A legfontosabb szénhidrátok a szervezetben és a táplálékokban.

Átírás

1 Orvosi Biokémiai Intézet Semmelweis Egyetem Dr. Komorowicz Erzsébet, Dr. Törőcsik Beáta A legfontosabb szénhidrátok a szervezetben és a táplálékokban

2 A szénhidrátok szerepe: tápanyagok, a vékonybélben szívódnak fel tartalék energia források (glikogén) további alapvető biokémiai molekulák (lipidek, fehérjék) bioszintézisének intermedierjei a nukleinsavak szerkezeti alkotói részt vesznek a transzportfolyamatokban, sejt-sejt felismerésben, az immunrendszer működésében a növények vázalkotói (cellulóz) Glikom, Glikomika

3 A szénhidrátok általános jellemzői Összegképlet (egyszerű cukrokra): C n (H 2 O) n Funkciós csoportjaik: karbonilcsoport hidroxilcsoport Szerkezetük ismeretében a kémiai nevük: polihidroxi- oxovegyületek A karbonilcsoport típusától függően lehetnek: 1. polihidroxi-aldehidek, 2. polihidroxi-ketonok

4 A szénhidrátok csoportosítása a monomerek száma szerint: 1. Monoszacharidok savas közegben tovább már nem hidrolizálható egységek 2. Oligoszacharidok 2-8 monoszacharid egység, közülük leggyakoribbak a diszacharidok 3. Poliszacharidok (glikánok)

5 Monoszacharidok v. Egyszerű cukrok általában színtelen, kristályos vegyületek többnyire édes ízűek vízben oldódnak, apoláros oldószerekben nem oldódnak vizes oldatból kikristályosíthatók

6 Csoportosítás: karbonilcsoport alapján: aldózok és ketózok C atom szám alapján: triózok, tetrózok, pentózok, hexózok, heptózok, stb. glicerinaldehid (aldotrióz) dihidroxiaceton (ketotrióz) A két csoportosítást összevonva beszélhetünk pl. aldohexózokról, ketopentózról D-glukóz (aldohexóz) D-fruktóz (ketohexóz)

7 A glicerinaldehid ábrázolási módjai Királis monoszacharidok elnevezése: D-glicerinaldehid a poláris fény síkját jobbra, az L-glicerinaldehid balra forgatja el. A Fischer féle ábrázolás (Fischer Projekció): A királis molekulák két dimenziós ábrázolása A.) a legoxidáltabb csoport legyen legfelül, gömb és pálcika modell: tényleges konfiguráció B.) a szénlánc további része található alul, C.) a láncnak a kiralitás centrumtól felfelé és lefelé rajzolt része egyaránt a sík mögött legyen.

8 a little history chiral = handed enantiomer pairs = mirror images, and not equivalent Jean Baptist Biot (1813) : sugar is optically active dextrorotatory D levorotatory L

9 IZOMEREK (azonos kémiai összetétel, de különféle szerkezet) Konstitúciós izomerek (a vegyületeken belül az atomok kapcsolódási sorrendje eltér) Sztereoizomerek (a vegyületeken belül az atomok kapcsolódási sorrendje megegyezik, de térbeli helyzetük különböző) Enantiomerek (egymásnak tükörképi párjai) Diasztereomerek (nem egymás tükörképi párjai) Epimerek azok a diasztereomerek, amelynek bár több kiralitáscentruma van, csak egyetlen kiralitáscentrum konfigurációjában különböznek

10 A monoszacharidok minden CH-OH szénatomja kiralitáscentrum Aldózok(Cn): n-2 kiralitáscentrum, 2 n-2 sztereoizomer Ketózok (Cn): n-3 kiralitáscentrum, 2 n-3 sztereoizomer Enantiomerek: sztereoizomerek melyek egymásnak tükörképi párjai Diasztereomerek: sztereoizomerek melyek nem egymás tükörképi párjai Epimerek: azok a diasztereomerek, amelyek, bár több kiralitáscentrumuk van, csak egyetlen kiralitáscentrum konfigurációjában különböznek Epimerek

11 Interactions between (Bio)molecules Are Stereospecific

12

13 A Fischer-féle konvenciónak megfelelően a D- és L-cukrok abszolút konfigurációját a karbonil csoporttól legtávolabbi kiralitáscentruma határozza meg. A D-cukroké a D-glicerinaldehid az L-cukroké az L-glicerinaldehid kiralitáscentrumának konformációjával egyezik meg.

14 D-aldózok

15 A D-glukóz epimerjei Epimerek: azok a diasztereomerek, amelynek bár több kiralitáscentruma van, csak egyetlen kiralitáscentrum konfigurációjában különböznek

16 D-ketózok

17 A félacetálok (hemiacetálok) és félketálok (hemiketálok) kialakulása

18 A hexózok gyűrűvé záródása Az oxocsoportból kialakuló hidroxilcsoportot glikozidos hidroxilcsoportnak nevezzük Térkitöltő modell: C zöld, H fehér, O piros

19 Fischer-től Haworth-ig Haworth-vetítés gyűrűs szerkezetek megjelenítési módszere a síkban a gyűrűt helyezzük az O-nel hátra (vagy jobbra-hátra) egy jobb oldali OH (Fischer) alulra kerül (Haworth) egy bal oldali OH (Fischer) felülre kerül (Haworth) a D-cukrok legutolsó CH 2 OH-csoportja felül van az új félacetál bármely konfigurációjú lehet: a gyűrű szerkezetben új aszimmetriacentrum képződik. Azokat az izomereket, melyek csak a hemiacetál vagy hemiketál szénatomok konfigurációjában különböznek, anomereknek nevezzük. A hemiacetál/hemiketál (vagy karbonil) szénatomot anomer szénatomnak nevezzük

20 A D-glukóz két ciklikus formájának kialakulása A két izomer közül az az α-anomer, amelynek konfigurációja az anoméria centrumban ellentétes a D-L konfigurációt meghatározó (hexózoknál az 5 helyzetű) aszimmetriacentrum CH 2 OH csoportjának konfigurációjával. A másik anomer a β-anomer. A D-glukóz anomerjei vizes oldatban egymásba alakulnak, a jelenséget mutarotációnak nevezzük. Az optikai forgatóképesség értéke: : α-d-glukóz 18.7 : β-d-glukóz 52.7 : oldat Tehát ekvilibriumban az oldat több β-d-glukózt tartalmaz (63.6% β-d-glukózt és 36.4% α-d-glukózt)

21 Összefoglalásul, gyakorlási lehetőség

22 Piranózok és furanózok (szacharózban, maltózban) (laktózban) (szacharózban)

23 A ciklohexán gyűrű konformációi I

24 A ciklohexán gyűrű konformációi II Kád Szék Axis = tengely Equator = egyenlítő

25 A cukrok kémiai reakciói

26 A glukóz vízben oldódik H O H H O H H H O H O H H O H O OH O O H O H H O H H H H O O H H H O H O H

27

28 Foszfátészter keletkezés glukóz-6-foszfát

29 A foszforilált cukrok az energiatermelés és a bioszintetikus folyamatok kulcsfontosságú köztitermékei A foszforiláció hatására a cukrok negatív töltéssel bírnak, a plazmamembránon nem képesek áthaladni (vagyis a sejtet nem tudják elhagyni)

30 Emlékeztetőül. Foszfátészter kötés

31 Pentóz-foszfát-út, részlet

32 Oxidáció I Aldonsavak kialakulása: az aldehidcsoport karboxillá oxidálódik D- glukonsav D-glukono-δ-lakton (aldonsav) A glukóz aldehidcsoportja karboxillá oxidálódik: glukonsav keletkezik A karboxilcsoport reagálhat a C5 OH-csoporttal észtert képezve. Ez a reakció ismét gyűrűzáródáshoz vezet, belső észtert, ún. laktonszerkezetet hozva létre.

33 Oxidáció II A primer alkoholos OH-csoport oxidációja uronsavakat eredményez β-d-glukóz β-d-glukuronát (glukuronsav) Glukuronáttal ill. származékával találkozunk majd a heteropoliszacharidokban, és a biotranszformációban glukózból galaktózból mannózból D-glukuronsav D-galakturonsav D-mannuronsav

34 Redukció Az aldehid-, illetve ketocsoport alkoholos OH-vá redukálódik polialkoholt, ún. cukoralkoholt eredményezve glukóz szorbitol (glucitol) mannóz, fruktóz mannitol glicerinaldehid glicerol ribóz ribitol

35 A glukóz redukciója szorbitollá Sorbus (berkenye)

36 Redukció A monoszacharidok OH csoportjának redukciójakor dezoxicukrok keletkeznek. Közülük biokémiai szempontból legfontosabb a β-2-dezoxiribóz.

37 Advanced glycation end-product (AGE) kialakulása. A diabetes mellitus késői szövődményeinek kialakulásában (retinopathia, nephropathia, neuropathia, atherosclerosis, kardiológiai szövődmények) szerepet tulajdonítanak a glikált fehérjéknek is, amelyek fizikokémiai tulajdonságai a glikálás hatására megváltoznak.

38 A diszacharidokban a monoszacharidok O-glikozidos kötéssel kapcsolódnak Az O-glikozidos kötés az egyik monoszacharid glikozidos OH-csoportja és a másik monoszacharid hidroxil csoportja között jön létre, az anomer C atom O atomhoz kötődik. A nem-redukáló diszacharidok esetén (szacharóz) mindkét gikozidos OH-csoport részt vesz a kötésben A redukáló diszacharidok esetén az egyik monoszacharid gikozidos OH-csoportja szabad (maltóz, laktóz) Szacharóz (nem-redukáló)

39 Táplálkozási szempontból legfontosabb diszacharidok: szacharóz (nádcukor) α-1,2 kötés, nem-redukáló laktóz (tejcukor) β-1,4 kötés, redukáló maltóz α-1,4 kötés, redukáló

40 N-glikozidos kötés Az anomer C atom N atomhoz kötődik, pl. Glikoproteinekben: Nukleotidokban:

41 Poliszacharidok A poliszacharidok különböznek egymástól - az őket alkotó monoszacharid egységekben - a monoszacharidok közti kötésben - a lánc hosszúságában - a lánc elágazásának mértékében a homopoliszacharidok egyetlen fajta monoszacharidot tartalmaznak a heteropoliszacharidok kettő vagy több fajtát

42 Homopoliszacharidok amilóz amilopektin keményítő glikogén cellulóz tartalék tápanyagok, raktározott energiaforrások növényi sejtfal alkotó elem A glikogén és a keményítő ozmózisnyomása kisebb, mint a szabad glükóz molekulák ozmózisnyomása.

43 A cellulóz Homopoliszacharid, cellobióz egységekből épül fel: Cellobióz β-1,4 kötés Lineáris, fonalszerű Növényi sejtfal alkotó elem β-1,4 kötés

44 A keményítő Homopoliszacharid, α-d-glukóz Amilóz α-1,4 kötés, nem elágazó lineáris polimer helikális szerkezet, jód reakció pozitív Amilopektin α-1,4 kötés, α-1,6 kötés Növényi raktározott tápanyag Keményítő (és glikogén) α-1,4 kötés

45 A keményítő Amilóz és Amilopektin Amilóz: α-1,4 kötés Amilopektin: α-1,6 kötés

46 A glikogén szerkezete I A májban és az izomban tároljuk α-1,6 kötés α-1,4 kötés

47 A glikogén szerkezete II The glycogen polymer has one reducing and multiple non-reducing ends. β: glikogén molekulák (gömbforma) α: glikogén szemcse

48 Inulin Homopoliszacharid Jerusalem artichokes Lineáris fruktóz polimer b-(1,2) kötéssel összekapcsolt fruktóz egységek Növényi rost, nem emésztjük, prebiotikum Csicsóka, hagyma, fokhagyma, articsóka Vese glomeruláris filtráció (GFR) meghatározásához használják (mert nem metabolizálódik)

49

50 Heteropoliszacharidok: többfajta monoszacharidból épülnek fel Glukokonjugátumok: a szénhidrátlánc fehérjéhez vagy lipidhez kapcsolódik

51 Glycosylation is the process when mono-di-oligo saccharides are connected to other structures as proteins or lipids

52 Glikozilált fehérjék Általában poszt-transzlációs módosulás A fehérjéhez O-, vagy N-glikozidos kötéssel kapcsolódnak a szénhidrátláncok Glikoproteinek: kicsi, elágazó, faalakú oligoszacharid kapcsolódik a növekvő polipeptidhez Proteoglikán: nagy, nem elágazó glukózaminoglikán (GAG) szintetizálódik a fehérjén, diszacharid egységek ismétlődő hozzáadásával Mucinok: erősen glikozilált fehérjemonomerből álló polimerek

53 A proteoglikánokban a core fehérjéhez egy GAG lánc kapcsolódik, Ser/Thr O-glikozidos kötéssel A core-fehérjék is változatosak (pl. versican, decorin, perlecan) A GAG lánc is változatos: száma, hossza (min 100 cukor), diszacharid egység, szulfatáltság Funkcióik: - extracelluláris mátrix alkotó - GAG-ok negatív töltésűek, vizet kötnek - kommunikáció a sejtekkel

54 Monoszacharid származékok I: aminocukrok Mukopoliszacharidokban

55 Glükózaminoglikánok (GAG-ok) ismétlődő diszacharid egységei NEM szulfatált, NEM fehérjéhez kötött

56 Illusztráció: a proteoglikánok még egy családon belül is nagyon változatosak

57 Hialuronsav, proteoglikánok, és glikoproteinek az extracelluláris mátrixban

58 Monoszacharid származékok II: Módosított monoszacharidok - Hidroxilcsoport helyett más csoport - Sejtfelszínen

59 Módosított monoszacharidok III: Muraminsav: Glukózamin és laktát étere Neuraminsav (Neu): Mannózamin+Piruvát N-acetil-Muraminsav: peptidoglikánban, a bakteriális sejtfalban N-acetil-Neuraminsav (NANA): a leggyakoribb származék, sziálsav prototípusa

60 Sziálsav: a neuraminsav O-, ill. N-szubsztituált változata Kb 50-féle változat, negatív töltés

61 Oligoszacharid láncok kapcsolódása a polipeptidlánchoz glikoproteinekben Ser/Thr Asn

62 N-glikozidos kötéssel kapcsolt oligoszacharid lánctípusok a glikoproteineken

63 A plazmafehérjéink is glikoproteinek Sziálsav negatív töltése megakadályozza kitapadásukat Sziálsav elvesztését (aszialoglikoprotein) a máj aszialoglikoprotein-receptora felismeri, és a megöregedett fehérjét felveszi és lebontja

64 Influenza vírus tipizálás N (neuraminidáz) és H (hemagglutinin) sejtfelszíni antigének alapján, pl. H1N1, stb. Neuraminidáz: egy glikozidáz, mely a neuraminsavat lehasítja - a gazdasejt felszínéről elősegíti a bejutását, ill. - a vírion külső felszínéről így ki tud szabadulni a gazdasejtből az új vírusrészecske Neuraminidáz gátlók influenza ellenes szerek (zanamivir, oseltamivir) Hemagglutinin : a vírus felszínén lévő glikoprotein, ez kötődik a gazdasejt felszínén lévő sziálsavhoz, egy proteáz elhasítja a hemagglutinint, és a vírus endocitózisra kerül

65 Mucinok: nagy méretű, erősen glikozilált fehérjék, a nyák alkotói

66 Cell-Cell Recognition: Blood Group Antigens Carbohydrate portion of blood group glycolipids

67 Peptidoglikánok is heteroglikánok: bakteriális sejtfal alkotói kémiailag: - N-acetil-glukózamin és N-acetil-muraminsav egységekből álló polimerek glikán, - melyeket térben rövid peptidek kötnek össze peptid N-acetil-muraminsav: N-acetil-glukózamin (3. C atom OH-csop és laktát 2. C atom OH-csop étere)

68 Peptidoglikánok a bakteriális sejtfalban Vékony peptidoglikán réteg, és Külső membrán réteg, mely lipoproteineket és lipopoliszacharidokat (LPS) tartalmaz Akár 40 réteg peptidoglikánt is tartalmazhat, valamint további heteropoliszacharidokat Nature Reviews Microbiology 13, (2015) doi: /nrmicro3480

69 Arabinogalaktán: arabinóz és galaktóz polimere Homopoliszacharidok a gombákban: Béta-glükán: glukóz polimer, de béta1-3/béta1-6 glikozidos kötésekkel Gabonafélék sejtfalában is van, nem ágazik el, nem emésztjük, de felvételre kerül az enterocitákban, immunmoduláns Kitin: N-Ac-Glukózamin, béta1-4 kötésekkel