Węglowodany. Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

Transkrypt

1 Węglowodany Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

2 Węglowodany - rozpowszechnienie Zawartość w suchej masie: roślin sięga 80% zwierząt nie przekracza 2% W roślinach są: głównym materiałem zapasowym (skrobia) elementem budulcowym (celuloza) W organizmach zwierzęcych są: źródłem energii elementem budulcowym: szkielet bezkręgowców i grzybów (chityna) pełnią funkcję strukturalną u kręgowców (glikozoaminoglikany) 2

3 Węglowodany - występowanie Białka + krótkie łańcuchy węglowodanów glikoproteiny Białka + długie łańcuchy węglowodanów proteoglikany Glikokaliks struktura zewnątrzkomórkowa: glikoproteiny + proteoglikany + glikolipidy - chroni powierzchnię komórek przed urazami mechanicznymi i chemicznymi - ułatwia przemieszczanie się komórek ruchliwych - zapobiega zlepianiu się komórek i przyklejaniu się do ścian naczynia - pełni rolę we wzajemnym rozpoznawaniu się komórek 3

4 Klasyfikacja węglowodanów Monosacharydy węglowodany, których nie można rozłożyć na inne składniki cukrowe Disacharydy podczas hydrolizy rozpadają się na dwie cząsteczki monosacharydów, np. maltoza, sacharoza Oligosacharydy podczas hydrolizy rozpadają się na od 3 do 10 jednostek monosacharydowych, np. maltotrioza Polisacharydy podczas hydrolizy rozpadają się na ponad 10 cząsteczek monosacharydów, np. skrobia, glikogen 4

5 Właściwości fizyczne monosacharydów substancje bezbarwe, bezwonne przeważnie odznaczają się słodkim smakiem bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego odczyn obojętny 5

6 Monosacharydy - nomenklatura Monosacharydy zawierające w swej cząsteczce grupę: aldehydową nazywamy aldozami ketonową nazywamy ketozami Nazwę monosacharydu tworzymy dodając do greckiego liczebnika odpowiadającego ilości atomów węgla końcówkę oza dla aldoz uloza dla ketoz Aldozy Ketozy Triozy aldehyd glicerynowy dihydroksyaceton Tetrozy erytroza erytruloza Pentozy ryboza rybuloza Heksozy glukoza fruktoza 6

7 Typy izomerii monosacharydów 1. Izomery konfiguracyjne D i L 2. Izomeria optyczna 3. Piranozowe i furazonowe formy pierścieniowe 4. Anomery a i b 5. Epimery 6. Izomery konstytucyjne aldoza i ketoza 7

8 Konfiguracja D i L cząsteczki aldehydu glicerynowego są enancjomerami jeżeli związek da się przekształcić do jednego z izomerów aldehydu glicerynowego, to związek ten zaliczamy do szeregu konfiguracyjnego D lub L, w zależności od tego, do którego izomeru przekształcił się przynależność do konfiguracji D lub L nie zależy od kierunku skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego 8

9 Izomery konfiguracyjne D i L Aldehyd L-glicerynowy L-glukoza O 1 C H HO 2 C H 3 CH 2 OH 1 CHO HO 2 C H H 3 C OH HO 4 C H HO 5 C H 6 CH 2 OH Aldehyd D-glicerynowy O 1 C H H 2 C OH 3 CH 2 OH D-glukoza 1 CHO H 2 C OH HO 3 C H H 4 C OH H 5 C OH 6 CH 2 OH 9

10 Izomery konfiguracyjne L kwas iduronowy fukoza L-fukozo-1,6-N-acetyloglukozamina a-d-fukoza b-l-fukoza 10

11 Izomeria optyczna monosacharydów Liczba par enancjomerów uzależniona jest od ilości centrów aktywnych w cząsteczce (+) i (-) glukoza są parą enacjomerów. Pozostałe izomery są diastereoizomerami (+) glukozy i mają swoje odrębne nazwy. CHO *CHOH *CHOH *CHOH *CHOH CH 2 OH Dla 4 centr chiralnych liczba enancjomerów i diastereoizomerów wynosi 2 4 =16 11

12 Izomeria optyczna monosacharydów w przypadku izomerów optycznych (enancjomerów) określa się w nazwie związku informację o jego budowie przestrzennej przedrostkiem stereochemicznym (R) lub (S) podstawniki związane z asymetrycznym atomem węgla szereguje się w kolejności malejących liczb atomowych (umownie a>b>c>d) np. CHFClBr : Br>Cl>F>H, (R) - rectus - prawy - kierunek podstawników zgodny z ruchem wskazówek zegara (S) - sinister - lewy - kierunek przeciwny do ruchu wskazówek zegara 12

13 Izomeria optyczna monosacharydów w celu przypisania symboli konfiguracyjnych obserwujemy ich modele od strony przeciwnej do podstawnika zaszeregowanego jako ostatni ("d"); następnie śledzimy drogę a b c i określamy kierunek gdy z centrum chiralności związane są dwa, trzy lub cztery identyczne atomy, to porównujemy dalsze atomy z nimi związane np. H 3 C-CHCl-CH 2 OH to: Cl>CH 2 OH>CH 3 >H 13

14 Izomeria optyczna monosacharydów 14

15 Rodzina D-aldoz D-(+)- aldehyd glicerynowy D-(-)-erytroza D-(-)-treoza D-(-)-ryboza D-(-)-arabinoza D-(-)-ksyloza D-(-)-liksoza D-(+)-alloza D-(+)-altroza D-(+)-glukoza D-(+)-mannoza D-(-)-guloza D-(-)-idoza D-(+)-galaktoza D-(+)-taloza Izomery D-(+) glukozy są diastereoizomerami 15

16 Piranozowe formy pierścieniowe a-d-glukopiranoza D-glukoza (forma liniowa) b-d-glukopiranoza Cyklizacja: utworzenie wiązania hemiacetalowego między grupą OH przy węglu piątym a grupą karbonylową pierwszego atomu węgla utworzenie wiązania hemiketalowego między grupą karbonylową przy drugim atomie węgla i grupą OH przy węglu szóstym 16

17 Furanozowe formy pierścieniowe Cyklizacja: utworzenie wiązania hemiacetalowego między grupą OH przy węglu czwartym a grupą karbonylową pierwszego atomu węgla utworzenie wiązania hemiketalowego między grupą karbonylową przy drugim atomie węgla i grupą OH przy węglu piątym D-fruktoza a-d-fruktofuranoza 17

18 Anomeria monosacharydów Anomer a izomer, w którym grupa OH przy anomerycznym atomie węgla znajduje się pod płaszczyzną pierścienia Anomer b izomer, w którym grupa OH przy anomerycznym atomie węgla znajduje się nad płaszczyzna pierścienia obrót D-(+)-glukoza węgiel anomeryczny a- lub b-d-glukopiranoza D-ryboza a- lub b-d-rybofuranoza 18

19 Mutarotacja Polega na przechodzeniu jednej formy anomerycznej w drugą. Etapem pośrednim jest forma łańcuchowa monocukru. W roztworach D-glukozy przeważa forma b-d-glukopiranozy. Wszystkie jej grupy OH przyjmą najbardziej korzystne pod względem energetycznym położenia ekwatorialne węgiel anomeryczny a-d-glukopiranoza forma łańcuchowa b-d-glukopiranoza a-d-glukoza stan równowagi [a]=+57,5 o b-d-glukoza 19

20 Epimeria monosacharydów Epimery: diastereoizomery różniące się od siebie położeniem jednej grupy OH C n aldoza endiol C n ketoza epimeryczna C n aldoza innej niż przy C-2 w ketozach innej niż przy C-1 w aldozach innej niż przy ostatnim atomie węgla asymetrycznego Epimeryzacja zachodzi w środowisku zasadowym para epimerów glukoza i mannoza 20

21 Epimeria monosacharydów Epimery: D-glukoza D-mannoza D-fruktoza D-mannopiranoza D-glukopiranoza D-fruktofuranoza wspólna dla epimerów forma endiolowa D-mannoza D-glukoza D-fruktoza 21

22 Właściwości chemiczne monosacharydów Właściwości redukujące do ich występowania konieczna jest wolna grupa aldehydowa lub ketonowa w cząsteczce cukru Cukry posiadają właściwości redukujące w środowisku alkalicznym, w którym następuje otwarcie pierścienia W środowisku kwaśnym cukry występują w formie pierścieniowej brak jest wolnej grupy C=O Cukry redukujące inne substancje same ulegają utlenieniu do kwasów, np. glukoza utlenia się do kwasu glukonowego 22

23 Właściwości chemiczne monosacharydów Działanie kwasów na cukry wszystkie cukry o liczbie atomów większej niż 4 w cząsteczce, ogrzewane z mocnymi kwasami ulegają odwodnieniu i cyklizacji Wpływ zasad na cukry w środowisku zasadowym cukry redukujące ulegaja enolizacji Tworzenie osazonów cukry z fenylohydrazyną tworzą żółte, nierozpuszczalne w wodzie dihydrazony, zwane osazonami 23

24 Tworzenie osazonów epimery posiadają wspólny osazon 24

25 Utlenianie monosacharydów Utlenianie węgla C-1 grupy aldehydowej: warunki łagodne warunki ostre kwasy aldonowe (łatwo ulegają odwodnieniu) kwasy aldarowe sól wapniowa kwasu D-glukonowego jest lekiem stanowiący źródło wapnia (w chorobach alergicznych i w leczeniu osteoporozy) 25

26 Utlenianie monosacharydów Utlenianie węgla C-1 grupy aldehydowej: warunki łagodne warunki ostre kwasy aldonowe (łatwo ulegają odwodnieniu) kwasy aldarowe 26

27 Utlenianie monosacharydów Utlenianie węgla C-1 grupy aldehydowej: warunki łagodne kwasy aldonowe warunki ostre kwasy aldarowe Utlenianie węgla C-6??? utworzenie wiązania estrowego z grupą OH węgla półacetalowego UDP-glukoza urydynodifosfoglukoza 27

28 Utlenianie monosacharydów UDP-glukoza UDP-galaktoza kwas D-glukuronowy (GlcUA) kwas D-galakturonowy (GalUA) dehydrogenaza UDP-glukozowa C-5 epimeryzacja UDP-D-glukoza kwas a-d-glukuronowy kwas b-l-iduronowy (GlcUA) (IdUA) 28

29 Glikozydy Tworzenie glikozydów grupa wodorotlenowa przy anomerycznym atomie węgla monosacharydu reaguje z alkoholami tworząc acetale glikozydy - alkoholami ( OH) O glikozydy - aminami ( NH 2 ) N glikozydy - tiolami (HS ) S glikozydy mieszanina anomerów 29

30 Glikozydy wiązanie glikozydowe aglikon monocukier CH 3 + CH 3 OH a-d-glukopiranoza metylo- a-d-glukopiranozyd 30

31 Anomeria glikozydów wiązanie O-glikozydowe metylo-a-d-glukopiranozyd metylo-b-d-glukopiranozyd 31

32 Glukuronidy kwas glukuronowy pochodne kwasów uronowych łatwo rozpuszczalne w wodzie wydalają się z moczem ich aglikonami mogą być: fenole, sterydy, związki hydrofobowe zawierające grupę -OH b-estradiolo-3-b-d-glukuronid 32

33 Glukuronidy glikozyd nasercowy Dt D-digitoksoza solanina erytromycyna 33

34 Oligosacharydy Disacharydy nie mają własności redukujących, jeśli powstają w wyniku reakcji między: dwiema hemiacetylowymi grupami hydroksylowymi hydroksylowymi: hemiacetalową i hemiketalową sacharoza a-d-glukopiranozylo-(1->2)-b-d-fruktofuranozyd trehaloza a-d-glukopiranozylo-(1->1)-a-d-glukopiranozyd 34

35 Oligosacharydy Disacharydy mają własności redukujące, jeśli powstają w wyniku reakcji między: hemiacetylową grupą hydroksylową jednego monocukru a grupą hydroksylową, która nie jest hemiacetalową drugiego koniec nieredukujący koniec redukujący maltoza a-d-glukopiranozylo-(1->4)-a-d-glukopiranoza 35

36 Polisacharydy ze względu na budowę: homoglikany skrobia amyloza amylopektyna inulina glikogen heteroglikany glukozoaminoglikany galaktozoaminoglikany heparan i jego siarczan heparyna kwas hialuronowy ze względu na pełnioną rolę zapasowe budulcowe 36

37 Tworzenie homoglikanów wiązanie 1,4-O-glikozydowe wiązanie 1,6-O-glikozydowe 37

38 Skrobia Homoglikan zapasowy (roslinny) reszty a-d-glikopiranozylowe zbudowana jest z: a-amylozy wiązania a-1,4-glikozydowe amylopektyny wiązania a-1,4- i a-1,6-glikozydowe 38

39 Glikogen Homoglikan zapasowy (zwierzęcy) zbudowany jest z: a-amylozy amylopektyny magazynowany w wątrobie ma wysoką masę cząsteczkową 39

40 Inulina inulina reszty b-d-fruktofuranozy końcowy monocukier glukoza ma zastosowanie do Wyznaczania objętości płynu komórkowego badania czynności nerek - określanie szybkości filtracji w kłębuszkach nerkowych dodatek do żywności w jogurtach, serkach, deserach mlecznych, piankach, lodach, margarynach, czekoladach w technologii żywności stosowana jako środek zastępujący tłuszcz w produktach cukierniczych probiotyk - stymuluje wzrost korzystnej mikroflory przewodu pokarmowego (Bifidobacterium), powoduje obniżenie poziomu cholesterolu i lipidów w surowicy krwi, redukuje toksyczne metabolity, poprawia wchłanianie wapnia z układu pokarmowego działanie przeciwnowotworowe (?) wiązania b - 2,1 - glikozydowe 40

41 Celuloza b-1,4-glukan zbudowany z reszt b-d-glukopiranozylowych, połączonych wiązaniami b-1,4-glikozydowymi. tworzy struktury nadcząsteczkowe - pojedyncze łańcuchy celulozy są powiązane ze sobą międzyłańcuchowymi wiązaniami wodorowymi stanowią włókna elementarne, łączące się w micele, które asocjują w mikrofibryle, a te w fibryle celulozowe wytrzymała mechanicznie i bardzo odporna na działanie czynników chemicznych, nierozpuszczalna w wodzie i rozpuszczalnikach organicznych, charakteryzuje się dużą higroskopijnością, stanowi główny składnik budulcowy wszystkich ścian komórkowych i włókien wzmacniających u roślin, np. we włóknach bawełny jest jej około 98%. celuloza stanowi około 50% wszystkich związków organicznych na Ziemi (człowiek i zwierzęta wyższe nie wytwarzają enzymów hydrolizujących b-glukany) pełni rolę naturalnego wypełniacza jelita, podtrzymującego i pobudzającego ich perystaltykę 41

42 Heteroglikany- glikozoaminoglikany W połączeniu wiązaniem kowalencyjnym z białkami tworzą proteoglikany. Występują one: w substancji międzykomórkowej w tkance łącznej jako składniki błon podstawnych jako składniki śluzów Wszystkie glikozoaminoglikany, za wyjątkiem kwasu hialuronowego, występują jako estry O- i N- siarczanowe. Ponieważ reszty siarczanowe są obdarzone ładunkiem ujemnym, więc łańcuchy glikozoaminoglikanów mają charakter polianionu. 42

43 Heteroglikany- glikozoaminoglikany Glikozoaminoglikany są liniowymi, długołańcuchowymi polimerami utworzonymi z powtarzających disacharydowych elementów. Element disacharydowy zbudowany jest z: heksozoaminy kwasu heksuronowego We wszystkich znanych glikozoaminoglikanach występują tylko dwa rodzaje heksozoamin (estry): galaktozoamina glukozoamina Kwasem heksuronowym jest: kwas b-d-glukuronowy kwas a-l-iduronowy 43

44 Heteroglikany- galaktozoaminoglikany W połączeniu z białkami są strukturami podporowymi w tkance łącznej Występują w: ścięgnach, kościach, skórze, ścianach naczyń krwionośnych chrząstce Disacharydowe elementy łączą się wiązaniem b-1,4-glikozydowym 44

45 Heteroglikany- galaktozoaminoglikany 4- siarczan chondroityny: kwas glukuronowy N-acetylo(b)galaktozoamina wiązanie b-1,3-glikozydowe 6- siarczan chondroityny: kwas glukuronowy N-acetylo(b)galaktozoamina wiązanie b-1,3-glikozydowe Siarczan dermatanu: kwas L-iduronowy N-acetylo(b)galaktozoamina wiązanie a-1,3-glikozydowe 45

46 Heteroglikany- glukozoaminoglikany Glukozoaminoglikany: siarczan heparanu, heparyna, siarczan keratanu kwas hialuronowy Siarczany heparanu mogą być syntetyzowane przez wszystkie komórki, natomiast heparyna jest wytwarzana i magazynowana głównie przez komórki tuczne i bazofile. Siarczany heparany w połączeniu z białkami są składnikami błon plazmatycznych i wewnątrzkomórkowych. Glikozoaminoglikany wpływają na procesy adhezji i proliferacji komórek. Disacharydowe elementy łączą się wiązaniem a-1,4-glikozydowym 46

47 Heteroglikany- glukozoaminoglikany Heparan: kwas b-d-glukuronowy N-acetylo(a)glukozoamina wiązanie b-1,4-glikozydowe Heparyna: kwas L-iduronowy i (lub) kwas glukuronowy N-acetylo(a)glukozoamina wiązanie b-1,4-glikozydowe działanie antykoagulacyjne 47

48 Heteroglikany- glukozoaminoglikany Kwas hialuronowy jedyny niesiarczanowy glukozoaminoglikan kwas b-d-glukuronowy N-acetylo(b)glukozoamina wiązanie b-1,3-glikozydowe nie tworzy kowalencyjnego wiązania z białkami może natomiast stanowić oś, na której wiążą się inne proteoglikany tworząc wraz z nimi "agregat proteoglikanu". zatrzymuje wodę w macierzy komórkowej jedna cząsteczka kwasu hialuronowego jest w stanie związać ok. 250 cząsteczek wody jest składnikiem filmu łzowego wchodzi w skłąd płynów do soczewek kontaktowych i kropli do oczu (np. zespół suchego oka 48

49 Glikoproteiny Glikoproteiny - białka, które mają węglowodany kowalencyjnie przyłączone do części polipeptydowej. Komponenty cukrowe glikoprotein mogą spełniać różnorodne funkcje: utrzymują właściwą konformację łańcuchów polipeptydowych, ochraniają je przed rozpadem proteolitycznym, determinują czas półtrwania glikoprotein w płynach ustrojowych ułatwiają transport białka zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz komórki wiążą różne patogeny, np. bakterie i wirusy pełnią one rolę determinant antygenowych uczestniczą w zjawiskach biologicznego rozpoznawania i adhezji, przyczyniając się do biologicznej specyficzności komórkowej, narządowej, osobniczej i gatunkowej. 49

50 Glikoproteiny W zależności od typu wiązań glikozydowych obecnych w glikoproteinach, białka te podzielono umownie na: glikoproteiny typu surowiczego, w których składniki węglowodanowe są połączone przede wszystkim wiązaniem N-glikozydowym z polipeptydem; są to głównie białka surowicy (zawierają czasami również wiązania O-glikozydowe) obejmuje także wiele innych białek nie występujących w surowicy, w tym także glikoproteiny błonowe i macierzy pozakomórkowej; glikoproteiny typu mucyny, zawierające wiązanie O-glikozydowe poprzez a- GlcNAc; glikoproteiny typu proteoglikany, zawierające glikozoaminoglikany połączone wiązaniem O-glikozydowym, utworzonym przez ksylozę i resztę seryny lub treoniny (niektóre zawierają również inne wiązania O-glikozydowe i/lub N- glikozydowe) glikoproteiny typu kolagenu, typowe białka strukturalne, zawierające unikalne alkalistabilne wiązanie O-glikozydowe 50

51 Glikoproteiny Masa cząsteczkowa glikoprotein waha się w szerokich granicach: Da dla rybonukleazy B Da dla większości mucyn. Zawartość węglowodanów w glikoproteinach może wahać się od około 0,4 do 85% masy. Na pojedynczy łańcuch polipeptydowy przypadać może: jedna jednostka oligosacharydowa, jak np. w łańcuchu ciężkim immunoglobuliny IgG, kilka jednostek, jak np. a 1 -kwaśnej glikoproteinie, w pojedynczych podjednostkach ludzkiej gonadotropiny kosmówkowej (hcg), kilkanaście jednostek, jak np. w a 2 -makroglobulinie, Kilkaset jednostek, jak w mucynach z gruczołów podszczękowych, śluzu dróg żołądkowo-jelitowych, tchawiczo-oskrzelowych i szyjki macicy. 51