Sacharidy  Biochemický ústav LF MU (E.T.) 2008.

Prezentace na téma: "Sacharidy  Biochemický ústav LF MU (E.T.) 2008."— Transkript prezentace:

1 Sacharidy  Biochemický ústav LF MU (E.T.) 2008

2 Sacharidy (glycidy) polyhydroxykarbonylové sloučeniny
(řecky ζάχαρη -sachari) = cukr uhlovodany, uhlohydráty, karbohydráty - nepoužívá se!!

3 Význam: všeobecně rozšířené látky, obsaženy ve všech buňkách
hlavní živina heterotrofů (60 % potravy člověka) - zdroj energie zdroj uhlíku pro syntézu buněčných složek zásoba energie v organismu (glykogen) strukturní složka (proteoglykany pojiva, glykoproteiny membrán) součásti signálních molekul (glykoproteiny jako receptory) součásti nízkomolekulárních složek buňky (nukleosidy, nukleotidy, kofaktory) ribosa a deoxyribosa součásti nukleových kyselin

4 Dělení sacharidů Monosacharidy Oligosacharidy Polysacharidy
cukr - souborné označení pro monosacharidy a oligosacharidy

5 Monosacharidy Ketosy Aldosy Triosy tetrosy pentosy hexosy heptosy

6 Stereoisomerie a optická aktivita sacharidů

7    V sacharidech se nachází centra chirality - chirální uhlíky
Asymetricky substituované uhlíky  Uhlíky, na něž se váží různé substituenty Sacharidy existují ve formě stereoisomerů D-glukosa

8 Stereoisomery konfigurací
Sloučeniny, které mají stejný strukturní vzorec, ale liší se prostorovým uspořádáním konfigurací

9 Konstituce X konfigurace
nezaměňujte Konstituce popisuje druh a pořadí atomů i vazeb v molekule bez ohledu na jejich prostorové uspořádání. Konfigurace vyjadřuje prostorové uspořádání atomů bez ohledu na rotaci kolem jednoduchých vazeb.

10 Počet stereoisomerů určité sloučeniny - 2n n-počet chirálních center
stereoisomer D-glukosy (jeden z možných) D-glukosa Počet stereoisomerů určité sloučeniny - 2n n-počet chirálních center

11 Kolik možných stereoisomerů lze odvodit od D-glukosy ?

12 Příklady některých isomerních aldohexos (celkem 16 možných stereoisomerů)
2 D-allosa L-glukosa D-glukosa D-mannosa Každý monosacharid má specifické uspořádání (konfiguraci) na chirálních centrech

13 Označování konfigurace monosacharidů pomocí symbolů D-a L-
2 Podle pozice OH a H na chirálním uhlíku s nejvyšším pořadovým číslem (= konfigurační atom) konfigurační atom D - cukry: na konfiguračním atomu leží –OH vpravo L- cukry: na konfiguračním atomu leží –OH vlevo

14 Obecné vzorce aldos a ketos

15 z označení D-, L- nelze vyvodit konfiguraci na ostatních chirálních centrech
(tu si musíme pro významnější monosacharidy pamatovat)

16 Každý monosacharid existuje ve dvou optických isomerech (antipodech, enantiomerech)
!!!!!! na všech chirálních uhlících je opačná konfigurace

17 Optické antipody (enantiomery)
specifická dvojice stereoisomerů s opačnou konfigurací na všech chirálních centrech vztah jako předmět a jeho obraz v zrcadle

18 Enantiomery mají shodné chemické vlastnosti
liší se znaménkem optické otáčivosti liší se biologickou a farmakologickou aktivitou

19 Většina monosacharidů vyskytujících se u savců má konfiguraci D
Enzymy zodpovědné za jejich metabolismus jsou specificky zaměřeny na tuto konfiguraci

20 Přítomnost chirálních uhlíků způsobuje optickou aktivitu sacharidů
roztoky mono- a oligosacharidů stáčejí rovinu polarisovaného světla směr optické otáčivosti nesouvisí se symboly D- a L- , sloučenina může být D(-), D(+), L(-) nebo L(+)

21 C H O H C O H C H O H Enantiomery glyceraldehydu D-glyceraldehyd
2 D-glyceraldehyd L-glyceraldehyd

22  Jak poznáme, zda se jedná o D-glukosu ? D-glukosa D-Glukosa ?
H C O 2 C O H 2 Jak poznáme, zda se jedná o D-glukosu ?

23 Strukturu monosacharidu musíme pozorovat a zakreslovat podle určitých dohodnutých pravidel

24 Fischerovy projekční vzorce – pravidla pro určení konfigurace
uhlíkatý řetězec HOC-C CH2OH směřuje vertikálně 2. aldehydová skupina nahoře, hydroxymethyl dole

25 O 3. posuzujeme konfiguraci na každém chirálním uhlíku zvlášť
4. obě vazby tohoto řetězce směřují od pozorovatele 5. C-H a C-OH vazby směřují horizontálně a směrem k pozorovateli H O

26 pak OH skupiny, které pozorujeme vlevo, zakreslíme ve vzorci vlevo a naopak
Bude procvičeno v praktickém cvičení na modelech

27 „Genetická“ řada D-aldos
glyceraldehyd C H 2 O erythrosa threosa H O H O H O H O C C C C H C O H H O C H H C O H H O C H H C O H H C O H H O C H H O C H H C O H H C O H H C O H H C O H C H O H 2 C H O H C H O H C H O H 2 2 2 D - ribosa D - arabinosa D - xylosa D - lyxosa

28 C O H 2 D-allosa D-althrosa D-glukosa D-mannosa

29 (složité, nepoužívá se)
Názvosloví Systematické (složité, nepoužívá se) Triviální D-glukosa D-fruktosa Odvozeny z řečtiny nebo z latiny, odkazují na původ nebo vlastnost Arabinosa – vyskytuje se v arabské gumě Glukosa – řecky glykos, glykeros = sladký Gulosa – obměna názvu glukosa Mannosa – manna (biblický pokrm židů na poušti)

30 Cyklické formy monosacharidů
Tvorba cyklických vnitřních poloacetalů v roztocích: ??? Poloacetaly vznikají reakcí karbonylové skupiny aldehydů nebo ketonů s alkoholovou skupinou

31 -OH i -C=O pochází z téže molekuly
Vnitřní poloacetal: -OH i -C=O pochází z téže molekuly =O  OH poloacetalový hydroxyl Cyklizace: C1 se stává chirálním atomem  dva nové stereoisomery – anomery ( a  )

32 Názvy cyklických forem zahrnují vyjádření typu cyklické struktury a formu anomeru
Kruhy: šestičlenné pyranosy pětičlenné furanosy

33 - anomer – konfigurace na anomerním uhlíku stejná jako na konfiguračním uhlíku
(u D-forem OH na C1 vpravo) - anomer – konfigurace na anomerním uhlíku opačná než na konfiguračním uhlíku H * C O H H O * C H * * H C O H H C O H * H O C H H O * C H * * H C O H H C O H * * H C O H C O C H O H C H O H 2 2  

34 Haworthovy projekční vzorce:
α-D-glukopyranosa * C O H 2 1 6 Fischerova projekce Haworthova projekce

35 Pravidla pro kreslení Haworthových vzorců (zjednodušeně)
Heterocyklus znázorněn pěti- nebo šestiúhelníkem ležícím kolmo na rovinu papíru Anomerní uhlík je umístěn vpravo Heteroatom kyslíku vzadu Směr číslování shodný s rotací hodinových ručiček Vazby, které jsou ve Fischerově projekci vlevo, směřují nad rovinu kruhu, vazby, které jsou vpravo směřují pod rovinu skupina je u D-cukrů vždy nahoře 1 2 3 CH2OH

36 Další možné cyklické formy glukosy
H C 2 O H C H  - D-glukopyranosa H C O H H O C H H C O H H C O C H O H O H 2 b -D-glukofuranosa H O C H C H 2 O H H C O H H O C H O O H H O C H H C O H O H H H C O H C H O H H O H 2

37 Vodný roztok D-glukosy za rovnováhy-
 36 % - D-glukopyranosy 62 % - D-glukopyranosy < 0,5 % - D-glukofuranosy < 0,5 % - D-glukofuranosy < 0,02 % aldehydové formy převažují cyklické formy Krystalizace z methanolu : - D-glukopyranosa z octové kyseliny - D-glukopyranosa

38 Cyklické formy fruktosy
H O H 2 C H 2 O H O O H b -D-fruktofuranosa C O 2 H H O C H H O H C H O H 2 H C O H 1 O H H H C O H C H 2 O D-fruktosa -D-fruktopyranosa O C H 2 1

39 !!!!!! - a - formy = diastereomery (ne enantiomery ! )
(odlišné fyzikální vlastnosti)

40 Konformace pyranos  -D-glukopyranosa b -D-glukopyranosa
H C 2  -D-glukopyranosa b -D-glukopyranosa převažuje stabilnější židličková konformace cyklohexanu s OH skupinami ve výhodnějších ekvatoriálních polohách

41 Rozlišujte!!!! Optické antipody (enantiomery): D- a L-forma téhož monosacharidu, liší se konfigurací na všech centrech Diastereomery – stereoisomery, které nejsou ve vztahu optických antipodů Epimery – diastereomery lišící se konfigurací na jediném chirálním C Anomery - cyklické formy určitého monosacharidu lišící se pouze konfigurací na anomerním uhlíku

42 Typické vlastnosti monosacharidů
polární dobře rozpustné ve vodě neelektrolyty sladké

43 Reakce monosacharidů Redukce Nejčastěji redukce karbonylové skupiny

44 Redukcí fruktosy vznikají dva alkoholy
 Redukce  H O Redukcí fruktosy vznikají dva alkoholy C C H O H 2 H C O H C O H O C H H O C H H C O H H C O H H C O H H C O H C H O H 2 C H O H 2 D-glukosa D-fruktosa cukerné alkoholy (alditoly) C H O H C H O H 2 2 H C O H H O C H H O C H H O C H H C O H H C O H H C O H H C O H C H O H C H O H 2 2 D-glucitol D-mannitol

45 Glucitol (sorbitol), xylitol, mannitol, galaktitol– umělá sladidla
mají nižší energetickou hodnotu než sacharosa, ale stejný objem (tzv. „objemná sladidla“) jiná sladidla: acesulfam K., aspartam, cyklamáty, sacharin, thaumatin, neohesperidin DC Jsou to tzv. „intenzivní sladidla“ (vysoká sladivost, nulová energetická hodnota, používají se v nepatrných množstvích ) Sladká chuť – specifická reakce s chuťovými receptory (3 receptory pro sladké sloučeniny)

46 Relativní sladivost vztažená k sacharose
Sacharidy Syntetická sladidla Sacharosa Glukosa Fruktosa Laktosa 1,0 0,5 1,5 0,3 Glucitol Aspartama Sacharinb Neotamc 180 550 8000 a Aspartylfenylalanin-methylester (dipeptid) b Imid 2-sulfobenzoové kyseliny c N-(3,3-dimethylbutyl)aspartylfenylalanin-methylester (dipeptid)

47 Proč kočky nesladí? Kočky ztratily 247 písmen genetického kódu z genu, podle kterého se syntetizuje jedna ze základních bílkovin pro chuťový receptor, reagující na cukry a sladidla. Na kočičím jazyku tak chybí podstatná část „antény“, kterou ostatní savci odhalují sladkou chuť potravy. Podle:

48 Polyolová metabolická dráha
- přeměna glukosy na glucitol v některých buňkách D-glukosa NADPH + H+ NADP+ aldosareduktasa D-glucitol Při diabetu se D-glucitol může hromadit v některých buňkách (retina, čočka, nervová b.) Zvýšený osmotický tlak vyvolává poruchy buněk (diabetická katarakta, retinopatie, neuropatie)

49 Oxidace monosacharidů
aldonová kyselina C C aldarová kyselina C C uronová kyselina C H O H 2

50 Tvorba glukonové kyseliny
D-glukonová kyselina U acyklické formy glukosy probíhá jako oxygenace (váže se O)

51 D-glukopyranosa D-glukono-1,5-lakton
Oxidace cyklické formy glukosy poskytuje glukonolakton (probíhá jako dehydrogenace) C H O H 2 -2H H O O H mírná O H oxidace H H O H O H D-glukopyranosa D-glukono-1,5-lakton V organismu probíhá působením enzymu glukosa-6P-dehydrogenasy. Reakce se uplatňuje v pentosovém cyklu a je jedním z hlavních zdrojů redukované formy NADP+.

52 Laktony laktony jsou „intramolekulární estery“
vznikají reakcí mezi karboxylovou a alkoholovou skupinou v rámci jedné molekuly, odštěpuje se molekula vody (srovnejte : - tvorba poloacetalu: adice, voda se neodštěpuje - tvorba laktonu: kondenzace, odštěpuje se voda)

53 Laktony kyseliny glukonové

54 Uronové kyseliny Oxidace na posledním uhlíku (oxygenace)
vytváří poloacetalové formy (aldehydová skupina je zachována) C O H D-glukuronová kyselina O H C

55 v organismu vzniká glukuronová kyselina oxidací glukosy, která je nejprve aktivována vazbou na UDP
vzniklý UDP-glukuronát je aktivní formou glukuronové kyseliny a je využíván při syntéze proteoglykanů nebo při konjugačních reakcích -COOH UDP-glukosa

56 „Redukující cukry“ snadná oxidace aldehydové nebo poloacetalové skupiny  pozitivní reakce s Fehlingovým nebo Benediktovým činidlem /redukce Cu2+(modrá) na Cu2O (oranžová)/ využívá se k důkazům cukrů + všechny aldosy a ketosy a disacharidy s volnou poloacetalovou skupinou

57 Významné monosacharidy

58 • nejrozšířenější v přírodě „hroznový cukr“
D – Glukosa • nejrozšířenější v přírodě „hroznový cukr“ stavební jednotka škrobu, glykogenu, celulosy • koncentrace v krvi 3,3-5,5 mmol/l je velmi striktně regulována O H C 2

59 Glukosa v potravinách Potravina Glukosa (%)a Glukopur Rozinkyb Med
Hroznyb Ovoce 100 50 30 6-10 1-5 a Průměrný obsah glukosy v hmotnostních procentech. b U diabetiků nutná velká opatrnost!

60 • epimer glukosy - opačná konfigurace na C-4
D - Galaktosa • epimer glukosy - opačná konfigurace na C-4 • vázaná v laktose (disacharid) součást glykoproteinů, glykolipidů, proteoglykanů O H C 2

61 • nejrozšířenější ketosa • volná - med • vázaná - v sacharose
D – fruktosa • „ovocný cukr“ • nejrozšířenější ketosa • volná - med • vázaná - v sacharose O H C 2

62 • pentosy D-ribosa a D - 2-deoxyribosa
• stavební jednotky nukleových kyselin O H

63 Deriváty monosacharidů
Estery  s kyselinou fosforečnou O H C 2 P glukosa-6-fosfát glukosa-1-fosfát O H C 2 P H H meziprodukty při metabolismu glukosy

64 O H 2 C P fruktosa-1,6-bisfosfát OH metabolismus glukosy

65 Aminocukry D-glukosamin N-acetylglukosamin (2-amino-2-deoxy-D-glukosa)
H N 2 C C H O H O H N C 3 2 D-glukosamin N-acetylglukosamin (2-amino-2-deoxy-D-glukosa) součást proteoglykanů a glykoproteinů

66 Deoxycukry struktura DNA

67 Kyselina L-askorbová 2,3-didehydrolakton L-gulonové kyseliny
C H O H 2 C H O H O O OH O H slabá dvojsytná kyselina

68 Odvození struktury kys. L-askorbové
1 C H O C O O H Odvození struktury kys. L-askorbové H O C H 2 H O C H H O C H H O C H H C O H H C O H H O C H H O C H C H O H C H O H 2 2 L- gulosa gulonová kyselina C H O H 2 C H O H 2 C H O H C H O H O O -2H O O 1 H H O H O H O H O H 1,4-lakton L-gulonové kyseliny 2,3-didehydrolakton L- gulonové kyseliny

69 Oxidace kyseliny askorbové
H O H 2 C H O H 2 C H O H C H O H O - 2H O O O O O O H O H kyselina dehydroaskorbová kofaktor oxidoredukčních reakcí v organismu významný hydrofilní antioxidant Viz praktická cvičení

70 Sialové kyseliny kyselina neuraminová kyselina N-acetylneuraminová
H 3 H C O H O N H O 2 C H O H C O O H N H C H O H C O O H C H O H C H O H C H O H O H 2 C H O H O H 2 O H O H kyselina neuraminová kyselina N-acetylneuraminová Součást gangliosidů, glykoproteinů, proteoglykanů

71 Odvození struktury kys. sialové

72 Glykosidy Deriváty cyklických forem cukrů vznikající reakcí poloacetalového hydroxylu sacharidu : S alkoholovým nebo fenolovým hydroxylem jiné látky O-glykosidy S NH- skupinou jiné látky N-glykosidy

73 Vznik glykosidové vazby
Methyl--D-glukopyranosid

74 Názvosloví glykosidů odvozeno od názvu monosacharidu
glukosid, galaktosid, …………. zahrnuje typ anomeru: - D-glukosid - D-galaktosid

75 oligosacharidy, polysacharidy Heteroglykosidy
Typy glykosidů Hologlykosidy vzájemná vazba monosacharidů glykosidovou vazbou oligosacharidy, polysacharidy Heteroglykosidy Cukerná složka (glykon) + necukerná složka (aglykon) Velmi rozšířené v přírodě

76 Příklad známého heteroglykosidu
Digoxin Srdeční glykosid Působí jako kardiotonikum (váže se na Na+/K+-ATPasu myocytu) Digitalis purpurea digoxigenin digitosa digitosa digitosa

77 Disacharidy

78 Disacharidy – spojení dvou monosacharidů glykosidovou vazbou
a) Redukující disacharidy- jeden poloacetalový hydroxyl je zachován -1,4 glykosidová vazba Maltosa O H C 2 a 1 4 hydrolýza škrobu, klíčky obilnin (slad) Názvosloví : “glykosylglykosa” 4-O--D-glukopyranosyl- -D-glukopyranosa

79 Cellobiosa b ´ b 4-O- -D-glukopyranosyl- -D-glukopyranosa
H O H 2 b O H C 2 1 4 O H Stavební jednotka celulosy b 4-O-  -D-glukopyranosyl-  -D-glukopyranosa

80 Laktosa Mléčný cukr 4-O--D-galaktopyranosyl--D-glukopyranosa b a ´
H C 2 1 4 C H O H H O 4-O--D-galaktopyranosyl--D-glukopyranosa V tenkém střevě rozkládána laktasou na galaktosu a glukosu. Deficit laktasy: křeče, trávící potíže, průjmy po příjmu mléka – laktosová intolerance

81 Výskyt laktosové intolerance v různých oblastech světa
Výskyt v % Skandinávie Západní Evropa Jižní Evropa Jihozápadní Asie Indiáni Východní Evropa Střední Evropa Severní Afrika Východní Asie 1-5 10-20 50-80 25 60-10 15-50 70-80 70-100

82 Syntetický disacharid
                            Lactulose                             Lactulose                             Lactulose                             Lactulose Laktulosa Syntetický disacharid V tenkém střevě není enzymově štěpena, bakteriemi v tlustém střevě je rozkládána na organické kyseliny. Působí projímavě.

83 Sacharosa Řepný cukr -D-fruktofuranosyl--D-glukopyranosid
b) Neredukující disacharidy – glykosidovou vazbu vytvoří oba poloaceatalové hydroxyly Sacharosa Řepný cukr 2 Názvosloví: “glykosylglykosid” -D-fruktofuranosyl--D-glukopyranosid

84 Reálná struktura sacharosy
Rentgeno-strukturní (X-ray) analýza krystalového cukru z běžné obchodní sítě.