Orvosi Biokémiai Intézet Semmelweis Egyetem Dr. Komorowicz Erzsébet, Dr. Törőcsik Beáta A legfontosabb szénhidrátok a szervezetben és a táplálékokban. 2017. 03. 27. 2017. 03. 30.
A szénhidrátok szerepe: tápanyagok, a vékonybélben szívódnak fel tartalék energia források (glikogén) további alapvető biokémiai molekulák (lipidek, fehérjék) bioszintézisének intermedierjei a nukleinsavak szerkezeti alkotói részt vesznek a transzportfolyamatokban, sejt-sejt felismerésben, az immunrendszer működésében a növények vázalkotói (cellulóz) Glikom, Glikomika
A szénhidrátok általános jellemzői Összegképlet (egyszerű cukrokra): C n (H 2 O) n Funkciós csoportjaik: karbonilcsoport hidroxilcsoport Szerkezetük ismeretében a kémiai nevük: polihidroxi- oxovegyületek A karbonilcsoport típusától függően lehetnek: 1. polihidroxi-aldehidek, 2. polihidroxi-ketonok
A szénhidrátok csoportosítása a monomerek száma szerint: 1. Monoszacharidok savas közegben tovább már nem hidrolizálható egységek 2. Oligoszacharidok 2-8 monoszacharid egység, közülük leggyakoribbak a diszacharidok 3. Poliszacharidok (glikánok)
Monoszacharidok v. Egyszerű cukrok általában színtelen, kristályos vegyületek többnyire édes ízűek vízben oldódnak, apoláros oldószerekben nem oldódnak vizes oldatból kikristályosíthatók
Csoportosítás: karbonilcsoport alapján: aldózok és ketózok C atom szám alapján: triózok, tetrózok, pentózok, hexózok, heptózok, stb. glicerinaldehid (aldotrióz) dihidroxiaceton (ketotrióz) A két csoportosítást összevonva beszélhetünk pl. aldohexózokról, ketopentózról D-glukóz (aldohexóz) D-fruktóz (ketohexóz)
A glicerinaldehid ábrázolási módjai Királis monoszacharidok elnevezése: D-glicerinaldehid a poláris fény síkját jobbra, az L-glicerinaldehid balra forgatja el. A Fischer féle ábrázolás (Fischer Projekció): A királis molekulák két dimenziós ábrázolása A.) a legoxidáltabb csoport legyen legfelül, gömb és pálcika modell: tényleges konfiguráció B.) a szénlánc további része található alul, C.) a láncnak a kiralitás centrumtól felfelé és lefelé rajzolt része egyaránt a sík mögött legyen.
a little history chiral = handed enantiomer pairs = mirror images, and not equivalent Jean Baptist Biot (1813) : sugar is optically active dextrorotatory D levorotatory L
IZOMEREK (azonos kémiai összetétel, de különféle szerkezet) Konstitúciós izomerek (a vegyületeken belül az atomok kapcsolódási sorrendje eltér) Sztereoizomerek (a vegyületeken belül az atomok kapcsolódási sorrendje megegyezik, de térbeli helyzetük különböző) Enantiomerek (egymásnak tükörképi párjai) Diasztereomerek (nem egymás tükörképi párjai) Epimerek azok a diasztereomerek, amelynek bár több kiralitáscentruma van, csak egyetlen kiralitáscentrum konfigurációjában különböznek
A monoszacharidok minden CH-OH szénatomja kiralitáscentrum Aldózok(Cn): n-2 kiralitáscentrum, 2 n-2 sztereoizomer Ketózok (Cn): n-3 kiralitáscentrum, 2 n-3 sztereoizomer Enantiomerek: sztereoizomerek melyek egymásnak tükörképi párjai Diasztereomerek: sztereoizomerek melyek nem egymás tükörképi párjai Epimerek: azok a diasztereomerek, amelyek, bár több kiralitáscentrumuk van, csak egyetlen kiralitáscentrum konfigurációjában különböznek Epimerek
Interactions between (Bio)molecules Are Stereospecific
A Fischer-féle konvenciónak megfelelően a D- és L-cukrok abszolút konfigurációját a karbonil csoporttól legtávolabbi kiralitáscentruma határozza meg. A D-cukroké a D-glicerinaldehid az L-cukroké az L-glicerinaldehid kiralitáscentrumának konformációjával egyezik meg.
D-aldózok
A D-glukóz epimerjei Epimerek: azok a diasztereomerek, amelynek bár több kiralitáscentruma van, csak egyetlen kiralitáscentrum konfigurációjában különböznek
D-ketózok
A félacetálok (hemiacetálok) és félketálok (hemiketálok) kialakulása
A hexózok gyűrűvé záródása Az oxocsoportból kialakuló hidroxilcsoportot glikozidos hidroxilcsoportnak nevezzük Térkitöltő modell: C zöld, H fehér, O piros
Fischer-től Haworth-ig Haworth-vetítés gyűrűs szerkezetek megjelenítési módszere a síkban a gyűrűt helyezzük az O-nel hátra (vagy jobbra-hátra) egy jobb oldali OH (Fischer) alulra kerül (Haworth) egy bal oldali OH (Fischer) felülre kerül (Haworth) a D-cukrok legutolsó CH 2 OH-csoportja felül van az új félacetál bármely konfigurációjú lehet: a gyűrű szerkezetben új aszimmetriacentrum képződik. Azokat az izomereket, melyek csak a hemiacetál vagy hemiketál szénatomok konfigurációjában különböznek, anomereknek nevezzük. A hemiacetál/hemiketál (vagy karbonil) szénatomot anomer szénatomnak nevezzük
A D-glukóz két ciklikus formájának kialakulása A két izomer közül az az α-anomer, amelynek konfigurációja az anoméria centrumban ellentétes a D-L konfigurációt meghatározó (hexózoknál az 5 helyzetű) aszimmetriacentrum CH 2 OH csoportjának konfigurációjával. A másik anomer a β-anomer. A D-glukóz anomerjei vizes oldatban egymásba alakulnak, a jelenséget mutarotációnak nevezzük. Az optikai forgatóképesség értéke: 112.2 : α-d-glukóz 18.7 : β-d-glukóz 52.7 : oldat Tehát ekvilibriumban az oldat több β-d-glukózt tartalmaz (63.6% β-d-glukózt és 36.4% α-d-glukózt)
Összefoglalásul, gyakorlási lehetőség
Piranózok és furanózok (szacharózban, maltózban) (laktózban) (szacharózban)
A ciklohexán gyűrű konformációi I
A ciklohexán gyűrű konformációi II Kád Szék Axis = tengely Equator = egyenlítő
A cukrok kémiai reakciói
A glukóz vízben oldódik H O H H O H H H O H O H H O H O OH O O H O H H O H H H H O O H H H O H O H
Foszfátészter keletkezés glukóz-6-foszfát
A foszforilált cukrok az energiatermelés és a bioszintetikus folyamatok kulcsfontosságú köztitermékei A foszforiláció hatására a cukrok negatív töltéssel bírnak, a plazmamembránon nem képesek áthaladni (vagyis a sejtet nem tudják elhagyni)
Emlékeztetőül. Foszfátészter kötés
Pentóz-foszfát-út, részlet
Oxidáció I Aldonsavak kialakulása: az aldehidcsoport karboxillá oxidálódik D- glukonsav D-glukono-δ-lakton (aldonsav) A glukóz aldehidcsoportja karboxillá oxidálódik: glukonsav keletkezik A karboxilcsoport reagálhat a C5 OH-csoporttal észtert képezve. Ez a reakció ismét gyűrűzáródáshoz vezet, belső észtert, ún. laktonszerkezetet hozva létre.
Oxidáció II A primer alkoholos OH-csoport oxidációja uronsavakat eredményez β-d-glukóz β-d-glukuronát (glukuronsav) Glukuronáttal ill. származékával találkozunk majd a heteropoliszacharidokban, és a biotranszformációban glukózból galaktózból mannózból D-glukuronsav D-galakturonsav D-mannuronsav
Redukció Az aldehid-, illetve ketocsoport alkoholos OH-vá redukálódik polialkoholt, ún. cukoralkoholt eredményezve glukóz szorbitol (glucitol) mannóz, fruktóz mannitol glicerinaldehid glicerol ribóz ribitol
A glukóz redukciója szorbitollá Sorbus (berkenye)
Redukció A monoszacharidok OH csoportjának redukciójakor dezoxicukrok keletkeznek. Közülük biokémiai szempontból legfontosabb a β-2-dezoxiribóz.
Advanced glycation end-product (AGE) kialakulása. A diabetes mellitus késői szövődményeinek kialakulásában (retinopathia, nephropathia, neuropathia, atherosclerosis, kardiológiai szövődmények) szerepet tulajdonítanak a glikált fehérjéknek is, amelyek fizikokémiai tulajdonságai a glikálás hatására megváltoznak.
A diszacharidokban a monoszacharidok O-glikozidos kötéssel kapcsolódnak Az O-glikozidos kötés az egyik monoszacharid glikozidos OH-csoportja és a másik monoszacharid hidroxil csoportja között jön létre, az anomer C atom O atomhoz kötődik. A nem-redukáló diszacharidok esetén (szacharóz) mindkét gikozidos OH-csoport részt vesz a kötésben A redukáló diszacharidok esetén az egyik monoszacharid gikozidos OH-csoportja szabad (maltóz, laktóz) Szacharóz (nem-redukáló)
Táplálkozási szempontból legfontosabb diszacharidok: szacharóz (nádcukor) α-1,2 kötés, nem-redukáló laktóz (tejcukor) β-1,4 kötés, redukáló maltóz α-1,4 kötés, redukáló
N-glikozidos kötés Az anomer C atom N atomhoz kötődik, pl. Glikoproteinekben: Nukleotidokban:
Poliszacharidok A poliszacharidok különböznek egymástól - az őket alkotó monoszacharid egységekben - a monoszacharidok közti kötésben - a lánc hosszúságában - a lánc elágazásának mértékében a homopoliszacharidok egyetlen fajta monoszacharidot tartalmaznak a heteropoliszacharidok kettő vagy több fajtát
Homopoliszacharidok amilóz amilopektin keményítő glikogén cellulóz tartalék tápanyagok, raktározott energiaforrások növényi sejtfal alkotó elem A glikogén és a keményítő ozmózisnyomása kisebb, mint a szabad glükóz molekulák ozmózisnyomása.
A cellulóz Homopoliszacharid, cellobióz egységekből épül fel: Cellobióz β-1,4 kötés Lineáris, fonalszerű Növényi sejtfal alkotó elem β-1,4 kötés
A keményítő Homopoliszacharid, α-d-glukóz Amilóz α-1,4 kötés, nem elágazó lineáris polimer helikális szerkezet, jód reakció pozitív Amilopektin α-1,4 kötés, α-1,6 kötés Növényi raktározott tápanyag Keményítő (és glikogén) α-1,4 kötés
A keményítő Amilóz és Amilopektin Amilóz: α-1,4 kötés Amilopektin: α-1,6 kötés
A glikogén szerkezete I A májban és az izomban tároljuk α-1,6 kötés α-1,4 kötés
A glikogén szerkezete II The glycogen polymer has one reducing and multiple non-reducing ends. β: glikogén molekulák (gömbforma) α: glikogén szemcse
Inulin Homopoliszacharid Jerusalem artichokes Lineáris fruktóz polimer b-(1,2) kötéssel összekapcsolt fruktóz egységek Növényi rost, nem emésztjük, prebiotikum Csicsóka, hagyma, fokhagyma, articsóka Vese glomeruláris filtráció (GFR) meghatározásához használják (mert nem metabolizálódik)
Heteropoliszacharidok: többfajta monoszacharidból épülnek fel Glukokonjugátumok: a szénhidrátlánc fehérjéhez vagy lipidhez kapcsolódik
Glycosylation is the process when mono-di-oligo saccharides are connected to other structures as proteins or lipids
Glikozilált fehérjék Általában poszt-transzlációs módosulás A fehérjéhez O-, vagy N-glikozidos kötéssel kapcsolódnak a szénhidrátláncok Glikoproteinek: kicsi, elágazó, faalakú oligoszacharid kapcsolódik a növekvő polipeptidhez Proteoglikán: nagy, nem elágazó glukózaminoglikán (GAG) szintetizálódik a fehérjén, diszacharid egységek ismétlődő hozzáadásával Mucinok: erősen glikozilált fehérjemonomerből álló polimerek
A proteoglikánokban a core fehérjéhez egy GAG lánc kapcsolódik, Ser/Thr O-glikozidos kötéssel A core-fehérjék is változatosak (pl. versican, decorin, perlecan) A GAG lánc is változatos: száma, hossza (min 100 cukor), diszacharid egység, szulfatáltság Funkcióik: - extracelluláris mátrix alkotó - GAG-ok negatív töltésűek, vizet kötnek - kommunikáció a sejtekkel
Monoszacharid származékok I: aminocukrok Mukopoliszacharidokban
Glükózaminoglikánok (GAG-ok) ismétlődő diszacharid egységei NEM szulfatált, NEM fehérjéhez kötött
Illusztráció: a proteoglikánok még egy családon belül is nagyon változatosak
Hialuronsav, proteoglikánok, és glikoproteinek az extracelluláris mátrixban
Monoszacharid származékok II: Módosított monoszacharidok - Hidroxilcsoport helyett más csoport - Sejtfelszínen
Módosított monoszacharidok III: Muraminsav: Glukózamin és laktát étere Neuraminsav (Neu): Mannózamin+Piruvát N-acetil-Muraminsav: peptidoglikánban, a bakteriális sejtfalban N-acetil-Neuraminsav (NANA): a leggyakoribb származék, sziálsav prototípusa
Sziálsav: a neuraminsav O-, ill. N-szubsztituált változata Kb 50-féle változat, negatív töltés
Oligoszacharid láncok kapcsolódása a polipeptidlánchoz glikoproteinekben Ser/Thr Asn
N-glikozidos kötéssel kapcsolt oligoszacharid lánctípusok a glikoproteineken
A plazmafehérjéink is glikoproteinek Sziálsav negatív töltése megakadályozza kitapadásukat Sziálsav elvesztését (aszialoglikoprotein) a máj aszialoglikoprotein-receptora felismeri, és a megöregedett fehérjét felveszi és lebontja
Influenza vírus tipizálás N (neuraminidáz) és H (hemagglutinin) sejtfelszíni antigének alapján, pl. H1N1, stb. Neuraminidáz: egy glikozidáz, mely a neuraminsavat lehasítja - a gazdasejt felszínéről elősegíti a bejutását, ill. - a vírion külső felszínéről így ki tud szabadulni a gazdasejtből az új vírusrészecske Neuraminidáz gátlók influenza ellenes szerek (zanamivir, oseltamivir) Hemagglutinin : a vírus felszínén lévő glikoprotein, ez kötődik a gazdasejt felszínén lévő sziálsavhoz, egy proteáz elhasítja a hemagglutinint, és a vírus endocitózisra kerül
Mucinok: nagy méretű, erősen glikozilált fehérjék, a nyák alkotói
Cell-Cell Recognition: Blood Group Antigens Carbohydrate portion of blood group glycolipids http://oregonstate.edu/instruction/bb450/stryer/ch11/slide56.jpg
Peptidoglikánok is heteroglikánok: bakteriális sejtfal alkotói kémiailag: - N-acetil-glukózamin és N-acetil-muraminsav egységekből álló polimerek glikán, - melyeket térben rövid peptidek kötnek össze peptid N-acetil-muraminsav: N-acetil-glukózamin (3. C atom OH-csop és laktát 2. C atom OH-csop étere)
Peptidoglikánok a bakteriális sejtfalban Vékony peptidoglikán réteg, és Külső membrán réteg, mely lipoproteineket és lipopoliszacharidokat (LPS) tartalmaz Akár 40 réteg peptidoglikánt is tartalmazhat, valamint további heteropoliszacharidokat Nature Reviews Microbiology 13, 620 630 (2015) doi:10.1038/nrmicro3480
Arabinogalaktán: arabinóz és galaktóz polimere Homopoliszacharidok a gombákban: Béta-glükán: glukóz polimer, de béta1-3/béta1-6 glikozidos kötésekkel Gabonafélék sejtfalában is van, nem ágazik el, nem emésztjük, de felvételre kerül az enterocitákban, immunmoduláns Kitin: N-Ac-Glukózamin, béta1-4 kötésekkel