Portál:Otázky z biochemie (1. LF UK, VL)/22. Otázka

			22. Otázka
			Alkoholy, fenoly, aldehydy a ketony, uplatnění v metabolismu.
			Otázky z biochemie (1. LF UK, VL)
			Předchozí • Další

Alkoholy

Ethanol – jednosytný alkohol

Alkohol v obecném pojetí je molekula obsahující hydroxylovou skupinu, tj. skupinu -OH. Alkoholy se dají dělit podle počtu -OH skupin v molekule následovně:

• 1 -OH skupina = jednosytné alkoholy,
• 2 -OH skupiny = dvojsytné alkoholy (dioly),
• 3 -OH skupiny = trojsytné alkoholy (trioly),
• atd.

Jedním z nejvýznamnějších právě ethanol – lze jej použít například jako desinfekci, palivo, konzervant a jako součást alkoholických nápojů.

Při konzumaci alkohol ovlivňuje koordinaci pohybů (působí na mozeček). Jeho častá konzumace může vést k alkoholismu, případně způsobovat řadu zdravotních komplikací – od euforických (případně depresivních) stavů až po těžké poškození jater.

Alkoholy a fenoly

Alkoholy patří mezi nearomatické hydroxyderiváty uhlovodíků, zatímco fenoly obsahují hydroxylovou funkční skupinu vázanou přímo na benzenový kruh. Podle polohy –OH skupiny v alifatickém řetězci rozeznáváme alkoholy primární, sekundární a terciární.

Alkoholy

Primární alkoholy

-OH skupina je vázána na primární uhlík (tj. uhlík spojený s pouze jednou alkylovou skupinou).

Sekundární alkoholy

-OH skupina je vázána na sekundární uhlík (tj. uhlík spojený se dvěma alkylovými skupinami).

Terciární alkoholy

-OH skupina je vázána na terciární uhlík (tj. uhlík spojený se třemi alkylovými skupinami).

Příklady fenolů

Fenol

-OH skupina je vázána přímo na benzenové jádro

α-naftol

-OH skupina je vázána přímo na naftalenové jádro

Pro tyto látky je typická řada reakcí. Pro účely praktických cvičení se zaměříme pouze na oxidační reakce alkoholů a azokopulační reakce fenolů.

Oxidace alkoholů

• Primární alkoholy se vhodnými oxidačními činidly oxidují na aldehydy a dále na karboxylové kyseliny
• sekundární na ketony
• terciární se bez porušení uhlíkatého skeletu neoxidují

Z fenolů se oxidují pouze sloučeniny se dvěma -OH skupinami v o- a p- poloze za vzniku chinonů.

Výsledek reakce primárních, sekundárních a terciárních alkoholů s chromsírovou směsí. Pokud se alkohol může oxidovat, redukuje se proti němu šestimocný chrom v chromsírové směsi na trojmocný, takže se zbarvení změní z oranžové na zelenou

Vhodným oxidačním činidlem je například chromsírová směs, tj. oranžově zbarvený dichroman (tedy sloučenina Cr⁶⁺) s kyselinou sírovou, který se reakcí s primárním nebo sekundárním alkoholem redukuje na zelený síran chromitý (Cr³⁺).

Příkladem může být oxidace metanolu na formaldehyd:

3 CH₃OH + K₂Cr₂O₇ + 4 H₂SO₄ → 3 HCOH + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 7 H₂O

Pokud chceme rozlišit primární a sekundární alkoholy, využijeme odlišných vlastností jejich oxidačních produktů, tedy aldehydů a ketonů. Aldehydy redukují Tollensovo, Fehlingovo nebo Benedictovo činidlo (viz níže). Nicméně nejcitlivější reakcí, která nevyžaduje produkci velkého množství aldehydu, a je tudíž pro stanovení vzniklého aldehydu vhodná, je reakce s Schiffovým činidlem.

Příprava Schiffova činidla a princip jeho reakce s aldehydem

Schiffovo činidlo je vodný roztok fialovočerveného barviva fuchsinu, ke kterému se přidává hydrogensiřičitan nebo siřičitan. Hydrogensiřičitan se aduje na centrální uhlíkový atom, tím je narušena chinoidní struktura podmiňující zbarvení. Vzniká bezbarvý roztok kyseliny fuchsinsiřičité. Po přidání i malého množství aldehydu se z vazby na fuchsin uvolní kyselina siřičitá, která se naváže na aldehydovou skupinu pevnější vazbou. V molekule fuchsinu dojde k obnovení chinoidní struktury a roztok se zbarví opět fialovočerveně.

Rozlišení primárních a sekundárních alkoholů oxidací chromsírovou směsí a reakcí se Schiffovým činidlem

Reakce se provádí v aparatuře znázorněné na obrázku. Opatrně se zahřívá směs alkoholu a kyseliny chromsírové. Vznikající aldehyd / keton se zavádí do zkumavky se Schiffovým činidlem, které v přítomnosti aldehydu zfialoví.

Reakce s Schiffovým činidlem se hojně využívá i v histologii při tzv. PAS reakci (Periodic Acid – Schiff) na průkaz glykogenu a dalších polysacharidů ve tkáních. Principem je oxidace sacharidů kyselinou jodistou (angl. periodic acid) na aldehydy, které poté reagují s Schiffovým činidlem za vzniku fialovo-červeného zbarvení.

Oxidace alkoholů v těle

Etanol je součástí řady alkoholických nápojů, léčiv, a rovněž se v malé míře spontánně produkuje v zažívacím traktu. V těle je metabolizován převážně játry, malé množství nezmetabolizovaného alkoholu se vylučuje plícemi, ledvinami a kůží. Hlavním systémem jaterního metabolismu etanolu je oxidace v cytoplasmě hepatocytů. V prvním kroku se etanol oxiduje na acetaldehyd enzymem alkoholdehydrogenázou (ADH, EC 1.1.1.1). Aktivita tohoto enzymu je dána geneticky a může vysvětlovat různou individuální vnímavost k alkoholu. Acetaldehyd je konvertován aldehyddehydrogenázami (ALDH, např. EC 1.2.1.3) na konečný acetát, který je dále metabolizován na acetyl-CoA.

Na rozdíl od etanolu, metanol je pro lidský organismus vysoce toxický i v malých dávkách. Po pozření 10 ml může dojít k nevratnému poškození optického nervu a oslepnutí, dávka kolem 30 ml je smrtelná. Příčinou vysoké toxicity methanolu je jeho oxidace využívající stejné enzymatické systémy jako etanol. ADH přemění metanol na toxický formaldehyd a z něj vznikne působením ALDH kyselina mravenčí, způsobující hypoxii na buněčné úrovni a metabolickou acidózu. Antidotem při otravě metanolem je etanol, kompetitivní inhibitor ADH, který zabrání vytvoření toxických metabolitů a umožní vyloučení metanolu ledvinami.

Azokopulační reakce fenolů

Příklad arendiazoniové soli, benzendiazoniumchlorid

Arendiazoniové soli vznikají reakcí aromatických aminů s dusitanem sodným.

Skupina N⁺≡N je pak základem pro vznik dusíkového můstku, který spojí v kyselém prostředí arendiazoniovou sůl s fenolickou sloučeninou. Výsledkem je vznik barevné azosloučeniny, tedy látky s benzenovými jádry spojenými právě N=N můstkem.

Nejjednodušší azokopulační reakcí je vznik azobarviva reakcí arendiazoniové soli s fenolem. Vzniká žluté barvivo, označované jako anilinová žluť nebo sudanová žluť R.

Azokopulační reakce s fenolem

Azosloučeniny se vyznačují různě bohatým π elektronovým systémem vazeb. Pokud skrz tento systém proniká bílé světlo, některé vlnové délky jsou elektronovým systémem absorbovány a výsledná barva je vlastně tvořena neabsorbovanými vlnovými délkami. Vznikají tak celé škály barevných sloučenin, které se dají využít v analytice při spektrofotometrických stanoveních v biochemii (žlučová barviva) nebo v průmyslu při výrobě barviv (diazobarviva).

Dalším příkladem azokopulační reakce je vznik oranžového azobraviva azokopulační reakcí s α-naftolem.

Azokopulační reakce s beta-naftolem

I relativně malá změna ve struktuře azobarviva může mít za následek odlišnou absorpci vlnových délek příslušnou látkou a tím i její barvu, kterou vnímáme. Toho se využívá např. při určování pH. Například metyloranž existuje ve dvou formách v závislosti na pH:

Barva metyloranže při rozdílných hodnotách pH

Ketony

Zjednodušené schéma ketogeneze. NEMK = neesterifikované mastné kyseliny

Podstatou vzniku ketolátek je zvýšená mobilizace mastných kyselin z tukové tkáně a jejich následný transport do jater. Zde se mastné kyseliny oxidují mechanismem β-oxidace na acetyl-CoA. Molekuly acetyl-CoA jsou přímo předávány buď do citrátového cyklu, kde se oxidují na oxid uhličitý a vodu za uvolnění energie, nebo slouží pro tvorbu ketolátek – acetoacetátu, acetonu a kyseliny β-hydroxymáselné, které v extrahepatálních tkáních slouží jako alternativní zdroj energie. Ketolátky vznikají ve zvýšeném množství zejména při hladovění či u dietních režimů s přísným omezením sacharidů nebo u patologických stavů, jako je např. diabetes. Za těchto podmínek vzniká nadbytek acetyl-CoA a dochází k převýšení kapacity citrátového cyklu vlivem nízké koncentrace oxalacetátu z nedostatku glukózy.

• 

  Acetyl-CoA

• 

  Kyselina acetooctová

• 

  Kyselina beta-hydroxymáselná

• 

  Aceton

Syntéza ketolátek

Syntéza ketolátek – schéma

Syntéza ketolátek probíhá výhradně v játrech v matrix mitochondrie z molekul acetylkoenzymu A.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Tvorba ketolátek.

1. Acetoacetyl-CoA je meziprodukt odbourávání tuků. Acetoacetyl-CoA může vznikat kondenzací dvou acetyl-CoA.
   • Kondenzací acetoacetyl-CoA s molekulou acetyl-CoA vznikne β-hydroxy-β-methylglutaryl-CoA = HMG-CoA. Ten se za fyziologického stavu využívá k tvorbě steroidních látek, jako je cholesterol. U rostlin slouží k syntéze terpenů a karotenů.
   • HMG-CoA může být dále štěpen pomocí lyázy na acetoacetát a acetyl-CoA.
2. Z acetoacetátu neenzymovou (spontánní) dekarboxylací vzniká aceton.
3. Další možností je redukce acetoacetátu jaterní dehydrogenázou na kyselinu β-hydroxymáselnou (β-hydroxybutyrát).

Přeměna ketolátek na acetyl-CoA

Přeměna ketolátek na acetyl-CoA – schéma

Za běžných okolností slouží ketolátky jako metabolické palivo pro některé periferní tkáně − srdce, kosterní sval, ledviny, při delším hladověním i pro tkáň mozku (60–70 %). Jsou to ve vodě rozpustné ekvivalenty mastných kyselin, proto jejich utilizace probíhá vždy na periferii. Neváží se na bílkoviny.

Lidské tělo využívá jako zdroj energie pouze acetoacetát a β-hydroxybutyrát. Aceton je vydechován s vydechovaným vzduchem nebo je vylučován močí. β-hydroxybutyrát je oxidován na acetoacetát. Acetoacetát musí být nejprve aktivován na aktivní formu acetoacetyl-CoA. Donorem koenzymu A je sukcinyl-CoA, ze kterého je koenzym A enzymaticky přenesen na acetoacetát. Enzym zodpovědný za tuto reakci se nachází ve všech tkáních s výjimkou jater a z tohoto důvodu jsou ketolátky využívány extrahepatálními tkáněmi, ale ne játry. Acetoacetyl-CoA může být rozložen na dvě molekuly acetyl-CoA, které jsou oxidovány v citrátovém cyklu.

Ketóza

Vzniká při vysoké tvorbě (koncentraci) ketolátek. Acetoacetát přechází z mitochondrie do krve. Metabolismus acetoacetátu je pomalejší než jeho tvorba.

• Normální ketonémie, hladina ketolátek v krvi: < 0,2 mmol/l ;
• ketóza − fyziologický stav při hladovění a nízkosacharidových dietách, kdy je glykogen vyčerpán a zdrojem energie se stal tělesný tuk, ketonémie 1–3 mmol/l;
• ketoacidóza − patologický stav u diabetu, charakterizovaný acidózou, vysokou ketózou > 3 mmol/l, ketonurií, projevuje se nevolností a zvracením.