2. SZÉNHIDRÁTOK 2.1. A legfontosabb D-sorbeli aldózok és ketózok

Átírás

1 2. SZÉNIDRÁTK 2.0. Bevezetés A szénhidrátok a Földön található szerves anyagok közül a legnagyobb mennyiségben fordulnak elı. Szerepük egyrészt az élı szervezetek energiaháztartásában van. A növények a tartaléktápanyagot többnyire keményítı, míg az állati szervezetek glikogén formájában tárolják. Ezekbıl a szénhidrát-polimerekbıl szénhidrát tartalmú lebomlási intermedierek képzıdnek. Foszforilezett szénhidrátok vannak számos koenzimben (pl.: ATP). Az információtárolásban és átadásban döntı szerepet játszó RNS és DNS szerkezeti elemei is tartalmaznak szénhidrátot (ribóz, dezoxiribóz). Baktériumok, növényi sejtek sejtfalát szintén szénhidrátok, vagy szénhidrátszármazékok építik fel. Az ízeltlábúak külsı vázanyaga, a kitin is poliszacharid. Fehérjékhez és lipidekhez kötve a sejtmembrán részei. A szénhidrátoknak szerepük van a sejtfelismerésben, pl. a megtermékenyítéskor a sperma a petesejtet a külsı oligoszacharidjáról ismeri fel, vagy a limfociták (nyiroksejtek) is ennek alapján ismerik fel a fertızı baktériumokat és/vagy a vakcinát A legfontosabb D-sorbeli aldózok és ketózok A természetben elıforduló D-sorbeli aldózokat a D-(+)-glicerinaldehidbıl vezetjük le (2.1. ábra). A természetes ketózokat a dihidroxiacetonból vezethetjük le. A 3-as szénatomon (a számozás a szimmetria miatt önkényes) a két hidrogénatom enantiotóp. a a pro-(r)- hidrogént egy -C 2 csoportra cseréljük, úgy a D-eritrulózhoz jutunk. Ebbıl származtathatjuk le az összes többi, a természetben elıforduló ketózt. (2.2. ábra) Konformációs és tautomer egyensúlyok a legfontosabb aldózok és ketózok esetében: A szénhidrátok vizes oldatban győrős félacetált képeznek A karbonilcsoporton így kialakuló aszimmetriacentrum miatt α- és β-anomerek keveréke képzıdik. A szénhidrát szerkezetétıl függıen a két anomer a vizes oldatban a nyíltláncú alakon keresztül egymásba átalakulhat, így egyensúlyi elegy képzıdik. Az öt- és hatszénatomos szénhidrátoknál mód 41

2 van öt- vagy hattagú győrős félacetál, furanóz vagy piranóz szerkezet kialakulására. Így az egyensúlyban ezek is megjelennek. trióz: C C 2 tetrózok: C D-(+)-glicerinaldehid (R)-glicerinaldehid C C 2 C 2 pentózok: D-( )-eritróz (2R,3R)- D-( )-treóz (2S,3R)- C C 2 C C 2 D-( )-ribóz D-( )-arabinóz D-(+)-xilóz D-( )-lixóz (2R,3R,4R)- (2S,3R,4R)- (2R,3S,4R)- (2S,3S,4R)- hexózok: C C 2 C C 2 C C 2 C C 2 C C 2 C C 2 D-(+)-allóz D-( )-altróz D-(+)-glükóz D-(+)-mannóz D-(+)-gulóz D-(+)-idóz D-(+)-galaktóz D-(+)-talóz (2R,3R,4R,5R)- (2S,3R,4R,5R)- (2R,3S,4R,5R)- (2S,3S,4R,5R)- (2R,3R,4S,5R)- (2S,3R,4S,5R)- (2R,3S,4S,5R)- (2S,3S,4S,5R)- C C 2 C C 2 C C 2 C C Ábra. A D-sorba tartozó aldózok szerkezete A továbbiakban a leggyakrabban elıforduló szénhidrátok egyensúlyait tekintjük át ( ábrák). Az ábrázolásban mind a sík (aworth-féle), mind pedig a valóságos térbeli elrendezıdést jobban érzékeltetı szék konformációkat is feltüntetjük. 42

3 tetrulózok: pentulózok: pro(s) pro(r) C 2 dihidroxiaceton C 2 C 2 D-eritrulóz (3R)- C 2 C 2 hexulózok: C 2 C 2 C 2 C 2 D-ribulóz (3R,4R)- C 2 C 2 C 2 D-xilulóz (3S,4R)- D-pszikóz D-fruktóz D-szorbóz D-tagatóz (3R,4R,5R)- (3S,4R,5R)- (3R,4S,5R)- (3S,4S,5R) Ábra. A D-sorba tartozó ketózok szerkezete C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 A D-( )-ribóz noha vizes oldatban zömmel piranóz formában van, a koenzimekben (pl. ATP) és a ribonukleinsavakban β-furanóz formában képez N-glikozidokat. C C β-piranóz α-piranóz β-furanóz α-furanóz 56% 20% 18% 6% Ábra. D-( )-ribóz tautomer egyensúlya + 43

4 Ábra. D-( )-ribóz β-piranóz forma C1 konformációja A β-furanóz formának két konformere van, amelyekben az C-4 C-1 atomok által meghatározott síkból vagy a C-2, vagy a C-3 atom emelkedik ki. A D-( )-arabinóz vizes oldatban kizárólag β-piranóz formában van, és az egyensúly az 1C konformáció irányába van eltolva. Ez a monoszacharid a baktériumok sejtfalában fordul elı, L-anomerje növényi glikoproteinek alkotórésze. C C 2 β-piranóz C1 1C Ábra. D-( )-arabinóz tautomer egyensúlya A D-(+)-xilóz fıleg poliszacharidként (xilán) fordul elı, pl. a kukoricacsutkában. C C 2 β-piranóz C Ábra. D-(+)-xilóz tautomer egyensúlya A D-( )-lixóz fıleg α-piranóz formában fordul elı, az ábrán nem szereplı β-piranóz forma 30%-ban van jelen. 44

5 C C 2 α-piranóz C1 1C 70% Ábra. D-( )-lixóz α-piranóz forma tautomer egyensúlya A D-glükóz a leggyakrabban elıforduló szénhidrát. Polimerjei a keményítı és a cellulóz, a természetben a legnagyobb mennyiségben képzıdı biopolimerek (l. késıbb). A D-galaktóz a laktóz nevő diszacharid egyik komponense, ami a tejben fordul elı jelentıs mennyiségben (l. késıbb) Aldóz ketóz átalakulás a szénhidrátok körében Aldózok híg lúg hatására kémiai úton is ketózokká alakíthatók. C C C C C C 2 glükóz + (Z)-éndiol mannóz (E)-éndiol C 2 C 2 C 2 fruktóz 45

6 Attól függıen, hogy a transz- vagy cisz-éndiol képzıdik, a termék protonálódással ketózzá vagy az izomer aldózzá alakul vissza. A cukorfoszfátok a megfelelı izomeráz enzim hatására hasonló átalakulást szenvednek Cukorszármazékok A cukorszármazékok jelentıs részét glikozidok, éterek, észterek, ónsavak, uronsavak stb. a Szerves Kémia * tárgy keretében részletesen tárgyaltuk. Ebben a fejezetben csak az egyéb, biokémiai szempontból jelentıs származékokkal foglalkozunk Cukorfoszfátok A cukorfoszfátoknak jelentıs szerepük van mind a szénhidrátok felépítésében, mind lebontásában. A fotoszintézisben a C 2 megkötésében játszanak szerepet. A ribulóz-1,5- -biszfoszfát (1) C 2 megkötéssel egy hatszénatomos cukorfoszfáttá, 2-karboxi-3-oxo-D- -arabitinol-1,5-biszfoszfáttá (3) alakul, ami víz hatására nagyon gyors reakcióban két mól glicerinsav-3-foszfátot eredményez. A reakció erısen exoterm. ( G = 51,9 kj/mól) és az ún. ribulóz-1,5-biszfoszfát-karboxiláz/oxidáz (röviden rubiszko) nevő enzim katalizálja. C 2 P 3 C 2 P 3 +C 2 C 2 P 3 C 2 P ribulóz-1,5-biszfoszfát C 2 P 3 C 2 2 C - C 2 P 3 C 2 P foszfoglicerát * Novák Lajos, Nyitrai József, Szerves Kémia, Egyetemi tankönyv, Mőegyetemi Kiadó, Budapest,

7 A cukorfoszfátok keletkezése jelentıs energianyereséggel jár. A β-d-glükóz 1- ill. 6- foszfát a sejten belül marad. Ennek oka, hogy a cukorfoszfát disszociációs állandóinak értéke: pk a1 = 0,94, pk a2 = 6,11, ami kb. 1,8 negatív töltésnek felel meg az intracelluláris oldat p-ján (7,4). A nagy negatív töltés akadályozza meg a kettıs lipidrétegen a spontán áthaladást. C 2 ATP hexokináz D-glükóz-1-foszfát G = 20.9 kj/mól D-glükóz-6-foszfát G = 13.8 kj/mól A cukorfoszfátok másik fontos szerepét β-d-glükóz szintézisével mutatjuk be. piruvát C 3 C C - - C C karboxiláz 2 C C - - C C C C - piroszılısav P 3 C 2 P 3 C 2 C + C 2 P 3 C 2 P 3 C 2 C 2 P 3 C 2 P 3 C 2 C 2 C C C 2 C 2 P 3 A β-d-glükóz szintézise piroszılısavból indul olymódon, hogy a piruvát-karboxiláz enzim hatására oxálecetsavon keresztül több lépésben glicerinaldehid-3-foszfát keletkezik. 47

8 Ez a glicerinbıl képzıdı dihidroxiaceton-foszfáttal fruktóz-1,6-biszfoszfáttá alakul. A fruktóz-1,6-biszfoszfatáz enzim hatására fruktóz-6-foszfát képzıdik, ami glükóz-6-foszfáttá izomerizál. Ebbıl szabadítja fel a β-d-glükózt a glükóz-6-foszfatáz enzim. A szacharóz (répacukor) szintézisében is cukorfoszfátok vesznek részt. C 2 P 3 UTP PP C 2 - P - P N N C 2 P 3 UDP C 2 C 2 -Pi C 2 C 2 P 3 szacharóz Aminocukrok Legjelentısebb képviselıjük a 2-amino-2-dezoxi-β-D-glükóz (GlcN). Baktériumok sejtfalában fordul elı, mint N-acetilszármazék, ill. ún. murámsav formában, ahol a 3-as helyzető hidroxilcsoport a tejsavval étert képez, majd ez az L-Ala-D-IGlu-L-Lys-D-Ala típusú oligopeptidet szolgáltatja (l. késıbb). C 2 N 2 2-amino-2-dezoxi-β-D-glükopiranóz 48

9 Az aszkorbinsav (C-vitamin) és bioszintézise Az aszkorbinsav az élı szervezetekben számos redoxi reakcióban vesz részt. Többek között a prolin hidroxilálásában van jelentıs szerepe. A 4-hidroxiprolin ugyanis a kollagén egyik alkotóeleme, ami nem eszenciális aminosav lévén csak az aszkorbinsav közremőködésével képzıdik a prolinnak a levegı oxigénjével történı oxidálásával. Az aszkorbinsav hiánya okozza a skorbut nevő hiánybetegséget. Az alábbi egyenletbıl jól látható a redoxireakciókban való részvételének oka: C 2 L-aszkorbinsav -2 e - / e - / 2 + C 2 L-dehidroaszkorbinsav A bioszintézis D-glükózból indul egy dehidrogenáz enzim és NADP + (nikotinamidadenin-dinukleotid-foszfát) koenzim hatására. A D-glükuronsav L-gulonsavvá redukálódik, amely L-gulonsav laktont szolgáltat. Ez oxidálódik L-gulonsavoxidáz enzim hatására L-aszkorbinsavvá. C C 2 NADP + 2 dehidrogenáz C C NAD C 2 D-glükóz D-glükuronsav L-gulonsav + C C C 2 C 2 L-gulonsav-lakton oxidáz C 2 aszkorbinsav 49

10 A fıemlısök az L-gulonsavoxidáz enzim hiánya miatt nem képesek a C-vitamint glükózból szintetizálni, így csak megfelelı mennyiségő növényi tápanyag felvételével juthatnak hozzá a szükséges mennyiséghez és N-Glikozidok A monoszacharidok leggyakrabban -glikozid kötést létesítenek egy másik cukorral (l. pl. az oligo- és poliszacharidokat). Ezen kívül, elsısorban növényekben fordulnak elı olyan oxigéntartalmú hidroxilezett heterociklusok (flavonok, izoflavonok, antociánok), amelyek fenolos hidroxilcsoportjukkal kapcsolódnak a szénhidrátok glikozidos szénatomjához. A DNS-ben, RNS-ben és egy sor koenzimben a szénhidrát heterociklusok nitrogénatomjához kapcsolódik a glikozidos szénatomjával. Ezek az un. N-glikozidok ligoszaharidok Az oligoszacharidok típusait (redukáló, nem redukáló) a Szerves Kémia tankönyvben részletesen tárgyaltuk. Itt csak néhány, leggyakrabban elıforduló di- és triszacharid felsorolására és szerkezetére szorítkozunk. Szacharóz: α-d-glcp-(1 2)-β-D-Fruf Trehalóz: α-d-glcp-(1 2)-α-D-Glcp Maltóz: α-d-glcp(1 4)-β-D-Glcp Cellobióz: β-d-glcp(1 4)-β-D-Glcp Laktóz: β-d-galp(1 4)-β-D-Glcp Izomaltóz: α-d-glcp(1 6)-β-D-Glcp Genciobióz: β-d-glcp(1 6)-β-D-Glcp Raffinóz: α-d-galp(1 6)-α-D-Glcp(1 2)-β-D-Fruf A laktóz a tejben fordul elı. Csaknem minden csecsemı és gyermek emésztırendszere képes arra, hogy a laktóz β-1,4-kötését a laktáz enzim segítségével hasítsa, és az így képzıdı glükózt és galaktózt hasznosítsa. A felnıtteknél ugyanakkor viszonylag gyakori a laktáz enzim hiánya, különösen Ázsiában. Míg Dániában a felnıtt Novák Lajos, Nyitrai József, Szerves Kémia, Egyetemi tankönyv, Mőegyetemi Kiadó, Budapest,

11 lakosság mindössze 3%-nál fordul elı az enzim hiánya, addig a thaiföldiek 97%-nál. A vékonybélben felgyőlı laktóz ozmózisnyomás növekedést okoz, ami hasmenéssel, görcsökkel, vérnyomás csökkenéssel járó tünetek formájában jelentkezik. A baktériumokban a galaktozidáz enzim bontja a laktózt monoszacharidokká Poliszacharidok Az állati sejtek a glükózt glikogén formájában tárolják. A poliszacharid α-1,4-kötést tartalmaz és kb. minden tizedik egységnél (a tagszám maximum 13 lehet) van egy α-1,6 elágazás. Lebontását a glikogén foszforiláz enzim végzi. A növényekben felhalmozott tápanyagtartalék a keményítı. Két komponensbıl áll. Az egyik az amilóz, ami el nem ágazó láncú, α-1,4-kötésekkel kapcsolódó glükózegységekbıl áll. Az amilopektinben kb. harminc α-1,4-kötésre egy α-1,6 kötés jut. A különféle amiláz és amiloglükozidáz enzimek mindkét poliszacharidot maltózzá, maltotriózzá ill. α-dextrinné hidrolizálják, a maltáz ill. az α-dextrináz enzim állítja elı a glükózt. Az élesztıben és a baktériumokban a glükóz dextrán formájában tárolódik. Csaknem valamennyi kötés α-1,6. A baktérium törzstıl függıen α-1,2; α-1,3 és α-1,4 kötések is elıfordulnak. A cellulóz, ami a Földön a legnagyobb mennyiségben keletkezı anyag (kb kg/év), lineáris szerkezető glükóz polimer, β-1,4-kötésekkel. Molekulatömege 3-7 millió dalton körül ingadozik. Szerkezetébıl következıen növényi vázanyag. A rovarok és rákfélék külsı vázanyaga a kitin. N-acetilglükózamin egységekbıl (NAG) épül fel β-1,4-kötéssel. A cellulózhoz hasonlóan lineáris szerkezető polimer. Glükózaminoglikánok ismétlıdı diszacharid egységekbıl felépülı, karboxil- vagy szulfonsavcsoportot anionos formában tartalmazó polimerek. Ezek a poliszacharidok állati sejtek felületén vagy a sejtek közti mátrixban fordulnak elı. Fontosabb képviselıik: A poliszacharidok általában keverékek. Ismerjük a monoszacharid egységek kapcsolódásának módját, nem tudjuk azonban, hogy pontosan hány monomer egységbıl állnak. Erre utal a dıltbetős szedés. 51

12 - S 3 - C N C 3 kondroitin-6-szulfát - S 3 N C 3 keratán-szulfát - C - 3 S - S 3-3 SN heparin - 3 S - C N C 3 dermatán-szulfát - C N C 3 hialuronsav 52

13 A proteoglikánok olyan fehérjék, amelyek egy vagy több, kovalensen kötött glükózaminoglikán egységet tartalmaznak. A legalaposabban a porcok sejten kívüli mátrixában lévı proteoglikánt tanulmányozták. Megállapították, hogy keratán-szulfát és a kondroitin-szulfát kovalens kötéssel kapcsolódik a központi proteinhez. Kb. 140 ilyen protein helyezkedik el egymástól nm-re, nem kovalensen kötve egy hialuronsav polimer lánc mentén. Ezt a távolságot ún. oldallánc proteinek biztosítják. Az egész komplex mintegy d, hosszúsága kb. 2 µm. A polianionos szerkezetek között víz van. a a mátrixot összenyomjuk, majd a nyomást megszüntetjük, az ionok taszítása következtében az rugalmasan visszanyeri eredeti méretét. Ez az oka, hogy a porcok sejten kívüli mátrixát a proteinen kívül ilyen poliszacharid képezi. A glikoproteinekben leggyakrabban elıforduló monoszacharidok: β-d-galaktóz, β-dmannóz (l. 42. old.) C 3 β-l-fukóz C 2 N 2 β-d-glükózamin C 2 NCC 3 β-d-acetil-galaktózamin C C - 3 CN R R = C 2 szialinsav (N-acetilneuraminsav) Ezek oligoszacharidként N- vagy -glikozidokként a protein szerin, treonin vagy aszparaginsav egységeihez kapcsolódnak. A lektinek olyan proteinek, amelyekhez négy különbözı monoszacharidból felépülı oligoszacharidok (felületi cukrok) kapcsolódnak. 53

14 A felületi cukrok különbözhetnek az ıket felépítı monoszacharidokban és ezek kapcsolódási helyében; a kapcsolódás módjában, amely lehet α- vagy β-; az elágazások módjában. Sokkal több különbözı oligoszacharid képzıdhet négy monoszacharidból, mint oligopeptid négy aminosavból. A nagy diverzitásból következik, hogy ezek olyan információgazdag molekulák, amelyek egy sor biológiai folyamatot képesek irányítani. Például, egy terminális szénhidrát a glikoproteinben szignálként szolgálhat, ha egy idegen baktériumsejt jutott be a szervezetbe. vagy egy májsejt számára, hogy melyik proteint távolítsa el a vérbıl. A leginkább tanulmányozott sejtfal receptor az azialoglikoprotein. Peptidoglikán a baktériumok sejtfalát alkotó poliszacharid. Egy egység N-acetilglükózaminból és N-acetilmurámsavból épül fel β-1,4 kötéssel. A transzpeptidáz enzim köti össze az egyik lánc lizin aminocsoportját öt glicinegységbıl álló oligoszacharid segítségével a másik lánc D-alaninjával. Az így kialakuló poliszacharid alapú membrán van a Gram(+)-baktériumok külsı sejtfalán. Ezt követi egy lipid kettıs membrán. A Gram(-)-baktérium külsı sejtfala egy lipid membrán, és ezt követi a peptidoglikán polimer, majd egy lipid kettıs réteg. Az ún. β-laktám típusú antibiotikumok a transzpeptidáz enzim szubsztrátjai, így megakadályozzák a peptidoglikánban a glicinegységekbıl felépülı térhálós szerkezet kialakulását és ezzel a baktérium sejtfalának szintézisét. 54

15 - C C 3 Gly Gly Gly Gly Gly N N C N D-Ala L-Lys 2 N C 2 C C 3 C CN 2 D-IGln N N C C C 3 L-Ala N Tejsav N C CN 2 C C 3 NCC 3 N C 2 C C 3 N C 2 N C C 3 C 3 NCC 3 N C 2 C 3 Peptidoglikán 55

16 56