Struktura sacharidů a nukleových kyselin Ústav lékařské chemie a klinické biochemie 2. LF UK a FN Motol Matej Kohutiar

Osnova přednášky I.Struktura sacharidů 1. Monosacharidy Reakce sacharidů 2. Oligosacharidy 3. Polysacharidy 4. Komplexní sacharidy II. Struktura nukleových kyselin 1.Základní komponenty nukleových kyselin 2.Nukleosidy a nukleotidy 3.Struktura řetězce DNA 4.RNA

I. Struktura sacharidů

Sacharidy Polyhydroxaldehydy a polyhydroxyketony s minimálně 3 uhlíky v řetězci Podle počtu cukerných jednotek: Monosacharidy Oligosacharidy (2-10) Polysacharidy Složené (komplexní) sacharidy Definice a klasifikace sacharidů.

Struktura monosacharidů Sacharidy obsahují aldehydickou (aldosy) nebo ketonickou (ketosy) funkční skupinu v molekule. Pokud se hydroxylová skupina na předposledním uhlíku nachází vpravo, jedná se o D-sacharid. Pokud je vlevo, jedná se o L-sacharid.

Chirální uhlíky Chirální uhlík je uhlík, na který jsou navázány 4 různé substituenty. V našem případě je uhlík chirální, protože je ve vazbě s H, F, Br a Cl. Chirální znamená, že molekula existuje ve 2 enantiomorfních podobách, vzájemně se lišících prostorovou konfigurací. Jsou ve vztahu zrcadlení a nejsou žádnou operací symetrie stotožnitelné. Jsou asymetrické. Stáčí rovinu polarizovaného světla opačným směrem (pravo a levotočivé izomery).

Chirální uhlíky

Chirální uhlíky Fischerův vzorec sacharidu (uhlíky se nachází v oblasti „křížení“)

Chirální uhlíky Stereochemické znázornění vazeb. Vazby, které jsou zobrazeny plnou čárou se nachází v rovině. Vazby klínovité se nachází před rovinou a vazby přerušované za rovinou molekuly. Musíme pamatovat na fakt, že vzorce v 2D zobrazení často zkreslují- molekula není planární, ale všechny uhlíky (kromě uhlíku aldehydického) jsou v hybridním stavu sp3. To znamená, že reálně je vazebný úhel 104,9 st.

Chirální uhlíky Sacharid na obrázku obsahuje celkem 5 chirálních uhlíku.

Chirální uhlíky Na obrázku jsou uvedeny 4 různé substituenty na 2. uhlíku v molekule sacharidu. Pamatujme na to, že za substituent se považuje celý „zbytek“ molekuly vázaný na chirální uhlík (červená).

Chirální uhlíky

Chirální uhlíky Substituenty na 4. uhlíku.

Struktura monosacharidů D-glyceraldehyd Řada monosacharidů je odvozena od nejjednoduššího D-glyceraldehydu. (1 chirální uhlík). Tetrosy obsahují 2 chirální uhlíky. Vznikají přidáním jednoho uhlíku do řetězce. Skupina OH může být vpravo nebo vlevo. Proto existují 2 tetrosy a ne víc: erytrosa a treosa. Obecně platí, že celkový počet isomerů je dán van´t Hoffovým vztahem 2n, kde n je počet chirálních uhlíků. Tetrosy mají 2 chirální uhlíky, proto počet všech isomerů je 4. Polovina je konfigurace D- a polovina L-. Tedy 2 různé tetrosy. V pŕípadě hexos (glukosa…): celkem 4 chirální uhlíky. Celkový počet isomerů: 24=16. Polovina (tedy 8) je konfigurace D a polovina konfigurace L. jak uvidíme v přehledu, možných uspořádání v případě hexos je 16 (resp. 8 různch hexos). D-erytrosa D-treosa

Struktura monosacharidů D-erytrosa Podobně lze odvodit strukturu pentos: ribosa a arabinosa. D-ribosa D-arabinosa

Struktura monosacharidů D-treosa Od treosy odvozené: xylosa a lyxosa. D-lyxosa D-xylosa

Struktura monosacharidů D-lyxosa D-ribosa Pŕehled pentos: mnemotechnická pomůcka pro zapamatování: RAXL. Mění se konfigurace na 1. a 2. uhlíku. Pro D-formy platí: R: ribosa: C1+C2 napravo A:arabinosa: C1 vlevo X: xylosa: C2 vlevo L:lyxosa: C1+C2 nalevo D-xylosa D-arabinosa

Struktura monosacharidů D-allosa D-talosa D-glukosa D-idosa Hexosy. D-gulosa D-manosa D-altrosa D-galaktosa

Struktura monosacharidů Žlutě vyznačené části molekuly jsou ty, které jsou pro hexosy společné. Mění se pouze konfigurace na středové „vidlici“. Hexosu zredukujeme na vidlici.

Struktura monosacharidů D-manosa Geometrické zobrazení vidlic všech hexos. Není těžké si je zapamatovat, protože se jedná pouze o různé kombinace a zrcadlové obrazy. Žlutě vyznačené sacharidy, které musíme na 100% umět. D-glukosa D-galaktosa

Struktura monosacharidů ketosy dihydroxyaceton D-ribulosa D-fruktosa D-xylulosa

Struktura monosacharidů Cyklizace allosy, vznik hemiacetalu. Uprostřed Tollensova cyklická forma. Vpravo Haworthova projekce. D-allosa D-allosa α-D-allopyranosa

Struktura monosacharidů Do vyznačených míst se dolní pozice OH skupin podle typu hexosy.

Struktura monosacharidů V krystalickém stavu výhradně cyklické struktury (α-, β-anomery) Rovnováha mezi jednotlivými formami. Mutarotace-změna konfigurace sacharidu ve vodném roztoku v čase.

Reakce sacharidů Redoxní reakce Esterifikace Tvorba glykosidů

Redoxní reakce sacharidů Aldehydická skupina glukosy může být redukována na OH skupinu. Podobně, ketonická skupina C=O fruktosy je redukována na alkohol. Ve výsledku vzniká z glukosy i fruktosy stejný alkohol D-glucitol. D-glukosa D-glucitol D-fruktosa

Redoxní reakce sacharidů D-glukosa Oxidovat se může aldehydická (C1) i primární hydroxylová skupina (C6) Oxidace může být selektivní, nebo úplná (kys. Dusičná) Kyselina D-glukonová Kyselina D-glukuronová Kyselina D-glukarová

Redoxní reakce sacharidů D-glukosa Vzorce produktů oxidace v Haworthově projekci, jak se s nimi častěji setkáváme. Kyselina D-glukuronová δ-glukonolakton

Esterifikace D-glukosa D-glukosa-6-fosfát Esterifikace glukosy v pozici C6 kyselinou fosforečnou. Fyziologicky významný glukosa-6-fosfát D-glukosa D-glukosa-6-fosfát

Tvorba glykosidů D-glukosa α-metyl-D-glukopyranosid Vznik glykosidické vazby. Charakteristické pro oligo a polysacharidy. V uvedeném případě reakce s metanolem za vzniku metylglukopyranozidu. D-glukosa α-metyl-D-glukopyranosid

Deriváty monosacharidů deoxycukry a aminocukry Substituce aminoskupinou, nebo eliminace O z molekuly (deoxycukry) N-acetylglukosamin 2-deoxy-D-ribosa

Oligosacharidy Obsahují 2-10 monosacharidových jednotek spojených glykosidickou vazbou Homo/heteroglykosidy Redukujici neredukujici

Oligosacharidy maltosa sacharosa laktosa Významné oligosacharidy. Struktura a uspořádání glykosidických vazeb. Musíme si pamatovat složení. laktosa

Polysacharidy Obsahují více než 10 monosacharidových jednotek Homo/heteropolysacharidy Lineární a cyklické polysacharidy Větvené a nevětvené polysacharidy Pentosany, hexosany…

Polysacharidy rostlin škrob Struktura amylosy Struktura amylosy (20% ve škrobu) je helikální. Na obrázku glukosové jednotky spojené alfa 1-4 glykosidickou vazbou. redukující konec neredukující konec http://bioanalyse.wikispaces.com/Homopolysaccharider

Polysacharidy rostlin škrob Struktura amylopektinu postranní řetězec Struktura amylopektinu (80% škrobu) je rozvětvená. hlavní řetězec http://bioanalyse.wikispaces.com/Homopolysaccharider

Polysacharidy živočichů glykogen V glykogenu je vázaná glukosa stejným typem vazeb, ale struktura je jiná. Vlevo PAS pozitivní rce jaterní tkáně. http://www.namrata.co/glycogen-metabolism-subjective-questions-solved-set-1/ http://dstgroupproject.weebly.com/periodic-acid-schiffdiastase.html

Složené polysacharidy Kyselina hyaluronová Chondroitin-4-sulfát Příklady složených sacharidů. https://wikispaces.psu.edu/display/230/The+Organization+of+Cells+in+Tissue-+The+Extracellular+Matrix,+Cell+Junctions+and+Cell+Adhesion Kyselina sialová

II. Struktura nukleových kyselin

Sacharidy vyskytující se v nukleových kyselinách β-D-ribofuranosa 2-deoxy-β-D-ribofuranosa

Heterocykly vyskytující se v nukleových kyselinách pyrimidin purin Báze odvozené od purinu a pyrimidinu vyskytující se v NK. uracil cytosin adenin guanin thymin

Keto-enolová a amino-imino tautomerie

Nukleosidy Nukleosid: báze+cukr adenosin thymidin

Konformace β-N-glykosidické vazby N glykosidicka vazba, konformace. Výhodnější je anti konformace (vlevo). guanosin adenosin

Nukleotidy Nukleotid: báze+cukr+fosfát (tzn ester) adenosinmonofosfát

Nukleotidy fosfoanhydridová vazba Fosfoanhydridová vazba v nukleotidu adenosintrifosfát

Fyziologicky významné nukleotidy (NAD+/NADH, FAD/FADH2)

Fyziologicky významné nukleotidy cAMP cGMP Příklady významných nukleotidů SAM

Syntetická analoga nukleotidů 5-iodo-2-deoxyuridin 6-azauridin Syntetická analoga: využívaná ve farmakologické léčbě nádorových onemocnění. 6-merkaptopurin allopurinol

Struktura řetězce DNA Struktura řetězce 5´- 3´

Stabilizace bázových párů Vodíkové můstky mezi komplementárními bázemi.

Chargaffova pravidla Množství A se rovná množství T. Podobně, množství G se rovná množství C. Důvodem je komplementarita bází.

Konformace DNA Různé typy konformace DNA. Nativní je B-DNA (watson-crickovská). http://www.biologyexams4u.com/2012/11/different-forms-of-dna.html#.VDZBrsVdVRo

Schéma B-formy DNA malý žlábek Morfologie DNA velký žlábek

Síly stabilizující strukturu nukleových kyselin Denaturace a renaturace Hydrofobní interakce Elektrostatické interakce http://dspace.jorum.ac.uk/xmlui/bitstream/handle/10949/956/Items/S377_1_section5.html http://www.atdbio.com/content/53/DNA-duplex-stability

Síly stabilizující strukturu nukleových kyselin Denaturace a renaturace Hydrofobní interakce Elektrostatické interakce Tm-teplota tání DNA. Pod Tm je DNA dvoušrobovicová, nad Tm dochází k rozvolnění struktury. Pokud je roztok obsahující DNA ochlazen pod Tm, je DNA schopna renaturace (pokud nedošlo k poškození DNA vysokou teplotou)-obnovení původní struktury. Obrázek: hydrofobní interakce a stohování dusíkatých báz. Strukturu DNA stabilizují hydrofobní interakce. Elektrostatické i: přítomnost iontů zvyšuje Tm (tedy odolnost) Tm závisí na podílu G+C. Čím vyšší podíl G+C, tím víc vodíkových můstků, tím vyšší teplota je nutná pro denaturaci http://dspace.jorum.ac.uk/xmlui/bitstream/handle/10949/956/Items/S377_1_section5.html http://www.atdbio.com/content/53/DNA-duplex-stability

RNA mRNA tRNA rRNA snRNA … uracil ribóza Typy RNA. Uracil a ribosa. Dole obrázek jednovláknové RNA. http://www.broadinstitute.org/blog/five-questions-david-root-rna-interference-explained

Stabilita RNA RNA není odolná vůči alkalické hydrolýze na rozdíl od DNA.

mRNA Velká variabilita molekuly Přepis začíná od 5´-konce 3´-konec: polyA (20-250) Čepkování mediátorové RNA. Popis. čepička

tRNA Malá molekula (73-95) 3´-konec: CCA Alespoň 1 tRNA pro aminokyselinu Tvar tRNA http://www.wiley.com/college/boyer/0470003790/structure/tRNA/trna_intro.htm

rRNA Většina buněčné RNA Katalytická aktivita rRNA a ribozom http://cronodon.com/BioTech/Ribosomes.html