Βιολογικά Μακρομόρια

Transcript

1 Βιολογικά Μακρομόρια Στυλιανός Χαμηλάκης 2011

2 Υδατάνθρακες Με το γενικό όρο «υδατάνθρακες» χαρακτηρίζονται πολύ-υδροξυλιωμένα παράγωγα αλδεϋδών και κετονών, προϊόντα συμπύκνωσης αυτών καθώς και περισσότερο πολύπλοκες ενώσεις που μπορούν να υδρολυθούν προς αυτά τα παράγωγα. Συνεπώς οι υδατάνθρακες περιέχουν,, και τις χαρακτηριστικές ομάδες του καρβονυλίου (>=) και του υδροξυλίου (-). Στους υδατάνθρακες ανήκουν ενώσεις όπως οι αλδόζες και οι κετόζες που έχουν μοριακό τύπο n ( 2 ) n, δηλαδή είναι υδρίτες του άνθρακα καθώς και ενώσεις που προκύπτουν από αναγωγή της ομάδας του καρβονυλίου των μονοζακχαριτών (αλδιτόλες), από οξείδωση μιας ή περισσότερων λειτουργικών ομάδων προς καρβοξυλικά οξέα αλλά και από υποκατάσταση μιας ή περισσοτέρων ομάδων υδροξυλίου από άτομα υδρογόνου, αμινο-ομάδας, σουλφυδρυλίου ή συναφών ομάδων καθώς και τα παράγωγα αυτών. Συνεπώς υπάρχουν υδατάνθρακες που δεν ανταποκρίνονται σε αυτόν τον απλό τύπο καθώς και ενώσεις που ενώ ανήκουν στον τύπο δεν είναι υδατάνθρακες πχ οξικό οξύ. Σε κάποια βιβλία οι υδατάνθρακες ταυτίζονται με τα σάκχαρα ενώ σε άλλα ως σάκχαρα θεωρούνται απλοί υδατοδιαλυτοί υδατάνθρακες. Οι υδατάνθρακες ταξινομούνται σε απλούς (μονοσακχαρίτες, δισακχαρίτες) και σύνθετους ολιγοζακχαρίτες, πολυσακχαρίτες. Μονοσακχαρίτες Ο όρος περιλαμβάνει αλειφατικές πολύ-υδροξυαλδεΰδες (αλδόζες), αλειφατικές πολύ-υδροξυκετόνες (κετόζες) και ευρύ φάσμα παραγώγων που προέρχονται από αντιδράσεις οξειδώσεως, αναγωγής, αλκυλίωσης, ακυλύωσης, εισαγωγής υποκαταστατών κλπ. Είναι οι απλούστεροι υδατάνθρακες και αποτελούν τη δομική μονάδα των υπολοίπων Αλδόζες Ως αλδόζες χαρακτηρίζονται ενώσεις προερχόμενες από υδατάνθρακες που στη μοριακή δομή τους υπάρχει η λειτουργική ομάδα των αλδεϋδών (-=) δηλαδή είναι πολύ-υδρόξυ αλδεΰδες Η[()] n (=), n 2 αλλά και οι αντίστοιχες ενδομοριακές ημιακετάλες. Ανάλογα με τον αριθμό ατόμων άνθρακα ή οξυγόνου που περιέχουν στο μόριο τους χαρακτηρίζονται ως αλδοτριόζες (μια αλδεϋδομάδα, δυο υδροξύλια), αλδοτετρόζες (μια αλδεϋδομάδα, τρία υδροξύλια), αλδοπεντόζες (μια αλδεϋδομάδα, τέσσερα υδροξύλια) κλπ. Επειδή περιέχουν ασύμμετρα άτομα άνθρακα εμφανίζονται υπό διάφορες στερεοχημικές μορφές. Επίσης μπορούν να οξειδωθούν προς αλδονικά ή και προς σακχαρικά οξέα. Χαρακτηριστικές αλδόζες είναι η γλυκεριναλδεΰδη, η γλυκόζη, η ερυθρόζη η μανόζη, η ξυλόζη η ριβόζη κλπ. Κετόζες Ως κετόζες χαρακτηρίζονται ενώσεις προερχόμενες από υδατάνθρακες που στη μοριακή δομή τους υπάρχει η λειτουργική ομάδα των κετονών (RR =) δηλαδή είναι πολύ-υδρόξυ κετόνες Η[()] n -(=)[] m - με τρία ή περισσότερα άτομα άνθρακα αλλά και οι αντίστοιχες ενδομοριακές ημιακετάλες. Η ομάδα του καρβονυλίου ευρίσκεται συνήθως στον Κυρίως Ολιγοσακχαρίτες: Το πρόθεμα «ολιγο-» σημαίνει μικρός αριθμός και χρησιμοποιείται σε ορισμένες ενώσεις για να δείξει ότι υπάρχει ένας μικρός αριθμός δομικών μονάδων μονομερή- που επαναλαμβάνονται προκειμένου να σχηματιστεί η ένωση. Ο αριθμός των μονομερών δεν είναι καθορισμένος με σαφήνεια όμως συνήθως κυμαίνεται από Με τον τρόπο αυτόν σχηματίζονται δι-σακχαρίτες (δύο δομικές μονάδες σακχάρων) κλπ. Πολυσακχαρίτες: Είναι ενώσεις που συνίστανται από μεγάλο αριθμό μονοσακχαριτών, συνήθως πάνω από 10. Αλδιτόλες: Άκυκλες πολυόλες του γενικού τύπου 2 [()] n 2, συνήθως προκύπτουν από αναγωγή του καρβονυλίου μιας αλδόζης.

3 Υδατάνθρακες Απλοί Σύνθετοι Μονοσακχαρίτες 1 μόριο σακχάρου Δισακχαρίτες 2 μόρια σακχάρων Ολιγοσακχαρίτες 3-9 μόρια σακχάρων Πολυσακχαρίτες 10 ή περισσότερα μόρια σακχάρων σακχάρων Σακχαρόζη Μαλτοδεξτρίνες Γλυκόζη Φρουκτόζη Λακτόζη Μαλτόζη Άμυλο Κυτταρίνη Δομή μονοσακχαριτών Πηκτίνη Απεικονίσεις άκυκλων δομών-προβολές κατά Fischer Ο καθορισμός μιας απεικονίσεως ως R ή S βασίζεται στην κατάταξη των τεσσάρων υποκαταστατών του ασύμμετρου ατόμου άνθρακα σε σειρά προτεραιότητας. Μέγιστη προτεραιότητα δίνεται στο άτομο μεγαλύτερου ατομικού αριθμού ή στο ισότοπο μεγαλύτερης μάζας. Στην περίπτωση που τα πρώτα άτομα υποκαταστατών είναι ίδια η σειρά καθορίζεται από τα επόμενά τους. Άτομα με πολλαπλούς δεσμούς θεωρείται ότι είναι ισοδύναμα με ίσο αριθμό ατόμων απλού δεσμού. Σε μια προβολή κατά Fischer, το τετραεδρικό (3D) άτομο άνθρακα απεικονίζεται με δύο κάθετες γραμμές. Οι κατακόρυφη γραμμή αναπαριστά δεσμούς που κατευθύνονται πίσω από το επίπεδο, δηλαδή κατεύθυνση που απομακρύνεται από τον παρατηρητή ενώ η οριζόντια αναπαριστά δεσμούς που κατευθύνονται έξω από το επίπεδο προς τον παρατηρητή. Κάθετη γραμή, αναπαριστά δεσμούς που κατευθύνονται πίσω από το επίπεδο. Δομή γλυκεριναλδεΰδης-προβολές κατά Fischer Οριζόντια γραμή, αναπαριστά δεσμούς που κατευθύνονται έξω από το επίπεδο προς τον παρατηρητή. 2 (R)-(+)-γλυκεριναλδεΰδη 2 2 Προβολή Fischer

4 Μετακινήσεις επί της προβολής Fischer και συνέπειες Μετακινήσεις που οδηγούν στην ίδια απεικόνιση: 1. Περιστροφή προς προβολής, επί του επιπέδου κατά 180 : Περιστροφή κατά 180 ο 2 2 (R)-(+)-γλυκεριναλδεΰδη (R)-(+)-γλυκεριναλδεΰδη 2. Διατήρηση μιας οποιασδήποτε ομάδας στη θέση της και περιστροφή των υπολοίπων προς την ίδια κατεύθυνση, είτε δεξιόστροφα (προς οι δείκτες ωρολογίου) είτε αριστερόστροφα. Οι τρείς ομάδες που αλλάζουν θέσεις πρέπει να κινηθούν κατά τον ίδιο αριθμό θέσεων και προς την ίδια κατεύθυνση: Σημαντική παρατήρηση Οι μεταβολές αυτές στην προβολή Fischer ισοδυναμούν με περιστροφή γύρο από ένα σ-δεσμό δηλαδή μεταβολή διαμόρφωσης χωρίς να θίγεται η απεικόνιση συνεπώς χωρίς να θίγεται η ακεραιότητα των δεσμών του ασύμμετρου άνθρακα. Άρτιος αριθμός αλλαγών θέσεως υποκαταστατών ισοδυναμεί με περιστροφή 180 και δεν μεταβάλλει την απεικόνιση. Μετακινήσεις που οδηγούν στην απεικόνιση του εναντιομερούς: 1. Οι μετακινήσεις κατά 90 ή 270 Περιστροφή κατά 90 ο 2 2 (R)-(+)-γλυκεριναλδεΰδη (S)-(-)-γλυκεριναλδεΰδη 2 2 Οι δύο αυτές ενώσεις είναι εναντιομερείς 2. Ανταλλαγή θέσεως δύο ομάδων. Γενικότερα, περιττός αριθμός αλλαγών θέσεως υποκαταστατών ισοδυναμεί με περιστροφή κατά 90 ή 270 και οδηγεί στην απεικόνιση του εναντιομερούς της αρχικής ενώσεως: Οι δύο ομάδες που ανταλλασουν θέση 2 2 (R)-(+)-γλυκεριναλδεΰδη (S)-(-)-γλυκεριναλδεΰδη

5 Δομή μονοσακχαριτών με περισσότερα στερεογονικά κέντρα-προβολές κατά Fischer Οι μονοσακχαρίτες που περιέχουν περισσότερους ασύμμετρους άνθρακες αναπαρίστανται με τοποθέτηση των ασύμμετρων κέντρων σε κατακόρυφη σειρά ώστε ο καρβονυλικός άνθρακας να βρίσκεται στην κορυφή της προβολής (ή το δυνατόν εγγύτερα σε αυτήν). Τα 4 στερεογονικά κέντρα γλυκόζης & μαννόζης παρίστανται ως εξής: Γλυκόζη Μαννόζη D, L Σάκχαρα Πριν την καθιέρωση της ορολογίας R & S, η R-(+)-γλυκεριναλδεΰδη αναφερόταν ως D- γλυκεριναλδεΰδη υποδηλώνοντας τη δομή της ενώσεως η οποία έστρεφε το πολωμένο φώς προς τα δεξιά (κατά τη διεύθυνση των δεικτών του ωρολογίου). Το εναντιομερές S-(-)-γλυκεριναλδεΰδη αναφερόταν ως L- γλυκεριναλδεΰδη υποδηλώνοντας τη δομή της ενώσεως η οποία έστρεφε το πολωμένο φώς προς τα αριστερά. Για λόγους που σχετίζονται με τον τρόπο βιοσύνθεσης τους οι μονοσακχαρίτες εμφανίζουν στο στερεογονικό κέντρο που βρίσκεται στην πιο απομακρυσμένη θέση ως προς το καρβονύλιο (ο ασύμμετρος με τη μεγαλύτερη αρίθμηση) ίδια στερεοχημική απεικόνιση με αυτή της D- γλυκεριναλδεΰδης. Για το λόγο αυτό, στις προβολές κατά Fischer των περισσοτέρων φυσικών σακχάρων το υδροξύλιο στο κατώτερο στερεογονικό κέντρο έχει διεύθυνση προς τα δεξιά. Οι ενώσεις αυτές ονομάζονται D-σάκχαρα: 2 2 D- γλυκεριναλδεΰδη ( R-( +)-γλυκεριν αλδεΰδη) D-Γλυκόζη D-Μαννόζη D-Φρουκτόζη Στις προβολές κατά Fischer των L-σακχάρων το υδροξύλιο στο κατώτερο στερεογονικό κέντρο έχει διεύθυνση προς τα αριστερά. Το L-σάκχαρo αποτελεί εναντιομερές (κατοπτρικό είδωλο) του αντίστοιχου D-σακχάρου και συνεπώς διαφέρει σε όλα τα στερεογονικά κέντρα. 2 D- γλυκεριναλδεΰδη (R-(+)-γλυκεριναλδ εΰδη) 2 L- γλυκεριναλδεΰδη S-(-)-γλυκεριναλδεΰδη L-Γλυκόζη D-Γλυκόζη L-Μαννόζη D-Μαννόζη D-Φρουκτόζη L-Φρουκτόζη

6 Σημαντική παρατήρηση Το πρόθεμα D αναφέρεται στη στερεοχημεία του κατώτερου στερεογονικού ατόμου άνθρακα δηλώνει ότι το υδροξύλιο αυτού του άνθρακα βρίσκεται στη δεξιά πλευρά της κορυφής κατά Fischer, εφόσον το καρβονύλιο βρίσκεται στην κορυφή ή εγγύτερα προς αυτήν. Το πρόθεμα L αναφέρεται στη στερεοχημεία του κατώτερου στερεογονικού ατόμου άνθρακα δηλώνει ότι το υδροξύλιο αυτού του άνθρακα βρίσκεται στην αριστερή πλευρά της κορυφής κατά Fischer, εφόσον το καρβονύλιο βρίσκεται στην κορυφή ή εγγύτερα προς αυτήν. Ο συμβολισμός D & L δεν σχετίζεται με την κατεύθυνση προς την οποία το σάκχαρο στρέφει το πολωμένο φώς. Έτσι ένα σάκχαρο D μπορεί να είναι είτε δεξιόστροφο είτε αριστερόστροφο, όπως και ένα L σάκχαρο. Το σύστημα D & L αναφέρεται μόνο σε ένα στερεογονικό κέντρο και δεν παρέχει πληροφορίες για τα λοιπά στερεογονικά κέντρα. Χρησιμοποιείται για μια άμεση στερεοχημική συσχέτιση δύο σακχάρων. Απεικονίσεις αλδοζών Οι αλδοτετρόζες είναι σάκχαρα με τέσσερις άνθρακες και δύο στερεογονικά κέντρα. Υπάρχουν 2 2 =4 πιθανά στερεοϊσομερή αλδοτετροζών ή δύο ζεύγη D,L εναντιομερών που ονομάζονται ερυθρόζη και θρεόζη. Ξεκινώντας από την D-γλυκεριναλδεΰδη σχεδιάζονται οι δύο D-αλδοτετρόζες, εισάγοντας ένα νέο στερεογονικό κέντρο κάτω από τον αλδεϋδικό άνθρακα: 2 D- γλυκεριναλδεΰδη 2 D- Ερυθρόζη 2 D- Θρεόζη Κάθε μια από τις δύο D-αλδοτετρόζες που σχηματίζονται οδηγεί σε δύο D-αλδοπεντόζες (συνολικά τέσσερις). Οι αλδοπεντόζες έχουν τρία στερεογονικά κέντρα, 2 3 =8 πιθανά στερεοϊσομερή ή τέσσερα ζεύγη D,L εναντιομερών που ονομάζονται ριβόζη (συστατικό RA), αραβινόζη, ξυλόζη και λυξόζη. Κάθε μια από τις τέσσερις D-αλδοπεντόζες οδηγεί σε δύο D-αλδοεξόζες (συνολικά οκτώ). Οι αλδοεξόζες έχουν τέσσερα στερεογονικά κέντρα, 2 4 =16 πιθανά στερεοϊσομερή ή οκτώ ζεύγη D,L εναντιομερών που ονομάζονται αλλόζη, αλτρόζη, γλυκόζη, μαννόζη, γουλόζη, ιδόζη, γαλακτόζη και ταλόζη. Κυκλικές δομές μονονοσακχαριτών-σχηματισμός ημιακεταλών-τύποι aworth Η υδροξυλομάδα και το καρβονύλιο, όταν βρίσκονται στο ίδιο μόριο, αντιδρούν μέσω ενδομοριακής αντίδρασης προσθήκης σχηματίζοντας κυκλική ημιακετάλη. Οι πενταμελείς και εξαμελείς κυκλικές ημιακετάλες, φουραζόνες και πυραζόνες αντίστοιχα, είναι ιδιαίτερα σταθερά μόρια και γι αυτό αρκετοί υδρογονάνθρακες ευρίσκονται σε κατάσταση ισορροπίας ανοικτής και κλειστής αλυσίδας. Η νέα αυτή μορφή είναι σταθερή στην κρυσταλλική κατάσταση, ενώ σε διάλυμα συνυπάρχουν σε ισορροπία η άκυκλη (σε αμελητέα συγκέντρωση) με την κυκλική μορφή, που επικρατεί. Στις αλδοεξόζες επικρατεί η κυκλική μορφή εξαμελούς δακτυλίου (αλδοπυρανόζες), ενώ στις κετόζες επικρατεί άλλοτε ο πενταμελής και άλλοτε ο εξαμελής δακτύλιος και οι δομές ονομάζονται κετοφουρανόζες ή κετοπυρανόζες. Οι δακτύλιοι της πυραζόνης (ονομασία προερχόμενη από τον κυκλικό αιθέρα πυράνιο) και της φουραζόνης (ονομασία προερχόμενη από τον κυκλικό αιθέρα φουράνιο) αποδίδονται παραστατικά κυρίως μέσω προβολών aworth παρά με τις προβολές κατά Fischer. Στην κατά aworth προβολή, ο ημιακεταλικός δακτύλιος σχεδιάζεται σε επίπεδη μορφή με το άτομο του ημιακεταλικού οξυγόνου να ευρίσκεται δεξιά και επάνω. Αν και η πυραζόνη στην πραγματικότητα έχει δομή ανακλίντρου, η προβολή aworth χρησιμοποιείται γιατί γίνεται άμεσα αντιληπτός ο συσχετισμός cis-trans υδροξυλίων στο δακτύλιο. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι κάθε υδροξύλιο που έχει κατεύθυνση δεξιά στην προβολή κατά Fischer, κατευθύνεται προς τα κάτω στην προβολή κατά aworth και κάθε υδροξύλιο που έχει κατεύθυνση αριστερά στην προβολή κατά Fischer, κατευθύνεται προς τα επάνω στην προβολή κατά aworth. Επίσης στις προβολές κατά aworth των D-σακχάρων, η ακραία ομάδα 2 τοποθετείται προς τα επάνω ενώ στα L- σάκχαρα προς τα κάτω.

7 D-Γλυκόζη, δομή πυρανόζης προβολή κατά aworth 2 2 D-Γλυκόζη προβολή κατά Fischer 2 D-Γλυκόζη τύπος φουρανόζης 2 D-Φρουκτόζη προβολή κατά Fischer 2.. D-Φρουκτόζη D-Φρουκτόζη, δομή φουραζόνης προβολή κατά aworth Ανωμερή μονοσακχαριτών-πολυμορφισμός Με την αντίδραση σχηματισμού ημιακετάλης και τη μετατροπή της ανοιχτής αλυσίδας του μονοσακχαρίτη σε πυρανόζη ή φουρανόζη, σχηματίζεται ένα νέο στερεογονικό κέντρο στη θέση όπου υπήρχε το καρβονύλιο και συνεπώς προκύπτουν δύο νέα διαστερεομερή που αποκαλούνται ανωμερή, ενώ ο ημιακεταλικός άνθρακας αναφέρεται ως ανωμερικό κέντρο. Ειδικότερα η γλυκόζη κυκλοποιείται αντιστρεπτά σε υδατικό διάλυμα σχηματίζοντας μίγμα ανωμερών με αναλογία 36:64. Το ανωμερές που σχηματίζεται σε μικρότερη αναλογία και στο οποίο η ομάδα ΟΗ του 1 βρίσκεται σε θέση trans ως προς τον υποκαταστάτη 2 Ο του 5 (κατεύθυνση προς τα κάτω στην προβολή aworth), ονομάζεται α ανωμερές (α-dγλυκοπυραζόνη). Κατά σύμβαση α ανωμερές θεωρείται εκείνο στο οποίο το ανωμερικό κέντρο και το τελευταίο στερεογονικό κέντρο του 5 έχουν την ίδια απεικόνιση. Το ανωμερές που σχηματίζεται σε μεγαλύτερη αναλογία και στο οποίο η ομάδα ΟΗ του 1 βρίσκεται σε θέση cis ως προς τον υποκαταστάτη 2 Ο του 5 (κατεύθυνση προς τα επάνω στην προβολή aworth), ονομάζεται β ανωμερές (β-d-γλυκοπυραζόνη). Το β ανωμερές έχει αντίθετες απεικονίσεις στο ανωμερικό και στο στερεογονικό κεντρο του 5. Και τα δύο ανωμερή της D-γλυκοπυραζόνης μπορούν να κρυσταλωθούν και να απομονωθούν. Η καθαρή α-d-γλυκοπυραζόνη έχει σ.τ. 146 και ειδική στροφική [α] D = + 112,2, ενώ η καθαρή β-dγλυκοπυραζόνη έχει σ.τ και ειδική στροφική [α] D = + 18,7. Όταν κάποιο ανωμερές από τα δύο διαλυθεί στο νερό η ειδική στροφή του μεταβάλλεται αργά καταλήγοντας στις + 52,6. Η ειδική στροφή του α ανωμερούς μειώνεται ενώ του β ανωμερούς αυξάνεται, φαινόμενο που αναφέρεται ως πολυστροφισμός και οφείλεται στην αργή μετατροπή του α ανωμερούς ή του β ανωμερούς ώστε να επιτευχθεί στο διάλυμα η αναλογία 36:64. Ο πολυστροφισμός εξηγείται με την αντιστρεπτή διάνοιξη του δακτυλίου κάθε ανωμερούς που οδηγεί σε αλδεΰδη ανοικτής αλυσίδας και τον επανασχηματισμό του: 2 α-d-γλυκοπυραζόνη (36%) [α] D = + 112,2 0 2 D-Γλυκόζη 2 β-d-γλυκοπυραζόνη (64%) [α] D = + 18,7 0

8 Διαμορφώσεις μονοσακχαριτών Οι δακτύλιοι της πυρανόζης έχουν γεωμετρία τύπου ανακλίντρου με αξονικούς και ισημερινούς υποκαταστάτες. Για τη μετατροπή των προβολών κατά aworth σε ανάκλιντρα ακολουθούνται τα ακόλουθα τρία βήματα: 1. Σχεδιάζεται η προβολή κατά aworth με το οξυγόνο του δακτυλίου επάνω δεξιά. 2. Υψώνεται το αριστερότερο άτομο άνθρακα (4) πάνω από το επίπεδο του δακτυλίου. 3. Χαμηλώνεται ο ανωμερικός άνθρακας (1) ώστε να βρεθεί κάτω από το επίπεδο του δακτυλίου. Θα πρέπει να επισημανθεί ότι στη β-d-γλυκοπυραζόνη, όλοι οι υποκαταστάτες του δακτυλίου βρίσκονται σε ισημερινή θέση καθιστώντας την τη λιγότερο στερεοχημικά παρεμποδιζόμενη και συνεπώς σταθερότερη. 2 2 α-d-γλυκοπυραζόνη 2 2 β-d-γλυκοπυραζόνη Αντιδράσεις μονοσακχαριτών Ως πολυ-υδροξυ-καρβονυλικές ενώσεις οι μονοσακχαρίτες μπορούν να μετάσχουν σε αντιδράσεις που χαρακτηρίζουν τις λειτουργικές ομάδες τις οποίες διαθέτουν. Οι χαρακτηριστικότερες αντιδράσεις των μονοσακχαριτών είναι: 1. Αντιδράσεις σχηματισμού Γλυκοζιτών/ αιθέρων 2. Αντιδράσεις εστεροποίησης 3. Αντιδράσεις αναγωγής/οξείδωσης 4. Αντιδράσεις επιμήκυνσης ανθρακικής αλυσίδας 5. Αντιδράσεις αποικοδόμησης Αντιδράσεις σχηματισμού Γλυκοζιτών/ αιθέρων Όταν η ημιακετάλη ενός μονοσακχαρίτη διαλυθεί σε αλκοόλη παρουσία όξινου καταλύτη σχηματίζεται ακετάλη, στην οποία το ανωμερικό ΟΗ έχει αντικατασταθεί από την ομάδα R, (R=το αλκύλιο της αλκοόλης). Οι ακετάλες των υδατανθράκων αποκαλούνται γλυκοζίτες και ονομάζονται με αντικατάσταση της κατάληξης όζη με την κατάληξη οζίτης. Υπάρχει ισορροπία μεταξύ των δομών ανοικτής και κλειστής αλυσίδας, δεν εκδηλώνεται το φαινόμενο του πολυστροφισμού ενώ μπορεί να ανακτηθεί ο ελεύθερος μονοσακχαρίτης με υδρόλυση παρουσία αραιού διαλύματος οξέος. Οι γλυκοζίτες εμφανίζουν α και β ανωμερικές μορφές όπως οι μονοσακχαρίτες (ημιακετάλες): 2 β-d-γλυκοπυραζόνη -ημιακεταλη- 3 /l 2 3 Μεθυλο β-d-γλυκοπυραζόνη -ακεταλη α-d-γλυκοπυραζόνη -ημιακεταλη- 3 /l 2 3 Μεθυλο α-d-γλυκοπυραζόνη -ακεταλη- 2 3

9 Το ακεταλικό ή γλυκοζιτικό υδροξύλιο αποτελεί το σημείο συνδέσεως με άλλες ενώσεις προς σχηματισμό των γλυκοζιτών. Το μη σακχαρούχο συστατικό ονομάζεται άγλυκον. Στα ανωτέρω παραδείγματα το άγλυκο συστατικό είναι το αλκύλιο (μεθύλιο). Ανάλογα με το άγλυκο συστατικό οι γλυκοζίτες διακρίνονται σε Ο-γλυκοζίτες, Ν-γλυκοζίτες και S-γλυκοζίτες. Οι γλυκοζίτες με όξινη υδρόλυση διασπώνται σε σάκχαρο και άγλυκο τμήμα. Ο-γλυκοζίτες (φαινόλες, φλαβόνες, ανθοκυάνες, στερεοειδή, τερπενοειδή) Ν-γλυκοζίτες (νουκλεοτίδια) S-γλυκοζίτες (σινιγρίνη AIT) Όταν στη θέση του άγλυκου υπάρξει ένα άλλο απλό σάκχαρο, τότε το προϊόν της ενώσεως δεν λέγεται πλέον γλυκοζίτης αλλά δισακχαρίτης. Οι ολιγοσακχαρίτες και οι πολυσακχαρίτες είναι και αυτοί γλυκοζίτες. Οι υδατάνθρακες με επίδραση αλκυλαλογονιδίου και παρουσία κατάλληλης βάσης που δεν προκαλεί αποσύνθεση, συνήθως οξείδιο του αργύρου, μετατρέπονται σε αιθέρες: 2 α-d-γλυκοπυραζόνη 3 I/Ag Πενταμεθυλο αιθερας της α-d-γλυκοπυραζόνης Αντιδράσεις εστεροποίησης Με επίδραση ανυδρίτη ή χλωριδίου, παρουσία βάσης επί του μονοσακχαρίτη αντιδρούν όλα τα υδροξύλια του και το ανωμερικό σχηματίζοντας πολυεστερικό παράγωγο: 2 β-d-γλυκοπυραζόνη ( 3 ) 2 Πυριδίνη, Πεντα-Ο-ακετυλο-β-D-Γλυκοπυραζόνη Αντιδράσεις αναγωγής Κατά την ισορροπία αλδεΰδη ή κετόνη / ημιακετάλη η δομή ανοικτής αλυσίδας είναι ένα μικρό ποσοστό, όμως είναι η μόνη δομή που μπορεί να υποστεί αναγωγή. Συνεπώς παρουσία του αναγωγικού μέσου (ab 4 ) αντιδρά σχηματίζοντας πολύ-αλκοόλη (αλδιτόλη) μετατοπίζοντας ταυτόχρονα την ισορροπία προς σχηματισμό νέας ποσότητας δομής ανοιχτής αλυσίδας έως ότου αναχθεί πλήρως η αρχική αλδόζη ή κετόζη ab D-Γλυκόζη D-Γλυκιτόλη Αντιδράσεις οξείδωσης Οι αλδόζες οξειδώνονται εύκολα σχηματίζοντας τα αντίστοιχα μονοκαρβονικά οξέα (αλδονικά οξέα). Για τις δοκιμές χαρακτηρισμού των αναγωγικών σακχάρων (χαρακτηρίζονται αναγωγικά επειδή ανάγουν το οξειδωτικό) χρησιμοποιούνται τα αντιδραστήρια Tollens, Fehling & Benedict στα οποία όλες οι αλδόζες είναι θετικές. Τα αντιδραστήρια Tollens & Fehling χρησιμοποιούνται μόνο για δοκιμές και όχι για παρασκευή αλδονικών οξέων διότι σε αλκαλικές συνθήκες οι μονοσακχαρίτες διασπώνται. Η φρουκτόζη αν και δεν περιέχει τη λειτουργική ομάδα της αλδεΰδης αλλά της κετόνης, ανάγει το αντιδραστήριο Tollens, διότι υπό αλκαλικές συνθήκες ισομερίζεται προς αλδόζη.

10 Οι γλυκοζίτες δεν αποτελούν αναγωγικά ζάκχαρα. Για παρασκευή αλδονικών οξέων χρησιμοποιείται υδατικό διάλυμα Br 2 σε κατάλληλο p. Η αντίδραση είναι χαρακτηριστική για τις αλδόζες. Ισχυρότερα οξειδωτικά αντιδραστήρια (θερμό, αραιό διάλυμα ΗΝΟ 3 ) οξειδώνουν τις αλδόζες προς δικαρβοξυλικά οξέα (αλδαρικά οξέα). Ταυτόχρονη οξείδωση της ομάδας του 1 και της ακραίας ομάδας 2. Οι κετόζες δεν οξειδώνονται με υδατικό διάλυμα Br 2. Br 2, 2 p=6 2 D-Γαλακτονικό οξύ 2 D-Γλυκόζη 3 θέρμανση D-Γλυκαρικό οξύ Επιμήκυνση ανθρακικής αλυσίδας κατά ένα άτομο άνθρακα αντίδραση Kiliani-Fischer Κατά την αντίδραση αυτή η αλδεϋδική ομάδα (1) του αρχικού σακχάρου γίνεται 2 στο νέο σάκχαρο μέσω αντίδρασής της με και σχηματισμό κυανυδρίνης, η οποία ανάγεται καταλυτικά προς ιμίνη, η οποία τελικά υδρολύεται σε όξινο περιβάλλον σχηματίζοντας πάλι αλδεϋδη αλλά με ένα επιπλέον άτομο άνθρακα. Η αρχική κυανυδρίνη αποτελεί μίγμα στερεοϊσομερών λόγω του σχηματιζόμενου νέου στερεογονικού κέντρου. Συνεπώς σχηματίζονται στο τέλος δύο αλδόζες που διαφέρουν ως προς τη στερεοχημεία τους στον 2: 2, Pd/BaS D-Αραβινόζη 2 Κυανυδρίνες 2 Ιμίνες Η 3 Ο + 2 D-Γλυκόζη 2 D-Μαννόζη

11 Μείωση ανθρακικής αλυσίδας κατά ένα άτομο άνθρακα αντίδραση Wohl Κατά την αντίδραση αποικοδόμησης Wohl η αλδεϋδική ομάδα της αλδόζης μετατρέπεται σε νιτρίλιο με κατεργασία με υδροξυλαμίνη και αφυδάτωση της σχηματιζόμενης οξίμης. Η σχηματιζόμενη κυανυδρίνη αποβάλλει, υπό βασικές συνθήκες οδηγώντας σε αλδόζη με ένα άτομο άνθρακα λιγότερο σε σχέση με την αρχική: 2 D-Γαλακτόζη 2 2 Οξίμη της D-Γαλακτόζης ( 3 ) 2 3 a 3 a 2 Κυανυδρίνη D-Λυξόζη 2 + Δισακχαρίτες Δισακχαρίτες μπορούν να προκύψουν με δύο τρόπους: 1. Το ημιακεταλικό υδροξύλιο του ενός μορίου είναι ενωμένο με αιθερικό δεσμό με ένα από τα υπόλοιπα μη ακεταλικά υδροξύλια του άλλου μορίου μονοσακχαρίτη. Οι δισακχαρίτες αυτοί περιέχουν ένα γλυκοζιτικό ακεταλικό δεσμό ανάμεσα στον 1 του ενός σακχάρου και μια ομάδα ΟΗ σε οποιαδήποτε πιθανή θέση του άλλου σακχάρου εκτός του υδροξυλίου της αναγωγικής του ομάδας. Η περίπτωση κατά την οποία υπάρχει γλυκοζιτικός δεσμός ανάμεσα στον 1 του ενός σακχάρου και στο ΟΗ που βρίσκεται στον 4 του άλλου σακχάρου είναι η πιο συνηθισμένη και ονομάζεται 1,4 -σύνδεσμος. Ο τόνος υποδηλώνει ότι η θέση 4 βρίσκεται σε διαφορετικό σάκχαρο από τη θέση 1. Ο γλυκοζιτικός δεσμός στον ανωμερικό άνθρακα είναι α ή β. Στην περίπτωση αυτή η αναγωγική ομάδα του ενός μορίου παραμένει ελεύθερη και ο σχηματιζόμενος δισακχαρίτης είναι ανάγον σάκχαρο και παρουσιάζει πολυστροφισμό. Στην ομάδα αυτή ανήκουν οι περισσότεροι δισακχαρίτες όπως η μαλτόζη, η κελλοβιόζη και η λακτόζη: Κελοβιόζη 1,4 -β-γλυκοζίτης Μαλτόζη 1,4 -α-γλυκοζίτης 1 Λακτόζη 4 2. Οι δύο μονοσακχαρίτες είναι ενωμένοι με αιθερικό δεσμό των υδροξυλίων της αναγωγικής τους ομάδας. Οι δισακχαρίτες αυτοί δεν είναι ανάγοντες και δεν παρουσιάζουν πολυστροφισμό (πχ Σακχαρόζη, Τρεχαλόζη): 2 2 Σακχαρόζη 1,2 -γλυκοζίτης 2 Tρεχαλόζη

12 Πολυσακχαρίτες Οι πολυσακχαρίτες είναι υδατάνθρακες, στους οποίους δεκάδες, εκατοντάδες ή και χιλιάδες μόρια απλών σακχάρων συνδέονται μέσω γλυκοζιτικών δεσμών. Επειδή δεν υπάρχουν ελεύθερα ανωμερικά υδροξύλια, εκτός από αυτό του άκρου της πολυμερικής αλυσίδας, οι πολυσακχαρίτες δεν είναι αναγωγικά σάκχαρα, δεν έχουν γλυκιά γεύση, ούτε εμφανίζουν πολυμορφισμό. Οι πλέον διαδεδομένοι πολυσακχαρίτες στη φύση είναι η κυτταρίνη και το άμυλο. Οι πολυσακχαρίτες διακρίνονται, ανάλογα με τη σύστασή τους σε ομοπολυσακχαρίτες (άμυλο, κυτταρίνη) το μόριο των οποίων αποτελείται από ένα είδος απλού σακχάρου, και σε ετεροπολυσακχαρίτες (ημικυτταρίνες, κόμμεα) το μόριο των οποίων αποτελείται από δύο ή περισσότερα συστατικά. Το συστηματικό τους όνομα προκύπτει από το όνομα του μονοσακχαρίτη από τον οποίο προέρχονται με αντικατάσταση της κατάληξης όζη από την κατάληξη -ανη (γλυκόζη-γλυκάνη). Με όξινη ή ενζυμική υδρόλυση οι πολυσακχαρίτες διασπώνται στα βασικά δομικά τους συστατικά Κυτταρίνη 1,4 -Ο-(β-D-γλυκοπυρανοζιτικό) πολυμερές n-2 Μη αναγώμενο άκρο n-2 Aναγώμενο άκρο Αμυλόζη 1,4 -Ο-(α-D-γλυκοπυρανοζιτικό) πολυμερές n

13 Σημαντικά Παράγωγα Υδατανθράκων & αντιγονικές ορίζουσες Τα δεοξυ σάκχαρα διαφέρουν από τα άλλα σάκχαρα ως προς το ότι απουσιάζει κάποιο από τα οξυγόνα τους (το ΟΗ αντικαταστάθηκε από Η). Η 2-δεοξυριβόζη είναι το πιο διαδεδομένο δεοξυ σάκχαρο και απαντά στο DA. Στα αμινο σάκχαρα, όπως η D-γλυκοζαμίνη, μια από τις υδροξυλομάδες έχει υποκατασταθεί από μια ομάδα ΝΗ 2. Το Ν-ακετυλο αμίδιο που είναι παράγωγο της D- γλυκοζαμίνης αποτελεί τη μονοσακχαριτική μονάδα από την οποία συνίσταται η χιτίνη, το σκληρό προστατευτικό σκελετικό υλικό που περιβάλλει οστρακοειδή και έντομα. Τα κύτταρα των ομάδων αίματος Α, Α, Ο, διαθέτουν δείκτες που αποκαλούνται αντιγονικές ορίζουσες. Τα κύτταρα της ομάδας ΑΒ διαθέτουν δείκτες τόσο της ομάδας Α όσο και της ομάδας Β. Η συγκόλληση των μη συμβατών ερυθρών αιμοσφαιρίων που φανερώνει ότι το ανοσοποιητικό σύστημα του οργανισμού ανεγνώρισε το ξένο σώμα και παρασκεύασε αντισώματα είναι αποτέλεσμα της ύπαρξης αυτών των χαρακτηριστικών πολυσακχαριτικών δεικτών στο κυτταρικό τοίχωμα. X Δεοξυριβόζη 2 β-d-γλυκοζαμίνη 3 2 Ομάδα αίματος A, X= 3 Ομάδα αίματος B, X= Ομάδα αίματος Ο

14 Συνοπτικά/Περιληπτικά Υδατάνθρακες ( n ( 2 ) m ): πολυυδροξυαλδεΰδες (αλδόζες) & πολυυδροξυκετόνες (κετόζες) λειτουργικές ομάδες: (>=) και (-) Μονοσακχαρίτες ( n 2n n, n=3-8) Τριόζες 2 2 D-γλυκεριναλδεΰδη 2 διυδροξυακετόνη 2 (R)-(+)-γλυκεριναλδεΰδη 2 2 Προβολή Fischer Τετρόζες Πεντόζες 2 2 D-ερυθρόζη L-θρεόζη 2 D-ριβόζη ( δομικός λίθος RA) 2 2-δεσοξυ-ριβόζη ( δομικός λίθος DA) Εξόζες D-γλυκόζη D-γαλακτόζ η D-φρουκτόζη

15 Κυκλική Δομή Μονοσακχαριτών (τύποι aworth) / κυκλικές ημιακετάλες και ημικετάλες 2 D-Γλυκόζη προβολή κατά Fischer D-Γλυκόζη 2 D-Γλυκόζη, δομή πυρανόζης προβολή κατά aworth 2 2 τύπος φουρανόζης ανωμερής άνθρακας 2 ανωμερής άνθρακας ανωμερής άνθρακας 2 D-Φρουκτόζη προβολή κατά Fischer 2.. D-Φρουκτόζη D-Φρουκτόζη, δομή φουραζόνης προβολή κατά aworth D-Γλυκόζη D-Φρουκτόζη ανωμερής άνθρακας χειρόμορφο κέντρο α-d-φρουκτόζη β-d-φρουκτόζη 2 ε ν δ ο μ ε τ α τ ρ έ ψ ι μ ε ς μ ο ρ φ έ ς ανωμερής άνθρακας ανωμερής άνθρακας α-d-γλυκόζη β-d-γλυκόζη ε ν δ ο μ ε τ α τ ρ έ ψ ι μ ε ς μ ο ρ φ έ ς 1 ανωμερής άνθρακας ανωμερής άνθρακας πολυστροφισμός

16 Σχηματισμός γλυκοζιτών (ακετάλες) / αντίδραση κυκλικής ημιακετάλης ή ημικετάλης με αλκοόλη γλυκοζιτικός δεσμός + - Η κυκλική ακετάλη ή κετάλη η οποία προέρχεται από ένα μονοσακχαρίτη ονομάζεται γλυκοζίτης (glycoside) και ο δεσμός που προκύπτει γλυκοζιτικός δεσμός (glycoside bond). Ο δεσμός χαρακτηρίζεται ως α- ή β-γλυκοζιτικός ανάλογα με την ανωμερή α- ή β-μορφή του μονοσακχαρίτη. Με αντίδραση του ανωμερούς άνθρακα μιας ημιακετάλης με την ομάδα Ν-Η σχηματίζεται Ν-γλυκοζίτης. Οι Ν-γλυκοζίτες πουρινικών και πυριμιδικών βάσεων είναι δομικές μονάδες του RA και DA. Δισακχαρίτες / σχηματισμός α-1,4 -, β-1,4 - και α-1,2 -γλυκοζιτικού δεσμού α-1,4 -γλυκοζιτικός δεσμός 2 α-d-γλυκόζη 1 4 ΜΑΛΤΟΖΗ 2 β-d-γλυκόζη β-1,4 -γλυκοζιτικός δεσμός 2 β-d-γαλακτόζη 1 4 ΛΑΚΤΟΖΗ 2 β-d-γλυκόζη α-1,2 -γλυκοζιτικός δεσμός 2 γλυκόζη 2 ΖΑΚΧΑΡΟΖΗ φρουκτόζη 2

17 Πολυσακχαρίτες Οι πολυσακχαρίτες είναι υδατάνθρακες, στους οποίους δεκάδες, εκατοντάδες ή και χιλιάδες μόρια απλών σακχάρων συνδέονται μέσω γλυκοζιτικών δεσμών. Επειδή δεν υπάρχουν ελεύθερα ανωμερικά υδροξύλια, εκτός από αυτό του άκρου της πολυμερικής αλυσίδας, οι πολυσακχαρίτες δεν είναι αναγωγικά σάκχαρα, δεν έχουν γλυκιά γεύση, ούτε εμφανίζουν πολυμορφισμό. Οι πλέον διαδεδομένοι πολυσακχαρίτες στη φύση είναι η κυτταρίνη και το άμυλο. Οι πολυσακχαρίτες διακρίνονται, ανάλογα με τη σύστασή τους σε ομοπολυσακχαρίτες (άμυλο, κυτταρίνη) το μόριο των οποίων αποτελείται από ένα είδος απλού σακχάρου, και σε ετεροπολυσακχαρίτες (ημικυτταρίνες, κόμμεα) το μόριο των οποίων αποτελείται από δύο ή περισσότερα συστατικά. Το συστηματικό τους όνομα προκύπτει από το όνομα του μονοσακχαρίτη από τον οποίο προέρχονται με αντικατάσταση της κατάληξης όζη από την κατάληξη -ανη (γλυκόζη-γλυκάνη). Με όξινη ή ενζυμική υδρόλυση οι πολυσακχαρίτες διασπώνται στα βασικά δομικά τους συστατικά. Κυτταρίνη 1,4 -Ο-(β-D-γλυκοπυρανοζιτικό) πολυμερές n-2 Μη αναγώμενο άκρο n-2 Aναγώμενο άκρο Η κυτταρίνη είναι γραμμικό πολυμερές μονάδων γλυκόζης ενωμένων με β-1,4 -γλυκοζιτικούς δεσμούς. Στο πεπτικό σύστημα των ανθρώπων δεν περιέχονται β-γλυκοζιδάσες που διασπούν τους β-γλυκοζιτικούς δεσμούς και συνεπώς η κυτταρίνη δεν μπορεί να αποτελέσει τροφή για τον άνθρωπο. Αμυλόζη 1,4 -Ο-(α-D-γλυκοπυρανοζιτικό) πολυμερές n Το άμυλο όταν κατεργαστεί με νερό και θερμανθεί το μίγμα στους 60-80, διαχωρίζεται σε δύο κλάσματα. Την αμυλόζη 20%, διαλυτή στο θερμό νερό και την αμυλοπηκτίνη αδιάλυτη στο νερό. Η αμυλόζη είναι συνεχής μη διακλαδισμένη αλυσίδα μονάδων γλυκόζης ενωμένων με α-1,4 -γλυκοζιτικούς δεσμούς. Η αμυλοπηκτίνη έχει διακλαδισμένη δομή με α-1,4 -γλυκοζιτικούς δεσμούς και α-1,6 -γλυκοζιτικούς δεσμούς στα σημεία διακλαδώσεως νέας αλυσίδας.

18 α-αμινοξέα Το DA περιέχει τις πληροφορίες που είναι απαραίτητες στα κύτταρα για τη σύνθεση των πρωτεϊνών. Οι πρωτεΐνες οι οποίες είναι σημαντικές για τη λειτουργία των κυττάρων, χρησιμεύοντας ως δομικά στοιχεία, προκύπτουν από συνδυασμούς 20 α-αμινοξέων που ενώνονται με πεπτιδικούς δεσμούς. Τα α-αμινοξέα είναι χημικές ενώσεις που αποτελούνται από ένα τετραεδρικό άτομο ασύμμετρου άνθρακα (άτομο άνθρακα που φέρει 4 διαφορετικούς υποκαταστάτες *) και ονομάζεται αλφα-άνθρακας ( α ). Οι τέσσερεις υποκαταστάτες του οποίου είναι μια αμινική ( + ΝΗ 3 ) και μια καρβοξυλική ομάδα (ΟΟ-), ένα άτομο υδρογόνου (Η) και μια χαρακτηριστική ομάδα (G), η οποία συνήθως αναφέρεται ως πλευρική αλυσίδα και η οποία είναι διαφορετική σε κάθε αμινοξύ, διαφέροντας σε μέγεθος, σχημα και πολικότητα. Συνεπώς τα α-αμινοξέα είναι χειρόμορφα μόρια και εμφανίζονται υπό τη μορφή δύο εναντιομερών D και L (ή R, S) (σχέση ειδώλου-αντικειμένου που δεν ταυτίζονται). Τα αμινοξέα όπου η κίνηση μετάβασης από την ομάδα υψηλότερης προτεραιότητας (άτομο μεγαλύτερου ατομικού αριθμού) προς την ομάδα χαμηλότερης προτεραιότητας ακολουθεί τους δείκτες του ωρολογίου χαρακτηρίζονται ως R (Rectus: ευθύς, ίσιος) και αντιστοιχεί απόλυτα στον παλαιότερο ισοδύναμο χαρακτηρισμό D (Dextrorotation: στροφή προς τα δεξιά αναφέρεται στη γωνία στροφής του πολωμένου φωτός). Τα αμινοξέα όπου η κίνηση μετάβασης από την ομάδα υψηλότερης προτεραιότητας (άτομο μεγαλύτερου ατομικού αριθμού) προς την ομάδα χαμηλότερης προτεραιότητας ακολουθεί αντίθετη πορεία των δεικτών του ωρολογίου χαρακτηρίζονται ως S (Sinister: αριστερός) και αντιστοιχεί απόλυτα στον παλαιότερο ισοδύναμο χαρακτηρισμό L (Levorotation: στροφή προς τα αριστερά αναφέρεται στη γωνία στροφής του πολωμένου φωτός). Στις πρωτεΐνες απαντώνται σχεδόν αποκλειστικά L-αμινοξέα. καρβοξυλομάδα πλευρική αλυσίδα G αμινομάδα α-άνθρακας 3 + G α L-μορφή - - G α D-μορφή Επειδή τα αμινοξέα περιέχουν μια όξινη (-) και μια βασική (-ΝΗ 2 ) λειτουργική ομάδα, υφίστανται μια ενδομοριακή οξεοβασική αντίδραση, με αποτέλεσμα να απαντούν υπό μορφή διπολικών ιόντων. Τα «εσωτερικά» αυτά άλατα ονομάζονται ιόντα-ζουίττερ (zwitter ions) και είναι διαλυτά στο νερό και αδιάλυτα στους υδρογονάνθρακες. Τα αμινοξέα αντιδρούν είτε ως οξέα είτε ως βάσεις, ανάλογα με τις συνθήκες. Σε όξινα υδατικά διαλύματα (χαμηλή τιμή p) δέχονται πρωτόνιο σχηματίζοντας κατιόντα ενώ σε βασικά (υψηλή τιμή p) αποβάλλεται το πρωτόνιο σχηματίζοντας ανιόν. Σε κάποια τιμή p, το αμινοξύ εξισορροπεί ανάμεσα στην ανιοντική και κατιοντική μορφή και ευρίσκεται υπό την ουδέτερη μορφή του διπολικού ανιόντος. Η τιμή αυτή p ονομάζεται ισοηλεκτρικό σημείο και εξαρτάται από τη δομή του κάθε αμινοξέος. Τα 15 ουδέτερα αμινοξέα έχουν τιμές p ισοηλεκτρικού σημείου που κυμαίνονται από Τα δύο αμινοξέα με την επιπλέον καρβοξυλομάδα εμφανίζουν ισοηλεκτρικά σημεία σε χαμηλότερες τιμές, ενώ τα τρία αμινοξέα με τις επιπλέον αμινομάδες σε υψηλότερες τιμές p. G G G G Χαμηλή τιμή p πρωτονιωμένο Ισοηλεκτρικό σημείο ουδέτερο αμφοτερικό ιόν Υψηλή τιμή p αποπρωτονιωμένο + 3 Zwitter ion Τα αμινοξέα σε διάλυμα με ουδέτερο p συμπεριφέρονται σαν δίπολα ιόντα (αμφοτερικά Ιόντα,zwitterions) διαθέτουν πρωτονιωμένη + ΝΗ 3 αμινική ομάδα και αποπρωτονιωμένη - - καρβοξυλική ομάδα. Ο βαθμός ιοντισμού εξαρτάται από το p. Για κάθε αμινοξύ είναι δυνατός ο προσδιορισμός των αναλογιών [α-]/ [α- - ] & [α-νη 2 ]/ [α-νη 3 + ] σε κάθε τιμή p αν είναι γνωστές οι K a1 και K a2 (ή οι pk a1 και pk a2 ) των ισορροπιών [α-] [α- - ] & [α-νη 2 ] [α-νη 3 + ] μέσω των εξισώσεων K a1 = [ + ][α- - ]/[α-] ή [α- - ]/[α-] =K a1 /[ + ] και K a2 = [ + ][α- ΝΗ 2 ]/[ α-νη 3 + ] ή [α- ΝΗ 2 ]/[ α-νη 3 + ] =K a2 /[ + ]. Ο προσδιορισμός μπορεί να γίνει επίσης μέσω της εξίσωσης enderson-asselbalch: p=pk a +log[a - ]/[A] ή log[a - ]/[A]=p-pK a. Η ακριβής τιμή κάθε συγκεντρώσεως ιόντων ή μορίων προσδιορίζεται όταν τοποθετηθεί η συγκέντρωση του αμινοξέως [ΗΑ], δηλαδή όταν σχηματίσομε υδατικό διάλυμα γνωστής συγκεντρώσεως.

19 Αλειφατικά Αμινοξέα Γλυκίνη (Gly, G), Αλανίνη (Ala, a), Βαλίνη (Val, V), Λευκίνη (Leu, L), Ισολευκίνη (Ile, I), Μεθιονίνη (Met, M) και Προλίνη (Pro, P) Γλυκίνη Αλανίνη 3 Βαλίνη * S Λευκίνη Ισολευκίνη Μεθειονίνη Προλίνη Η Προλίνη είναι ένα αλειφατικό κυκλικό αμινοξύ. Η πλευρική της αλυσίδα, μέσω του ατόμου το δ συνδέεται με το άζωτο (Ν) του πεπτιδικού δεσμού. Η προλίνη επηρεάζει σημαντικά την πρωτεϊνική αρχιτεκτονική (και ιδιαίτερα τη δευτεροταγή δομή μιας πεπτιδικής αλυσίδας) διότι ο δακτύλιος της προσδίδει ακαμψία. Συνήθως διακόπτει την ανδίπλωση της πεπτιδικής αλυσίδας σε δομή α-έλικας (ιδιαίτερα όταν ακολουθεί το αμινοξύ Γλυκίνη). Αρωματικά Αμινοξέα Η Φαινυλαλανίνη (Phe, F) διαθέτει ένα φαινυλικό δακτύλιο συνδεδεμένο στον β της Αλανίνης, αντικαθιστώντας έτσι ένα από τα β-υδοργόνα της. Η Θρυπτοφάνη ή Τρυπτοφάνη (Trp, W) διαθέτει έναν ινδολικό δακτύλιο συνδεδεμένο στον β της πλευρικής αλυσίδας. Και η Τυροσίνη (Tyr, Y) προκύπτει από τη φαινυλαλανίνη με υποκατάσταση του υδρογόνου του αρωματικού δακτυλίου σε παρα-θέση από υδροξύλιο. Τα αρωματικά αμινοξέα εμφανίζουν τη χαρακτηριστική απορρόφηση στα 280 nm Φαινυλαλανίνη Τυροσύνη Τρυπτοφάνη ή Θρυπτοφάνη

20 Αμινοξέα με αλειφατικές υδροξυλικές ομάδες Η Σερίνη (Ser, S), μπορεί να προκύψει από την Αλανίνη με υποκατάσταση ενός υδρογόνου του μεθυλίου της από υδροξύλιο ενώ, η Θρεονίνη (Thr, T), μπορεί να προκύψει από τη Βαλίνη με υποκατάσταση ενός μεθυλίου της από υδροξύλιο. 3 2 * Σερίνη Θρεονίνη Κυστεΐνη- ρόλος των Δισουλφιδικών Δεσμών Η Κυστεΐνη είναι δομικώς όμοια με την Σερίνη αλλά περιέχει μια σουλφυδρυλική, ή θειολική (-S) ομάδα, στην θέση της υδροξυλικής ομάδας (-ΟΗ). Η υδροξυλική ομάδα είναι περισσότερο δραστική. S Kυστεΐ νη Οι σουλφυδρυλικές ομάδες ( S) δύο Κυστεϊνών μπορούν να ενωθούν (αποβάλλοντας δύο Η + ) προς σχηματισμό Δισουλφυδικών δεσμών. - 2 Kυστεΐ νη S S Kυστεΐ νη Οξείδωση Αναγωγή - 2 S S e - Ο Σχηματισμός Δισουλφιδικών Δεσμών είναι μια οξειδωτική αντίδραση Οι Δισουλφιδικοί Δεσμοί χαρακτηρίζουν και σταθεροποιούν τις τρισδιάστατες δομές των πρωτεϊνών αλλά και δημιουργούν διασυνδέσεις στη γραμμική πολυπεπτιδική αλυσίδα συμβάλλοντας σημαντικά στην αναδίπλωση της πολυπεπτιδικής ακολουθίας. Συνεπώς χαρακτηρίζουν και καθορίζουν τις τρισδιάστατες δομές των πρωτεϊνών.

21 Βασικά Αμινοξέα Λυσίνη Αργινίνη Ιστιδίνη Λυσίνη (Lys, K) και Αργινίνη (Arg, R) διαθέτουν μακριές αλειφατικές αλυσίδες που καταλήγουν σε θετικά φορτισμένες αμινο-ομάδες σε ουδέτερο p. Ιστιδίνη (is, ) διαθέτει έναν ιμιδαζολικό δακτύλιο ο οποίος, ανάλογα με το p, μπορεί να μετατραπεί σε θετικά φορτισμένο (λόγω της δέσμευσης ενός Η + ) ή να παραμένει ουδέτερος. Εξαρτάται από το p και το περιβάλλον. Η ιστιδίνη δεσμεύει και απελευθερώνει πρωτόνια κοντά στο φυσιολογικό p. Όξινα Αμινοξέα και μη φορτισμένα ουδέτερα πολικά παράγωγα τους Ασπαρτικό οξύ (Asp, D) Ασπαραγίνη (Asn, ) Γλουταμικό οξύ (Glu, E) Γλουταμίνη (Gln, Q) Γενικά χαρακτηριστικά των 20 αμινοξέων Επτά από τα 20 αμινοξέα (Γλυκίνη, Αλανίνη, Βαλίνη, Λευκίνη, Ισολευκίνη, Μεθειονίνη & Προλίνη) διαθέτουν αλειφατικές ομάδες. Ένα από τα 7 αλειφατικά αμινοξέα είναι κυκλικό (Προλίνη). Επτά από τα 20 αμινοξέα (Ασπαραγινικό, Γλουταμινικό, Ιστιδίνη, Κυστεΐνη, Τυροσίνη, Λυσίνη και Αργινίνη) διαθέτουν πλευρικές ομάδες οι οποίες μπορούν να σχηματίσουν ιόντα. Οι ομάδες αυτές δέχονται και δίνουν πρωτόνια (Η + ) ανάλογα με τη μεταβολή του p. Τέσσερα από τα 20 αμινοξέα (Φαινυλαλανίνη, Τυροσίνη, Θρυπτοφάνη & Ιστιδίνη) διαθέτουν αρωματικό δακτύλιο. Τέσσερα από τα 20 αμινοξέα είναι φορτισμένα σε ουδέτερο p. Τα δύο (Ασπαραγινικό & Γλουταμινικό) είναι αρνητικά φορτισμένα και άλλα δύο (Αργινίνη & Λυσίνη) είναι θετικά φορτισμένα. Δύο από τα 20 αμινοξέα διαθέτουν ΟΗ (Σερίνη & Θρεονίνη) ένα διαθέτει την ομάδα της θειόλης S(Κυστεΐνη).

22

23 Σχηματισμός Αμιδικού/Πεπτιδικού δεσμού Από την αντίδραση της καρβοξυλικής και της α-αμινικής ομάδος σχηματίζεται ο αμιδικός δεσμός και ένα μόριο νερού. Η ισορροπία της αντίδρασης βρίσκεται κυρίως προς την πλευρά της υδρόλυσης παρά προς την πλευρά της σύνθεσης. Ως εκ τούτου, η βιοσύνθεση του πεπτιδικού δεσμού απαιτεί συνεισφορά ενέργειας. Οι πεπτιδικοί δεσμοί είναι αρκετά σταθεροί. Η διάρκεια ζωής τους σε υδατικό διάλυμα, απουσία οξέων και καταλύτη, πλησιάζει τα 1000 χρόνια εντούτοις, διασπώνται από ένζυμα. Πεπτιδικός Δεσμός G 1 G 2 + Αμινοξύ 1 Αμινοξύ 2 G 1 G 2 Διπεπτίδιο + 2 Συνεπώς, Τα αμινοξέα ενώνονται μέσω "δεσμών αμιδίου" για να σχηματίσουν πεπτίδια και πρωτεΐνες. Σε αυτές τις δομές, τα μεμονωμένα αμινοξέα δεν έχουν πλέον την ίδια όξινη ομάδα του καρβοξυλίου, το καρβονύλιο ( = ) δεν φέρει πλέον ομάδα υδροξυλίου. Επίσης δεν διαθέτουν πλέον αμιδικές ομάδες, ούτε υπάρχει άζωτο ενωμένο με καρβονύλιο έχουν δε διαφορετικές ιδιότητες από τις ενώσεις που απλώς διαθέτουν ένα άτομο αζώτου ενωμένο με άνθρακα. Οι ενώσεις που σχηματίζονται με τον τρόπο αυτόν (τα πεπτίδια) γράφονται από τα αριστερά, αρχίζοντας από το αμινοξύ που έχει ελεύθερη την αμινομάδα, Ν-ακραίο αμινοξύ προς το αμινοξύ με την ελεύθερη καρβοξυλομάδα -ακραίο αμινοξύ. Η καρβοξυλική ομάδα του πρώτου αμινοξέος αντιδρά με την αμινομάδα του δεύτερου αμινοξέος. Αντίδραση συμπύκνωσης μεταξύ δύο αμινοξέων απελευθερώνει ένα μόριο νερού ( 2 ) και συνδέει δύο αμινοξέα με ένα πεπτιδικό δεσμό όπως ονομάζεται ο δεσμός που προκύπτει μεταξύ άνθρακα-αζώτου (-). Ο σχηματισμός αυτού του ομοιοπολικού δεσμού άνθρακα-αζώτου (πεπτιδικού δεσμού) μεταξύ δύο αμινοξέων δεν είναι μια αυθόρμητη αντίδραση και απαιτεί προσφορά ενέργειας και ενζυμική κατάλυση (κυτόπλασμα/ριβοσωμάτια). Μια αλυσίδα αμινοξέων που συνδέονται με πεπτιδικούς δεσμούς ονομάζεται πολυπεπτίδιο. Για αλυσίδες κάτω των 40 (ή 50) μελών χρησιμοποιείται ο όρος πεπτίδιο αντί πρωτεΐνης. Το πρώτο αμινοξύ στην πολυπεπτιδική αλυσίδα διατηρεί την αμινο-ομάδα του, και το τελευταίο διατηρεί την καρβοξυλική ομάδα του. Το ένα άκρο του πολυπεπτιδίου ονομάζεται -άκρο και το άλλο -άκρο αντίστοιχα. Όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα ο ομοιοπολικός δεσμός πεπτιδίου - είναι ένας απλός δεσμός. Ωστόσο, κάτω από διαφορετικές φυσιολογικές συνθήκες, μπορεί να ενισχυθεί με πολικές αλληλεπιδράσεις φορτίου μεταξύ αζώτου και οξυγόνου. Στις περιπτώσεις αυτές, αναφέρεται ότι αναπτύσσει μερικώς χαρακτήρα διπλού δεσμού ή πολικό χαρακτήρα (με το άτομο του αζώτου έχοντας επιμέρους θετικό φορτίο και το άτομο οξυγόνου έχοντας επιμέρους αρνητικό φορτίο). Τα αμινοξέα που συνθέτουν ένα πολυπεπτίδιο διαφέρουν μόνο ως προς το είδος της πλευρικής αλυσίδας, G- ομάδα. Γεωμετρία Πεπτιδικού Δεσμού Ο πεπτιδικός δεσμός έχει ελαφρά μικρότερο μήκος του τυπικού απλού δεσμού, αντανακλώντας τη μερική μετατόπιση των π-ηλεκτρονίων από την ομάδα καρβονυλίου προς τροχιακά που υπάρχει το ζεύγος ελευθέρων ηλεκτρονίων του αζώτου. Ο εμφανιζόμενος εν μέρη χαρακτήρας διπλού δεσμού εμποδίζει την ελεύθερη περιστροφή γύρω από τον πεπτιδικό δεσμό και ως εκ τούτου, τα τέσσερα άτομα που ενώνονται με τον καρβονυλικό άνθρακα και το αμιδικό άζωτο ευρίσκονται σε ένα επίπεδο. Ο πεπτιδικός, ως επίπεδος δεσμός δεν μπορεί να περιστραφεί περί τον εαυτό του όμως ο πεπτιδικός σκελετός μπορεί να περιστρέφεται. Τα άτομα α, >=,, α σχηματίζουν δίεδρες γωνίες φ, ψ και ω. στην περιστροφή του πεπτιδικού σκελετού οφείλεται η ποικιλία και ο μεγάλος αριθμός διαφορετικών τρισδιάστατων δομών των πρωτεϊνών.

24 Μια πολυπεπτιδική αλυσίδα στην οποία τα άτομα της κύριας αλυσίδας απεικονίζονται ως άκαμπτες πεπτιδικές ομάδες συνδεδεμένες μέσω των α ατόμων. Κάθε ομάδα έχει δύο βαθμούς ελευθερίας: μπορεί να περιστρέφεται γύρω από δύο δεσμούς, το δεσμό α- και το δεσμό Ν- α. Η γωνία περιστροφής γύρω από το δεσμό Ν-α ονομάζεται φ και η γωνία γύρω από το δεσμό α- ονομάζεται ψ. Συνεπώς, η στερεοδιάταξη των ατόμων της κύριας αλυσίδας καθορίζεται από τις τιμές αυτών των δύο γωνιών για κάθε αμινοξύ. Μια πολυπεπτιδική αλυσίδα μπορεί να θεωρηθεί ως μια σειρά επιπέδων με δύο γωνίες περιστροφής μεταξύ κάθε επιπέδου και καθορίζεται από τις τιμές τριών δίεδρων γωνιών. Το trans ισομερές του πεπτιδικού δεσμού ευνοείται σημαντικά έναντι του cis λόγω στερικών επιδράσεων των διαδοχικών πλευρικών αλυσίδων. G G G G G ω ψ φ G G G G t t t c

25 Γεωμετρία cis-trans του Πεπτιδικού Δεσμού is: τα 2 άτομα α βρίσκονται στην ίδια πλευρά του πεπτιδικού δεσμού Trans: τα 2 άτομα α βρίσκονται απομακρυσμένα, εκατέρωθεν του πεπτιδικού δεσμού Οι περισσότεροι πεπτιδικοί δεσμοί διαθέτουν trans γεωμετρία. Όχι όμως όλοι Στην Προλίνη η cis διαμόρφωση είναι πιο κοινή από την trans. Διάγραμμα Ramachandran: Επιτρεπτές στερεοδιατάξεις/διαμορφώσεις συνδυασμού φ και ψ δίεδρων γωνιών σε πεπτιδική ακολουθία Πρωτοταγής δομή (Primary Structure) Οι πρωτοταγείς δομές πρωτεϊνών είναι αποτέλεσμα πολλών αντιδράσεων συμπύκνωσης κατά τις οποίες ένας αριθμός αμινοξέων (μονομερή) ενώνονται σχηματίζοντας πολυμερείς αλυσίδες που ονομάζονται πολυπεπτίδια. Αυτά τα ενωμένα μεταξύ τους αμινοξέα που δημιουργούν πολυπεπτιδικές αλυσίδες διαμορφώνουν την πρωτοταγή δομή της πρωτεΐνης. Με άλλα λόγια η σειρά με την οποία τα αμινοξέα υφίστανται εντός του πολυπεπτιδίου, ξεκινώντας από το Ν-άκρο και καταλήγοντας στο -άκρο, αναφέρεται ως «πρωτοταγής δομή» του πεπτιδίου. Οι πλευρικές αλυσίδες που διαφέρουν σε κάθε αμινοξύ καθορίζουν τα αμινοξέα και χαρακτηρίζουν το πεπτίδιο. Στο παράδειγμα που ακολουθεί ο άνθρακας έχει χρωματιστεί με πράσινο, το άζωτο με μπλε και το οξυγόνο με κόκκινο:

26 Αλληλουχία αμινοξέων και πρωτοταγής δομή -Μια πολυπεπτιδική αλυσίδα χαρακτηρίζεται από την αλληλουχία των αμινοξέων -Τα άτομα του πεπτιδικού δεσμού, το οξυγόνο και ο α-άνθρακας ( α ) των αμινοξέων αποτελούν τον πεπτιδικό σκελετό. -Οι πλευρικές ομάδες των αμινοξέων είναι το μεταβλητό τμήμα της πεπτιδικής αλυσίδας G 1 G 2 Πεπτίδια/ Πολυπεπτίδια από 5 έως 2000 αμινοξέα. Πεπτίδια1-50 αμινοξέα Πρωτεΐνες>50 αμινοξέα (Ινσουλίνη: 51 αμινοξέα) Dalton (Da): Μονάδα Μάζας ορίζεται ως το 1/12 της μάζας του άνθρακα-12 Kilodalton(kDa): Μονάδα Μάζας ίση με 1000 Dalton Οι περισσότερες πρωτεΐνες διαθέτουν μοριακό βάρος μεταξύ 5000 και Da G 3 G 4 G 5 Η αλληλουχία νουκλεοτιδίων του DA, το οποίο είναι το μόριο κληρονομικότητας, προσδιορίζει τη συμπληρωματική αλληλουχία νουκλεοτιδίων RA, το οποίο με την σειρά του καθορίζει την αλληλουχία των αμινοξέων μιας πρωτεΐνης. Η γνώση της ακολουθίας των αμινοξέων βοηθά στην κατανόηση της λειτουργίας της και συνεισφέρει στην μελέτη της δομής της. Αποτελεί τον σύνδεσμο μεταξύ γενετικής και βιολογικής λειτουργίας των πρωτεϊνών. Οι τροποποιήσεις στην ακολουθία είναι δυνατόν να αποτελούν την βάση ασθενειών (ιδίως των κληρονομικών). Ο συσχετισμός μεταξύ αλληλουχίας αμινοξέων και τρισδιάστατης δομής μιας πρωτεΐνης προσφέρει σημαντικές πληροφορίες για τους κανόνες οι οποίοι καθορίζουν την αναδίπλωση των πολυπεπτιδικών αλυσίδων. Δευτεροταγής δομή (Secondary Structure) Δομές α-έλικας (alpha-helix) και β-πτυχωτής επιφάνειας (beta-plated sheet) Οι Δευτεροταγείς δομές των πρωτεϊνών μπορούν να ενταχθούν σε μια από τις δύο τρισδιάστατες δομές, είτε της α-έλικας είτε της β-πτυχωτής επιφάνειας. Αυτό συμβαίνει επειδή το υδρογόνο της ομάδας - έχει θετικό φορτίο, ενώ το οξυγόνο της ομάδας του καρβονυλίου, >=, έχει αρνητικό φορτίο. Συνεπώς, είναι δυνατή η ανάπτυξη δεσμών υδρογόνου οι οποίοι προκαλούν συστροφή των πολυπεπτιδικών αλύσων. Οι δεσμοί που συγκρατούν τις δευτεροταγείς δομές είναι δεσμοί υδρογόνου.

27 α-έλικα: δομή σπειράματος, περιλαμβάνει 3,7 αμινοξέα ανά στροφή και σχηματίζει (i, i+3,4) δεσμούς υδρογόνου (= ----) έλικα: περιλαμβάνει 3,0 αμινοξέα ανά στροφή και σχηματίζει (i, i+3) δεσμούς -Η π-έλικα: περιλαμβάνει 4,4 αμινοξέα ανά στροφή και σχηματίζει (i, i+4) δεσμούς -Η Κατά τη δομή της α-έλικας η πολυπεπτιδική αλυσίδα συστρέφεται αποκτώντας κυλινδρικό σχήμα. Κατά τη δομή της β-πτυχωτής επιφάνειας οι πολυπεπτιδικές αλυσίδες συνδέονται σχηματίζοντας ένα παράλληλο επίπεδο φύλλο. Ειδικότερα, κατά την δομή α-έλικας, η πολυπεπτιδική αλυσίδα τυλίγεται ελικοειδώς με τα ακόλουθα κύρια χαρακτηριστικά: Τα αμινοξέα έχουν απεικόνιση L, η δε έλικα είναι δεξιόστροφη. Μια στροφή της έλικας περιέχει 3,7 αμινοξέα. Οι αμινομάδες και καρβονυλόμάδες του πεπτιδικού δεσμού διατάσσονται παράλληλα στον άξονα της έλικας, οι αμινομάδες προς τα άνω, οι καρβονυλομάδες προς τα κάτω. Η δομή της έλικας βασίζεται στη δυνατότητα δημιουργίας ενδομοριακών δεσμών υδρογόνου που σχηματίζονται ανά 4 αμιδικούς δεσμούς δηλαδή μεταξύ του καρβονυλίου ενός αμινοξέος και της αμινομάδας του τέταρτου κατά σειρά αμινοξέος της αλυσίδας. Όλες οι παράπλευρες αλυσίδες διατάσσονται προς το εξωτερικό της έλικας. Το πτυχωτό πτυχωτό επίπεδο σχηματίζεται από γειτονικές πολυπεπτιδικές αλυσίδες οι οποίες διατάσσονται προς αντιπαράλληλες κατευθύνσεις, σχηματίζοντας συμπλέγματα αλυσίδων ενωμένων με δεσμούς υδρογόνου που σταθεροποιούν το σύστημα

28 Τριτοταγής δομή (Tertiary Structure) Οι δομές α-έλικας και η β-πτυχωτής επιφάνειας μπορούν να κινηθούν και να συστραφούν προς διαφορετικές και πιο πολύπλοκες δομές. Οι δομές αυτές καλούνται τριτοταγείς και είναι αποτέλεσμα τριών διαφορετικών δεσμών: Γέφυρες δισουλφιδίου. Δεσμοί μεταξύ ατόμων θείου και κυστεΐνης. Είναι ομοιοπολικοί πολύ σταθεροί δεσμοί. Ιοντικοί δεσμοί μεταξύ καρβοξυλίου και αμινομάδων χωρίς να εμπλέκονται πεπτιδικοί δεσμοί. Οι δεσμοί αυτοί είναι ασθενείς και μπορούν να υποστούν ρήξη με μεταβολή του p. Δεσμοί υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ Η και Ο (θετικό-αρνητικό). Ινώδεις Πρωτεΐνες (Fibrous Proteins) Οι ινώδεις πρωτεΐνες διαμορφώνουν μακριές αλυσίδες (που αντιστοιχούν σε μεγάλο ποσοστό στη δομή της α- έλικας) οι οποίες εκτείνονται παράλληλα η μια ως προς την άλλη. Ενώνονται με διασταυρούμενες γέφυρες σχηματίζοντας εξαιρετικά ισχυρά και σταθερά μόρια που έχουν όμως τη δυνατότητα να συστρέφονται. Συχνά χρησιμοποιούνται για την παροχή σωματικής δύναμης π.χ. σε τένοντες ή οστά. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ινώδους πρωτεΐνης αποτελεί το κολλαγόνο στο οποίο οι τρείς έλικες της πρωτεΐνης πλέκονται μεταξύ τους σχηματίζοντας αριστερόστροφη «υπερ-έλικα» που ονομάζεται τριπλή έλικα του κολλαγόνου. Σφαιροειδείς Πρωτεΐνες (Globular Proteins) Οι σφαιροειδείς πρωτεΐνες περιλαμβάνουν αλυσίδες με δομή που εν μέρει αντιστοιχεί στη δομή α-έλικας. Οι αλυσίδες αυτές αναδιπλώνονται αποκτώντας σφαιρικό σχήμα. Για παράδειγμα, η αιμογλοβίνη είναι μια πρωτεΐνη με τέσσερεις πολυπεπτιδικές αλυσίδες οι οποίες σχηματίζουν μια πλήρη σφαίρα. Οι σφαιροειδείς πρωτεΐνες μπορούν επιπλέον να συνδυαστούν με ομάδες που έχουν τη δυνατότητα προσθήκης, όπως είναι ο σίδηρος, ο οποίος προσδίδει ειδικές ιδιότητες.

29 Τεταρτοταγής δομή (Quaternary Structure) Οι ογκώδεις πρωτεΐνες αποτελούν σύνθετα μόρια που περιέχουν πολλές επιμέρους πολυπεπτιδικές αλυσίδες που συνδέονται μεταξύ τους. Υπάρχουν, επίσης, ομάδες που προστίθενται και μπορούν να συσχετιστούν με τα πρωτεϊνικά μόρια. Η αιμοσφαιρίνη και η ινσουλίνη είναι και οι δύο τεταρτογενείς δομές.

30 Οι πρωτεΐνες είναι βιοπολυμερή των οποίων οι δομικές μονάδες είναι α-αμινοξέα και εξυπηρετούν βασικές λειτουργίες ζώντων οργανισμών. Έχουν γραμμική δομή η οποία μπορεί να αναδιπλωθεί οδηγώντας σε τρισδιάστατες δομές που μπορεί να είναι μοναδικές και χαρακτηριστικές. Η αναδίπλωση εξαρτάται από δεσμούς που μπορεί να αναπτυχθούν πχ δεσμοί υδρογόνου, ηλεκτροστατικές δυνάμεις, μεταλλικά ιόντα, πρόσθετες ομάδες κλπ. Η δράση των πρωτεϊνών εξαρτάται από τη δομή τους: Πρωτοταγής Δομή : Αλληλουχία των αμινοξέων τα οποία συνδέονται με πεπτιδικούς δεσμούς Δευτεροταγής Δομή : Αναδίπλωση των πεπτιδικών αλυσίδων σε α-έλικα, β-πτυχωτή επιφάνεια, στροφές (α-, β-, γ-,...) Τριτοταγής Δομή : Αναδίπλωση της πεπτιδικής αλυσίδας και διάταξη όλων των τμημάτων της (σε α-έλικα, β-πτυχωτή επιφάνεια, κ.λ.π) στο χώρο. Τεταρτοταγής Δομή : Οι πολυπεπτιδικές αλυσίδες συγκροτούν δομικές υπομονάδες και αυτές συγκροτούν ένα σύνολο από υπομονάδες

31 Πρωτεΐνες: λειτουργίες και επίπεδα δομής Οι πρωτεΐνες είναι μεγάλες και πολύπλοκες οργανικές ενώσεις (μακρομοριακές - πολυμερή), τις οποίες τις ταξινομούμε με κριτήριο την λειτουργία τους, σε δομικές (αποτελούν δομικά υλικά του κυττάρου, π.χ. το ασπράδι του αυγού που περιέχει την πρωτεΐνη αλβουμίνη) και λειτουργικές (συμβάλλουν σε κάποιες λειτουργίες, π.χ. τα ένζυμα). Ειδικότερα ανάλογα με τη λειτουργία τους οι πρωτεΐνες κατατάσσονται σε: Ένζυμα Αποθηκευτικές (π.χ. αλβουμίνη στα αβγά, γλιαδίνη στο σιτάρι) Μεταφοράς (στις μεμβράνες) Δομικές (πρωτεΐνες των μεμβρανών, γλυκοπρωτεΐνες) Συσταλτές (δυνεΐνη στις βλεφαρίδες, ακτίνη και μυοσίνη του κυτταρικού σκελετού ή των μυϊκών κυττάρων) Οι δομικοί λίθοι (τα μονομερή των πρωτεϊνών) είναι τα αμινοξέα. Έχουν προσδιοριστεί πάνω από 170 αμινοξέα, από τα οποία μόνο 20 αποτελούν το συστατικό των πρωτεϊνών. Τα αμινοξέα διακρίνονται σε απαραίτητα: αυτά που λαμβάνονται μέσω των τροφών γιατί ο οργανισμός δεν έχει τη δυνατότητα να βιοσυνθέσει και στα μη-απαραίτητα: αυτά που ο οργανισμός έχει τη δυνατότητα να βιοσυνθέσει. Τα διαδοχικά αμινοξέα συνδέονται μεταξύ τους με πεπτιδικό δεσμό και σχηματίζουν πολυπεπτιδικές αλυσίδες. Κάθε πολυπεπτιδική αλυσίδα μπορεί να περιέχει πάνω από 1000 αμινοξέα. Η ποικιλία των πρωτεϊνών είναι πάρα πολύ μεγάλη. Αυτό οφείλεται στο ότι δύο πρωτεΐνες μπορεί να διαφέρουν μεταξύ τους δομικά ή λειτουργικά: είτε γιατί έχουν διαφορετική αλληλουχία των αμινοξέων, είτε γιατί έχουν διαφορετικό αριθμό αμινοξέων, είτε γιατί τα αμινοξέα κατανέμονται σε δύο ή περισσότερες πολυπεπτιδικές αλυσίδες, είτε γιατί η διάταξή τους στο χώρο είναι διαφορετική. Το τελικό σχήμα των πρωτεϊνών μπορεί να είναι ινώδες ή σφαιρικό (σφαιρική είναι η πρωτεΐνη αλβουμίνη στο ασπράδι του αυγού, και ινώδης το κολλαγόνο του συνδετικού ιστού). Επίπεδο δομής Περιγραφή Τύποι δεσμών Πρωτοταγής Δευτεροταγής Τριτοταγής Τεταρτοταγής Οι πρωτεΐνες παράγονται στο κυτταρόπλασμα και συγκεκριμένα στα ριβοσώματα όπου ξεκινούν ως απλές μη διακλαδωμένες αλληλουχίες αμινοξέων, δηλαδή πεπτιδίων ή πολυπεπτιδίων, σχηματίζοντας την πρωτοταγή δομή, για την οποία καθοριστικός παράγοντας είναι η αλληλουχία των αμινοξέων στην πολυπεπτική αλυσίδα. Την αλληλουχία αυτή την καθορίζουν τα νουκλεϊκά οξέα, τα οποία και φέρονται να ελέγχουν όλες τις λειτουργίες αλλά και τα κληρονομικά γνωρίσματα των οργανισμών. Συνεπώς η πρωτοταγής δομή είναι: Ποια αμινοξέα και με ποια σειρά λαμβάνουν μέρος στην οικοδόμηση της πρωτείνης. Καθορίζεται από το DA. Τα πρωτεϊνικά μόρια υφίστανται μια φυσική αναδιάταξη προκειμένου να δώσουν τη δευτεροταγή δομή η οποία προκαλείται από δεσμούς υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ των ομάδων καρβοξυλίου και αμιδικών των αμινοξέων. Η πολυπεπτιδική αλυσίδα αναδιπλώνεται και αποκτά ελικοειδή ή πτυχωτή μορφή. Συνεπώς κατά τη δευτεροταγή δομή: Εμφανίζεται συσπείρωση πολυπεπτιδικών αλυσίδων σε τρισδιάστατη δομή. Εξαρτάται από τους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των αμινοξέων. Εμφανίζεται συνήθως υπό μορφή α-έλικας ή β-πτυχωτής επιφάνειας. Μια πρωτεϊνη είναι δυνατό να έχει κάποιες περιοχές αναδιπλωμένες σε α-έλικα και άλλες σε β-πτυχωτή επιφάνεια. Οι πρωτεΐνες υφίστανται περισσότερο πολύπλοκη πτύχωση η οποία καλείται τριτοταγής δομή και αντιστοιχεί στο λειτουργικό σχήμα που αποκτά η πρωτεΐνη μετά κι από την αλληλεπίδραση των πλευρικών ομάδων των αμινοξέων. Η τριτοταγής δομή συνεπώς οφείλεται σε δεσμούς μεταξύ των πλευρικών ομάδων(r) των αμινοξέων. Οι δεσμοί αυτοί μπορεί να είναι αποτέλεσμα: 1. Υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων (οι μη-πολικές ομάδες καταλήγουν στο εσωτερικό του μορίου μακριά από υδάτινο περιβάλλον). 2. Ιοντικών έλξεων μεταξύ θετικά και αρνητικά φορτισμένων πλευρικών ομάδων(r). 3. Δισουλφιδικών δεσμών (S-S) συνήθως μεταξύ δύο κυστεϊνών 4. Δεσμών υδρογόνου Υπάρχουν πρωτεΐνες που αποτελούνται από πολλές πολυπεπτιδικές αλυσίδες οι οποίες είναι χαλαρά ενωμένες και σχηματίζουν την αποκαλούμενη τεταρτοταγή δομή. Η δομή αυτή εμφανίζεται μόνο στις πρωτεΐνες που αποτελούνται από δύο ή περισσότερες πολυπεπτιδικές αλυσίδες (π.χ. κολαγόνο, αιμοσφαιρίνη) και περιγράφει την τελική συναρμογή της πρωτεΐνης στο χώρο. Ομοιοπολικοί πεπτιδικοί δεσμοί μεταξύ των αμινοξέων. Δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των στοιχείων που απαρτίζουν τους πεπτιδικούς δεσμούς. Δεσμοί υδρογόνου, ιοντικοί δεσμοί, δεσμοί S-S, υδρόφοβες επιδράσεις. Το S είναι στοιχείο των αμινοξέων κυστεΐνης και Μεθειονίνης. Δεσμοί υδρογόνου και ιοντικοί δεσμοί μεταξύ πολυπεπτιδικών αλυσίδων.

32 Μετουσίωση (denaturation) των πρωτεϊνών Η αλλαγή της στερεοχημικής δομής των μορίων μιας πρωτεΐνης που έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή των ιδιοτήτων και της λειτουργίας της χαρακτηρίζεται ως μετουσίωση. Συνεπώς, μετουσίωση είναι μια φυσική μεταβολή κατά την οποία χάνεται η βιολογική δράση και λειτουργία των πρωτεϊνών ως συνέπεια αλλαγών στη δευτεροταγή, τριτοταγή ή τεταρτοταγή δομή αυτών οφειλόμενη στη διάσπαση αλληλεπιδράσεων όπως, δεσμών υδρογόνου, δεσμών αλάτων, υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων. Οι σφαιροειδείς πρωτεΐνες των ζώντων οργανισμών είναι ευαίσθητες στις μεταβολές του περιβάλλοντος. Συνήθεις παράγοντες που προκαλούν μετουσίωση είναι: 1) Η θέρμανση. Οι περισσότερες πρωτεΐνες μετουσιώνονται όταν θερμανθούν πάνω από Η μεταβολή της θερμοκρασίας μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφή των δεσμών υδρογόνου αλλά μπορεί να οδηγήσει και σε ανάπτυξη νέων δεσμών. Η υπερβολική αύξηση της θερμοκρασίας του ανθρώπινου σώματος είναι πολύ επικίνδυνη μέχρι και θανατηφόρα. 2) Οι ευρείες μεταβολές του p. Κατά την αλλαγή του p μεταβάλλονται τα φορτία των πλευρικών ομάδων στα αμινοξέα και οι ιοντικές έλξεις μπορεί να μην υφίστανται πλέον δηλαδή η μεταβολή στο p μπορεί να οδηγήσει σε ρήξη δεσμών. Οι πρωτεΐνες έχουν αμφολυτική δράση συνεπώς, ανάλογα με το p του περιβάλλοντος, λειτουργούν είτε ως οξέα είτε ως βάσεις διατηρώντας το p σε στενά πλαίσια. Ισχυρά ιοντικά διαλύματα μπορεί να έχουν ίδιο αποτέλεσμα με τη μεταβολή του p, π.χ. πάστωμα τροφίμων. 3) Οι Χημικές ουσίες, όπως τα απορρυπαντικά. Η κατεργασία μιας πρωτεΐνης με το απορρυπαντικό SDS (Sodium dodecyl sulfate) προκαλεί την αναδίπλωση της διαμόρφωσης της πρωτεΐνης αποκαλύπτοντας τις μη πολικές πλευρικές αλυσίδες της πρωτεΐνης οι οποίες στη συνέχεια επηρεάζονται χημικά λόγω υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων με τις υδρογονοανθρακικές αλυσίδες του απορρυπαντικού. 4) Οι οργανικοί διαλύτες, π.χ. αλκοόλη, ακετόνη οι οποίοι καταστρέφουν του δεσμούς υδρογόνου της αρχικής πρωτεΐνης. 5) Η μηχανική επεξεργασία. 6) Τα αντιδραστήρια ουρία, 2 2 και υδροχλωρική γουανιδίνη, 2 ( 2 + l - ) 2, που προκαλούν καταστροφή των δεσμών υδρογόνου και των υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων.