Szénhidrátok SZERKEZET, REAKCIÓK, FUNKCIÓIK

Átírás

1 Szénhidrátok SZERKEZET, REAKCIÓK, FUNKCIÓIK

2 A biomassza összetétele A biomassza ökológiai (környezettudományi) fogalom, jelentése: biológiai úton létrejövő szervesanyagtömeg. A Földön évente újratermelődő biomassza mintegy 200 milliárd tonna/év tömegűnek becsülhető. Biomass 1. Carbohydrates 2. Lignans 3. Fats, Terpenoids, Proteins, Nucleic acids

3 Szénhidrátok A szénhidrátok nevüket onnan kapták, hogy régebben azt gondolták, ezek a vegyületek a szénnek vízzel alkotott vegyületei, azaz a szén hidrátjai. A szénhidrátokat szerkezetük szerint két nagy csoportra oszthatjuk: monoszacharidok: E vegyületekre jellemző, hogy savas hidrolízissel már nem bonthatók kisebb molekulatömegű szénhidrátokra. összetett szénhidrátok: Jellemzőjük, hogy savas hidrolízissel egyszerű cukrokká bonthatók. Az összetett szénhidrátok egy részének fizikai és kémiai tulajdonságai még nagyon hasonlítanak a monoszacharidokéra. Ezeket oligoszacharidoknak nevezzük. Az összetett szénhidrátok másik csoportját, melyek tulajdonságai számottevően eltérnek a mono- és oligoszacharidokétól poliszacharidoknak hívjuk.

4 Szénhidrátok szerepe Energiahordozók Növényekben: fotoszintézis Vázanyagok: a szénhidrátokból keletkező polimerek (cellulóz, kitin) Biológiai információk hordozói: A szénhidrátok és konjugátumaik (glikopeptidek, glikolipidek) az élő sejt felületén gondoskodnak a sejt adhézióról (tapadás), részt vesznek a sejt osztódás gátlásában, szerepük van a vírusok, baktériumok és hormonok valamint toxinok sejten való megkötődésében és irányítják az immunválaszt. Szerepük van az ivarsejtek egymásra találásában. Mint nukleozidok alkotóelemei közvetői a genetikai folyamatoknak (RNS, DNS, receptorok a sejt membrán felületén / glikolipidek, glikoproteidok) Királis kiindulási anyagok h (C 2 )n + (H 2 )n (CH 2 )n + ( 2 )n klorofil iparban üzemanyagpótló EtH keményítõ Szervezetben: cukorlebontás glükóz H 2 + C kcal / mol

5 Monoszacharidok A MNSZACHARIDK CSPRTSÍTÁSA ÉS FIZIKAI TULAJDNSÁGAI A monoszacharidok mint polihidroxi-oxovegyületek az oxocsoport jellege szerint aldózokra és ketózokra oszthatók fel, melyek külön-külön tovább csoportosíthatók szénatomszámuk szerint. Tekintettel arra, hogy ezek a vegyületek több kiralitás centrumot is tartalmaznak, így több sztereo izomerrel is számolnunk kell (a lehetséges sztereoizomerek száma 2 n, ahol n az aszimmetrikus szénatomok számát jelöli. H H H H H CH H H H CH H H aldotrióz ketotrióz H H H aldopentóz ketopentóz H H H CH H H H H H H CH aldotetróz ketotetróz H H H H H H aldohexóz ketohexóz Az azonos összegképletű aldózok és ketózok egymás izomerjei. Általános összegképletük (CH 2 ) n alakban is felírható.

6 Elnevezés Triviális nevek Az enantiomerpárok tagjainak megkülönböztetésére a D- és L-konfigurációs indexet használjuk, amely az oxocsoporttól legtávolabb lévő kiralitáscentrumnak a glicerinaldehidre vonatkoztatott konfigurációját jelöli és független az adott cukor forgatóképességének irányától. (a ketotrióz kivételével minden molekula egy, vagy több aszimmetriás centrumot tartalmaz)

7 Egyszerű cukrok (monoszacharidok) A D-aldózok Fischer projekciója Királis polihidroxi aldehidek (aldózok) vagy ketonok (ketózok). Híg savas hidrolízissel tovább nem bonthatók. Glikóz Trióz, tetróz, pentóz, hexóz, heptóz, stb. A sorozatba (D vagy L) tartozást meghatározó sztereogén centrum.

8 A D-ketózok Fischer projekciója Egyszerű cukrok (monoszacharidok) A sorozatba (D vagy L) tartozást meghatározó sztereogén centrum.

9 A monoszacharidok szerkezete A cukrok szerkezetének, konfigurációjának jelölésére a szakirodalom különböző írásmódokat használ. Az ismertebb és az általunk is használt jelölés szerint a királis szénatomok mindegyikét szubsztituenseikkel együtt feltüntetik (A). Szokás azonban az is, hogy a hidrogén szubsztituenst csupán egy vonallal jelölik és csak a hidroxilcsoportokat írják ki (B). Végül az a jelölésmód is elterjedt, hogy a hidrogén atomokat egyáltalán nem jelzik és a hidroxicsoportokat vonal szimbolizálja (C). Az utóbbi két esetben a szénlánc a Fischer-féle projekció alapján függőleges vonal, s a szénatomok metszéspontjában a szénatomok helyezkednek el. 1 CH CH CH H 2 C H H H 3 C H H H 4 C H H H 5 C H H 6 CH 2 H CH 2 H CH 2 H A B C D-glükóz D-glükóz D-glükóz

10 Szénhidrátok térszerkezetének ábrázolása Fischer-féle vetítés: A Fischer-projekció a kémiában használt ábrázolásmód, melynek segítségével egy háromdimenziós molekulaszerkezet vetítéssel (projekcióval) két dimenzióban ábrázolható. A kötéseket függőleges és vízszintes vonalak jelképezik oly módon, hogy a szénlánc mindig egy függőleges vonal, a szénatomok helyét pedig a vonalak metszéspontja jelzi. Az egyes számú szénatomot rajzolják legfelülre. A módszert kidolgozójáról, Emil Fischerről nevezték el. ox C red H CH H CH 2 H H CH H CH 2 H D L 2 CH CH 2 x 4 H C H 1 H C CH 2 H CH 2 H H 3 H CH CH 2 H R 10

11 Fischer projection A tetrahedral carbon atom is represented in a Fischer projection by two crossed lines. The horizontal lines represent bonds coming out of the page, and the vertical lines represent bonds going into the page.

12 The chiral molecule can be drawn in many ways, it s sometimes necessary to compare two projections to see if they represent the same or different enantiomers. To test for identity, Fischer projections can be moved around on the paper, but only two kinds of motions are allowed; moving a Fischer projection in any other way inverts its meaning. A Fischer projection can be rotated on the page by 180, but not by 90 or 270. nly a 180 rotation maintains the Fischer convention by keeping the same substituent groups going into and coming out of the plane. In the following Fischer projection of (R)glyceraldehyde, for example, the -H and -H groups come out of the plane both before and after a 180 rotation. A 90 rotation breaks the Fischer convention by exchanging the groups that go into the plane and those that come out. In the following Fischer projections of (R)glyceraldehyde, the ] H and ] H groups come out of the plane before rotation but go into the plane after a 90 rotation. As a result, the rotated projection represents (S)glyceraldehyde.

13 A Fischer projection can have one group held steady while the other three rotate in either a clockwise or a counterclockwise direction. The effect is simply to rotate around a single bond, which does not change the stereochemistry.

14 Epimerek Az epimer cukrok egy szénatom konfigurációjában különböznek egymástól. Így például a D-glükóz C-2 epimerje a D-mannóz és a C-4 epimerje pedig a D-galaktóz. epimer cukrok CH CH CH CH H H H H H H H H CH 2 H CH 2 H CH 2 H CH 2 H D-glükóz D-mannóz D-galaktóz epimer cukrok nem epimerek db D =16 8 db L 1 CH 2 CH 2 H D-mannóz 1 CH CH 2 H D-galaktóz

15 Monoszacharidok gyűrűs szerkezete: Anomerek Az aldehidek és a ketonok alkoholokkal lejátszódó gyors és reverzibilis nukleofil addíciós reakciójában félacetálok (hemiacetálok) keletkeznek. Ha a karbonil- és a hidroxilcsoport ugyanabban a molekulában van akkor intramolekuláris nukleofil addíció megy végbe és gyűrűs félacetál (ciklofélacetál) képződik.

16 A szénhidrátok egyensúlyi elegyében a nyílt láncú forma és a ciklofélacetál szerkezet (laktolgyűrű) öt- vagy hattagú gyűrűs állapotban található Haworth-Böeseken-képlet (furanóz, illetve piranóz, a megfelelő heterociklusok analógiájára): IR spektroszkópiával ugyanis nem mutatható ki a karbonilcsoport, tehát spontán, reverzibilis intramolekuláris nukleofil addícióval ciklofélacetálokként vannak jelen. A laktolgyűrű 5-tagú (furanóz) vagy hattagú (piranóz). A laktolgyűrű kialakulásakor a C-1 (ketózoknál C-2) szénatom is kiralitáscentrummá válik és az így fellépő két epimert a cukrok körében anomereknek nevezzük, és -, illetve -jelzéssel különböztetjük meg egymástól.

17 Egyszerű cukrok (monoszacharidok) Gyűrűs félacetál szerkezet A: Új aszimmetria centrum: anomer szénatom

18 Egyszerű cukrok (monoszacharidok) A gyűrűs félacetál szerkezet (laktolgyűrű) ábrázolásai Mills képletek Fischer projektív képletek (módosítva) Az anomer centrum. Haworth-Boeseken képletek A sorozatba (D vagy L) tartozást meghatározó sztereogén centrum. Konformációs képlet

19 A D-pentózok ábrázolása Az anomer centrum. A sorozatba (D vagy L) tartozást meghatározó sztereogén centrum.

20 A D-hexózok ábrázolása A sorozatba (D vagy L) tartozást meghatározó sztereogén centrum. Az anomer centrum.

21 Fogalmak Fischer projekció, projektív képlet: Molekulák térszerkezetének síkbeli ábrázolása, melynek előállítása során szigorúan meghatározott vetítési szabályok alkalmazásával biztosítjuk az egy-egy értelmű megfelelést. Haworth-Boeseken képlet: A szénhidrátok gyűrűs formáinak ábrázolására alkalmazott perspektivikus képlet, ahol a gyűrű atomjait egy síkban levőnek tételezzük fel, amely az ábrázolás síkjára merőlegesen helyezkedik el. A szubsztituensek a gyűrű síkja alatt és fölött találhatók. Mills képlet: A szénhidrátok gyűrűs formáinak ábrázolása oly módon, hogy a gyűrű a papír síkjában van, és az e sík elé, illetve mögé mutató kötésirányokat vastagított, illetve szaggatott vonallal jelöljük. Előnyös pl. több gyűrűt tartalmazó származékok esetén. Konformációs képlet: A szénhidrátok tényleges térszerkezetét a legjobban visszaadó perspektivikus ábrázolás. Anomer szénatom: Egyszerű cukrok laktolgyűrűs formájának képződésekor keletkező új aszimmetria centrum. Anomer: Az anomer szénatom konfigurációjában különböző epimer monoszacharid származékok.

22 Mutarotáció Az anomerek keletkezésére (és tulajdonképpen a gyűrűs szerkezet kialakulására) a mutarotáció jelensége hívta fel a figyelmet. A kristályosítás módjától függően kétféle forgatóképességű D-glükóz (vagy egyéb cukor) ismeretes. jégecet oldat alkohol [ ] = + 112,2 [ ] = +52,7 o [ ] = + 18,7 o -D-glükóz -D-glükóz A mutarotáció jelensége úgy értelmezhető, hogy akármelyik anomerből is indulunk ki, oldatban a ciklofélacetál-gyűrű felnyílik és a nyíltláncú alakon keresztül a piranóz és furanóz enantiomerek egymásba átalakulnak adott egyensúlyi állapot eléréséig. A mutarotáció jelensége nemcsak a D-glükóz oldatára jellemző, hanem minden más egyszerű szénhidrátéra is. Mutarotáció: (Szó szerint: az optikai forgatóképesség változása) Szacharidok esetén az anomerek egymásba alakulását (egészen pontosan a mutarotációs egyensúlyi elegy kialakulását) kísérő forgatóképesség változás. 22

23 Mutarotáció Az optikai forgatás ( ) időbeli változása Egyensúlyi érték a D-glükóz esetén [ ] D = +52.7

24 Mutarotációs egyensúlyi elegyek összetétele

25 A piranóz gyűrű konformációi A szacharidokban C C kötésszög és kötéstávolság csak kissé tér el a C C C fragmensétől, ezért a konformációs sajátságaik hasonlóak a ciklohexánéhoz, illetve a ciklopentánéhoz. A C, H, S és B konformációk esetén négy atom, az E esetén pedig öt atom egy síkban van.

26 A furanóz gyűrű konformációi Boríték (Envelope) Csavart forma (Twist)

27 A piranózok téralkata székalkatú, a két lehetséges szék konformer energiatartalma azonban nem azonos. Így például a D-glükopiranóz -anomerje kizárólag a 4 C 1 szimbólummal (a felső és alsó index a C-1 és C-4 szénatomok relatív helyzetére utal) jelzett szék konformációban fordul elő, mivel ebben a nagy térkitöltésű hidroximetil- és valamennyi hidroxilcsoport az energetikailag kedvező ekvatoriális helyzetben van. A másik szék konformáció ( 4 C 1 ) nem létképes, mivel ez esetben a nevezett csoportok mindegyike axiális helyzetbe kerülne, és az így fellépő 1,3-diaxiális kölcsönhatások ( ) a molekula számottevő energianövekedését eredményeznék. H H H H H H 4 H CH 2 H H 3 4C 1 -D-glükopiranóz 4 C 1 2 H H 1 H H H H H H H e a 4 C 1 konformer 4C 1 konformer (stabilabb)

28 Anomer effektus Az -anomer esetében is a 4 C 1 -konformáció a kedvezményezett, jóllehet ilyenkor a glikozidos hidroxilcsoport már nem ekvatoriális, hanem axiális állású. A 4 C 1 -konformációban a glikozidos hidroxilcsoport és a C-3, valamint a C-5 szénatomokhoz kapcsolódó hidrogénatomok közelsége (vagyis az 1,3-diaxiális kölcsönhatás) a molekula energiatartamát növeli. Az energiatartalom növekedését az ún. anomer effektus, mint energianyereség viszont ellensúlyozza. Az anomer effektus ugyanis azt jelenti, hogy a gyűrű oxigénatomjának axiális térhelyzetű nemkötő elektronpárja (mint HMpálya), kölcsönhatásba lép a vele azonos síkban levő glikozidos H-csoport szén-oxigén kötésének lazító pályájával (mint LUM-pálya). A megfelelő előjelű pályarészek átlapolása jelentős energia nyereséggel jár (delokalizációs modell). H E H H H H H H H -D-glükopiranóz n C * n HM LUM * C 5 C 1 C 1 H

29

30 Monoszacharidok kémiai tulajdonságai Monosaccharides contain only two kinds of functional groups, hydroxyls and carbonyls. The chemistry of monosaccharides is the familiar chemistry of these two groups: alcohols can be converted to esters and ethers and can be oxidized; carbonyl compounds can react with nucleophiles and can be reduced. Hidroxilcsoportok reakciói Éterképzés A piranóz (furanóz) gyűrűvé záródás során félacetál keletkezik és az így keletkezett hidroxil csoport (ún. glikozidos hidroxilcsoport) reaktivitása számottevően különbözik a többiétől. Tr és Bn csoportok katalitikus hidrogénezéssel (H 2 /Pd-C) hasíthatók

31 A benzilcsoport eltávolítás történhet a következőképpen is: H CH 2 Ph Br 2 / h H CH Ph H H CH Ph Br H H / H 2 H H PhCH

32 Észterképzés

33 Zemplén-féle dezacetilezés és mechanizmusa

34 Szulfonátok előállítása és átalakítási lehetőségeik

35 Acetál védőcsoportok Vicinális cisz-helyzetű hidroxilcsoportot tartalmazó cukrokból acetonnal savkatalizált reakcióban gyűrűs izopropilidén származékok, ún. acetonidok állíthatók elő.

36 Benzaldehiddel vízmentes ZnCl 2 acetálcsoporttá alakulnak. katalizátor jelenlétében az 1,3-helyzetű (jelen esetben 4,6) hidroxilcsoportok

37 A cukrok redukcióval cukoralkoholokká, enyhe oxidációval aldonsavakká, míg erélyes oxidációval aldársavakká alakíthatóak. xocsoport reakciói Szénhidrátok oxidációja és redukciója

38 Tollens és Fehling próba Ezüst tükör póba: az aldózok az Ag(NH 3 ) 2+ oldatából fém ezüstöt választanak ki miközben aldonsavakká oxidálódnak. Fehling póba: az aldózok Cu(II)S 4 -nak K-Na-tartaráttal képzett komplexéból vörös színű Cu 2 -t választanak le miközben aldonsavakká oxidálódnak. K-Na-tartarát

39 Epimerizáció C H CH H C H H C H C H H C H D-glükóz endiol D-mannóz CH 2 H C D-fruktóz

40 szazon képződés Nukleofilekkel lejátszódó reakciók Wohl Zemplén lebontás

41 Kiliani- Fischer féle lánchosszabbítás

42 A dezoxicukrok olyan monoszacharidok, amelyekben egy vagy több alkoholos hidroxilcsoportot hidrogénatom helyettesít. Számos képviselőjük, így például az L-ramnóz és 2-dezoxi-D-ribóz a természetben is megtalálható. A 2-dezoxi-D-ribóz a DNS felépítésében résztvevő nukleozidok cukorkomponense. CH 3 H H H L-ramnóz 6-dezoxi-L-mannóz H H CH 2 H H 2-dezoxi-D-ribóz Az aminocukrok olyan cukorszármazékok, amelyekben egy alkoholos hidroxilcsoportot aminocsoport helyettesít. A szabatos gyűjtőnevük: dezoxi-aminocukrok. Legismertebb képviselőjük a 2-amino-2-dezoxi-D-glükóz (D-glükózamin vagy kitózamin) és a 2-amino-2-dezoxi-D-galaktóz (D-galaktózamin, kondrózamin), melyek egyes állati vagy bakteriális eredetű poliszacharidok hidrolízistermékei. H H N H H 2 H H H N H H 2 H D-glükózamin D-galaktózamin A D-glükózamin a kitin, a heparin és a vércsoport poliszacharidok építőköve, a kondroitin-szulfát komponense.

43 Fontos monoszacharidok Humans need to obtain eight monosaccharides for proper functioning. Although it can be biosynthesized from simpler precursors if necessary, it s more energetically efficient to obtain them from the diet. The eight are: L-fucose (6-deoxylgalactose), D-galactose, D-glucose, D-mannose, N-acetyl-D-glucosamine, N-acetyl-Dgalactosamine, D-xylose, and N-acetyl-D-neuraminic acid All are used for the synthesis of the glycoconjugate components of cell walls, and glucose is also the body s primary source of energy.

44 Diszacharidok Redukáló és nem redukáló diszacharidok A redukáló diszacharidok adják az ezüst tükör és a Fehling próbát.

45 Fogalmak ligoszacharid: Glikozidos kötésekkel összekapcsolódó, 2-20 azonos vagy eltérő monoszacharidból álló vegyületek gyűjtőneve. Lehetnek egyenes vagy elágazó láncúak. Diszacharid: Glikozidos kötéssel összekapcsolódó, 2 monoszacharidból álló vegyületek gyűjtőneve. Lehet redukáló és nem redukáló. Redukáló diszacharid: Szabad glikozidos hidroxilcsoportot tartalmaznak. Nem redukáló diszacharid: Nem található bennük szabad glikozidos hidroxilcsoport. Redukáló vég: ligo/poliszacharid láncok végén található, szabad glikozidos hidroxilcsoportot tartalmazó monoszacharid egység. Nem redukáló vég: ligo/poliszacharid láncok végén található, szabad glikozidos hidroxilcsoportot nem tartalmazó monoszacharid egység.

46 Szacharóz, invertcukor, műméz A legjelentősebb nem redukáló diszacharid a szacharóz (répa- vagy nádcukor). A szacharóz híg ásványi savakkal vagy enzimatikus úton D-glükózra és D-fruktózra hidrolizál. A hidrolízis során a cukoroldat forgatóképessége folyamatosan csökken, eléri a nulla értéket, majd balra forgatóvá válik, mivel a fruktóz erősebben forgat balra, mint a glükóz jobbra. A forgatóképesség előjelének megváltozása miatt a szacharóz hidrolízisét invertálásnak, és az így nyert egyszerű cukor keveréket invertcukornak ( műméz ) nevezik. A mézhamisítás leggyakoribb módja a virágmézként árult műméz. A műméz invertcukorból aromás anyagok (néha zamatos méz) hozzákeverésével és festékanyagok színezésével készül. A hamisítást könnyen felismerhetjük, ha egy kávéskanálnyi mézet tiszta szeszben feloldunk. Amennyiben teljesen oldódik, úgy a méz tiszta. Ellenkező esetben homályos lesz és rövid idő múlva a belekevert anyag leülepedik.

47 Maltóz, cellobióz és laktóz A redukáló diszacharidok közül a maltóznak (malátacukor), a cellobióznak és laktóznak (tejcukor) van gyakorlati jelentősége. A maltóz [4--( -D-glükopiranozil)-D-glükóz] a keményítő és a glikogén alkotórésze. A természetben szabad állapotban mindig olyan növényi részekben jelenik meg, amelyekben a keményítő enzimes hidrolízise játszódik le (pl. burgonyacsírában, zöld levelekben stb.). Előállítása is a keményítő enzimes hidrolízisével történik. A maltóz két glükózegységet tartalmaz, mégpedig piranóz formában, és a glikozil komponens - glikozidos kötéssel kapcsolódik a másik D- glükóz (aglikon) C-4-es oxigénatomjához. H H H H H H / -maltóz H H H A cellobióz [4--( -D-glükopiranozil)-Dglükóz] a természetben legelterjedtebb szénvegyületnek, a cellulóznak az építőköve; innen származik a neve is. Savas hidrolízisekor hasonlóan a maltózhoz, kizárólag D-glükóz képződik. E két vegyület szerkezete a glikozidkötés - konfigurációját kivéve azonos. H H H H H H -cellobióz H H H A laktóz [4--( -D-galaktopiranozil)- D-glükóz] az emlősök tejének cukorkomponense; az anyatej 5-8% laktózt (tejcukrot) tartalmaz. Szerkezetileg a cellobiózzal rokon: a D-glükóz C-4 hidroxilcsoportjához ez esetben -D-galaktozilcsoport kapcsolódik. H H H H H H H, -laktóz H H H

48 Diszacharidok szintézise Koenigs-Knorr módszerrel Gentiobiose is a disaccharide composed of two units of D- glucose joined with a β(1->6) linkage. It is a white crystalline solid that is soluble in water or hot methanol. Gentiobiose is incorporated into the chemical structure of crocin, the chemical compound that gives saffron (sáfrány) its color. It is a product of the caramelization of glucose.

49 Ciklodextrinek Az oligoszacharidok különleges csoportját képezik a gyűrűs szerkezetű ciklodextrinek. E vegyületek D-glükopiranózból (1 4)-kötésekkel épülnek fel. Előállításuk keményítőből ciklodextrin transzglikozidáz enzim segítségével történik. HCH 2 H H CH 2 H d H H H H n CH 2 H HCH 2 H H HCH 2 H H H H CH 2 H n típus d (nm) ,57 0,78 0,96 A gyűrű mérete a D-glükóz egységek számától függ. Ezeknek a molekuláknak a külseje hidrofil a belsejük pedig hidrofób, így a méretüknek megfelelő nagyságú, elsősorban lipofil tulajdonságú molekulákat képesek zárványként befogadni és ezáltal vízoldhatóvá tenni. A gyógyszer- és illatszeripar a ciklodextrineknek ezt a sajátságát a hatóanyagok kiszerelésénél (molekuláris kapszulák) hasznosítja.

50 Ciklooligoszacharidok Ciklodextrinek

51 Ciklodextrinek

52

53 Az anyatej oligoszacharidjai (HM) Az anyatej oligoszacharidjai (human milk oligosaccharides, HM) Prebiotikus potenciál Nem szívódik fel és ellenáll a gyomor és bélrendszerben az enzimatikus bontásnak A bél mikroflóra fermentálni tudja Szelektíven stimulálja a jótékony hatású bélbaktériumok növekedését. Ezáltal gátolja a kórokozók megtelepedését (adhéziós és nutritív kompetíció, baktericidek termelése) erősíti a bél védelmi funkcióját SCFA termelés (tápanyag az epithelsejtjeinek) jobb epithel funkciók támogatja a bélhez kapcsolódó immunrendszert Kb. 130 féle oligoszacharid struktúrát tudtak kimutatni Bode L. Nutrition Reviews 2009, 67(Suppl. 2):S183 S191

54

55

56 Poliszacharidok A poliszacharidok monoszacharid-részekből felépített nagy molekulatömegű vegyületek. Általában monomer egységből állnak. Fizikai tulajdonságaikban jelentősen eltérnek a mono- és oligoszacharidoktól. Nem édes ízűek, vízben nem vagy csak kolloidálisan oldódnak. A poliszacharidok szerkezeti elve ugyanaz, mint az oligoszacharidoké, ezért érthető, hogy savas hidrolízisük során monoszacharidokra esnek szét. Sok poliszacharid hidrolízisével csak egyetlen monoszacharid-féleség keletkezik, de ismerünk olyan poliszacharidokat is, amelyeknek a hidrolitikus lebontása kétféle monoszacharidhoz vagy monoszacharid származékhoz (pl. uronsavhoz) vezet. Kizárólag D-glükóz egységekből épül fel három nagyon fontos és elterjedt poliszacharid: a cellulóz, a keményítő és a glikogén.

57 Szerkezeti (váz) poliszacharidok cellulóz (növények) A cellulóz a Földön a legnagyobb mennyiségben előforduló szénvegyület, a magasabb rendű növények sejtfalának fő alkotórésze. A levelek szárazanyagának 10-20%-át, a fás növényi részek 50%-át alkotja. A cellulóz átlagos polimerizációs foka az eredettől függően 3000 és 8000 között van. Savas hidrolízise (tömény sósav hidegen) csak D-glükózhoz vezet. Az egyik glükóz egység -glikozidos kötéssel kapcsolódik a másik egység C-4 helyzetű hidroxilcsoportjához, és így lineáris szerkezetű fonalstruktúra alakul ki. H HCH 2 H H H HCH 2 H HCH 2 H H H HCH 2 n cellulóz n = A fonalstruktúrájú cellulózmolekulákat az intramolekuláris hidrogénkötések merevítik, ugyanakkor az intermolekuláris hidrogénhidak pedig a hosszú fonalak szoros egymáshoz illeszkedését biztosítják. Ez rendkívüli stabilitást, rugalmasságot, valamint oldhatatlanságot eredményez és ezáltal a cellulóz ideális alapanyaga a növények sejtfalának.

58 Szerkezeti (váz) poliszacharidok kitin H H H H H AcNH H AcNH 1 1 H H 4 4 H AcNH AcNH H H H A kitin egy hosszú polimer láncmolekula, melyet N-acetilglükózamin molekulák alkotnak és a természetben sok helyen előfordul. A poliszacharidok közé tartozik. A gombák sejtfalának fő komponense, valamint az ízeltlábúak (rákok, rovarok) külső vázának alkotója is. Szerkezete a cellulózéval analóg, az N- acetil-d-glükózamin egységek között β (1 4) kötések találhatók.

59 Szerkezeti (váz) poliszacharidok pektin (gyümölcsök) Pectins are polysaccharides particularly prevalent in fruits such as apple pulp (pép) (10 15%) and orange and lemon rinds (héj) (20 30%). Pectins are composed of D-galactopyranuronic acid units linked α-1 4. CH H H CH H H CH H H (uronsav!) Typical levels of pectin in plants are (fresh weight): apples 1 1.5%, apricot 1%, cherries 0.4%, oranges %, carrots approx. 1.4%, citrus peels, 30%. Az élelmiszeriparban elsősorban gyümölcszselékben és lekvárokban, E440 néven széles körben alkalmazzák. Előfordulhat továbbá gyümölcsitalokban, tejtartalmú élelmiszerekben, zselés cukorkákban, valamint egyes diétás ételekben. ne of the most prominent characteristics of pectins is their ability to form gels at concentrations as low as % (w/v). A pektint az élelmiszeriparban zselésítőanyagként, térfogatnövelőként, valamint stabilizálószerként alkalmazzák. A legtöbb estben lekvárok, dzsemek zselésítésére használják, így javítva annak minőségét. Házi befőzéshez cukorral keverve kapható (egy kevés citromsav hozzáadásával a ph-egyensúly megtartása miatt). Egyes országokban a befőzéshez a pektint tiszta, porított állapotban lehet beszerezni. A hagyományos jellegű lekvár (60%-nál nagyobb cukor- és gyümölcstartalom) előállításához magas észtertartalmú pektint használnak. Alacsony észter-tartalmú pektin alacsony cukortartalmú (diétás) lekvárok készítéséhez ajánlott. Az élelmiszerekben a pektint általában 0,5-1,0% koncentrációban alkalmazzák (a friss gyümölcsökben is ilyen arányban található meg). Pékáruk esetén zsírok helyettesítésére használják. Kozmetikumok elsősorban stabilizáló hatása miatt tartalmazzák.

60 A keményítő A keményítő a cellulóz mellett a másik legelterjedtebb poliszacharid a növényvilágban. A keményítő a széndioxidasszimiláció terméke, amely keletkezésének helyén a növényi nedvekben feloldódik és más növényi részekbe (pl. gumóba, gyökérbe) vándorol, és ott mint tartaléktápanyag szemcsés formában raktározódik. A növény csökkent asszimilációja idején a keményítőt tápanyagként hasznosítja. A keményítő polimer szerkezetét tekintve két anyag az amilóz és az amilopektin keveréke. A legtöbb keményítő kb % amilózt és 80-90% amilopektint tartalmaz. Az amilóz mintegy ezer D-glükopiranóz egységből (1 4) glikozidos kötéssel épül fel és ezáltal a hosszú lánc spirális alakú hélixet képez, melyet intramolekuláris hidrogénkötések tartanak össze. HCH 2 HCH 2 H H HCH 2 H H Tartaléktápanyag poliszacharidok keményítő és glikogén H H HCH 2 H CH 2 H H H H H H CH 2 H CH 2 H Az amilopektin a keményítő másik komponense, ezernél több D-glükóz egységből épül fel. Szerkezete az amilózéhoz nagyon hasonló. Egyetlen, de nagyon lényeges különbség, hogy az (1 4) glikozidos kötéssel a D-glükózból felépülő főlánchoz minden glükóz egységnél (1 6) glikozidos kötéssel újabb amilózszerű oldallánc kapcsolódik. Asszimiláció (anabolizmus) az a folyamat, amelynek során az élő szervezetek a környezetükből felvett anyagokból saját testük anyagait felépítik.

61 A glikogén A glikogén az emberi és állati szervezetben ugyanazt a szerepet tölti be, mint a keményítő a növényi szervezetben. Tartalékszénhidrát szerepe miatt állati keményítőnek is nevezik. A szervezetben a glikogén az izmokban és főleg a májban halmozódik fel és az ún. glikolízis folyamán D-glükozil-foszfáttá való lebontást követően aerob ( 2 jelenlétében) körülmények között szén-dioxiddá és vízzé ég el, illetve anaerob módon L-(+)-tejsavvá alakul át. glikogén C 2 + H 2 H H H H P 3 H 2 H CH H CH 3 D-glükóz-1-foszfát tejsav A szerkezete az amilopektinéhez hasonló, azonban a glikogénben lévén hogy minden glükózegységre esik egy-egy láncelágazás a láncok sokkal elágazóbbak.

62 Monoszacharidok bioszintézisének útvonalai

63 Monoszacharidok bioszintézisének kulcsreakciói etil acetoacetát (ha 2 etil-acetát molekula reagál egymással) (pl. ha 2 aldehid reagál egymással)

64 Monoszacharidok bioszintézise a Calvin-ciklus The light-independent reactions of photosynthesis are chemical reactions that convert carbon dioxide and other compounds into glucose. Despite its name, this process occurs only when light is available. Plants do not carry out the Calvin cycle by night.

65 Monoszacharidok bioszintézise a C 2 fixálásának első lépései H 2 C P H 2 C P H 2 C P H 2 C P C HC HC H 2 C H H P C C HC H 2 C H H H P + C C C C HC H 2 C H H H P H H HC C C HC H 2 C H H P Ribulóz-1,5-biszfoszfát H 2 C P C H CH HC H HC H H 2 C P Fruktóz-1,6-biszfoszfát P = P(=)H 2 H 2 C C H 2 C HC H 2 C CH iii H H P P i HC H 2 C CH H ii P HC i: dihidroxiaceton-foszfát ii: glicerinsav-3-foszfát iii: glicerinaldehid-3-foszfát H 2 C C H H C + HC H 2 C P H H P

66 A fotoszintézis fényreakciói során keletkező ATP és NADPH a széndioxid fixálás folyamatában hasznosul. Mivel ezen folyamatok nem függenek közvetlenül a fény jelenlététől, a fotoszintézis sötétreakcióinak is nevezik őket. A sötétreakciók a sztrómában játszódnak. le. A C 2 fixálás alapfolyamata az ún. Calvin ciklus, ami a növények jelentős részében a C 2 megkötés Melvin Calvin és mtsai. által feltárt kizárólagos mechanizmusa. A Calvin ciklus folyamán keletkező elsődleges termékek 3 szénatomot tartalmaznak, ezért a széndioxidot ezen mechanizmus alapján kötő növényeket C3-as növényeknek nevezzük. A Calvin ciklus kulcsenzime a Rubisco (ribulóz-1,5-biszfoszfát-karboxiláz-oxigenáz), ami a tilakoid membrán sztróma felöli oldalához tapad (azaz nincs a membránba ágyazódva). A ciklus első lépésében a ribulóz 1,5-biszfoszfát (RuBP) C 2 -t köt meg, majd egy 6 szénatomos átmeneti termék képződése után 2 molekula glicerinsav-3-foszfátra (3PG) esik szét. Ezek egy-egy ATP felhasználásával glicerinsav-1,3-biszfoszfáttá alakulnak. Ezt a folyamatot a 3-foszfoglicerát kináz enzim katalizálja. A folyamat következő lépésében glicerinaldehid-3-foszfát (G3P) keletkezik, NADPH felhasználásával. Így a megkötött széndioxid szénhidrát szintig redukálódott. A folyamat során 6 C 2 molekula megkötésének eredményeként 12 molekula glicerinaldehid-3-foszfát keletkezik. Közülük kettő továbbalakul glukózzá, aminek átmeneti terméke a fruktóz-1,6-biszfoszfát. A többi, ATP felhasználásával a Rubisco regenerálására fordítódik.

67 ligoszacharidok bioszintézise Szacharóz Keményítő: A glükóz anomer centrumának aktiválása ADP-vel történik. Az újabb monoszacharid egységek a lánc redukáló(!) végére épülnek be. Glikogén: A glükóz anomer centrumának aktiválása UDP-vel történik. Az újabb monoszacharid egységek a lánc nem redukáló(!) végére épülnek be. Szacharóz képződése UDP-vel aktivált D-glükóz anomer centrumán lejátszódó nukleofil szubsztitúcióval. Kérdés: Miért nem változik a konfiguráció?

68 A glikogén bioszintézise A glükóz anomer centrumának aktiválása UDP-vel történik. Az újabb monoszacharid egységek a lánc nem redukáló(!) végére épülnek be.

69 ligo- és poliszacharidok (ipari) felhasználása válogatás Ciklodextrinek anyagok védelme oxidáció és UV-degradáció ellen feldolgozás vagy tárolás során; illat/aromaanyagok, fűszerek stabilizálása; élelmiszer/gyógyszer keserűségének vagy kellemetlen illatának elfedése; folyadékok száraz formába alakítása; vízoldhatóság növelése; szénhidrogének, szteroidok, zsírok, zsírsavak emulzifikálása; gyógyszerek, illat/aromaanyagok kontrollált kibocsátása; kémiai reakciók katalízise; elválasztástechnika (kromatográfia, kapilláris elektroforézis). Cellulóz papíripar, textilipar (pamut, len, stb), nitrocellulóz (cellulóz-nitrát; lőgyapot, celluloid); cellulóz-acetát (szigetelő filmek, lakkok, ragasztók, szálak); viszkóz (műselyem, cellofán). Keményítő élelmiszeripar (gélesítés, ételszerkezet módosítása, sörfőzés, stb); textilipar (szálak írezése: felületük lesimítása); gyógyszeripar (hordozó- és kötőanyag); bioetanol gyártás. Kitin gyógyszeripar (hordozó- és kötőanyag, antibakteriális sebkötöző anyagok); biodegradábilis csomagoló anyagok.

70 Glikokonjugátumok A cukor és egyéb biomolekulák között kovalens kötéssel létrejövő összetett polimereket nevezzük glikokonjugátumoknak. A baktériumok sejtfalát felépítő egyetlen óriásmolekulában, a peptidoglikánokban (régebbi neve murein) poliszacharid láncokat kötnek össze rövid peptidszakaszok. Az extracelluláris mátrix egyik fő komponense, a proteoglikánok esetében egy központi fehérjéhez (core protein) kapcsolódnak GAG (glükózamin-glikán) láncok. A proteoglikánok jelentőségét mutatja, hogy emlősökben legalább 40-féle fordul elő, melyek a központi fehérjeegységben és a hozzá kapcsolódó GAG láncokban is különböznek. A GAG láncok általában tetraszacharid linkeren keresztül kapcsolódnak a polipeptidlánc egyik Ser oldalláncához (glikozidos kötéssel). Egy peptidoglikán vázlatos szerkezete szerin A szindekán és glipikán proteoglikánok. Az ábra felső részén a kondroitin-szulfát és a linker oligoszacharid szerkezete látható.

71 A glikoproteineknél a polipeptidlánchoz változatos felépítésű oligoszacharidok kapcsolódnak. A sejtmembrán külső oldalán találhatók (integráns membránfehérjékben csak az extracelluláris oldalon lévő polipeptidlánc részhez kapcsolódnak!), az organellumoknál viszont a sejtkompartmentum belseje felé néznek. A cukorrészek változatossága teszi lehetővé, hogy mind a proteoglikánok, mind a glikoproteinek információhordozó makromolekulák lehessenek. A glikoproteinekben egy vagy több oligoszacharid lánc (az anomer C-n keresztül) kovalensen kötődik a polipeptidlánchoz. A cukorrész a fehérje tömegének 1-70%-a lehet. Az oligoszacharidok kétféle módon kapcsolódhatnak: N-glikozidos kötéssel Asn oldallánchoz (N-kapcsolt), - glikozidos kötéssel pedig Ser vagy Thr hidroxilcsoporthoz (kapcsolt). Glikoproteinek cukorrészének két kapcsolódási módja Aszparagin (Asp) Treonin (Thr) Szerin (Ser) elte.prompt.hu/sites/default/files/tananyagok/.../ch10s04.html

72 Szerkezeti (váz) poliszacharidok peptidoglikán, murein (baktériumok) A peptidoglikán (vagy más néven murein), a valódi baktériumok (Eubacteria) sejtfalának egyik összetevőjét alkotó makromolekula; az eukariótákban nem található meg. Benne aminocukrok (N-acetil-glükózamin és N-acetil-muraminsav β1 4 glikozidos kötéssel összekapcsolt) láncai kapcsolódnak egy alaninból, glutaminból és lizinből vagy diamino-pimelinsavból álló tripeptidhez. A peptidoglikánok erőt kölcsönöznek és alakot adnak a sejtfalnak. Az ősbaktériumok (Archaea) egy hasonló poliszachariddal rendelkeznek, a pszeudopeptidoglikánnal, amiben N-acetil-talozaminuronsav található az N- acetil-muraminsav helyett. GlcNAc Mur2Ac Az eukarióták (Eukaryota) olyan élőlények, amelyek valódi sejtmaggal rendelkező sejtekből állnak. A prokarióták, más néven elősejtmagosok vagy sejtmag nélküli egysejtűek (Prokaryota vagy Monera) egysejtű ritka esetekben többsejtű, körülhatárolt sejtmag nélküli élőlények. Az ábrán a Staphylococcus aureus baktérium sejtfalának szerkezetét mutatja (ez egy gram-pozitív baktérium). A peptid láncok (színes körök) kovalensen kapcsolódnak az N-acetilmuraminsav egységhez a szomszédos poliszacharid láncban.

73 Proteoglikánok: glikóz-aminoglikánok + extracelluláris proteinek A kötőszövetek egyfajta hálózatos szerkezetből és sejt közötti állományból állnak. A legfőbb alkotórészei a kollagének, melyek kollagén rostokat hoznak létre, az elasztin, mely rugalmas rostokat hoz létre és a glükozamin-glikánok (GAG) melyek a mátrix alapját alkotják. A rugalmas rostok szerteágazó struktúrát alkotnak a köztes tereket pedig proteoglikánok töltik ki. A kötőszövet jellegzetes szerkezeti egységét tehát a proteoglikánok jelentik, melyek fehérjéből és cukrokból épülnek fel és nagy vízmegkötő képességgel rendelkeznek. Glikánoknak nevezzük az egyféle cukor alkotta láncokat, homopolimereket (melyek glikozidos kötést tartalmaznak).

74 Proteoglycan aggregate of the extracellular matrix ne very long molecule of hyaluronate is associated noncovalently with about 100 molecules of the core protein aggrecan. Each aggrecan molecule contains many covalently bound chondroitin sulfate and keratan sulfate chains. Link proteins situated at the junction between each core protein and the hyaluronate backbone mediate the core protein hyaluronate interaction.

75 A proteoglikánok poliszaharidláncait a glükózamin és ezek N-acetil és szulfát származékai alkotják. A legfontosabb glükózaminglikánok a heparin, kondroitin-szulfát, keratán-szulfát, dermatán-szulfát és a hilauronsav. Izületeink szempontjából a kondroitin-szulfát és a keratán-szulfát ami figyelmet érdemel. E szulfát tartalmú porc-proteoglikánok (kondroitin-szulfát) aggregációra képesek, vízkötésük 50-szerese a szárazanyag tartalmuknak. Ám nem egyforma mértékben. Az öregedés és az izületek túlterhelése során e makromolekulák szerkezete megváltozik. A keratán-szulfát tartalom nő és egyre csökken a kondroitinlánc hossza. Ezek a változások a vízkötés csökkenésére, enzimatikus degradációra és vele degenerációra, arthrosisra hajlamosítnak. Heparin

76 kondroitin-szulfát A porcszövetek degeneratív folyamataiban, tehát a porc kondroitin-szulfát tartalma jelentősen csökken, ennek következtében a vízmegkötő képessége is kisebb lesz, így a csökkent víztartalmú szövetek rugalmassága is csökken. Ez a folyamat azután terhelés hatására mikro-sérülésekhez vezet, ami további degradációt okoz. Természetes kopolimer, amelynek fő építőelemeit két diszacharidszármazék a [4)-(β-D-glükopiranoziluronsav)-(1 3)-[2- (acetilamino)-2-dezoxi-β-dgalaktopiranozil-4-[hidrogén-szulfát)]-(1 ] és a [4)-(β-D-glükopiranoziluronsav)- (1 3)-[2- (acetilamino)-2-dezoxi-β-d-galaktopiranozil-6-[hidrogén-szulfát)]-(1 ] nátriumsói alkotják. Az anyag teljes hidrolízise során D-galaktózamin, D-glükuronsav, ecetsav és kénsav szabadul fel. Az anyag kinyerésére szárazföldi és tengeri állatok porcszöveteit egyaránt felhasználják. A 4-szulfát- és a 6-szulfátcsoportok aránya a kinyerésre felhasznált állatfajtól függően eltérő. Tartalom: % (szárított anyagra). SAJÁTSÁGK Küllem: fehér vagy csaknem fehér, nedvszívó por. ldékonyság: vízben bőségesen oldódik; acetonban és etanolban (96%) gyakorlatilag nem oldódik 76

77 Glikoproteinek oligoszacharid-fehérje konjugátumok A glikoproteinek olyan fehérjék, melyekhez kovalens kötéssel szénhidrátok kapcsolódnak. Prokarióták, eukarióták (valódi sejtmaggal rendelkeznek), sőt vírusok is rendelkeznek rájuk jellemző glikoproteinekkel. Eukarióta sejtekben a glikolizáció (vagyis a szénhidrátok hozzákapcsolódása a fehérjéhez) a Golgi-készülék nevű sejt szervecskében történik meg. Szénhidrátok kötődhetnek szerin, treonin, hidroxi-lizin és hidroxiprolin aminosavakhoz -glikozidos kötéssel, valamint aszparaginhoz N-glikozidos kötéssel. A glikolizációt glikozil-transzferáz enzimek végzik.

78 Glikoproteinek szerepe - megtermékenyülés - immunvédelem - vírusos, bakteriális fertőzések - sejtnövekedés - sejt-sejt adhézió - vérrögök feloldódása - gyulladásos folyamatok - tumor antigének plazmamembrán

79

80 Glikoszfingolipidek a plazmamembrán külső oldalán találhatóak, és a ceramid egység C1 hidroxil csoportja van glikozilezve. Szerepük a felismerésben (vírusok, baktériumok) és a sejtek közötti kommunikációban van. Galaktolipidekben egy vagy két galaktóz egység kapcsolódik glikozidos kötéssel az 1,2-diacilglicerin C3 hidroxilcsoportjához. A növényi sejtmembránok szulfolipideket is tartalmaznak, melyekben A C6 helyzetben szulfonált glükóz egységek találhatóak. Ezek a molekulák is amfipatikusak a foszfolipidekhez hasonlóan, és a molekula hidrofil része negatív töltésű.

81 Glikoszfingolipidek határozzák meg a vércsoportot. Az emberi vércsoportokat (, A, B) meghatározó a glikoszinolipidekben taláható eltérő oligoszacharid egységekben különböznek egymástól (glu: glükóz; Gal: galaktóz; GalNAc: N-acetil-galaktózamin; Fuc: fukóz) Szfingozin: egy 20 C-atomos aminoalkohol

82 A cukrok információhordozó kapacitása A képződő izomerek száma sokszorosan felülmúlja bármely más bio(oligo)polimer lehetőségeit H 2 N H 2 N Monomer Termék Izomerek száma összetétel Peptidek Szacharidok X 2 Dimer 1 11 X 3 Trimer XYZ Trimer H C R H C R CH CH szekvencia szekvencia H H H kapcsolódási pont anomer konfiguráció elágazások H H H H H H további módosítások: pl. szulfonil-, foszforil-, acetil-, metilcsoportokkal H H-csoportok kémiai módosítása nélkül is nagyságrendekkel többféle szerkezet kialakítására képesek, mint a nukleotidok és a peptidek. Ez akkora kódolási kapacitást rejt, amely mindenképpen alkalmas lehet a sejtspecifikus információk tárolására és megjelenítésére.

83 H H H D-Glc H H (2.5 %; %) ligonukleotidok, oligopeptidek és oligoszacharidok sokfélesége A szénhidrátkód H H H D-Gal H H (24.8 %; - 23 %) H H H H D-Man H (18.9 %; %) H H D-Xyl (0.1 %) H H H H H AcNH H D-GlcNAc (31.8 %; - 8 %) H HC H D-GlcA (0.3 %) H H H H H AcNH H D-GalNAc (4.8 %; - 2.3; %) H H HC H H L-IdoA (0.1 %) H H CH H H H 3 C AcNH H H H H H D-Sia (8.3 %; %) L-Fuc (7.2 %; %) Monoszacharid Előfordulás (%) Végcsoportként (%) 3299 emlős oligoszacharid statisztikai elemzése alapján Forrás: P. H. Seeberger et al., ACS Chem. Biol., 2007, 2, 685.

84 Biológiai makromolekulák információtartalma Forrás: J. E. Turnbull, R. A. Field, Nature Chem. Biol., 2007, 3, 74. A proteom molekuláris és funkcionális diverzitásának növelése a glikom révén A glikom másodlagos géntermékek halmaza, templátja csak a bioszintézist katalizáló enzimeknek van ( mikroheterogenitás) Az információt hordozó kémiai tér maximális kiterjesztése minimális genetikai ráfordítással