Aminoacizi Curs 2012

Aminoacizi, Peptide, Proteine

AminoaciziAminoacizii sunt compuii organici cu funciune mixt ce conin n molecul grupele carboxil

(COOH) i amino (NH2).

Clasificarea aminoacizilor se poate realiza dup mai multe criterii dintre care menionm:

a) Dup natura radicalilor organici prezeni n structura aminoacizilor deosebim: aminoacizi alifatici n care grupele amino i carboxil sunt direct legate de o caten alifatic, indiferent dac n molecul mai exist sau nu i alte grupe aromatice sau heterociclice; aminoacizi aromatici n care ambele grupe amino i carboxil sunt legate de un nucleu sau un sistem aromatic. Un exemplu l constituie cei trei izomeri ai acidului aminobenzoic.

COOHNH2

COOH

NH2

COOH

NH2acid o-aminobenzoic

acid antranilicacid m-aminobenzoic acid p-aminobenzoic .

b) Dup poziia reciproc a grupelor funcionale, i anume a grupelor amino fa de grupa carboxil -aminoacizi n care grupa amino este legat de atomul de carbon nvecinat (poziia 2 sau poziia ) cu grupa carboxil. n chimia peptidelor poziiile 2, 3, 4, 5, 6, etc. se noteaz n ordine cu literele alfabetului grec: , , , , , etc.;

R CHNH2

COOH

C C C C C COOH

-aminoacid alifatic -aminoacizi - n care grupa amino este legat de atomul de carbon din poziia 3 sau poziia fa de grupa carboxil.

-aminoacid alifatic

R CHNH2

CH2 COOH

acid antranilic

COOHNH2

-aminoacid aromatic .

Din punct de vedere fiziologic, cei mai importani sunt -aminoacizii, ntr-un numr de aproximativ 20, acetia fiind obinui prin hidroliza total a proteinelor animale i vegetale. Denumirea -aminoacizilor este empiric, consacrat i se prescurteaz prin simbolurile prezentate n tabelul 1. De asemenea, va fi precizat i nomenclatura raional a aminoacizilor conform normelor I.U.P.A.C.

c) Din punct de vedere al alimentaiei pentru organismul animal, -aminoacizii se clasific n: aminoacizi eseniali (marcai cu * n tabelul 1.) ce nu pot fi sintetizai de organismul animal, i aportul lor n alimentaie este adus din proteinele animale i vegetale; aminoacizi neeseniali - ce pot fi sintetizai de organismul animal.

Pentru -aminoacizii eseniali* doar forma enantiomer L este acceptat i deci util organismului animal. O excepie o constituie metionina, la care att enantiomerul levogir, ct i cel dextrogir sunt metabolizai. Metionina este un -aminoacid utilizat ca supliment alimentar la furajarea suinelor.

1

Cei doi enantiomeri ai -aminoacizilor prezint proprieti diferite fa de factorii chirali fizici (lumina plan-polarizat) i chimici (pmnturi chirale - zeolii sau alte molecule chirale). Chiar i proprietile organoleptice ale celor doi enantiomeri sunt diferite; enantiomerul L are gust srat, pe cnd forma D prezint gust dulce. Spre exemplu, D-fenilalanina este un compus mai dulce dect zahrul (zaharoza). Unii dintre D--aminoacizi se gsesc n pereii celulari ai unor bacterii, iar ca mecanism de protecie mpotriva acestora, organismul animal prezint enzime specifice pentru degradarea acestor aminoacizi. Din punctul de vedere al stereochimiei atomului de carbon chiral din -aminoacizi se impune a face distincie ntre notaia L i rotaia specific: levogir (-) sau dextrogir (+). Notaia L se refer la seria configurativ L avnd ca baz de plecare L(-) glicerinaldehida, n care L--aminoacidul se poate transforma prin reacii de nrudire configurativ. De exemplu, L(+)-valina, L(+)-fenilalanina, L(+)-alanina, L(+)-lisina, acidul L(+)-glutamic i L(+)-ornitina sunt dextrogire, pe cnd L(-)-leucina, L(-)-metionina, L(-)-prolina, L(-)-cisteina, L(-)-serina i L(-)-treonina sunt levogire, dei aparin aceleiai serii configurative L.

Tabelul 1. Clasificarea general a -aminoacizilor

Structur Nomenclatur Notaieprescurtat-Aminoacizi monoamino-monocarboxilici

H2N CH2 C OHO glicocol sau glicin

(acid aminoacetic) Gli

H3C CHNH2

CO

OH alanin(acid -aminopropanoic sau propionic) Ala

H3C CH CHNH2

CO

OHCH3

valin (acid valerianic = acid pentanoic)(acid -aminoizovalerianic sau acid -metil--aminobutanoic sau butiric)

Val*

CH CH2 CHNH2

CO

OHH3CCH3

leucin (acid capronic = acid hexanoic)(acid -aminoizocapronic sauacid -metil--aminopentanoic)

Leu*

CH2 CH CHNH2

CO

OHCH3

H3Cizoleucin(acid -metil -aminopentanoic sau valerianic) Ile*

CH2 CHNH2

CO

OHfenilalanin(acid -fenil--aminopropanoic sau propionic) Fen*

-Aminoacizi monoamino-dicarboxilici

C CH2 CHNH2

CO

OHO

HO acid asparagic sau acid aspartic(acid aminosuccinic) Asp

C CH2 CHNH2

CO

OHO

H2Nasparagin(monoamida acidului aminosuccinic) Asn

C CH2 CHNH2

CO

OHO

HO CH2acid glutamic(acid -aminoglutaric) Glu

C CH2 CHNH2

CO

OHO

H2N CH2glutamin(monoamida acidului -aminoglutaric) Gln

Hidroxi--aminoacizi

HO CH2 CHNH2

CO

OH serin(acid -hidroxi--aminopropanoic sau propionic) Ser

2

H3C CH CHNH2

CO

OHOH

treonin(acid -hidroxi--aminobutanoic sau butiric) Tre*

CH2 CHNH2

CO

OHHO Tirosin(p-hidroxifenilalanin) Tir*

Tio--aminoacizi

CHCH2HSNH2

CO

OH cistein(tiolalanin) Cis*

S CH2 CHNH2

CO

OHSCH2CHNH2

CO

HO cistin Cis-S-S-Cis

CHCH2CH2SNH2

CO

OHH3Cmetionin(acid -metiltio--aminobutanoic sau butiricsau acid -amino--S-metiltiobutanoic sau butiric)

Met*

-Diaminoacizi

CHCH2CH2CH2H2N C OHO

NH2ornitin(acid 2,5-diaminopentanoic sau valerianic) Orn

CHCH2CH2CH2CH2 C OHNH2

OH2N lisin

(acid 2,6-diaminohexanoic) Lis*

CHCH2CH2CH2NHCH2NNH NH2

CO

OH arginin(acid 2-amino-5-guanidinopentanoic) Arg

-Aminoacizi heterociclici

NH

COH

O prolin(acid pirolidin--carboxilic) Pro

NH

COH

O

HOhidroxiprolin(acid 4-hidroxipirolidin-2-carboxilic) Hip

CH CCH2 OHO

N

HN

NH2

histidin(-imidazolilalanin) His*

CH CCH2 OHO

HNNH2

triptofan(-indolilalanin) Trp*

Structura -aminoacizilor

Proprietatea caracteristic a structurii aminoacizilor este faptul c cele dou grupe: amino, bazic i carboxil, acid, se neutralizeaz reciproc intramolecular, astfel nct aminoacizii prezint o structur amfionic dipolar.

H2N R COOHamfion

H3N R COO

Aminoacizii au deci caracter amfoter, adic n mediu acid se comport ca bazele, iar n mediu alcalin se comport ca acizii. n ambele cazuri pH-ul soluiei apoase a unui aminoacid nu se schimb (pn la

3

depirea numrului de echivaleni din aminoacid), fapt pentru care aceste soluii se numesc soluii tampon.

H3N R COO H2N R COOH3N R COOHHOH

cation (in mediu acid) amfion (in mediu neutru) anion (in mediu bazic) .H2O

Stereochimia -aminoacizilor

-Aminoacizii naturali prezint n molecul un atom de carbon asimetric (un centru de chiralitate). Cu excepia glicinei, toi aminoacizii naturali sunt optic activi, iar atomul de carbon chiral (notat cu C*) are configuraia S (sinister conform conveniei lui Cahn, Ingold i Prelog pentru stabilirea configuraiei unui centru de chiralitate). Cei patru substitueni de la atomul de carbon chiral vor fi n urmtoarea serie privind prioritatea: NH2 > COOH > R > H. n clasa aminoacizilor se utilizeaz prin tradiie nomenclatura bazat pe nrudirea configurativ cu L-glicerinaldehida, care prezint la atomul de carbon chiral tot o configuraie S (cu prioritatea substituenilor la C*: OH > CH=O > CH2OH > H), ceea ce determin apartenena -aminoacizilor naturali la seria configurativ L.

S S (sinister)120

formula perspectivica

C

CHO

HO HCH2OH

C

CHO

HOCH2 OH

configuratia C* este S (sinister)

COOH

C

R

HH2N

COOH

C

R

H NH2

(R)- -aminoacidsau (S)- -aminoacidconfiguratia C* este R (rectus) .

CHO

C

CH2OH

H OH

D(+) glicerinaldehida

4

3

2

1

CHO

C

CH2OH

HHO

L(-) glicerinaldehida

Sproiectiedirectia de

C

CHO

HOCH2 OHH

1

2

3

CHO

C

CH2OH

HHO

L(-) glicerinaldehida

formula proiectivade tip Fisher

nenaturalD- -aminoacidL- -aminoacid

natural

Trebuie menionat nc o dat, c din punct de vedere stereochimic notaia L sau D, respectiv (S) sau (R) (sinister sau rectus) nu poate prevedea caracterul dextrogir (+) sau levogir (-) ce se refer la rotaia specific determinat de o soluie a aminoacidului la interaciunea luminii plan-polarizate cu aceasta. Rotaia specific, notat cu [] se determin experimental.

Separarea enantiomerilor

Datorit faptului c prin sinteza chimic se obin amestecuri racemice: 50% forma L i 50% forma D (sau 50% (+)) i 50% (-)), se impune separarea formei enantiomere L utile.Metoda chimic const n tratarea amestecului racemic cu clorur de benzoil i obinerea racemicului de aminoacizi N-protejai ce are grupa carboxil neionizat (COOH i nu COO ). Racemicul astfel obinut are caracter acid i la tratarea cu o baz optic activ (are doar un singur enantiomer), de exemplu L-Brucin, se obin dou sruri ce sunt diastereoizomere. Diastereoizomerii au proprieti fizice diferite, de exemplu prezint solubiliti diferite n diveri solveni, i n consecin sunt separabili prin recristalizri fracionate succesive.

4

NO

N

O

H3C-O

H3C-O N

O

N

Obrucina stricnina

H3N R COO

amestec racemic (D,L)

-aminoacid desinteza nestereospecifica

+ L-BrucinaC6H5 C

O

Clclorura de benzoil Brucina, notata cu B

prezinta caracter bazic .(D,L)- -aminoacizi-N-benzoilatiamestec racemic

NH R COOHCO

C6H5

NH R COOCO

C6H5 BH NH R COOCO

C6H5 BH+(D) (L) (L) (L)

saruri diastereoizomere separabile prin recristalizari fractionate succesive

H3N R COO H3N R COOD- -aminoacid

nenaturalL- -aminoacididentic natural

De regul forma diastereoizomerului D--aminoacidului nenatural este mai greu solubil i deci mai uor de obinut n stare pur, ceea ce constituie un dezavantaj al metodei. Dup separarea srurilor, se hidrolizeaz grupa benzoil, dar la hidroliza n mediu acid sunt posibile racemizri, ceea ce reprezint un alt dezavantaj al acestei metode.

Obs. Brucina este un alcaloid policiclic cu nucleu indolic ce prezint o toxicitate ridicat i o structur asemntoare stricninei (fr grupele metoxi)

Forma D (nenatural) a -aminoacidului se poate obine i pe cale biologic enzimatic prin tratarea racemicului aminoacidului cu o enzim (aminoacid-oxidaz) ce degradeaz oxidativ doar forma L a -aminoacidului natural. Reaciile enzimatice fiind perfect stereospecifice, se va obine enantiomerul D al -aminoacidului cu randament practic cantitativ.

Proprieti fizice

Aminoacizii sunt substane cristalizate, solubile n ap, insolubile n solveni nepolari, cu puncte de topire mai mari de 250C, cu descompunere. Nu pot fi distilai nici mcar n vid. Explicaia const n formarea srurilor interne cu structur amfionic. Comportarea acestora se aseamn cu cea a electroliilor (srurilor). Cu excepia glicinei, toi -aminoacizii naturali sunt optic activi (aparin seriei configurative L), ei putnd fi ns dextrogiri (+) sau levogiri (-).

Proprieti chimice

Reacii cu acizi i baze. Amfioni. Punct izoelectric.

n stare solid aminoacizii se prezint sub form amfionic. Cationul unui aminoacid se comport ca un acid bibazic ce prezint dou trepte de ionizare.

(I)

(II)

+ H2Ocation

H3N R COOHamfion

H3N R COO H3O+

H2O+amfion

H3N R COO H3O+anion

H2N R COO

treapta a I-a de ionizare

treapta a II-a de ionizare .

5

La tratarea unei soluii acide de aminoacid cu o soluie de hidroxid de sodiu, conform celor dou trepte de ionizare vom avea dou puncte de echivalen: primul corespunznd transformrii cationului n amfion (pK1 reacia I), iar cel de-al doilea punct de echivalen corespunde transformrii amfionului n anion (pK2 reacia II). Obs. Constanta de aciditate se obine din constanta de echilibru a reaciei. De exemplu, pentru reacia I:

O][cation][H]O[amfion][HK

2

3+

= ; iar cum concentraia apei este foarte mare, se poate considera constant i intr

n valoarea constantei K, iar [H3O+] se poate scrie apoi [H+], deci K va deveni K1.

Pentru cele dou reacii constantele de aciditate vor fi:[cation]

][amfion][HK1+

= , respectiv [amfion]

][anion][HK 2+

= .

Deoarece conjugat] [acid[baza] log ][H logK log += + ; iar pH = log [H+] i pKa = log K

[cation][amfion]logpHpK1 = ; iar [amfion]

[anion]logpHpK 2 =

pH-ul izoelectric sau punctul izoelectric (pHi sau pI) al unui aminoacid reprezint acea concentraie a ionilor de hidrogen la care soluia sa conine speciile anionice i cationice n proporii egale ([cation] = [anion]).

)pK(pK21pHKK][HKK][H

][H[amfion]K[anion]

K][amfion][H[cation] 21i2121

22

1

+====== +++

+

Curba de titrare a unui -aminoacid monoamino-monocarboxilic este reprezent n figura de mai jos:pH

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

0 0,5 1,0 1,5 2,0

9,7

2,3

echivalenti HO

amfion

anion

cation

pK2 =9,7

pK1 =2,3

pKi = 6,0

De exemplu, pentru alanin pK1 = 2,3 i pK2 = 9,7 6,029,72,3pH i =

+=

6

Aminoacizii dicarboxilici (asparagic, glutamic) sau diaminoacizii (ornitina, lisina, arginina) au cte trei constante de ionizare datorit grupelor carboxil, amino, respectiv guanidino suplimentare. Din acest motiv punctele lor izoelectrice vor fi situate n domeniul acid (pHi 3), respectiv n cel bazic (pHi 7 9 sau chiar peste 10 n cazul argininei).

HOOC-CH2-CH-COOHNH3

acidul asparagic lisina arginina

pKa = 3,87 2,099,82

H3N-CH2-CH2-CH2-CH2-CH-COOHNH3

H2N-C-NH-CH2-CH2-CH2-CH-COOHNH3NH210,5

8,952,18

12,5 9,042,02

pHi = 3,0

punctul izoelectric (pI) sau pH-ul izoelectric (pH i) pentru acizi aminodicarboxilici si diaminocarboxilici

pHi = 9,7 pHi = 10,8

Comportarea aminoacizilor n cmp electric. Electroforeza

n soluii alcaline anionii aminoacizilor migreaz spre anod (+), iar n soluii acide cationii aminoacizilor migreaz spre catod (-). La punctul sau pH-ul izoelectric nceteaz migrarea ionilor spre electrozi. Solubilitatea aminoacizilor, respectiv proteinelor este minim la punctul izoelectric (pHi), astfel c electroforeza reprezint un procedeu de separare i identificare a aminoacizilor i proteinelor n funcie de comportarea acestora n cmpul electric. Electroforeza se bazeaz pe principiul migraiei diferite n cmp electrostatic a aminoacizilor i proteinelor, n funcie de sarcina electric i de greutatea molecular a acestora.

Sruri ale aminoacizilor

Prin caracterul lor amfionic, aminoacizii formeaz sruri att cu acizii tari ct i cu bazele tari. Astfel, cu acidul clorhidric formeaz clorhidrai (folosii adesea n sinteze organice), iar cu acizi tari organici ca acizii benzensulfonici i acidul picric (2,4,6-trinitrofenolul), formeaz sruri greu solubile n ap, dar solubile n solveni organici.

Datorit caracterului aminoacizilor de a forma soluii tampon, la titrarea obinuit a acestora cu acizi i baze nu poate fi determinat corect punctul de echivalen. Dac ns la soluia apoas a unui aminoacid se adaug formaldehid n exces, titrarea n mediu alcalin decurge fr probleme n prezena indicatorilor uzuali, fapt explicat prin reacia dintre formaldehid i grupa amino cu formarea unei baze Schiff (H2C=O + H2NRCOOH H2C=NRCOOH + H2O), reacie care conduce la scderea sensibil a bazicitii grupei aminice.

-Aminoacizii formeaz sruri complexe interne (chelai) greu solubile cu metale grele ca: Mg, Cu, Co, Ca, Pb, Hg, etc. Stabilitatea deosebit a acestora indic o structur ciclic lipsit de tensiuni n care aminoacidul formeaz dou legturi coordinative cu metalul, una prin perechea de electroni neparticipani ai atomului de azot i cealalt prin atomul de oxigen al grupei carboxil. -Aminoacizii formeaz i ei sruri interne, ns mai puin stabile, iar - i -aminoacizii nu formeaz astfel de combinaii complexe. De exemplu, cuprul, care are numrul de coordinaie patru, formeaz cu glicocolul un complex stabil colorat n albastru ce nu este descompus de hidroxidul de sodiu ci numai n prezena hidrogenului sulfurat. Cobaltul, care are numrul de coordinaie ase, formeaz un complex chelat cu trei molecule de glicocol. n mod similar acidul etilendiaminotetraacetic sau sarea sa de sodiu, etilendiaminotetraacetatul de sodiu, cunoscut sub denumirea de EDTA, precum i ali compui cu structuri asemntoare acestora formeaz compleci chelai stabili cu Ca, Mg, Cu i alte metale tranziionale. EDTA joac rolul de ligand bidentat n formarea acestor chelai cu metalele bivalente. Este utilizat n chimia analitic la titrrile complexonometrice, n ndustria textil, a detergenilor, n tehnica fotografic, avnd rolul general de a lega complex ionii de calciu i magneziu.

7

complecsii chelati ai glicocolului cu cuprul si cobaltul complex al EDTA cu magneziul

H2H2

CH2 CH2

O

C

C O

N

O

N

O C

CMg

CH2 COOH2COOC NaNaC

CO

N

O

Cu

O O

NC

CH2

H2

H2

H23

CoC

C N

OO

H2H2

Metode de obinere

Organismele vii i procur aminoacizii necesari sintezei peptidelor i proteinelor prin reacii biochimice. Acestea decurg n prezena biocatalizatorilor denumii enzime. Plantele i microorganismele posed ci metabolice care asigur sinteza majoritii aminoacizilor. n schimb, organismele heterotrofe, i n principal cel al mamiferelor, nu sunt capabile s sintetizeze catena a nou aminoacizi: valin (Val), leucin (Leu), izoleucin (Ile), lizin (Lys), metionin (Met), treonin (Thr), fenilalanin (Phe), triptofan (Trp) i histidin (His), numii aminoacizi eseniali. n perioadele de cretere, organismul are nevoie de cantiti mai mari de arginin (Arg), dect poate sintetiza, motiv pentru care, arginina este numit aminoacid semiesenial. Arginina i histidina sunt aminoacizi eseniali pentru peti i unele insecte. Aceti aminoacizi eseniali trebuie asimilai din hran n urma hidrolizei enzimatice a proteinelor. Enzimele care catalizeaz hidroliza sunt enzime proteolitice, numite peptidaze. Ele scindeaz legtura peptidic (CONH) din polipeptide i proteine la molecule mai simple, di-, tri-, tetrapeptide, iar apoi la aminoacizii constitueni.

H2N-CH-CO-NH-CH-CO NH-CH-COOH

R2 RnR1peptida

H2N-CH-COOH + H2N-CH-COOH + ... + H2N-CH-COOH

R2 RnR1amestec de aminoacizi

(n-1) H2Opeptidaza

hidroliza enzimatica

...

Prin hidroliza chimic, catalizat de acizii minerali tari, a proteinelor din pr, unghii sau copite se pot obine cantiti importante de cistein, iar din cartilagii sau oase se poate obine hidroxiprolina.

Sinteza biochimic a aminoacizilor

Spre deosebire de microorganisme i plante, organismele heterotrofe, n principal mamiferele au capacitatea s sintetizeze pe ci metabolice simple doar doisprezece aminoacizi neeseniali (cu excepia tirozinei) folosind pentru acetia ca substane de plecare unul din cei patru intermediari metabolici: piruvatul (acidul piruvic), doi intermediari din ciclul acidului citric: oxaloacetatul (acidul oxalacetic) i -cetoglutaratul (acidul -cetoglutaric) i acid 3-fosfogliceric. Toi aminoacizii sintetizai aparin seriei sterice configurative L.

Acizii piruvic, oxalacetic i -cetoglutaric sunt sursa de atomi de carbon ce corespunde celor trei aminoacizi: alanin, acid aspartic, acid glutamic. Sinteza acestora din intermediarii de mai sus este o simpl reacie de transaminare. Acidul glutamic se formeaz n urma oricrei reacii de transaminare dintre un alt aminoacid i acidul -cetoglutaric, iar n cadrul ciclului ureei se formeaz aminoacidul arginin. Alanina i acidul aspartic pot fi sintetizai direct din -cetoacizii corespunztori: acidul piruvic i acidul oxalacetic, deoarece reaciile catalizate de transaminazele alanin-aminotransferaza (ALAT) i aspartat-aminotransferaza (ASAT) sunt reversibile.

CH2 C COOH + HOOCO

CHNH2

CH2 CH2 COOH (GOT)

acid oxalacetic acid glutamic

CH2 CH COOH + HOOCNH2

CO

CH2 CH2 COOH

acid aspartic acid -cetoglutaric

HOOCASAT

HOOC

H3C C COOH + HOOCO

CHNH2

CH2 CH2 COOHALAT

(GPT)acid piruvic acid glutamic

H3C CH COOH + HOOCNH2

CO

CH2 CH2 COOH

alanina acid -cetoglutaric

8

Prin reacia cu amoniac a grupelor - i -carboxil, acizii glutamic i aspartic sunt transformai n glutamin (Gln) respectiv asparagin (Asn):

CHNH2

CH2 CH2 C

glutamina (Gln)

HOOCO

NH2 CHNH2

HOOC

asparagina (Asn)

CH2 CO

NH2

Tirosina (Tyr), singurul aminoacid neesenial cu caten lateral aromatic, este produs prin transformarea aminoacidului esenial fenilalanin (Phe). Conversia implic o singur etap oxidativ catalizat de enzima fenilalanin-hidroxilaz.

CH2 CHNH2

COOH

fenilalanin-hidroxilaza

tetrahidrobiopterina+O2

dihidrobiopterina+ H2O

CH2 CHNH2

COOHHO

fenilalanina (Phe) tirozina (Tyr)

n etapele biosintezei aminoacizilor alifatici cu caten ramificat: valina, leucina i izoleucina pornind de la acidul piruvic au loc transpoziii cu migrarea grupelor alchil.Biosinteza argininei, ornitinei i prolinei din acidul glutamic implic reacii de reducere, ciclizare i transaminare.Biosinteza lisinei, metioninei i treoninei pornind de la acid aspartic implic reacii de reducere, condensare i metilare, iar cea a serinei, cisteinei i glicinei din acid 3-fosfogligeric implic reacii de reducere, transaminare, dehidroximetilare, O-acilare i fixare a sulfului.Aminoacizii aromatici: fenilalanin, tirozin i triptofan se formeaz n plante pe calea metabolic a acidului shikimic i chorismic. Materia prim n aceast biosintez este glucoza, iar reacia ncepe prin condensarea a doi intermediari: fosfoenol-piruvatul i eritrozo-4-fosfatul ce formeaz ntr-o prim succesiune de cinci reacii acidul shikimic, iar apoi n trei etape de reacie acidul chorismic. Acesta, prin intermediul acidului prefrenic, se va transforma n acizii fenilpiruvic i 4-hidroxifenil-piruvic, care prin transaminare, dehidroxilare i reducere enzimatic vor conduce la fenilalanin i tirozin.

5 etape

COO-

OH

OH

HO

COO-

O

OH

C COO-CH2

COO-

C

CH2

O PO32-

CHO

C

C

CH2O-PO3

OHH

OHH2-

+ 3 etape

fosfoenolpiruvat eritrozo-4-fosfat acid shikimic acid chorismic acid prefenic

-OOC CH2-CO-COO-

OH

CH2-CO-COO-

fenilpiruvat fenilalanina

tirozina

+

CH2-CH-COO-

NH3

+

CH2-CH-COO-

NH3

HO

CH2-CO-COO-

OH4-hidroxifenilpiruvat

Biosinteza triptofanului din acid chorismic implic transformarea acestuia n acid antranilic, iar sinteza heterociclului indolic implic un proces de condensare ntre un derivat al ribozei (fosforibosil-pirofosfatul, PRPP) i acidul antranilic.

COO-

O

OH

C COO-CH2

acid chorismic

COO-

NH2 O-PPC CC

OC

P-O-CH2

OHOHH

HHH

fosforibozil-pirofosfat (PRPP)P - rest de acid fosforic, -PO3

2-

PP - rest de acid pirofosforicacid antranilic (antranilat)

4 etape

triptofanHN

CH2-CH-COO-

NH3+

Biosinteza histidinei are loc n nou etape i pornete de la bazele heterociclice purinice din acizii nucleici (adenozin-monofosfat, AMP). n prima etap avnd loc condensarea ntre acelai derivat al ribozei (fosforibosil-pirofosfatul, PRPP) i adenozin-trifosfatul (ATP). Heterociclul imidazolic din structura histidinei este format abia dup nc patru etape ale biosintezei.

9

HC CC

OC

PPP-O-CH2

OHOHH

HH

NN

N N

NH2

adenozin-trifosfat (ATP)

+O-PPC CC

OC

P-O-CH2

OHOHH

HHH

fosforibozil-pirofosfat (PRPP)

5 etape

imidazol-glicerol-fosfat histidina

HN N

CH-CH-CH2-O-P

OH OH

HN N

CH2-CH-COO-

NH3+4 etape

Sinteze chimice de -aminoacizi

-Aminoacizii naturali sau identic naturali sunt obinui la scar industrial prin metode biochimice i chimice. Mari cantiti sunt astfel utilizate ca suplimente alimentare n hrana animalelor (lizina i metionina), n industria farmaceutic (medicamente i soluii perfuzabile) sau alimentar (glutamatul monosodic, aditiv alimentar, poteniator de gust). Aminoacizi ca cisteina, acidul glutamic, tirozina i hidroxiprolina sunt izolai din diverse preparate proteice hidrolizate. Fenilalanina, acidul aspartic i metionina sunt obinui prin biosintez n urma proceselor fermentative realizate de microorganisme selectate sau modificate genetic.

Metodele chimice de sintez urmresc introducerea grupelor aminice n molecula acizilor carboxilici sau derivailor funcioanali ai acestora. Cu excepia metodelor de sintez stereospecifice, toate sintezele chimice prezentate mai jos conduc la -aminoacizi racemici, adic amestecuri echimolare a celor doi enantiomeri R / S (sau D / L). Aminoacizii naturali sunt optic acivi, aparin seriei configurative L i prezint de regul configuraie S, astfel c se impune separarea i ndeprtarea din amestecul racemic a formei D inactive, fr importan fiziologic. Metodele de separare sunt fie chimice, fie biochimice i se aplic obligatoriu dup fiecare sintez chimic a unui aminoacid. Metionina este singurul -aminoacid pentru care nu este necesar separarea enantiomerilor, aceasta deoarece ambele forme, D i L, sunt metabolizate de ctre organismul animal.

A. Aminarea acizilor -halogenai constituie una dintre metodele generale de obinere a -aminoacizilor. Aminarea poate avea loc cu un mare exces de amoniac care va mpiedica formarea de amine secundare i teriare. Astfel, din acizii mocloroacetic, -bromopropionic, -bromoizovalerianic, -bromoizocaproic, -bromo--fenilpropionic i bromosuccinic se obin: glicocolul, alanina, valina, leucina, fenilalanina i respectiv acidul asparagic.

R CH COOH + 2NH3X

R CH COOH + NH4X; X = Cl, Br

NH2

-Bromoacizii alifatici pot fi obinui din acizii carboxilici corespunztori prin metoda Hell-Volhard-Zelinski.

R CH2 COOH + Prosu + Br2 R CH COBr

Br

H2O R CH COOH + HBr

BrPBr3

O variant a aminrii -halogenoacizilor cu amoniac este cea cu hexametilentetramin (urotropin), un compus care genereaz in situ amoniac i formaldehid. Acidul -halogenat va forma cu aceasta un aduct care, prin nclzire cu acid clorhidric, se va descompune la -aminoacidul corespunztor cu un randament bun.

(CH3)2CH CH COOH + (CH2)6N4Br

(CH3)2CH CH COOH

Br N4(CH2)6

HCl(CH3)2CH CH COOH

NH2acid -bromoizovalerianic valinaaduct cu hexametilentetramina

Pentru evitarea formrii de amine secundare i teriare la aminarea acizilor -halogenai cu amoniac se poate apela la metoda Gabriel de sintez a aminelor primare care utilizeaz ca reactiv ftalimidura de potasiu i esteri inferiori ai acizilor -halogenai.

10

CN K+ + Cl

C

O

O

CH2 COORR = CH3, C2H5

- KCl CN

C

O

O

CH2 COORH2O CH2 COOH + ROHH2N

COOH

COOH+

CN K+ + Cl

C

O

O

CH2 COORR = CH3, C2H5

- KCl CN

C

O

O

CH2 COORH2O

CH2 COOH + ROHH2NCOOH

COOH+

n cazul acizilor -amino--halogenai este posibil o reacie de aminare intern cu ciclizare intramolecular. Astfel, prin eliminare de acid bromhidric din acidul -amino--bromovalerianic se obine prolina.

CCH2C CH COOH

NH2 Br

H2H2- HBr

CCH2C CH COOH

N

H2H2

H

B. Alchilarea esterilor N-acilamino-malonici sodai cu halogenuri de alchil primare constituie de asemenea o metod general de obinere a -aminoacizilor. Dintre esterii amino-malonici N-acilai cei mai utilizai amintim: esterul amino-malonic N-acetilat, N-formilat i cel N-benzoilat.Esterul N-acetilamino-malonic se obine prin nitrozarea esterului malonic corespunztor urmat de reducerea catalitic cu hidrogen molecular pe un catalizator de platin n prezena anhidridei acetice, sau reducerea cu zinc i acid acetic a esterul izonitrozo-malonic obinut prin se tautomerizarea esterului nitrozo-malonic.

CH2 + HOROOC

ROOCN=O

R = CH3, C2H5ester malonic acid azotos ester nitrozo-malonic ester izonitrozo-malonic

- H2O CHROOC

ROOCN=O

tautomerienitrozo-oximica C=N

ROOC

ROOCOH reducere

H2 / Pt / CH3-CO-O-CO-CH3sau Zn / CH3-COOH

CHROOC

ROOCNH C

O

CH3

ester N-acetilamino-malonic ester N-acetilamino-malonic sodat

C2H5O Na+ / C2H5OH- C2H5OH

CROOC

ROOCNH C

O

CH3Na+

Prin transformarea acestuia n ester N-acetilamino-malonic sodat cu metoxid sau etoxid de sodiu n etanol, urmat de reacia cu o halogenur de alchil primar se obine esterul alchil-N-acetilamino-malonic. Prin hidroliza grupei acetil i a celor dou grupe esterice, urmat de decarboxilarea uneia dintre cele dou grupe carboxil geminale se va obine -aminoacidul corespunztor.

R' X + Na+ CCOOR

COORHN C

O

CH3

- NaXC

COOR

COORR'

HN COCH3

1. 3H2O / H+

2. - CO2

hidroliza

decarboxilareR' CH COOH + 2ROH + CH3COOH

NH2halogenura de alchilprimara; X = Cl, Br

Se pot sintetiza astfel alanina, valina, leucina, fenilalanina.

11

Na+ CCOOR

COORHN C

O

CH3

- NaClC

COOR

COORCH2C6H5

HN COCH3

1. 3H2O / H+

2. - CO2

hidroliza

decarboxilareCH2 CH COOH + 2ROH + CH3COOH

NH2

C6H5+CH2C6H5 Clclorura de benzil

fenilalanina

Na+ CCOOR

COORHN C

O

CH3

- NaClC

COOR

COORCH2C6H5

HN COCH3

1. 3H2O / H+

2. - CO2

hidroliza


NH2

C6H5

+CH2C6H5 Clclorura de benzil

fenilalaninaLeucina a mai fost obinut prin condensarea esterului N-acetilamino-malonic sodat cu clorur de metalil, urmat de hidrogenare, hidroliz i decarboxilare.

H2C=C CH2 Cl

CH3

Na+ CCOOR

COORHN C

O

CH3

- NaClC

COOR

COORCH2H2C=C

CH3 HN COCH3

+

CH2 CH COOH + 2ROH + CH3COOH

NH2

CH

CH3

CH32. 3H2O / H+

3. - CO2

hidroliza

decarboxilare

1. H2 / Nihidrogenare

leucina

Prolina a fost sintetizat prin condensarea esterului formamido-malonic sodat cu 1-cloro-3-bromopropan, urmat de hidroliz, decarboxilare i ciclizarea intramolecular a acidului -amino--clorovalerianic.

Cl-CH2-CH2-CH2-Br + Na+ C

COOR

COORHN C

O

H

- NaBrCl-CH2-CH2-CH2-C

COOR

COORHN CH=O

2. - CO2decarboxilare

1. 3H2O / H+hidroliza

- 2ROH; - HCOOH

-cloro- -aminovalerianic prolina

CCH2C CH COOH

Cl NH2

H2H2- HCl

CCH2C CH COOH

N

H2H2

H

Hidroxiprolina a fost sintetizat n mod analog, pornind ns de la epibromhidrin, ca materie prim.

2. - CO2decarboxilare


- 2ROH; - HCOOH

-cloro- -hidroxi- -aminovalerianic hidroxiprolina

- HClCC

H2C CH COOH

Cl NH2

OH

H2H CCH2C CH COOH

N

OH

H2H

H

Na+ CCOOR

COORBr-CH2-CH-CH2-C

C=O

NH-CH=O

COOROO

Br-CH2-CH CH2 +

HN CH=O- RO Na+

Sinteza metioninei pornete de la etoxilarea metiltiolului i apoi transformarea sa n metil--cloroetil-tioeter. Acesta prin tratarea cu ester N-acetilamino-malonic sodat urmat de hidroliz i decarboxilare va conduce la metionin.

12

CH3-SH + Ometil-tiol etilen-oxid -metiltio-etanol metil- -cloroetil-tiol

CH3-S-CH2-CH2-OH - H2O+ HCl

CH3-S-CH2-CH2-Cl

Na+ CCOOR

COORHN CO CH3

- NaCl

CCOOR

COORCH2CH2CH3S

HN COCH3

1. 3H2O / H+

2. - CO2

hidroliza


NH2

CH2CH3S

metioninaEsterul N-acetilamino-malonic sodat poate reaciona cu aldehide, esteri i nitrili ,-nesaturai. Adiia nucleofil a esterului N-acetilamino-malonic sodat la formaldehid, acrilat de metil sau etil i acrilonitril st la baza sintezelor serinei, acidului glutamic i glutaminei.

O=CH2 +Na+ C

COOR

COORHN CO CH3

CCOOR

COORCH2Na

+ O

HN COCH3

CCOOR

COORCH2HO

HN COCH31. 3H2O / H+

2. - CO2

hidroliza

decarboxilareCH2 CH COOH + 2 ROH + CH3COOH

NH2

HO

serina

+ H2O- NaOH

+ H2O- NaOH

CCOOR

COORCH2CH2ROOC

HN COCH3

CCOOR

COORCH2CHROOC

HN COCH3

Na+

ROOC CH=CH2 +Na+ C

COOR

COORHN CO CH3

1. 4H2O / H+

2. - CO2

hidroliza


NH2

CH2HOOC

acid glutamic

+ H2O- NaOH

CCOOR

COORCH2CH2CN

HN COCH3

CCOOR

COORCH2CHCN

HN COCH3

Na+

C CH=CH2 +NNa+ C

COOR

COORHN CO CH3

1. 4H2O / H+

2. - CO2

hidroliza


NH2

CH2CH2N

Oglutamina

13

+ H2O- NaOH

CCOOR

COORCH2CH2CN

HN COCH3

CCOOR

COORCH2CHCN

HN COCH3

Na+

C CH=CH2 +NNa+ C

COOR

COORHN CO CH3

1. 4H2O / H+

2. - CO2

hidroliza


NH2

CH2CH2N

Oglutamina

+ H2O- NaOH

CCOOR

COORCH2CH2ROOC

HN COCH3

CCOOR

COORCH2CHROOC

HN COCH3

Na+

ROOC CH=CH2 +Na+ C

COOR

COORHN CO CH3

1. 4H2O / H+

2. - CO2

hidroliza


NH2

CH2HOOC

acid glutamic

O=CH2 +Na+ C

COOR

COORHN CO CH3

CCOOR

COORCH2Na

+ O

HN COCH3

CCOOR

COORCH2HO

HN COCH31. 3H2O / H+

2. - CO2

hidroliza


NH2

HO

serina

+ H2O- NaOH

Acidul glutamic se mai poate obine prin reacia de condensarea a esterului N-acetilamino-malonic sodat cu acroleina (reacie Michael). n urma oxidrii cu permanganat de potasiu, hidroliza i decarboxilarea intermediarului format se obine acidul glutamic.

CCOOR

COORCH2CH2O=CH

HN COCH3

CCOOR

COORCH2CHO=CH

HN COCH3

Na+

O=CH CH=CH2 +Na+ C

COOR

COORHN CO CH3

CH2 CH COOH + 2ROH + CH3COOH

NH2

CH2HOOC

acid glutamic

+ H2O- NaOH

2. 3H2O / H+

3. - CO2

hidroliza

decarboxilare

oxidare1. KMnO4

Ornitina se poate sintetiza pornind de la produsul de condensare al esterului N-acetilamino-malonic sodat cu acrilonitrilul, prin hidrogenarea acestuia, urmat de hidroliz i decarboxilare.

CCOOR

COORCH2CH2CN

HN COCH3

C

CN

C

CC

O

NH-CO-CH3

H

H2H2H2

COOR H2O / H+

hidroliza

- CO2

- ROH- CH3COOH

H2 / Ni-Raney CH2 CH2H2N CH2 CH COOH

NH2ornitina -N-acetilamino-malonil-propionitrilTriptofanul se poate obine din indol, care n prezena formaldehidei i dimetilaminei, printr-o reacie Mannich, trece n gramin. Aceasta se transform n sare cuaternar de amoniu i va reaciona cu esterul N-acetilamino-malonic sodat, similar ca un compus halogenat reactiv. Dup hidroliza urmat de decarboxilare a intermediarului de condensare se va obine triptofanul.

14

CH3I+ H2C=O + HN(CH3)2

indol graminaNH

- H2O

N

CH2 N(CH3)2

HN

CH2 N(CH3)3 I

H

Na+ CCOOR

COORHN CO CH3- NaI- N(CH3)3

N

CH2 CCOOR

COOR

H

HN CO CH32. - CO2

decarboxilare


- 2ROH

N

CH2 CH COOH

NH2

H triptofan

Esterul malonic sodat poate fi alchilat direct cu derivai halogenai primari sau cu reactivitate mrit, apoi halogenat i n final aminat n poziia cu amoniac sau cu ftalimidur de potasiu. Dup hidroliza intermediarului malonat alchilat i aminat, urmat de o decarboxilare, se obine -aminoacidul corespunztor. Sinteza fenilalaninei comport urmtoarea succesiune de reacii.

- NaCl

1. 2H2O / H+

2. - CO2

hidroliza

decarboxilareCH2 CH COOH + 2C2H5OH

NH2

C6H5

+

clorura de benzil

fenilalanina

Na+ CHCOOC2H5COOC2H5

C6H5 CH2 Cl

ester malonic sodat

C6H5 CH2 CHCOOC2H5COOC2H5

+ Br2 / Prosu C6H5 CH2 CCOOC2H5COOC2H5Br

2 NH3- NH4Br

C6H5 CH2 CCOOC2H5COOC2H5NH2

Cele dou metode: aminarea acizilor -halogenai i alchilarea esterilor N-acilamino-malonici sodai pot fi combinate n cazul sintezei ornitinei i lisinei din 1,3- respectiv 1,4-dibromopropan.

CH2 CH2H2N CH2 CH COOH + ROH

NH2

COOH

COOH+

ornitina

CN K+ + Br-CH2-CH2-CH2-Br

C

O

O

- KBrC

N-CH2-CH2-CH2-BrC

O

O

Na+ HC(COOR)2

CN-CH2-CH2-CH2-CH(COOR)2

C

O

O

+ Br2- HBr

CN-CH2-CH2-CH2-C(COOR)2

C

O

OBr

1. 2H2O / H+

2. - CO2

hidroliza

decarboxilare

CN-CH2-CH2-CH2-CH-COOH

C

O

OBr

+ 2NH3- NH4Br


C

O

ONH2

H2O

O alt metod de sintez a lisinei utilizeaz ca materie prim acidul -aminocapronic obinut industrial prin transpoziia Beckman a ciclohexanon-oximei, urmat de hidroliza -caprolactamei

ciclohexanona ciclohexanon-oxima -caprolactama acid -aminocaproic

N OH

NH

OO

(H2SO4)+ H2N OH- H2O

H2Ohidroliza

H2N-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-COOHC6H5COCl

C6H5-CO-NH-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH1. P + Br22. hidroliza

acid N-benzoil- -aminocaproicC6H5-CO-NH-CH2-CH2-CH2-CH2-CH-COOH

Br

1. NH32. hidroliza

H2N-CH2-CH2-CH2-CH2-CH-COOH + C6H5-COOH + NH4Br

Brlisina

acid -bromo-N-benzoil- -aminocaproic

15

Prolina poate fi sintetizat printr-o reacie de alchilare intramolecular a acidului -amino--halogeno-valerianic. Astfel, prin hidroliza acidului -ftalimidil--bromovalerianic se obine acidul -amino--bromovalerianic, care printr-o reacie de aminare intern cu ciclizare intramolecular elimin acid bromhidric i formeaz prolina.


C

O

OBr

CCH2C CH COOH

NH2 Br

H2H2- HBr

CCH2C CH COOH

N

H2H2

H

H2O / H+hidroliza

- ac. ftalic

-ftalimidil- -bromovalerianic -ftalimidil- -bromovalerianic prolinaO alt variant de sintez a prolinei utilizeaz ca materie prim produsul de condensare format prin adiia esterului malonic sodat la acrilonitril.

CHCH2CH2CNCOOR

COORCHCH2CHCN

COOR

COOR

Na+C CH=CH2 +N Na

+ CHCOOR

COOR+ 2 H2- ROH

+ H2O- NaOH

C

CN

C

CHC

O

COOR

H

H2H2H2

SO2Cl2- SO2- HCl

C

CN

C

CC

O

COOR

H

H2H2H2

Cl H2O / H+

hidroliza

-ftalimidil- -clorovalerianic prolina- CO2- ROH

CCH2C CH COOH

NH2 Cl

H2H2- HCl

CCH2C CH COOH

N

H2H2

H

Serina a fost sintetizat i prin alte dou metode ambele pornind de la acrilat de metil i acrilat de etil. Una din ele const din aminarea 2-bromo-3-hidroxipropionatului de metil cu benzil-amina, urmat de eliminarea radicalului benzil sub form de toluen prin hidrogenare i apoi hidroliza grupei esterice.

H2C=CH COOCH3HOBr

HO CH2 CH COOCH3Br

C6H5-CH2-NH2 HO CH2 CH COOCH3NH-CH2-C6H5

1. H2 / Pt

2. H2O

- C6H5-CH3

- CH3OH

HO CH2 CH COOCH3NH2

H2C=CH COOCH3HOBr

HO CH2 CH COOCH3Br

C6H5-CH2-NH2

HO CH2 CH COOCH3NH-CH2-C6H5

1. H2 / Pt

2. H2O

- C6H5-CH3

- CH3OH

HO CH2 CH COOCH3NH2

A doua metod const n etoxilarea i apoi aminarea 2,3-dibromopropionatului de etil, urmat n final de hidroliza esterului -etoxiprolinei.

H2C=CH COOC2H5 CH2 CH COOC2H5BrBr

C2H5OHBr2 CH COOC2H5Br

CH2OC2H5

2 NH3- NH4Br

CH COOC2H5NH2

CH2OC2H5

HO CH2 CH COOH

NH2

H2O / H+

- 2C2H5OH

Sinteza cisteinei a fost sintetizat prin condensarea esterului ftalimido-malonic sodat cu clorometil-benzil-tioeter. n urma hidrolizei i decarboxilrii produsului de condensare, urmat de eliminarea grupei benzil prin reducere cu sodiu metalic n amoniac lichid, se obine cisteina. Aceasta poate fi oxidat uor, n condiii blnde, la cistin. Clorometil-benzil-tioeterul se obine prin condensarea benziltiolului cu formaldehid n prezena acidului clorhidric.

16

C6H5-CH2-SH + H2C=O + HCl C6H5-CH2-S-CH2-Cl

+ Cl-CH2-S-CH2-C6H5- NaCl H2O / H+

hidroliza

- ac. ftalic- 2ROH- CO2

HOOC-CH-CH2-S-CH2-C6H5NH2

Na / NH3 lq.- C6H5-CH3

HOOC-CH-CH2-SH

NH2

- 2[H]

+ 2[H]

oxidare blanda

reducere blanda

1/2 HOOC-CH-CH2-S-S-CH2-CH-COOH

NH2 NH2cisteina cistina

clorometil-benzil-tioeter

ester ftalimido-malonic sodat

CN

C

O

O

CCOOR

COOR

Na+CH2-S-CH2-C6H5C

NC

O

O

CCOOR

COOR

C. Sinteze din aldehide, acid cianhidric i amoniac (Metoda Strecker i Bucherer) este o metod general de obinere a nitrililor -aminoacizilor, care prin hidroliz acid formeaz -aminoacizii corespunztori.

R CH=O + H C N + NH3- H2O R CH C

NH2

N2 H2O- NH3

R CH COOH

NH2

Metoda Strecker utilizeaz cianur de sodiu i clorur de amoniu, care formeaz cianura de amoniu instabil ce genereaz in situ acidul cianhidric i amoniac.

CH3 CH=O + Na+ CN + NH4Cl CH3 CH C

NH2

N2 H2O- NH3

CH3 CH COOH

NH2[NH4 CN] + Na+ Cl

HCN + NH3

- H2O- NaCl

acetaldehida -aminopropionitril -alanina

Reacia de obinere a -aminonitrilului poate decurge pe dou ci:a) Acidul cianhidric se adiioneaz nucleofil la aldehid cu formarea cianhidrinei, urmat de substituia nucleofil bimolecular a grupei hidroxil din cianhidrin cu grupa amino din amoniac, formnd -aminonitrilul, sau

R CH=O + H C N + NH3

- H2OR CH C

NH2

NR CH C

OH

NANSN2

aldehida -hidroxinitril -aminonitril

b) Amoniacul formeaz un -aminoalcool prin adiia nucleofil la grupa carbonil din aldehid, iar acesta prin eliminare de ap formeaz o imin. n ce-a de-a doua etap are loc adiia nucleofil a acidului ciamhidric la derivatul funcional iminic corespunztor aldehidei cu formarea -aminonitrilului

R CH=O + NH3 AN R CH NH2OH

E R CH=NH+ HCN

ANR CH C

NH2

N

-aminoalcool

aldiminaaldehida

-aminonitrilMetoda Strecker este aplicabil doar n cazul aminoacizilor (glicocolul, alanina) al cror aldehide (formaldehida, acetaldehida) sunt uor accesibile. Exist i posibilitatea sintezei cianhidrinei ntr-o prim etap, reacia cu amoniacul avnd loc ulterior la temperatur i presiune ridicat, iar n final hidroliza -aminonitrilului fiind realizat n cataliza ionilor mercurici.Serina a fost sintetizat prin metoda Strecker pornind de la eterul monoetilic al glicolului care este n prealabil oxidat la etoxiacetaldehid i aceasta este transformat n cianhidrin, apoi n -etoxi--aminopropionitril.

17

CH2-OH

CH2-O-C2H5

[O] CH=O

CH2-O-C2H5

HCN + NH3- H2O

CH-NH2CH2-O-C2H5

C NCH-NH2CH2-OH

COOH

serina

3 H2O- NH3- C2H5OH

O variant modificat a sintezei Strecker este metoda Bucherer care utilizeaz cianur de potasiu i carbonat de amoniu. Prin tratarea cianhidrinei compusului carbonilic cu carbonat de amoniu se obine o hidantoin 5-substituit care prin hidroliz cu hidroxizi alcalini formeaz aminoacidul cu randamente bune.

CH3 CH=O(NH4)2CO3HCN CH C

OH

NCH3CH

N CNH

CO

O

H3C

H1 2

3

45

5-metil-hidantoina -aminopropionitril

acetaldehida

H2O / HO- CH3 CH COOH

NH2 -alanina

- CO2- NH3

- H2O- 2NH3

+ KCN + (NH4)2CO3

Metoda este utilizat la sinteza metioninei pornind de la acrolein i metiltiol care dau prin condensare -metiltiopropionaldehida. Aceasta va forma prin metoda Bucherer metionina.

CH3-SH + H2C=CH-CH=O CH3-S-CH2-CH2-CH=O1. KCN + (NH4)2CO3

2. H2O / HO-CH3-S-CH2-CH2-CH-COOH

NH2metionina

Sinteza lisinei utilizeaz ca materie prim 2,3-dihidropiran obinut prin sintez Diels-Alder din acrolein i eten. Prin hidroliza acestuia se obine aldehida acidului -hidroxivalerianic, care intr n sinteza Bucherer.

CH

N CNH

CO

O

HO(CH2)4

H

HClCH2CH2

H2CCH

CHO

+O

H2O HO-CH2-CH2-CH2-CH2-CH=OKCN + (NH4)2CO3

CH

N CNH

CO

O

Cl(CH2)4

HK2CO3- KCl- CO2

CH

N CN

CO

O

(CH2)4

H

n

H2O H2N-CH2-CH2-CH2-CH2-CH-COOH

NH2lisina

D. Sinteze din aldehide i acid hipuric (acid benzoil-aminoacetic) este o metod general aplicat aldehidelor aromatice sau heterociclice cu caracter aromatic. Printr-o reacie Perkin, acestea se condenseaz cu acidul benzoil-aminoacetic n prezena anhidridei acetice formnd o azlacton nesaturat, care n urma reducerii cu amalgam de sodiu, urmat de hidroliz va conduce la -aminoacizii corespunztori i acid benzoic. Acidul hipuric (acidul benzoil-aminoacetic) se ciclizeaz intramolecular la o azlacton care este intermediarul cu grup metilen-activ n reacia de condensare cu aldehida.

18

H2C C

N CO

C6H5

O

OH - H2O(Ac2O)

(- 2AcOH)

acid hipuric(acid N-benzoil-aminoacetic)

CC

N CO

C6H5

OCC

N CO

C6H5

OH2

- H2O

(Ac2O)

(- 2AcOH)

C6H5-CH=OC6H5-CH=

azlactona benziliden-azlactona(azlactona nesaturata)

2[H]reducere

Na-Hg / H2O

CC

N CO

C6H5

OCH2C6H5

H

benzil-azlactona(azlactona saturata)

2 H2O / H+ C6H5 CH2 CH COOH

NH2

+ C6H5 COOH

fenilalanina acid benzoic

H

Prin aceast metod s-au obinut aminoacizi cu nuclee aromatice sau heterociclice cu structura alaninei: fenilalanina, tirosina, triptofanul i histidina pornind de la benzaldehid, p-hidroxibenzaldehid, -aldehida indolului i respectiv aldehida imidazolului.O variant a metodei cu acid hipuric este sinteza Erlenmeyer care const n acetilarea glicocolului cu anhidrid acetic i formarea azlactonei. Aceasta se condenseaz crotonic cu o aldehid i formeaz azlactona nesaturat care, prin reducere cu acid iodhidric n prezena fosforului rou, urmat de hidroliz, va conduce la -aminoacidul corespunztor.

H

H2C C

N CO

CH3

O

OH - H2O(Ac2O)

(- 2AcOH)

acid N-acetil-aminoacetic

CC

N CO

CH3

OH2

azlactona

CH2 C

O

OHH2N - H2O

(Ac2O)

(- 2AcOH)

R-CH=O

CH3-CO = Ac(CH3-CO)2O = Ac2OCH3-COOH = AcOH

glicocol

+ (CH3-CO)2O

- CH3-COOH

-aminoacid

CC

N CO

CH3

OCH2R

I

alchil-iodo-azlactona(azlactona saturata)

R CH2 CH COOH

NH2

CC

N CO

CH3

OR-CH=

alchiliden-azlactona(azlactona nesaturata)

+ HI / Prosureducere - CH3-COOH

2 H2O / H+

n locul acidului hipuric pot fi utilizai ali compui heterociclici cu grupe metilen-acive care s dea condensri Perkin cu aldehidele. Dintre acetia amintim: dicetopiperazina, hidantoina i rodanina.Dicetopiperazinele se obin prin dimerizarea esterilor -aminoacizilor. Prin condensarea cu aldehide, urmat de reducere i hidroliz se obin aminoacizi ce conin resturi alaninice.

R-CH=C

HNC

C=CH-R

NHC

O

Odicetopiperazina

- 2H2O

(2 Ac2O)

(- 4AcOH)

2 R-CH=O 4[H]

R-CH2-HC

HNC

CH-CH2-R

NHC

O

O

H2C

HNC

CH2

NHC

O

O

- 2ROHC

ORH2C

O

NH2

CCH2RO

O

NH2

2 H2O 2 R CH2 CH COOH

NH2

Prin tratarea glicocolului cu acid cianic sau prin nclzire cu uree se obine acidul hidantoic care se ciclizeaz intramolecular la hidantoin i se elimin o molecul de ap. Hidantoina d reacii de condensare Perkin similare cu azlactona.

19

H2C C

O

OH

NH2 + O=C=NH

H2C C

O

OH

HN C

O

NH2

sau O=CNH2NH2

(- NH3) - H2O H2C

N CNH

CO

O

H

R-CH=C

N CNH

CO

O

H- H2O

(Ac2O)

(- 2AcOH)

R-CH=O 2[H]

acid hidantoic hidantoina

R-CH2-HC

N CNH

CO

O

HR CH2 CH COOH + CO2 + NH3

NH2

H2O

Rodanina sau 2-tio-4-tiazolidona s-a obinut prin condensarea acidului monocloroacetic cu ditiocarbamatul de amoniu. Prin condensarea acesteia cu aldehide aromatice n prezena acetatului de sodiu anhidru n acid acetic glacial urmat de hidroliza n mediu alcalin se obine un acid -aril-tiopiruvic. Prin tratarea acestuia cu hidrat de hidrazin se obine oxima, care prin reducere conduce la aminoacidul corespunztor.

- H2O H2C

S CNH

CO

S

Ar-CH=C

S CNH

CO

S

- H2O

(AcO-Na+ / AcOH)Ar-CH=O

rodanina(2-tio-4-tiazolidona)

COOHH2C

ClC

S

NH2NH4 S- NH4Cl

NaOH Ar-CH=C-COOH

SH

Ar CH2 CH COOH

NH2

Ar-CH2-C-COOH

S

Ar-CH2-C-COOH

N-OH

H2N-OH- H2S

4[H]- H2O

tautomerie

tioenol-tionica

Un alt compus cu grup metilen-activ este nitrilul esterului acidului malonic (cianoacetat de etil sau metil). Condensarea acestuia cu aldehide concomitent cu hidrogenarea va conduce la esterul acidului malonic alchilat, urmat de transformarea grupei esterice n hidrazid, acil-azid i apoi transformat n grup amino printr-o degradare Curtius.

R-CH=O + H2CCN

COOR

H2- H2O

R-CH2-CHCN

COOR

H2N-NH2- ROH

R-CH2-CHCN

CO-NH-NH2

HO-N=O

- 2H2O

R-CH2-CHCN

CO-N=N=NROH- N2

R-CH2-CHCN

NH-CO-OR

3 H2O- RCOOH- NH3

hidroliza

R-CH2-CH-COOH

NH2

E. Metode de sintez bazate pe reducerea derivailor funcionali cu azot ai -cetoacizilor. Reducerea oximelor, hidrazonelor i fenilhidrazonelor poate avea loc cu metale i acizi (amalgam de sodiu sau de aluminiu, zinc, staniu sau fer i acid clorhidric etc.), cu hidruri mixte (hidrur de litiu i aluminiu), catalitic (hidrogen molecular i nichel Raney) sau electrochimic.

C

O

COOHRH2N-OH

- H2OC

N-OH

COOHR- H2O4[H]

CH COOH

NH2

R

-cetoacid oxima -cetoacidului -aminoacidPrin condensarea alchil-acetilacetatului de etil cu diazoderivai aromatici se obin fenilhidrazonele -cetoesterilor corespunztori. Reducerea acestora cu staniu i acid clorhidric constituie o metod general de obinere a unor aminoacizi ca valina (R = (CH3)CH), leucina (R = (CH3)CHCH2), fenilalanina (R = C6H5CH2), tirosina (R = p-H3COC6H4CH2), acidul glutamic (R = HOOC-CH2CH2) i metionina (R = CH3-S-CH2CH2).

20

CH COOC2H5CO-CH3

R C6H5-N N Cl C COOC2H5N

R

NH C6H5

Sn + HCl CH COOH

NH2

R+ C6H5 NH2

fenilhidrazona -aminoacidAminarea reductiv a -cetoacizilor prin hidrogenare n prezena catalitic a paladiului, prin reducere cu sulfat feros sau cu cistein decurge printr-un intermediar iminic cu formarea -aminoacizilor corespunztori.

C

O

COOHR C

NH

COOHR CH COOH

NH2

R

-cetoacid imina -cetoacidului -aminoacid

NH3- H2O - H2O

2[H]

F. Metode de sintez diverse.

Acidul asparagic se obine din -butirolacton prin bromurarea la grupa metilen-activ, urmat de aminare. Prin hidroliza -amino--butirolactonei se obine acidul -hidroxi--aminobutiric care este oxidat ulterior la acid asparagic.

CH2C

H2C CH2

O

O

-butirolactona

Br2CCH

H2C CH2

O

OBr

-cloro- -butirolactona

2 NH3- NH4Br

CCH

H2C CH2

O

OH2N

-amino- -butirolactona

H2O HO-CH2-CH2-CH-COOH

NH2

[O]HOOC-CH2-CH-COOH

NH2acid -hidroxi- -aminobutiric acid asparagic

CH2C

H2C CH2

O

O

-butirolactona

Br2CCH

H2C CH2

O

OBr

-cloro- -butirolactona

2 NH3- NH4Br

CCH

H2C CH2

O

OH2N

-amino- -butirolactona

H2O

HO-CH2-CH2-CH-COOH

NH2

[O] HOOC-CH2-CH-COOH

NH2acid -hidroxi- -aminobutiric acid asparagic

O alt metod const n adiia amoniacului la acid fumaric la temperatur i presiune ridicat sau la fumarat de etil n soluie alcoolic. n regnul vegetal reacia decurge n condiii blnde fiind catalizat de enzima numit asparaginaz.

H5C2OOC-CH=CH-COOC2H5 + NH3(C2H5OH) HOOC-CH2-CH-COOH

NH2acid asparagic

fumarat de etil

Cisteina poate fi sintetizat prin adiia benziltiolului la -cloroacrilonitril urmat de aminare, hidroliz i apoi eliminarea grupei benzil prin tratare cu sodiu i amoniac lichid.C6H5-CH2-SH + H2C=C-CN

Cl

C6H5-CH2-S-CH2-CH-CN

Cl

C6H5-CH2-S-CH2-CH-COOH

NH2

2NH3; 2H2O

- NH4Cl; - NH3

2[H]C6H5-CH3 + HS-CH2-CH-COOH

NH2

C6H5-CH2-SH + H2C=C-CN

Cl

C6H5-CH2-S-CH2-CH-CN

ClC6H5-CH2-S-CH2-CH-COOH

NH2

2NH3; 2H2O

- NH4Cl; - NH32[H]

C6H5-CH3 + HS-CH2-CH-COOH

NH2

Cistina a fost obinut pornind de la acidul piruvic care prin condensare cu acetamid formeaz acidul acetamido-acrilic. Prin adiia acidului tioacetic la acesta urmat de hidroliz se obine cisteina, care apoi prin oxidare blnd formeaz cistina.

21

CH3-CO-S-CH2-CH-COOH

NH-CO-CH3

hidroliza 2 H2O

- 2 CH3COOH

CH3-C-COOH + CH3-CO-NH2O

H2C=C-COOH

NH-CO-CH3

CH3-CO-SH

cisteina cistina

HOOC-CH-CH2-SH

NH2

- 2[H]

+ 2[H]

oxidare blanda

reducere blanda

1/2 HOOC-CH-CH2-S-S-CH2-CH-COOH

NH2 NH2

acid piruvic acetamida acid acetamido-acrilic

L(-)Treonina natural, un aminoacid esenial, este unul dintre cei patru izomeri optici ai acidului -hidroxi--aminobutiric, i anume acidul (2S,3R)-2-amino-3-hidroxibutanoic. Acidul -hidroxi--aminobutiric prezint doi atomi de carbon chirali i dou perechi de enantiomeri corespunztori DL-treoninei i DL-allo-treoninei (forma eritro este inactiv din punct de vedere fiziologic).

C

C

COOH

H2N H

H OH

CH3

C

C

COOH

H NH2HO H

CH3

C

C

COOH

H2N H

HO H

CH3

C

C

COOH

H NH2H OH

CH3L(-)-treonina D(+)-treonina L(-)-allo-treonina D(+)-allo-treonina

(2S,3R)- (2R,3S)- (2S,3S)- (2R,3R)-2-amino-3-hidroxibutanoic acid

Prin adiia bromului i a apei la acidul crotonic (adiie n trans), urmat de aminarea (care nu decurge cu inversie Walden) cu amoniac a acidului -bromo--hidroxibutiric se obine DL-allo-treonin.

C

C

COOH

H

H

H3C

HO-Br

(Br2 + H2O)

C

C

COOH

H Br

H OH

CH3

2 NH3- NH4Br

C

C

COOH

H NH2H OH

CH3acid crotonic acid DL-eritro- -bromo- DL-allo-treonina

-hidroxibutiricDe asemenea, prin hidrogenarea esterului -izonitrozo-acetilacetic sau a -fenilhidrazonei esterului acetilacetic se obine tot DL-allo-treonin.

CH3-C-C-COOC2H5O N-OH

CH3-C-C-COOC2H5O N-NH-C6H5

-izonitrozo-acetilacetat de etil -fenilhidrazonaacetilacetatului de etil

C

C

COOC2H5H NH2H OH

CH3

2H2 4[H]

DL-allo-treoninaIzomerizarea DL-allo-treoninei la DL-treonin se realizeaz prin N-acetilare, apoi derivatul N-acetilat este tratat cu clorur de tionil (O=SCl2) cnd grupa hidroxil este transformat ntr-un ester clorosulfinic. Prin atacul intramolecular al grupei acetil n anti fa de grupa clorosulfinic, aceasta este eliminat i se obine un intermediar oxazolinic cu configuraia treo a DL-treoninei. Hidroliza Heterociclul oxazolinic sufer apoi o reacie de hidroliz care decurge fr inversie Walden formnd DL-treonina.

H

O

H3C

SCl

O

NH

H COOC2H5

CO CH3

- SO2; - HCl

C

CH3

H3C H

O

N

H COOC2H5

esterul clorosulfinical N-acetil-L-allo-treoninei

intermediaroxazolinic

hidroliza- CH3COOH- C2H5OH

C

C

COOH

H2N H

H OH

CH3L-treonina

22

n plante i microorganisme, treonina este sintetizat din acid aspartic prin intermediul -aspartat-semialdehidei i homoserinei. Homoserina este O-fosforilat, iar ester-fosfatul acesteia este hidrolizat n prezena treonin-sintazei concomitent cu migrarea grupei hidroxilice n poziia .

-O-C-CH2-CH-COOH

O NH2aspartat aspartil- -fosfat -aspartat-semialdehida

-O-P-O-C-CH2-CH-COOH

O NH2

O-

O

H-C-CH2-CH-COOH

O NH2 -aspartat-semialdehid-dehidrogenaza

NADPH+ + H+ NADP+ + Pi

HO-CH2-CH2-CH-COOH

NH2homoserina fosfo-homoserina

O-P-O-CH2-CH2-CH-COOH

NH2O

O--

OHH3C

OH

NH2

O

L(-)-treonina

ATP ADP

aspartokinaza

treonin-sintaza

H2O Pi

homoserin-dehidrogenaza

NADPH+ + H+ NADP+ ATP ADP

homoserin-kinaza

Sinteze chimice de -aminoacizi

Sinteza -aminoacizilor se poate realiza prin adaptarea unor metode folosite pentru sinteza -aminoacizilor. Astfel, prin reducerea derivailor funcionali cu azot ai -cetoacizilor sau prin aminarea acizilor -halogenai se obin -aminoacizii corespunztori.-Alanina se poate sintetiza prin adiia nucleofil a amoniacului la acrilonitril, urmat de hidroliza -aminopropionitrilului format ca intermediar.

H2C=CH-CN + NH3 H2N-CH2-CH2-CN2 H2O- NH3

H2N-CH2-CH2-COOHacrilonitril -amino-propionitril -alanina

O alt metod pornete de la anhidrid succinic care, dup transformare n monoamida acidului succinic, este supus degradrii Hofmann formnd -alanina.

H2C

C CO

CO

O

H2HOOC-CH2-CH2-CONH2

anhidrida succinica

monoamida acidului succinic

NaOBr / NaOHNH3 H2N-CH2-CH2-COOH -alanina

Printr-o metod similar se poate obine din anhidrid ftalic sau direct din ftalimid acidul o-aminobenzoic sau acidul antranilic.

COOH

CONH2

CO

C

O

O

NH3C

NHC

O

O

NaOCl / NaOHCOOH

NH2

NaOBr / NaOH

anhidrida ftalica ftalimidaacid antranilic(acid o-aminobenzoic)

acid ftalamic(monoamida acidului ftalic)

Acidul p-aminobenzoic, cunoscut sub denumirea de vitamina H necesar dezvoltrii unor microorganisme, se obine din toluen prin nitrare, separarea izomerului para, oxidarea p-nitrotoluenului la acidul p-nitrobenzoic i n final reducerea acestuia.

23

CH3 CH3

NO2

COOH

NO2

COOH

NH2toluen p-nitrotoluen acid p-nitrobenzoic acid p-aminobenzoic

nitrare oxidare reducere

Reacii chimice de formare a derivailor funcionali ai aminoacizilor

A. Reacii chimice de formare a derivailor funcionali la grupa amino din aminoacizi

1. Acilarea cu cloruri acide de tipul clorurii de acetil (CH3-CO-Cl) sau de benzoil (C6H5-CO-Cl) se face n scopul protejrii grupei amino care i pierde caracterul bazic.

C6H5 CO

Cl+ H2N CH2 COO

- Na+NaOH

C6H5 C

O

NH CH2 COOH + NaClglicina sare de sodiusau glicinat de sodiu benzoilglicina sau acid hipuric

clorura de benzoil

R' CO

Cl+ H2N R COOH

NaOH sau baze organicede tipul aminelor tertiare R' C

O

NH R COOH

R' = CH3; C6H5 aminoacid acilatR = catena de rest hidrocarbonat

Hidroliza grupei acilamino se face la cald n prezena acizilor sau bazelor. Dezavantajul acestei metode de protejare este acela c reacia de hidroliz este nsoit de racemizarea atomului de carbon chiral.

2. Acilarea cu cloroformiat de benzil (Cbz-Cl) sau metoda benziloxicarbonilrii este utilizat frecvent n sintezele de peptide pentru protejarea grupei amino din aminoacizi. Cloroformiatul de benzil se obine prin reacia alcoolului benzilic cu fosgenul. Aminoacidul sub forma srii de sodiu (obinut n mediu alcalin) va reaciona cu cloroformiatul de benzil formnd carbamatul sau benziloxicarbonilaminoacidul n care grupa amino este protejat.

benziloxicarbonilaminoacid sauN-hidroxicarbonilalchil-O-benzilcarbamat

+C6H5 CH2 O CO

Cl H2N R COO- Na+ + NaClC6H5 CH2 O C

ONH R COOH

C6H5 CH2 OH + Cl CO

Cl C6H5 CH2 O CO

Cl + HCl

alcool benzilic fosgen cloroformiat de benzil (Cbz)sau clorocarbonat de benzil

Deprotejarea grupei amino se face fie prin tratarea benziloxicarbonilaminoacidului cu acid bromhidric n prezena acidului acetic la rece, fie prin hidrogenare catalitic. Ambele metode adopt condiii blnde de reacie, ns n timpul acestor reacii sunt posibile racemizri ale centrului optic activ.

C6H5 CH2 O CO

NH R COOH H2N R COOH + C6H5 CH2 Br + CO2

acidul carbamic, instabil, elimina dioxidul de carbon

+ H2 / cat. de Ni, Pt sau Pd

C6H5 CH3 + HO CO

NH R COOH +C6H5 CH3 H2N R COOH CO2+

+ HBr / CH3-COOHla rece

24

3. Acilarea cu ter-butoxicarbonilazid (Boc-N3) reprezint tot o metod de protejare a grupelor amino din aminoacizi n sintezele de peptide. Ter-butoxicarbonilazida se obine prin reacia cloroformiatului de ter-butil cu azid de sodiu, iar cloroformiatul de ter-butil, la rndul su, se poate sintetiza din alcool ter-butilic i fosgen.

(CH3)3C OH + +- HClCl C

OCl O C

OCl(CH3)3C

tert-butanol cloroformiat de tert-butil

NaN3azida de sodiu

fosgen

O CO

N3(CH3)3C NaCl

tert-butoxicarbonilazida

O CO

N3(CH3)3C H2N R COO- Na++ - NaN3 O C

ONH(CH3)3C R COOH

tert-butoxicarbonilaminoacidDeprotejarea grupei amino se face prin tratarea ter-butoxicarbonilaminoacidului cu acid trifluoroacetic n prezena acidului acetic sau a diclorometanului, cnd se obine aminoacidul, dioxid de carbon i izobuten, ultimii doi fiind compui gazoi, uor de eliminat din sistemul de reacie.

tert-butoxicarbonilaminoacid

O CO

NH(CH3)3C R COOH

(Boc-aminoacid)

+H2N R COOHaminoaciddeprotejat

F3C-COOH / CH3-COOHac. trifluoroacetic sau CH2Cl2 +CO2 H2C=C

CH3

CH3 dioxidde carbon izobutena

produsi gazosi

B. Reacii chimice de formare a derivailor funcionali la grupa carboxil din aminoacizi

1. Formarea clorurilor acide ale aminoacizilor constituie o metod de activare a grupei carboxil din acetia. Reacia are loc n prezena agenilor de clorurare de tipul pentaclorurii de fosfor (PCl5), triclorurii de fosfor (PCl3), oxiclorurii de fosfor (POCl3), clorurii de tionil (SOCl2) sau clorurii de oxalil (ClOC-COCl).

++H3N R COO-+ PCl5 H3N R C

O

Cl+

POCl3solvent CH3COClclorura de acetil

Cl-

clorura acida a aminoaciduluisub forma de clorhidrat

2. Formarea esterilor aminoacizilor izolabili sub form de clorhidrai constituie o metod de protejare a grupei carboxil din aminoacizi. Reacia, ntr-o singur etap, const n transformarea aminoacidului ntr-o clorur acid, care va reaciona cu un alcool primar inferior formnd esterul. Clorura acid a aminoacidului poate fi generat in situ prin barbotarea unui curent de acid clorhidric gazos printr-o soluie alcoolic anhidr sau prin picurarea unei cantiti stoichiometrice de clorur de tionil (SOCl2) n alcool anhidru la temperaturi sczute (-10 -5C), peste care se adaug aminoacidul n poriuni mici.

H3N R CO

OR'+Cl

-

esteri ai aminoaciduluisub forma de clorhidratiNaCl + H2SO4 conc.

obtinut din1 mol1 molR'OH + HCl (gazos)+H3N R COO

-+

H3N R COO-+ +

aminoacid alcool

aminoacidSOCl2 + R'OHclorurade tionil

alcoolinferior

sub forma de clorhidratiesteri ai aminoacidului

Cl-

SO2 + HClH3N R CO

OR'+

+gaze

R' = CH3 sau un rest alchil inferior

25

Esterii liberi ai aminoacizilor nu sunt stabili, ei pot da reacii de condensare intermoleculare formnd compui heterociclici din clasa dicetopiperazinelor.

CHC OR

NH2

O

R

CCHRO

NH2

O

R

- 2 R-OH C

NC

C

NCO

O

H

H H

H

R

R

dicetopiperazinaBenzil esterii aminoacizilor sunt utilizai la protejarea grupei carboxil n sinteze de peptide datorit faptului c reacia de deprotejare a grupei esterice are loc prin hidrogenare catalitic n condiii blnde fr a afecta centrul chiral optic activ al aminoacidului.Benzoilarea se face cu alcool benzilic (C6H5-CH2-OH) n prezena acidului para-toluensulfonic (p-H3C-C6H4-SO3H). Radicalul para-toluensulfonil (p-H3C-C6H4-SO2-) se numete radical tosil i se abreviaz cu notaia Ts.

alcool benzilicC6H5 CH2 OHH3N R COO

-+ + + H3C SO3Haminoacid acid p-toluensulfonic

H3C SO3- H3N R C O CH2 C6H5

O+

TsO- esterul benzilic al aminoacidului

esterul benzilic al aminoacidului

H3N R C O CH2 C6H5

O+H3C SO3

-deprotejare+ H2 / cat.

acid p-toluensulfonicaminoacidH3C SO3H++H3N R COO

-+ C6H5 CH3toluen

3. Formarea de anhidride mixte ale aminoacizilor N-acilai constituie o metod de activare a grupei carboxil din acetia.

Acil NH R COOHAcil = benzoil; Cbz; Boc

+ Cl C OR'O

R' = CH3; C2H5

C OR'O

OCO

RNHAcilanhidrida mixta acilata

Grupa carboxil din aminoacid este activat deoarece radicalul O-COOR este o grup uor deplasabil (numit i grup nucleofug) de ctre o grup aminic. Aceast proprietate a anhidridelor mixte ale aminoacizilor N-acilai este exploatat n sintezele de peptide.

C OR'O

OCO

RNHAcil H2N R COOR"+dipeptida legatura amidica

+ CO2 + R'OHRNHAcil COOR"RO

NHC

4. Formarea de hidrazide i azide ale aminoacizilor N-acilai constituie de asemenea o metod de activare a grupei carboxil. Reacia const n tratarea esterilor aminoacizilor N-acilai cu hidrazin, urmat de oxidarea cu acid azotos a hidrazidei formate ca intermediar la azid. O alt metod utilizeaz reacia clorurii acide a aminoacidului N-acilat cu azid de sodiu.

+ H2N NH2- R'OH

OR'CO

RNHAcil NHCO

RNHAcil NH2ester al aminoacidului N-acilat

hidrazina hidrazida acil-azidaN=N=NC

ORNHAcil

+ -

clorura acida aaminoacidului N-acilat

ClCO

RNHAcil + NaN3azida de sodiu

- NaCl N=N=NCO

RNHAcil+ -

acil-azida

+ HNO2acid azotos

- 2 H2O

26

Grupa azido din acilazida aminoacidului N-acilat crete reactivitatea grupei carboxil funcionalizate fiind totodat i o grup nucleofug uor deplasabil de ctre o grup amino dintr-un alt aminoacid, fapt ce i confer utilitate la formarea legturii amidice n sintele de peptide.

amida legatura amidicaRNHAcil R'

ONHC + NaN3 + H2O

NaOHbaza

aminaacil-azida+ H2N R'N3C

ORNHAcil

N3CO

RNHAcil H2N R COOR'+acil-azida ester al unui alt aminoacid

NaOHbaza

+ NaN3 + H2ORNHAcil COOR'RO

NHClegatura amidicadipeptida

sau

5. Formarea de amide ale aminoacizilor N-acilai.

Formarea legturilor amidice este de o importan deosebit n chimia aminoacizilor, ea fiind reacia fundamental de formare a peptidelor i proteinelor. Sunt cunoscute mai multe metode de formare a legturilor amidice care implic ntr-o prim etap activarea grupei carboxil, urmat de reacia derivatului funcional reactiv cu grupa aminic dintr-un alt aminoacid, n final formndu-se legtura amidic (-CO-NH-), numit i legtur peptidic. Dintre aceste metode vom prezenta doar dou:

a) Metoda cu diciclohexilcarbodiimid DCC (H11C6N=C=NC6H11)

diciclohexil-uree

OHCO

RNHAcilester al unuialt aminoacid

+ H2N R' COOR"

sau H2N R'amina

+ H11C6 N=C=N C6H11 RNHAcil COOR"R'O

NHCdipeptida legatura amidica

sau RNHAcil R'O

NHClegatura amidicaamida

+ H11C6 NH C NH C6H11O

diciclohexil-carbodiimida(DCC)

Reacia decurge uor la temperatura camerei fr izolarea intermediarilor de reacie. Etapele reaciei sunt prezentate mai jos:

1

H11C6 N=C=N C6H11

R CO

OH

activaregrupa

carboxil

grupa carboxil dinaminoacidul N-acilat(R = Acil-NH-R-)

H11C6 N=C NHO

CO

C6H11

R1

2H2N R

2 2

H11C6 N=C NH C6H11O

C O-R

N R

1

H2 +

H11C6 NH C NH C6H11O

2

1R C O

N RH

+formarealegaturiiamidicegrupa amino

R = -R'-COOR" pentru aminoacid sau -R' pentru amina

b) Metoda cu carbonildiimidazol reprezint o alt variant pentru activarea in situ a grupei carboxil din aminoacizi n vederea sintezei de peptide. Carbonildiimidazolul reacioneaz cu grupa carboxil din aminoacid formnd N-acilimidazol, care este o amid reactiv, deoarece radicalul heterociclic imidazolil este o grup uor deplasabil (nucleofug) n prezena unei grupe aminice aparinnd unui alt aminoacid.

OHCO

RNHAcil +N

N C NN

O

carbonil-diimidazol

CO

RNHAcil NN N-acil-imidazol

(amida foarte reactiva)

+ CO2 +N

N H

NN

H

imidazol

CO

RNHAcil NN

H2N R' COOR"+ester al unui alt aminoacid

legatura amidicadipeptidaRNHAcil COOR"R'

ONHC +

27

C. Dezaminarea cu acid azotos se bazeaz pe reacia aminelor alifatice cu acidul azotos la temperaturi de -5 0C, n urma creia se formeaz sruri de diazoniu alifatice instabile, care n mediu apos se descompun cu formare de alcooli.

H3C CHNH2

COOH H3C CHOH

COOH

L-alanina ( -aminoacid)

+ HNO2 / H2Ot ~ 0C

acid L-lactic ( -hidroxiacid)

ca intermediar se formeazasarea de diazoniu instabila

H3C CHN

COO-

N+

D. Comportarea la nclzire a aminoacizilor.

-Aminoacizii, asemenea esterilor liberi ai acestora, la nclzire dau reacii de condensare intermoleculare cu formare de compui heterociclici din clasa dicetopiperazinelor.

dicetopiperazina

C

NC

C

NCO

O

H

H H

H

R

R

CCHHO

NH2

O

R

CHC OH

NH2

O

Rt C

+ 2H2O

Spre deosebire de -aminoacizi, -aminoacizii, prin nclzire, pot elimina o molecul de amoniac formnd acizi ,-nesaturai. Acetia pot da uor reacii de polimerizare i degradare termic formnd amestecuri de reacie neunitare.

H3N CH2 CH2 COO-+

-alaninat C H2C CH COOH + NH3

acid acrilic-Aminoacizii i -aminoacizii se ciclizeaz la cald printr-o reacie de condensare intramolecular formnd amide ciclice, numite lactame.

acid -aminovalerianicsau acid -aminopentanoic

+ H2Ot C

NH2COOH

NH

O

-valerolactama ( -lactama)

E. Reacia de culoare cu ninhidrina.

Aminoacizii dau coloraii caracteristice de la albastru pn la violet prin tratarea acestora cu ninhidrin la cald. Reacia este utilizat pentru identificarea i dozarea fotocolorimetric (cu absorbie la lungimea de und max = 570 nm) a aminoacizilor formai prin hidroliza total a proteinelor i separarea acestora prin cromatografie n strat subite (CSS sau TLC thin layer chromatography).

28

CC

C OH

OH

O

O

+ R CH COOHNH2

- NH3;- CO2

ninhidrina -aminoacidC

CHCO

O

OH R CH=O+

+ NH3

CCH

CO

O

NH2 CC

CO

O

O=+

CCH

CO

O

N=C

CC

O

O

+ NH3

+

CC

CO- NH4

O

N=C

CC

O

Onuanta culorii compusului nu depinde

de natura aminoacidului

reducerea

la aldehidaaminoacidului

F. Reacii biochimice ale aminoacizilor.

Organismul animal sintetizeaz proteinele proprii necesare creterii, refacerii de esuturi, sintezei de enzime, din aminoacizii provenii prin hidroliza proteinelor din hran, realizat n urma digestiei. Anumii aminoacizi sunt sintetizai de organism din acizi cetonici provenii din metabolizarea zaharurilor (numite i hidrai de carbon). n acest proces un rol esenial l are acidul L-glutamic n reacia de transaminare.

a) Reacia de transaminare este o reacie biochimic catalizat de o enzim de transfer a grupei amino (NH2) numit transaminaz.

HOOC-CH2-CH2-C-COOH + R-CH-COO-

O NH3+

HOOC-CH2-CH2-CH-COO- + R-C-COOH

NH3 O+acid L-glutamic -cetoacid sau

cataliza enzimatica asigurata detransaminaza

acid cetonic acid -cetoglutaric L- -aminoacid

Aceasta (transaminaza) are o coenzim, care catalizeaz biochimic reacia invers, numit cotransaminaz, ce are la baz vitamina B6 legat sub form de fosfai de piridoxal-piridoxamin.

N

CH2-OHCH2-OHHO

H3Cpiridoxina

(vitamina B6)

oxidare

N

CH=OCH2-OHHO

H3Cpiridoxal

N

CH2-O-CH3CH2-OHHO

H3C

+ NH3

N

CH2-NH2CH2-OHHO

H3Cpiridoxamina

Piridoxina poate astfel reaciona cu amoniacul provenit din dezaminarea aminoacizilor cu formarea piridoxaminei.Acidul -cetoglutaric poate regenera acidul glutamic reacionnd cu orice alt -aminoacid, dar i cu amoniacul n prezena unui sistem enzimatic reductor la care particip hidrocodehidraza, NADH.

29

acid -cetoglutaric

HOOC-CH2-CH2-C-COOH + NH3O amoniac din

dezaminareaaminoacizilor

+ NADH; + H+

- NAD+

acid L-glutamic

HOOC-CH2-CH2-CH-COO- + H2O

NH3+

b) Reacia de dezaminare este o reacie de degradare oxidativ a aminoacizlor n exces la acizii cetonici, utilizai n organism pentru sinteze de acizi din grsimi sau din hidrai de carbon.

L- -aminoacid

R-CH-COO-

NH3+

cataliza enzimatica asigurata deaminoacid-oxidaza R-C-COOH + NH3

O

acid cetonic -cetoacid sau

Amoniacul se elimin din organism sub form de uree sau de acid uric (preponderent la psri). Un rol important n conversia biochimic a amoniacului la uree l are ciclul ornitin citrulin arginin, care prin hidroliza catalizat de arginaz elibereaz ureea i reface ornitina. Citrulina a fost izolat i din pepenele verde.

+ CO2; + NH3

citrulina

+ NH3- H2O

amoniaculprovine dindezaminareaaminoacizilor

CH2 NH

CH2CH2CH

COO-

C NH2NH

NH2

+

CH2 NH

CH2CH2CH

COO-

C NH2O

NH3+

arginina

+ H2O

hidrolizacatalizatade arginaza

ornitina+

uree

H2N C NH2O

ornitina

CH2 NH2CH2CH2CH

COO-NH3+

c) Reacia de decarboxilare. Anumite microorganise (de exemplu Bacterium coli) decarboxileaz enzimatic -aminoacizii transformndu-i n amine primare.

L- -aminoacid

R-CH-COO-

NH3+

R-CH2-NH2 + CO2

cataliza enzimatica asigurata deaminoacid-decarboxilaza

amina biogena

Aminoacid-decarboxilazele sunt enzime specifice pentru fiecare aminoacid. Coenzima acestor enzime este n multe cazuri codecarboxilaza: fosfatul piridoxalului. Decarboxilarea aminoacizilor este mecanismul principal de obinere a aminelor biogene ce prezint o puternic activitate fiziologic. Dintre acestea menionm: tiramina, histamina i triptamina, acestea fiind obinute din tirosin, histidin i respectiv triptofan.

HO CH2 CH2 NH2N

NH

CH2 CH2 NH2

N

CH2 CH2 NH2

Htiramina histamina triptamina

n mod similar, n procesul de putrefacie a crnii, din ornitin i lisin se obin putresceina (1,4-diaminobutanul) i cadaverina (1,5-diaminopetanul), amine biogene cu miros specific.

H2N-CH2-CH2-CH2-CH2-NH2 H2N-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-NH2 putresceina(1,4-diaminobutan)

cadaverina(1,5-diaminopentan)

30

d) Reacia de dezaminare i decarboxilare. Sub aciunea enzimelor din drojdia de bere, unii aminoacizi sufer reacii de dezaminare i decarboxilare transformndu-se n alcooli primari.

H3C-CH-CH2-CH-COO-

CH3 NH3leucina

+

- CO2; - NH3 H3C-CH-CH2-CH2-OHCH3

alcool izoamilic

H3C-CH2-CH-CH-COO-

C NH3L-izoleucina

+

H3C-CH2-CH-CH2-OHCH3H3

alcool L-izoamilic

- CO2; - NH3

H3C-CH-CH-COO-

C NH3H3valina

+

H3C-CH-CH2-OHCH3

alcool izobutilic

- CO2; - NH3

Cei trei alcooli: izoamilic (3-metil-1-butanol), L-izoamilic (2-metil-1-butanol, optic activ) i izobutilic, sunt regsii n rezidiul de la distilarea etanolului obinut prin fermentaia zaharurilor cu drojdie de bere. n mod similar prin dezaminarea i decarboxilarea tirosinei i triptofanului se obin alcoolii primari: tirosolul i triptofolul.

+

- CO2; - NH3HO CH2 CH COO-

NH3HO CH2 CH2 OH

tirosina tirosol

NH

CH2 CH COO-

NH3+- CO2; - NH3

NH

CH2 CH2 OH

triptofan triptofol

G. Aminoacizi cu funciuni fiziologice specifice

n afar de formarea proteinelor, anumii aminoacizi sunt precursori ai unor compui cu rol esenial n fiziologia organismului. De exemplu, glicocolul sau glicina este precursor al sarcosinei (N-metilglicocol) i al creatininei (guanidinosarcosina), care sub forma fosfatului, fosfocreatinina (sau acidul creatininfosforic), constituie rezerve de energie ale organismului.

H3C-NH-CH2-COOHsarcosina

H2N-C-N-CH2-COOH

NH

CH3

creatina

- H2O fosfocreatinina

HN=C-N-CH2-COOH

N

CH3

P O

OHOHH

+ ADP

ATP + creatinina (eliminata prin urina)

NC

N C

CH2

H3C

HN

OHcreatinina

Ornitina i arginina, prin intermediul citrulinei, au un rol important n eliminarea sub form de uree a amoniacului provenit prin degradarea (dezaminarea) aminoacizilor. Asfel, n ficat, ornitina fixeaz enzimatic dioxidul de carbon i amoniacul, transformndu-se n citrulin. Aceasta printr-o reacie de aminare enzimatic trece n arginin (-guanidino-ornitin) i aceasta la rndul ei, prin hidroliza catalizat de o enzim, numit arginaz, reface ornitina i elibereaz ureea.

31

ornitina

- H2O

+ NH3+ CO2

-OOC-CH-CH2-CH2-CH2NH-C-NH2NH3

O+

-OOC-CH-CH2-CH2-CH2NH2NH3+

citrulina

+ NH3- H2O

-OOC-CH-CH2-CH2-CH2NH-C-NH2NH2

NH2+arginina

+ H2O catalizata de arginaza

- H2N-C-NH2O

uree

Tirosina este precursorul tiroxinei. Tiroxina, tetraiododerivatul eterului p-hidroxifenilic al tirosinei, este un hormon secretat de glanda tiroid alturi de diiodotirosin.

HO O CH2 CH COO-

NH3

I

I

I

I +tiroxina

Iodul provenit din alimente (sare iodat sau sare marin, pete, alge, ficat, etc.) este fixat n glanda tiroid ce conine un sistem enzimatic capabil s oxideze anionul de iodur la iod elementar. Lipsa iodului sau deficiena glandei tiroide n copilrie duce la o scdere a facultilor mentale (cretinism), pe cnd excesul de iod conduce la o intensificarea a arderilor metabolice n organism (boala Basedow).

Aminele biologice sunt produi de decarboxilare ai aminoacizilor naturali. Muli neuro-transmitori importani sunt amine primare. Astfel, tirosina este materia prim n sinteza catecolaminelor ce includ: dopamina, norepinefrina (sau noradrenalina) i epinefrina (sau adrenalina). Concentraia de catecolamine este corelat, printre altele, cu modificarea tensiunii arteriale. Deficitul neurologic cunoscut sub numele de boala Parkinson este asociat cu deficitul de dopamin, acesta fiind n mod tradiional tratat prin administrare de L-DOPA. Excedentul de dopamin n creier poate fi asociat cu deficitul neurologic de tipul schizofreniei. Decarboxilarea acidului glutamic conduce la acidul -aminobutiric, cunoscut sub denumirea de GABA, un inhibitor al neurotransmitorilor. Deficitul acesteia este asociat cu crizele de epilepsie.

-OOC-CH2-CH2-CH-COO-

NH3+

acid glutamic glutamat-decarboxilazaPLP

CO2

acid -aminobutiric sau GABA

-OOC-CH2-CH2-CH2-NH3+

+

HO CH2 CH COO-

NH3HO

HO CH2 CH COO-

NH3+

tirozina L-dopatirozinhidroxilaza

tetrahidrobiopterin dihidrobiopterinO2 H2O

aromatic-aminoacid decarboxilaza

PLPCO2

HO CH2 CH2

HO

NH3+

dopamina dopamin- -hidroxilaza

O2 H2Oascorbat dehidroascorbat

HO CH CH2

HO

NH3

OH+

norepinefrina sau noradrenalina

epinefrina sau adrenalina

HO CH CH2

HO

NH2

OH

CH3+

feniletanolamin-N-metiltransferaza

adoMet adoHcy

32

Compui analogi cu GABA sunt utilizai n tratamentul epilepsiei i a hipertensiunii arteriale. Concentraia de GABA poate fi crescut prin administrarea inhibitorilor enzimei acesteia, i anume a GABA-aminotransferazei. Un alt neurotransmitor important este serotonina care se poate forma din triptofan n dou etape. Prin decarboxilarea histidinei se obine histamina, un alt compus cu efect vasodilatator n esutul animal. Histamina este cunoscut ca un compus implicat n rspunsurile alergice ale organismului, dar i ca un stimulator al secreiei acidului gastric n stomac.

+N

CH2 CH COO-

NH3HO

HN

CH2 CH COO-

NH3

H+

aromatic-aminoacid decarboxilaza

PLPCO2

N

CH2 CH2HO NH3

H

+

serotoninahistidin-decarboxilaza

PLPCO2

N N

CH2 CH2 NH3+

N N

CH2 CH COO-

NH3H +

histaminahistidina

tirozinhidroxilaza

tetrahidrobiopterin dihidrobiopterinO2 H2O

Pentru controlul excesului de acid gastric la bolnavii de ulcer, au fost proiectate o serie de medicamente care s interfere att n procesul de sintez ct i n cel de aciune al histaminei. Astfel, cimetidina (Tagamet) este un medicament cu aciune antagonist pentru receptorii histaminici, fiind utilizat cu succes n tratamentul ulcerului duodenal inhibnd secreia acidului gastric.

N N

CH2H3C S CH2 CH2 NH C NH CH3N C N

H

cimetidina (Tagamet)

Betainele sunt derivai cuaternari N-alchilai ai aminoacizilor, avnd structur amfionic. De exemplu, betaina glicocolului a fost izolat din sfecl (Beta vulgaris). Aceasta poate fi sintetizat prin reacia dintre trietilamin i acid monocloracetic.

(CH3)3N + C l-CH2-COOHbetaina glicocoluluitrietilamina acid monocloracetic

(CH3)3N-CH2-COO- + H Cl

+

Unele betaine au aciuni fiziologice specifice. De exemplu, betaina acidului -aminobutiric, ce poate fi obinut din betaina acidului glutamic prin decarboxilare, este o otrav puternic ca i curara, cu efect paralizant asupra muchilor.

HOOC-CH2-CH2-CH-COO-

NH3+

HOOC-CH2-CH2-CH-COO-

N(CH3)3+iodura de metilCH3I / NaOH

(CH3O)2SO2 / NaOH saualchilare cu dimetilsulfat

decarboxilare- CO2 -OOC-CH2-CH2-CH2-N(CH3)3

+

betaina acidului aminobutiric

H. Aminoalcooli naturali i derivai cu activitate biologic

Colamina (etanolamina) i colina (baza cuaternar de amoniu a acesteia) se formeaz din serin. Agentul de metilare natural este metionina asistat de acidul adenosintrifosforic.

H2N-CH2-CH2-OH (CH3)3N-CH2-CH2-OH+

colamina colinaColamina i colina intr n compoziia unor compui naturali de mare importan n funcionarea sistemului nervos. Acetilcolina este neurohormonul sistemului nervos parasimpatic. Ca mediator chimic, el transmite influxul nervos pe cale chimic de pe o faa pe cealalt a sinapsei (sinapsa fiind

33

jonciunea sau legtura ntre nervi sau muchi-nervi). Acetilcolina se formeaz din colin prin acetilare n prezena acetilcoenzimei A.

acetilcolina(CH3)3N-CH2-CH2-OH + CoA-S-C-CH3

O+(CH3)3N-CH2-CH2-O-C-CH3 + CoA-SH

O+

aceticoenzima ADup transmiterea influxului nervos, acetilcolina este hidrolizat de o enzim specific, colinesteraza, astfel deblocnd sinapsa. Compui de tipul organofosforicelor, ce inhib activitatea colinesterazei, prin blocarea centrelor active ale acesteia, conduc la blocarea impulsului nervos manifestat prin paralizie i moarte. Nervii care transmit impulsul nervos prin intermediul mediatorului chimic acetilcolin, se numesc colinergici.

n sistemul nervos simpatic, impulsul nervos este transmis n sinapsele periferice de un alt mediator chimic, simpatina. Acesta este o combinaie de doi compui: adrenalina (epinefrina) i noradreanalina (norepinefrina). Nervii ce transmit impulsul nervos prin aceti mediatori chimici, se numesc adrenergici.

OHOH

CH-CH2-NH-CH3HO-(-)-adrenalina

CH-CH-CH3NH-CH3

HO-

D(-)-efedrina

Adrenalina este un neurohormon format n mduva capsulelor suprarenale i are funciuni multiple. El este sintetizat n organism din tirosina prin intermediul L-DOPA, dopamina, noradrenalin i are rol regulator al tensiunii arteriale prin ngustarea capilarelor sanguine, ceea ce conduce la creterea tensiunii arteriale. Pe de alt parte, adrenalina regleaz concentraia glucozei n snge acionnd antagonist cu insulina. Adrenalina natural este levogir avnd o activitate biologic de 15 ori mai intens dect amestecul racemic obinut prin sintez chimic total din pirocatechin. Pentru izolarea enantiomerului levogir al adrenalinei, amestecul racemic este tratat cu acid (+)-tartric i transformat n diastereoizomeri ce pot fi separai prin recristalizri succesive.

OHOH Cl-CH2-CO-Cl

O-C-CH2-ClOH

O

POCl3

OHOH

C-CH2-ClO=

OHOH

C-CH2-NH-CH3O=

OHOH

CH-CH2-NH-CH3HO-+-( ) adrenalinaracemic

NaBH4

reducere

CH3-NH2

Efedrina este un aminoalcool cu structur asemntoare adrenalinei avnd ns un efect vasoconstricor cu durat mai lung dect cea a adrenalinei. Este regsit n natur n planta Ephedra Vulgaris, aciunea biologic a acesteia fiind cunoscut nc din antichitate. Ca i n cazul adrenalinei levogire, D(-)efedrina are aciune fiziologic maxim. Aceasta poate fi obinut prin semisintez din D(-)fenilacetilmetanol izolat dintr-o soluie de glu

Aminoacizi Curs 2012

Documents

Transcript of Aminoacizi Curs 2012