Melatonina – hormon snu

Co jest nie tak na poniższym zdjęciu? 🙂

Widać na nim melatoninę, zwaną czasami „hormonem snu”. Melatonina jest wydzielana przez szyszynkę – niewielki gruczoł ulokowany w naszym mózgu. Jej wydzielanie zaczyna się wieczorem, gdy zaczyna robić się ciemno, a ustaje nad ranem, gdy organizm rozpoczyna proces wybudzania się ze snu. To właśnie ta pochodna tryptofanu sprawia, że stajemy się senni, a gdy już śpimy, to wchodzimy w głębokie fazy snu.

Melatonina nie wydziela się w pełnym świetle dnia i w promieniach słońca – jak na zdjęciu. Bardzo przeszkadza jej szczególnie światło niebieskie z naszych monitorów i komórek, gdyż imituje ono blask czystego nieba i skutecznie odpędza od nas senność. To dlatego przy komputerze możemy się zasiedzieć do rana, a przy książce potrafimy zasnąć dużo szybciej (o ile nie wciągnie nas akcja). Z tego powodu bezpośrednio przed snem warto unikać korzystania z komputera czy telefonu albo przestawiać ekrany na specjalny tryb nocny.

Omówienie struktury

Melatoninę możemy ułożyć pracując z uczniem zdolnym i zainteresowanym chemią na zajęciach dodatkowych zarówno w szkole podstawowej jak i w liceum. Rozłóżmy tę cząsteczkę na czynniki pierwsze i zobaczmy czego możemy nauczyć naszych podopiecznych w czasie jej stopniowego składania.

Etap 1 – pirol

Zaczynamy od budowy pierścienia pirolowego. Na przykładzie pirolu wprowadzamy uczniom pojęcie związków heterocyklicznych.

Dla uczniów znających pojęcie aromatyczności związek ten jest doskonałym ćwiczeniem na policzenie sumarycznej liczby elektronów biorących udział w zdelokalizowanych wiązaniach π. Ponieważ azot „daje do wspólnej puli” aż dwa elektrony, to dla zachowania aromatyczności (spełnienia wzoru 4n+2) pierścień powinien być pięcioczłonowy.

Jeżeli pracujemy z uczniem szkoły podstawowej lub pierwszej klasy liceum, który nie ma wiedzy o delokalizacji orbitali molekularnych i nie zna zasad tworzenia struktur aromatycznych, to w tym i w dalszych etapach pomijamy zupełnie wątek aromatyczności. Nie jest on konieczny, żeby zrozumieć budowę melatoniny. Koncentrujemy się raczej na nowych rodzajach związków – tutaj: na pierścieniu heterocyklicznym.

Etap 2 – indol

Kolejnym krokiem jest dołączenie do pirolu pierścienia benzenowego. Tak otrzymamy indol.

Indol (2,3 benzopirol) to heterocykliczny związek aromatyczny zbudowany ze sprzężonych pierścieni – benzenowego i pirolowego. Grupa ta bardzo często występuje w różnych związkach organicznych – np. niektórych alkaloidach. Alkaloidy to substancje odpowiedzialne za działanie niektórych roślin na organizm człowieka. Do grupy alkaloidów indolowych należą m.in. strychnina (silna trucizna występująca w nasionach kulczyby wroniego oka) lub johimbina (używany jako afrodyzjak związek występujący w korze johimby).

Wspólnie z uczniami liczymy elektrony dla całego układu indolowego wykazując aromatyczność pierścieni sprzężonych.

Etap 3 – tryptofan

Teraz przyszedł czas na cząsteczkę tryptofanu. Jest to jeden z dwudziestu aminokwasów białkowych. Jest aminokwasem endogennym – nasz organizm nie potrafi go samodzielnie zsyntetyzować, więc musimy go dostarczać w pożywieniu.

Uczniowie poznają w ósmej klasie proste α-aminokwasy. Podstawa programowa narzuca tylko jeden – glicynę. Jednak niektórzy nauczyciele wychodzą poza nią i pokazują na lekcjach strukturę innych prostych aminokwasów, np. alaniny. Dzisiaj przyda nam się właśnie alanina.

Tryptofan, z punktu widzenia swojej struktury, to alanina, która posiada jako podstawnik przy β-węglu przygotowaną przez nas wcześniej grupę indolową.

Z tego właśnie miejsca zaczyna syntezę melatoniny nasz organizm. Melatonina, bowiem, jest to pochodna tryptofanu.

Etap 4 – serotonina

Kolejnym krokiem jest odłączenie grupy karboksylowej od tryptofanu i zbudowanie cząsteczki serotoniny. To bardzo ważny neuroprzekaźnik. Uczestniczy w regulacji m.in. naszego apetytu, temperatury ciała i ciśnienia krwi.

Synteza serotoniny z L-tryptofanu w naszym organizmie przebiega dwuetapowo.

W pierwszym etapie do pierścienia benzenowego przyłączana jest grupa hydroksylowa. Tak powstaje 5-hydroksytryptofan. To dobry moment aby omówić z uczniami zasadę numeracji atomów w aromatycznych pierścieniach sprzężonych.

W drugim etapie następuje dekarboksylaza z utworzeniem pierwszorzędowej grupy aminowej. Proste aminy znają już uczniowie podstawówki, więc zrozumienie tej struktury nie powinno sprawić uczniom żadnego problemu.

Nazwa systematyczna otrzymanej serotoniny to 5-hydroksytryptamina.

Etap 5 – N-acetyloserotonina

Do właśnie utworzonej grupy aminowej dołączamy grupę karboksylową kwasu octowego. Powstaje świetnie nam znane wiązanie peptydowe.

Ponieważ tym razem wiązanie to nie łączy dwóch aminokwasów, więc nazywamy je zgodnie z nomenklaturą – wiązaniem amidowym. Wiązanie peptydowe to tylko umowna szkolna nazwa dla szczególnego przypadku wiązania amidowego powstałego z kondensacji aminokwasów.

Z punktu widzenia cząsteczki serotoniny dołączona wiązaniem amidowym cząsteczka kwasu octowego będzie nazywana grupą acetylową. Ponieważ dołączona jest ona do atomu azotu, więc nazwa systematyczna dla tak utworzonej substancji to N-acetyloserotonina.

Etap 6 – melatonina

Ostatnim krokiem jest dołączenie grupy metoksylowej do pierścienia benzenowego.

To doskonały pretekst aby opowiedzieć uczniom o związkach pomijanych przez podstawy programowe – eterach. Strukturę eterów tłumaczymy na najprostszym przykładzie – eterze dimetylowym. Jeżeli zamiast jednej grupy metylowej podłączymy pierścień benzenowy, to otrzymamy eter fenylowo-metylowy czyli anizol. Jeżeli zaś popatrzymy na anizol z punktu widzenia pierścienia benzenowego, to podstawnik taki nazywamy grupą metoksylową, więc cały związek moglibyśmy nazwać również metoksybenzenem.

A jeżeli zamiast grupy benzenowej do naszego eteru podłączymy cząsteczkę otrzymaną w poprzednich etapach naszej wirtualnej syntezy, to otrzymamy N-acetylo-5-metoksytryptaminę, czyli melatoninę.

Słowo na koniec

Wirtualna synteza, którą właśnie przeprowadziliśmy, poza ogromną wartością dydaktyczną jest dokładnym odtworzeniem procesów zachodzących w naszych organizmach. Warto więc zapamiętać jej przebieg – przyda się to bardzo uczniom, którzy na studiach będą się uczyć biochemii.

Cząsteczkę melatoniny oraz wszystkie opisane struktury pośrednie ułożysz posiadając zestaw rozszerzony do chemii organicznej.

Łukasz Aranowski
16 maja 2023