Άσκηση 5 Σάκχαρα 5.1 Σκοπός της άσκησης 5. 2 Εισαγωγή-Θεωρητικό Μέρος 5. 2. 1 Γενικά περί υδατανθράκων 5. 2. 2 Κατηγορίες υδατανθράκων 5. 2. 3 Ονοµατολογία υδατανθράκων 5. 2. 4 Μονοσακχαρίτες 5. 2. 4. 1 Τριόζες 5. 2. 4. 2 Τετραόζες 5. 2. 4. 3 Πεντόζες 5. 2. 4. 4 Εξόζες 5. 2. 5 Αναγωγικά και µη αναγωγικά σάκχαρα 5. 2. 6 α- και β- σάκχαρα 5. 2. 7 Παράγωγα υδατανθράκων 5. 2. 7. 1 Γλυκοζίτες 5. 2. 7. 1. 1 Μεθυλοσάκχαρα 5. 2. 7. 1. 2 Αµινοσάκχαρα 5. 2. 7. 1. 3 Φωσφοσάκχαρα 5. 2. 8 Εναντιοµερή σάκχαρα 5. 2. 9 Διαστερεοµερή σάκχαρα 5. 2. 10 Επιµερή σάκχαρα 5. 2. 11 Αντιδράσεις επιµερισµού και αντικατάστασης 5. 2. 12 Oξείδωση του C 6 στο µόριο της γλυκόζης 5. 2. 11 Δισακχαρίτες και ολιγοσακχαρίτες 5. 2. 12 Πολυσακχαρίτες Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 1
5. 2. 12. 1 Aποθηκευτικοί πολυσακχαρίτες 5. 2. 12. 2 Άµυλο 5. 2. 12. 3 Γλυκογόνο 5. 2. 13 Δοµικοί πολυσακχαρίτες 5. 2. 13. 1 Κυτταρίνη 5. 2. 13. 2 Χιτίνη 5. 2. 14 Ετεροπολυσακχαρίτες 5. 2. 15 Γλυκοπρωτεΐνες 5. 2. 16 Σάκχαρα και οµάδες αίµατος Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 2
5. 2 Εισαγωγή-Θεωρητικό Μέρος 5. 2. 1 Γενικά περί υδατανθράκων Με τον όρο υδατάνθρακες αναφερόµαστε σε µία οµάδα βιολογικών ενώσεων που έχουν το κοινό γνώρισµα ότι είναι πολυ-υδροξυαλδεύδες ή πολυυδροξυκετόνες και περιγράφονται µε τον γενικό χηµικό τύπο (CH 2 O) ή διαφορετικά ένυδρος άνθρακας. Οι υδατάνθρακες είναι βιολογικά µόρια µεγάλης σηµασίας για τους οργανισµούς. Αποτελούν το µεγαλύτερο ποσοστό της οργανικής ύλης, λόγω των πολλαπλών ρόλων τους σε κάθε µορφή ζωής. Πρώτον, οι υδατάνθρακες χρησιµεύουν ως αποθήκες ενέργειας, ως καύσιµα και ως µεταβολικά ενδιάµεσα. Δεύτερον, τα σάκχαρα ριβόζη και δεοξυριβόζη αποτελούν δοµικά συστατικά του δοµικού πλαισίου των DNA και RNA. Τρίτον, οι πολυσακχαρίτες αποτελούν δοµικά στοιχεία στα κυτταρικά τοιχώµατα βακτηρίων και φυτών. Πράγµατι, η κυτταρίνη, το κύριο συστατικό των φυτικών κυτταρικών τοιχωµάτων, είναι η πιο άφθονη οργανική ένωση στη βιόσφαιρα. Τέταρτον, οι υδατάνθρακες είναι συνδεδεµένοι µε πολλές πρωτείνες και λιπίδια, όπου παίζουν σηµαντικό µεσολαβητικό ρόλο στις αλληλεπιδράσεις µεταξύ των κυττάρων, καθώς και µεταξύ των κυττάρων και άλλων στοιχείων στο κυτταρικό περιβάλλον. Πέµπτον, µια καθοριστική ιδιότητα των υδατανθράκων στον ρόλο τους ως µεσολαβητών των κυτταρικών αλληλεπιδράσεων είναι πιθανώς η πάρα πολύ µεγάλη δοµική τους ποικιλότητα. 5. 2. 2 Κατηγορίες υδατανθράκων Οι υδατάνθρακες διακρίνονται σε: µονοσακχαρίτες, µικρά µόρια που τυπικά περιέχουν τρία έως εννέα άτοµα άνθρακα και ποικίλλουν στο µέγεθος και τη στερεοχηµική διαµόρφωση σε ένα ή περισσότερα κέντρα άνθρακα. Αυτοί οι µονοσακχαρίτες µπορεί να συνδέονται µεταξύ τους για να σχηµατίσουν µια ποικιλία δοµών ολιγοσακχαριτών και πολυσακχαριτών. Τυπικοί µονοσακχαρίτες είναι η γλυκόζη και φρουκτόζη. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 3
δισακχαρίτες, όπως η µαλτόζη και η σουκρόζη και µπορούν να υδρολυθούν σε µονοσακχαρίτες. oλιγοσακχαρίτες, που περιέχουν από 2-10 µονάδες µονοσακχαριτών που συνδέονται µε γλυκοσιδικό δεσµό (α ή β) πολυσακχαρίτες, που είναι µακριές αλυσίδες 100-1000 µονοσακχαριτών, ευθείες ή διακλαδισµένες, όπως άµυλο και κυτταρίνη αλδόζες, είναι οι µονοσακχαρίτες µε µια αλδεϋδική οµάδα σαν ενεργό κέντρο όπως η γλυκόζη. κετόζες, είναι οι µονοσακχαρίτες µε µια κετονική οµάδα σαν ενεργό κέντρο όπως η φρουκτόζη. αναγωγικά σάκχαρα, σάκχαρα µε αναγωγικές ιδιότητες. µη αναγωγικά σάκχαρα, σάκχαρα χωρίς αναγωγικές ιδιότητες. υδατάνθρακες χωρίς διακλαδώσεις της υδατανθρακικής αλυσίδας και τέλος υδατάνθρακες µε διακλαδώσεις της υδατανθρακικής αλυσίδας. 5. 2. 3 Ονοµατολογία υδατανθράκων Ανάλογα µε τον αριθµό των ατόµων ανθράκων των σακχάρων βάσει του γενικού τύπου C n H 2n O n, όπου η ο αριθµός των ατόµων ανθράκων. Οι άνθρακες αριθµούνται διαδοχικά και οι άνθρακες στις αλδεύδες ή κετόνες λαµβάνουν τον µικρότερο αριθµό. Όταν το: n=3 τότε έχουµε τριόζες n=4 τότε έχουµε τετραόζες n=5 τότε έχουµε πεντόζες n=6 τότε έχουµε εξόζες Ο συνδυασµός της ενεργού οµάδας και του αριθµού των ατόµων C ονοµάζονται επίσης τα σάκχαρα ως εξής. Για παράδειγµα η γλυκόζη είναι µια αλδοεξόζη (6 άνθρακες=εξόζη και αλδεϋδική οµάδα=αλδο). Αντίστοιχα η φρουκτόζη είναι µια κετοεξόζη. 5. 2. 4 Μονοσακχαρίτες Οι µονοασκαχαρίτες είναι αλδεϋδες ή κετόνες µε πολλαπλές υδροξυλικές οµάδες. Ανάλογα µε τον αριθµό ατόµων άνθρακα που περιέχουν στο µόριο τους οι Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 4
µονοσακχαρίτες µπορούν να διακριθούν σε τριόζες (3C), τετραόζες (4C), πενταόζες (5C) και εξόζες (6C). Οι µονοσακχαρίτες και άλλα σάκχαρα θα παρουσιάζονται ως προβολές Fischer. Στην προβολή Fischer ενός µορίου, τα άτοµα που ενώνονται σε ένα ασύµµετρο άτοµο άνθρακα µε οριζόντιους δεσµούς είναι επάνω από το επίπεδο της σελίδας και εκείνα µε κάθετους δεσµούς βρίσκονται κάτω από αυτό. Οι προβολές Fischer είναι χρήσιµες για την απεικόνιση δοµών υδατανθράκων διότι δίνουν καθαρές και απλές εικόνες της στερεοχηµείας σε κάθε κέντρο άνθρακα. Οι χαρακτήρες D και L, καθορίζουν την απόλυτη διαµόρφωση ανάλογα µε τη θέση που κατέχει το υδροξύλιο του πιο αποµακρυσµένου από την αλδευδοµάδα ή την κετονοµάδα ασύµµετρου ατόµου άνθρακα. Όταν το υδροξύλιο βρίσκεται προς τα δεξιά τότε έχουµε τα D-σάκχαρα Όταν το υδροξύλιο βρίσκεται προς τα αριστερά έχουµε τα L-σάκχαρα. Εδώ πρέπει να σηµειωθεί ότι ο χαρακτηρισµός ενός σακχάρου σε D ή L δεν έχει σχέση µε τη στροφή που µπορεί να προκαλέσει το διάλυµα του σακχάρου στο επίπεδο του πολωµένου φωτός. Οι σηµαντικότερες από βιολογικής πλευράς αλδόζες ή κετόζες είναι εκείνες της D µορφής, ενώ οι L µορφές απαντώνται σπανιότατα στη φύση. 5. 2. 4. 1 Τριόζες Η τριόζη µε 3C είναι το απλούστερο σάκχαρο. Η γλυκεραλδεύδη είναι αλδόζη (αλδοτριόζη) γιατί περιέχει µια αλδεϋδική οµάδα, ενώ η διυδροξυακετόνη είναι µία κετόνη (κετοτριόζη), γιατί περιέχει µια κετονική οµάδα. Η γλυκεραλδεύδη έχει ένα µόνο ασύµµετρο άτοµο άνθρακα. Έτσι, υπάρχουν δύο στερεοϊσοµερή αυτής της αλδόζης µε τρία άτοµα άνθρακα, η D- γλυκεραλδεύδη και η L-γλυκεραλδεύδη. Η D-γλυκεραλδευδη και η L- γλυκεραλδευδη είναι εναντιοµερή, ή είδωλα το ένα του άλλου. Η διυδροξυακετόνη είναι η απλούστερη κετόζη. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 5
5. 2. 4. 2 Τετραόζες Τα βασικότερα σάκχαρα µε 4 άνθρακες είναι η ερυθρόζη και η θρεόζη. 5. 2. 4. 3 Πεντόζες Τα βασικότερα σάκχαρα µε 5 άνθρακες είναι η ριβόζη και δεοξυριβόζη, η αραβινόζη, η ξυλόζη και λυζόζη. Οι πεντόζες ριβόζη και δεοξυριβόζη αποτελούν δοµικά συστατικά των νουκλεϊνικών οξέων. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 6
5. 2. 4. 4 Εξόζες Οι εξόζες και τα παράγωγα τους χρησιµεύουν για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του κυττάρου καθώς επίσης και για τη δηµιουργία εφεδρικών αποθεµάτων. Από βιολογική και βιοχηµική άποψη οι σηµαντικότερες εξόζες είναι: η φρουκτόζη, η γλυκόζη, η µαννόζη και η γαλακτόζη. Επισηµαίνεται ότι οι κετόζες έχουν ένα λιγότερο ασύµµετρο κέντρο από τις αλδόζες, µε τον ίδιο αριθµό ατόµων άνθρακα. Η D-φρουκτόζη είναι η πιο άφθονη κετοεξόζη στη φύση. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 7
5. 2. 5 Αναγωγικά και µη αναγωγικά σάκχαρα Αναγωγικά είναι τα σάκχαρα που περιέχουν µια ελεύθερη αλδευδική οµάδα (πχ. γλυκόζη) ή κετονική οµάδα (πχ. φρουκτόζη) και ανάγουν δείκτες, όπως σύµπλοκα ιόντων δισθενούς χαλκού σε µονοσθενή χαλκό. Ανάλογα µε τη φύση της αναγωγικής οµάδας τα σάκχαρα ταξινοµούνται σε: αλδόζες, όταν η αναγωγική οµάδα είναι αλδευδοµάδα κετόζες, όταν η αναγωγική οµάδα είναι κετονοµάδα Ο αναγωγικός παράγοντας σε αυτές τις αντιδράσεις είναι µορφή ανοικτής αλυσίδας της αλδόζης ή της κετόζης. Παλαιότερα έγινε η υπόθεση ότι το µόριο του σακχάρου αποτελείται από µια ευθεία αλυσίδα ατόµων άνθρακα και ότι η αναγωγική οµάδα ήταν ελεύθερη και ικανή να δώσει αντιδράσεις αναγωγής. Με την υπόθεση όµως αυτή δεν ήταν δυνατόν να εξηγηθούν ορισµένες ιδιότητες των µονοσακχαριτών όπως η έλλειψη ικανότητας να ανάγουν το αντιδραστήριο του Schiff. Για να εξηγηθούν τα δεδοµένα αυτά, διατυπώθηκε η άποψη ότι η αλδεϋδοµάδα ή η κετονοµάδα πρέπει να βρίσκεται καλυµένη κατά κάποιο τρόπο. Υποτίθεται δηλαδή, ότι το µόριο του µονοσακχαρίτη εν διαλύσει βρίσκεται υπό µορφή δακτυλίου, που σχηµατίζεται µε µια ενδοµοριακή αντίδραση ηµιακεταλικής ή ηµικεταλικής µορφής. Γενικά, µια αλδεϋδη µπορεί να αντιδρά µε µια αλκοόλη για να σχηµατίσει µια ηµιακετάλη. Αντίδραση σχηµατισµού ηµιακετάλης Παροµοίως, µια κετόνη µπορεί να αντιδρά µε µια αλκοόλη για να σχηµατίσει µια ηµικετάλη. Αντίδραση σχηµατισµού ηµικετάλης Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 8
Ο επικρατέστεροι τύποι της ριβόζης, της γλυκόζης, της φρουκτόζης και πολλών άλλων σακχάρων σε διάλυµα δεν είναι η ανοιχτή αλυσίδα. Μάλλον, οι ανοιχτές αλυσίδες των ενώσεων αυτών κυκλοποιούνται σε δακτυλίους. Για µια αλδοεξόζη όπως η γλυκόζη, η αλδεϋδική οµάδα C-1 του τύπου ανοιχτής αλυσίδας αντιδρά µε το υδροξύλιο του C-5 για να σχηµατίσει µια ενδοµοριακή ηµιακετάλη. Ο εξαµελής δακτύλιος του σακχάρου που παράγεται ονοµάζεται πυρανόζη λόγω της οµοιότητάς του µε το πυράνιο Χηµικός τύπος του πυρανίου Ο εξαµελής δακτύλιος της πυρανόζης δεν είναι επίπεδος, λόγω της τετραεδρικής γεωµετρίας των κορεσµένων ατόµων άνθρακα. Αντίθετα, οι δακτύλιοι της πυρανόζης υιοθετούν δύο τάξεις στερεοδιατάξεων, του ανακλίντρου (chair) και του λουτήρα (boat), λόγω της οµοιότητάς τους µε τα αντικείµενα αυτά. Στη µορφή του ανακλίντρου, οι υποκαταστάτες των ατόµων άνθρακα του δακτυλίου έχουν δύο προσανατολισµούς αξονικό (α) και ισηµερινό (e). Οι αξονικοί δεσµοί είναι σχεδόν κάθετοι προς το µέσο επίπεδο του δακτυλίου, ενώ οι ισηµερινοί δεσµοί είναι σχεδόν παράλληλοι προς το επίπεδο αυτό. Οι αξονικοί υποκαταστάτες παρεµποδίζουν στερεοχηµικά ο ένας τον άλλον εάν προβάλλουν από την ίδια πλευρά του δακτυλίου. Αντίθετα, υπάρχει πολύ περισσότερος χώρος για τους ισηµερινούς υποκαταστάτες. Η µορφή του ανακλίντρου της β-d-γλυκοπυρανόζης είναι η επικρατέστερη, διότι όλες οι αξονικές θέσεις καταλαµβάνονται από άτοµα υδρογόνου. Οι ογκωδέστερες οµάδες -OH και -CH20H προβάλλουν στην περιφέρεια µε µικρή στερεοχηµική παρεµπόδιση. Η µορφή λουτήρα της γλυκόζης δεν ευνοείται διότι στερεοχηµικά παρεµποδίζεται εντελώς. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 9
Η κετονική οµάδα στον C-2 του τύπου ανοιχτής αλυσίδας µιας κετοεξόζης, όπως η φρουκτόζη, µπορεί να σχηµατίσει µια ενδοµοριακή ηµικετάλη αντιδρώντας είτε µε την υδροξυλική οµάδα του C-6 για να σχηµατίσει µια εξαµελή κυκλική ηµικετάλη είτε µε την υδροξυλική οµάδα του C-5 για να σχηµατίσει µια πενταµελή κυκλική ηµικετάλη. Ο πενταµελής αυτός δακτύλιος σακχάρου ονοµάζεται φουρανόζη λόγω της οµοιότητάς του µε το φουράνιο. Χηµικός τύπος του φουρανίου Η φρουκτόζη σχηµατίζει δακτυλίους πυρανόζης και φουρανόζης. Η µορφή φουρανόζης επικρατεί όταν η φρουκτόζη είναι µόνη της στο διάλυµα, ενώ η µορφή φουρανόζης είναι η κυριότερη για τα περισσότερα παράγωγά της. Αυτές οι απεικονίσεις της γλυκοπυρανόζης και της φρουκτοπυρανόζης είναι προβολές κατά Hαworth. Σε µια τέτοια προβολή τα άτοµα του άνθρακα του δακτυλίου δεν δείχνονται καθαρά. Τo κατά προσέγγιση επίπεδο του δακτυλίου είναι κάθετο στο επίπεδο της σελίδας, ενώ η έντονη γραµµή συµβολίζει το τµήµα του δακτυλίου προς το µέρος του αναγνώστη. Όπως και στις προβολές Fischer, οι προβολές κατά Haworth επιτρέπουν εύκολη απεικόνιση της στερεοχηµείας των σακχάρων. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 10
5. 2. 6 α- και β- σάκχαρα Μια τελευταία ταξινόµηση των D-σακχάρων είναι σε α και β σάκχαρα ανάλογα µε τη θέση του υδροξυλίου του πρώτου ατόµου άνθρακα (ηµιακεταλικό υδροξύλιο) (βλ. παρακάτω σχήµα). Όταν σχηµατίζεται µια ηµιακετάλη δηµιουργείται ένα πρόσθετο ασύµµετρο κέντρο. Στη γλυκόζη, ο καρβονυλικός άνθρακας (C-l), στη µορφή ανοιχτής αλυσίδας, µετατρέπεται σε ένα ασύµµετρο κέντρο. Έτσι, µπορεί να προκύψουν δύο δοµές η α-d-γλυκοπυρανόζη και η β-d-γλυκοπυρανόζη. Για τα D-σάκχαρα, σχεδιασµένα ως προβολές κατά Haworth, ο προσδιορισµός α σηµαίνει ότι το υδροξύλιο που συνδέεται στον C-l βρίσκεται κάτω από το επίπεδο του δακτυλίου, ενώ β σηµαίνει ότι βρίσκεται επάνω από το επίπεδο του δακτυλίου. Ο άνθρακας C- 1 καλείται ανωµερικό άτοµο άνθρακα και οι µορφές α και β καλούνται ανωµερή. Ένα µείγµα ισορροπίας της γλυκόζης περιέχει περίπου ένα τρίτο α-ανωµερές, δύο τρίτα β-ανωµερές και <1% µορφή ανοιχτής αλυσίδας. Η ίδια ονοµατολογία εφαρµόζεται και στον δακτύλιο φουρανόζης της φρουκτόζης, µε τη διαφορά ότι τα α και β αναφέρονται στις υδροξυλικές οµάδες που είναι ενωµένες στον άνθρακα C-2, που είναι και ο ανωµερής. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 11
5. 2. 7 Παράγωγα υδατανθράκων 5. 2. 7. 1 Γλυκοζίτες Οι µονοσακχαρίτες µπορούν να τροποποιηθούν αντιδρώντας µε αλκοόλες και αµίνες για να σχηµατίσουν προϊόντα προσθήκης. Παραδείγµατος χάριν, η γλυκόζη αντιδρά µε µεθανόλη σε όξινο περιβάλλον: ο ανωµερής άνθρακας αντιδρά µε το υδροξύλιο της µεθανόλης, για να σχηµατίσει δύο προϊόντα, τον µεθυλο-α-d-γλυκοπυρανοζίτη και τον µεθυλο-β-d-γλυκοπυρανοζίτη. Αυτοί οι δύο γλυκοπυρανοζίτες διαφέρουν στη διαµόρφωση του ανωµερικού ατόµου άνθρακα. Ο νέος δεσµός που σχηµατίζεται µεταξύ του ανωµερικού ατόµου άνθρακα της γλυκόζης και του ατόµου του οξυγόνου του υδροξυλίου της µεθανόλης ονοµάζεται γλυκοζιτικός δεσµός και ειδικότερα γλυκοζιτικός δεσµός Ο (ή γλυκοζιτικός δεσµός µέσω οξυγόνου). Το ανωµερικό άτοµο άνθρακα ενός σακχάρου µπορεί να ενωθεί µε άτοµο αζώτου µιας αµίνης για να σχηµατίσει έναν γλυκοζιτικό δεσµό Ν (ή γλυκοζιτικό δεσµό µέσω αζώτου). Παραδείγµατος χάριν, ατροποποίητη γλυκόζη αντιδρά µε οξειδωτικούς παράγοντες όπως τα ιόντα χαλκού (Cu 2+ ) διότι η µορφή της ανοιχτής αλυσίδας έχει µια ελεύθερη αλδεϋδική οµάδα η οποία οξειδώνεται εύκολα. Γλυκοζίτες όπως ο µεθυλο-γλυκοπυρανοζίτης δεν αντιδρούν, διότι δεν µετατρέπονται εύκολα σε µια µορφή που περιλαµβάνει µια ελεύθερη αλδεϋδική οµάδα. Διαλύµατα ιόντων χαλκού (γνωστά ως διάλυµα του Fehling) αποτελούν µια απλή δοκιµασία για Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 12
σάκχαρα όπως η γλυκόζη. Τα σάκχαρα που αντιδρούν ονοµάζονται αναγωγικά σάκχαρα εκείνα που δεν αντιδρούν ονοµάζονται µη αναγωγικά σάκχαρα. Οι αλδόζες παράγουν τις αντίστοιχες αλκοόλες: Η D-γλυκόζη παράγει D- σορβιτόλη, η D-Μαννόζη παράγει D-µαννιτόλη και η D-γαλακτόζη παράγει δουλσιτόλη. Οι κετόζες παράγουν δύο διαφορετικές αλκοόλες επειδή σχηµατίζεται ένας νέος ασύµµετρος άνθρακας στη διαδικασία αυτή. Για παράδειγµα η D-φρουκτόζη παράγει D-µαννιτόλη και D-σορβιτόλη. Τα αλκολοσάκχαρα λειτουργούν κυρίως σαν ενδιάµεσα προϊόντα σε πλάγιους µεταβολικούς δρόµους. 5. 2. 7. 1. 1 Μεθυλοσάκχαρα Τα σάκχαρα λοιπόν ενώνονται µε αλκοόλες και αµίνες µε γλυκοζιτικούς δεσµούς. Όταν η γλυκόζη θερµανθεί µε άνυδρη µεθανόλη παρουσία HCl, ο ανωµερής άνθρακας αντιδρά µε το υδροξύλιο της αλκοόλης σχηµατίζοντας δύο ακετάλες, τον α-µεθυλογλυκοζίτη και τον β-µεθυλογλυκοζίτη. Το HCl διευκολύνει την αποµάκρυνση του υδροξυλίου από τον ανωµερή άνθρακα. Η αντίδραση αυτή είναι κλασσικό παράδειγµα όξινης κατάλυσης. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 13
5. 2. 7. 1. 2 Αµινοσάκχαρα Η προσθήκη µιας αµινοµάδας στον άνθρακα 2 της γλυκόζης παράγει γλυκοζαµίνη ενώ αντίστοιχα στη γαλακτόζη, παράγεται γαλακτοζαµίνη, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Η προσθήκη µιας Ν-ακετυλο οµάδας στον άνθρακα 2 της γλυκόζης παράγει Ν-ακετυλο-γλυκοζαµίνη, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. 5. 2. 7. 1. 3 Φωσφοσάκχαρα Τα σάκχαρα µπορούν να φωσφορυλιωθούν στις θέσεις C-1 και C-6, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Φωσφορικοί εστέρες των µονοσακχαριτών παίζουν ιδιαίτερο ρόλο στην βιολογία διότι είναι οι ενεργοποιηµένες µορφές των χηµικών ανδρανών σακχάρων για τον περαιτέρω µεταβολισµό τους. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 14
5. 2. 8 Εναντιοµερή σάκχαρα Οι εναντιοµερείς ενώσεις έχουν σχέση αντικειµένου προς είδωλο. 5. 2. 9 Διαστερεοµερή σάκχαρα Η D-ερυθρόζη και D-θρεόζη είναι δύο αλδόλες µε τέσσερα άτοµα άνθρακα. Έχουν την ίδια διαµόρφωση στο άνθρακα 3 (επειδή είναι και τα δύο D-σάκχαρα) αλλά αντίθετη διαµόρφωση στον άνθρακα 2. Είναι λοιπόν διαστερεοµερείς ενώσεις και όχι εναντιοµερείς διότι δεν έχουν σχέση ειδώλου προς αντικείµενο. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 15
5. 2. 10 Επιµερή σάκχαρα D-σάκχαρα που διαφέρουν στη διαµόρφωση µόνο ενός ασύµµετρου κέντρου ονοµάζονται επιµερή. Η γλυκόζη και η γαλακτόζη είναι επιµερή σάκχαρα µε κέντρο επιµερισµού τον άνθρακα 4. 5. 2. 11 Αντιδράσεις επιµερισµού και αντικατάστασης Στο παρακάτω σχήµα συνοψίζονται οι αντιδράσεις επιµερισµού της D- γλυκόζης στον άνθρακα 4 και δηµιουργία D-γαλακτόζης. Αντίστοιχα η αντικατάσταση του ΟΗ στον άνθρακα 2 της D-γλυκόζης µε ακεταµινοµάδα παράγεται Ν-ακετυλο-D-γλυκοζαµίνη, ενώ η ίδια αντικτάσταση σε D-γαλακτόζη παράγει Ν-ακετυλο-D-γαλακτοζαµίνη. Επιµερισµός στον άνθρακα 2 της D- γλυκόζης έχει σαν αποτέλεσµα την παραγωγή D-µαννόζης. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 16
5. 2. 12 Oξείδωση του C 6 στο µόριο της γλυκόζης Oξείδωση του C 6 στο µόριο της γλυκόζης παράγει καρβοξυλική οµάδα και ως εκ τούτου D-γλυκουρονικό οξύ. Αποµάκρυνση του άνθρακα 6 µετατρέπει την D-γλυκόζη σε D-ξυλόζη. Επίσης η αποµάκρυνση του OH από τον άνθρακα 6 της D-γαλακτόζης παράγει L-φουκόζη. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 17
Αναγωγή της γλυκεραλδεύδης παράγει γλυκερόλη, µια αλκοόλη. Αναγωγή της γλυκόζης παράγει γλουσιτόλη ή σορβιτόλη Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 18
Η µαννόζη ανάγεται σε µαννιτόλη. 5. 2. 11 Δισακχαρίτες και ολιγοσακχαρίτες Οι ολιγοσακχαρίτες διακρίνονται σε δισακχαρίτες, τρισακχαρίτες κλπ., ανάλογα µε τον αριθµό των µονοσακχαριτών που περιέχουν στο µοριό τους. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 19
Στους ολιγοσακχαρίτες οι µονοσακχαρίτες συνδέονται µεταξύ τους µε γλυκοζιδικό δεσµό και ανάλογα µε το εαν µένει ή όχι ελεύθερο το ηµιακεταλικό υδροξύλιο διακρίνονται σε ανάγοντες και µη ανάγοντες ολιγοσακχαρίτες αντίστοιχα. Ένας δισακχαρίτης αποτελείται από δυο σάκχαρα ενωµένα µε έναν γλυκοζιτικό δεσµό. Οι γλυκοζιτικοί δεσµοί σχηµατίζονται από την συµπύκνωση δύο ΟΗ δύο σακχάρων, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. H αντίδραση σχηµατισµού των γλυκοζιδικών δεσµών. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 20
Οι διάφοροι τύποι ολιγοσκαχαριτών δηµιουργούνται από διάφορους γλυκοζιτικούς δεσµούς σε α- ή β- διαµόρφωση οπότε λαµβάνουν αντίστοιχα την ονοµασία α-γλυκοζιτικός και β-γλυκοζιτικός δεσµός, αντίστοιχα. Οι τρεις πιο διαδεδοµένοι δισακχαρίτες είναι η σακχαρόζη, η λακτόζη και η µαλτόζη. Η σακχαρόζη (η κοινή ζάχαρη) παρασκευάζεται εµπορικά από το σακχαχαροκάλαµο ή τα σακχαχαρότευτλα. Στον δισακχαρίτη αυτόν ενώνονται τα ανωµερικά άτοµα άνθρακα µιας µονάδας γλυκόζης και µιας φρουκτόζης. Η διαµόρφωση αυτού του γλυκοζιτικού δεσµού είναι α- για τη γλυκόζη και β- για τη φρουκτόζη. H σακχαρόζη ή σουκρόζη είναι µη ανάγων δισακχαρίτης. Η σακχαρόζη µπορεί να διασπαστεί στα συστατικά της από το ένζυµο σακχαράση. H OH HO HO HO HO H O H OH H H O O H OH H H OH H CH 2 OH Σακχαροζη Η λακτόζη, ο δισακχαρίτης του γάλακτος, αποτελείται από γαλακτόζη που ενώνεται µε τη γλυκόζη µε έναν γλυκοζιτικό δεσµό β-1,4. Στον άνθρωπο, η λακτόζη υδρολύεται στους µονοσακχαρίτες αυτούς από τη λακτάση και στα βακτήρια από την β-γαλακτοζιτάση. Χηµική δοµή της γαλακτόζης Στη µαλτόζη, δύο µονάδες γλυκόζης ενώνονται µε έναν γλυκοζιτικό δεσµό α-1,4. Η µαλτόζη προέρχεται από την υδρόλυση του αµύλου και υδρολύεται µε τη σειρά της σε γλυκόζη από τη µαλτάση. Η σακχαράση, η λακτάση και η µαλτάση εντοπίζονται στην εξωτερική επιφάνεια των επιθηλιακών κυττάρων του λεπτού εντέρου. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 21
Η ισοµαλτόζη είναι ένας ανάγων δισακχαρίτης που προέρχεται από την σύνδεση δύο µορίων γλυκόζης µε α,1-6 γλυκοζιτικό δεσµό και είναι προϊόν υδρόλυσης των δεξτρανών. Η τρεχαλόζη είναι ένας µη ανάγων δισακχαρίτης και αποτελείται από α-1.1 γλυκοζιτικό δεσµό. Είναι αποθηκευτικός πολυσακχαρίτης στα έντοµα. 5. 2. 12 Πολυσακχαρίτες Οι µεγάλοι πολυµερείς ολιγοσακχαρίτες που σχηµατίζονται από τη σύνδεση πολλαπλών µονοσακχαριτών ονοµάζονται πολυσακχαρίτες. Οι πολυσακχαρίτες παίζουν ζωτικό ρόλο στην αποθήκευση ενέργειας και στη διατήρηση της δοµικής ακεραιότητας ενός οργανισµού. Εάν όλοι οι µονοσακχαρίτες είναι όµοιοι, αυτά τα πολυµερή ονοµάζονται οµοπολυσακχαρίτες, ενώ εάν οι µονοσακχαρίτες είναι διαφορετικοί ονοµάζονται ετεροπολυσακχαρίτες. Οι πολυσακχαρίτες έχουν κατά κανόνα διαφορετικές φυσικοχηµικές ιδιότητες από αυτές των µονοσακχαριτών από τους οποίους αποτελούνται. Τα υδατανθρακικά πολυµερή διακρίνονται σε δοµικούς και αποθηκευτικούς πολυσακχαρίτες. 5. 2. 12. 1 Aποθηκευτικοί πολυσακχαρίτες Στους αποθηκευτικούς πολυσακχαρίτες περιλαµβάνονται ενώσεις µε τεράστια βιολογική σηµασία, όπως το άµυλο και το γλυκογόνο, που ανήκουν στις Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 22
γλυκάνες, είναι δηλαδή ανυδριτικά παράγωγα της D-γλυκόζης, του τύπου (C 6 H 10 O 5 ) n που συνδέονται µέσω α-γλυκοζιτικών δεσµών. Οι αποθηκευτικοί πολυσακχαρίτες όταν υπάρχει κυτταρική ανάγκη διασπώνται εύκολα σε ολιγοσακχαρίτες ή µονοσακχαρίτες. Η στερεοδιαµόρφωση των α-γλυκοζιτικών δεσµών έχει σαν αποτέλεσµα τα πολυµερή αυτά να είναι ελικοειδή µε στόχο την ελαχίστη χρήση χώρου. Την ίδια ελικοειδή διαµόρφωση έχουµε στις α-έλικες στις πρωτεΐνες και στο ελικοειδές πακετάρισµα του DNA. Eλικοειδής µορφή πολυµερούς σακχάρου 5. 2. 12. 2 Άµυλο Το άµυλο αποτελεί τη θρεπτική δεξαµενή των φυτών και απαντάται στα διάφορα φυτικά όργανα µε τη µορφή αµυλοκόκκων. Είναι µίγµα δυο µορφών, της αµυλόζης και της αµυλοπηκτίνης Η αµυλόζη βρίσκεται στο εσωτερικό των αµυλοκόκκων, έχει µοριακό βάρος της τάξης 104-106 Da και είναι τύπος αµύλου χωρίς διακλαδώσεις που αποτελείται από κατάλοιπα γλυκόζης συνδεδεµένα µε α-1,4 γλυκοζιτικό δεσµό. Η αµυλοπηκτίνη αποτελεί το περίβληµα των αµυλοκόκκων, το µοριακό της βάρος κυµαίνεται µεταξύ 105-107 Da και είναι τύπος αµύλου µε διακλαδώσεις, δηλαδή ανά 20 περίπου γραµµικά ενωµένα (µε α-1,4 γλυκοζιτικούς δεσµούς) µονοµερή, µόρια γλυκόζης ενώνονται και πλευρικά µε α-1,6 γλυκοζιτικούς δεσµούς. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 23
HO H H H HO H H O H HO H H O H HO HO H H OH O HO H H OH O HO H H OH OH Αµυλοζη Χηµική δοµή του άµυλου και ένζυµα αποικοδόµησης Το άµυλο µπορεί να υδρολυθεί µε δυο τρόπους, είτε µε το ένζυµο αµυλάση, είτε µε αραιό διάλυµα οξέος και θέρµανση. Όταν το άµυλο υδρολύεται µε ένζυµο, στην αρχή διασπάται σε αµυλοδεξτρίνες, κατόπιν σε ερυθροδεξτρίνες, στη συνέχεια σε αχροοδεξτρίνες και τελικά σε µαλτόζη. Όταν η υδρόλυση γίνει µε οξύ, τότε έχουµε και πάλι τα ίδια ενδιάµεσα προϊόντα, αλλά το τελικό προϊόν της διάσπασης είναι η γλυκόζη. Περισσότερο από το µισό των υδατανθράκων που καταναλώνει ο άνθρωπος αποτελούνται από άµυλο. Η αµυλοπηκτίνη και η αµυλόζη υδρολύονται ταχύτατα από την α-αµυλάση, η οποία εκκρίνεται από τους σιελογόνους αδένες και το πάγκρεας. Σχήµα 5.7 Ενζυµική υδρόλυση αµύλου από διάφορα υδρολυτικά ένζυµα 5. 2. 12. 3 Γλυκογόνο Το πιο κοινό οµοπολυµερές στα ζωικά κύτταρα είναι το γλυκογόνο, η αποθηκεύσιµη µορφή της γλυκόζης. Το γλυκογόνο απαντάται σαν εφεδρική πρώτη ύλη στο συκώτι και στους µυς και έχει δοµή ανάλογη µε αυτή της αµυλοπηκτίνης, µε περισσότερες όµως διακλαδώσεις και µεγαλύτερο µοριακό βάρος. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 24
Tο γλυκογόνο είναι ένα µεγάλο, διακλαδιζόµενο πολυµερές από κατάλοιπα γλυκόζης. Οι περισσότερες µονάδες της γλυκόζης στο γλυκογόνο είναι συνδεδεµένες µε γλυκοζιτικούς δεσµούς α-ι,4. Οι διακλαδώσεις σχηµατίζονται από γλυκοζιτικούς δεσµούς α-ι,6 περίπου ανά 10 µονάδες γλυκόζης. 5. 2. 13 Δοµικοί πολυσακχαρίτες Βασικό χαρακτηριστικό των δοµικών πολυσακχαριτών είναι ότι τα µόρια γλυκόζης συνδέονται µεταξύ τους µέσω β-γλυκοζιτικών δεσµών, γεγονός που τους προσδίδει εκτεταµένη διαµόρφωση, αντίστοιχα µε τις β-πτυχωτές επιφάνειες των πρωτεϊνών. Η ευθεία αλυσίδα, που σχηµατίζεται από β-δεσµούς, είναι η βέλτιστη για την κατασκευή ινών που έχουν µεγάλη αντοχή στον εφελκυσµό. Σε αντίθεση, η ανοιχτή έλικα που σχηµατίζεται από α-δεσµούς είναι περισσότερο κατάλληλη για τη δηµιουργία προσιτών αποθεµάτων σακχάρου. Από τα παραπάνω γίνεται σαφές ότι οι συνέπειες αυτών των διαφορών των α- και β- γλυκοζιτικών σχετίζονται µε τη στερεοδιαµόρφωση των σακχάρων και έχουν µεγάλη βιολογική σηµασία. Στους δοµικούς πολυσακχαρίτες, περιλαµβάνονται η κυτταρίνη και η χιτίνη. Η κυτταρίνη είναι το φυσικό πολυµερές στα χερσαία οικοσυστήµατα σε αντίθεση µε την χιτίνη που επικρατεί στα υδάτινα οικοσυστήµατα.τα δύο αυτά βιοπολυµερή διασπώνται από µια σειρά ενζύµων, των υδρολασών χιτίνης και κυτταρίνης που Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 25
ονοµάζονται χιτινάσες και κυτταρινάσες, αντίστοιχα. Τα ένζυµα αυτά παίζουν σηµαντικό ρόλο στην ανακύκλωση των βιοπολυµερών αυτών που παράγονται ετησίως σε επίπεδα 1010-1020 τόννους. 5. 2. 13. 1 Κυτταρίνη Η κυτταρίνη είναι το κύριο δοµικό πολυµερές των φυτών. Αποτελείται από γραµµικές αλυσίδες µονάδων γλυκόζης που ενώνονται µε β-1,4 γλυκοζιτικό δεσµό. Καθώς κάθε κατάλοιπο γλυκόζης είναι περιστραµµένο κατά 180 ο σε σχέση µε τα διπλανά του, η βασική µονάδα της κυτταρίνης είναι το διµερές σελλοβιόζη. Στο σχήµα 5.4 παρουσιάζεται η χηµική δοµή της κυτταρίνης. Η ιδιαίτερη στερεά δοµή της κυτταρίνης οφείλεται στο σωστό πακετάρισµα των εκτενών αλυσίδων και των πολλαπλών δεσµών υδρογόνου. Σχηµα: σελλοβιόζη Σχήµα: Χηµική δοµή Κυτταρίνης Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 26
Σχήµα: το επίπεδο που φαίνονται οι δεσµοί Η ανάµεσα στις αλυσίδες των αλυσίδων κυτταρίνης Σχήµα: Ενζυµικές ενεργότητες κυτταρινασών Το παραπάνω σχήµα παρουσιάζει τις ενζυµικές ενεργότητες που σχετίζονται µε την αποικοδόµηση της κυτταρίνης. Τα σαρκοβόρα θηλαστικά δεν διαθέτουν κυτταρινάσες, άρα δεν είναι σε θέση να πέψουν ξύλο και φυτικές ίνες. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 27
5. 2. 13. 2 Χιτίνη Η χιτίνη είναι το φυσικό πολυµερές στα υδάτινα οικοσυστήµατα και είναι µετά την κυτταρίνη το πλέον άφθονο πολυµερές. Σχήµα: καβούρι Σχήµα: Χηµική δοµή Χιτίνης και ένζυµα αποικοδόµησης Η χιτίνη αποικοδοµείται στη φύση ενζυµικά µέσω υδρολασών της χιτίνης, χιτινάση και χιτοβιάση. 5. 2. 14 Ετεροπολυσακχαρίτες Στο παρακάτω σχήµα παρουσιάζεται η πολύπλοκη χηµική δοµή σύνθετων ετεροπολυσακχαριτών µε πλευρική διακλάδωση που σχετίζονται µε τη κυτταρική αναγνώριση. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 28
5. 2. 15 Γλυκοπρωτεΐνες Οµάδες υδατανθράκων είναι οµοιοπολικά προσκολληµένες σε πολλές διαφορετικές πρωτεΐνες για να σχηµατίσουν γλυκοπρωτεΐνες. Το ποσοστό των υδατανθράκων στο βάρος των γλυκοπρωτεϊνών είναι πολύ µικρότερο από ότι στις πρωτεογλυκάνες. Πολλές γλυκοπρωτεΐνες είναι συστατικά των κυτταρικών µεµβρανών, όπου παίζουν ποικίλους ρόλους σε πορείες όπως η διακυτταρική συνάφεια και η πρόσδεση του σπερµατοζωαρίου στο ωάριο. Στις γλυκοπρωτεΐνες, τα σάκχαρα είναι προσκολληµένα είτε στο αµιδικό άτοµο αζώτου στην πλευρική αλυσίδα της ασπαραγίνης (σύνδεση µέσω αζώτου, Ν) είτε στο άτοµο οξυγόνου στην πλευρική αλυσίδα της σερίνης ή θρεονίνης (σύνδεση µέσω οξυγόνου, Ο). Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 29
Σύνδεση σακχάρων σε θρεονίνη (σύνδεση µέσω οξυγόνου, Ο) Ένα κατάλοιπο ασπαραγίνης µπορεί να δεχθεί έναν ολιγοσακχαρίτη µόνο εάν το κατάλοιπο είναι µέρος µιας αλληλουχίας Asn-X-Ser ή Asn-X-Thr, στην οποία το Χ µπορεί να είναι οποιοδήποτε κατάλοιπο. Έτσι, µπορούν να εντοπιστούν δυνητικές περιοχές γλυκοζυλίωσης µέσα στις αλληλουχίες των αµινοξέων. Ωστόσο, το ποιες από αυτές τις δυνητικές περιοχές είναι πραγµατικά γλυκοζυλιωµένες εξαρτάται από τη δοµή της πρωτείνης και από τον τύπο του κυττάρου µέσα στο οποίο παράγεται η πρωτείνη. Όλοι οι συνδεδεµένοι µέσω αζώτου ολιγοσακχαρίτες έχουν κοινό έναν πεντασακχαριτικό κορµό που αποτελείται από τρία κατάλοιπα µαννόζης και δύο κατάλοιπα Ν-ακετυλογλυκοζαµίνης. Στον κορµό αυτό είναι προσκολληµένα επιπρόσθετα σάκχαρα για να σχηµατίσουν µια ποικιλία από σχέδια ολιγοσακχαριτών που βρέθηκαν στις γλυκοπρωτεινες. Οι υδατάνθρακες είναι συνδεδεµένοι σε µερικές διαλυτές καθώς και σε µεµβρανικές πρωτεΐνες. Συγκεκριµένα, πολλές από τις πρωτεΐνες που εκκρίνονται από τα κύτταρα είναι γλυκοζυλιωµένες. Οι περισσότερες πρωτεΐνες που βρίσκονται στον ορό του αίµατος είναι γλυκοπρωτεινες. Διαγραµµατική παρουσίαση των υδατανθρακικών δοµών σε βακτήρια θετικά (α) και αρνητικά (β) κατά Gram. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 30
Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 31
Στα ζώα η εξωκυττάρια ουσία, ο χόνδρος, το δέρµα περιέχουν µεγάλες ποσότητες υδατανθράκων και χαρακτηριστικά παραδείγµατα παραθέτονται παρακάτω. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 32
5. 2. 16 Σάκχαρα και οµάδες αίµατος Οι οµάδες αίµατος Α, Β και Ο του ανθρώπου απεικοκονίζουν τα αποτελέσµατα των γλυκοζυλοµεταφορασών. Στην επιφάνεια των ερυθρών αιµοσφαιρίων, στις γλυκοπρωτεινες και τα γλυκολιπίδια είναι προσκολληµένοι υδατάνθρακες. Για τον έναν τύπο οµάδας αίµατος ίσως είναι παρούσα µία από τις τρεις διαφορετικές δοµές που καλούνται Α, Β και Ο (παρακάτω εικόνα). Οι δοµές αυτές έχουν κοινό έναν θεµελιώδη ολιγοσακχαρίτη που ονοµάζεται αντιγόνο Ο (ή µερικές φορές Η). Τα αντιγόνα Α και Β διαφέρουν από το αντιγόνο Ο ως προς την προσθήκη ενός επιπλέον µονοσακχαρίτη, είτε της Ν-ακετυλογαλακτοζαµίνης (για το Α) είτε της γαλακτόζης (για το Β) µέσω ενός δεσµού α-l,3 σε µια οµάδα γαλακτόζης του αντιγόνου Ο. Ειδικές γλυκοζυλοµεταφοράσες προσθέτουν τον επιπλέον µονοσακχαρίτη στο αντιγόνο Ο. Κάθε άτοµο κληρονοµεί από κάθε γονέα το γονίδιο για µία γλυκοζυλοµεταφοράση αυτού του τύπου. Η µεταφοράση του τύπου Α προσθέτει εξειδικευµένα Ν-ακετυλογαλακτοζαµίνη, ενώ η µεταφοράση του τύπου Β προσθέτει γαλακτόζη. Αυτά τα ένζυµα είναι πανοµοιότυπα σε όλα, εκτός από 4 αµινοξικά κατάλοιπα από τις 354 θέσεις. Ο φαινότυπος Ο είναι το αποτέλεσµα µιας Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 33
µετάλλαξης που οδηγεί στον πρόωρο τερµατισµό της µετάφρασης και εποµένως στην παραγωγή ανενεργού γλυκοζυλοµεταφοράσης. Αυτές οι δοµές έχουν σηµαντικές επιπτώσεις στις µεταγγίσεις αίµατος και σε άλλες µεταµοσχεύσεις. Εάν σε ένα άτοµο εισαχθεί ένα αντιγόνο που δεν υπάρχει φυσιολογικά, το ανοσοποιητικό σύστηµα του ατόµου το αναγνωρίζει ως ξένο. Μπορεί να ακολουθήσουν δυσµενείς αντιδράσεις, ξεκινώντας από την καταστροφή των µη συµβατών ερυθρών αιµοσφαιρίων στα αγγεία. Γιατί υπάρχουν διαφορετικοί τύποι αίµατος στον ανθρώπινο πληθυσµό; Ας υποθέσουµε ότι ένας παθογόνος οργανισµός, όπως ένα παράσιτο, εκφράζει στην κυτταρική επιφάνειά του ένα υδατανθρακικό αντιγόνο παρόµοιο µε ένα από τα αντιγόνα των οµάδων αίµατος. Σε ένα άτοµο µε τύπο αίµατος που ταιριάζει µε το αντιγόνο του παρασίτου, αυτό το αντιγόνο µπορεί να µην αναγνωριστεί αµέσως ως ξένο και έτσι το παράσιτο θα ευδοκιµήσει. Ωστόσο, θα προστατευθούν άλλα άτοµα µε διαφορετικούς τύπους αίµατος. Εποµένως, θα υπάρχει επιλεκτική πίεση στα ανθρώπινα όντα να µεταβάλλουν τον τύπο αίµατος για να εµποδίσουν την παρασιτική µίµηση και µια αντίστοιχη επιλεκτική πίεση στο παράσιτο να αυξήσει τη µίµηση. Ο σταθερός «αγώνας ταχύτητας των όπλων» µεταξύ παθογόνων µικροοργανισµών και των ανθρώπινων όντων οδηγεί την εξέλιξη της ποικιλότητας Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 34
των αντιγόνων επιφάνειας µέσα στον ανθρώπινο πληθυσµό. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 35
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚO ΤΜHΜΑ Πείραµα 1ον 5.3 Αντίδραση Molisch 5.3.1 Σκοπός πειράµατος H αντίδραση Molisch ονοµάσθηκε από το όνοµα του Αυστριακού Βοτανικού που την ανέπτυξε. Είναι µια ιδιαίτερα ευαίσθητη χηµική δοκιµασία για την παρουσία υδατανθράκων σε ένα βιολογικό δείγµα. Βασίζεται στην αφυδάτωση υδατανθράκων από πυκνό H 2 SO 4 και την παραγωγή αλδεϋδών, οι οποίες συµπυκνώνονται σε δύο µόρια φαινόλης (συνήθως ναφθόλης, ρεσορκινόλης ή θυµόλης) και δίνουν έγχρωµα παράγωγα κόκκινου ή µώβ χρώµατος, ανάλογα µε τη φαινόλη. Εάν το δείγµα µας περιέχει επίσης ολιγοσακχαρίτες ή πολυσακχαρίτες υδρολύονται σε µονοσακχαρίτες. Οι πεντόζες αφυδατώνονται σε φουρφουράλη και οι εξόζες αφυδατώνονται σε 5-υδροξυ-µεθυλο-φουρφουράλη. Τα προϊόντα αυτά συµπυκνώνονται µε α-ναφθόλη (αντιδραστήριο Molisch) δίνοντας ένα σύµπλοκο µε ιώδες χρώµα. Η µέθοδος αυτή χρησιµοποιείται για την ανίχνευση όλων των σακχάρων ακόµη και όταν αυτά βρίσκονται ενωµένα µε πρωτεΐνες. Το διάλυµα Molisch είναι ναφθόλη διαλυµένη σε αιθανόλη και αφού προστεθεί στο διάλυµα σακχάρου προστίθεται πυκνό H 2 SO 4 αργά σε κεκλιµένο σωλήνα. Η αντίδραση είναι θετική όταν στην µεσόφαση µεταξύ οξέος και σακχαρικού διαλύµατος σχηµατίζεται µια µώβ στοιβάδα. Εικόνα 5.8 Πειραµατικά αποτελέσµατα της αντίδρασης Mοlish Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 36
Σχήµα 5.9 Χηµική αντίδρασης Mοlish 5.3.2 Εκτέλεση Αναµείξατε τα διαλύµατα όπως φαίνεται στον παρακάτω Πίνακα 5.1. Πίνακας Αντιδράσεων 5.1 Αριθµός Διαλύµατα Αντιδραστήριο Παρατηρήσεις σωλήνα σακχάρων Molish (α-ναφθόλη) 1 2 ml 1% γλυκόζη 5 σταγόνες α- ναφθόλη 2 2 ml 1% σακχαρόζη 5 σταγόνες α- ναφθόλη 3 2ml Η 2 0 5 σταγόνες α- ναφθόλη Στη συνέχεια έχοντας τον σωλήνα ελαφρά κεκληµένο, προσθέστε αργά 1ml πυκνό H 2 SO 4 (στον απαγωγό) µε τη χρήση του αυτόµατου σιφωνίου έτσι ώστε να σχηµατιστεί κάτω από το υδατικό διάλυµα του σακχάρου µια στοιβάδα οξέος και να δηµιουργηθούν δύο φάσεις. Στην µεσοφάση του οξέος (κάτω στοιβάδα) και του σακχάρου (άνω στoιβάδα) σχηµατίζεται µια λεπτή στοιβάδα χρώµατος κόκκινο-µώβ, όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα 5. 8 και στην παρακάτω εικόνα 5. 9. Η παρακάτω εικόνα παρουσιάζει τα αναµενόµενα αποτελέσµατα από τις αντιδράσεις του πίνακα 5.1. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 37
1 2 3 Παρατηρήσεις Πείραµα 2ον 5.4 Αντίδραση Benedict (αντίδραση αναγωγικών σακχάρων) 5.4.1 Σκοπός πειράµατος Χαρακτηριστική αντίδραση για τον έλεγχο των αναγωγικών σακχάρων (µονασακχαρίτες και ανάγοντες δισακχαρίτες λακτόζη και µαλτόζη) τα οποία ανάγουν τα δισθενή ιόντα χαλκού σε µονοσθενή (Cu 2+ σε Cu + ) οδηγώντας στον σχηµατισµό υποξειδίου του χαλκού που εµφανίζεται σαν ίζηµα καστανέρυθρου (brick red) χρώµατος. Είναι η πλέον διαδεδοµένη αντίδραση για ποιοτικό προσδιορισµό σακχάρων σε βιολογικά δείγµατα και το όνοµά της αντίδρασης προέρχεται από το όνοµα του Αµερικάνου χηµικού Stanley Rossiter Benedict. Σχήµα 5.10 Χηµική αντίδραση Benedict Γενικότερα, η αντίδραση Benedict προσδιορίζει την παρουσία αλδεϋδών (εκτός των αρωµατικών) και α-υδρόξυ-κετονών συµπεριλαµβανοµένων εκείνων που υπάρχουν σε συγκεκριµένες κετόνες. Μολονότι η κετόζη φρουκτόζη δεν είναι απολύτως ένα ανάγων σάκχαρο, είναι µια α-υδρόξυ-κετόνη, δίνει θετική αντίδραση Benedict επειδή µετατρέπεται στις αλδόζες γλυκόζη και µαννόζη από την βάση στο διάλυµα του αντιδραστηρίου. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 38
Το διάλυµα Benedict παρασκευάζεται από 100 γρ. Άνυδρου ανθρακικού νατρίου, 173 γρ. κιτρικού νατρίου και 17.3 γρ. θειϊκού χαλκού (ΙΙ)5Η 2 Ο. Κατά την διάρκεια της επώασης του δείγµατος που είναι συνήθως 4-10 λεπτά, το διάλυµα παίρνει χρώµα µπλέ απουσία γλυκόζης και µετά καστανέρυθρο ή καφέ παρουσία υψηλής συγκέντρωσης γλυκόζης. Οι δισακχαρίτες λακτόζη και µαλτόζη προσδιορίζονται επίσης από την αντίδραση Benedict επειδή περιέχουν ένα µόριο γλυκόζης µε ελεύθερο το ανάγων άκρο, µετά τον ισοµερισµό. Η κοινή ζάχαρη, σουκρόζη, περιέχει φρουκτόζη και γλυκόζη συνδεδεµένες µε α-γλυκοζιτικό δεσµό µε τέτοιο τρόπο που εµποδίζει τον ισοµερισµό της γλυκόζης σε αλδεΰδη ή της φρουκτόζης σε α-υδρόξυ-κετόνη. Η σουκρόζη είναι λοιπόν ένα µη ανάγων σάκχαρο και δεν δίνει θετική αντίδραση Benedict. Η σουκρόζη µπορεί να δώσει εµµέσως θετική αντίδραση Benedict εάν θερµανθεί σε αραιό υδροχλωρικό οξύ πριν την αντίδραση, παρόλο που µετά την αντίδραση δεν είναι πλέον σουκρόζη. Οι όξινες συνθήκες και η θέρµανση σπάνε τους γλυκοζιτικoύς δεσµούς παράγοντας γλυκόζη και φρουκτόζη που και τα δύο δίνουν θετική αντίδραση Benedict. Το άµυλο δεν αντιδρά ή αντιδρά πολύ λίγο µε το αντιδραστήριο Benedict λόγω της µικρής περιεκτικότητας σε ανάγοντα σάκχαρα που είναι στο τέλος της υδατανθρακικής αλυσίδας. 5.4.2 Εκτέλεση Αναµείξατε τα διαλύµατα όπως φαίνεται στον παρακάτω Πίνακα 5.2 και τοποθετείστε τους σωλήνες σε υδατόλουτρο των 100 C για 3 λεπτά. Πίνακας Αντιδράσεων 5.2 Αριθµός Διαλύµατα σακχάρων Αντιδραστήριο Παρατηρήσεις σωλήνα Benedict 1 1 ml 1% γλυκόζη 1 ml 2 1 ml 1% µαλτόζη 1 ml 3 1 ml 1% σακχαρόζη 1 ml 4 1 ml Η 2 0 1 ml Η παρακάτω εικόνα παρουσιάζει τα αναµενόµενα αποτελέσµατα από τις αντιδράσεις του πίνακα 5.2. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 39
Εικόνα 5.11 Πειραµατικά αποτελέσµατα της αντίδρασης Benedict Παρατηρήσεις Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 40
Πείραµα 3ον 5.5 Αντίδραση Barfoed (τροποποιηµένη κατά Tauber-Kleiner) (αναγωγικοί µονοσακχαρίτες) 5.5.1 Σκοπός πειράµατος Η αντίδραση αυτή είναι χαρακτηριστική για αναγωγικούς µονοσακχαρίτες. Σε συνθήκες παρατεταµένου βρασµού µπορεί να οδηγήσει σε υδρόλυση των δισακχαριτών. Η αντίδραση είναι θετική για αναγωγικούς µονοσακχαρίτες και αρνητική για δισακχαρίτες. Παρόλα αυτά δισακχαρίτες µπορεί να δώσουν θετική αντίδραση αλλά µε χαµηλή ταχύτητα. Οι αλδεϋδικές οµάδες των µονοσακχαριτών οι οποίες συνήθως δηµιουργούν κυκλικές ηµικετάλες οξειδώνονται σε καρβοξυλικές οµάδες. Θετική αντίδραση παράγει καστανέρυθρο ίζηµα υποξειδίου του χαλκού. Η αντίδραση ανακαλύφθηκε από τον Δανό χηµικό Christen Thomsen Barfoed και χρησιµοποιήθηκε για πρώτη φορά στη βοτανική επιστήµη. Το αντιδραστήριο Barfoed είναι υδατικό διάλυµα οξικού χαλκού και οξικού οξέος. Συγκεκριµένα συνίσταται από 0.33M διάλυµα οξικού χαλκού σε 1% διαλύµατος οξικού οξέος και πρέπει να χρησιµοποιήται σχετικά φρέσκο. Το αντιδραστήριο Barfoed σαν ασθενές οξύ ανάγεται µόνο από ανάγοντες µονοσακχαρίτες. Σχήµα 5.12 Χηµική αντίδραση Barfoed Εικόνα 5.13 Πειραµατικά αποτελέσµατα της αντίδρασης Barfoed Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 41
1 2 3 4 5 Βιοχηµεία 2013-2014 5.5.2 Εκτέλεση Αναµείξατε τα διαλύµατα όπως φαίνεται στον παρακάτω Πίνακα 5.3 και τοποθετείστε τους σωλήνες σε υδατόλουτρο των 100 C για 10 λεπτά. Πίνακας Αντιδράσεων 5.3 Αριθµός Διαλύµατα σακχάρων σωλήνα Αντιδραστήριο Παρατηρήσεις Barfoed 1 1 ml 1% γλυκόζη 1 ml 2 1 ml 1% ριβόζη 1 ml 3 1 ml 1% σακχαρόζη 1 ml 4 1 ml 1% µαλτόζη 1 ml 5 1 ml Η20 1 ml Η παρακάτω εικόνα παρουσιάζει τα αναµενόµενα αποτελέσµατα από τις αντιδράσεις του πίνακα 5.3. Παρατηρήσεις Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 42
Πείραµα 4ον 5.6 Αντίδραση Seliwanoff (κετοεξόζες) 5.6.1 Σκοπός πειράµατος Η αντίδραση αυτή είναι χαρακτηριστική για την διάκριση αλδοζών και κετοζών. Οι κετόζες διακρίνονται από τις αλδόζες µέσω των ιδιοτήτων κετονώναλδεϋδών. Η αντίδραση αυτή βασίζεται στο γεγονός ότι υπό θέρµανση οι κετόνες αφυδατώνονται γρηγορότερα από τις αλδεΰδες. Οι αφυδατωµένες κετόνες αντιδρούν µε ρεσορκινόλη και παράγουν ένα βαθύ βυσινή χρώµα. Οι αλδεύδες επίσης αντιδρούν ελαφρώς και παράγουν ένα αδρό µώβ χρώµα. Το αντιδραστήριο Seliwanoff είναι διάλυµα 0.5% ρεζορκινόλη σε 20% HCl. Παρουσία HCl οι κετοεξόζες αφυδατώνονται δίνοντας 5-υδροξυ-φουρφουράλη ή παράγωγά της. Τα προϊόντα αυτά συµπυκνώνονται µε τη ρεζορκινόλη και δίνουν ίζηµα από σύµπλοκα κόκκινου (deep red) χρώµατος εντός ολίγων λεπτών. Οι αλδοεξόζες αντιδρούν και δίνουν το ίδιο προϊόν αλλά µε χαµηλότερη ταχύτητα. Η σακχαρόζη µπορεί να δώσει θετική δοκιµασία λόγω της µερικής υδρόλυσής της σακχαρόζης σε γλυκόζη και φρουκτόζη. Άλλα σάκχαρα µπορεί επίσης να δώσουν θετική αντίδραση εάν παραµείνουν σε υψηλή θερµοκρασία για αρκετό χρόνο. Σε όξινες συνθήκες οι πολυσακχαρίτες και ολιγοσακχαρίτες διασπώνται σε απλά σάκχαρα. Η φρουκτόζη και η σουκρόζη είναι δύο κοινά σάκχαρα που δίνουν θετική αντίδραση. Η σουκρόζη δίνει θετική αντίδραση διότι αποτελείται από γλυκόζη και φρουκτόζη. Σχήµα 5.14 Χηµική αντίδραση Seliwanoff Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 43
Εικόνα 5.15 Πειραµατικά αποτελέσµατα της αντίδρασης Seliwanoff 5.6.2 Εκτέλεση Αναµείξατε τα διαλύµατα όπως φαίνεται στον παρακάτω Πίνακα 5.4 και τοποθετείστε τους σωλήνες σε υδατόλουτρο των 100 C µέχρι να αλλάξουν χρώµα. Συνήθως η αλλαγή του χρώµατος γίνεται σε µερικά λεπτά. Πίνακας Αντιδράσεων 5.4 Αριθµός Διαλύµατα Αντιδραστήριο Παρατηρήσεις σωλήνα σακχάρων Seliwanoff 1 2 σταγόνες φρουκτόζη 1 ml 2 2 σταγόνες µαλτόζη 1 ml 3 2 σταγόνες σακχαρόζη 1 ml 4 2 σταγόνες Η 2 0 1 ml Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 44
1 2 3 4 Βιοχηµεία 2013-2014 Πειραµατικά αποτελέσµατα της αντίδρασης Seliwanoff Παρατηρήσεις Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 45
Πείραµα 5ον 5.7 Αντίδραση Bial 5.7.1 Σκοπός πειράµατος Η αντίδραση αυτή είναι χαρακτηριστική για πεντόζες (πχ. ριβόζη) και εξόζες (πχ. γλυκόζη). Παρουσία πυκνού HCl και µε θέρµανση οι πεντόζες αφυδατώνονται δίνοντας φουρφουράλη η οποία αντιδρά µε ορκινόλη παρουσία FeCl 3 και σχηµατίζει έγχρωµο σύµπλοκο. Οι πεντόζες ή νουκλεοτίδια που περιέχουν πεντόζες σχηµατίζουν έγχρωµο σύµπλοκο µπλέ-πρασίνου χρώµατος. Κριτήριο για την παρουσία πεντοζών είναι η παρουσία έστω και ελάχιστου χρώµατος µπλέ (αναµεµειγµένο µε πράσινο), υπό τις παραπάνω συνθήκες. Οι εξόζες σχηµατίζουν σύµπλοκο κιτρινο-πράσινου χρώµατος και οι δισακχαρίτες σύµπλοκα κίτρινου χρώµατος, υπό τις παραπάνω συνθήκες. Αντιδραστήριο Bial: Αναµείξατε 1ml διαλύµατος 0.1% ορκινόλη µε µια σταγόνα διαλύµατος 3% FeCl 3. 5.7.2 Εκτέλεση Αναµείξατε τα διαλύµατα όπως φαίνεται στον παρακάτω Πίνακα 5.5 και τοποθετείστε τους σωλήνες σε υδατόλουτρο των 100 C. Πίνακας Αντιδράσεων 5.5 Αριθµός Διαλύµατα Αντιδραστήριο Παρατηρήσεις σωλήνα σακχάρων Bial 1 3 σταγόνες 1% γλυκόζη 2 3 σταγόνες 1% ριβόζη 3 3 σταγόνες 1% σακχαρόζη 1 ml 0.1% ορκινόλη + 1 σταγόνα FeCl 3 1 ml 0.1% ορκινόλη + 1 σταγόνα FeCl 3 1 ml 0.1% ορκινόλη + 1 σταγόνα FeCl 3 4 Η 2 0 1 ml 0.1% ορκινόλη + 1 σταγόνα FeCl 3 Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 46
1 2 3 4 Εικόνα 5.17 Πειραµατικά αποτελέσµατα της αντίδρασης Bial Παρατηρήσεις Πείραµα 6ον 5.8 Υδρόλυση αµύλου µε HCl 5.8.1 Σκοπός πειράµατος Οι πολυσακχαρίτες µπορούν να υδρολυθούν χηµικά µε πυκνά οξέα, όπως πυκνό HCl και σε υψηλές θερµοκρασίες. Το πείραµα αυτό έχει σκοπό να δείξει το είδος των προϊόντων της χηµικής υδρόλυσης αµύλου σε διάφορα χρονικά διαστήµατα. 5.8.2 Εκτέλεση 1% διάλυµα αµύλου θα σας προµηθευτεί από τον υπεύθυνο της άσκησης Σε ένα δοκιµαστικό σωλήνα παραλάβετε 10 ml διαλύµατος 1% αµύλου και προσθέσατε 10 σταγόνες πυκνού HCl. Αναδεύσατε το εναιώρηµα µε τη βοήθεια σπάτουλας που είναι δίπλα στον απαγωγό. Τοποθετείστε τον σωλήνα σε ένα υδατόλουτρο που βράζει. Παραλάβετε δείγµατα στους χρόνους και τις ποσότητες και εκτελέσατε τις αντιδράσεις όπως αναγράφονται στους Πίνακες 5.6 και 5.7. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 47
Πίνακας Αντιδράσεων 5.6 Αριθµός Όγκος Χρόνος Αντιδραστήριο Παρατηρήσεις σωλήνα δείγµατ ος υδρόλυσης αµύλου (min) Benedict 1 1 ml 5 1 ml 2 1 ml 10 1 ml 3 1 ml 20 1 ml 4 1 ml 30 1 ml Παρατηρήσεις Πίνακας Αντιδράσεων 5.7 Αριθµός Όγκος Χρόνος Υδρόλυσης Αντιδραστήριο Παρατηρήσεις σωλήνα δείγµατος (min) Barfoed 1 1 ml 5 1 ml 2 1 ml 10 1 ml 3 1 ml 20 1 ml 4 1 ml 30 1 ml Παρατηρήσεις Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 48
Γενική επισκόπηση των ποιοτικών αντιδράσεων σακχάρων Molish Benedict Barfoed Seliwanoff Bial Ριβόζη µώβ- Κόκκινο Κόκκινο - Μπλέ- κόκκινο ίζηµα ίζηµα πράσινο Φρουκτόζη µώβ- Κόκκινο Κόκκινο Κόκκινο Κίτρινο- κόκκινο ίζηµα ίζηµα πράσινο Γλυκόζη µώβ- Κόκκινο Κόκκινο - Κίτρινο- κόκκινο ίζηµα ίζηµα πράσινο Σουκρόζη µώβκόκκινο - - Κόκκινο Κίτρινο Μαλτόζη µώβ- Κόκκινο - - Κίτρινο κόκκινο ίζηµα Πείραµα 7ον 5.9. Προσδιορισµός αγνώστου διαλύµατος σακχάρων 5.9.1 Σκοπός πειράµατος Ο σκοπός του πειράµατος αυτού είναι να χρησιµοποιηθούν οι παραπάνω αντιδράσεις σακχάρων για τον ποιοτικό προσδιορισµό δείγµατος σακχάρου που βρίσκεται στη θέση εργασία σας. 5.9.2 Εκτέλεση Η εκτέλεση των πειραµάτων θα γίνει βάσει των προηγουµένων συνθηκών στα πειράµατα 1-5 (εάν είναι απαραίτητο) και συµπληρώστε τις παρατηρήσεις σας. Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 49
Αντίδραση Αποτέλεσµα Συµπέρασµα Molish Benedict Barfoed Seliwanoff Bial 5.9.3 Τελικό αποτέλεσµα και αιτιολόγηση Καθηγητής Δρ, Κ. Ε. Βοργιάς 50