Λευκίνη

Λευκίνη
Γενικά
Όνομα IUPAC	2-αμινο-4-μεθυλοπεντανικό οξύ
Άλλες ονομασίες	Λευκίνη
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	C6H13NO2
Μοριακή μάζα	131,17 amu
Σύντομος συντακτικός τύπος	(CH3)2CHCH2CH(NH2)COOH
Συντομογραφίες	leu, L
Αριθμός CAS	61-90-5
SMILES	CC(C)CC(N)C(=O)O
InChI	1S/C6H13NO2/c1-4(2)3-5(7)6(8)9/h4-5H,3,7H2,1-2H3,(H,8,9)/t5-/m0/s1 Y
Αριθμός EINECS	200-773-6
Αριθμός UN	GMW67QNF9C
PubChem CID	6106
ChemSpider ID	5880
Κωδικός προσθέτου τροφίμων	E641
Ισομέρεια
Ισομερή θέσης	>175
Οπτικά ισομερή	2
Φυσικές ιδιότητες
Διαλυτότητα στο νερό	διαλυτή
Εμφάνιση	λευκό κρυσταλλικό στερεό
Χημικες ιδιότητες
pKa	2,36 (-COOH) 9,60 (-NH2)
pI	5,98
Η κατάσταση αναφοράς είναι η πρότυπη κατάσταση (25°C, 1 Atm) εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά

Η λευκίνη ή 2-αμινο-4-μεθυλοπεντανικό οξύ (συμβολίζεται με Leu ή L) είναι ένα α-αμινοξύ με σύντομο συντακτικό τύπο (CH₃)₂CHCH₂CH(NH₂)COOH. Η L-λευκίνη είναι ένα από τα πρωτεϊνικά αμινοξέα. Οι τριπλέτες της είναι: UUA, UUG, CUU, CUC, CUA και CUG. Ανήκει στα απαραίτητα αμινοξέα, δηλαδή σε αυτά που δεν μπορεί να βιοσυνθέσει ο ανθρώπινος οργανισμός και πρέπει να λαμβάνονται έτοιμα, με την τροφή. Επειδή το τμήμα του μορίου της από το #2 άτομο άνθρακα και μετά [R = (CH₃)₂CHCH₂-, δηλαδή ισοβουτύλιο] είναι ένα αλκύλιο, ταξινομείται στα «υδρόφοβα» αμινοξέα. Είναι ένα σημαντικό συστατικό υπομονάδων της φερριτίνης, της αστακίνης και άλλων αμυντικών και μεταφορικών πρωτεϊνών.

Πίνακας τροφίμων που περιέχουν λευκίνη

Τροφικές πηγές της λευκίνης

Τρόφιμο	g/100g
πρωτεΐνες σόγιας	4,917
φυστίκια	1,672
ψύχα σίτου	1,571
αμύγδαλα	1,488
βρώμη	1,284
φασόλια (μαγειρευμένα)	0,765
φακές (μαγειρευμένες)	0,654
ρεβίθια (μαγειρευμένα)	0,631
αραβόσιτος (κίτρινος)	0,348
ρύζι (καφέ, μαγειρευμένο)	0,191

Ισομέρεια

Με βάση το χημικό τύπο της, C₆H₁₃NO₂, έχει πολλά ισομερή θέσης, τα σημαντικότερα από τα οποία είναι τα ακόλουθα αμινοξέα:

1. 6-αμινεξανικό οξύ
2. Ισολευκίνη

Δομή

Δεσμοί
Δεσμός	τύπος δεσμού	ηλεκτρονική δομή	Μήκος δεσμού	Ιονισμός
C-H	σ	2sp3-1s	109 pm	3% C- H+
C#1'-C#4	σ	2sp3-2sp3	154 pm
C#5-C#4	σ	2sp3-2sp3	154 pm
C#4-C#3	σ	2sp3-2sp3	154 pm
C#3-C#2	σ	2sp3-2sp3	154 pm
C#2-C#1	σ	2sp3-2sp2	151 pm
C-N	σ	2sp3-2sp3	152 pm	6% C+ Ν-
Ν-H	σ	2sp3-1s	101,7 pm	17% N- H+
C=O	σ	2sp2-2sp2	132 pm	19% C+ O-
	π	2p-2p
C-O	σ	2sp2-2sp3	147 pm	19% C+ O-
O-H	σ	2sp3-1s	96 pm	32% O- H+
Κατανομή φορτίων σε ουδέτερο μόριο
-O	-0,51
-N	-0,40
=O	-0,38
C#1'	-0,09
C#5	-0,09
C#3	-0,06
C#4	-0,03
C#2	+0,03
H(CH)	+0,03
H(NH2)	+0,17
H(OH)	+0,32
C#1	+0,57

Παραγωγή

Βιοσύνθεση

Ως ένα βασικό αμινοξύ, η λευκίνη δεν μπορεί να συνθεθεί από τα ζώα, και γι' αυτό πρέπει να προσλαμβάνεται έτοιμη με την τροφή, συνήθως ως συνστατικό των πρωτεϊνών. Μπορεί όμως να βιοσυνθεθεί από τα φυτά και από μικροοργανισμούς, μέσω αρκετών σταδίων, αρχίζοντας από το πυροσταφυλικό οξύ. Το αρχικό τμήμα της πορείας αυτής είναι κοινό με το αντίστοιχο της βαλίνης. Το ενδιάμεσο α-κετοβαλερικό οξύ, μετατρέπεται σε α-ισοπροπυλομηλικό οξύ και μετά σε β-ισοπροπυλομηλικό οξύ, που αφυδρογονώνεται σε α-κετοϊσοκαπρικό οξύ που τελικά δίνει τη λευκίνη με αναγωγική αμμωνίωση (δείτε παρακάτω). Τα ένζυμα που εμπλέκονται στην τυπική βιοσύνθεση της λευκίνης είναι τα ακόλουθα:

1. Ακετογαλακτική συνθετάση.
2. Ισομεραναγωγάση των ακετοϋδροξυοξέων.
3. Αφυδατάση των διυδροξυοξέων.
4. α-Ισοπροπυλομηλική συνθετάση.
5. α-Ισοπροπυλομηλική ισομεράση.
6. Αμινοτρανσφεράση της λευκίνης.

Άλλες μέθοδοι

Μέσω αλογόνωσης 4-μεθυλοπεντανικού οξέος

Ρακεμικό μίγμα λευκίνης μπορεί να παραχθεί μέσω αλογόνωσης του 4-μεθυλοπεντανικού οξέος:

$\mathrm{(CH_3)_2CHCH_2CH_2COOH + X_2 \xrightarrow{P} (CH_3)_2CH_2CHCHXCOOH + HX}$

1. Το α-αλοξύ που προκύπτει έτσι, επιδράται με αμμωνία:

$\mathrm{(CH_3)_2CH_2CHCHXCOOH + 2NH_3 \xrightarrow{} (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOH + NH_4X}$

• Όπου X χλώριο, βρώμιο ή ιώδιο.

2. Μέσω οργανομαγνησιακών ενώσεων και αλαμίνης με εστεροποίηση για «προστασία» της καρβοξυλομάδας:

$\mathrm{ (CH_3)_2CHCH_2CHXCOOH + ROH \stackrel{-H_2O}{\overrightarrow\longleftarrow} (CH_3)_2CHCH_2CHXCOOR \xrightarrow[|Et_2O|]{+Mg} (CH_3)_2CHCH_2CH(MgX)COOR \xrightarrow[-MgX_2]{+NH_2X} (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOR \stackrel{+H_2O}{\overrightarrow\longleftarrow} (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOH + ROH}$

3. Με φθαλιμιδικό κάλιο (σύνθεση Gabriel):

$\mathrm{+ (CH_3)_2CHCH_2CHXCOOH \xrightarrow[+2H_2O]{-KBr} (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOH +}$

Αντίδραση Stracker

Με επίδραση υδροκυανίου (HCN) και αμμωνίας (NH₃) σε 3-μεθυλοβουτανάλη [(CH₃)₂CHCH₂CHO):

$\mathrm{(CH_3)_2CHCH_2CHO + HCN + NH_3 \xrightarrow{-H_2O} (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)CN \xrightarrow{+2H_2O} (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOH + NH_3}$

Με αναγωγική αμμωνίωση του αντίστοιχου κετοξέος

Με αναγωγική αμμωνίωση 4-μεθυλο-2-οξοπεντανικού οξέος::

$\mathrm{(CH_3)_2CHCH_2COCOOH + 2NH_3 \xrightarrow{-H_2O} (CH_3)_2CHCH_2C(=NH)COONH_4 \xrightarrow[Ni]{+H_2} (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COONH_4 \xrightarrow{+HCl} (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOH + NH_4Cl}$

Με αναγωγή του αντίστοιχου νιτροξέος

Από 4-μεθυλο-2-νιτροπεντανικό οξύ με αναγωγή:

$\mathrm{ (CH_3)_2CHCH_2CH(NO_2)COOH + 2Fe + 6HCl \xrightarrow{} (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOH + 2FeCl_3 + 2H_2O}$

• Το 4-μεθυλο-2-νιτροπεντανικό οξύ παράγεται από το αντίστοιχο α-αλοπροπανικό οξύ:

$\mathrm{ (CH_3)_2CHCH_2CHXCOOH + AgNO_2 \xrightarrow{} (CH_3)_2CHCH_2CH(NO_2)COOH + AgX \downarrow}$

Από ισοβουτυλομηλονικό οξύ

Από ισοβουτπυλομηλονικό οξύ με μετροπή σε μονοαμίδιο και αποικοδόμηση-μετάθεση Hofmann:

$\mathrm{HOOCCH[CH_2CH(CH_3)_2]COOH + ROH \xrightarrow{} HOOCCH[CH_2CH(CH_3)_2]COOR + H_2O}$
$\mathrm{HOOCCH[CH_2CH(CH_3)_2]COOR + SOCl_2 \xrightarrow{} ClOCCH[CH_2CH(CH_3)_2]COOR + SO_2 + HCl }$
$\mathrm{ClOCCH[CH_2CH(CH_3)_2]COOR + NH_3 \xrightarrow{} H_2NOCCH[CH_2CH(CH_3)_2]COOR + HCl }$
$\mathrm{H_2NOCCH[CH_2CH(CH_3)_2]COOR + KBrO \xrightarrow{} (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOR + KBr + CO_2 }$
$\mathrm{(CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOR + H_2O \xrightarrow{} (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOH + ROH }$

Από το αντίστοιχο αμινονιτρίλιο

Από 2-αμινο-4-μεθυλοπεντανονιτρίλιο με υδρόλυση:

$\mathrm{ (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)CN + 2H_2O \xrightarrow{} (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOH + NH_3}$

• To 2-αμινο-4-μεθυλοπεντανονιτρίλιο παράγεται από 3-μεθυλοβουτανάλη με επίδραση χλωριούχου αμμωνίου και κυανιούχου νατρίου

$\mathrm{ (CH_3)_2CHCH_2HCHO + NH_4Cl + NaCN \xrightarrow{} (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)CN + H_2O + NaCl}$

Χημικές ιδιότητες και παράγωγα

Αμφολυτική αυμπεριφορά

1. Η πιο χαρακτηριστική είναι η αμφολυτική διάστασή της:

$\mathrm{(CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COO^- \begin{matrix} +H^+ \\ {\overrightarrow\longleftarrow} \\ \; \end{matrix} \begin{Bmatrix} (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOH \\ \uparrow \downarrow \\ (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_3^+)COO^- \end{Bmatrix} \begin{matrix} +H^+ \\ {\overrightarrow\longleftarrow} \\ \; \end{matrix} (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_3^+)COOH}$

• Η κεντρική πάνω κατάσταση ισχύει για αδιάλυτη (ή διαλυτή σε απρωτικούς διαλύτες) αλανίνη.
• Σε υδατικά διαλύματα:

1. Για pH<pK₁ ιονίζεται η αμινομάδα (δεξιά).
2. Για pH=pI ιονίζονται και η αμινομάδα και η καρβοξυλομάδα (κέντρο κάτω).
3. Για pH>pK₂ ιονίζεται μόνο η καρβοξυλομάδα (αριστερά).

2. Παραγωγή αλάτων με οξέα και βάσεις. Π.χ.:

$\mathrm{ (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOH + HCl \xrightarrow{} (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_3Cl)COOH}$
και
$\mathrm{ (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOH + NaOH \xrightarrow{} (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COONa + H_2O}$

Εστεροποίηση

Αντιδρά με αλκοόλες σχηματίζοντας αμινεστέρες. Αποτελεί και μέθοδο «προστασίας» της καρβοξυλομάδας.

$\mathrm{ (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOH + ROH \overrightarrow\longleftarrow (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOR + H_2O}$

Αλκυλίωση

Με επίδραση αλκυλοαλογονιδίων σχηματίζονται δευτεροταγή αμινοξέα:

$\mathrm{ (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOH + RX \xrightarrow{} RNHCH[CH_2CH(CH_3)_2]COOH + HX}$

Ακυλίωση

Με επίδραση ακυλοαλογονιδίων σχηματίζονται δευτεροταγή αμιδοξέα. Αποτελεί και μέθοδο «προστασίας» της αμινομάδας, αφού τα αμίδια υδρολύονται.

$\mathrm{ (CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOH + RCOX \xrightarrow{} RCONHCH[CH_2CH(CH_3)_2]COOH + HX}$

Απαζώτωση

Με επίδραση νιτρώδους οξέος πρακτικά αντικαθίστανται η αμινομάδα με υδροξυλομάδα. Παράγεται 4-μεθυλο-2-υδροξυπεντανικό οξύ:

$\mathrm{(CH_3)_2CHCH_2CH(NH_2)COOH + HNO_2 \xrightarrow{} (CH_3)_2CHCH_2CH(OH)COOH + H_2O + N_2}$

Βιοχημεία

Η λευκίνη χρησιμοποιείται στο ήπαρ, στο λιπώδη ιστό και στο μυϊκό ιστό. Στο λιπώδη ιστό και στους μύες η λευκίνη χρησιμοποιείται για το σχηματισμό των στερολών και η συνδυασμένη χρήση από τους δυο αυτούς ιστούς είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του ήπατος..

Η λευκίνη είναι το μόνο διατροφικό αμινοξύ που έχει τη δυνατότητα να τονώσει τη μυϊκή σύνθεση πρωτεϊνών. Ως συμπλήρωμα διατροφής, η λευκίνη έχει χρησιμοποιηθεί για να επιβραδύνει την υποβάθμιση του μυϊκού ιστού, αυξάνοντας τη σύνθεση των πρωτεϊνών των μυών σε υπέργηρους επίμυες.

Η τοξικότητα (από υπερκατανάλωση) της λευκίνης, όπως φαίνεται στην αποσταθεροποιημένη «ασθένεια ούρων με οσμή σιροπιού σφενδαμιού» [Maple Syrup Urine Disease (MSUD)]], προκαλεί αρχικά ντελίριο και νευρολογική βλάβη, και μπορεί να φθάσει να απειλήσει και τη ίδια την ανθρώπινη ζωή.

Στη γενετική του ζυμομύκητα, μεταλλάγματα με ένα ελαττωματικό γονίδιο για τη σύνθεση λευκίνης (leu2) μετασχηματίζονται με ένα πλασμίδιο που περιέχει ένα λειτουργικό γονίδιο σύνθεσης λευκίνης (LEU2) και καλλιεργούνται σε μη εμπλουτισμένο θρεπτικό υλικό. Η σύνθεση της λευκίνης γίνεται τότε ένας χρήσιμος επιλέξιμος δείκτης του μετασχηματισμού.

Πηγές

• SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999.
• Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982.