Charakteristika a význam heterocyklů a nukleových kyselin

Heterocyklické sloučeniny
Cyklické sloučeniny, jejichž kruh je tvořen atomy pouze jednoho prvku, nazýváme isocyklické, cyklické sloučeniny obsahující pouze uhlíkové atomy nazýváme karbocyklické. Heterocyklické sloučeniny jsou organické sloučeniny, které mají v uzavřeném řetězci (cyklu) kromě uhlíkových atomů vázány i atomy jiných prvků, nejčastěji kyslíku, síry nebo dusíku. Atomy těchto prvků se nazývají heteroatomy (heteros = řec. jiný). Pokud heterocyklus neobsahuje atomy uhlíku, hovoříme o anorganických heterocyklech.
Organické heterocyklické sloučeniny jsou základem složitých struktur, které jsou součástí rostlinných i živočišných organismů (sacharidy v cyklické formě, nukleové kyseliny, alkaloidy,…). Kromě biologické funkce mají některé heterocyklické sloučeniny i značný praktický význam. Jsou např. surovinou pro výrobu léčiv, syntetických barviv, některé se používají se jako rozpouštědla. Hlavním zdrojem heterocyklických sloučenin používaných pro tyto technické účely je černouhelný dehet.
Třídění
Podle počtu atomů v kruhu heterocykly dělíme stejně jako cyklické sloučeniny na tříčlenné, čtyřčlenné, pětičlenné, …; podle druhu heteroatomu na kyslíkaté, sirné, dusíkaté, atd. a podle počtu dvojných vazeb na nasycené, částečně nasycené a nenasycené. Důležitou skupinou jsou kondenzované heterocyklické sloučeniny s více kondenzačně spojenými heterocykly.
Vlastnosti a reakce
Jsou to většinou pevné nebo kapalné látky, často zapáchající. Mnohé heterocyklické sloučeniny splňují podmínky aromaticity (rovinné uspořádání atomů v cyklu nutné pro delokalizaci π-elektronů po obvodu cyklu a správný počet π-elektronů, daný vzorcem 4n+2 – Hüklovo pravidlo). U pětičlenných cyklů se do delokalizovaných elektronů zapojuje i volný elektronový pár heteroatomu, u šestičlenných nikoli. Proto mají šestičlenné heterocykly zásaditý charakter. Přítomnost elektronegativního heteroatomu kyslíku nebo dusíku udílí těmto sloučeninám polární charakter, projevující se např. rozpustností v polárních rozpouštědlech.
Nejčastějšími reakcemi jsou elektrofilní substituce a adice.
ELEKTROFILNÍ SUBSTITUCE – Je tím
snadnější, čím větší je elektronová
hustota kolem jádra. Proto např. pyrrol
podléhá této reakci ještě snadněji než
benzen (6 elektronů na 5 atomů jádra), na
pyridinu probíhá reakce naopak hůře než
na benzenu (dusík je elektronegativnější
a přitahuje elektrony z jádra k sobě).
U pyridinu tak probíhá reakce nejsnadněji
v polohách 3 a 5 (dusík se chová jako
substituent II. řádu). Všechny pětičlenné
heterocykly reagují ochotně, furan při tom
nejméně – naopak podléhá nejsnáze adici.
NUKLEOFILNÍ SUBSTITUCE – Lze realizovat pouze u pyridinu, chinolinu a isochinolinu,
probíhá do poloh 2 a 4. Nukleofilní substituci za přítomnosti NaNH2 se říká Čičibabinova
reakce. Naopak elektrofilní reakce probíhají na pyridinu velmi obtížně.
ADICE – Mezi nejdůležitější adiční reakce patří hydrogenace, např. furanu (vzniká
tetrahydrogenfuran). Furan (podobně
jako konjugované dieny) podléhá také
cykloadičním reakcím, např. Diels-
Alderlova reakce.
OTEVÍRÁNÍ KRUHU – Podobně jako
enolethery se furan a jeho deriváty poměrně snadno štěpí již účinkem zředěných kyselin.
Podle dřívější teorie docházelo k tvorbě oxoniové soli, která se nukleofilním atakem vody
může rozštěpit na sukcinaldehyd (butan-1,4-dial) nebo podlehnout polymeračním reakcím za
S
vzniku pryskyřičnatých látek. Nověji
se má za to, že se protonuje v poloze
2 (ne na atomu kyslíku) a následným
přesmykem dochází k tvorbě
polymerů nebo odpovídajícího
sukcinaldehydu (butandialu).
Zatímco koncentrovaná kyselina
sírová podporuje vznik polymerních látek, zředěná kyselina chloristá ve vodném
dimethylsulfoxidu podporuje vznik sukcinaldehydu.
Zástupci
PYRROL – Je to bezbarvá, nepříjemně páchnoucí a toxická
kapalina, silně lámající světlo, lehčí než voda a ve vodě málo
rozpustná. Pyrrol má charakteristickou vůni, která připomíná
chloroform, ve styku se vzduchem rychle tmavne. V přírodě se
nalézá pyrrol a jeho homology v černouhelném dehtu a v
produktech suché destilace látek obsahující bílkoviny (kosti,
rohovina, želatina atd.), a to zejména v kostním oleji. Pyrrol je
stavební jednotkou biologicky významných látek, z nichž
nejrozšířenější jsou tetrapyrrolová barviva, jejichž základem je
porfin – tvořen 4 pyrrolovými kruhy spojenými methynovými skupinami. Tetrapyrrolová
barviva mají buď cyklickou strukturu (s porfinem), nebo acyklickou (lineární) strukturu (tato
barviva vznikají destrukcí porfinového jádra uvolněného z hemoglobinu odumřelých
červených krvinek, lineární tetrapyrrolová molekula je z jater vyloučena do žluče v podobě
žlučového barviva bilirubinu.)
Porfinová barviva se železnatým kationtem uprostřed struktury jsou hemoglobin, myoglobin a
cytochromy. Mají červenou barvu. Hemoglobin a myoglobin zabezpečují transport kyslíku,
cytochromy transport elektronů v dýchacím řetězci.
Porfinovým barvivem s měďným kationtem je hemocyanin. Má modrou barvu a zabezpečuje
transport kyslíku u některých skupin prvoústých živočichů (měkkýši).
Porfinovým barvivem s hořečnatým kationtem je chlorofyl. Má zelenou barvu a je nezbytný pro
fotosyntézu.
Porfinovým barvivem s kobaltnatým kationtem je kobalamin (vitamin B12). Má růžovou barvu a je
nezbytný v procesu tvorby červených krvinek.
Mezi významné deriváty pyrrolu patří také aminokyseliny prolin a hydroprolin.
THIOFEN – Je to bezbarvá a ve vodě nerozpustná kapalina, podobná benzenu. Ve
formě tetrahydrothiofenu je stavební jednotkou biotinu (vitaminu H).
FURAN – Je to bezbarvá, ve vodě málo rozpustná kapalina, lehčí než voda.
Samotný furan nemá širší průmyslové využití s výjimkou jeho hydrogenace na
N
H
HC
N
CH
N
HC
N
H
CH
porfin
O
tetrahydrofuran, který se používá jako rozpouštědlo. Je základem cyklických forem
sacharidů (furanóz).
INDOL – Je to krystalická látka málo rozpustná ve vodě. V surové formě
páchne, čistý však voní po květech (je obsažen v jasmínu a citrusech)
a používá se ve voňavkářství. Indol je základem řady alkaloidů, hormonů
i glykosidů a jeho deriváty vznikají při hydrolýze nebo hnilobě bílkovin.
K důležitým derivátům patří barvivo indigo.
IMIDAZOL – Je to krystalická a ve vodě rozpustná látka. Kruhový systém imidazolu
je součástí důležitých biologických stavebních bloků, například histidinu
a příbuzného hormonu histaminu. Imidazolový kruh je obsažen v řadě léčiv,
například antimykotikách a v nitroimidazolu.
THIAZOL – Je to kapalina páchnoucí podobně jako pyridin. Významným
derivátem je vitamin B1 neboli thiamin. Ten se podílí na metabolismu sacharidů,
jeho nedostatek vede k trávícím a nervovým poruchám a k únavě. Další jeho
deriváty, sulfonamidy, jsou součástí antibiotik.
PYRIDIN – Pyridin je ve vodě rozpustná kapalina typického zápachu. Je jedovatý
a jeho páry napadají nervový systém a způsobují demence. Je dobrým
rozpouštědlem pro většinu organických látek a rozpouští i řadu anorganických
sloučenin. Biologicky významným
derivátem pyridinu je kyselina nikotinová a amid
kyseliny nikotinové (nikotinamid, vitamin B3, součást
enzymů NAD a NADP účastnících se oxidačněredukčních
pochodů v živých organismech).
Kondenzací pyridinu a benzenu vzniká cholin
a isocholin, které jsou součástí některých alkaloidů.
CHINOLIN – Chinolin je ve vodě špatně rozpustná
kapalina charakteristické vůně. Je získáván
z černouhelného dehtu, popř. z alkaloidu kůry chinovníku. Dobře rozpouští většinu
organických sloučenin, čehož se využívá při organické syntéze.
PIRIMIDIN A PURIN – Od jejich struktury jsou odvozené
dusíkaté báze nukleových kyselin. Purin je složitější, skládá se
z pyrimidinového a imidazolového cyklu. Mezi jeho důležité
deriváty patří kromě purinových bází (adenin a guanin) ještě
kofein nebo kyselina močová.
Nukleové kyseliny
Nukleové kyseliny jsou biopolymery, tvoří dlouhé vláknité molekuly. Vznikají polykondenzací
N
N
H
N
N
H
N
S
N
O
OH
N
quinoline
N
isoquinoline
N
O
NH2
N
N N
N
N
N
H
základních stavebních jednotek – nukleotidů. Nukleové kyseliny objevil v roce 1869 švýcarský
chemik Miescher v buněčných jádrech leukocytů izolovaných z hnisu. Termín nukleová
kyselina poprvé použil v roce 1899 chemik Altmann (lat. nucleus = jádro). Dnes známe dva
druhy nukleových kyselin:
Deoxyribonukleová kyselina DNA – uchování genetické informace a její přenos na
další generace, nachází se pouze v jádře
Ribonukleová kyselina RNA – realizace genetické informace = exprese genu,
proteosyntéza, rozlišujeme tři typy:
o mRNA (z angl. messenger = poslíček) – informační RNA, obsahuje přepis
informací z DNA o primární struktuře bílkovin (je matricí pro jejich syntézu)
o tRNA – transferová (přenosová) RNA, přenáší aminokyseliny z cytoplasmy
k ribozomům
o rRNA – ribosomální RNA
Struktura
STRUKTURA NUKLEOTIDU – Nukleotidy jsou složité
molekuly tvořené třemi různými látkami: dusíkatou bází
odvozenou od purinu (adenin a
guanin) nebo pyrimidinu (cytosin,
thymin – pouze v DNA, uracil – pouze v RNA), sacharidem –
pentózou (2-deoxy-D-ribóza v DNA, D-ribóza v RNA) a zbytkem od
kyseliny trihydrogenfosforečné. Pentóza je s bází spojena Nglykosidickou
vazbou, útvar se nazývá nukleosid. Nukleotid vzniká
esterifikací
hydroxylové
skupiny na pátém
uhlíku pentózy
nukleosidů
kyselinou
fosforečnou.
PRIMÁRNÍ STRUKTURA –
U všech nukleových kyselin
je dána pořadím nukleotidů
v polynukleotidovém řetězci.
Spojení sousedních nukleotidů
je zajištěno esterovou vazbou mezi
zbytkem kyseliny trihydrogenfosforečné jednoho nukleotidu
a třetím uhlíkovým atomem monosacharidu následujícího nukleotidu.
SEKUNDÁRNÍ STRUKTURA – RNA a DNA se od sebe sekundární strukturou zásadně liší. RNA
N
O
O
OH
HO
OH
O
P N
N
N
NH2
je vždy jednovláknová (kromě RNA některých virů)
a sekundární struktura může mít podobu jetelového listu
(tRNA) nebo dvoušroubovice (ale stále jen z jednoho
vlákna). Sekundární struktura dvouvláknové DNA má vždy
podobu dvojité šroubovice. Tuto strukturu tvoří dva
polynukleotidové řetězce, jejichž komplementární zásady
se vzájemně vážou vodíkovými vazbami.
KOMPLEMENTARITA BÁZÍ – V typickém případě se párování
bází odehrává na základě základních watson-crickovských
pravidel komplementarity, tzn. báze adenin (A) se páruje s
thyminem (T) (či s uracilem v RNA) dvěma vodíkovými
můstky a báze guanin (G) se páruje s cytosinem třemi
vodíkovými můstky. Existují však i alternativní možnosti
párování, které umožňují vznik některých méně obvyklých
situací. Hoogsteenovské párování například umožňuje vznik
tzv. trojvláknové DNA (tripl-helixu). Mezi čtyřmi do čtverce
uspořádanými guaniny dokonce může vzniknout tetraplex,
tzv. G-kvartet. Klasickou komplementaritu bází učenou ve
škole mohou také narušit látky podobné struktury, jako
májí dusíkaté báze –
např. xantin. Pro
komplementární pár
bází (base pair) se
používá zkratka bp.
TERCIÁLNÍ STRUKTURA – Jedná se o prostorové
uspořádání dvoušroubovice.