Kyselina glyoxalová

Kyselina glyoxalová, občas kyselina glyoxylová alebo oxooctová, je organická zlúčenina. Podobne ako kyseliny octová, glykolová a šťaveľová je kyseliny glyoxalová jednou z C2 karboxylových kyselín. Je to biela kryštalická látka, ktorá sa vyskytuje v prírode a má i priemyselné použitie. Jej konjugovaná báza sa nazýva glyoxalát alebo glyoxylát.

Kyselina glyoxalová
Kyselina glyoxalová
Kyselina glyoxalová
Všeobecné vlastnosti
Sumárny vzorec C2H2O3
Synonymá kyselina glyoxylová, kyselina oxooctová, glyoxalát, glyoxylát
Vzhľad Biela kryštalická látka
Fyzikálne vlastnosti
Molárna hmotnosť 74,035 g/mol
Teplota topenia 80 °C
Teplota varu 111 °C
Hustota 1,384 g/ml
Ďalšie informácie
Číslo CAS 298-12-4
Pokiaľ je to možné a bežné, používame jednotky sústavy SI.
Ak nie je hore uvedené inak, údaje sú za normálnych podmienok.
 Chemický portál

Štruktúra a názvoslovie

Aj keď v štruktúre kyseliny glyoxalovej sa bežne značí aldehydová funkčná skupina, tento aldehyd je v niektorých situáciách len minoritná zložka hlavných prítomných foriem. Namiesto toho glyoxalát často vystupuje ako hydrát alebo cyklický dimér. Napríklad v prítomnosti vody sa karbonyl rýchlo mení na geminálny diol (ktorý sa popisuje ako "monohydrát"). Rovnovážna konštanta (K) pre tvorbu dihydroxyoctovej kyseliny je 300 pri izbovej teplote:[1]

V roztoku existuje monohydrát v rovnováhe s hemiacetálovým dimérom:[2]

Osamote má aldehydová štruktúra ako hlavný konformér cyklickú štruktúru s vodíkovou väzbou, pričom aldehydový karbonyl je v blízkosti karboxylového vodíka:[3]

Konštanta Henryho zákona pre kyselinu glyoxalovú je KH = 1,09 × 104 × exp[(40,0 × 103/R) × (1/T − 1/298)].[4]

Príprava

Kyselina glyoxalová vystupuje pri neutrálnom pH ako jej konjugovaná báza, teda glyoxylát. Gyloxylát je vedľajším produktom amidačných procesov v biosyntéze niekoľkých amidovaných peptidov.

Podľa historických záznamov bola kyselina glyoxalová pripravená z kyseliny šťaveľovej elektrosynteticky:[5][6] v organickej syntéze boli využité katódy z oxidu olovičitého na prípravu kyseliny glyoxalovej z kyseliny v šťaveľovej v roztoku kyseliny sírovej ako elektrolytu.[7]

Horúca kyselina dusičná je schopná oxidovať glyoxal až na kyselinu glyoxalovú. Táto reakcie ja však silne exotermická a náchylná k prehriatiu. Mimo toho je hlavným vedľajším produktom kyselina šťaveľová.

Účinná je i ozonolýza kyseliny maleínovej.[2]

Biologická úloha

Glyoxylát je mezdiproduktom glyoxylátového cyklu, ktorý umožňuje rôznym organizmom, napríklad baktériám,[8] hubám a rastlinám,[9] premieňať mastné kyseliny na sacharidy. Glyoxylátový cyklus je takisto dôležitý u rastlín pre spustenie obranných mechanizmov proti hubám.[10] Glyoxylátový cyklus začína aktivitou izocitrátlyázy, ktorá premieňa izocitrát na sukcinát a glyoxylát. Prebiehajú ďalšie výskumy na alternatívne využitia tohto cyklu, napríklad na biosyntézu sukcinátu.[11]

U človeka

Glyoxylát je produkovaný dvoma dráhami: cez oxidáciu glykolátu v peroxizómoch alebo cez katabolizmus hydroxyprolínu v mitochondriách.[12] V peroxizómoch sa glyoxylát konvertuje na glycín pomocou AGT1 alebo na oxalát pomocou glykolátoxidázy. V mitochondriách sa glyoxylát premieňa na glycín pomocou AGT2 alebo na glykolát pomocou glyoxylátreduktázy. Malé množstvo glyoxylátu sa premieňa na oxalát pomocou cytoplazmatickej laktátdehydrogenázy.[13]

Oxalátový a glyoxylátový metabolizmus v hepatocytoch. AGT 1 a 2, alanín:glyoxylátaminotrasnferáza 1 a 2; GO, glykolátoxidáza; GR, glyoxylátreduktáza; HKGA, 4-hydroxy-2-ketogluratátlyáza; LDH, laktátdehydrogenáza.

U rastlín

Okrem toho, že je glyoxylát intermediátom glyoxylátového cyklu, je glyoxylát i dôležitým medziproduktom vo fotorespiračnej dráhe. Fotorespirácia je výsledok vedľajšej reakcie enzýmu RuBisCO s O2 namiesto CO2. Na začiatku bola táto reakcia považovaná za stratu energie a zdrojov, neskôr bolo však ukázané, že fotorespirácia je dôležitou metódou regenerácie uhlíka a CO2, odstraňovania odpadného fosfoglykolátu a spustenia obranných mechanizmov.[14] Počas fotorespirácie sa glyoxylát premieňa na glykolát vďaka aktivite glykolátoxidázy v peroxizómoch. Potom sa premieňa na glycín paralelne pomocou SGAT a GGAT a ten je možné transportovať do mitochondrií.[15][14] Takisto bolo popísané, že pyruvátdehydrogenézový komplex môže prispievať ku glykolátovému a glyoxylátovému metabolizmu.[16]

Prehľad fotorespirácie v Arabidopsis. GGAT, glyoxylát:glutamátaminotransferáza; GLYK, glycerátkináza; GO, glykolátoxidáza, HPR, hydroxypyruvátreduktáza; PGLP, fosfoglykolátfosfatáza; Rubisco, RuBP karboxyláza/oxygenáza; SGAT, serín:glyoxylátaminotransferáza; SHM, serínhydroxymetyltransferáza.

Význam u chorôb

Cukrovka

Glyoxylát sa pokladá za potenciálny marker počiatku diabetu druhého typu.[17] Jeden z kľúčových patologických stavov cukrovky je produkcia pokročilých glykovaných konečných produktov (AGEs, z anglického advanced glycation end-products), spôsobených hyperglykémiou.[18] AGEs môžu viesť k ďalším komplikáciám diabetu, ako je poškodenie tkaniva a kardiovaskulárne ochorenia.[19] Všeobecne sú tvorené z reaktívnych aldehydov, ako sú tie v redukujúcich cukroch a alfa-oxoaldehydoch. V štúdiach bolo zistené, že hladina glyoxylátu bola výrazne zvýšená u pacientov, ktorí boli neskôr diagnostikovaní ako diabetici druhého typu.[17] Zvýšené hladiny glyoxylátu boli niekedy objavené až tri roky pred diagnózou, čo poukazuje na potenciálnu rolu glyoxylátu ako včasného predikčného markera.

Nefrolitiáza

Glyoxylát vystupuje vo vzniku hyperoxalúrie, kľúčovej príčiny nefrolitázy (bežne známej ako obličkové kamene). Glyoxylát je substrátom i induktorom transportéru sulfátového aniónu-1 (sat-1), génu zodpovedného za transport oxalátu, čo mu umožňuje zvýšiť expresiu mRNA sat-1 a spôsobiť výtok oxalátu z bunky. Zvýšený výdaj oxalátu umožňuje hromadenie oxalátu vápenatého v moči, čo môže viesť k tvorbe obličkových kameňov.[13]

Poškodenie glyoxylátového metabolizmu umožňuje ďalší mechanizmus vývoja hyperoxalúrie. Mutácie, pri ktorých dochádza k strate funkcie génu HOGA1, vedú k strate 4-hydroxy-2-oxoglutarátaldolázy, enzýmu, ktorý sa účastní dráhy premeny hydroxyprolínu na glyoxylát. Glyoxylát, ktorý vzniká touto dráhou, sa bežne ukladá preč, aby nedochádzalo k jeho oxidácii na oxalát v cytozole. Pri poškodení dráhy však vzniká nadbytok 4-hydroxy-2-oxoglutarátu, ktorý sa tiež môže presunúť do cytozolu a konvertovať na glyoxylát inou aldolázou. Tieto molekuly glyoxylátu môžu byť oxidované na oxalát, čím sa zvýši jeho koncentrácia a vzniká hyperoxalúria.[12]

Reakcie a použitie

Kyselina glyoxalová je asi desaťkrát silnejšia kyselina než kyselina octová a jej disociačná konštanta je 4.7 × 10−4 (pKa = 3.32):

OCH-COOH ⇌ OCH-COO- + H+

V prítomnosti zásady podlieha kyselina glyoxalová disproporcionácii, čím vzniká kyselina hydroxyoctová a kyselina šťaveľová:[chýba zdroj]

2 OCH-COOH + H2O → HOCH2-COOH + HOOC-COOH

Kyselina glyoxalová tvorí heterocyklus po kondenzácii s močovinou a 1,2-diaminobenzénom.

Fenolové deriváty

Kyselina glyoxalová všeobecne podstupuje elektrofilnú aromatickú substitučnú reakciu s fenolmi, čo je verzatilný krok pre syntézu niekoľkých zlúčenín.

Priamy produkt s fenolom je kyselina 4-hydroxymandľová. Táto zlúčenina reaguje s amoniakom za vzniku hydroxyfenylglycínu, ktorý je prekurzorom lieku amoxicilínu. Redukciou kyseliny 4-hydroxymandľovej vzniká kyselina 4-hydroxyfenyloctová, ktorá je prekurzorom lieku atenololu.

Sekvencia reakcií, v ktorých reaguje kyselina glyoxalová s guaiakolom a následne sa oxiduje a dekarboxyluje, umožňuje syntézu vanilínu, pričom sa vlastne jedná o formylačný proces.[2][20][21]

Hopkins-Coleova reakcia

Glyoxylát je súčasťou Hopkins-Coleovej reakcie, ktorou je možné zistiť prítomnosť tryptofánu v proteínoch.[22]

Environmentálna chémia

Kyselina glyoxalová je jednou z niekoľkých ketón a aldehyd obsahujúcich karboxylových kyselín, ktoré sú bežné ako sekundárne organické aerosoly. V prítomnosti vody a svetla môže podstúpiť fotochemickú oxidáciu. Môže prebehnúť niekoľko reakčných dráh, čo vedie k rôznym ďalším karboxylovým a aldehydovým produktom.[23]

Bezpečnosť

Táto zlúčenina nie je veľmi toxická, LD50 pre potkany je 2500 mg/kg.

Referencie
  1. Kinetics and equilibria for the reversible hydration of the aldehyde group in glyoxylic acid.. Acta Chem. Scand., 1974, s. 162–168. DOI: 10.3891/acta.chem.scand.28a-0162.
  2. Georges Mattioda and Yani Christidis “Glyoxylic Acid” Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2002, Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/14356007.a12_495
  3. Vibrational spectra of glyoxylic acid monomers. Journal of Molecular Spectroscopy, 1984, s. 25–39. DOI: 10.1016/0022-2852(84)90242-X.
  4. IP, H. S. Simon; Huang, X. H. Hilda; Yu, Jian Zhen. Effective Henry's law constants of glyoxal, glyoxylic acid, and glycolic acid. Geophysical Research Letters, 2009, s. L01802. Dostupné online. DOI: 10.1029/2008GL036212.
  5. Elektrolytische Reduction von Carbonsäuren und Carbonsäureestern in schwefelsaurer Lösung. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft, 1904, s. 3187–3191. Dostupné online. DOI: 10.1002/cber.190403703116.
  6. COHEN, Julius. Practical Organic Chemistry 2nd Ed.. London : Macmillan and Co. Limited, 1920. Dostupné online. S. 102–104.
  7. François Cardarelli. Materials Handbook: A Concise Desktop Reference. [s.l.] : Springer, 2008. Dostupné online. ISBN 978-1-84628-668-1. S. 574.
  8. Holms WH. Control of flux through the citric acid cycle and the glyoxylate bypass in Escherichia coli. Biochem Soc Symp., 1987, s. 17–31. PMID 3332993.
  9. Lipid mobilization and gluconeogenesis in plants: do glyoxylate cycle enzyme activities constitute a real cycle? A hypothesis. Biol. Chem., 1997, s. 803–813. PMID 9377475.
  10. The glyoxylate cycle is involved in pleotropic phenotypes, antagonism and induction of plant defence responses in the fungal biocontrol agent Trichoderma atroviride. Fungal Genetics and Biology, September 2013, s. 33–41. ISSN 1087-1845. DOI: 10.1016/j.fgb.2013.06.008. PMID 23850601.
  11. Activation of glyoxylate pathway without the activation of its related gene in succinate-producing engineered Escherichia coli. Metabolic Engineering, November 2013, s. 9–19. ISSN 1096-7176. DOI: 10.1016/j.ymben.2013.07.004. PMID 23876414.
  12. Primary hyperoxaluria type III—a model for studying perturbations in glyoxylate metabolism. Journal of Molecular Medicine, 2012-12-01, s. 1497–1504. ISSN 0946-2716. DOI: 10.1007/s00109-012-0930-z. PMID 22729392.
  13. Glyoxylate is a substrate of the sulfate-oxalate exchanger, sat-1, and increases its expression in HepG2 cells. Journal of Hepatology, March 2011, s. 513–520. ISSN 0168-8278. DOI: 10.1016/j.jhep.2010.07.036. PMID 21093948.
  14. Photorespiration. The Arabidopsis Book / American Society of Plant Biologists, 2010-03-23, s. e0130. ISSN 1543-8120. DOI: 10.1199/tab.0130. PMID 22303256.
  15. Distinct photorespiratory reactions are preferentially catalyzed by glutamate:glyoxylate and serine:glyoxylate aminotransferases in rice. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, January 2015, s. 110–117. ISSN 1011-1344. DOI: 10.1016/j.jphotobiol.2014.11.009. PMID 25528301.
  16. A possible role for the chloroplast pyruvate dehydrogenase complex in plant glycolate and glyoxylate metabolism. Phytochemistry, November 2013, s. 168–176. ISSN 0031-9422. DOI: 10.1016/j.phytochem.2013.07.009. PMID 23916564.
  17. Glyoxylate, a New Marker Metabolite of Type 2 Diabetes. Journal of Diabetes Research, 2014, s. 685204. ISSN 2314-6745. DOI: 10.1155/2014/685204. PMID 25525609.
  18. Inflammation in the pathogenesis of microvascular complications in diabetes. Frontiers in Endocrinology, 2012-12-21, s. 170. ISSN 1664-2392. DOI: 10.3389/fendo.2012.00170. PMID 23267348.
  19. Glyco-oxidation and cardiovascular complications in type 2 diabetes: a clinical update. Acta Diabetologica, April 2013, s. 101–110. ISSN 0940-5429. DOI: 10.1007/s00592-012-0412-3. PMID 22763581.
  20. An Improved Procedure for Synthesis of DL-4-Hydroxy-3-methoxymandelic Acid (DL-"Vanillyl"-mandelic Acid, VMA). Journal of Research of the National Bureau of Standards Section A, 1974, s. 411–412. DOI: 10.6028/jres.078A.024. PMID 32189791.
  21. Kamlet, Jonas; Mathieson, Olin. Manufacture of vanillin and its homologues U.S. Patent 2,640,083. [s.l.] : U.S. Patent Office, 1953. Dostupné online.
  22. R.A. Joshi. Question Bank of Biochemistry. [s.l.] : New Age International, 2006. Dostupné online. ISBN 978-81-224-1736-4. S. 64.
  23. Aqueous Photochemistry of Glyoxylic Acid. J. Phys. Chem. A, 2016, s. 3817–3826. DOI: 10.1021/acs.jpca.6b00225. PMID 27192089.

Zdroj

Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Glyoxylic acid na anglickej Wikipédii.

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.