Transcript Organicka chemia v zivocisnej risi

Organická chémia
v živočíšnej ríši
(http://www.chtf.stuba.sk/~szolcsanyi/education/index.htm)

Komunikácia a obrana
(sémiochemikálie a alkaloidy)

Od jedov k liekom
(toxíny ako inšpirácia)

„ Ho mo o lf ac t o ric us “
(parfémy, feromóny a sex)
Komunikácia
 SÉMIOCHEMIKÁLIE
- Feromóny
- Alelochemikálie
alomóny
kairomóny
synomóny
Chemická komunikácia hmyzu
Hmyz (Insecta) je druhovo najbohatšie živočíšne spoločenstvo
(Predpokladá sa, že tvorí asi 90% všetkých živých foriem na Zemi!)
Vône a pachy sú pre hmyz nepostrádateľné pre:
- hľadanie si potravy
- výber optimálneho miesta na kladenie vajíčok
- identifikácii a lokalizácii koristi
- obrane a útoku pri napadnutí predátorom
- výbere sexuálneho partnera a samotnom párení
- organizovaní sociálneho života
Chemická komunikácia hmyzu
(http://www.pherobase.com)
Feromóny:
- sexuálne
- agregačné
5
O
disparlure - sexuálny feromón
mníšky ve¾kohlavej
(Lymantria dispar)
- disperzné
- poplachové
- stopovacie
O
O
multistriatín - agregaèný feromón
podkôrnika pásového
(Scolytus multistriatus)
- značkovacie
- sociálne
- juvenilné
N
monomorín - znaèkovací feromón
mravca faraónskeho
(Monomorium pharaonis)
Diverzita hmyzích feromónov
S
S
H3C
S CH3
1,3-dimetyltrisulfid
H3C
H3C
OH
H3C
poplachový feromón
juhoafrického mravca
(Paltothyreus tarsatus)
značkovací feromón
robotnice včely medonosnej
(Apis mellifera)
geraniol
O
O
CH3
agregačný feromón
samca lykožrúta lesklého
(Pityogenes chalcographus)
chalkogran
HO
5
CH3
(E,E)-8,10-dodekadién-1-ol
sexuálny feromón samičky
obaľovača jablčného
(Cydia pomonella)
(Poly)funkčnosť hmyzích feromónov
-farnezén
Voška slivková
(Hyalopterus pruni)
Zlatoočka škvrnitá
(Chrysopa perla)
Poplachový feromón
O
O
O
1,3-dimetyl-2,9-dioxabicyklo[3.3.1]nonán
heptanal
Drevokaz čiarkovaný
(Trypodendron lineatum)
Disperzné feromóny
Vrtivka čerešňová
(Rhagoletis cerasi)
Praktické využitie feromónov
Feromónové pasce:
• agregačný feromón lykožrúta smrekového
(Ips typographus) spôsobí koncentráciu hmyzu na
jednom mieste, kde sa následne aplikuje insekticíd
„Manipulácia“ opeľovačov:
• mandibulárny feromón kráľovnej (QMP) včely
medonosnej (Apis mellifera) oddiali rojenie
• rastliny ošetrené QMP sú opeľované častejšie
• vyššia úroda ovocia a vyššie výnosy medu
Reprodukcia hospodárskych zvierat:
• 5a-androstenón izolovaný zo slín kanca
urýchli dospievanie mladej samice svine domácej
(Sus scrofa domestica) zhruba o jeden mesiac
Chemická obrana živočíchov
Taiwanský podzemný termit
(Coptotermes formosanus)
Naftalén
(b.v. = 80°C, LD50 = 100 mg/kg)
Predátor: „Červený mravec“
Red imported fire ant
(Solenopsis invicta)
- agresívny druh spôsobujúci bolestivé
uhryznutie
Hmyzí „delostrelec“
„chrobák strelček“
African bombardier beetle
(Stenaptinus insignis)
Teplota koktejlu: 100°C !
Frekvencia pulzov: 500 Hz !
Sprevádzané počuteľnými
detonáciami !
„Limu make o Hana“
• Stará legenda domorodcov z ostrova Maui
hovorí o „smrteľnej chaluhe z Hany“
(Limu make o Hana)
• Existuje písomný záznam z roku 1838 referujúci
o „jedovatej morskej riase zo zálivu Hana“
(David Malo)
• P. J. Scheuer a R. E. Moore sa v 1961 rozhodli
preskúmať pravdivosť legendy...
Hana, Maui (Havaj, USA)
Paul J. Scheuer
Richard E. Moore
Hawaian Institute of
Marine Biology
Zbrane morských živočíchov I.
OH
OH
HO
HO
OH
OH
HO
HO
CH3
OH
HO
OH
O
HO
O
CH3
O
HO
OH
OH
HO
HO
HO
HO
O
O
CH3
CH3
OH
OH
O
OH
OH
OH
HO
OH
O
H
N
H
N
O
OH
HO
NH2
HO
HO
OH
HO
CH3
OH
HO
HO
OH
HO
O
O
OH
OH
OH
HO
HO
O
O
PALYTOXÍN
LD50 = 60 ng/kg !
Mäkké koraly rodu Palythoa (Havajské ostrovy, USA)
OH
Druhý najšikovnejší syntetik na svete
Palytoxín:
• Izolovaný z mäkkých koralov v roku 1961 na Havaji - Scheuer & Moore (Honolulu)
• Štruktúra čiastočne vyriešená v roku 1981 - Hirata (Nagoya) & Moore (Honolulu)
• Štruktúra a konformácia detailne vyriešená v roku 1982 - Kishi (Cambridge)
• Prvé syntetické štúdie v roku 1985 - Kishi (Cambridge)
• Sumárny vzorec C129H223O54N3, Mólová hmotnosť 2679 g/mol
• 64 stereogénnych centier, 7 násobných C=C väzieb
• Možnosť existencie 271 (2 361 183 241 434 822 606 848) rôznych izomérov !!!
Totálna syntéza palytoxínu (1994):
- Nozaki-Hiyama-Kishi coupling na prípravu alylalkoholov
- Pd(0)/TlOH-katalyzovaná syntéza E/Z-konjugovaných diénov
- Nová metóda prípravy N-acylvinylových močovín
Yoshito Kishi
Zbrane morských živočíchov II.
OHO
H2N+
H
N
N
H HO
O
O
OH
tetrodotoxín
HO
Štvorzubec (Fugu rubripes)
Potentný neurotoxín:
• produkuje ho aktinomycéta Nocardiopsis
dassonvillei žijúca vo vaječníkoch štvorzubca
• viaže sa Na+ kanáliky na povrchu nervových
buniek a blokuje prenos vzruchov
• narúša prirodzenú rovnováhu iónov nevyhnutnú
pre existenciu akčných potenciálov
• je mimoriadne efektívny v tlmení bolesti
• LD50 = 0.6 mg/kg (intravenózne)
„Japonská ruleta“
(mortalita 61%)
Od jedov k liekom
Z pralesa do lekárne
• had je najčastejšímO
pôvodcom uhryznutí
na brazílskych banánových plantážach
HS
N
• jed spôsobuje prudký pokles krvného tlaku
(LD50 = 210 mg (subkutánne u človeka))
HOOC
Krovinár žararaka
(Bothrops jararaca)
Zdravá vs. aterosklerotická aorta
• bol z neho izolovaný pentapeptid, ktorý
je účinným ACE inhibítorom
Captopril
Kaskáda renín-angiotenzín-aldosterón
Z pralesa (takmer) do lekárne
Cl
H
N
N
H
Pralesnička trojfarebná
(Epipedobates tricolor)
Epibatidín
Ekvádorskí Indiáni už stáročia používajú sekréty zo žiab ako šípové jedy
Epibatidín: - funguje ako selektívny depolarizátor nAChr
- spôsobuje svalovú relaxáciu a kardiorespiračnú depresiu
- je asi 200-krát účinnejším analgetikom ako morfín
- terapeutické dávky sú však už pre ľudí toxické...
Z pralesa (takmer) do lekárne
Cl
H
N
N
H
Epibatidín
HN
O
N
Cl
ABT-594
Molekula vyvinutá firmou Abbott Laboratories (Illinois, USA) v roku 1998
ABT-294: - potláča bolesť spôsobenú lokálnym prehriatím alebo bodnutím
- zároveň plne zachováva príjemný dotykový vnem
- má asi 100-krát lepšiu selektivitu pri väzbe na nAChr
- zlúčenina je rádovo menej toxická ako epibatidín...
Homo olfactoricus
N
N
SH
"èokoláda"
(2,5-dimetylpyrazín)
"cesnak"
(alyltiol)
O
H
O
O
H
"moè"
(androstenón)
O
O
NH2
"pižmo"
(1,5-dioxa-cyklo-pentadekán-6-ón)
"eukalyptus"
"ryba"
(1,3,3-trimetyl-2-oxabicyklo[2.2.2]oktán) (terc-butylamín)
Komplexnosť čuchového vnemu
Cl Cl
Cl
Cl
Cl Cl
hexachlóretán
O
(+)-gáfor
cyklooktán
Molekuly vyvolávajúce identický čuchový vnem
O
rasca lúèna
pomaranè
(Carum
carvi)
(+)-karvón
(+)-limonén
limit=600
ppb
O
(-)-karvón
(-)-limonén
limit=43 ppb
mäta pieporná
borovica
(Mentha
piperita)
Enantioselektívna čuchová percepcia
Fyziologické efekty pachov a vôní
• endokrinologické zmeny – nálada, chuť do jedla
- éterické oleje, aromaterapia, praktiky obchodných reťazcov
• sociálne rozpoznávanie (ne)príbuzných – rodič & dieťa, výber partnera
- major histocompatibility complex (MHC), human leukocyte antigen (HLA)
• synchronizácia menštruačných cyklov – McClintockovej efekt
- volatilné steroidy z potu podpazušia (alebo vaginálne sekréty?)
(Bimodálne) Vnímanie pachov a vôní
CH3
H3C
H
H
HO
CH3
H3C
H
H
5a-androst-16-én-3a-ol
(3a-Androstenol)
H
H
O
H
H
5a-androst-16-én-3-ón
(5a-Androstenón)
Prchavé steroidy izolované z podpazušia
Hľuzovka čierna
(Tuber melanosporum)
• 50% ľudí vôbec necíti 5a-androstenón
• 15% ho vníma slabo (neutrálne/príjemne)
• 35% ho vníma intenzívne (limit = 20 ppt)
ako pach moču/potu
• chlapci na rozdiel od dievčat naň strácajú
po puberte citlivosť, naopak ženy sa vekom
stávajú vnímavejšie na 5a-androstenón
• 3a-androstenol pravdepodobne spôsobuje
synchronizáciu menštruačných cyklov
Prasa domáce
(Sus scrofa domestica)
Človek „rozumný“
(Homo sapiens sapiens)
Poruchy vnímania pachov a vôní
(špecifické anosmie)
Molekula odorantu
Pach/Vôňa
Anosmia
5a-Androstenón
moč
46-50%
3a-Androstenol
pižmo
12%
Kyselina (E)-3-metyl-2hexénová ((E)-3-M2H)
podpazušie
„some
individuals
“
Kyselina 4-etylheptánová
koza(cap)
16%
Chodidlo
Kyselina izovalérová
pot
3%
Dych
Trimetylamín
ryba
6%
Ejakulát
1-Pyrolín
spermie
16%
Zdroj
Podpazušie
J. N. Labows, G. Preti: Human semiochemicals. In Fragrance: the psychology and biology
of perfume. Eds.: S. Van Toller, G. H. Dodd, pp. 69-90, London: Elsevier Science, 1992.
Telové pachy ako diagnostické markery
Ochorenie
Popis a pôvod charakteristického pachu
Tuberkulóza
„Zvetrané“ pivo
Týfus
Čerstvo upečený tmavý chlieb
Záškrt
Nasladlý pach
Giardóza (parazit)
Pokazené vajcia (H2S)
Diabetická ketóza
Ovocná aróma pokazených jabĺk (CH3COCH3)
Rakovina pľúc
o-Toluidín, Anilín (v dychu)
Cirhóza pečene
Dimetylsulfid, Limonén (v dychu)
Schizofrénia
Ostro páchnuci pot ((E)-3M2H))
Trimetylaminúria
Zdochnutá ryba (Et3N v pote, dychu a moči)
Fenylketonúria
Zatuchnutý pot (PhCH2CO2H)
R. L. Doty: The primates III: humans. In Social odours in mammals,
Eds.: R. E. Brown, D. W. MacDonald, pp. 804-832, London: OUP, 1985.
Čo je vlastne parfum ?
Voňavá organická chémia
CO2Me
N
6
O
O
O
N
-undekalaktón
ovocná vôòa
"Mitsouko"
(Guerlain, 1919)
O
OMe
Galbazine®
zelená vôòa
"Elements Aqua"
(H. Boss, 1997)
CHO
O
O
4
O
®
Calone 1951
morská vôòa
"Escape for her"
(C. Klein, 1997)
®
Hedione
kvetinová vôòa
"Éau Savage"
(C. Dior, 1996)
O
CO2Me
i
Pr O
HO
O
®
OH
®
O
H
®
Ambrox
Evernyl
Isobutavan
jantárová vôòa
drevitá vôòa
korenistá vôòa
"Drakkar Noir"
"Égoiste Platinum"
"A * Men"
(G. Laroche, 1982)
(Chanel, 1993)
(T. Mugler, 1996)
®
Galaxolide
pižmová vôòa
"Trésor"
(Lancôme, 1990)
Molekuly odorantov zodpovedné za charakteristické vône parfémov
„Absolútna“ vôňa môže zabiť 
Ľudské feromóny (?)
CH3
H3C
H
H3C
H
H
HO
CH3
H
H
O
H
5a-androst-16-én-3a-ol
(limit=0.00067 ng/l)
CH3
H3C
H
H
H
HO
H
5a-androst-16-én-3-ón
(limit=0.0004 ng/l)
H
5a-androst-16-én-3-ol
(limit=5.3 ng/l)
Humánne steroidy s feromónovými účinkami
CH3
CH3
H3C
HO
O
estr-1,3,5(10),16-tetraén-3-ol
(limit=8 ng/l)
"ŽENSKÝ FEROMÓN"
H
androst-4,16-dién-3-ón
(limit=0.002 ng/l)
"MUŽSKÝ FEROMÓN"
Pravdepodobné ľudské feromóny
Vždy ide o prachy a....sex
„Vomeroferíny“
- androstény
- progestíny
- estrogény
Realm for Women
(EROX Corp., 1993)
Realm for Men
„...AND WE ALL WILL
BE IRRESISTIBLY SEXY
AND ATTRACTIVE“ 
Pheromone 10:13
Pheromone 10X
Pre dámy
Pre pánov
(dehydroepiandrosterón) (Athena Institute, 1989) (neprchavé steroidy)
Konečne poriadne afrodiziakum!
Bremenalotid (Peptid PT-141)
• metabolit Melanotanu II. vyvinutého ako „samoopaľovacieho“ peptidu
(9 z 10 dobrovoľníkov však okrem opálenia pozorovalo aj spontánnu erekciu!)
• agonista peptidového hormónu melanokortínu (a-MSH) v CNS
(neovplyvňuje kardiovaskulárny systém!)
• u mužov spôsobuje erekciu (možná liečba erektilnej dysfunkcie)
• u žien zvyšuje libido (možná liečba sexuálnej dysfunkcie)
• vo forme nosového spreja sa v súčasnosti nachádza v III.fáze klinických skúšok
(Palatin Technologies, New Jersey, USA)
Použitá literatúra
M. Balog, M. Tatarko:
Odhalené tajomstvá chémie (Vydavateľstvo Veda, 2008)
T. D. Wyatt:
Pheromones and Animal Behaviour (Cambridge University Press, 2003)
K. C. Nicolaou, T. Montagnon:
Molecules That Changed the World (Wiley-VCH, 2008)
H. Surburg, J. Panten:
Common Fragrance and Flavor Materials (Wiley-VCH, 2006)
J. Emsley:
Better Looking, Better Living, Better Loving (Wiley-VCH, 2007)
Internetové zdroje
Databáza hmyzích feromónov:
http://www.pherobase.com
„Včelárska chémia“:
http://www.chemsoc.org/ExemplarChem/entries/2001/loveridge/index.html
Legenda o palytoxíne:
http://www2.hawaii.edu/~bemorton/Neuroscience/Neurochemistry/Legend.html
Vývoj Captoprilu z hadieho jedu:
http://opa.faseb.org/pdf/venom.pdf
Parfémy:
http://en.wikipedia.org/wiki/Perfume
„Unisex“ afrodiziakum:
http://www.palatin.com/products/bremelanotide/overview.asp