Sacharidy Biochemick stav LF MU E T 2008

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

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

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 3

Dělení sacharidů Monosacharidy Oligosacharidy (2 -10 mono-) Polysacharidy > 10 mono- cukr - souborné označení pro monosacharidy a oligosacharidy 4

Monosacharidy Aldosy Ketosy Triosy tetrosy pentosy hexosy heptosy 5

Stereoisomerie a optická aktivita sacharidů 6

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 7

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

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

H H O C H HO C H H C OH CH 2 OH C OH HO C H H C OH CH 2 OH D-glukosa O stereoisomer D-glukosy (jeden z možných) Počet stereoisomerů určité sloučeniny - 2 n n-počet chirálních center 10

Kolik možných stereoisomerů lze odvodit od D-glukosy ? 11

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

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

Obecné vzorce aldos a ketos 14

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

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

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

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

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

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(+) 20

Enantiomery glyceraldehydu CHO H C OH CH 2 OH D-glyceraldehyd L-glyceraldehyd 21

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

Strukturu monosacharidu musíme pozorovat a zakreslovat podle určitých dohodnutých pravidel 23

Fischerovy projekční vzorce – pravidla pro určení konfigurace 1. uhlíkatý řetězec HOC-C. . -CH 2 OH směřuje vertikálně 2. aldehydová skupina nahoře, hydroxymethyl dole 24

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 OH H 25

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

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

H O C H C OH CH 2 OH D-allosa H O C H C OH CH 2 OH D-althrosa H H HO H H C C C O OH H OH OH CH 2 OH D-glukosa H O C H HO C H H C OH CH 2 OH D-mannosa 28

Názvosloví Triviální D-glukosa D-fruktosa Systematické (složité, nepoužívá se) 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) 29

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

Vnitřní poloacetal: -OH i -C=O pochází z téže molekuly =O OH. . . . poloacetalový hydroxyl Cyklizace: C 1 se stává chirálním atomem dva nové stereoisomery – anomery ( a ) http: //www. stolaf. edu/people/giannini/flashanimat/carbohydrates/glucose. swf 31

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

- anomer – konfigurace na anomerním uhlíku stejná jako na konfiguračním uhlíku (u D-forem OH na C 1 vpravo) - anomer – konfigurace na anomerním uhlíku opačná než na konfiguračním uhlíku H *C O H H *C OH HO *C H H *C OH H *C O CH 2 OH 33

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

Pravidla pro kreslení Haworthových vzorců (zjednodušeně) O • 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 1 2 3 • 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 CH 2 OH 35

Další možné cyklické formy glukosy CH 2 OH OH C H O OH H C OH HO C H OH H C - D-glukopyranosa OH O OH CH 2 OH -D-glukofuranosa HO C H H C OH CH 2 OH HO C H O OH HO C H H C OH CH 2 OH H H OH 36

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 : - D-glukopyranosa z octové kyseliny - D-glukopyranosa 37

Cyklické formy fruktosy CH 2 OH C O HO C H H C OH CH 2 OH O HH OH OH -D-fruktofuranosa 2 OH CH 2 OH 1 H D-fruktosa -D-fruktopyranosa OH OH OH CH OH 1 2 38

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

Konformace pyranos H H CH 2 OH HO O O H HO H OH -D-glukopyranosa HO OH H -D-glukopyranosa převažuje stabilnější židličková konformace cyklohexanu s OH skupinami ve výhodnějších ekvatoriálních polohách 40

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 41

Typické vlastnosti monosacharidů • polární • dobře rozpustné ve vodě • neelektrolyty • sladké 42

Reakce monosacharidů • Redukce Nejčastěji redukce karbonylové skupiny + 2 H 43

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

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) 45

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

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: http: //www. 21 stoleti. cz/view. php? cisloclanku=2007061903 47

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

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

Tvorba glukonové kyseliny 1/2 O 2 U acyklické formy glukosy probíhá jako oxygenace (váže se O) D-glukonová kyselina 50

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

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) 52

Laktony kyseliny glukonové 53

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

• 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 55

„Redukující cukry“ snadná oxidace aldehydové nebo poloacetalové skupiny pozitivní reakce s Fehlingovým nebo Benediktovým činidlem /redukce Cu 2+(modrá) na Cu 2 O (oranžová)/ využívá se k důkazům cukrů + všechny aldosy a ketosy a disacharidy s volnou poloacetalovou skupinou 56

Významné monosacharidy 57

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 CH 2 OH OH 58

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

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

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

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

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

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

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

Deoxycukry struktura DNA 66

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

1 CHO Odvození struktury kys. L-askorbové COOH 2 HO C H H C OH HO C H CH OH H CH 2 OH 2 L- gulosa gulonová kyselina CH 2 OH CHOH O O 1 H H OH OH 1, 4 -lakton L-gulonové kyseliny O -2 H O OH OH 2, 3 -didehydrolakton L- gulonové kyseliny 68

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

Sialové kyseliny CH 3 H NH 2 CO O CHOH COOH CH 2 OH OH OH NH H O CHOH COOH CH 2 OH OH OH kyselina neuraminová kyselina N-acetylneuraminová Součást gangliosidů, glykoproteinů, proteoglykanů 70

Odvození struktury kys. sialové 71

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 72

Vznik glykosidové vazby Methyl- -D-glukopyranosid 73

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

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

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

Disacharidy 77

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

Cellobiosa CH 2 OH O OH H CH 2 OH 4 O 1´ OH OH OH Stavební jednotka celulosy 4 -O- -D-glukopyranosyl- -D-glukopyranosa 79

Laktosa CH 2 OH 4 O HO OH 1 O 1´ OH O H CH 2 OH Mléčný cukr H OH OH OH 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 80 intolerance

Výskyt laktosové intolerance v různých oblastech světa Oblast 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 10 -20 15 -50 70 -80 70 -100 81

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

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

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