SACHARIDY (CUKRY) (I.)

SACHARIDY (CUKRY) (I.)

SACHARIDY Klasifikácia a-d-glukóza Sacharóza (1,4-a-Glu-b-Fru) Rafinóza (a-1,6;a-1,4-gal-glu-fru) Glykogén (~30 000 Glu) 2 2

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

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

MNSACHARIDY Gastromolekuly Väčšina monosacharidov má sladkú chuť, pričom fruktóza je o ~70% sladšia ako sacharóza. Napriek značnej mólovej hmotnosti sú vďaka hydrofilným - skupinám extrémne rozpustné vo vode. Napríklad glukóza vytvára hustý sirup, nakoľko jej rozpustnosť vo vode je až 1 g/ml. Lungduname 220 000x sladší ako sacharóza 5

MNSACHARIDY Štruktúra a stereochémia Fischerova projekcia: C navrchu a CH 2 naspodu vertikálne väzby smerujú dozadu horizontálne väzby dopredu vľavo (L)-konfigurácia vpravo (D)-konfigurácia Príslušnosť k D/L-radu cukrov sa následne určuje podľa konfigurácie posledného stereogénneho uhlíka. (S)-(-)-Glyceraldehyde (R)-(+)-Glyceraldehyde Hermann Emil Fischer (1852-1919) Nobelova cena 1902 6

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

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

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

Sacharidy Štruktúra Mutarotácia D-glukózy Mutarotácia je zmena optickej otáčavosti meranej zlúčeniny v roztoku v priebehu času. a- a b-anoméry D-glukózy sú diastereoizomérmi a majú rôzne fyzikálne vlastnosti (b.t., [a]). Vodné roztoky oboch čistých anomérov majú rôzne hodnoty optickej otáčavosti, počas 24 hodín však dôjde vďaka mutarotácii k ustáleniu rovnováhy s príslušnou konštantou [a] D. Napriek mizivej rovnovážnej koncentrácii je acyklická forma kľúčová z hľadiska transformácie. a-d-glukopyranóza (kryštalizovaná z Et) b.t.=146 C, [a] D +112.2 H H H H H 2 Finálna optická otáčavosť: [a] D +52.5 H H H H 2 b-d-glukopyranóza (kryšt. z Et/H 2 ) b.t.=148-155 C, [a] D +18.7 13 C NMR Acyklická a-pyranóza b-pyranóza a-furanóza b-furanóza 0.0045% 38.8% 60.9% 0.14% 0.15% 10

Monosacharidy Štruktúra Formy D-fruktózy Analogicky ako u glukózy, hemiketalizácia otvorenej formy D-fruktózy poskytne cyklické produkty. 5-Článkové poloketály sa nazývajú D-fruktofuranózy a 6-článkové sa nazývajú D-fruktopyranózy. Mutarotácia D-fruktózy je rýchla, majoritnými rovnovážnymi formami sú b-fruktopyranóza a furanóza. a-d-fructopyranose (2.7%) (0.5%) (6.2%) b-d-fructopyranose (68.2%) Sir Walter Norman Haworth (1883-1950) University of Birmingham Nobelova cena 1937 (cukry a vitamín C) b-d-fructofuranose (22.4%) 11

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

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

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

Sacharidy Štruktúra Cyklické formy a-d-hexóz (Nomenklatúra IUPAC: http://www.chem.qmul.ac.uk/iupac/2carb/) Furanózy: Allofuranóza Altrofuranóza Glukofuranóza Manofuranóza Gulofuranóza Idofuranóza Galaktofuranóza Talofuranóza Pyranózy: Allopyranóza Altropyranóza Glukopyranóza Manopyranóza Gulopyranóza Idopyranóza Galaktopyranóza Talopyranóza 15

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

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

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

Reakcie monosacharidov Príprava -glykozidov (acetálov) Všeobecný mechanizmus 19

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

Reakcie monosacharidov Príprava N-glykozidov Amadori Nukleofilná adícia amínov na cukry poskytuje hemiaminály, ktorých dehydratáciou vznikajú N-acetály. Glykozylamíny podliehajú kyslo-katalyzovanému Amadoriho prešmyku za vzniku 1-amino-1-deoxyketóz. V prípade reakcie aminokyselín a sacharidov ide o prvý stupeň Maillardovej reakcie, ktorej finálne heterocyklické produkty sú zodpovedné za charakteristickú farbu a chuť tepelne spracovaných potravín. D-manóza hemiaminál imín N-glykozid N-glykozid imín Louis Camille Maillard (1878-1936) University of Paris 1-Amino-1-deoxy-2-ketohexóza (Amadoriho produkt) énaminol 21

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

Sinigrín & Sulforafanín Chemopreventívne tioglykozidy sulforafanine 23