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 gyűrű: akkor képződik addíció útján, ha a vagy csoport és egy alkoholos térben közel kerülnek diszacharid: két monoszachariddá hidrolizálható diasztereomer(ek): nem enantiomer tulajdonságú sztereoizomerek. enantiomer: 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 Zemplén Géza ( ) Szent-Györgyi Albert rvosi Nobel-díj

4 monoszacharidok 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 tartama (4,2%) viszonylag alacsony. 4

5 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) 5

6 A szénhidrát, mint a felismerés eszköze II: Az 0-ás, A és B vércsoportok A B, A és 0 gén gyakorisága 4 etnikum esetében: GB J ongkong Eltérő konstitúciójú sejtfelszíni glikoproteinek: Vértranszfúzió során sokan meghaltak addig, míg ben Landsteiner meg nem fejtette a agglutináció rejtélyét. Karl Landsteiner rvosi Nobel-díj (1930) Fuc α-1,2 Gal β-1,3 GlcNAc β-1,3 Gal 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 6

7 A sztereokémia nagy hatása. cellulóz (lineáris) keményítő (spirális) hidrolízis cellobióz (β-forma) hidrolízis maltóz (α-forma) 2 2 β cellobióz = 4-(β-D-glükozil<1,5>) -D-glükóz <1,5> celloboióz A cellulóz (Földünk legelterjedtebb szénvegyülete): - minden - -kötés akceptor és donor, ezért nem oldódik vízben a cellulóz 2 2 α maltóz = 4-(α-D-glükozil<1,5>)- D-glükóz <1,5> (maláta cukor) maltóz A keményítő hélixében: - vannak szabad --k, ezért vízben oldható a keményítő, - a hidrofób részek vannak befelé 7 (I 2 )

8 A vízoldhatatlanság titka: vízoldható di- és oligomer, de vízoldhatatlan polimer [β-d-glükozil<1,5>)] n 8

9 Életünk alapja: a fotoszintézis során előállított energia és annak felhasználása x 2 + y 2 napfény x ( 2 ) y + x 2 szénhidrát 9

10 Életünk alapja a fotoszintézis során előállított energia x 2 + y 2 napfény x ( 2 ) y + x 2 szénhidrát 10

11 Életünk alapja a fotoszintézis során előállított energia 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>

12 A szénhidrátok sokrétű biológiai szerepe: Tartalék tápanyag (az energia molekuláris tárolása): - keményítő (növények) - glikogén (állatvilág) Energiaforrás (prekurzorok): pl. ATP Genetikai információ (építőelemek): DNS, RNS Szerkezeti elemek: peptidoglikán (bakteriális sejtfal) cellulóz (növényi sejtfal, váz) exoszkeleton (gerinctelenek) Glikokonjugátumok: glikolipid glikopeptid, glikoprotein Glikolipidek: foszfatidil-inozit (sejtmembrán) Glikoproteidek: sejt sejt felismerés célbajuttatás ( targeting ) szállítás sejtmembrán vércsoport 12

13 Szénhidrátok etimológiája avagy ne értsük félre a hétköznapi neveket! cukor: - hétköznapi értelemben a cukor, az a szacharóz (Eng.: 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) szacharin: mesterséges édesítőszer (megtévesztő név, mert bár édes nem szénhidrát) m ( 2 ) n Gliko előtag (gör. glüküsz, <édes>) glikolipid, glikopeptid, glikoprotein, glikokonjugátum, glikobiológia, stb α β α D-Glükozil<1,5>-β-D-fruktozid<2,5> szacharin S N

14 Szénhidrátok (polihidroxi-aldehidek és polihidroxi-ketonok) 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 14

15 kvalitatív analízis:,, kvantitatív analízis: : 40,0 % : 6,7 % : 53,3 % m ( 2 ) m E. Fischer ( ) D-glükóz molekulatömeg: 180 Da A szőlőcukor vagy glükóz konstitúciójának meghatározása 6 ( 2 ) 6 kérdés: milyen lehet az oxigénatom konstitúciós helyzete?,, = tapasztalat: Ac [ 6 7 ](Ac) 5 5 Br [ 6 7 ](Ac) 2 / 2 5 [ 5 6 (Ac) 5 ] [ 5 6 () 5 ] I/P válasz: tehát egyenes szénláncú polihidroxi-oxovegyület n- 3 ( 2 ) 5 1 = 15 Egyenes szénlánc

16 Az aldohexózok konstitúciójából következően számos sztereoizomer lehetséges: * * * * 2 = 2,3,4,5,6-pentahidroxihexanal 16

17 Aldotrióz abszolút konfigurációjának meghatározása: b d a 2 c 2 (R)-glicerinaldehid D-glicerinaldehid (S)-glicerinaldehid L-glicerinaldehid d b a a b b a a b d 2 c 2 c 2 c 2 17 c

18 2 2 (R)-glicerinaldehid [ ] 25 α = D (S)-glicerinaldehid [ ] 25 α = 13.5 D M.A. Rosanoff, 1906: D/L D-glicerinaldehid D-(+)-glicerinaldehid L-glicerinaldehid L-( )-glicerinaldehid D-glicerinaldehid E. Fischer, 1906 dextro (d) (+) levo (l) ( ) mezo (dl) (±) 18

19 Aldotrióz (glicerinaldehid 1 királis ): enantiomer (antipód) térszerkezetek 2 enantiomerek azonosak (S)-glicerinaldehid (S)-glicerinaldehid (S)-glicerinaldehid (R)-glicerinaldehid 19

20 A monoszacharidok mint polihidroxi-oxovegyületek: osztályozás: szénatomok száma szerint; trióz, tetróz, pentóz, hexóz, heptóz, stb. az oxovegyület típusa szerint: aldehid vagy keton n 2 2 Polihidroxialdehid aldotetróz n=2 aldopentóz n=3 aldohexóz n=4 aldoheptóz n=5 Polihidroxiketon ketotetróz n=1 ketopentóz n=2 ketohexóz n=3 n 2 kérdések: hány kiralitás-centrummal rendelkezik egy (a) aldotetróz, (b) ketopentóz, (c) n-atomos aldóz, 20 (d) n-atomos ketóz?

21 Sztereokémiai jellemzők: konfiguráció, kiralitás, D/L-konvenció, stb gliceraldehid (egy aldotrióz) dihidroxi-aceton (egy ketotrióz) egy kiralitáscentrum nincs kiralitáscentrum 2 (+)-gliceraldehid (R)-(+)-gliceraldehid D-(+)-gliceraldehid D-cukor: 2 ( )-gliceraldehid (S)-( )-gliceraldehid L-( )-gliceraldehid L-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. 21

22 Az abszolút konfiguráció meghatározása, IP szabály: (,,) (,,) 1) a sztereocentrumhoz közvetlenül kapcsolódó atomok (szubsztituensek) rangsorának felállítása: az atomok rangja az atomszámmal nő (<<N<<F<l< ) 2) ha két szubsztituens királis szénhez kapcsolódó atomtípus azonos, akkor a konnektivitás mentén az első különbséget keressük (szférák) 3 R.S.ahn,.K.Ingold és V.Prelog (1966) 2 R 4 R: rectus (egyenes) S: sinister (bal) 3) R vagy S meghatározása: úgy nézzük a királis szenet, hogy a legkisebb rangú 22 szubsztituenst ne lássuk : ha a rang az óramutató járása szerint növekszik akkor R, amúgy S

23 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) 23

24 kérdés: válasz: példa: hogyan tudjuk a kiralitáscentrumot körülvevő szubsztituensek térbeli elhelyezkedését következetesen síkbeli rajzokon visszaadni? használjuk a Fischer-féle projekciót: Emil Fischer szabály: minden vízszintes vonal a papír síkjához képest felfelé, minden függőleges vonal a papír síkjához képest lefelé kötésirányt rögzít. lent fent memo: a papír síkjához képest lefelé vannak a metilek, felfelé a bróm- és a hidrogénatom. 24

25 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?

26 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 26

27 kérdés: mi a relatív konfiguráció? válasz: 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 2 D-(+)-glicerinaldehid 2 eljárás: (+)-borkősav genetikus kapcsolat keresése avagy hogyan csinálnánk meg a szóbanforgó molekulát a glicerinaldehidből úgy, hogy az eredeti konfigurációt megőrizzük: R abszolút 2 D-(+)-glicerinaldehid 2 2,3-dihidroxipropionsav 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! 27 memo: A D-tejsavból egy -, -N 2 cserével kapjuk a D-alanint.

28 A Fischer-projekció: összefoglalás 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 különkülön történik. 2 egy L-ketohexóz 6 L-cukor A -tól legtávolabbi, most az utolsó előtti szénatom 28 -csoportja balra áll.

29 Aldotetróz (2db kiralitás centum): összesen 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 memo: Az 1-es és 3-as molekulák 3-as szénatomjainak konfigurációja azonos, míg a 2-szénatomok konfigurációja különböző: ezért ez a diasztereomer pár egymás 2-epimere. memo: A diasztereomer molekulák (fizikai tulajdonságaik) olvadás- és forráspontja eltérő, a törésmutatójuk különböző, az oldhatóságuk, az IR- és NMR-spektrumuk más és más. A két molekula különböző tulajdonságokkal rendelkezik. R R 2 D-eritróz 1 S R 2 D-treóz 3 L-eritróz 2 29 S S 2 R S L-treóz 4 2

30 Aldopentóz (3db kiralitás centum): 8 db 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 kiemelt fontosságú cukor 30 2 L-glicerinaldehid

31 Aldohexóz (4db kiralitás centum): 16 diasztereomer térszerkezet a 8 db D-sorozatbeli aldohexóz nyílt formája: 2-epimerek 2-epimerek D-allóz D-altróz D-glükóz D-mannóz 4-epimerek D-gülóz D-idóz D-galaktóz D-talóz kiemelt fontosságú cukor 31

32 Ketohexóz (3 királis ): 8 diasztereomer térszerkezet a 4 db D-sorozatbeli hexulóz nyílt formája: D-pszikóz D-fruktóz D-szorbóz D-tagatóz ribohexulóz arabinohexulóz xilohexulóz lixohexulóz 32 kiemelt fontosságú cukor

33 Ketohexózok: összefoglalás D-ketohexózok 2 D-pszikóz 2 D-fruktóz 2 D-szorbóz 2 D-tagatóz 2 2 D-ketotetrózok D-ketopentózok 2 D-ribulóz (D-eritro-pentulóz) 2 2 D-eritrulóz (D-glicero-tetrulóz) 2 D-xilulóz (D-treo-pentulóz) 2 2 β-d-fruktofuranóz 2 ketotrióz 2 dihidroxi-aceton 33

34 Aldohexózok (4,3,2 és 1 királis -vel): 16, 8, 4 és 2 sztereoizomer térszerkezet: * szter. izom. (db) (db) D-sorozatbeli aldózok sematikus rajza: 2x

35 Az aldohexózok tényleges szerkezete: nem lineáris, hanem ciklusos (2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6- pentahidroxihexanal avagy D-glükóz 2 Fischer-projekció Reeves-képletek 2 2 sztereo imitáció 2 α-d-(+)-glükopiranóz β-d-(+)-glükopiranóz 2 aworth-képletek 2 memo: átírási szójáték bal (3 betű): => fel (3 betű) jobb (4 betű): => lent (4 betű) piros kék töltés

36 Az aldohexózok tényleges szerkezete: nem lineáris, hanem ciklusos 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

37 A legfontosabb 3 aldohexóz gyűrűs szerkezete, téralkata: 2 α-d-glükopiranóz 2 β-d-glükopiranóz 2 α-d-glükopiranóz 2 β-d-glükopiranóz 2 2 α-d-mannopiranóz β-d-mannopiranóz 2 α-d-mannopiranóz 2 β-d-mannopiranóz 2 2 α-d-galaktopiranóz β-d-galaktopiranóz 2 α-d-galaktopiranóz 2 β-d-galaktopiranóz 37

38 iklusos félacetál képződése, avagy hogyan rajzoljunk ügyesen: 2 D-glükóz o fent 5 -körüli elforgatás lent D-glükóz 2 gyûrûs alak preformálása D-glükóz 2 β D-glükóz intramolekuláris f élacetál képződés memo: 2 β D-glükóz piranóz f orma a β-d-glükóz piranóz gyűrűs szerkezetének különböző ábrázolása 2 D-glükóz aldehido forma 2 aworth-boeseken képlet síkalkat impresszió 2 α D-glükóz piranóz forma 2 Reeves képlet 38

39 39 glükóz galaktóz talóz mannóz gülóz idóz altróz allóz A 8 D-aldohexóz (kockacukor-cukorkocka) 2 epimerizáció 3 epimerizáció 4 epimerizáció

40 iklusos félacetál képződése, avagy hogyan rajzoljuk a furanózokat: A nyílt láncú D-fruktóz különbözö konformációi nyílt láncú D-fruktóz nyílt láncú D-f ruktóz 1 2 memo: pirán furán β-d-f ruktofuranóz α-d-f ruktofuranóz 1 2 tetrahidro-2 -pirán tetrahidrofurán 40

41 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 41

42 A mutarotáció jelensége: nyílt láncú D-(+)-glükóz egy idő múlva beáll az egyensúlyi oldat, amely forgatása : +52,7 o (= 0,36*112 o + 0,64*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! 42

43 kérdés: minden hexopiranóz esetében a β- stabilabb, mint az α-anomer? tapasztalat: anomer α β T( o ) iklohexanol Glükóz 36* 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) nemkötő 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.). 43

44 A glükóz anomerjeinek és izomereinek egyensúlya: 2 2 memo: -D-glükopiranóz 38% -D-glükopiranóz 62% 1) 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 magyarázatához. 2 -D-glükóz nyíltforma <0,02% -D-glükof uranóz <0,5% -D-glükof uranóz <0,5% 44

45 Monoszacharaidok konformációanalízisse: a piranóz-gyűrű: piranóz-gyûrû konformere piranóz-gyûrû konformere 2 2 -D-(+)-glükopiranóz legstabilabb 1 konf ormere -D-(+)-glükopiranóz labilisabb 1 konformere memo: rajzolástechnika: a felsőállású szubsztituens marad felsőállású! memo: 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! 45

46 Monoszacharaidok konformációanalízise a furanóz-gyűrű: kérés: az gyűrűs váz 5 atomjából melyik 4 van egy síkban? a 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). 46

47 A glikozid képzés: D-(+)-glükóz l (-) 3 metil-α-d-glükopiranozid p. 165 o [α] 25 D = 158 o metil-β-d-glükopiranozid p. 107 o [α] 25 D = 33 o 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,... 47

48 A glikozid képződés mechanizmusa (E + Ad) sav katalizált folyamat: A A + 2 A=sav -D-glükopiranóz memo: az alkohol mindkét oldalról kvázi egyforma eséllyel támadhat. 2 3 rezonancia által stabilizált karbokation A A A A A 2 3 metil- -D-glükopiranozid 2 3 metil- -D-glükopiranozid memo: a savas körülmények között a félacetál visszaalakulása is megy, azaz a gyűrű oxigénje is protonálódik. 48

49 Glikozidok hidrolízise: 2 2 R R glükozid (bázikus oldatban stabil savban hidrolizál) definíció: aglikon: glikozid hidrolízisével nyert alkohol cukor aglikon (egy glikozid cukormentes alkotórésze) példa: a szalicin (fűzfa és nyárfa kérgéből izol. [1830]) aszpirin hatásmechanizmusú anyag (az aspirin, mint acetilezőszer a ciklooxigenáz (X) inhibitora [lásd ábra], s így a prosztaglandin szint. gátolja) - gyulladáscsökkentő - a köszvény és reuma hatásos gyógyszere - aszpirin szintézisére használható alapanyag glükóz szalicilalkohol aglikon 2 Ac 2 aszpirin szalicin 49

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

51 ukrok epimerizációja bázis katalizált folyamat: kísérlet: D-Glükóz 24h vizes a() 2 tapasztalat: D-Mannóz, 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 Lobry de Bruyn ( ) Alberda van Ekenstein (1895) 51

52 Enolizáció, tautomerizáció, izomerizáció memo: lúgos közegben a védőcsoportok alkalmazása szükséges a szénhidrátkémiában memo: elvben aldoldimerizáció szerű mellékreakció is megjelenhet. 52

53 ukor metiléterek előállítása (S N 2): 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 ) TBDPS 3 TBDPS l AgN 3 vagy imidazol 3 TBDPS 3 3 Si 3 ukoréter hasítása: kvaterner bázis sója terc-butil-difenil-szilil 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 α-d-glükóz ( 3 ) 2 piridin, 0 o pentaacetil α-d-glükóz jégecet Br -Ac, 0 o memo: dezacetilezés Me-ban Na + Me -al. memo: a védet Br-cukorral már lehet kapcsolni. iklikus acetálok szintézise: aldehid, keton + 1,2-diol: + + csak cisz állású vicinális hidroxilcsoportokkal pl. α-d-galaktópiranóz esetében megy a reakció. cisz cisz 2 S 4 acetonid 55

56 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 56

57 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 57

58 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: egy nem redukáló diszacharid α β α D-Glükozil<1,5>-β-D-fruktozid<2,5> 58

59 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 59

60 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. 2 Br 2-2Br β-d-glükopiranóz β-d-glükonsav-δ-lakton (glükonolakton) 2 D-glükonsav β-d-glükonsav-γ-lakton memo: - a glükonsavnál inkább a δ-lakton dominál - a galaktonsav esetében jelentősebb a γ-lakton mennyisége 1 kcal/mol (14%) 0 kcal/mol (86%) 60 RF/3-21G T=300K

61 Egy híres aldonsavlakton -vitamin: L-aszkorbinsav (vízoldható vitamin) avitaminózis: skorbut Bruckner I/ D-gulonsav 2 L-gulonsav 2 L-aszkorbinsav Szent-Györgyi Albert ( ) [1937 Nobel-díj] 2 2 Az askorbinsav savasságáról: egy savanyú enol. Az enol deprotonált formája, az enolát tipikusan egy erős bázis, de itt a szomszédos kettőskötés stabilizálja a deprotonált formát, ezért erős sav az aszkorbinsav. 61

62 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 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 62 aldársav γ-laktonjai

63 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. 63

64 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 64

65 Monoszacharidok oxidációja összefoglalás: 65

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

67 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? glicerin + 2I I f ormaldehid hangyasav f ormaldehid kérdés: ány mól I 4 oxidálja a glicerinaldehidet és mik a kapott termékek? dihidroxi-aceton formaldehid szén-dioxid formaldehid 67

68 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 68

69 Összefoglaló: a D-glükóz oxidációja = N 3 Br 2 / 2 D-glükársav aldársav D-cukorsav 2 D-glükóz 2 D-glükonsav aldonsav D-glükuronsav alduronsav = Na/g redukció 2 69

70 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 : memo: 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-alditot! 70

71 Redukció okozta sztereokémiai érdekességek: 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). 2 2 red. red D-glükóz D-glücit = L-gülit D-fruktóz red./ 2 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. 2 2 D-gülóz L-gülóz 71

72 Érdekes alditok: D-mannit 2 D-xilit 2 Madárberkenye (Sorbus aucuparia) cseresznye szilva körte alma moszat alga ondó 2 2 D-glucit L-gulit D-szorbit 2 növényi manna kôrisfa, olajfa platán D-galaktit dulcit 2 2 fogszuvasodás gátló rágógumi Fogszuvasodást okozó baktériumoknak emészthetetlen diabetikus édesítôszer 2 madagaszkári manna szürke hályog esetén a szem csarnokvizében a ducit konc. megnő 72

73 Monoszacharidok reakciója II. (fenil-hidrazinnal) oszazonok: megjegyzés: 1mól aldehid és 1mól fenilhidrazinnal 1 mól fenilhidrazont eredményez. kérdés: az analóg reakció során mi lesz ha a fenilhidrazint feleslegben (>3 mól) használjuk? 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 73

74 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 2 D-glükóz 2 oszazon válasz: semmi, mert ugyanaz az oszazon, mert 2 epimerek. memo: A fruktóz is ugyanezt az oszazont eredményezi. Aldózok láncrövidítése: a Ruff-lebontás 2 D-mannóz tto Ruff (német: ) kérdés: Melyik másik aldopentóz lánclebontása eredményez szintén D-eritrózt? (D-Arabinóz) 74

75 Aldózok lánchosszabbítása: Kiliani-Fischer-szintézis memo: aldóz lánchosszabbítása ciánhidrinen keresztül einrich Kiliani ( ) Emil Fischer ( ) memo: a kapott diasztereomerek könnyedén elválaszthatók kérdés: hogyan állítana elő L-treózt? 75

76 D-( )-eritróz kérdés: hogyan döntenénk el egyszerűen, hogy melyik aldotetrózzal van a kettő közül dolgunk? 2 N 3 oprtikailag inaktív mezo-borkõsav 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. 2 D-( )-treóz D-(+)-borkõsav opt. aktív α D 15 = +12 o L-(+)-eritróz kérdés: melyik aldotetróz oxidációs terméke lenne az L-borkősav? oprtikailag inaktív mezo-borkõsav 2 N 3 2 L-(+)-treóz L-(-)-borkõsav opt. aktív α D 15 = -12 o 76

77 D-aldózok generikus-fája (Kiliani-Fischer-lánchosszabítás, Ruff-láncrövidítés) D-aldohexózok D-(+)-allóz D-(+)-altóz D-(+)-glükóz D-(+)-mannóz D-( )-gülóz D-(+)-idóz D-(+)-galaktóz D-(+)-talóz D-aldopentózok D-( )-ribóz D-( )-arabinóz D-(+)-xilóz D-( )-lixóz D-aldotetrózok 2 2 D-( )-eritróz D-( )-treóz D-aldotrióz 2 D-(+)-glicerinaldehid 77

78 Aminocukrok Az aminocukrok olyan cukorszármazékok, amelyekben az egyik hidroxicsoport egy amino csoportra 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 78

79 79

80 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 )

81 Di-, ligo és Poliszacharidok 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. 81

82 Di-, ligo és Poliszacharidok Monoszacharidok (2 v. több) összekapcsolódása vízkilépés során. A formális éterkötés legalább egyik --ja glikozidos - kell legyen! memo: a redukáló és mutarotációs képességnek előfeltétele egy szabad glikozidos (félacetál csop.). Típusok Nem redukáló diszacharidok: ha van 1--1 kötés, akkor 1) - nincs szabad glikozidos, 2) - nincs mutarotáció nem glikozidos -k D-glükopiranóz különbözõ - csoportja glikozilcsoport glikozidos glikozidos - Redukáló diszacharidok: ha nincs 1--1 kötés, akkor 1) - van szabad glikozidos, 2) - van mutarotáció 82

83 Diszacharidok nem-redukáló diszacharidok I: A trehalóz: - előfordulás (gombák, élesztő, algák, rovarok, stb.) 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. 1 1 α α 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: memo: - trehaláz enzim bontja, - a repülő rovarok energiaforrása trehalóz α-d-glükopiraznozil-α-d-glükopiranozid 83

84 Diszacharidok 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, 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 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 eredmányez: 1 α 2 β-d-fruktofuranóz α-d-glükopiranóz szacharóz α-d-glükopiranozil-β-d-f ruktofuranozid

85 ogyan rajzoljunk szacharózt: 2 2 -D-glükopiranóz szõlõcukor o 2 2 -D-f ruktofuranóz gyümölcscukor 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 szacharóz -D-glükopiranozil- -D-fruktof uranozid 85

86 Diszacharidok 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. 4.) a glükozid kötés sztereokémiája enzimatikus hidrolízissel: - az α-glükozidáz enzim igen, a β-glükozidáz nem hidrolizálja 2 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 az keresztül kapcsolódnak össze. α 2 86

87 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 bizonyítja87 hogy a második gyűrű is piranóz!

88 Rajzolástechnika a maltóz esetében: memo: maltáz-enzim bontja 2 α 4 2 ajlított térszerkezet 2 α 4 2 α(1 4) -hidak Redukáló 88

89 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 89

90 Diszacharidok 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. 90

91 Diszacharidok 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 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 91 enzimet pl. a fagylaltipar is használja.

92 Diszacharidok redukáló diszacharidok IV: A genciobióz (keserű mandula alkotórésze, aglikonja a mandulasavnitril) 2 β 2 N 2 2 genciobióz 6--(β-D-glükopiraznozil)-D-glükopiranóz itt β 92

93 Diszacharidok konformációs tulajdonságai: φ = 114 or 116 ψ =

94 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 94 S

95 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? 95

96 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 2 maltózra hasonlít 2) amilopektin (80-90%) elágazó polimer, elágazás cukronként amilóz részlet α(1 >4) glikozidkötés 2 n > 500 n α(1 >6) elágazás amilopektin

97 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 97 albuminhoz kötve), nehezebben mobilizálható kalóriabombák.

98 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 Glükóz konfigurációja 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 evolúció98 esetlegessége?

99 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 99

100 Biológiai jelentőséggel bíró cukrok I: -Dezoxicukrok (legfontosabb a 2-dezoxi-β-D-ribóz DNS dezoxi-β-D-ribóz P - N 2 N N citidin N N N guanozin N N 2 N timidin Fontos még a poliszacharidokban előforduló: 3 3 α-l-ramnóz 6-dezoxi-L-mannóz 3 β-l-f ukóz 6-dezoxi-β-L-galaktóz 3 P - P - N N 2 N N N N P adeninozin

101 Biológiai jelentőséggel bíró cukrok II: Nitrogént tartalmazó cukrok N 2 Glikozilaminok: olyan cukrok, melyekben aminocsoport helyettesíti az anomer hidroxilcsoportot, 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 2 adenozin memo: a két utolsó a bakteriális sejtfal fontos komponense. N 101 N N 3

102 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 102

103 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: 103

104 Egyéb módosított cukrok A kitin rákok páncéljának, ízeltlábúak és pókok vázának poliszacharid alkotórésze: csupa β(1 4) kötés, mint a cellulózban! 2 2 N 3 N 3 n kitin A heparin (3-40 kda) összetevői: - D-Glükuronát-2-szulfát és - N-szulfo-D-Glükózamin-6-szulfát Egy természetes antikoaguláns makromolekula S 3 heparin 2 S 3 NS 3 n 104

105 Mind a cellulóz mind a kitin lineáris térszerkezetű 105

106 A sejtfelszín glikolipidjei és glikoproteinjei: a sejtfelismerés és az immunrendszer 2 3 N 2 3 N sziálsav N-acetil-neuraminsav 3 3 L-fukóz 6-dezoxi-L-galaktóz itt α A szialil LewisX sav a sejtfelismerésben játszik fontos szerepet: NeuAc 3 N Gal 3 Fuc N 3 GalNAc memo: szialilsavban gazdag glikoproteinek kapcsolódnak a szelektin nevű fehérjéhez. 106

107 Glikoproteinek Az eukarióták membránjának kb 5%-a szénhidrát, ezek glikoproteinek és glikolipidek formájában vannak jelen. A vércsoport antigének szénhidrát része 3 különböző szerkezettel rendelkezik, A három szerkezet közös oligoszacharid alap vázát antigénnek nevezzük ( vércsoport antigén) A glikozil transzferáz enzimek katalizálják a antigén alap vázra glikozidos kötéssel kötött monoszacharidokat. Monoszacharid specifikus glikozil transzferázok extra monoszacharidot helyeznek a antigén alapvázra. A glikozil transzferáz A N-acetil-galaktozamin helyez az alap vázra (A vércsoport). A glikozil transzferáz B galaktóz kötő enzim (B vércsoport). Karl Lansteiner

108 A vércsoport poliszacharidok: az A, B és 0 vércsoportokat az A, B és sejtfelszíni marker poliszacharidok határozzák meg. Az A vércsoportú személy vörösvérsejt felszínén A antigén található, míg vérplazmájában B antitest úszik. A B vércsoportú személy vörösvérsejt felszínén B antigén található, míg vérplazmájában A antitest úszik. A AB vércsoportú személy vörösvérsejt felszínén A és B antigének található, míg vérplazmájában sem A sem B antitestek nem úsznak. A 0 vércsoportú személy vörösvérsejt felszínén nincsen sem A sem B antigén, míg vérplazmájában A és B antitestek úsznak. Karl Lansteiner

109 A vércsoport poliszacharidok: egyetlen enzim különbözősége: A B Az A vércsoportú személy vérében a GalNAc-traszferáz, míg a B vércsoportú esetében a Gal-transzferáz enzim végzi a -antigén módosítását. A 0-s vércsoportú személy esetében egyik enzim sem aktív. 109

110 A vércsoport poliszacharidok: A, B és antigének a cukor részben különböznek: A B 3 N N etc. fehérje α-d-galnac(1 >3)β-D-Gal(1 >3)β-D-GlcNAc-etc. α(1 >2) L-Fuc 3 N etc. fehérje 3 α-d-gal(1 >3)β-D-Gal(1 >3)β-D-GlcNAc-etc. α(1 >2) L-Fuc etc. 110 fehérje 3 N β-d-gal(1 >3)β-D-GlcNAc-etc. α(1 >2) L-Fuc

111 Szénhidrát antibiotikumok: a sztreptomicin (1944-ben izolálták) A sztreptomicin kémiai szerkezete: memo: igen hatékony antibiotikum a penicillin rezisztens baktériumtörzsek ellen. R N N S

112 Mi minden van tehát a mézben? A méz kb. 82%-a szénhidrát és 17%-a víz. Monoszacharidok közül fruktózt (38.2%) és glükózt (31%), diszacharidok közül (~9%) szacharózt, maltózt, izomaltózt, maltulózt, turanózt és kojibiózt tartalmaz. ligoszacharid tartama (4.2%) viszonylag alacsony. Szerves savak a mézben: hangyasav, ecetsav, vajsav, citromsav, borostyánkősav, tejsav, piroglutaminsav és glükonsav, valamint aromás karbonsavak. A legfontosabb ezek közül a glukonsav, amely a glükóz oxidáztól származik. Aldehidek a mézben: hidroximetil-furfurol. (p=5 alatt a cukrok egyik jellegzetes bomlásterméke.) Enzimek a mézben: - invertáz (a szacharózt bontja glükózra és fruktózra), amiláz (a keményítőt darabolja kisebb cukrokra), glükóz-oxidáz (a glükózt glükonsav-laktonná, majd tovább glükonsavvá alakítja), kataláz (peroxidit bontja vízre és oxigénre) és a savas-foszforiláz (eltávolítja az inorganikus foszfátokat a szerves foszfátok közül). Aminosavak a mézben: 18 szabad aminosavat tartalmaz, amelyek között leggyakoribb a Pro. Vitaminok a mézben: kevés B vitamin (riboflavin, niacin, fólsav, pantoténsav és B6) és -vitamin Ásványanyagok a mézben: a, Fe, Zn, K, P, Mg, Se, r és Mn-ionok. Antioxidánsok a mézben: flavonoidok (pl. pinocembrin), aszkorbinsav, Se (annál több minél sötétebb a méz) 112