Γλυοξιλικό οξύ

Το γλυοξυλικό οξύ (αγγλικά glyoxylic acid) είναι οργανική χημική ένωση, με μοριακό τύπο C₂H₂O₃, αν και συνηθέστερα παριστάνεται (με τον ημισυντακτικό του τύπο) ως HCOCO₂H. Μαζί με το οξικό οξύ (CH₃CO₂H), το γλυκολικό οξύ (HOCH₂CO₂H) και το οξαλικό οξύ [(CO₂H)₂], το γλυοξυλικό οξύ είναι ένα από τα C₂ καρβοξυλικά οξέα. Πιο συγκεκριμένα, ανήκει στα αλδεϋδοξέα.

Το χημικά καθαρό γλυοξιλικό οξύ, στις «κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος», δηλαδή σε θερμοκρασία 25°C και υπό πίεση 1 atm, είναι άχρωμο στερεό, που υπάρχει στη φύση και είναι χρήσιμο βιομηχανικά.

Δομή και ονοματολογία

Το γλυοξυλικο οξύ συνήθως (τυπικά) περιγράφεται με το χημικό τύπο HCOCOOH, που δείχνει σαφώς ότι περιέχει μια αλδεϋδομάδα (HCO-). Στην πραγματικότητα, όμως, δεν έχει παρατηρηθεί να βρίσκεται στην παραπάνω δομή ούτε όταν το γλυοξυλικό οξύ βρίσκεται σε διάλυμα, αλλά ούτε και όταν βρίσκεται στην χημικά καθαρή στερεή της μορφή. Γενικότερα, οι αλδεΰδες με γειτονικές στην αλδεϋδομάδα τους ηλεκτρονιόφιλες ομάδες (όπως και η καρβοξυλομάδα) συχνά υπάρχουν κατά κύριο λόγο στην μορφή των υδριτών τους. Έτσι, ο πραγματικός μοριακός τύπος για το γλυοξυλικό οξύ είναι (HO)₂CHCOOH, που αντιστοιχεί στη συστηματική ονομασία διυδροξυαιθανικό οξύ. Αυτό το διυδροξυοξύ βρίσκεται σε χημική ισορροπία με τη διμερική ημιακεταλική του μορφή, όταν το γλυοξυλικό οξύ βρίσκεται σε μορφή διαλύματος. Η σταθερά του νόμου του Χενρύ (Henry's law constant) για το γλυοξυλικό οξύ είναι K_H = 1,09 · 10⁴ · exp[(4 · 10⁴/R) · (1/T - 1/298)]:

$\mathrm{(}\mathrm{H}\mathrm{O}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{\rightleftarrows }\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{H}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Παραγωγή

Η ένωση σχηματίζεται με οργανική οξείδωση γλυοξάλης (HCOCHO) με καυτό νιτρικό οξύ (HNO₃):

$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\stackrel{\mathrm{△}}{\to }\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{H}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Το κύριο παραπροϊόν αυτής της μεθόδου είναι το οξαλικό οξύ:

$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{4}\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\stackrel{\mathrm{△}}{\to }\mathrm{H}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{H}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Ωστόσο, αυτή η αντίδραση είναι πολύ εξώθερμη και είναι επιρεπής σε θερμική εκτροπή. Η οζονόλυση μηλεϊκού οξέος (HO₂CCH=CHCO₂H) είναι επίσης αποτελεσματική για την παραγωγή γλυοξυλικού οξέος:

$\mathrm{3}\mathrm{H}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{=}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{H}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\stackrel{}{\to }\mathrm{6}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{H}$

Ιστορικά, η πρώτη παραγωγή γλυοξυλικού οξέος έγινε ηλεκτροσυνθετικά:

Σύμφωνα με αυτήν την οργανική ηλεκτροσύνθεση, για την πραραγωγή γλυοξυλικού οξέος χρησιμοποιούνται άνοδοι από διοξείδιο του μολύβδου (PbO₂) και (ένυδρο διάλυμα) θειικού οξέος (H₂SO₄), ως ηλεκτρολύτης.

Η συζυγής βάση του γλυοξυλικού οξέος είναι γνωστή ως γλυκοξυλικό ανιόν (OCHCO₂^-) και είναι η μορφή στην οποία βρίσκεται το γλυοξυλικό οξύ σε υδατικό της διάλυμα με ουδέτερο (και πάνω) pH. Το ανιόν αυτό είναι παραπροϊόν της διεργασίας αμίδωσης κατά τη βιοσύνθεση αρκετών αμιδομένων πεπτιδίων.

Βιολογικός ρόλος

Το γλυοξυλικό οξύ είναι ένα ενδιάμεσο του (ομώνυμου) γλυοξυλικού κύκλου, που επιτρέπει σε οργανισμούς, όπως τα βακτήρια, τους μύκητες και τα φυτά, να μετατρέπουν λιπαρά οξέα σε σάκχαρα. Ο γλυοξιλικός κύκλος είναι επίσης σημαντικός για την επαγωγή των φυτικών αμυντικών μηχανισμών ως απάντηση σε (προσβολή από) μύκητες. Ο γλυοξιλικός κύκλος ξεκινά με ενεργοποίηση της ισοκιτρικής λυάσης, ενός ενζύμου που μετατρέπει ισοκιτρικά ανιόντα σε γλυοξιλικά και ηλεκτρικά ανιόντα. Έρευνα έχει γίνει για να αξιοποιηθεί αυτή η μεταβολική οδός σε μια ποικιλία από εφαρμογές, όπως η βιοσύνθεση ηλεκτρικών ανιόντων.

Στον ανθρώπινο οργανισμό

Στον ανθρώπινο οργανισμό τα γλυοξιλικά ανιόντα παράγονται μέσω δύο (2) μεταβολικών οδών:

1. Μέσω της οξείδωσης γλυκολικών σε υπεροξειδοσώματα.
2. Μέσω καταβολισμού της υδροξυπρολίνης σε μιτοχόνδρια.

Στα υπεροξειδοσώματα, τα γλυοξυλικά ανιόντα μετατρέπονται σε γλυκίνη, με αλανινογλυοξυλική τρανσαμινάση #1, ή σε οξαλικά ανιόντα με τη γλυκολική οξειδάση. Στα μιτοχόνδρια, τα γλυοξυλικά ανιόντα μετατρέπονται (επίσης) σε γλυκίνη, αλλά με αλανινογλυοξυλική τρανσαμινάση #2, ή σε γλυκολικά ανιόντα, με τη γλυκολική αναγωγάση. Μια μικρή ποσότητα γλυοξυλικών ανιόντων μετατρέπονται σε οξαλικά ανιόντα μέσω της κυτταροπλασμικής γαλακτικής δεϋδρογονάσης.

Μεταβολισμός οξαλικών και γλυοξυλικών ανιόντων σε ηπατοκύτταρα: 1. AGT1 και AGT2: αλανινογλυοξυλικές τρανσαμινάσες #1 και #2, αντιστοίχως. 2. GO: Γλυοξυλική οξειδάση. 3. GR: Γλυοξυλική αναγωγάση. 4. HKGA: 4-υδροξυ-2-κετογλουταρική λυάση. 5. LDH: Γαλακτική δεϋδρογονάση.

Στα φυτά

Επί πρόσθετα στο να είναι τα γλυοξυλικά ενδιάμεσα στη ομώνυμη μεταβολική οδό (δηλαδή του γλυοξυλικού), αποτελούν επίσης σημαντικά ενδιάμεσα στη μεταβολική οδό της φωτοαναπνοής. Η φωτοαναπνοή είναι το αποτέλεσμα της παράλληλης αντίδρασης Rubisco με οξυγόνο αντί με διοξείδιο του άνθρακα. Παρ' όλο που αρχικά θεωρήθηκε ως σπατάλη ενέργειας και πόρων, η φωτοαναπνοή έχει αποδειχθεί να είναι μια σημαντική μέθοδος αναγέννσης άνθρακα και διοξειδίου του άνθρακα, απομακρύνοντας τοξικό φωσφογλυκολικό οξύ, και ενεργοποιώντας αμυντικούς μηχανισμούς. Στην φωτοαναπνοή, τα γλυοξυλικά μετατρέπονται σε γλυκολικά, μέσω της δράσης της οξειδάσης γλυκολικών σε υπεροξύσωμα. Έπειτα, τα γλυκολικά, με τη σειρά τους, μετατρέπονται σε γλυκίνη, που μεταφέρεται στη συνέχεια στα μιτοχόνδρια, μέσω των παράλληλων ενεργειών των ενζύμων SGAT και GGAT. Επίσης έχει αναφερθεί ότι το σύμπλεγμα δεϋδρογονάσης πυροσταφυλικού μπορεί να παίζει κάποιο ρόλο στο μεταβολισμό γλυκολικών και γλυοξυλικών.

Βασική επισκόπιση της φωτοαναπνοής σε Arabidopsis. Όπου:GGAT: Glyoxylate:Glutamate AminoTransferase,δηλαδή αμινοτρανσφεράση γλουταμινικών-γλουταμινικών. GLYK: GLYcerate Kinase, δηλαδή γλυκερινική κινάση. GO: Glycolate Oxidase, δηλαδή γλυκολική οξειδάση. HPR: HydroxyPyruvate Reductase, δηλαδή υδροξυπυροσταφυλική αναγωγάση. PGLP: PhosphoGlycoLate Phosphatase, δηλαδή φωσφογλυκολική φωσφατάση. Rubisco, RuBP carboxylase/oxygenase, δηλαδή Ρουμπισκο καρβοξυλάση/οξυγενάση. SGAT: Serine:Glyoxylate AminoTransferase, δηλαδή αμινοτρανσφεράση σερίνης-γλυοξυλικών. SHM: Serine HydroxyMethyltransferase, δηλαδή υδροξυμεθυλοτρανσφεράση σερίνης.

Συσχέτιση με ασθένειες

Διαβήτης

Τα γλυοξυλικά θεωρούνται ως εν δυνάμει πρώιμος δείκτης για το διαβήτη τύπου Β΄. Μια από τις κομβικής σημασίας συνθήκες της παθολογίας του διαβήτη είναι η παραγωγή προχωριμένα τελικά προϊόντα γλυκοζυλίωσης (AGEs, Advanced Glycation End-products), που προκαλούνται από την υπεργλυκαιμία. Τα AGEs μπορούν να οδηγήσουν σε παραιτέρω επιπλοκές του διαβήτη, όπως βλάβη ιστών και καρδιαγγειακή πάθηση. Γενικά συνήθως σχηματίζονται δραστικές αλδεΰδες, όπως αυτές που είναι παρούσες σε ανάγοντα σάκχαρα και α-οξαλδεΰδες. Σύμφωνα με μια μελέτη, τα επίπεδα γλυοξυλικών βρέθηκαν σημαντικά αυξημένα σε ασθενείς που αργότερα διαγνώστικαν με διαβήτη τύπου Β΄. Τα αυξημένα επίπεδα βρέθηκαν κάποιες φορές ως και τρία (3) χρόνια πριν από τη διάγνωση, δείχνοντας τον εν δυνάμει ρόλο της συγκέντρωσης των γλυοξυλικών ως πρώιμο δείκτη πρόληψης της νόσου.

Νεφρολιθίαση

Τα γλυοξυλικά ενέχονται για την ανάπτυξη υπεροξαλουρίας, που είναι κομβικός παράγοντας για τη νεφρολιθίαση. Τα γλυοξυλικά είναι ένας υπόστρωμα αλλά και επαγωγέας του μεταφορέα-1 θειικών ανιόντων (SAT-1, Sulfate Anion Transporter), ένα γονίδιο υπεύθυνο για τη μεταφορά οξαλικών, επιτρέποντας την έκφραση του SAT-1 mRNA και έχει ως αποτέλεσμα την έξοδο οξαλικών από ένα κύτταρο.Η αυξημένη συγκέντρωση οξαλικών επιτρέπει την παραγωγή και παρουσία οξαλικού ασβεστίου στα ούρα, οδηγώντας έτσι τελικά στο σχηματισμό λίθων στα νεφρά.

Η διακοπή του μεταβολισμού γλυοξυλικών παρέχει έναν επιπλέον μηχανισμό για την ανάπτυξη υπεροξαλουρίας. Οι μεταλλάξεις που οδηγούν σε απώλεια της λειτουργίας του γονιδίου HOGA1 οδηγούν σε απώλεια της 4-υδροξυ-2-οξογλουταρικής αλδολάσης, ενός ενζύμου στη μεταβολική οδό της υδροξυπρολίνης. Ωστόσο, η διακοπή αυτής της μεταβολικής οδού προκαλεί τη σύνθεση 4-υδροξυ-2-οξογουταρικών, που επίσης μεταφέρονται στο κυτοσόλ και μετατρέπονται σε γλυοξυλικά μέσω μιας διαφορετικής αλδολάσης. Αυτά τα ιόντα γλυοξυλικών μπορούν να οξειδωθούν σε οξαλικά, αυξάνοντας τη συγκέντρωση των τελευταίων και προκαλώντας υπεροξαλουρία.

Πηγές

• Ν. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 1985
• Α. Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
• SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999
• Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982
• Πολυχρόνη Σ. Καραγκιοζίδη: Ονοματολογία οργανικών ενώσεων, Θεσσαλονίκη 1991, Έκδοση Β΄.
• Ν. Αλεξάνδρου, Α. Βάρβογλη, Δ. Νικολαΐδη: Χημεία Ετεροκυκλικών Ενώσεων, Θεσσαλονίκη 1985, Έκδοση Β΄.
• Δ. Νικολαΐδη: Ειδικά κεφάλαια Οργανικής Χημεία, Θεσσαλονίκη 1983.