SACHARIDY (CUKRY) (I.)

Transcript

1 SACHARIDY (CUKRY) (I.)

2 SACHARIDY Klasifikácia a-d-glukóza Sacharóza (1,4-a-Glu-b-Fru) Rafinóza (a-1,6;a-1,4-gal-glu-fru) Glykogén (~ Glu) 2 2

3 SACHARIDY Prírodný výskyt a aktivita Adenozín monofosfát (AMP) Medziprodukt syntézy ATP Nukleotid RNA Sinigrín Glukozinolát brokolice Chemopreventívum D-Fruktóza Med, hrozno, hruška Produkcia 240 tis. ton/rok Celulóza (C 6 H 10 5 ) n Polymér β(1 4) D-glukózy Predstavuje ~33% fytomasy na Zemi 3

4 SACHARIDY Biologický význam Skelet DNA, RNA Interakcia vajíčko-spermia Infekcia HIV Antigény erytrocytov 4

5 MNSACHARIDY Gastromolekuly Väčšina monosacharidov má sladkú chuť, pričom fruktóza je o ~70% sladšia ako sacharóza. Napriek značnej mólovej hmotnosti sú vďaka hydrofilným - skupinám extrémne rozpustné vo vode. Napríklad glukóza vytvára hustý sirup, nakoľko jej rozpustnosť vo vode je až 1 g/ml. Lungduname x sladší ako sacharóza 5

6 MNSACHARIDY Štruktúra a stereochémia Fischerova projekcia: C navrchu a CH 2 naspodu vertikálne väzby smerujú dozadu horizontálne väzby dopredu vľavo (L)-konfigurácia vpravo (D)-konfigurácia Príslušnosť k D/L-radu cukrov sa následne určuje podľa konfigurácie posledného stereogénneho uhlíka. (S)-(-)-Glyceraldehyde (R)-(+)-Glyceraldehyde Hermann Emil Fischer ( ) Nobelova cena

7 Monosacharidy Acyklické formy D-aldóz Trióza (2,3-Dihydroxypropanal) Aldotetrózy (2,3,4-Trihydroxybutanal) Aldopentózy (2,3,4,5-Tetrahydroxypentanal) Aldohexózy (2,3,4,5,6- Penta- Hydroxyhexanal) 7

8 Monosacharidy Acyklické formy D-ketóz 2-Ketotrióza (Achirálna!) Samoopaľovacie molekuly 2-Ketotetróza Kľúčová molekula fotosyntézy 2-Ketopentózy Akumuluje sa v moči pacientov s pentozúriou 2-Ketohexózy Umelé sladidlo 92% sladkosti, ale iba 38% kalórií sacharózy 8

9 Monosacharidy Štruktúra Formy D-glukózy Nukleofilná adícia alkoholu na karbonylovú skupinu aldehydu poskytne hemiacetál ako produkt. Pokiaľ sú - a C= súčasťou reťazca, vznikajú intramolekulovou Ad N cyklické poloacetály. 5-Článkové hemiacetály sa nazývajú furanózy, 6-článkové hemiacetály sa nazývajú pyranózy. Pôvodne karbonylový uhlík sa v poloacetáloch nazýva anomerický a má a- alebo b- konfiguráciu. Aldózy existujú takmer výlučne vo forme hemiacetálu, iba malá časť vykazuje acyklickú formu. Zo 4 možných poloacetálov D-glukózy sú majoritnými formami vo vode a- a b-d-glukopyranóza. a-d-glucofuranose b-d-glucofuranose 9

10 Sacharidy Štruktúra Mutarotácia D-glukózy Mutarotácia je zmena optickej otáčavosti meranej zlúčeniny v roztoku v priebehu času. a- a b-anoméry D-glukózy sú diastereoizomérmi a majú rôzne fyzikálne vlastnosti (b.t., [a]). Vodné roztoky oboch čistých anomérov majú rôzne hodnoty optickej otáčavosti, počas 24 hodín však dôjde vďaka mutarotácii k ustáleniu rovnováhy s príslušnou konštantou [a] D. Napriek mizivej rovnovážnej koncentrácii je acyklická forma kľúčová z hľadiska transformácie. a-d-glukopyranóza (kryštalizovaná z Et) b.t.=146 C, [a] D H H H H H 2 Finálna optická otáčavosť: [a] D H H H H 2 b-d-glukopyranóza (kryšt. z Et/H 2 ) b.t.= C, [a] D C NMR Acyklická a-pyranóza b-pyranóza a-furanóza b-furanóza % 38.8% 60.9% 0.14% 0.15% 10

11 Monosacharidy Štruktúra Formy D-fruktózy Analogicky ako u glukózy, hemiketalizácia otvorenej formy D-fruktózy poskytne cyklické produkty. 5-Článkové poloketály sa nazývajú D-fruktofuranózy a 6-článkové sa nazývajú D-fruktopyranózy. Mutarotácia D-fruktózy je rýchla, majoritnými rovnovážnymi formami sú b-fruktopyranóza a furanóza. a-d-fructopyranose (2.7%) (0.5%) (6.2%) b-d-fructopyranose (68.2%) Sir Walter Norman Haworth ( ) University of Birmingham Nobelova cena 1937 (cukry a vitamín C) b-d-fructofuranose (22.4%) 11

12 Monosacharidy Štruktúra Formy D-ribózy Štruktúrna polymorfia D-ribózy: - NMR štúdie ukázali, že vo vodnom roztoku je dominantná forma b-pyranózy v pomere b-pyr/a-pyr/b-fur/a-fur = 60 / 20 / 12 / 6. (20%) (60%) - Pyranózy majú pomerne rigidný skelet, pričom ich dominantnými konformáciami sú interkonvertujúce 4 C 1 a 1 C 4 stoličky. - Furanózy sú však podstatne flexibilnejšie a to z dôvodu vzájomnej interkonverzie obálkových foriem C 2 -endo a C 3 -endo. (6%) (12%) - Početná prítomnosť hydroxylových skupín pridáva na konformačnej komplexnosti z dôvodu existencie množstva rotamérov. - Relatívne zastúpenie jednotlivých foriem D-ribózy však závisí hlavne od toho, či sa jedná o jej tuhé resp. plynné skupenstvo, alebo ide o vodný roztok monosacharidu. (Cocinero et al.: Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 3119) 12

13 Monosacharidy Štruktúra Formy D-ribózy KNEČNE! - Napriek identifikácii konformérov D-ribózy v roztoku (NMR), ešte donedávna nebola známa jej štruktúra v kryštalickom stave. - Hlavným dôvodom bola notoricky známa nekryštalizovateľnosť D-ribózy, ktorá znemožňovala akvizíciu kvalitných dát. D-ribóza existuje v kryštalickom stave iba vo forme 4 C 1 stoličiek a- a b-ribo-pyranóz. - V roku 2010 sa konečne podarilo pripraviť monokryštál vhodný pre X-ray difrakciu. Zároveň sa podarilo získať dáta z práškovej röntgenovej štruktúrnej analýzy D-ribózy. be metódy viedli k rovnakému výsledku: existencii dvoch anomérov ribo-pyranózy. - Prášková analýza identifikovala prítomnosť dvoch 4 C 1 stoličiek a- a b-ribo-pyranóz (1:1). - Analýza monokryštálu taktiež potvrdila 4 C 1 stoličky a-/b-ribo-pyranóz, ale v pomere 1:3. (Šišak et al: Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 4503.) 13

14 Monosacharidy Štruktúra Formy D-ribózy Vesmírna D-ribóza: - D-ribóza je prvým C-5 (mono)sacharidom detegovaným v plynnom skupenstve. - Kombináciou laserového odparovania a mikrovlnnej spektroskopie bolo v plynnom stave identifikovaných jej 6 konformérov. - Všetky vykazujú pyranozidovú štruktúru stabilizovanú sieťou kooperatívnych vodíkových väzieb. Neboli nájdené žiadne furanózy a ani lineárna forma D-ribózy. - Prvé rotačné spektrum D-ribózy otvára možnosti jej detekcie vo vesmíre. Mikrovlnný podpis D-ribózy (Cocinero et al.: Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 3119) 14

15 Sacharidy Štruktúra Cyklické formy a-d-hexóz (Nomenklatúra IUPAC: Furanózy: Allofuranóza Altrofuranóza Glukofuranóza Manofuranóza Gulofuranóza Idofuranóza Galaktofuranóza Talofuranóza Pyranózy: Allopyranóza Altropyranóza Glukopyranóza Manopyranóza Gulopyranóza Idopyranóza Galaktopyranóza Talopyranóza 15

16 Monosacharidy Konformácie hexopyranóz Stoličková konformácia hexopyranóz je vo všeobecnosti energeticky výhodnejšia ako vaničková. Dôvodom sú nevýhodné stérické interakcie vo vaničkovej konformácii. V rámci stoličkových konformácii hexopyranóz je vo všeobecnosti energeticky výhodnejšia tá, v ktorej je viac substituentov v ekvatoriálnych polohách (obzvlášť to platí pre -CH 2 ) a to z dôvodu absencie stéricky nevýhodných 1,3-diaxiálnych interakcií ( 4 C 1 vs. 1 C 4 ). Komplexná rovnováha však závisí aj od typu substitúcie, rozpúšťadla a teploty. 1,3-Diaxial interaction 16

17 Reakcie monosacharidov Príprava -glykozidov (acetálov) Najjednoduchší spôsob fixácie štruktúry cukrov je príprava glykozidov. Napríklad D-glukóza s Me v kyslom prostredí poskytuje acetál, konkrétne Me-a-D-glukopyranozid. Reakcia je reverzibilná a pod termodynamickou kontrolou vzniká a-epimér ako stabilnejší produkt z dôvodu anomérneho efektu. tvorená forma D-glukózy dáva v kyslom prostredí rovnovážnu zmes oboch hemiacetálov, ktoré sú v prítomnosti alkoholu následne transformované na diastereomérne metyl-a-/b-d-glukopyranozidy. Reakcia prebieha cez intermediárny oxóniový katión, ktorý je nukleofilne atakovaný metanolom. Analogicky sa -glukozidy v kyslom prostredí hydrolyzujú vodou späť na východiskovú D-glukózu. 17

18 Reakcie monosacharidov Príprava -glykozidov (acetálov) Chemoselektivita Vznik acetálov umožňuje značnú kontrolu štruktúry a reaktivity cukrov. Reakciou benzaldehydu s Me-a-D-glukopyranozidom sa získa výlučne 4,6--benzylidénacetál. Dôvodom je vznik perfektne stabilného trans-fúzovaného šesťčlánkového kruhu s fenylovou skupinou v ekvatoriálnej polohe. Cyklické acetály acetónu naopak preferujú 5-článkové kruhy, nakoľko v nich absentuje nevýhodná 1,3-diaxiálna interakcia Me-skupiny. Navyše, 5/5- respektíve 5/6-fúzia acetonidov je stabilnejšia v cis-forme. Keďže D-glukóza nemá v pyranózovej forme žiadny 1,2-cis-diol, vo furanózovej však dva, acetál ju do nej fixuje vo forme 1,2:5,6-di--izopropylidén-a-D-glukofuranózy (bisacetonidu glukózy). 18

19 Reakcie monosacharidov Príprava -glykozidov (acetálov) Všeobecný mechanizmus 19

20 Reakcie monosacharidov Príprava S-glykozidov (tioacetálov) Ak je potrebné zafixovať štruktúru D-glukózy v acyklickej forme, je vhodné ju previesť na ditioacetál. Pripravuje sa analogickou reakciou ako -acetály, ako nukleofily sa však v tomto prípade používajú príslušné tioly. Výsledný acyklický ditioacetál vzniká rýchlejšie a je stabilnejší ako hemi(tio)acetál. Mechanizmus vzniku ditioacetálov je analogický ako v prípade acetálov: 20

21 Reakcie monosacharidov Príprava N-glykozidov Amadori Nukleofilná adícia amínov na cukry poskytuje hemiaminály, ktorých dehydratáciou vznikajú N-acetály. Glykozylamíny podliehajú kyslo-katalyzovanému Amadoriho prešmyku za vzniku 1-amino-1-deoxyketóz. V prípade reakcie aminokyselín a sacharidov ide o prvý stupeň Maillardovej reakcie, ktorej finálne heterocyklické produkty sú zodpovedné za charakteristickú farbu a chuť tepelne spracovaných potravín. D-manóza hemiaminál imín N-glykozid N-glykozid imín Louis Camille Maillard ( ) University of Paris 1-Amino-1-deoxy-2-ketohexóza (Amadoriho produkt) énaminol 21

22 Monosacharidy N,,S-glykozidy Výskyt a bioaktivita Amíny, alkoholy a tioly sa v prírode často vyskytujú vo forme glykozidov, t.j. N-,-, S-acetálov v anomérnej polohe D-glukózy. Pravdepodobným dôvodom je zvýšenie rozpustnosti týchto zlúčenín vo vode a/alebo zlepšenie transmembránového prenosu. Zároveň ide aj o stabilizáciu molekuly. 22

23 Sinigrín & Sulforafanín Chemopreventívne tioglykozidy sulforafanine 23