Sacharidy. Biochemický ústav LF MU (E.T.) 2013

Transkript

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

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

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, antigeny) součásti nízkomolekulárních složek buňky (nukleosidy, nukleotidy, kofaktory) ribosa a deoxyribosa součásti nukleových kyselin 3

4 Glykomika, glykobiologie 4

5 Dělení sacharidů Monosacharidy ligosacharidy Polysacharidy (2-10 mono-) > 10 mono- cukr - souborné označení pro monosacharidy a oligosacharidy 5

6 Monosacharidy Aldosy ()n 2 Ketosy 2 ()n 2 Triosy tetrosy pentosy hexosy heptosy 6

7 Stereoisomerie a optická aktivita sacharidů V sacharidech se nachází centra chirality - chirální uhlíky 2 D-glukosa Asymetricky substituované uhlíky Uhlíky, na něž se váží různé substituenty Sacharidy existují ve formě stereoisomerů 7

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

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. 9

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

11 Kolik možných stereoisomerů lze odvodit od D-glukosy? 11

12 Příklady některých isomerních aldohexos (celkem 16 možných stereoisomerů) 2 2 Každý monosacharid má specifické uspořádání (konfiguraci) na chirálních centrech. 2 2 D-allosa L-glukosa D-glukosa D-mannosa Všechny uvedené monosacharidy mají stejnou konstituci, avšak liší se konfigurací 12

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

14 becné vzorce aldos a ketos ( ) n 2 ( ) n 2 2 ( ) n 2 2 ( ) n 2 D-aldosa L-aldosa D-ketosa L-ketosa 14

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

16 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(+) 16

17 Každý monosacharid* existuje ve dvou optických isomerech (antipodech, enantiomerech) 2 2 D-glukosa L!!!!!! na všech chirálních uhlících je opačná konfigurace *stejně jako i ostatní chirální sloučeniny) 17

18 ptické antipody (enantiomery) specifická dvojice stereoisomerů s opačnou konfigurací na všech chirálních centrech vztah jako předmět a jeho obraz v zrcadle 18

19 Enantiomery mají shodné chemické vlastnosti liší se znaménkem optické otáčivosti liší se biologickou a farmakologickou aktivitou Většina monosacharidů vyskytujících se u vyšších organismů má konfiguraci D. Enzymy zodpovědné za jejich metabolismus jsou specificky zaměřeny na tuto konfiguraci 19

20 D- a L-glukosa D-glukosa nejběžnější monosacharid u vyšších organismů sladká chuť je metabolizován L-glukosa u vyšších organismů nevzniká vyrábí se synteticky u vyšších organismů se neresorbuje ani nemetabolizuje sladká chuť byla navržena jako efektivní nízkokalorické sladidlo, avšak výrobní cena příliš vysoká 20

21 D-glukosa 2 D-glukosa?? D-glukosa? 2 Jak poznáme, zda se jedná o D-glukosu? 2 21

22 Strukturu monosacharidu musíme pozorovat a zakreslovat podle určitých dohodnutých pravidel 22

23 Fischerovy projekční vzorce pravidla pro určení konfigurace 1. uhlíkatý řetězec směřuje vertikálně 2. aldehydová skupina nahoře, hydroxymethyl dole 2 23

24 3. posuzujeme konfiguraci na každém chirálním uhlíku zvlášť 4. obě vazby tohoto řetězce směřují od pozorovatele 5. - a - vazby směřují horizontálně a směrem k pozorovateli 24

25 pak skupiny, které pozorujeme vlevo, zakreslíme ve vzorci vlevo a naopak 2 2 Bude procvičeno v praktickém cvičení na modelech 25

26 Genetická řada D-aldos 2 2 D-erythrosa 2 2 D-glyceraldehyd 2 2 D-threosa 2 D-ribosa D-arabinosa D-xylosa D-lyxosa D-allosa D-althrosa D-glukosa D-mannosa D-gulosaD-idosaD-galaktosa D-talosa

27 Názvosloví Triviální D-glukosa D-fruktosa dvozeny z řečtiny nebo z latiny, odkazují na původ nebo vlastnost Systematické (složité, nepoužívá se) Glukosa 6-(hydroxymethyl)oxan- 2,3,4,5-tetrol Arabinosa vyskytuje se v arabské gumě Glukosa řecky glykos, glykeros = sladký Gulosa obměna názvu glukosa Mannosa manna (biblický pokrm židů na poušti) 27

28 yklické formy monosacharidů Tvorba cyklických vnitřních poloacetalů v roztocích:??? Poloacetaly vznikají reakcí karbonylové skupiny aldehydů nebo ketonů s alkoholovou skupinou R R + R R R R 28

29 Vnitřní poloacetal: - i -= pochází z téže molekuly =...poloacetalový hydroxyl yklizace: 1 se stává chirálním atomem dva nové stereoisomery anomery ( a ) 29

30 Názvy cyklických forem zahrnují vyjádření typu cyklické struktury a formu anomeru Kruhy: šestičlenné pětičlenné pyranosy furanosy pyran 30

31 Anomery - anomer konfigurace na anomerním uhlíku stejná jako na konfiguračním uhlíku (u D-forem na 1 vpravo) - anomer konfigurace na anomerním uhlíku opačná než na konfiguračním uhlíku * * * * * 2 * * * * * 2 31

32 aworthovy projekční vzorce: α-d-glukopyranosa * * * * * Fischerova projekce aworthova projekce 32

33 Pravidla pro kreslení aworthových vzorců (zjednodušeně) eterocyklus znázorněn pěti- nebo šestiúhelníkem ležícím kolmo na rovinu papíru Anomerní uhlík je umístěn vpravo eteroatom 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 2 je u D-cukrů vždy nahoře

34 Další možné cyklické formy glukosy D-glukopyranosa -D-glukofuranosa

35 Vodný roztok D-glukosy za rovnováhy 36 % - D-glukopyranosy 62 % - D-glukopyranosy převažují cyklické formy < 0,5 % - D-glukofuranosy < 0,5 % - D-glukofuranosy < 0,02 % aldehydové formy Krystalizace z methanolu : z octové kyseliny z vody - D-glukopyranosa - D-glukopyranosa monohydrát D-glukosy 35

36 yklické formy fruktosy D-fruktofuranosa D-fruktosa D-fruktopyranosa 36

37 !!!!!! - a - formy (anomery) = diastereomery (ne enantiomery! ) (odlišné fyzikální vlastnosti) 37

38 Konformace pyranos 2 2 -D-glukopyranosa -D-glukopyranosa převažuje stabilnější židličková konformace cyklohexanu s skupinami ve výhodnějších ekvatoriálních polohách 38

39 Rozlišujte!!!! ptické 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 Anomery - cyklické formy určitého monosacharidu lišící se pouze konfigurací na anomerním uhlíku, jsou diastereomery 39

40 sacharidy Stereochemické vztahy mezi sacharidy (příklady) D-glukosa x L-glukosa D-glukosa x 14 aldohexos (kromě L-glukosy) vztah D-glukosa x D-galaktosa -D-glukopyranosa x -D-glukopyranosa Vybírejte z možností: epimer, diastereomer, anomer, enantiomer 40

41 Typické vlastnosti monosacharidů polární dobře rozpustné ve vodě neelektrolyty sladké Proč jsou monosacharidy rozpustné ve vodě? Proč jsou neelektrolyty? 41

42 Reakce monosacharidů Redukce Nejčastěji redukce karbonylové skupiny =

43 Redukce 2 Redukcí fruktosy vznikají dva alkoholy 2 D-glukosa +2 2 D-fruktosa 2 2 cukerné alkoholy (alditoly) 2 D-glucitol 2 D-mannitol 43

44 Glucitol (sorbitol), xylitol, mannitol, galaktitol umělá sladidla mají nižší energetickou hodnotu než sacharosa, ale stejný objem (tzv. objemná sladidla ) Sladká chuť specifická reakce s chuťovými receptory (3 receptory pro sladké sloučeniny) Jiná sladidla acesulfam K., aspartam, cyklamáty, sacharin, thaumatin, neohesperidin D Jsou to tzv. intenzivní sladidla (vysoká sladivost, nulová energetická hodnota, používají se v nepatrných množstvích ) 44

45 Relativní sladivost vztažená k sacharose Sacharidy Syntetická sladidla Sacharosa Glukosa Fruktosa Laktosa 1,0 0,5 1,5 0,3 D-Tagatosa a Glucitol Aspartam b Sacharin c Neotam d 0,95 0, a výskyt v přírodě, vyráběna polosynteticky z galaktosy b Aspartylfenylalanin-methylester (dipeptid) c Imid 2-sulfobenzoové kyseliny 45 d N-(3,3-dimethylbutyl)aspartylfenylalanin-methylester (dipeptid)

46 Polyolová metabolická dráha - přeměna glukosy na glucitol v některých buňkách NADP + + NADP + D-glukosa aldosareduktasa D-glucitol Při vysoké hladině glukosy v krvi proniká do některých buněk více glukosy a vzniká i větší množství D-glucitolu. Ten nemůže přecházet zpět a hromadí se (retina, čočka, nervová b.) Zvýšený osmotický tlak vyvolává poruchy buněk (diabetická katarakta, retinopatie, neuropatie) 46

47 xidace monosacharidů aldonová kyselina aldarová kyselina 2 uronová kyselina 47

48 2 1/2 2 U acyklické formy glukosy probíhá jako oxygenace (váže se ) Tvorba glukonové kyseliny 2 pk A =3,86 D-glukonová kyselina Barvivo E 579- (Glukonát železnatý) Ferrlecit ferri-natrii glukonas - antianemikum 48

49 Tvorba laktonu z acyklické formy glukonové kyseliny probíhá ve vodném roztoku glukonové kyseliny Laktony jsou intramolekulární estery vznikají reakcí mezi karboxylovou a alkoholovou skupinou v rámci jedné molekuly, odštěpuje se molekula vody 49

50 Lakton x poloacetal Srovnejte : - tvorba poloacetalu: adice, voda se neodštěpuje - tvorba laktonu: kondenzace, odštěpuje se voda 50

51 Glukonolakton vzniká též oxidací cyklické formy glukosy (probíhá jako dehydrogenace) probíhá v organismu 2-2 mírná oxidace 2 D-glukopyranosa D-glukono-1,5-lakton V organismu probíhá působením enzymu glukosa-6p-dehydrogenasy na glukosa- 6-fosfát. Reakce se uplatňuje v pentosovém cyklu a je jedním z hlavních zdrojů redukované formy NADP +. 51

52 Uronové kyseliny Dvojnásobná oxidace na uhlíku č V organismu vzniká oxidací cyklické formy glukosy (poloacetalová skupina je zachována) D-glukuronová kyselina 52

53 Redukující cukry snadná oxidace aldehydové nebo poloacetalové skupiny pozitivní reakce s Fehlingovým nebo Benediktovým činidlem /redukce u 2 +(modrá) na u 2 (oranžová)/ využívá se k důkazům cukrů + všechny monosacharidy a disacharidy s volnou poloacetalovou skupinou Benediktovo činidlo se připravuje smícháním roztoků síranu měďnatého (skalice modrá), citronanu sodného a uhličitanu sodného. itronan sodný má za úkol zabránit po smíchání vzniku sraženiny uhličitanu měďnatého. Měďnaté kationty se v alkalickém prostředí redukují na měďné. 53

54 Maillardova reakce neenzymová reakce monosacharidů s aminokyselinami a bílkovinami + 2 N 2 Protein R Glc 2 neenzymová reakce irreverzibilní N 2 Protein Amadoriho přesmyk 2 N 2 Protein R aldimin (labilní) R glykovaný protein ketoamin aminoderivát Fru Amadoriho produkty podléhají dalším přeměnám ( přesmyky, enolizace, 54 oxidace, propagace, síťování proteinů, tvorba heterocyklických produktů ad.)

55 Význam Maillardovy reakce Poprvé popsána Maillardem (1912) hnědnutí bílkovin při zahřívání s cukry Probíhá v živých organismech reakce glukosy s bílkovinami. Zvýšená tvorba produktů glykace nastává při diabetu. Vede k poškození bílkovin (advanced glycation endproducts AGE) V potravinách vyvolává zhnědnutí při pečení a smažení (reakce neenzymového zhnědnutí). Vyvolá žádoucí změny v chuti, barvě a vůni, ale i nežádoucí snížení nutriční hodnoty a tvorbu toxických a mutagenních látek Stanovení glykovaného hemoglobinu u diabetiků - slouží k zjištění glykemického profilu během cca 2 měsíců 55

56 Neenzymová glykace při diabetu Protein Protein Protein Protein Lys N D-glukosa hodiny Lys N 2 Schiffova báze dny Amadoriho přesmyk Lys N 2 2 Amadoriho produkt, ketomin týdny, měsíce dehydratace, kondenzace, oxidace, cyklizace, příčné síťování (crosslinking) Lys N + N Lys Protein AGE (advanced glycation endproducts)- vyvolává neuropatie, poruchy ledvin, zraku ad. 56

57 Příklady sloučenin vznikajících Maillardovou reakcí v potravinách 57

58 Jeden z produktů Maillardovy reakce je také akrylamid N 2 2 hcete vědět více?

59 Významné monosacharidy 59

60 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 2 60

61 Glukosa v potravinách Potravina Glukopur Rozinky b Med rozny b voce Glukosa (%) a a Průměrný obsah glukosy v hmotnostních procentech. b U diabetiků nutná velká opatrnost! 61

62 D - Galaktosa epimer glukosy - opačná konfigurace na -4 vázaná v laktose (disacharid) součást glykoproteinů, glykolipidů, proteoglykanů 2 62

63 D fruktosa ovocný cukr nejrozšířenější ketosa volná med,fruktosový sirup vázaná - v sacharose 63

64 D-ribosa a D - 2-deoxyribosa pentosy stavební jednotky nukleových kyselin 64

65 Deriváty monosacharidů Estery s kyselinou fosforečnou 2 glukosa-1-fosfát P P 2 glukosa-6-fosfát meziprodukty při metabolismu glukosy 65

66 P 2 2 P fruktosa-1,6-bisfosfát metabolismus glukosy 66

67 Aminocukry součást proteoglykanů a glykoproteinů 2 2 N 2 D-glukosamin (2-amino-2-deoxy-D-glukosa) N 3 N-acetylglukosamin bazický Proč???? nebazický 67

68 Kyselina L-askorbová 2,3-didehydrolakton L-gulonové kyseliny 2 Slabá dvojsytná kyselina pk A1 =4,17 pk A2 = 11,57 Proč je kyselá?? 68

69 dvození struktury kys. L-askorbové L- gulosa L-gulonová kyselina ,4-lakton L-gulonové kyseliny 2,3-didehydrolakton L- gulonové kyseliny 69

70 xidace kyseliny askorbové kyselina dehydroaskorbová kofaktor oxidoredukčních reakcí v organismu významný hydrofilní antioxidant Viz praktická cvičení 70

71 Sialové kyseliny 3 N 2 2 N 2 kyselina neuraminová kyselina N-acetylneuraminová Součást gangliosidů, glykoproteinů, proteoglykanů 71

72 dvození struktury kys. sialové fosfoenolpyruvát -P 2 3 N N 2 N-acetylmannosamin 2 3 N 2 kyselina N-acetylneu 72

73 Glykosidy Deriváty cyklických forem cukrů vznikající reakcí poloacetalového hydroxylu sacharidu : S alkoholovým nebo fenolovým hydroxylem jiné látky -glykosidy S N- skupinou jiné látky N-glykosidy 73

74 Vznik glykosidové vazby Methyl- -D-glukopyranosid glykosid vazba 74

75 N-glykosidová vazba N 2 N N N N 2 N N 2 N 2 N N N-glykosidová vazba adenosin guanosin 75

76 Názvosloví glykosidů odvozeno od názvu monosacharidu -glukosid, galaktosid,. zahrnuje typ anomeru: - D-glukosid - D-galaktosid 76

77 Typy glykosidů ologlykosidy vzájemná vazba monosacharidů glykosidovou vazbou eteroglykosidy ukerná složka (glykon) + necukerná složka (aglykon) oligosacharidy, polysacharidy Velmi rozšířené v přírodě 77

78 Příklad známého heteroglykosidu Digoxin Srdeční glykosid Působí jako kardiotonikum (váže se na Na + /K + - ATPasu myocytu) Digitalis purpurea digoxigenin digitosa digitosa digitosa 78

79 Flavonoidy rutin - Často se vyskytují ve formě glykosidů esperidin (z citrusů) 79

80 Disacharidy 80

81 Disacharidy spojení dvou monosacharidů glykosidovou vazbou a) Redukující disacharidy- jeden poloacetalový hydroxyl je zachován -1,4 glykosidová vazba Maltosa hydrolýza škrobu působením amylasy, klíčky obilnin (slad) Názvosloví : glykosylglykosa 4-- -D-glukopyranosyl- -D-glukopyranosa 81

82 ellobiosa Stavební jednotka celulosy 4-- -D-glukopyranosyl- -D-glukopyranosa 82

83 Laktosa Mléčný cukr 4-- -D-galaktopyranosyl- -D-glukopyranosa V tenkém střevě rozkládána laktasou na galaktosu a glukosu. Deficit laktasy: křeče, trávící potíže, průjmy po příjmu mléka laktosová intolerance 83

84 Výskyt laktosové intolerance v různých oblastech světa blast Výskyt v % Skandinávie Západní Evropa Jižní Evropa Jihozápadní Asie Indiáni Východní Evropa Střední Evropa Severní Afrika Východní Asie

85 Laktulosa Syntetický disacharid V tenkém střevě není enzymově štěpena, bakteriemi v tlustém střevě je rozkládána na organické kyseliny. Působí projímavě. 85

86 b) Neredukující disacharidy glykosidovou vazbu vytvoří oba poloaceatalové hydroxyly Sacharosa Řepný, třtinový cukr 2 Názvosloví: glykosylglykosid -D-fruktofuranosyl- -D-glukopyranosid 86

87 bsah sacharosy v potravinách Kolik váží kostka cukru? Menší kostka 4g ( 16 kcal, 68 kj) Větší kostka 6-8 g Potravina/nápoj oca-cola 1l 100% pomerančový džus 1l 25 kostek Red Bull 250 ml bsah cukrů vztažený na kostku cukru (4g) 27 kostek (1836 kj) 7 kostek 10 jahod 2 kostky Porce kečupu (17 g) Jogurt Activia jahodová Tyčinka Snickers 1 kostka 4 kostky 14 kostek 87

88 Reálná struktura sacharosy Rentgeno-strukturní (X-ray) analýza krystalového cukru z běžné obchodní sítě. 88