A szénhidrátkémia kisszótára:

Átírás

1 A szénhidrátkémia kisszótára: akirális: királis tulajdonággal nem rendelkező molekula anomer -atom: a ciklofélacetál gyűrűben a heteroatom melletti -atom, amelyhez a glikozidos kapcsolódik. antipód: enantiomer aszimmetriás -atom: A molekula egy olyan sp3-as szénatomja amelyhez 4 különböző atom vagy atomcsoport kapcsolódik. ciklofélacetál ggyűrű: akkor képződik addíció útján, ha a vagy csoport és egy alkoholos térben közel kerülnek diszacharid: két monoszachariddá hidrolizálható diasztereomer(ek): (görög dia: δια (through, between), stereos: στερεος (stiff; solid, stable), iso-, ισο, meros: µερος (portion; thigh; a thigh; a division or share (literally or figuratively, in a wide application ) nem enantiomer tulajdonságú sztereoizomerek. enantiomer: (görögἐνάντιος, ellentétes és μέρος, rész vagy darab) egymással fedésbe nem hozható tükörképi pár térszerkezetek epimer: egy másik molekula olyan sztereoizomerja, amelynek bár több sztereocentruma van, de a köztük lévő sztereokémiai különbség mindössze egy sztereocentumra vonatkozik. furanóz gyűrű: öttagú furán gyűrűt tartalmazó molekuláris rendszer. Fuc: D-fukóz Gal: D-galaktóz GluNAc: 2-acetamido-2-dezoxi-D-Glukóz homokirális molekulák: molekulák, amelyek azonos kiralitással rendelkeznek. 1

2 konstitúció: a molekulát alkotó atomok összessége, amely figyelembe veszi az atomok közötti kötéseket, de nem azok térbeli elrendeződését. konstitúciós izomerek: szerkezeti izomerek konfiguráció: egy központi atomhoz kémiai kötéssel közvetlenül kapcsolódó atomok térbeli elrendeződése, ami jellemzi a molekula térszerkezetét királis (kiralitás): az a molekula, amelyik saját tükörképi párjától különbözik, azaz tükörképi párjával fedésbe nem hozható. laktolgyűrű: ciklofélacetál gyűrű mezo-forma: olyan molekula, amely bár 2 vagy több aszimmetria-centrumot tartalmaz mégis belső kompenzáció folytán optikailag inaktívvá vagy akirálissá válik. monoszacharid: nem hidrolizálható további cukrokká mutarotáció: az a folyamat, amely során a cukrok félacetáljainak tiszta anomerjei azok egyensúlyi keverékét hozzák létre. oligoszacharid: 2-10 monoszacharid építi fel piranózok: olyan monoszacharidok, amelyek hattagú, egy heteroatomos gyűrűt tartalmaznak. poliszacharid: >10 monoszacharid építi fel pszeudo aszimmetriás -atom: hamis-, ál-, látszólagosan aszimmetriás -atom sztereoizomerek: olyan izomer molekulák, amelyekben rendre azonos kötések kötik össze az azonos atomokat, noha azok térbeli elrendeződése különböző. szerkezeti izoméria: az izoméria egy formája, ahol az azonos összegképletű molekulák atomjai eltérő módon kapcsolódnak egymáshoz. triszacharid: három monoszachariddá hidrolizálható 2

3 A cukorkémia koronázatlan királyai (kémiai Nobel-díjak): Emil Fischer 1902 Nobel-díj molecular structures of fructose, glucose, and many other sugars Eduard Buchner 1907 Nobel-díj enzyme causes sugar to break up into carbon dioxide and alcohol. ans von Euler- helpin Sir Arthur arden 1929 Nobel-díj fermentation of sugar Sir Norman.W aworth 1937 Nobel-díj succeeded in synthesizing vitamin Melvin Ellis alvin 1961 kémia Nobel-dij Zemplén Géza ( ) Szent-Györgyi Albert rvosi Nobel-díj

4 Tartalomjegyzék: 1.) Bevezető 2.) Monoszacharidok 2.1.) Konstitúció és konfiguráció 2.2.) Aldo- és ketotriózok 2.3.) Aldotetrózok 2.4.) Aldopentózok 2.5.) Aldohexózok 2.6.) Ketohexóz 2.7.) konformáció 3.) Monoszacharidok reakciói 4.) Disacharidok 4.1.) Nem-redukáló diszacharidok 4.2.) Redukáló diszacharidok 4.3.) Diszacharidok konformációs tulajdonságai 5.) Poliszacharidok 6.) Különleges biológiai jelentőséggel bíró cukrok 7.) Glikoproteinek 8.) Szénhidrát antibiotikumok 4

5 1.) Bevezető: A méz kb. 82%-a szénhidrát. Monoszacharidok közül fruktózt (38,2%) és glükózt (31%), a diszacharidok közül (~9%) szacharózt, maltózt, izomaltózt, maltulózt, turanózt és kojibiózt tartalmaz. ligoszacharid tartama (4,2%) viszonylag alacsony. 5

6 A szénhidrát, mint a felismerés eszköze I: a sejtközi térben lévő fehérvérsejtek szolgálat közben. fehérvérsejtek vörösvértest fehérvérsejtek felületén lévő szialil Lewis-X glikopeptidek Sérülés esetén a helyszínen megjelenő szelektin nevű fehérjék a Lewis-X glikopeptidek segítségével fehérvérsejteket (leukocitákat) kötnek meg. E felületre adhézió során kötődő és az érfalon kilépő leukociták fontos szerephez jutnak a további védekezésben. kapilláris kapilláris fal endotél sejtek szelektin (fehérje) 6

7 A szénhidrát, mint a felismerés eszköze II: a vércsoportok A B, A és 0 gén gyakorisága 4 etnikum esetében: GB J ongkong Eltérő konstitúciójú sejtfelszíni glikoproteinek: Vértranszfúzió során sokan meghaltak addig, míg 1901-ben Landsteiner meg nem fejtette a agglutináció rejtélyét. A Karl Landsteiner osztrák biológus és orvos, 1901-ben felfedezte az emberi vércsoportokat. rvosi Nobel-díj (1930) B Fuc α-1,2 Gal β-1,3 GlcNAc β-1,3 Gal -as Fuc α-1,2 Gal GalNAc α-1,3 β-1,3 GlcNAc β-1,3 Gal Fuc Gal α-1,2 Gal α-1,3 β-1,3 GlcNAc Gal β-1,3 7

8 A szénhidrát, mint a molekuláris építkezés alapeleme: cellulóz (lineáris) keményítő (spirális) hidrolízis cellobióz (β-forma) hidrolízis maltóz (α-forma) 2 2 celloboióz cellobióz = 4-(β-D-glükozil<1,5>) -D-glükóz <1,5> A cellulóz (Földünk legelterjedtebb szénvegyülete): - minden - -kötés akceptor és donor, ezért nem oldódik vízben a cellulóz maltóz = 4-(α-D-glükozil<1,5>)- D-glükóz <1,5> (maláta cukor) A keményítő hélixében: - vannak szabad --k, ezért vízben oldható a keményítő, - a hidrofób részek vannak befelé 8 (I 2 )

9 A vízoldhatatlanság titka: vízoldható di- és oligomer, de vízoldhatatlan polimer [β-d-glükozil<1,5>)] n 9

10 A szénhidrát, mint az energiatermelés része: Életünk alapja a fotoszintézis során előállított szénhidrát(ok), majd annak felhasználása x 2 + y 2 napfény x ( 2 ) y + x 2 szénhidrát 10

11 A szénhidrát, mint az energiatermelés része: a fotoszintézis során előállított energia A zöld színtest (kloroplasztisz) a fotoszintézist végző sejtszervecske x 2 + y 2 napfény x ( 2 ) y + x 2 szénhidrát 11

12 A szénhidrát, mint az energiatermelés része: cél: fényenergiából kémiai energiát állít elő a kloroplasztisz A fényfüggő reakció: A víz, mint redukálószer, aminek mellékterméke az NADP ADP + 2 P i + fény 2 NADP ATP + 2 A sötét reakció, szénfixálás vagy alvin-ciklus: ATP + 6 NADP foszfát + 9 ADP + 8 P i + 6 NADP glicerinsav-3-foszfát A bruttó egyenlet: 6 2 (gáz) (folyadék) + fotonok (folyadék) (gáz) (folyadék) redukálószer cukor melléktermék memo: a növény tipikusan nem mono-, hanem diszacharidot állít elő, mint pl. a nádcukrot, répacukrot vagy más néven a szacharózt α β α D-Glükozil<1,5>-β-D-fruktozid<2,5>

13 A szénhidrátok szerteágazó biológiai szerepet töltenek be: Tartalék tápanyag (az energia molekuláris tárolása): - keményítő (növények) - glikogén (állatvilág) Energiaforrás (prekurzorok): pl. ATP Glikokonjugátumok: glikolipid glikopeptid, glikoprotein Glikolipidek: foszfatidil-inozit (sejtmembrán) Genetikai információ (építőelemek): DNS, RNS Szerkezeti elemek: peptidoglikán (bakteriális sejtfal) cellulóz (növényi sejtfal, váz) exoszkeleton (gerinctelenek) Glikoproteidek: sejt sejt felismerés célbajuttatás ( targeting ) szállítás sejtmembrán vércsoport 13

14 Szénhidrátok etimológiája; avagy ne értsük félre a hétköznapi neveket! m ( 2 ) n cukor: - hétköznapi értelemben a cukor, az a szacharóz (in English: sucrose) - tudományos értelemben a cukor vagy szacharid, az a monoszacharid szacharid: (lat. saccharum, <cukor>) mono-, di-, tri-, oligo-, poliszacharid szacharóz: egy nem redukáló diszacharid (szukróz, nádcukor, répacukor, asztali cukor) α β szacharin: mesterséges édesítőszer (megtévesztő név, mert bár édes nem szénhidrát) α D-Glükozil<1,5>-β-D-fruktozid<2,5> S N szacharin gliko előtag (gör. glüküsz, <édes>) glikolipid, glikopeptid, glikoprotein, glikokonjugátum, glikobiológia, stb. 14

15 Szénhidrátok méretszerinti osztályozása: monoszacharid: nem hidrolizálható további cukrokká diszacharid: két monoszachariddá hidrolizálható mól maltóz diszacharid 2 mól glükóz monoszacharid mól szacharóz diszacharid 1 mól glükóz monoszacharid 1 mól fruktóz monoszacharid triszacharid: három monoszachariddá hidrolizálható oligoszacharid: 2-10 monoszacharid építi fel, poliszacharid: >10 monoszacharid építi fel 1 mól keményítõ vagy 1 mól cellulóz poliszacharid n n sok mól glükóz monoszacharid 15

16 2. Monoszacharidok 2.1) Konstitúció és konfiguráció: A szőlőcukor (glükóz) konstitúciójának meghatározása (E. Fischer): Az elemanalízis eredménye:,, A kvantitatív elemanalízis eredménye: : 40,0%, : 6,7% és : 53,3% m ( 2 ) m A molekulatömeg meghatározás eredménye: 180 Da 6 ( 2 ) 6 kérdés: milyen funkciós csoportok azonosíthatók?,, = tapasztalat: 1: acetilezés Ac 2 -val: (Ac) 5 5 db. szabad - 2: oxidáció Br 2 / 2 -val: (Ac) (Ac) 5 1 db. = 3: oxidáció I/P-vel: 5 6 () 5 alifás karbonsav egyenes szénlánc Konklúzió: A vegyület egy egyenes szénláncó polihidroxi-aldehid 16

17 2.1) Konstitúció és konfiguráció: A szőlőcukor (glükóz) konfigurációjának meghatározása: Az aldohexóz konstitúciójából következően számos sztereoizomer molekula vezethető le: memo: A 2,3,4,5,6-pentahidroxihexanal (aldohexóz) molekulának 2 4 -en, azaz 16 sztereoizomerje lehetséges memo: A D-glükóz a 16 lehetséges sztereoizomer egyike: a (2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-pentahidroxihexanal memo: A 2,3,4,5-tetrahidroxipentanal (aldopentóz) molekulának 2 3 -en, azaz 8 sztereoizomerje lehetséges memo: A 2,3,4-trihidroxitetranal (aldotetróz) molekulának 2 2 -en, azaz 4 sztereoizomerje lehetséges memo: A 2,3-dihidroxitrianal vagy glicerinaldehid (aldotrióz) molekulának 2 1 -en, azaz 2 sztereoizomerje lehetséges 17

18 2.2.) Aldo- és ketotriózok: A glicerinaldehid (2,3-dihidroxipropanal), az egyetlen aldotrióz szetereokémiája: sztereo ábra érzékeltetése a síkban: 2 2 enantiomer, 2 sztereo ábra a síkban a Fischer-féle konvenció szabályai szerint: 2 antipód 2 (R)-2,3-dihidroxipropanal (R)-glicerinaldehid (D)-glicerinaldehid (S)-2,3-dihidroxipropanal (S)-glicerinaldehid (L)-glicerinaldehid [ ] D 25 =+13.5 o [ ] D 25 =-13.5 o memo: enantiomer (görög): εναντιοσ, ellentétes és µεροσ rész vagy darab 18

19 Sztereokémia: aldotrióz és ketotrióz 2 egy kiralitáscentrum: 2 molekula 2 dihidroxi-aceton ketotrióz nincs kiralitáscentrum: 1 molekula D-cukor: az a monoszacharid, amelyikben a legmagasabb sorszámú avagy a karbonil csoport legtávolabbi kiralitáscentruma (leggyakrabban az utolsó előtti szénatom), a D-(+)-gliceraldehiddel, (vagy az L-( )-gliceraldehiddel) azonos konfigurációjú. 2 L-cukor: 19

20 Az abszolút konfiguráció meghatározása, a IP szabály: 1) a sztereocentrumhoz közvetlenül kapcsolódó atomok (szubsztituensek) rangsorának felállítása: az atomok rangja az atomszámmal nő (<<N<<F<l< ) 4<3<...<2<1< S 1 3) ha két szubsztituens királis szénhez kapcsolódó atomtípus azonos, akkor a konnektivitás mentén az első különbséget keressük (szférák) R: rectus (egyenes) S: sinister (bal) R.S.ahn,.K.Ingold és V.Prelog (1966) 2) R vagy S meghatározása: úgy nézzük a királis szenet, hogy a legkisebb rangú (4-es) 20 szubsztituenst ne lássuk : ha a rang az óramutató járása szerint növekszik akkor R, amúgy S

21 4) A többszörös kötés esetén duplikálás, triplikálás Y Y (Y) () (Y) () pl. () () () () pl. () () (N) () Y Y N N megjegyzés: prioritás sorrendek példák: 2 l 2 (Y) () () () a ( ) atomok "meztelen" atomok, azaz nincs "f olytatás" -l > -S > - > Br > - 2 l > - 2 > > - > - 3 > ( 3 ) > 2 > () 2 () (N) () 3 b d a c d a a c b c (S) b (R) d (S) 21

22 kérdés: válasz: példa: hogyan tudjuk a kiralitáscentrumot körülvevő szubsztituensek térbeli elhelyezkedését következetesen síkbeli rajzokon visszaadni? használjuk a Fischer-féle projekciót: szabály: minden vízszintes vonal a papír síkjához képest felfelé, minden függőleges vonal a papír síkjához képest lefelé kötésirányt rögzít. lent fent ermann Emil Fischer Kémiai Nobel-díj;1902 memo: a papír síkjához képest lefelé vannak a metilek, felfelé a bróm- és a -atomok. 22

23 konvenció: következmény: - a főláncot függőlegesen orientáljuk, - az összes szubsztituenst fedő állásúnak rajzoljuk, - a függőleges kötések a papírsík mögé vetítődnek, - a vízszintes kötések a papírsík elé. Bruckner I l 3 memo: A Fischer-féle konvenció értelmében a sík irányai hordozzák a molekula térbeliségének információját. kérdés: mit lehet csinálni és mit nem egy Fischer-féle projekciós képlettel anélkül, hogy a konfigurációt megváltoztatnánk? 3 Br 3 = A-val nem azonos szerkezet(s,s) 3 Br Br Br A-val azonos szerkezet 90 o forgatás a papír síkjában Br o forgatás a papír síkjában Br 3 23

24 kérdés: szabad-e a szubsztituenseket felcserélni, ha a konfigurációt meg kívánjuk őrizni? a R S R c a a d c d c b b d b válasz: igen, a projekciós képen páros számú cserét végre szabad hajtani, páratlan számút nem! Br 3 Et 3 3 Br Et Br 3 Br Br Et példa: Br 3 3 Et Et Et 24

25 kérdés: válasz: mi a relatív konfiguráció? 1951 előtt csak relatív (egymáshoz viszonyított) konfigurációk voltak ismertek, J.M.Bijvoet volt az első aki a röntgendiffrakció segítségével először megállapította a (+)-borkősav tényleges térszerkezetét korábban csak egy optikailag aktív alapvegyülethez (pl. glicerinaldehid) viszonyított konfigurációról lehetett beszélni Louis Pasteur (+)-borkősav ( ) eljárás: genetikus kapcsolat keresése avagy hogyan csináljuk meg a szóbanforgó molekulát a glicerinaldehidből úgy, hogy az eredeti konfigurációt megőrizzük: 2 2 D-(+)-glicerinaldehid R abszolút D-(+)-glicerinaldehid 2 2,3-dihidroxipropionsav 2 3 D-(-)-tejsav nem megengedett lépés mert a - kötést el kellene szakítani N 2 3 D-(-)-alanin R abszolút D relativ R abszolút D relativ R abszolút D relativ R abszolút D relativ megjegyzés: a D-glicerinaldehidből két szubsztituens kémiai átalakításával (de a konfiguráció megörzésével kapjuk a D-tejsavat). Ugyanakkor amíg a D-glicerinaldehid forgatása pozitív (jobbra forgat), addig a belőle származtatott D-tejsav forgatása negatív (balra forgat). Ilyen az élet! 25 memo: A D-tejsavból egy -, -N 2 cserével kapjuk a D-alanint.

26 Összefoglalás: a Fischer-projekció alkalmazása cukrok esetén 2 2 Pozicionálás a síkban: az aciklusos monoszacharidok gerince függőleges; a formil- vagy a karbonilcsoport mindig felül helyezkedik el. Kódolási konvenció: a függőleges vonal a papír síkjában elhelyezkedő vagy a sík mögé mutató kötést jelentik, míg a vízszintes a papír síkjából kiemelkedő kötésre utal egy D-aldopentóz 5 D-cukor: A -tól legtávolabbi, most az utolsó előtti szénatom -csoportja jobbra áll. Kiralitáscentrumok: értelmezésük és meghatározásuk külön-külön történik. 2 egy L-ketohexóz 6 L-cukor A -tól legtávolabbi, most az utolsó előtti szénatom 26 -csoportja balra áll.

27 2.3.) Aldotetrózok: 2 kiralitáscentum; 4 diasztereomer térszerkezet kérdés: milyen viszonyban vannak a sztereoizomerek egymással? válasz: - D-eritróz és L-eritróz egymás tükörképi párja: azaz enantiomerek - D-treóz és L-treóz egymás tükörképi párja: azaz enantiomerek - 1 és 3 vagy 2 és 4 nem tükörképi párok, de sztereoizomerek azaz diasztereomerek: azonos enant. dia.(2 epi) dia.(3 epi) 2 azonos dia.(3 epi) dia.(2 epi) 3 azonos enant. 4 azonos -az 1-es és 3-as molekulák 3-as szénatomjainak konfigurációja azonos, - a 2-szénatomok konfigurációja különböző: ezért ez a diasztereomer pár egymás 2-epimerje. R R 2 D-eritróz 1 S R S S 2 L-eritróz 2 R S memo: A diasztereomer molekulák fizikai tulajdonságaik eltérőek: pl. olvadás- és forráspont, törésmutató, oldhatóság, IR- és NMR-spektrumok. A két molekula különböző tulajdonságokkal rendelkezik. 2 D-treóz 3 L-treóz

28 2.4.) Aldopentózok: 3 kiralitáscentum; 8 diasztereomer térszerkezet D-ribóz D-arabinóz D-xilóz D-lixóz D- vagy L-? A legmagasabb sorszámú kiralitáscentrum és a glicerin aldehid konfigurációja D-glicerinaldehid L-ribóz L-arabinóz L-xilóz L-lixóz 2 L-glicerinaldehid 28 kiemelt fontosságú cukor

29 2.5.) Aldohexózok: 4 kiralitáscentum; 16 diasztereomer térszerkezet (8 D- és 8 L-sorozatbeli) 2-epimerek 2-epimerek D-allóz D-altróz D-glükóz D-mannóz 4-epimerek D-gülóz D-idóz D-galaktóz D-talóz 29 kiemelt fontosságú cukor

30 Összefoglalás: 4,3,2 vagy 1 kiralitáscentrum 16, 8, 4 és 2 sztereoizomer téralkatot eredményez * szter. izom. A 15 D-sorozatbeli aldóz sematikus rajza: (db) (db)

31 2.6.) Ketohexóz: 3 kiralitáscentum; 8 diasztereomer térszerkezet (4 D- és 4 L-sorozatbeli) a 4 db D-sorozatbeli hexulóz nyílt formájú szerkezete: D-pszikóz D-fruktóz D-szorbóz D-tagatóz ribohexulóz arabinohexulóz xilohexulóz lixohexulóz kiemelt fontosságú 31 cukor

32 Ketohexózok: összefoglalás 2 β-d-fruktofuranóz 2 32 ketotrióz D-ketotetrózok D-ketopentózok D-ketohexózok

33 2.7.) konformáció: A szőlőcukor (glükóz) konformációjának meghatározása: nem lineáris, hanem gyűrűs (félacetál) vegyület 2 Fischer-projekció 2 sztereo imitáció piros kék töltés

34 Az aldohexózok tényleges térszerkezete: A f élacetál képzõdés a gyûrûs f ormához vezet: nyílt láncú D-glükóz nyílt láncú D-glükóz 2 1 iklizálással félacetál képződik, kiralitáscentrummá válik a 1-atom (anomer szénatom) az így kialakuló diasztereomerek anomerek 1-epimerek vagy α-anomer ill. β-anomer 2 2 α-d-(+)-glükopiranóz β-d-(+)-glükopiranóz α/β -D-(+)-glükopiranóz: az anomer konfiguráció nem definiált

35 A gyűrűs forma rajzolástechnikája: memo: átírási szójáték bal (3 betű): => fel (3 betű) jobb (4 betű): => lent (4 betű) 35

36 A legfontosabb 3 aldohexóz gyűrűs szerkezete, téralkata: 2 2 -D-glükopiranóz 2 -D-glükopiranóz 2 -D-mannopiranóz -D-mannopiranóz 2 2 -D-galaktopiranóz -D-galaktopiranóz 36

37 37 glükóz galaktóz talóz mannóz gülóz idóz altróz allóz A 8 D-aldohexóz (kockacukor-cukorkocka) 2 epimerizáció 3 epimerizáció 4 epimerizáció

38 A ketohexózok tényleges térszerkezete: hogyan rajzoljuk a furanózokat: A nyílt láncú D-fruktóz különbözö konformációi nyílt láncú D-fruktóz nyílt láncú D-fruktóz 1 2 memo: pirán furán β-d-f ruktofuranóz α-d-f ruktofuranóz 1 2 tetrahidro-2 -pirán tetrahidrofurán 38

39 A gyűrűs forma rajzolástechnikája: 39

40 A 4 D-ketoohexóz (2D-kockacukor-cukornégyzet) β-d-pszikóf uranóz β-d-fruktof uranóz β-d-szorbóf uranóz β-d-tagatóf uranóz 3 epimerizáció 4 epimerizáció 40

41 A mutarotáció jelensége: Mutartotáció során egy optikailag aktív molekula forgatóképessége epimerizáció révén megváltozik. A monoszacharidok (pl. D-glükóz) jó példák erre a jelenségre, ahol is a 1 epimerek (α- és a β-anomerek) egyensúlyi aránya vízben mindig kialakul, függetlenül attól hogy mely anomer-arány értékről indul a folyamat. nyílt láncú D-(+)-glükóz egy idő múlva beáll az egyensúlyi oldat, amely forgatása : +52,7 o (= 0,38*112 o + 0,62*18,7 o ) kérdés: miért stabilabb a β-, mint az α-anomer? válasz: a nagyobb térigényű - (és nem a kisebb -) van ekvatoriális pozícióban. kérdés: van-e számottevő nyílt forma jelen az oldatban? válasz: nincs, sem UV-ban, sem IR-ben a = sávok nem azonosíthatók! 41

42 kérdés: minden hexopiranóz esetében a β- stabilabb, mint az α-anomer? tapasztalat: anomer α β T( o ) iklohexanol Glükóz 38* Galaktóz Mannóz 69** * 3-szoros növekedés a referenciához képest és **7-szeres növekedés a referenciához képest kérdés: miért változik és fordul meg a stabilitási sorrend a mannóz esetében? válasz: az anomer-effektus miatt. (nagysága 1-2 kcal.mol -1 ) magyarázat: elektronegatív szubsztituensek (pl. hidroxil-, alkoxicsoport, halogénatom) előnyben részesíthetik az axiális helyzetet a sztérikusan kedvezőbb ekvatoriális állással szemben, ha a gyűrű szomszédos atomja nemkötő elektronpárral rendelkezik. 2 2 α-d-mannopiranóz 69 % egyensúlyi oldatban β-d-mannopiranóz 31 % egyensúlyi oldatban magyarázat: (1) Az α-anomer esetében hiperkonjugáció típusú stab. lép fel az endociklusos heteroatom (oxigén) nem-kötő elektronpárja és az axiális σ* molekulapálya között (ez a β-anomer esetében nincs); (2) exo- és endociklusos heteroatomok dipólusai közel ellentétes állásúak axiális szubsztituens esetén (kioltják egymást, stabilisabb konf.), míg ekvatoriálisnál közel párhuzamosak (összeadódnak, destabil.). 42

43 Gyűrű-konformerek: a D-glükóz anomerjeinek és izomereinek egyensúlya: 1) ldatban az α- és β- anomerek, illetve a furanóz- és piranózgyűrűk egymással termikus egyensúlyt tartanak. 2) A lineáris forma fajlagos súlya kicsi, jelenléte mégis fontos egyes jelenségek és reakciók magyarázatához. 3) A furanóz-gyűrű bizonyítéka a D-Glükóz diacetonid származéka. 43

44 Gyűrű-konformerek: a D-glükóz anomerjeinek és izomereinek egyensúlya: a piranóz-gyűrű 2 szék konformerének téralkata: a β-d-glükóz 2 szék konformerének relatív stabilitása: 2 memo: rajzolás technika: a felsőállású szubsztituens marad felsőállású! memo: A D-Glükóz esetén az összes szubsztituens a gyűrűátfordulás miatt a kedvező ekvatoriális pozícióból a sztérikusan kedvezőtlenebb axiálsi pozícióba kerül. Kvalitatív stabilitásvizsgálat: ha T = 300K, akkor G 6 kcal/mol -1, mivel RT (lnk) = G, ezért K 5, Azaz 1 forma 99,995%-ban, míg az 1 forma mindössze 0,005%-ban van jelen! -D-(+)-glükopiranóz legstabilabb 1 konformere 2 -D-(+)-glükopiranóz labilisabb 1 konf ormere 44

45 Monoszacharaidok konformációanalízise a furanóz-gyűrű: kérés: az gyűrűs váz 5 atomjából melyik 4 van egy síkban? - ha a 3 emelkedik ki akkor 3-endo, - ha a 2, akkor meg 2-endo formáról beszélünk. memo: A gyűrűkonformerek különbsége eredményezi a DNS kettős hélix két eltérő formáját: - A-forma (3-endo) - B-forma (2-endo). 45

46 3.) Monoszacharidok reakciói: a glikozid képzés glikozidok: szénhidrátok acetáljai, bázikus oldatban stabilak, sav hatására cukorra és alkoholra hidrolizálnak, glükozid: glükóz acetálja, a glükóz glikozidja a glükozid mannozid: mannóz acetálja, fruktozid: fruktóz acetálja,... 46

47 A glikozid képződés mechanizmusa (E + Ad) sav katalizált folyamat: 2 memo: az alkohol mindkét oldalról kvázi egyforma eséllyel támadhat. β-d-glükopiranóz + A - A memo: a savas körülmények között a félacetál visszaalakulása is megy, azaz a gyűrű oxigénje is protonálódik. A A = sav 2 rezonancia által stabilizált karbokation 2 47

48 Glikozidok hidrolízise: 2 2 R R glükozid (bázikus oldatban stabil savban hidrolizál) definíció: aglikon: glikozid hidrolízisével nyert alkohol cukor aglikon (egy glikozid cukormentes alkotórésze) 48

49 Egy híres glikozid: az aszpirin rövid története - A fűzfakérget az ókori Ázsiában is használják (2400 éve) láz és fájdalomcsillapításra, tól a fűzfakéreg extraktumát használják hasonló célból, - ~1840 azonosítják a kivonat aktív komponensét a szalicint (salix [latin] fűzfa) Nencki (Bázel) kimutatja hogy a szervezetben szalicilsavvá alakul át a szalicin (A szalicilsav is fájdalom és lázcsillapító, de égeti a nyelőcsövet, gyomrot) Patikusok elkészítik a Na+ sóját, működik, de borzasztó az íze, hánytat Félix ofmann (Bayer) elkészíti az aszpirint, ami jól hat és elfogadható ízű. a acetilt, spir spirea-t (Gyöngyvessző melyből szalicilsavmetilészter izolálható) Az aszpirin klinikai kiprobálása és üzemi gyártása (Bayer) sak az USA-ban > 10 millió kg-t gyártanak évente Ac aszpirin atásmechanizmus: az aspirin, mint acetilezőszer a ciklooxigenáz (X) inhibitora, gátolja a prosztaglandin szintézist) - gyulladáscsökkentő, - a köszvény és reuma hatásos gyógyszere, - aszpirin szintézisére használható alapanyag, 49

50 Glikozidok hidrolízisének mechanizmusa (E + Ad) sav katalizált folyamat: metil-β-d-glükopiranozid metil-β-d-glükopiranozid rezonancia által stabilizált karbokation β-d-glükopiranóz 2 memo: a víz mindkét oldalról kvázi egyforma eséllyel támadhat α-d-glükopiranóz 50

51 ukrok epimerizációja bázis katalizált folyamat: kísérlet: D-Glükóz 24h vizes a() 2 tapasztalat: D-Mannóz és D-Fruktóz is megjelenik az oldatban. következtetés: védőcsoport alkalmazása, ha bázikus közegben akarunk dolgozni: Pl. Me-glikozidot készítünk a cukorból, és mivel az acetál lúgos körülmények között stabilis, ezért elvégezhetjük a kívánt reakciót, majd savval elhidrolizáljuk az acetál védőcsoportot. = 2 ornelius Adrian van Troostenbery Willem = 2 Lobry de Bruyn ( ) Alberda van Ekenstein (1895)

52 Enolizáció, tautomerizáció, izomerizáció memo: lúgos közegben a védőcsoportok alkalmazása szükséges a szénhidrátkémiában D-glükóz enolátion D-mannóz :=sp 2 2 tautomerizáció 2 memo: elvben aldoldimerizáció szerű mellékreakció is megjelenhet. 2 éndiol 2 D-f ruktóz 52

53 ukor metiléterek előállítása (SN2): bázis (vizes Na), felesl. dimetil-szulfáttal memo: az analóg Et- + vizes Na rendszerben nem keletkezik alkoholát, de a cukorban a sok e- csop. miatt mindegyik rendre lesz és ezért megy a metilezés S 3 3 metilglikozid 3 3 ismételt metilezés pentametil származék ukor metiléterek stabilitása vizes savban: vizes savban az acetál igen, de az éterkötés nem hidrolizál! 3 3 pentametilszármazék ,3,4,6-tetra--metil-D-glükóz 2 3 memo: gyűrűtagszám meghatározás: a nyitott formában a 5 --ja az ami nem metilezett azaz piranóz53 volt a gyűrű!

54 ukoréter előállítása (regioszelektív szintézis során): a primer alkohol reagál (S N ) ukoréter hasítása: kvaterner bázis sója TBDPS 3 Bu 4 N + F TF 3 54

55 ukorészterek szintézise: gyenge bázis (pl. piridin, nátrium-acetát), savanhidrid (ecetsavanhidrid); alacsony hőmérsékleten a reakció sztereospecifikus: α-anomer α-acetát β-anomer β-acetát Ac iklikus acetálok szintézise: aldehid, keton + 1,2-diol: csak cisz állású vicinális hidroxilcsoportokkal pl. α-d-galaktópiranóz esetében megy a reakció. cisz + cisz Ac Ac 2 S 4 Ac Br tetraacetil -D-glükózilbromid memo: ha tehát α- és β- anomer keverék oldatából indulunk ki, akkor α- + β-acetátot kapunk. De mind az α- mind a β-acetát az anomer effektus miatt a kedvezőbb α-br vegyületet adja. memo: dezacetilezés Me-ban Na + Me -al. memo: a védet Br-cukorral már lehet kapcsolni. + acetonid 55

56 Egy diszacharid kémiai szintézise Mechanizmus: xofrd hemistry Primer /arbohydrate chemistry 55 o. 56

57 ukrok oxidációs reakciói I. (cukrok kimutatása): Tollens-reagens Ag(N 3 ) 2 + Ag 0 Fehling-reagens u 2+ -tartarát u 2 borkõsav 2,3-dihidroxiborostyánkõsav Benedict-reagens u 2+ -citrát u 2 citromsav 2-hidroxipropán-1,2,3- trikarbonsav 57

58 Tollens-próba (ezüsttükör-próba): alifás és aromás aldehidek kimutatása R aldehid Ag(N 3 ) R + Ag ezüsttükör 0 2(+1) (+1) +1 Kísérleti körülmények: N 3 (5 ml) + AgN 3 (vizes) 150 ml kevertetés közben. A keletkező csapadék feloldódik további N 3 (5 ml) hatására. Az oldathoz adjuk a cukor vizes oldatát (4g glükóz 10 ml deszt. 2 ), lombikba öntjük és kevertetés közben vízfürdőn melegítjük 70. Eredmény: 4 perc múlva a lombik falát ezüsttükör fedi. memo: ketonokkal nem megy kivéve az α-hidroxiketonok R keton R' Ag(N 3 ) nincs reakció +1 a szén +1-rõl +3-ra oxidálódik az ezüst +1-rõl 0-ra redukálódik. +3 R R' α-hidroxi-keton Ag(N 3 ) R R' + Ag ezüsttükör 58

59 Monoszacharidok oxidációs reakciói: Benedict-próba: alifás aldehidek és redukáló cukrok kimutatása; a reagens u(ii) citrát komplexe bázikus oldatban, jól eltartható (szemben a Fehling-oldattal) u 2+ (komplex) + ( ) n vagy ( 2 ) n oxidációs termékek + u 2 Benedict-oldat (kék) 2 aldóz 2 ketóz téglapiros redukciós termék Szacharóz (angl. Sucrose): egy nem redukáló diszacharid α β α D-Glükozil<1,5>-β-D-fruktozid<2,5> 59

60 Redukáló cukrok: azok a cukrok, amelyek pozitív Benedict- vagy Tollens-próbát adnak félacetálcsoportot tartalmazó szénhidrátok: vizes oldatukban aciklusos aldehid vagy α-hidroxi-keton is megjelenik Nem redukáló cukrok: olyan cukrok, amelyek negatív Benedict- vagy Tollens-próbát adnak azok a glikozidos szénatomon acetálcsoportot tartalmazó szénhidrátok: lúgos oldatukban nincs jelen aciklusos aldehid vagy α-hidroxi-keton 60

61 Monoszacharidok oxidációs reakciói II: aldonsavak szintézise a kíméletesebb ox. bruttó egyenlete: memo: ( a Br-os ox. preparatív célra is alkalmas. ) n 2 aldóz Br Br ( ) n 2 aldonsav 0 2(+1) memo: 0 2(+1) a szén +1-rõl +3-ra oxidálódik, az elektrofil Br 2 0-rõl -1-re redukálódik. memo: - a glükonsavnál inkább a δ-lakton dominál - a galaktonsav esetében jelentősebb a γ-lakton mennyisége 1 kcal/mol (14%) 0 kcal/mol (86%) 61 RF/3-21G T=300K

62 Egy híres aldonsavlakton: -vitamin: L-aszkorbinsav (vízoldható vitamin) avitaminózis: skorbut Bruckner I/ Szent-Györgyi Albert ( ) [1937 Nobel-díj] Az askorbinsav savasságáról (pka = 4.17): egy savanyú enol. Az enol deprotonált formája, az enolát tipikusan egy erős bázis, ám itt a szomszédos kettőskötések stabilizálja a deprotonált formát (delokalizáció!), s csak ezért erős sav az aszkorbinsav. 62

63 Savak és erősségük: A szerves és szervetlen savak (Brønsted-féle savak) olyan kémiai molekulák amelyek protont + adnak át más molekuláknak (pl. 2, bázis) láh György 1994 kémiai Nobel-díj a mágikus savak pka ~ -20,0 felfedezője A szerves savakra a - csoport a jellemző, a saverősséget a csökkenő pk a érték méri. 63

64 Miért sav az aszkorbinsav? A szerves savakra jellemző csoportok helyett - csoportokat tartalmaz az aszkorbinsav és mégis sav? (pk a ~ 4,2) pk a = 4.7 ogyan magyarázható ez? A magyarázat a szerkezeti képletből kiolvasható! 64

65 Az elektron delokalizáció mint stabilizáló effektus: Minél nagyobb térrészben vannak a negatív töltést hordozó elektronok eloszolva, annál stabilabb egy anion. Mindez a molekula szerekzetéből következik. nincs konjugáció pk a ~18 van konjugáció pk a ~9.9 Mivel van konjugáció, ezért a fenol 100 milliószor savanyúbb a ciklohexanolnál! 65

66 A -vitamin savassága (pk a = 4.17): egy savanyú enol. Az enol deprotonált formája, az enolát tipikusan egy erős bázis, ám itt a szomszédos kettőskötések stabilizálja a deprotonált formát (delokalizáció!), s csak ezért erős sav az aszkorbinsav. J 66

67 Monoszacharidok oxidációs reakciói II: aldársavak (α ω-polihidroxidikarbonsavak) szintézise az erélyesebb oxidáció bruttó egyenlete: ( ) n 2 aldóz N 3 ( aldársav ) n memo: ketózok esetében lánchasadáshoz vezet: kisebb tagszámú cukorsavakat kapunk. memo: észteresítés nem lesz mert a N 3 melett nincs kénsav! N (+1) +2N 3 0 2(+1) a szén +1-rõl +3-ra oxidálódik a N +5-rõl +4-re redukálódik. +2N D-glükóz D-glükársav memo: a δ- mellett γ- lakton is képződik. aldársav (aldohexózból) 2 vagy 67 aldársav γ-laktonjai

68 kérdés: melyik az az aldohexóz amelyik N 3 -as oxidációt követően optikailag inaktív aldársavat eredményez? (Racemizáció nem lép fel.) kérdés: melyik D-aldársav a D-glükársav enantiomerje? kérdés: melyik D-aldársav azonos sztereokémiájú a D-altársavval? All. Alt. Glü. inaktív Man. Gül. Ido. Gal. Tal. 68

69 Monoszacharidok oxidációs reakciói II: Uronsavak (előállítás: direkt ox. nem alkalmas, mert a is ox., de védett cukorszármazékok oxidálhatók uronsavvá, pl. itt β D-glükuronsav itt β D-galakturonsav 69

70 D-glükóz oxidációja (összefoglalás) 70

71 D-glükóz oxidációja (összefoglalás) = N 3 Br 2 / 2 D-glükársav aldársav D-cukorsav 2 D-glükóz 2 D-glükonsav aldonsav D-glükuronsav alduronsav = Na/g redukció 2 71

72 Monoszacharidok oxidációs reakciói II: perjodátos oxidáció: polihidroxi-vegyületek oxidatív hasítása a még erélyesebb oxidáció bruttó egyenlete: memo: vicinális diolok oxidálhatók, 1) perjódsavval vízben vagy 2) Pb(Ac) 4 organikus közegben. + I4 2 + I az ox. részletei: memo: - aldehidet, ketont vagy savat kapunk az oxidáció végén. - kivitelezhető kvantitatív módon; analitika, - minden - kötés hasadásra egy - kötés kialakulása esik. I

73 kérdés: ány mól I 4 oxidálja a glicerint és mik a kapott termékek? glicerinaldehid + 2 I hangyasav hangyasav f ormaldehid kérdés: ány mól I 4 oxidálja a dihidroxi-acetont és mik a kapott termékek? + 2I 4 glicerin + 2 I 4 dihidroxi-aceton formaldehid hangyasav f ormaldehid kérdés: ány mól I 4 oxidálja a glicerinaldehidet és mik a kapott termékek? f ormaldehid szén-dioxid f ormaldehid 73

74 kérdés: ány mól I 4 oxidálja a propán- 1,3-diolt és mik a kapott termékek? I R gyakorló feladatok: ány mól I 4 + I 4 2 kérdés: Mivé oxidál a I 4 egy β-hidroxi-étert? oxidálja és mivé az alábbi vegyületeket? Me Me D-eritróz butane-2,3-diol butane-1,2,3-triol 3,4-dimethoxybutane-1,2-diol I termék: 2 acetaldehid aceton +ecetsav +acetaldehid aceton + 2,3-dimetoxipropánal hangyasav + formaldehid 3,4-dihydroxybutan- 2-one 3-hydroxypentane-2,4-dione (1R,2S)-cyclopentane- 1,2-diol 2-methylpropane-1,2- diol I termék:formaldehid +hangyasav +ecetsav hangyasav +2ecetsav α ω-dialdehid formaldehid +aceton 74

75 Monoszacharidok redukciója I.: alditok vagy alditolok a redukció bruttó egyenlete: ( ) n 2 aldóz NaB 4 vagy 2 /Pt ( 2 ) n 2 aldit v. alditol 2 A D-glükóz redukciója a nyíltformán keresztül értelmezhető : A 8 alditol neve: allit, altrit, glücit, mannit, gülit, idit, galaktit, talit 2 D-glükóz 2 NaB 4 2 D-szorbit D-szorbitol (D-glücit) kérdés: ptikailag aktív-e a D-glücit? igen Allit Galaktit inaktív kérdés: Rajzoljon fel optikailag inaktív D-aldito(ka)t! 75

76 Redukció okozta sztereokémiai egybeesések: memo: D-szorbit avagy D-glücit azonos az L-gülit molekulával (angolul: D-Sorbitol, D-Glucitol), az emberi szervezetben csak lassan metabolizálodó édes ízű cukoralkohol (kb. fele a kalória egyenértéke mint egy aldohexóznak). kérdés: melyik L-aldohexóz eredményez a D-mannittal azonos sztereokémiájú cukoralkoholt? (L-mannóz) memo: D-mannit (angolul: D-Mannitol vagy D-Mannit) vizes oldata enyhén savanyú kémhatású, édesítőszerként is használatos. 76

77 Érdekes alditok: D-mannit 2 D-xilit(D- Xylitol) D-xilit 2 2 Madárberkenye (Sorbus aucuparia) cseresznye szilva körte alma moszat alga ondó Fogszuvasodást okozó baktériumoknak emészthetetlen 2 2 D-glucit L-gulit D-szorbit diabetikus édesítôszer 2 növényi manna kőrisfa, olajfa platán D-galaktit dulcit 2 2 madagaszkári manna 2 2 fogszuvasodás gátló rágógumi Xylitol is a "toothfriendly," nonfermentable sugar alcohol. A systematic review study on the efficacy of xylitol has indicated dental health benefits in caries prevention, showing superior performance to other polyols. szürke hályog esetén a szem csarnokvizében a dulcit konc. megnő 77

78 Monoszacharidok reakciója II. (fenil-hidrazinnal) oszazonok: megjegyzés: 1mól aldehid 1mól fenilhidrazinnal 1 mól fenilhidrazont eredményez. kérdés: az analóg reakció során mi lesz ha a fenilhidrazint feleslegben (>3 mól) használjuk? válasz: fenil-oszazont kapunk mechanizmus: és N hasonlóan viselkedik A N N 6 5 cukorf enilhidrazon A tautomerizáció N N 6 5 N N 6 5 cukoroszazon + N N N A NN N 2 anilin N imino-oxo intermedier 78

79 kérdés: Mi a különbség a D-glükóz, a D-mannóz és a D-fruktóz oszazonjai között? N N 6 5 N N NN NN 2 válasz: 2 D-glükóz 2 oszazon 2 D-mannóz 1) semmi, ugyanazt az oszazont eredményezik (a D-Glü és a D-Man 2 epimerek!) 2) A fruktóz is ugyanezt az oszazont eredményezi (aldóz-ketóz hasonlóság). Aldózok láncrövidítése: a Ruff-lebontás kérdés: 2 D-( )-ribóz Br Fe 2 (S 4 ) D-( )-ribonsav 2 D-( )-eritróz tto Ruff (német kémikus: ) Melyik másik aldopentóz lánclebontása eredményez szintén D-eritrózt? (D-Arabinóz) 79

80 Aldózok lánchosszabbítása: Kiliani-Fischer-szintézis memo: aldóz lánchosszabbítása ciánhidrinen keresztül einrich Kiliani ( ) Emil Fischer ( ) D-( )-eritróz N N 2 (1)Ba() 2 (2) Na/g 2 p D-glicerinaldehid 3 N (1)Ba() 2 (2) Na/g 2 p epimercianohidrinek (elválaszthatók mert diasztereomerek) memo: a kapott diasztereomerek könnyedén elválaszthatók kérdés: hogyan állítana elő L-treózt? epimer -aldonolaktonok D-( )-treóz 80

81 kérdés: hogyan döntenénk el egyszerűen, hogy melyik aldotetrózzal van a kettő közül dolgunk? válasz: a megfelelő két aldársav közül az egyik optikailag inaktív (mezo-borkősav), az származik az D-eritrózból, míg a másik forgat, tehát az keletkezett a D-treózból. kérdés: melyik aldotetróz oxidációs terméke lenne az L-borkősav? 81

82 D-aldózok generikus-fája (Kiliani-Fischer-lánchosszabítás, Ruff-láncrövidítés) D-aldohexózok 2 D-(+)-allóz 2 D-(+)-altóz 2 D-(+)-glükóz 2 D-(+)-mannóz 2 D-( )-gülóz 2 D-(+)-idóz 2 D-(+)-galaktóz 2 D-(+)-talóz D-aldopentózok 2 D-( )-ribóz 2 D-( )-arabinóz 2 D-(+)-xilóz 2 D-( )-lixóz D-aldotetrózok D-aldotrióz 2 D-( )-eritróz 2 D-(+)-glicerinaldehid 2 D-( )-treóz 82

83 Aminocukrok: Az aminocukrok olyan cukorszármazékok, amelyekben az egyik hidroxicsoport egy amino csoporttal van helyettesítve. 2 2 N 2 N 2 α-d-glükózamin β-d-glükózamin 2-amino-2dezoxi α-d-glükópüranóz A glükózamin a kitin kitobióz hidrolizisének terméke. A glükózaminoglikán prekurzora, ami a porc alkotórésze porcerősítő. 2 2 N 2 α-d-mannózamin 2 β-d-mannózamin N 2 2 memo: ne keverjük össze a glikozilaminokkal, amelyekben aminocsoport helyettesíti az anomer hidroxilcsoportot: N 2 α-d-galaktózamin N 2 β-d-galaktózamin 2 N 2 β-d-glükopiranozilamin 83

84 Összefoglalás: monoszacharidok tipikus reakciói Br 2, 2 N 3 NaB ( 3 ) 2 piridin NNPh NNPh 2 3 PhNN 2 I l 3 ( 3 ) 2 S (1) N, N (2) Ba() 2 (1) Br 2, 2 (3) (2) 2 2, 3 + (4) Na/g Fe2(S4 )

85 Tartalomjegyzék: 1.) Bevezető 2.) Monoszacharidok 2.1) Konstitúció és konfiguráció 2.2.) Aldo- és ketotriózok 2.3.) Aldotetrózok 2.4.) Aldopentózok 2.5.) Aldohexózok 2.6.) Ketohexóz 2.7.) konformáció 3.) Monoszacharidok reakciói 4.) Disacharidok 4.1.) Nem-redukáló diszacharidok 4.2.) Redukáló diszacharidok 4.3.) Diszacharidok konformációs tulajdonságai 5.) Poliszacharidok 6.) Különleges biológiai jelentőséggel bíró cukrok 7.) Glikoproteinek 8.) Szénhidrát antibiotikumok 85

86 4. Diszacharidok A méz kb. 82%-a szénhidrát. Monoszacharidok közül fruktózt (38,2%) és glükózt (31%), diszacharidok közül (~9%) szacharózt, maltózt, izomaltózt, maltulózt, turanózt és kojibiózt tartalmaz. ligoszacharid tartalma (4,2%) viszonylag alacsony. 86

87 Di-, oligo- és poliszacharidok osztályozása 2 v. több monoszacharid összekapcsolódása vízkilépés során. A formális éterkötés legalább egyik --ja glikozidos -! nem redukáló diszacharidok: van kötés, s ezért nincs szabad glikozidos, nincs mutarotáció típus redukáló diszacharidok: van kötés, s ezért van szabad glikozidos, van mutarotáció glikozidos- glikozilcsoport Közismert és fontosabbb diszacharidok (redukáló és nem-redukáló): Diszacharid monoszach. monoszach. kapcsolódás módja oldhatóság g/100 ml 20 trehalóz D-glükóz D-glükóz α(1 1)α ~ 69 szacharóz D-glükóz D-fruktóz α(1 2)β ~ 212 maltóz D-glükóz D-glükóz α(1 4) ~ 108 cellobióz D-glükóz D-glükóz β(1 4) ~ 12 laktóz gencibióz D-galaktóz D-glükóz D-glükóz D-glükóz β(1 4) β(1 6) ~ 18 ~

88 4.1.) Nem-redukáló diszacharidok I: A trehalóz: - előfordulás (gombák, élesztő, algák, rovarok, stb.) 1832-ben Wiggers rozsból - oldhatósága vízben: 68,9 g/100 ml (20 ) - szerkezet felderítés: 1.) molekula képlete: ) 1 mol savas hidrolízise 2 mol D-glükózt eredményez. 3a.) negatív Benedict- v. Tollens-próba nem redukáló cukor 3b.) nem mutarotál, nem képez fenil-oszazont és nem oxidálható brómos vízzel nincs benne félacetálcsoport. Tehát a glükóz 1-ek vannak összekötve, mert csak így lehet mindkét = acetál formában jelen. 4.) a glikozidkötés sztereokémiája enzimatikus hidrolizissel: - az α-glükozidáz enzim igen, a β-glükozidáz nem hidrolizálja 5.) kimerítő metilezés oktametil származékot ad, amely hidrolizálva 2 mol. 2,3,4,6-tetra--metil-D-glükózt eredményez: 1 1 α α memo: - trehaláz enzim bontja, - a repülő rovarok energiaforrása 88

89 4.1.) Nem-redukáló diszacharidok II: A szacharóz (nádcukor, répacukor) minden fotoszintézist végző növényben azonosítható! oldhatósága vízben: 211,5 g/100 ml (20 ) szerkezet felderítés: 1.) molekula képlete: ) 1 mol savas hidrolízise 1 mol D-glükózt és 1 mol D-fruktózt eredményez. 3a.) negatív Benedict- v. Tollens-próba nem redukáló cukor 3b.) nem képez oszazont és nem mutarotál nincs benne félacetál csoport Tehát a glükóz 1-e és a fruktóz 2-je van összekötve, 1 mert csak így lehet mindkét acetál formában jelen 4.) a glükozid kötés sztereokémiája enzimatikus hidrolízissel: β 2 - az α-glükozidáz enzim igen, a β-glükozidáz nem hidrolizálja - a szukráz enzim hidrolizálja, ami csak a β-fruktofuranozid kötést bontja α 2 β-d-fruktofuranóz α-d-glükopiranóz 5.) kimerítő metilezés oktametil származékot ad, amely hidrolizálva 2,3,4,6-tetra--metil-D-glükózt és 1,3,4,6-tetra--metil-D-fruktózt eredményez: 89

90 ogyan rajzoljunk szacharózt: 1) Rajzoljuk fel a két monomert (az α-d-glükópiranózt és a β-d-fruktófuranózt, majd forgassuk el 180 o -kal az utóbbit Ipari hasznosítása: az invert cukor, ami a nádcukor vagy répacukor híg oldatának savakkal való főzésekor, vagy az invertáz enzimmel való bontás után kapott szőlőcukorból és gyümölcscukorból álló keverék. 2) Kössük össze a két glüközidos -t. 90

91 4.2.) Redukáló diszacharidok I: A maltóz (malátacukor): - keményítő részleges hidrolízise során (pl. diasztáz enzim) maltóz azonosítható! - oldhatósága vízben: 108 g/100 ml (20 ) - szerkezet felderítés: 1.) molekula képlete: ) 1 mol savas hidrolízise 2 mol D-glükózt eredményez. 3a.) pozitív Benedict- v. Tollens-próba redukáló cukor 3b.) képez oszazont van benne félacetál csoport Tehát az egyik Glükóz 1-e szabad kell legyen! 3c.) két anomer formája létezik: α-(+)-maltóz [a] 25 D =+168 o és β-(+)-maltóz [a] 25 D =+112 o ami idővel [a] 25 D =+136 o egyensúlyi keverékké mutarotál. 2 α 2 4.) a glükozid kötés sztereokémiája enzimatikus hidrolízissel: - az α-glükozidáz enzim igen, a β-glükozidáz nem hidrolizálja 5) oxidálható brómos vízzel maltonsavvá, amit ha kimerítő metilezés után hidrolizálunk, akkor kapjuk a 2,3,4,6-tetra--metil-D-glükóz és a 2,3,5,6-terta--metil-D-glükonsav keverékét mivel a glükonsav 4 -ja szabad maradt ezért azon keresztül kapcsolódnak össze. 91

92 Br 2 / maltóz (1) 3, + (2) ( 3 ) 2 S 4, 2 2 maltonsav ( 3 ) 2 S ,3,4,6-tetra--metil-D-glükóz 2,3,6-tri--metil-D-glükóz ,3,4,6-tetra--metil-D-glükóz ,3,5,6-tetra--metil-D-glükonsav 6) A maltóz kimerítő metilezés utáni hidrolízise során 2,3,4,6-tetra--metil-D-glükózt és 2,3,6-tri--metil-D-glükózt kapunk, tehát a 5--ja szabad, ami bizonyítja92 hogy a második gyűrű is piranóz!

93 A maltóz (malátacukor) térszerkezete: ajlított térszerkezet -hidak memo: maltáz-enzim bontja 93

94 Erjesztés során a cereáliákban (pl. árpa) lévő keményítőből az amiláz enzimeknek köszönhetően maltózt kapunk. Fermentálás során az élesztő a maltózt Et-ra és 2 -re bontja: , amely folyamat piroszőlősav (egy ketokarbonsav: 3 ), majd acetaldehid keletkezésén keresztül megy. keményítő: növények energiaraktára 2 2 maltóz α-d-glükopiranozil-d-glükopiranóz 94

95 4.2.) Redukáló diszacharidok II: A cellobióz a cellulóz részleges hidrolízise során azonosítható! oldhatósága vízben: 12 g/100 ml (20 ) Szerkezete olyan mint a maltózé, kivéve annak glikozidkötését. 2 β 2 cellobióz 4--(β-D-glükopiranozil)-D-glükopiranóz itt β 2 α 2 maltóz 4--(α-D-glükopiranozil)-D-glükopiranóz A glükozidkötés sztereokémiáját bizonyítja az, hogy enzimatikus hidrolízis során az α- glükozidáz enzim nem, míg a β-glükozidáz hidrolizálja a cellobiózt. 95

96 4.2.) Redukáló diszacharidok III: A laktóz vagy tejcukor legtöbb újszülött emlős tápláléka! oldhatósága vízben: 18 g/100 ml (25 ) Szerkezete hasonlít a cellobiózéhoz, de az első cukor itt D-galaktóz memoriter: mint a cellobióz csak az első nem Glü hanem Gal β 2 itt β laktóz 4--(β-D-galaktopiranozil)-D-glükopiranóz A laktáz (v. β-d-galaktozidáz) enzim bontja galaktózra és glükózra, ami eztán felszívódik. memo: felnőtt korban a laktáz gén kikapcsolódhat, ami tejérzékenységhez (laktóz intoleranciához) vezet. memo: mivel a glükóz és a galaktóz együtt édesebb érzetet kelt mint a laktóz, ezért az enzimet pl. a fagylaltipar is használja. 96

97 Az anyatej kémiai összetétele: Az anyatej oligoszacharidjainak sematikus szerkezete memo: a kb. 200 MS-el azonosított oligoszacharidból mintegy 130 pontos szerkezete 97 már ismert

98 4.2.) Redukáló diszacharidok IV: A genciobióz (keserű mandula alkotórésze, aglikonja a mandulasavnitril) 2 β N genciobióz 6--(β-D-glükopiraznozil)-D-glükopiranóz itt β memoriter: mint a cellobióz, csak az a kapcsolódás 98 nem 1-4 hanem 1-6

99 4.3.) Diszacharidok konformációs tulajdonságai: φ = 114 or 116 ψ =

100 ligoszacharidok: ciklodextrin 6, 7 vagy 8 α-dglükopiranózil egységből felépülő gyűrűs, nem redukáló makromolekula A ciklodextrinek hengeres téralkatúak; belül apoláros, kívül poláros karakterű 100

101 Mesterséges édesítőszerek Alap édesítőszerek: szacharóz és a fruktóz (kalória túlfogyasztás és fogproblémák) Megoldás: mesterséges édesítőszerek - Aszpartám -Asp-L-Phe-Me (100 édesebb, mint a szacharóz) gondok: - lassan hidrolizál (italok) - hőre bomlik (sütés) - fenilketonureások nem ehetik. - Alitám (2000 édesebb, mint a szacharóz) - Szukralóz: a szacharóz triklórszármazéka (600 édesebb, mint a szacharóz) hőre stabil, fogakat nem bántja 2 l - ciklamát + szacharin 10:1 keverék Na + vagy a 2+ sói - gondok: rákkeltő (betiltva) N ciklamát S 3 S N szacharin - L-hexózok édesek, de nem metabolizálnak, viszont drága az előállításuk N aszpartám N 2 3 l 2 2 l szukralóz L-glükóz 3 N alitám N 2 N 101 S

102 Mesterséges édesítőszerek Racionális tervezés: mai tudásunk alapján 8 kötődési pont azonosítható (-híd és vdw) a szubsztrát és a receptor között. pl szukronsav édesebb, mint a szacharóz N 2 N N N szukronsav Minek mi az ára? why rbit gum seems to have the same addictive powers as crack? 102

103 5. Poliszacharidok v. glikánok pl. keményítő, glikogén, cellulóz omo- és heteropoliszacharidok A keményítő: (kukorica, búza, burgonya, rizs) Vízzel forralva a kolloidból két komponenst kaphatunk: 1) amilóz (10-20%) (~ 1000 D-Glükóz) csupa α-(1 4) glikozidkötés lineáris polimer maltózra hasonlít 2) amilopektin (80-90%) elágazó polimer, elágazás cukronként 2 amilóz részlet α(1 >4) glikozidkötés 2 n > 500 n α(1 >6) elágazás amilopektin

104 A glikogén: α-(1 4) glikozidkötések miatt csavarodó polimer, mint az amilopektin, csak még több elágazással (elágazás cukronként) MW ~ 10 5 kda szerepe: állatok szénhidrát depója - mérete miatt nem diffundál ki a sejtből, (helyben használatos) - nem okoz akkora ozmózis nyomást, mint tenné azt sok ezer elemi glükóz, - a sok elágazás miatt sok a végcsoport ahonnan az enzimek ha kell, akkor hatékonyan és gyorsan hidrolizálják le a glükóz molekulákat. memo: Az állatok energiát két fajta molekulában tárolnak: - zsírsavak trigliceridjeként (redukáltabbak, tehát magasabb az energiatartalmuk) - glikogén (oxidáltabbak, tehát kevesebb a tárolt energia) kérdés: miért van két szimultán rendszer? válasz: - glikogénből glükóz hamar képződik és a monoszacharid gyorsan diffundál a vízben (gyors segély) - zsírsavészterek nem diffundálnak vízben (transzport: hidrolízist követően 104 albuminhoz kötve), nehezebben mobilizálható: kalóriabomba.

105 A cellulóz: csupa β(1 4) glikozidkötés következtében egy lineáris polimert kapunk, melyek -hidakkal vannak összezipzárazva merev + oldhatatlan fibr.! memo: a β(1 4) kötés mellett a glükó-konfiguráció is fontos; pl. D-Galaktóz nem ad ilyen zárt rendszert. A növényi sejteket elválasztó sejtfal fő komponense a cellulóz, hemicellulóz és pektin. memo: - hemicellulózt főleg D-pentózok és kevesebb L-cukor alkotja, - a pektin gerince az α-(1-4)- kapcsolt D-galakturonsav molekulák áttetsző sejtfal vízoldhatatlan cellulóz réteg 2 cellulóz részlete β(1 >4) glikozidkötés 2 cellulóz részlet n memo: humán emésztő enzim nem bontja a β(1-4)-kötést ezért hiába legelünk. A tehén emésztő rendszerében élő baktériumok viszont bontják ezt a kötéstípust. memo: L-glükóz ugyanilyen jó polimer lenne, akkor miért nincs? Ki érti: az evolúció esetlegessége? 105

106 Fontos cellulóz származékok: csupa β(1 4) glikozidkötés lineáris polimer fibrillum. - cellulóz triacetát (acetát) textílipar - cellulóz trinitrát v. nitrocellulóz (lőgyapot) robbanószer - műszál és cellofán ipari cellulóz források: fa, kender, gyapot Na 2 cellulóz részlete cellulóz + S 2 Na S cellulóz 2 2 S Na + Na és S 2 S cellulóz 3 + cellulóz S Na + S S 2 mûselyem részlet cellulózxantogenát viszkóz, cellof án, mûselyem 106

107 Tartalomjegyzék: 1.) Bevezető 2.) Monoszacharidok 2.1) Konstitúció és konfiguráció 2.2.) Aldo- és ketotriózok 2.3.) Aldotetrózok 2.4.) Aldopentózok 2.5.) Aldohexózok 2.6.) Ketohexóz 2.7.) konformáció 3.) Monoszacharidok reakciói 4.) Disacharidok 4.1.) Nem-redukáló diszacharidok 4.2.) Redukáló diszacharidok 4.3.) Diszacharidok konformációs tulajdonságai 5.) Poliszacharidok 6.) Különleges biológiai jelentőséggel bíró cukrok 7.) Glikoproteinek 8.) Szénhidrát antibiotikumok 107

108 6. Különleges biológiai jelentőséggel bíró cukrok I: -dezoxicukrok (legfontosabb a 2-dezoxi-β-D-ribóz DNS 2 2-dezoxi- -D-ribóz 2 P - N 2 N N citidin N N N guanozin N N 2 N timidin Fontos még a poliszacharidokban előforduló: P - P - N adeninozin N 2 N N N N 3 P - -L-ramnóz 6-dezoxi-L-mannóz 3 108

109 6. Különleges biológiai jelentőséggel bíró cukrok II: nitrogént tartalmazó cukrok Glikozilaminok: olyan cukrok amelyekben az anomer hidroxilcsoportot aminocsoport helyettesíti pl.: 2 β-d-glükopiranozilamin N 2 2 Aminocukrok: olyan cukor, melyben nem anomer hidroxilt helyettesít az aminocsoport, pl.: N 2 β-d-glükózamin 2 2 N 3 N -acetil-d-glükózamin R: 3 2 R N 3 N -acetil-d-muraminsav 3 N N adenozin 2 memo: a bakteriális sejtfal fontos komponensei. N 109 N 2 N N 3

110 6. Különleges biológiai jelentőséggel bíró cukrok III: glikolizált aminosavak és glikopeptidek - N-glikozidok: kovalens kötés az aszparagin oldalláncának savamid kötésén keresztül - -glikozid: a Ser és a Thr oldalláncának hidroxilcsoportján keresztül - specifikus glikolipidekben, hidroxilizinhez vagy foszfoetanolaminon át 110

111 Aszparagin N-glikozidos kötésén át kapcsolódik össze a polipeptidlánc és a szénhidrát rész: A szerin és a threonin -glikozidos kötésén át kapcsolódik össze a polipeptidlánc és a szénhidrát rész: 111