Transcript sacharidy_p1-2012

Chémia sacharidov
pre 5. ročník špecializácie Organická chémia,
KOCH PRIF UK, Bratislava
Sylaby kurzu
1. Výskyt sacharidov v prírode a ich rôznorodosť,
chemické a biologické vlastnosti a význam, princípy
glykobiológie, základné pojmy, definície a štruktúrne
vyjadrenia, konformačná analýza, potreba špeciálnej
nomenklatúry, vzťah k ostatnej organickej chémii.
2. Základné špeciálne reakcie sacharidov vyplyvajúce z
ich polyhydroxykarbonylovej štruktúry. Mutarotácia,
Lobry de Bruynova-Alberda van Ekensteinova reakcia,
Bílikova reakcia.
3. Metódy skracovania a predlžovania uhlikového reťazca
sacharidov. Fischerova glykozidácia. Vnútorné
glykozidy (anhydridy sacharidov). Anomérny efekt.
Chémia sacharidov
pre 5. ročník špecializácie Organická chémia
Sylaby kurzu (pokračovanie)
4. Reakcie karbonylovej skupiny sacharidov s tiolmi,
ditioacetály a ditioketály sacharidov, tioglykozidy. Reakcie
karbonylovej skupiny sacharidov s amoniakom a jeho
derivátmi. Amadoriho prešmyk, Maillardove reakcie.
N-Glykozylamíny, hydrazóny a osazóny sacharidov.
C-Glykozylované zlúčeniny.
5. Étery sacharidov. Metylétery, benzylétery, tritylétery,
silylétery sacharidov, ich príprava, vlastnosti a využitie na
protekciu a deprotekciu OH skupín sacharidov a na
analytické účely. Metylačná analýza sacharidov.
Jodistanová oxidácia a jej analytické využitie. NMR,
hmotnostná spektrometria a chromatografické metódy
analýzy sacharidov.
6. Estery sacharidov. Acetáty, benzoáty, pivaloáty, fosfáty,
sulfáty, sulfonáty, boráty sacharidov, ich príprava, vlastnosti
a využitie na protekciu a deprotekciu OH skupín sacharidov
a na analytické účely.
Chémia sacharidov
pre 5. ročník špecializácie Organická chémia
Sylaby kurzu (pokračovanie 2)
7. Acetály sacharidov. Izopropylidénové a benzylidénové
acetály, ich príprava, vlastnosti a využitie na protekciu a
deprotekciu OH skupín sacharidov. Konformačná
analýza izopropylidénových a benzylidénových
acetálov.
8. Substitučné reakcie hydroxylových skupín sacharidov
iných ako anomérnej OH skupiny. Využitie sulfonátov
ako dobre odchadzajúcich skupín na túto substitúciu.
Priama substitúcia hydroxylových skupín.
9. Anhydroderiváty sacharidov a ich príprava, vlastnosti a
využitie na substitučné a konfiguračné manipulácie na
uhlikovom skelete sacharidov. Pravidlá otvárania
anhydrokruhov na rigidnych sacharidových štrukturách.
Chémia sacharidov
pre 5. ročník špecializácie Organická chémia
Sylaby kurzu (pokračovanie 3)
10. Glykozylhalogenidy, glykozyltrichloracetimidáty, ich
príprava, vlastnosti a využitie na syntézu glykozidov,
disacharidov a vyšších oligosacharidov.
11. Tiosacharidy, aminodeoxysacharidy, neanomerické
halogenidy sacharidov, ich príprava, vlastnosti a využitie.
Sacharidy s rozvetveným reťazcom, nenasýtené deriváty
sacharidov.
12. Využitie sacharidov ako zdrojov chirálnych syntónov na
syntézu zlúčenín nesacharidovej povahy. Využitie
sacharidov ako surovín chemického priemyslu v súčasnosti
a vyhľad do budúcnosti. Nutričné vlastnosti sacharidov,
stráviteľnosť a energetická výdatnosť sacharidov. Sladidlá a
ich náhražky, náhražky tukov na báze sacharidov.
Literatúra:
Monosaccharides. Their Chemistry and Their Roles in Natural Products,
P. M. Collins, R. J. Ferrier, Wiley, Chichester, 1995.
Glycoscience I-III. Chemistry and Chemical Biology,
B. Fraser-Reid, K. Tatsuta, J. Thiem (Eds.). Springer, Berlin, 2001.
Contemporary Carbohydrate Chemistry,
A. M. Stephen, University of Cape Town, RSA, 2003,
http://web.uct.ac.za/depts/cem/ccc/contents.htm
Sacharidy,
M. Černý, T. Trnka, M. Budešínsky, Edice Chemických listů, ČSCH, 2010
Prednášky Chémia sacharidov pre 5. ročník špecializácie Organická
chémia, KOCH PRIF UK, Bratislava
http://chemia.rt.sk
Dva príklady zo záverečného testu
3.
Konfigurácia D-gluko je
a)
b)
c)
4. Medzistupňom chemických reakcií znázornených uvedenou reakčnou
schémou je štruktúra
TrO
TsO
TrO
BnS
O
OAc
O
NaOMe
NaSBn
MeOH
DMF
O
OH
O
Me
O
Me
Me
TrO
TrO
TsO
O
a)
b)
O
TrO
O
OH
c)
O
O
Me
O
O
OH
O
Me
Me
O
O
Me
Me
O
Me
Me
Základy glykobiológie
Biologické funkcie sacharidov
• Sacharidy, okrem ich už dávno známych úloh v živej
hmote, ktorými sú spomínané štrukturálno-stavebné
a energeticko-zásobné funkcie, majú v živých
organizmoch aj mnohé ďalšie, životne dôležité úlohy,
ktoré veda začína spoznávať len v posledných
desaťročiach.
• Vďaka svojej štrukturálnej rozmanitosti, ktorá
mnohonásobne prevyšuje štrukturálnu rozmanitosť
nukleových kyselín a proteínov, sú sacharidy o.i.
zodpovedné tak za rozpoznávacie procesy vo vnútri
bunky ako i na jej povrchu, ale aj za špecializáciu
buniek a s tým spojenú diferenciáciu tkanív a vývoj
jednotlivých orgánov živých organizmov.
Schématická ilustrácia rozpoznávacích sacharidových interakcií
medzi bunkami a medzi bunkou a vonkajšími činiteľmi.
Zdroj: BioCarb AB katalóg.
Úloha povrchovobunkových oligosacharidov v rozpoznávacích prosesoch.
(a) Bunky navzájom interagujú prostredníctvom viacnásobného viazania ich
glykoproteínových oligosacharidov s proteínovými receptormi iných buniek.
Glykolipidové (b) a glykoproteínové oligosacharidy (c) sú rozpoznávané
protilátkami.
Adhézia a kolonizácia bakteriálnych patogénov (d) na bunkách sa uskutočňuje
prostredníctvom rozpoznania povrchových oligosacharidov.
(e) Rovnako patogénne vírusy pred inváziou do buniek sa zachytávajú na
povrchových oligosacharidoch špeciálnych pre daný vírus.
Schématické znázornenie bunkovej steny cicavčích buniek. Zdroj:
http://cellbio.utmb.edu/cellbio/membrane_intro.htm resp. Wolfe S.L.,
Molecular and Cellular Biology, Wadsworth Publishing Company, 1993.)
• Rôzne typy buniek spôsobujú produkciu
rôznych súprav glykozylačných enzýmov,
a zároveň majú rozličné sady proteínov,
ktoré môžu byť glykozylované.
• Glykozylácia je preto flexibilným
evolučným nástrojom, ktorý slúži na
široký rad účelov v zložitých
organizmoch.
Najčastejšie monosacharidy cicavčích glykokonjugátov
CH2OH
O
HO
OH
HO
HO
OH
HO
OH
HO
D-glukóza (D-Glc)
OH
HO
OH
D-galaktóza (D-Gal)
O
HO
O
HO
OH
OH
HO
OH
L-fukóza (L-Fuc)
HO
CH2OH
O
HO
OH
OH
HO
HO
OH
L-idurónová kyselina (L-IdoA)
OH
HNAc
N-acetyl-D-galaktózamín (D-GalNAc)
NHAc
N-acetyl-D-glukózamín (D-GlcNAc)
HOCH2
CH2OH
O
HO
OH
D-xylóza (D-Xyl)
COOH
O
HO
OH
HO
OH
D-glukurónová kyselina (D-GlcA)
HO
OH
D-manóza (D-Man)
COOH
O
CH3
HO
CH2OH
O
CH2OH
O
OH
HO
AcNH
O
COOH
OH
HO
N-acetyl-neuramínová (sialová) kyselina (Neu5Ac)
HO
HO
HO
O
O
OH
HO
HO
OH
HO
OH
HO
Glc
OH
HO
OH
HO
OH
HO
HO
OH
Man
Gal
HO
O
O
OH
Fuc
HO
O
O
OH
HO
HO
HO
OH
NHAc
OH
HO
COOH
OH
HO
OH
HO
HO
HOCH2CONH
O
COOH
OH
OH
Xyl
HO
OH
OH
HO
HO
O
COOH
OH
HO
HO
NeuNAc
OH
HO
Ara
HO
O
O
HO
GalNAc
GlcNAc
HO
AcNH
OH
HO
NHAc
HO
O
NeuNGc
Kdn
Monosacharidy cicavčích glykoproteínov. Prvých deväť štruktúr je
najbežnejších, vyskytujú sa aj ďalšie, napr. NeuNGc a Kdn
Na rozdiel od cukrov sa základné stavebné jednotky nukleových kyselín a
proteínov sa môžu viazať iba jedným typom chemickej väzby a môžu vytvárať iba
nerozvetvené reťazce
OH
HO P O
Nukleové
kyseliny
OH
O
HO P O
2
O
NH 2
N
O
O
N
O
O
N
NH 2
O
N
jediná kombinácia
HO P O
HO
O
NH 2
N
O
O
tymidín-mononukleotid
N
HO
Aminokyseliny
O
2
H 2N
CH 3
O
OH
H 2N
CH 3
CH 3
N
H
OH
jediná kombinácia
O
L-alanín
Cukry
O
2
OH
HO
+ 7 iných kombinácií
HO
O
HO
OH
HO
HO
D-glukóza
HO
O
OH
O
OH HO
OH
HO
šesťčlenných kruhov
(+ 31 iných kombinácií
5-a 6-členných kruhov)
Na rozdiel od cukrov sa základné stavebné jednotky nukleových kyselín a
proteínov sa môžu viazať iba jedným typom chemickej väzby a môžu vytvárať iba
nerozvetvené reťazce
OH
HO P O
Nukleové
kyseliny
OH
O
HO P O
2
O
NH 2
N
O
O
N
O
O
N
NH 2
O
N
jediná kombinácia
HO P O
HO
O
NH 2
N
O
O
tymidín-mononukleotid
N
HO
Aminokyseliny
O
2
H 2N
CH 3
O
OH
H 2N
CH 3
CH 3
N
H
OH
jediná kombinácia
O
L-alanín
Cukry
O
2
OH
HO
+ 7 iných kombinácií
HO
O
HO
OH
HO
HO
D-glukóza
HO
O
OH
O
OH HO
OH
HO
šesťčlenných kruhov
(+ 31 iných kombinácií
5-a 6-členných kruhov))
•
•
Cukry však vďaka svojej štrukturálnej a väzbovej rôznorodosti môžu
vytvárať rozvetvené štruktúry
Takto relatívne jednoduchá sada monosacharidov môže vytvárať
obrovský počet zložitých štruktúr
•
Napr. deväť bežných monosacharidov, ktoré sa nachádzajú
v ľudskom organizme, môže byť poskladaných do viac ako 15
miliónov možných tetrasacharidov, z ktorých každý z nich
môže byť považovaný za relatívne jednoduchý oligosacharid.
•
Tento glykokód sa využíva na rozpoznávacie procesy vo vnútri
bunky i na jej povrchu, ale aj na špecializáciu buniek a s tým
spojenú diferenciáciu tkanív, pletív a vývin jednotlivých orgánov
živých organizmov.
•Všetky bunky daného organizmu obsahujú rovnaký genetický materiál
(genóm).
•Od neho odvodený proteínový výkonný aparát (proteóm) ako aj sacharidové
zloženie a funkcie (glykóm) sú však pre bunky špecifické podľa ich
špecializácie a funkcie v organizme, čím sa bunky daného organizmu
navzájom líšia.
•Každá odchýlka od tohto normálneho sacharidového zloženia bunky potom
spôsobuje chorobné zmeny v príslušnom tkanive, pletive či orgáne daného
organizmu. Preto je poznanie sacharidového kódu jednotlivých buniek, teda
diagnostika glykómu bunky, ako aj poznanie glykobiologických procesov v
bunke, potrebné na kontrolu správnej činnosti a nevyhnutné na prípadnú
potrebu opravy porúch proteínového aparátu bunky, ktorý na základe
genetického kódu bunky zabezpečuje jej kompletnú výstavbu vrátane
sacharidového zloženia.
Transfúzia krvi a objav krvných skupín
Karl Landsteiner
(1868-1943)
Najznámejšia a medicínsky
najdôležitejšia klasifikácia krvných
skupín je podľa AB0 systému
determinantov. AB0 krvné skupiny
objavil Karl Landsteiner na
Viedeňskej univerzite v rokoch
1900-1901, keď zisťoval príčinu,
prečo transfúzia krvi niekedy
spôsobí smrť a niekedy pacienta
zase zachráni. V roku 1930 dostal
za tento objav Nobelovu cenu.
Podľa tabuľky rozdelenia AB0 krvných skupín napr. ľudia
s krvnou skupinou A majú na povrchu ich červených krviniek
antigén A. Kvôli tomu neprodukujú anti-A protilátky, pretože tieto
by spôsobili zničenie ich vlastnej krvi. Ak sa však do ich krvného
obehu transfúziou zavedie krv krvnej skupiny B, anti-B protilátky
prítomné v ich krvi (A) ju rozpoznajú ako cudziu a zničia ju alebo
z nej aglutinujú (vyzrážajú do zhlukov) vnesené cudzie červené
krvinky, a to za účelom očistenia krvi od cudzích proteínov.
AB0
krvná skupina
Antigén
A
Antigén
B
Protilátka
anti-A
Protilátka
anti-B
A
+
-
-
+
B
-
+
+
-
0
-
-
+
+
AB
+
+
-
-
Určenie krvnej skupiny: Neznáme ľudské červené krvinky pred
pridaním (vľavo) a po pridaní (vpravo) séra obsahujúceho anti-A
protilátky. Aglutinačná reakcia prezrádza prítomnosť antigénu A na
povrchu týchto červených krviniek, čo dokazuje krvnú skupinu A
(protilátky sú bielkoviny, červené krvinky sú bunky, ich špecifické
antigény sú tetrasacharidy alebo pentasacharidy)
http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/B/BloodGroups.html
Determinanty ľudských krvných skupín AB0 systému
Legenda:
červená
krvinka
N-acetyl-Dgalaktózamín
L-fukóza
N-acetyl-Dglukózamín
D-galaktóza
• Sacharidový kód determinantov ľudských krvných skupín
AB0 systému rozpoznávajú bielkovinové protilátky na
princípe klúča a zámku
http://www.pandasthumb.org/archives/images/lock&key.jpg
• Rovnaký princíp biologického rozpoznávania na
bunkovej úrovni, najčastejšie medzi sacharidmi a
bielkovinami, funguje aj v mnohých ďalších normálnych
i chorobných procesoch v živých organizmoch
•Všetky bunky daného organizmu obsahujú rovnaký genetický materiál
(genóm).
•Od neho odvodený proteínový výkonný aparát (proteóm) ako aj sacharidové
zloženie a funkcie (glykóm) sú však pre bunky špecifické podľa ich
špecializácie a funkcie v organizme, čím sa bunky daného organizmu
navzájom líšia.
•Každá odchýlka od tohto normálneho sacharidového zloženia bunky potom
spôsobuje chorobné zmeny v príslušnom tkanive, pletive či orgáne daného
organizmu. Preto je poznanie sacharidového kódu jednotlivých buniek, teda
diagnostika glykómu bunky, ako aj poznanie glykobiologických procesov v
bunke, potrebné na kontrolu správnej činnosti a nevyhnutné na prípadnú
potrebu opravy porúch proteínového aparátu bunky, ktorý na základe
genetického kódu bunky zabezpečuje jej kompletnú výstavbu vrátane
sacharidového zloženia.
•Rovnako dôležité je poznanie sacharidových kódov pri proteín-sacharidových
interakciách buniek s exogénnymi patogénmi (baktérie, vírusy, toxíny), ktoré
vstupujú do buniek práve na základe tohto biologického rozpoznania
sacharidového kódu na svojom povrchu či na povrchu hostiteľských buniek.
Na základe poznania týchto sacharidových kódov je potom možné úspešne
navrhnúť lieky (glykoterapeutiká) na liečenie, ale aj na prevenciu ochorení,
ktoré spôsobujú tieto patogény.
HO
OH
H
HO
HO
O
H
N
OH
H
HO
COOH
O HN
NH2
HN
Zanamivír - aktívna zložka prvého
protichrípkového lieku Relenza a účinný
inhibítor enzýmu neuraminidáza,
povrchového glykoproteínu chrípkových
vírusov, ktorý štiepi koncové kyseliny
sialové z glykoproteínov a glykolipidov a je
kritický pre replikáciu vírusov
Vírus chrípky pred
inváziou do bunky
H
N
O
COOH
OH
O HO
Kyselina N-acetylneuramínová
(sialová) - prírodzený sacharid
(cukor) nachádzajúci sa v
cicavčích glykoproteínoch a
glykolipidoch
Druhým, dnes už do medicínskej praxe zavedeným protichrípkovým
liekom, je prípravok Tamiflu, ktorého aktívnou zložkou je oseltamivírfosfát, iný účinný inhibítor enzýmu neuraminidáza. Oseltamivírfosfát je podobne ako predošlý prípravok Relenza (zanamivír)
napodobneninou (mimetikom) kyseliny N-acetylneuramínovej.
OH
HO
O
HN
O
COOC2H5
+
NH3 H2PO4
Oseltamivír-fosfát
HO
O
COOH
OH
HN
O
OH
Kyselina N-acetylneuramínová (sialová)
Oseltamivir is an antiviral drug that slows the spread of influenza (flu)
virus between cells in the body by stopping the virus from chemically
cutting ties with its host cell—median time to symptom alleviation is
reduced by 0.5–1 day. The drug is sold under the trade name Tamiflu
and is taken orally in capsules or as a suspension. It has been used to
treat and prevent Influenzavirus A and Influenzavirus B infection in over
50 million people since 1999.
The prodrug Oseltamivir is itself not virally effective; however, once in
the liver, it is converted by natural chemical processes, hydrolysed
hepatically to its active metabolite, the free carboxylate of oseltamivir
(GS4071).
Oseltamivir is a neuraminidase inhibitor, serving as a competitive
inhibitor towards sialic acid, found on the surface proteins of
normal host cells. By blocking the activity of the viral
neuraminidase enzyme, oseltamivir prevents new viral particles
from being released by infected cells.
http://en.wikipedia.org/wiki/Oseltamivir
OH
HO
HO
O
OH
N
S
NH
HO
HO
O
OH
NHAc
CH3
Thiamet-G
GlcNAc
Thiamet-G je veľmi sľubný kandidát na vývoj lieku proti Alzheimerovej chorobe
Scott A Yuzwa, Matthew S Macauley, Julia E Heinonen, Xiaoyang Shan, Rebecca J Dennis, Yuan He, Garrett E
Whitworth, Keith A Stubbs, Ernest J McEachern, Gideon J Davies & David J Vocadlo, Nature Chemical Biology 4, 483 490 (2008). Published online: 29 June 2008; doi:10.1038/nchembio.96
(
http://www.ksbi.or.kr/board/trendview.asp?BoardName=trend&Num=2278&ScrollAction=Page4
Thiamet G
Hyperphosphorylation of the tau protein leads to its aggregation and
formation of neurofibrillary tangles, a hallmark of Alzheimer’s disease and
other tauopathic, neurodegenerative disorders. Tau is also dynamically
modified by the addition and cleavage of O-linked β-N-acetylglucosamine
(O-GlcNAc) moieties, which is mediated in part by O-GlcNAcase. Levels
of O-GlcNAcylated proteins from Alzheimer’s disease brain extracts are
decreased as compared to that in controls, suggesting that impaired brain
glucose metabolism may contribute to pathogenesis.
Thiamet G is a potent and selective inhibitor of O-GlcNAcase that
demonstrates a Ki value of 21 nM. It increases cellular O-GlcNAc-modified
protein levels (EC50 = 30 nM) and blocks phosphorylation of tau protein
both in cultured PC-12 cells and in rats (200 mg/kg/day).
Thiamet G is the first highly potent O-GlcNAcase inhibitor known to
be orally bioavailable and effectively cross the blood brain barrier.
http://www.caymanchem.com/app/template/Product.vm/catalog/13237/a/z;
jsessionid=68481FD62E7985888DA013B37765339F
HO
HO
HO
O
O
HO
OH
HO
HO
OH
OH
HO
Glc
HO
HO
OH
HO
OH
OH
HO
OH
Man
Gal
HO
O
O
OH
Fuc
HO
O
O
AcNH
OH
HO
AcNH
OH
OH
HO
OH
COOH
OH
HO
OH
OH
HO
HO
HOCH2CONH
O
COOH
OH
OH
Xyl
HO
OH
OH
HO
HO
O
COOH
OH
HO
HO
NeuNAc
HO
Ara
HO
O
O
HO
GalNAc
OH
HO
AcNH
OH
HO
GlcNAc
HO
O
NeuNGc
Kdn
Monosacharidy cicavčích glykoproteínov. Prvých deväť štruktúr je
najbežnejších, vyskytujú sa aj ďalšie, napr. NeuNAc a Kdn
Tri typy štruktúr asparagínovo-viazaných glykoproteínových oligosacharidov;
1 – komplexný, 2 – vysokomanózový, 3 – hybridný.
Zdroj: http://www.prozyme.com/pdf/tngl100.pdf
Štyri typy základných štruktúr serínovo- resp. treonínovo-viazaných
glykoproteínových oligosacharidov.
Zdroj: http://www.prozyme.com/pdf/tngl100.pdf
Povrch bunky
http://www.cdgs.com/glyco1.jpg
Základné pojmy,
pôvod a význam sacharidov
sacharidy (syn. glycidy) - skupina zlúčenín s najmenej tromi alifaticky
viazanými atómami uhlíka, ktorú tvoria polyhydroxykarbonylové zlúčeniny, ich
jednoduché deriváty a ich oligoméry a polyméry, v ktorých monomérne
sacharidové jednotky sú navzájom pospájané zmiešanou acetálovou
(glykozidovou) väzbou.
Podľa počtu jednoduchých sacharidových jednotiek obsiahnutých v jednej
molekule sa sacharidy delia na monosacharidy, oligosacharidy a polysacharidy.
K sacharidom sa zaraďujú aj glykokonjugáty (glykoproteíny, glykolipidy,atď.).
Podľa prítomnosti karbonylovej skupiny v molekule sa sacharidy delia na
redukujúce a neredukujúce. Sacharidy a ich deriváty obsahujujúce v molekule
karbonylovú skupinu vo voľnej, hydratovanej alebo poloacetálovej forme sú
redukujúce sacharidy. Sacharidy neobsahujúce takúto skupinu sú neredukujúce.
Väčšina sacharidov sú bezfarebné (biele) kryštalické látky sladkej chuti.
Rozpustnosť sacharidov je najlepšia vo vode a dimetylsulfoxide a klesá s
klesajúcou polaritou rozpúšťadla.
Reakcie sacharidov sa rozdeľujú na reakcie na hydroxylových skupinách,
reakcie na karbonylovej skupine vo voľnej alebo poloacetálovej forme a reakcie
podmienené prítomnosťou karbonylovej a hydroxylových skupín. Oligosacharidy
a polysacharidy navyše poskytujú kyslou alebo enzýmovou hydrolýzou
monosacharidy a oligosacharidy.
sacharidy (pokračovanie)
Na štruktúrnu analýzu sacharidov sa využívajú rôzne chemické reakcie,
fyzikálnochemické metódy (1H- a 13C-NMR spektrometria, plynová a kvapalinová
chromatografia, často v kombinácii s hmotnostnou spektrometriou,
spektrometria v infračervenej, viditeľnej i ultrafialovej oblasti, polarimetria,
optická rotačná disperzia, cirkulárny dichroizmus a rontgenová štruktúrna
analýza) a biochemické metódy (reakcie katalyzované enzýmami).
Sacharidy patria medzi najrozšírenejšie prírodné organické látky. Vznikajú v
procese fotosyntézy (ročne asi 2  1011 ton), sú stavebným materiálom rastlín
(50 až 80% sušiny) a základnou látkou metabolizmu živočíchov. Niektoré
sacharidy sa získavajú z prírodných materiálov (D-glukóza, D-lyxóza, Larabinóza, sacharóza, laktóza, atď.), ostatné sa z nich pripravujú synteticky.
Využitie sacharidov je veľmi široké. Používajú sa ako potraviny a ich zložky
(sacharóza, D-glukóza, D-fruktóza, laktóza, maltóza a maltodextríny, škrob,
atď.), sú surovinou na výrobu textilných vlákien (celulóza), substrátmi pre rôzne
fermentačné výroby (výroba etanolu, 1-butanolu, kyseliny citrónovej, atď.) a
využívajú sa na výrobu liečiv, vitamínov a špeciálnych chemikálií.
Obnoviteľná biomasa
(200 miliárd ton/rok)
20 %
lignín
5 %, tuky, proteíny, terpenoidy, alkaloidy, atď.)
75 %
sacharidy
Ročne v prírode fotosyntézou a následnými biochemickými premenami vzniká
asi 200 miliárd ton biomasy, z ktorej prevažnú časť, asi 75 % tvoria sacharidy.
Historický vývoj základne chemického priemyslu
_______________________________________________
Časové obdobie
Surovinová základňa priemyselnej
výroby materiálov
_______________________________________________
Do prelomu
Suroviny rastlinného pôvodu
19. a 20. storočia
↓
↓
↓
Obdobie od r. 1970
Suroviny fosílneho pôvodu
↓
↓
↓
↓
??
?Suroviny rastlinného pôvodu?
_______________________________________________
monosacharidy - zlúčeniny skupiny sacharidy, ktoré hydrolýzou neposkytujú nižšie
sacharidové jednotky.
Podľa typu karbonylovej skupiny sa monosacharidy delia na aldózy a ketózy. Ak je
na sekundárny atóm uhlíka centrálneho uhlíkového reťazca viazaný ďalší uhlíkový
atóm alebo uhlíkový reťazec, sú to monosacharidy s rozvetveným reťazcom.
Základné derivaty monosacharidov sú deoxysacharidy, aminosacharidy,
tiosacharidy, kyseliny aldónové, kyseliny urónové, kyseliny aldarové, alditoly a
nenasýtené deriváty sacharidov (napr. glykály). K monosacharidom sa pričleňujú aj
cyklitoly. Všetky tieto monosacharidy a ich deriváty môžu byť zložkami
oligosacharidov a polysacharidov.
Podľa konfigurácie na najvzdialenejšom asymetrickom atóme uhlíka (referenčný
atóm uhlíka) od karbonylovej alebo potenciálnej karbonylovej skupiny sa rozdeľujú
na D-monosacharidy a L-monosacharidy. Monosacharidy genetického radu D majú
na referenčnom atóme uhlíka vo Fischerovom projekčnom vzorci hydroxylovú
skupinu umiestnenú na pravej strane od centrálneho uhlíkového reťazca,
monosacharidy genetického radu L majú túto hydroxylovú skupinu na ľavej srane.
Reťazec uhlíkových atómov je orientovaný zvisle s uhlíkovým atómom karbonylovej
alebo potenciálnej karbonylovej skupiny umiestneným hore. Väzby vystupujúce z
atóma uhlíka k susedným atómom uhlíka v reťazci smerujú smerom za nákresnú
rovinu, väzby k substituentom premietaným vpravo a vľavo od hlavného zvislého
reťazca smerujú pred nákresnú rovinu. Atómy uhlíka v reťazci sa číslujú smerom
zhora nadol.
monosacharidy - zlúčeniny skupiny sacharidy, ktoré hydrolýzou neposkytujú
nižšie sacharidové jednotky.
CH=O
CH2OH
H C OH
HO C H
HO C H
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
CH2OH
CH2OH
aldóza
(D-glukóza)
ketóza
(D-fruktóza)
HOH2 C
O
HO
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
CH2OH
CH2OH
HOH2 C
O
OH
H OH
OH
O
H
OH
OH
H
H
H
CH2OH
H
H
HO-H2C C OH
H
H
OH
CH=O
aldóza
(D-ribóza)
monosacharid s rozvetveným
reťazcom (D-hamamelóza)
CH2OH
H
CH=O
C=O
HOH2C
R
H
OH OH
OH
O
H
H
OH
H
H
OH OH
R = CH2OH
Redukujúce sacharidy vytvárajú cyklické poloacetálové formy.
monosacharidy - zlúčeniny skupiny sacharidy, ktoré hydrolýzou neposkytujú nižšie
sacharidové jednotky.
Podľa typu karbonylovej skupiny sa monosacharidy delia na aldózy a ketózy. Ak je
na sekundárny atóm uhlíka centrálneho uhlíkového reťazca viazaný ďalší uhlíkový
atóm alebo uhlíkový reťazec, sú to monosacharidy s rozvetveným reťazcom.
Základné derivaty monosacharidov sú deoxysacharidy, aminosacharidy,
tiosacharidy, kyseliny aldónové, kyseliny urónové, kyseliny aldarové, alditoly a
nenasýtené deriváty sacharidov (napr. glykály). K monosacharidom sa pričleňujú aj
cyklitoly. Všetky tieto monosacharidy a ich deriváty môžu byť zložkami
oligosacharidov a polysacharidov.
Podľa konfigurácie na najvzdialenejšom asymetrickom atóme uhlíka (referenčný
atóm uhlíka) od karbonylovej alebo potenciálnej karbonylovej skupiny sa rozdeľujú
na D-monosacharidy a L-monosacharidy. Monosacharidy genetického radu D majú
na referenčnom atóme uhlíka vo Fischerovom projekčnom vzorci hydroxylovú
skupinu umiestnenú na pravej strane od centrálneho uhlíkového reťazca,
monosacharidy genetického radu L majú túto hydroxylovú skupinu na ľavej srane.
Reťazec uhlíkových atómov je orientovaný zvisle s uhlíkovým atómom karbonylovej
alebo potenciálnej karbonylovej skupiny umiestneným hore. Väzby vystupujúce z
atóma uhlíka k susedným atómom uhlíka v reťazci smerujú smerom za nákresnú
rovinu, väzby k substituentom premietaným vpravo a vľavo od hlavného zvislého
reťazca smerujú pred nákresnú rovinu. Atómy uhlíka v reťazci sa číslujú smerom
zhora nadol.
Základné deriváty monosacharidov:
COOH
CH=O
H C OH
H C OH
CH2OH
HOH2 C
O
OH
O
HO
H
H
H
H
OH
H
H
OH
H
H OH
H
H
deoxysacharid
(2-deoxy-D-ribóza)
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
CH2OH
COOH
NHCOCH3
aminosacharid
(N-acetyl-D-glukózamín)
COOH
H2 C OH
H C OH
H C OH
aldónová kyselina urónová kyselina
(k. D-glukónová) (k. D-glukurónová)
CH2OH
HO C H
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
COOH
H2 C OH
aldarová kyselina
(k. D-glukarová
k. cukrová)
alditol (D-glucitol,
sorbitol)
OH
OH
H
H
OH
H H
H
OH
O
HO
H
H
HO C H
HO C H
HO C H
H
OH
H
HO
H
H
nenasýtený derivát
sacharidu (D-glukál)
OH
cyklitol
(myoinozitol)
monosacharidy (pokračovanie)
Monosacharidy a sacharidy vôbec ako chirálne molekuly (okrem mezo-foriem,
ktoré majú rovinu symetrie, napr.galaktitol) sú opticky aktívne a otáčajú rovinu
polarizovaného svetla. Optická otáčavosť [ ]D, znamená pri bežnej laboratórnej
teplote (15 až 25o C) najčastejšie pri vlnovej dĺžke =589 nm (žltá D-čiara
sodíkového svetla) vo vhodnom rozpúšťadle, je jednou z charakteristických
konštánt pre tieto látky. Niekedy sa pravotočivosť (+) resp. ľavotočivosť (-)
uvádza aj v názve sacharidu, napr. D(+)-glukóza. DL-Monosacharidy (napr. DLglyceraldehyd) je ekvimolárna zmes obidvoch enanciomérov monosacharidov
tzv. racemická zmes).
Prítomnosť viacerých hydroxylových skupin v molekule monosachridu zvyšuje
počet asymetrických centier v molekule a je príčinou existencie značného počtu
stereoizomérov monosacharidov (enancioméry, diastereoizoméry, epiméry).
Počet streoizomérov jednotlivých typov monosacharidov a ich derivátov pre
štruktúru s n asymetrickými atómami uhlíka v acyklickej forme je daný pre
nerovnako zakončený reťazec (napr. aldózy) čislom 2n (existuje napr. osem
pentóz). Ak sú koncové skupiny v molekule rovnaké (napr. alditoly), je počet
stereoizomérov daný číslom 2n-1 pre n nepárne (štyri pentitoly) resp. 2(n/2)-1.
(2n/2+1) pre n párne (desať hexitolov).
Redukujúce monosacharidy sú v acyklickej forme len v zriedkavých prípadoch.
Ich charakteristickou vlastnosťou je vytváranie zmesí cyklických poloacetálových
foriem (pyranóza, furanóza, ktoré sú vzájomne interkonvertovateľné
(mutarotácia). Množstvo acyklickej formy v rovnováhe je spravidla veľmi malé.
Novovytvorená hydroxylová skupina patriaca vnútornému poloacetálovému
zoskupeniu sa nazýva anomérna (poloacetálová) hydroxylová skupina a
sacharidový zvyšok glykozyl. Anomérny (poloacetálový) atóm uhlíka je ďalším
asymetrickým centrom sacharidu.
In 1884 Fischer began his great work on the sugars,
which transformed the knowledge of these compounds
and welded the new knowledge obtained into a coherent
whole. Even before 1880, the aldehyde formula of
glucose had been indicated, but Fischer established it
by a series of transformations such as oxidation into
aldonic acid and the action of phenylhydrazine which he
had discovered and which made possible the formation
of the phenylhydrazones and the osazones. By passage
to a common osazone, he established the relation
between glucose, fructose and mannose, which he
Hermann Emil Louis Fischer
1852-1919 (1902 Nobel Prize)
discovered in 1888.
In 1890, by epimerization between gluconic and mannonic acids, he established the
stereochemical and isomeric nature of the sugars, and between 1891 and 1894 he
established the stereochemical configuration of all the known sugars and exactly
foretold the possible isomers, by an ingenious application of the theory of the
asymmetrical carbon atom of Van't Hoff and Le Bel, published in 1874. Reciprocal
syntheses between different hexoses by isomerization and then between pentoses,
hexoses, and heptoses by reaction of degradation and synthesis proved the value
of the systematics he had established. His greatest success was his synthesis of
glucose, fructose and mannose in 1890, starting from glycerol.
http://en.wikipedia.org/wiki/Hermann_Emil_Fischer
Organic and Medicinal Chemistry and Chirality
• Practical significance since the times of Thalidomide (Contergan,1954-1957)
O
N
O
O
O
H
N
O
O
N
O
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Thalidomide-structures.png
H
N
O
Vzťah medzi konformačným a Fischerovym vzorcom
(1)
CHO
H
(2)
C
CHO
H
OH
OH
CH 2OH
(3)
CH 2OH
D-glyceraldehyd
(1)
CHO
OHC
H
H
OH
HO
CH 2OH
H
HO
(2)
C
(3)
C
(4)
OH
H
CH 2OH
L-treóza
CHO
H
C
OH
HO
C
H
CH 2OH
Optická aktivita sacharidov
CH2OH
CH=O
H C OH
HO C H
HO C H
H C OH
rovina
symetrie
HO C H
CH2OH
C=O
HO C H
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
galaktitol
(meso-galactitol)
[]D20 = 0 º
D(+)-glukóza
(dextróza)
[]D20 = + 53 º
D(-)-fruktóza
(levulóza)
[]D20 = – 92 º
Vzťah medzi počtom asymetrických uhlíkov a počtom izomérov sacharidov
8 aldopentóz
D-ribóza
L-ribóza
L-ribóza
D-ribóza
D-arabinóza
L-arabinóza
D-ly xóza
D-arabinóza
ribitol
D-xy lóza
L-xy lóza
D-xy lóza
D-arabinitol
L-xy lóza
D-ly xóza
L-arabinóza
xy litol
L-ly xóza
L-ly xóza
L-arabinitol
4 pentitoly
Podobným spôsobom možno odvodiť súvislosť medzi 16 aldohexózami (8 D- a 8 L-enanciomérov) s 10 hexitolmi
D-alóza
D-altróza
D-glukóza
D-manóza
D-gulóza
D-idóza
D-galaktóza
D-talóza