Struktura sacharidů a nukleových kyselin

Prezentace na téma: "Struktura sacharidů a nukleových kyselin"— Transkript prezentace:

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

2 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

3 I. Struktura sacharidů

4 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.

5 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.

6 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).

7 Chirální uhlíky

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

9 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.

10 Chirální uhlíky Sacharid na obrázku obsahuje celkem 5 chirálních uhlíku.

11 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).

12 Chirální uhlíky

13 Chirální uhlíky Substituenty na 4. uhlíku.

14 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

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

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

17 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

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

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

20 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

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

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

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

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

25 Reakce sacharidů Redoxní reakce Esterifikace Tvorba glykosidů

26 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

27 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

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

29 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

30 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

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

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

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

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

35 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

36 Polysacharidy rostlin škrob
Struktura amylopektinu postranní řetězec Struktura amylopektinu (80% škrobu) je rozvětvená. hlavní řetězec

37 Polysacharidy živočichů
glykogen V glykogenu je vázaná glukosa stejným typem vazeb, ale struktura je jiná. Vlevo PAS pozitivní rce jaterní tkáně.

38 Složené polysacharidy
Kyselina hyaluronová Chondroitin-4-sulfát Příklady složených sacharidů. Kyselina sialová

39 II. Struktura nukleových kyselin

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

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

42 Keto-enolová a amino-imino tautomerie

43 Nukleosidy Nukleosid: báze+cukr adenosin thymidin

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

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

46 Nukleotidy fosfoanhydridová vazba
Fosfoanhydridová vazba v nukleotidu adenosintrifosfát

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

48 Fyziologicky významné nukleotidy
cAMP cGMP Příklady významných nukleotidů SAM

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

50 Struktura řetězce DNA Struktura řetězce 5´- 3´

51 Stabilizace bázových párů
Vodíkové můstky mezi komplementárními bázemi.

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

53 Konformace DNA Různé typy konformace DNA. Nativní je B-DNA (watson-crickovská).

54 Schéma B-formy DNA malý žlábek Morfologie DNA velký žlábek

55 Síly stabilizující strukturu nukleových kyselin
Denaturace a renaturace Hydrofobní interakce Elektrostatické interakce

56 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

57 RNA mRNA tRNA rRNA snRNA … uracil ribóza
Typy RNA. Uracil a ribosa. Dole obrázek jednovláknové RNA.

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

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

60 tRNA Malá molekula (73-95) 3´-konec: CCA Alespoň 1 tRNA pro
aminokyselinu Tvar tRNA

61 rRNA Většina buněčné RNA Katalytická aktivita rRNA a ribozom