekuli te Paulingovi opisi vodikove veze u αuzvojnici kao čestog oblika sekundarne struktu re proteina. Predstavili su model dvostruke uzvojnice nastale omatanjem polinukleot idnih lanaca oko zajedničke osi. Na vanjskom dijelu uzvojnice smještene su jedinice pentoza i fos fatne skupine, dok su baze smještene u unutrašnjosti uzvojnice. Parovi baza dvaju lanaca p ovezuju se vodikovim vezama prema točno utvrđenoj shemi. Adenin se uvijek povezuje s timinom a gvanin s citozinom. Takvo sparivanje uvjetovano je steričkim specifikacijama koje, zbog broja nastalih vodikovih veza zahtjevaju sparivanje purinske s pirimidinskom baz om. Taj točno definirani razmještaj baza u unutrašnjosti uzvojnice ne omogućava stvaranje vodiko vih veza između adenina i citozina ili gvanina i timina. Veze se mogu stvarati samo ko d parova adenin – timin (dvije veze) ili gvanin – citozin (tri veze). Time je određen i odnos b aza u molekulama DNA – normalno bi broj adeninskih baza u molekuli trebao odgovarati bro ju timinskih baza, a broj gvaninskih baza broju citozinskih. Jedan navoj dvostruke uzvojnice sadrži 10 parova baza. 113
Dakle, nitasta molekula DNA sastavljena je od dva polinukleotidna lanca. Svaki l anac izgrađen je od dezoksiriboza povezanih fosfodiesterskim vezama. Kod toga se 3' – hid roksilna skupine jedne dezoksiriboze, preko fosfatne kiseline, veže s 5' – hidroksilnom skupi nom slijedeće dezoksiriboze. Položaj 1' dezoksiriboze zaposjednut je jednom od heterocik ličkih baza (adeninom, gvaninom, citozinom ili timinom). Redoslijed ili sekvencija baza , odnosno nukleozida, definira primarnu strukturu DNA (isto vrijedi i za strukturno slične m olekule RNA). U toj sekvenciji pohranjena je genetička informacija. Lanac se prema dogovoru prikazuje tako da započinje s fosfatnom skupinom vezanom na krajnju 5'-OH skupinu, a završava sa slobodnom 3'-OH skupinom. U skraćenom prikaz u, malo slovo p simbolizira fosfatnu skupinu, a okomita crta stoji umjesto pentoze. Smjer pisanja je uvijek 5'→ 3'. Slično proteinima, zagrijavanjem ili pod utjecajem kiselina i lužina, kidaju se vodikove veze među parovima baza a dvostruka uzvojnica se razmata. Takav proces na ziva se 'taljenje', a temperatura na kojoj dolazi do raspada strukture naziva se 'temper atura taljenja'. Pri nižim temperaturama, može doći do renaturacije, tj. do ponovnog sparivanja baza i uspostavljanja prvobitne strukture, jer nije došlo do kidanja jačih, kovalentnih fosfodiesterskih veza pa komplementarnost lanaca još uvijek postoji. 4.5.2. RNA Molekula RNA je većinom jednolančana makromolekula znatno manje relativne molekulske mase od DNA. Umjesto dezoksiriboze sadrži ribozu, a umjesto timidina uracil. Polinukleotidni lanac RNA izgrađen je na isti način kao lanac DNA. U pojedinim područjima molekule može doći do presavijanja lanca i sparivanja baza, pri čemu se adenin veže s uracilom a gvanin obično s citozinom. Kod RNA se, međutim, sadržaji baza koje tvore parove ne poklapaju. To je bitno, kod, npr. skraćeni pikaz nastajanja trodimenzionalne strukture tRNA. 114
4.6. Vitamini Vitamini su organske tvari koje su u varijabilnim količinama prisutne u hrani a esencijalne su za normalne metaboličke procese. Općenito se ne sintetiziraju u tijel u te se moraju uzimati prehranom. Ne služe za proizvodnju energije. Ponašaju se kao kataliza tori, točnije sastavni dijelovi koenzima ili prostetičkih skupina enzima koji kataliziraju kemijske reakcije transformacije energije i regulaciju organizma. Klasificiraju se prema topljivosti u vodi ili mastima. Vitamini A, D, E i K su topljivi u mastima, dok su u vodi topl jivi vitamini B kompleksa (B1, B2, B6, B12, niacin, pantotenska kiselina, biotin i folna kiselin a) i C vitamin. Vitamini topljivi u mastima Vitamini topljivi u vodi Vitamin Vitamin Vitamin Vitamin
A D E K
Tiamin (B1) Riboflavin (B2) Niacin (B3) Pantotenska kiselina (B5) Piridoksal, piridoksamin, piridoksin (B6) Biotin Kobalamin (B12) Folna kiselina Askorbinska kiselina (C) Vitamin A Vitamin A (retinol) nastaje iz biljnog prekursora, tetraterpena βkroten (skupin a karotenoida) – naziva se i provitamin A. Aldehid vitamina A, retinal, sastavni je dio fotoosjetljivog rodopsina (vidni purpur) – retinal sa šest konjungiranih dvostrukih veza omogućuje rodopsinu apsorpciju u vidljivom dijelu spektra (maksimum apsorpcije pri 500 nm) Vitamin A1 βkroten se apsorbira u lumenu crijeva gdje se uz pomoć βkrotendioksienze derivir retinal. Retinal se reducira u retinol retinaldehid-reduktazom, enzimom koji funkcionira uz pomoć NADPH. Retinol se esterificira u palmitinsku kiselinu i preno si u krv uz pomoć kilomikrona. U jetri se retinol pohranjuje kao lipidni ester u lipocitima . Prijenos retinola iz jetre u ostala tkiva događa se vezanjem hidroliziranog retinola uz pom oć RBP proteina (aporetinol binding protein). Retinol-RBP kompleks se tada transportira na površinu stanice unutar Golgijevog aparata da bi se tada izlučio. U tkivu se retinol veže za CRBP (cellular retinol binding protein). Plazmatski prijenos omogućen je vezanjem retin
oične kiseline na albumin. 115
Dakle, retinol je esencijalan za rast kosti, normalnu reproduktivnu funkciju i održavanje epitelnog tkiva. Nastaje cijepanjem jedne molekule βkroten (provitamin A), koji je poznat kao vrlo važan antioksidans. Retinal je sastojak fotoreceptorskog p igmenta u mrežnici oka. Retinoična kiselina igra vrlo važnu ulogu u razvoju i rastu kosti, regul aciji strukture epitelnih stanice i vidu, tj. diferencijaciji normalnih i malignih sta nica. Stoga se može upotrijebiti kao terapija npr. za liječenje akutne mijelocitične anemije kao antineoplastik. Vitamin D Vitamin D je zapravo steroidni hormon koji regulira specifičnu ekspresiju gena nak on interakcije s njegovim intracelularnim receptorom. Biološki aktivni oblik hormona jest D3 (kalciol ili kolekalciferol). On primarno regulira homeostazu kalcija i fosfora. Nastanak kolekalciferola od ergosterola (proizvedenog u biljkama) i iz 7-dehidrokolestero la (nastalog u koži) pod utjecajem UV svjetlosti prikazano je ranije. Ergokalciferol (vitamin D2) nastaje UV radijacijom ergosterola. Vitamini D2 i D3 se procesuiraju do D2-kalciola i D3kalciola istim enzimskim put em u tijelu. Kolekalciferol ili ergokalciferol apsorbiraju se u lumenu crijeva i transportiraju u jetru vezanu na specifični 'vitamin D-binding protein'. U jetri se kolekalciferol hidroksilira u 25-hidroksi-D3 koji se pojavljuje u krvotoku. Njegova konverzija u biološki aktivni oblik događa se u bubrezima, kostima i placenti. Funkcija vitamina D povezana je s paratiroidnim hormonom (PTH) te regulacijom razine kalcija i fosfora u serumu. PHT se oslobađa kao odgovor na niske serumske kolekalciferol (D3) koncentracije kalcija i inducira proizvodnju kalciola. Suprotno, sniženi nivoi PTH stimuliraju sintezu inaktivnog D3. U epitelnom crijevnom tkivu, kalciol funkcionira kao steroidni hormon inducirajući ekspresiju kalbindinaD28K, proteina odgovornog za apsorpciju kalcija u crijevima. Kada koncentracija kalcija jako pa dne, mjesto djelovanja kalciola i PHT jest kost gdje stimuliraju resorpciju kosti, te bubrez i, gdje sprečavaju ekskreciju kalcija i njegovu reapsorpciju u distalnim tubulama. Dakle, uloga kalciola u homeostazi kalcija jest smanjiti serumsku koncentraciju kalcija inhib irajući resorpciju kosti. Kao rezultat dodavanja vitamina D mlijeku, nedostaci ovog vitamina rijetki su. Nedostatak vitamina D vodi do nepotpune mineralizacije tijekom razvoja kosti zbo g čega su one mekše, stoga i lomljivije. Vitamin E Vitamin E jest mješavina nekoliko povezanih sastojaka poznatih kao tokoferoli (naj poznatiji jest αtokoferol, također ima i najjače djelovanje). Slično vitaminu A, apsorbira se u crijevima, uz pomoć kilomikrona prenosi u jetru. S obzirom na to da je lipofilan, vitamin E nakuplja se u staničnim membranama ili cirkulirajućim lipoproteinima. Najveće 'spremište ' vitamina E jest masno tkivo.
116
αtokoferol Njvžnij funkcija vitamina E jest ponašanje kao prirodni antioksidans 'skupljajući' slobodne radikale i molekularni kisik, stoga esencijalan za sprečavanje peroksidac ije nezasićenih masnih kiselina membrane. Vitamini E i C su povezani u svojim antioksi dativnim svojstvima. Glavni simptom povezan s vitaminom E, iako rijedak, jest povećana fragilnost eritrocita. S obzirom da se apsorbira uz pomoć kilomikrona, svaki poremećaj apsorpci je masti može voditi i do nedostataka vitamina E. Kako ima antioksidativno djelovanje, njeg ov nedostatak može voditi do većeg izlaganja oksidansima, a time i povećani rizik na određe ne tipove raka. Vitamin K Vitamin K postoji u prirodi kao K1 (filokinon) u povrću i K2 (menakinon) koji proizvode intestinalne bakterije. Sadrže naftokinonski prsten. vitamin K Glavna funkcija K vitamina jest održavanje normalnog nivoa proteina za zgrušavanje krvi, faktora II, VII, IX, X i proteina C i S koji se sintetiziraju u jetri kao neaktivni prekursorski proteini. Konverzija iz inaktivnog u aktivni faktor zgrušavanja zahtj eva postranslacijsku modifikaciju specifičnog glutamata. Ova modifikacija jest karboks ilacija i enzim odgovoran za to treba vitamin K kao kofaktor. Ovaj mehanizam je upoznat na faktoru II, koji se još naziva i preprotrombin. Vitamin B U vodi su topljivi vitamini B-kompleksa i vitamin C. U grupu vitamina B-kompleks a ubraja se niz kemijski različitih spojeva. • Tiamin (vitamin B1) se izvodi iz supstituiranog pirimidina i tiazola koji su pov ezani metilenskim prstenom. Tiamin se brzo konvertira u svoj aktivni oblik – tiamin pirofosfat, TPP – u mozgu i jetri uz pomoć specifičnog enzima, tiamin difosfotransferaze. 117
tiamin - difosfat TPP je potreban kao kofaktor (tj. sastavni dio prostetske skupine enzima) za pir uvat- i αketolutrt dehidrogenaze kao i transketolaze koje kataliziraju pentoza-fosfatn i reakcijski put. Nedostatak tiamina vodi do jako reduciranog kapaciteta stanice da proizvodi energiju kao rezultat njegove uloge u ovim reakcijama. Rani simptomi nedostatka tiamina uključu ju pad apetita, mučninu kao i depresiju, perifernu neuropatiju i umor. Kronični nedostatak tiamina vodi težim neurološkim simptomima uključujući ataksiju, zbunjenost i gubitak koordinacij e očiju. Duži nedostatak tiamina povezan je s kardiovaskularnim i mišićnim defektima. Pozn ata bolest jest Beriberi, kao rezultat prehrane bogate ugljikohidratima, ali bez tia mina. WernickeKorsakoff sindrom, često prisutan kod kroničnih alkoholičara, također je p ovezan s nedostatkom tiamina. • Riboflavin (vitamin B2) je prekursor, tj. sastavni dio prostetske skupine koenzi ma flavin mononukleotida (FMN) i flavin adenin dinukleotida (FAD). riboflavin Enzimi koji trebaju FMN ili FAD kao kofaktore nazivaju se flavoproteini. Nekolik o flavoproteina također sadrži ione metala i nazivaju se metaloflavoproteini. Obje gru pe enzima sudjeluju u velikom broju redoks reakcija, npr. sukcinat dehidrogenaza i ksantin oksidaza. Tijekom enzimskih reakcija flavoproteini se reduciraju iz FMN i FAD oblika u FMN H2 i FADH2. Pri tome kondenzirani pteridinski prsten ima ulogu reaktivnog sastojka ko ji prima, a isto tako i otpušta vodik, tj. djeluje kao redoks sustav u molekuli. oksidirani oblik (FAD) • reducirani oblik (FADH2) Niacin (nikotinska kiselina i nikotinamid) poznati su i kao vitamin B3. Niacin j e potreban za sintezu aktivnog oblika vitamina B3, nikotinamid adenin dinukleotida , (NAD+) i nikotinamid adenin dinukleotid fosfata (NADP+). I NAD+ i NADP+ funkcioniraju kao kofaktori brojnim dehidrogenazama, npr. laktatnoj i malatnoj 118
dehidrogenazi. Po najužoj definiciji, niacin nije pravi vitamin jer se sintetizira iz aminokiseline triptofana. Međutim, aplikacija triptofana za sintezu niacina nije učinkovita (60 mg triptofana potrebno je za 1 mg niacina), a za sintezu su također potrebni vitamini B1, B2 i B6. nikotinska kiselina nikotinamid Nedostatak niacina u prehrani (kao i triptofana) vodi do dermatitisa, gubitka teži ne, dijareje, depresije... Sindrom se naziva pelagra. Poznata je npr. i Hartnupova b olest, povezana s nemogućnošću apsorpcije triptofana i promjene u njegovom metabolizmu. • Pantotenska kiselina (vitamin B5) stvara se iz βlnin i pantoične kiseline. Potrebna je za sintezu koenzima A, CoA, te je komponenta proteinske domene ACP (acyl carrier protein) koji služi za sintezu masnih kiselina. Pantotenska kiselina je, stoga, potrebna u metabolizmu ugljikohidrata i svih masti i proteina. Najmanje 7 0 enzima koji trebaju CoA ili ACP za svoju funkciju identificirano je do sada. Nedostatak pantotenske kiseline ekstremno je rijedak zbog svoje opće prisutnosti, pogotovo u žitaricama i mesu. pantotenska kiselina • Piridoksal, piridoksamin i piridoksin su zajedno poznati kao vitamin B6. vrlo se učinkovite prevode u biološki aktivan oblik – piridoksal fosfat. Ova konverzija katalizirana je enzimom koji koristi ATP, piridoksal kinaza. Funkcije piridoksal fosfata uključuju reakcija transaminacije potrebne za sintezu i metabolizam aminokiselina kao i glikolizu kao kofaktor glikogen fosforilaze. piridoksal piridoksamin piridoksal - fosfat 119 piridoksin
• Biotin je kofaktor koji trebaju enzimi za reakcije karboksilacije, npr. acetil-C oA karboksilaza i piruvat karboksilaza. Biotin se naravno nalazi u hrani ali ga sin tetiziraju i crijevne bakterije tako da su njegove insuficijencije rijetke. Susrećemo ih samo kog dugotrajnih terapija antibioticima koje narušavaju ravnotežu crijeva ili konzumacije svježih jaja, jer biotin ima afinitet prema bijelom proteinu jaja, avidinu, te je tako spriječena njegova apsorpcija. • Kobalamin (vitamin B12) se sastoji od kompleksne tetrapirolske i iona kobalta u sredini. Sintetiziraju ga isključivo mikroorganizmi i nalazi se u jetri životinja ve zan za specifični protein. Vitamin se mora hidrolizirati od proteina kako bi bio aktivan. Hidroliza se događa uz pomoć želučanih kiselina ili u crijevima tripsinskom probavom nakon konzumacije životinjskog mesa. Zatim se vitamin veže za intristički faktor, protein koji luče parijetalne stanice želuca te se prenosi u ileum gdje se apsorbira . Nakon apsorpcije, prenosi se u jetru u krvi vezan na transkobalamin II. Postoje samo dvije klinički bitne reakcije u kojima je vitamin B12 potreban kao kofaktor. Tijek om prerade masnih kiselina s neuobičajenim (neparnim) brojem atoma ugljika te aminokiselina valina, izoleucina i treonina, dok je druga reakcija konverzija homocisteina u metionin, a katalizira je metionin sintetaza. Jetra pohranjuje vi tamin B12 u zalihama dovoljnima za šest godina, stoga su deficijencije rijetke. Dobivaju se uglavnom od kvasaca i lisnatog bilja – životinje ne mogu sintetizirati PABA niti dodavati glutamatne derivate na pteričnu kiselinu, stoga trebaju prehranom unositi folnu kiselinu. • Folna kiselina jest konjungirana molekula koja se sastoji od pteridinskog prsten a povezanog s paraaminobenzojevom kiselinom (PABA) koja tvori pteričnu kiselinu. Dobivaju se uglavnom od kvasaca i lisnatog bilja – životinje ne mogu sintetizirati PABA niti dodavati glutamatne derivate na pteričnu kiselinu, stoga trebaju prehran om unositi folnu kiselinu. U stanici se folna kiselina reducira u tetrahidrofolnu k iselinu uz pomoć dihidrofolat reduktaze (enzima kojemu je potreban NADPH). Funkcija tetrahidrofolata jest prenošenje različitih ugljikovih jedinica tijekom biosintetski h reakcija. Te jedinice mogu biti metil, metilen, formil i sl. Te se jedinice zati m upotrebljavaju za biosintezu serina, metionina, glicina, kolina, purinskih nukle otida i dTMPa. Vitamin C Vitamin C jest zapravo askorbinska kiselina. Dobiva se iz glukoze putem uronske kiseline. Aktivni oblik vitamina C jest sama askorbinska kiselina. Glavna joj je funkcija kao
reducirajući faktor brojnih reakcija. Vitamin C ima potencijal reduciranja citokro ma a i citokroma c u respiratornom lancu, ali i reduciranja molekularnog kisika. Najvažni ja reakcija koja zahtijeva askorbinsku kiselinu kao kofaktor jest hidroksilacija prolina u k olagenu. Vitamin C je, stoga, potreban za proizvodnju i održavanje vezivnog tkiva kao i cij eljenje rana jer je sinteza vezivnog tkiva prva faza remodeliranja ozlijeđenog tkiva. Isto tako , potreban je i za obnovu kosti, pošto je kolagen također organska matrica kosti. Nekoliko drugih metaboličkih reakcija isto zahtijevaju vitamin C kao kofaktor. Npr. metabolizam ti rozina i sinteza epinefrina iz tirozina, te sinteza žučnih kiselina. Vjeruje se i da vitamin C sudjeluje u nastanku steroidnih hormona, jer adrenalni korteks sadrži velike količine tog vitami na koje se oslobađaju djelovanjem adenokortikotropnog hormona (ACTH). 120
Nedostatak vitamina C vodi do bolesti skorbuta zbog uloge vitamina u posttranslacijskoj modifikaciji kolagena. Skorbut karakterizira koža na kojoj lako ostaju modrice, zamaranje mišića, lagano otečene desni, usporeno zacjeljivanje rana, osteopor oza i anemija. Primarno fiziološko stanje koje vodi do povećane potrebe za vitaminom C jes t stres (ili trauma), bilo zbog potrebe za adrenalinom ili regeneracijom. 4.7. Stanična signalizacija Sve stanice primaju signale iz svoje okoline i odgovaraju na njih. Čak i najjednostavnije bakterije 'osjećaju' i kreću se prema višoj koncentraciji hranidbenih tvari kao što su glukoza ili aminokiseline. Međutim, u mnogostaničnim organizmima stanična signalizacija doseže najsofisticiraniji nivo. Ponašanje svake stanice u višestaničnim bi ljkama i životinjama mora biti precizno regulirano kako bi se zadovoljile potrebe organizma kao cjeline. To se postiže velikim brojem signalnih molekula koje izlučuju ili na površini eksprimiraju stanice, te se te molekule vežu za receptore drugih stanica, time int egrirajući i koordinirajući funkcije mnogih individualnih stanica koje čine organizme kompleksne kao što su ljudska bića. Vezanje većine signalnih molekula na njihove receptore pokreće niz intracelularnih reakcija koje reguliraju doslovno sve aspekte ponašanja stanice, uključujući metaboliz am, kretanje, proliferaciju, preživljavanje i diferencijaciju. Zanimanje za ovo područje mora biti veliko pogotovo kada se spozna da slom ili poremećaj signalnih putova koji kontrol iraju normalnu proliferaciju stanica uzrokuje bolesti kao što je rak. Mnoge različite vrste molekula prenose informaciju među stanicama višestaničnog organizma. Iako se ove molekule ponašaju kao ligandi koji se vežu na receptore koje eksprimira ciljna stanica, postoje i molekule koje služe kao signalni transmiteri. Strukturno, signalne molekule variraju od jednostavnih plinova do proteina. Neke signal pren ose na veće udaljenosti, dok druge mogu djelovati samo na susjedne stanice. Neke mogu proći kr oz plazmatske membrane i vezati se na intracelularne receptore u citoplazmi ili jez gri, ali većina se veže na površinske receptore. Obično se tipovi signalizacije dijele u tri opće kategorije, na temelju udaljenosti preko koje je signal prenosi. Kod endokrine signalizacije, signalne molekule – hormoni, izlučuju se iz posebnih endokrinih stanica te se prenose krvotokom na ciljne stanice udaljen ih dijelova tijela. Ako signalna molekula djeluje lokalno, na susjednu stanicu (kao što djeluj u neurotransmiteri sinapsi), radi se o parakrinoj signalizaciji. Neke stanice reag iraju na molekule koje same izlučuju – autokrina signalizacija. Važan primjer autokrine signali zacije je odgovor stanica imunosnog sistema na strani antigen, jer T limfociti odgovara ju na antigene proizvodnjom faktora rasta koji potiče vlastitu proliferaciju, čime se ampl ificira odgovor imunosnog sistema. Abnormalna autokrina signalizacija jako često pridonosi nekontroliranom rastu stanica raka, tj. njihovoj nekontroliranoj proliferaciji.
121
4.7.1. Steroidni hormoni Steroidni hormoni su hidrofobne signalne molekule (stoga lako difundiraju kroz plazmatsku membranu) čiji se receptori nalaze intracelularno – u citosolu ili jezgri . U grupu steroidnih hormona također spadaju tiroidni hormon, vitamin D3 te retinoična kiselin a. Steroidni hormoni (uključujući testosteron, estrogen, progesteron, kortikosteroide) se sintetiziraju iz kolesterola. Testosteron, estrogen i progesteron spolni su horm oni a proizvode ih gonade. Kortikosteroide proizvodi nadbubrežna žlijezda. U kortikosteroide spadaju glukokortikoidi koji djeluju na razne vrste stanica stimulirajući proizvodnju gluk oze, te mineralokortikoidi koji djeluju na bubrege kako bi regulirali ravnotežu vode i sol i. Iako su vitamin D3, tiroidni hormon i retinoična kiselina strukturno i funkcionaln o različiti od steroida, imaju isti mehanizam djelovanja na ciljne stanice. Tiroidni hormon sintetizira se iz tirozina a igra važnu ulogu u razvoju i regulaciji metabolizma. Vitamin D3 regulira metabolizam Ca2+ i rast kosti. Retinoična kiselina i njena skupina (retin oidi) koji se sintetiziraju iz vitamina A igraju važnu ulogu u razvoju kralježnjaka. testosteron estrogen 122 progesteron
kortizol (glukokortikoid) aldosteron (mineralokortikoid) vitamin D3 tiroidni hormon retinoična kiselina Zbog svog hidrofobnog karaktera ova skupina spojeva može difundirati kroz staničnu membranu. U stanici se vežu na intracelularne recoptore koje eksprimiraju samo odr eđene stanice. Ovi receptori, poznati kao 'superobitelj steroidnih receptora' transkri pcijski su faktori koji sadrže domene za vezanje liganda, vezanje na DNA te transkripcijsku aktivnost . Vezanje liganda (hormona) regulira njihovu funkciju kao aktivatora ili represora ciljnih gena, tako da steroidni hormoni direktno reguliraju ekspresiju gena. 4.7.2. Jednostavni plinovi Jednostavni plin dušikov monoksid (NO) je važna parakrina signalna molekula u živčanom, imunosnom i krvožilnom sustavu. Kao steroidni hormoni, NO može difundirati direktno kroz plazmatsku membranu svojih ciljnih stanica. Molekularna osnova dje lovanja NO je, međutim, različita od one koju imaju steroidni hormoni. Umjesto da se vežu na receptore koji reguliraju transkripciju, NO mijenja aktivnost intracelularnih en zima. NO se sintetizira iz aminokiseline arginina. Nakon sinteze, NO difundira iz stan ice i djeluje lokalno, na susjedne stanice. Njegovo djelovanje ograničeno je na tako mal o područje jer je NO jako nestabilan, s vremenom poluraspada od samo nekoliko sekundi. Vrlo dobar primjer djelovanja NO jest kod širenja krvnih žila. Prvi korak u tom procesu jest os lobađanje neurotransmitera, npr. acetilkolina iz živčanih završetaka u stjenci krvne žile. Neurotransmiteri djeluju na endotelne stanice kako bi stimulirali sintezu NO. No tada difundira u susjedne stanice glatkog mišićnog tkiva, vežu se na aktivno mjesto enzima guanilil ciklaze što povećava njenu aktivnost – rezultat jest stvaranje sekundarnog gl asnika cGMP, koji uzrokuje opuštanje mišićne stanice i time širenje krvne žile. Na tome se temelj i i uporaba nitroglicerina u kod npr. infarkta, jer dolazi do brzog širenja koronarnih krvnih žila. Još jedan jednostavni plin, CO, također djeluje kao signalna molekula u živčanom sustavu. Ima slično djelovanje kao NO, dakle, kao medijator dilatacije krvnih žila. 4.7.3. Neurotransmiteri Neurotransmiteri prenose signale između neurona ili s neurona na neki drugi tip stanice (npr. mišićnu stanicu). Raznolika su grupa malih hidrofilnih molekula: aceti lkolin, dopamin, epinefrin (adrenalin), serotonin, histamin, glutamat, glicin i γminout erična kiselina (GABA). Oslobađanje neurotransmitera iz signalizira pristizanje akcijskog 123
potencijala na živčani završetak. Neurotransmiter tada difundira kroz sinaptičku pukotin u i veže se na receptore površine ciljne stanice. Neki neurotransmiteri ujedno mogu djel ovati i kao hormoni (npr. epinefrin). S obzirom na to da su hidrofilne molekule, ne mogu proći kroz plazmatsku membranu. Stoga djeluju vežući se na površinske receptore. Mnogi receptori su zapravo ionski kan ali koji se aktiviraju vezanjem liganda. Kada se neurotransmiter veže za takav receptor, ko d receptora nastupi konformacijska promjena te se otvori ionski kanal, direktno mijenjajući pr otok iona kroz ciljnu stanicu. Receptori mogu biti i vezani na G-proteine, veliku skupinu signalnih molekula preko kojih nastupa mnoštvo intracelularnih odgovora (koji opet najčešće indire ktno vode do promjene aktivnosti ionskih kanala). acetilkolin glicin glutamat dopamin noradrenalin adrenalin serotonin histamin GABA 4.7.4. Peptidni hormoni i faktori rasta Vrlo raznolika skupina signalnih molekula u životinja su peptidi, s rasponom veličin a od samo nekoliko do više od stotinu aminokiselina. Ova skupina signalnih molekula uključuje peptidne hormone, neuropeptide i različite polipeptidne faktore rasta. Poznati pri mjeri peptidnih hormona su inzulin, glukagon, te hormoni koje proizvodi hipofiza (horm on rasta, FSH, prolaktin i drugi). Neuropeptide luče neki neuroni umjesto neurotransmitera. Neki od ovih peptida, kao enkefalini i endorfini, funkciraju ne samo kao neurotransmiteri u sinapsama nego kao i neurohormoni koji djeluju na udaljene stanice. Enkefalini i endorfini se vrlo za nimljivi jer djeluju kao prirodni analgetici smanjujući odgovor boli na središnji živčani sustav. Otk riveni su za vrijeme istraživanja ovisnosti o drogama, jer se vežu na iste receptore na pov ršini mozga kao i morfij. Polipeptidni faktori rasta su signalne molekule koje u životinja kontroliraju rast stanica i njihovu diferencijaciju. Prvi od ovih faktora, NGF (nerve growth facto r) član je obitelji neurotrofina koji reguliraju razvoj i preživljavanje neurona. EGF (epider
mal growth factor) stimulira proliferaciju stanica, sastoji se od 53 aminokiseline, a zapra vo je prototip za različite vrste faktora rasta koji igraju vrlo važnu ulogu u kontroli proliferacije, kako u embrionalnom razvoju, tako i u odrasle jedinke. 124
PDGF (platelet-derived growth factor) bitan je u zacjeljivanju rana. Njihovo oslobađanje nakon ozljede stimulira proliferaciju fibroblasta pridonoseći tako regen eraciji oštećenih tkiva. Citokini, druga važna skupina polipeptidnih faktora rasta, reguliraju razvoj i diferencijaciju krvnih stanica te aktivnost limfocita tijekom imunosnog odgovora . Peptidni hormoni, neuropeptidi i faktori rasta ne mogu prijeći plazmatsku membranu te djeluju vezivanjem na receptore na površini stanice. S obzirom na svoju vrlo važn u ulogu, abnormalnosti u signalizaciji hormonima rasta osnova su različitih bolesti, uključuj ući mnoge vrste raka. Signalna molekula Aktivnost Peptidni hormoni inzulin glukagon Hormon rasta FSH (folicule-stimulating hormone) prolaktin Regulacija resorpcije glukoze, stimulacija proliferacije stanica Stimulacija sinteze glukoze Opća stimulacija rasta Stimulacija rasta oocita i folikula jajnika Stimulacija produkcije mlijeka Neuropeptidi i neurohormoni Supstanca P oksitocin vazopresin enkefalini Βendorfini Sintički prijenos (osjet) Stimulacija kontrakcije glatkih mišića Stimulacija resorpcije vode u bubrezima Analgetici Analgetici Faktori rasta NGF (nerve growth-factor) EGF (epidermal growth factor) PDGF (platelet-derived growth factor) Interleukin-2 eritropoetin Diferencijacija i preživljavanje neurona Proliferacija mnogih tipova stanica Proliferacija fibroblasta i drugih tipova stanica Proliferacija T-limfocita Razvoj crvenih krvnih stanica 4.7.5. Eikozanoidi Nekoliko vrsta lipida služe kao signalne molekule koje, nasuprot steroidnim
hormonima, djeluju vezivanjem na receptore površine stanice. Najvažnije članovi ovog razreda lipida zovu se eikozanoidi, u koje spadaju prostaglandini, prostaciklini , tromboksani i leukotrieni. Eikozanoidi se brzo razlažu, stoga djeluju lokalno u autokrinim ili p arakrinim signalnim putovima. Stimuliraju razne odgovore ciljnih stanica, uključujući agregaci ju trombocita i kontrakciju glatke muskulature. Svi eikozanoidi sintetiziraju se iz arahidonske kiseline, koja se stvara iz fosf olipida. Prvi korak u tom putu koji vodi do sinteze prostaglandina ili tromboksana jest k onverzija arahidonske kiseline u prostaglandin H2. Enzim koji katalizira ovu reakciju (cik looksigenaza) 125
cilj je djelovanja aspirina i drugih ne-steroidnih protuupalnih lijekova. Inhibi rajući sintezu tromboksana, aspirin također reducira agregaciju trombocita i zgrušavanje krvi. Zbog ove aktivnosti, male dnevne doze aspirina često se propisuju za prevenciju udara. K to mu, aspirin i ne-steroidni protuupalni lijekovi smanjuju učestalost raka crijeva, vjerojatno i nhibirajući sintezu prostaglandina koji djeluje stimulativno na proliferaciju stanica potičući t ime razvoj raka. arahidonska kiselina prostaglandin H2 leukotrieni prostaglandin A2 prostaciklin tromboksan A2 126
