Kyselina glyoxalová

Kyselina glyoxalová, občas kyselina glyoxylová alebo oxooctová, je organická zlúčenina. Podobne ako kyseliny octová, glykolová a šťaveľová je kyselina 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.
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:
V roztoku existuje monohydrát v rovnováhe s hemiacetálovým dimérom:
Osamote má aldehydová štruktúra ako hlavný konformér cyklickú štruktúru s vodíkovou väzbou, pričom aldehydový karbonyl je v blízkosti karboxylového vodíka:
Konštanta Henryho zákona pre kyselinu glyoxalovú je KH = 1,09 × 104 × exp[(40,0 × 103/R) × (1/T − 1/298)].
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: v organickej syntéze boli využité katódy z oxidu olovičitého na prípravu kyseliny glyoxalovej z kyseliny v šťaveľovej v roztoku kyseliny sírovej ako elektrolytu.
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.
Biologická úloha.
Glyoxylátový cyklus.
Glyoxylát je medziproduktom glyoxylátového cyklu, ktorý umožňuje rôznym organizmom, napríklad baktériám, hubám a rastlinám, premieňať mastné kyseliny na sacharidy. Glyoxylátový cyklus je takisto dôležitý u rastlín pre spustenie obranných mechanizmov proti hubám. Glyoxylátový cyklus začína aktivitou izocitrátlyázy, ktorá premieňa izocitrát na sukcinát a glyoxylát. Prebiehajú ďalšie výskumy na alternatívne využitia tohto cyklu, napríklad na biosyntézu sukcinátu.
U človeka.
Glyoxylát je produkovaný dvoma dráhami: cez oxidáciu glykolátu v peroxizómoch alebo cez katabolizmus hydroxyprolínu v mitochondriách. 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.
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. 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. Takisto bolo popísané, že pyruvátdehydrogenázový komplex môže prispievať ku glykolátovému a glyoxylátovému metabolizmu.
Význam u chorôb.
Cukrovka.
Glyoxylát sa pokladá za potenciálny marker počiatku diabetu druhého typu. Jeden z kľúčových patologických stavov cukrovky je produkcia pokročilých glykovaných konečných produktov (AGEs, z anglického "advanced glycation end-products"), spôsobených hyperglykémiou. AGEs môžu viesť k ďalším komplikáciám diabetu, ako je poškodenie tkaniva a kardiovaskulárne ochorenia. 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. 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.
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 cytosóle. Pri poškodení dráhy však vzniká nadbytok 4-hydroxy-2-oxoglutarátu, ktorý sa tiež môže presunúť do cytosólu a konvertovať na glyoxylát inou aldolázou. Tieto molekuly glyoxylátu môžu byť oxidované na oxalát, čím sa zvýši jeho koncentrácia a vzniká hyperoxalúria.
Reakcie a použitie.
Kyselina glyoxalová je asi desaťkrát silnejšia kyselina než kyselina octová a jej disociačná konštanta je 4.7 × 10−4 (p"K"a = 3.32):
OCH-COOH ⇌ OCH-COO- + H+
V prítomnosti zásady podlieha kyselina glyoxalová disproporcionácii, čím vzniká kyselina hydroxyoctová a kyselina šťaveľová:
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.
Hopkins-Coleova reakcia.
Glyoxylát je súčasťou Hopkins-Coleovej reakcie, ktorou je možné zistiť prítomnosť tryptofánu v proteínoch.
Environmentálna chémia.
Kyselina glyoxalová je jednou z niekoľkých karboxylových kyselín obsahujúcich karbonylovú skupinu (ketón alebo aldehyd), 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.
Bezpečnosť.
Táto zlúčenina nie je veľmi toxická, LD50 pre potkany je 2500 mg/kg.