Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

2011.okt.5.. Szénhidrátkémia – Glikokémia – Glikobiológia Pintér István Szerkezeti Kémia és Biológia Laboratórium GLYCOSCIENCE 2011.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "2011.okt.5.. Szénhidrátkémia – Glikokémia – Glikobiológia Pintér István Szerkezeti Kémia és Biológia Laboratórium GLYCOSCIENCE 2011."— Előadás másolata:

1 2011.okt.5.

2 Szénhidrátkémia – Glikokémia – Glikobiológia Pintér István Szerkezeti Kémia és Biológia Laboratórium GLYCOSCIENCE 2011

3 Hermann Emil Fischer ( ) München-Erlangen-Würzburg-Berlin Így kezdődött… Zemplén Géza ( ) Berlin ( ) – Budapest ( ) cukorkémia Magyarországon (Kossuth díj 1948) Egyszerű és összetett cukrok szerkezete és kémiai sajátságai Szénhidrátkémia GLYCOSCIENCE 2011 Szénhidrátok és proteinek mint a biológiában két igen fontos vegyületcsoport (Nobel díj 1902) Cukorkémia

4 Kémia: Szénhidrátkémia - Cukorkémia CUKOR kristálycukor kockacukor mokkacukor porcukor kandiszcukor süvegcukor répacukor nádcukor Kémiailag azonos vegyület SZACCHARÓZ (sucrose) (összetett cukor) GLÜKÓZ szőlőcukor FRUKTÓZ gyümölcscukor (egyszer ű cukor) GLYCOSCIENCE 2011

5 GLÜKÓZ szőlőcukor Sz1 Sz2 Sz5 Sz4 Sz3 aa aa b bb bb a c c c c c T 1a T 1b T 1c T 3a T 3b T 3c T 2c T 2b T 2a T 5a T 5b T 5c T 4a T 4b T 4c Sz: szerkezet T: termék a,b,c: reagensek 1 vegyület 5 szerkezet + 3 reagens 5x3 = 15 különböző termék Sz1 ≠ Sz2 ≠ Sz3 ≠ Sz4 ≠ Sz5 GLYCOSCIENCE 2011

6 Glükóz elemi (C H O) összetételét megmérve az eredmény: C 6 H 12 O 6 = C 6 (H 2 O) 6 látszatra: 6 atom szén + 6 molekula víz A formaldehid összetétele: H 2 C=O C(H 2 O) paraformaldehid oligomer: H 2n C n O n C n (H 2 O) n GLYCOSCIENCE 2011 Genetikai kapcsolat bázis Bizonyíték: formóz -reakció: n H 2 C=O monoszacharidok keveréke A. Butlerov és E. Fischer

7 D-Glükóz módosulatai 1. Kristályosítás etanolból: színtelen kristályok, olvadáspont (op): 146°C (  ) 2. Kristályosítás jégecetből: színtelen kristályok, olvadáspont (op): 155°C (  ) fajlagos optikai forgatóképesség [  ] D : +112,2 (víz) fajlagos optikai forgatóképesség [  ] D : +18,7 (víz) Fischer Fischer: 1) mi a magyarázat? 2) hogyan lehet megjeleníteni a vegyületet? GLYCOSCIENCE 2011

8 Aldohexóz térszerkezete: 4 kiralitáscentrum C-atom 16 sztereoizomer (2 4 ) n kiralitáscentrum C-atom 2 n sztereoizomer GLYCOSCIENCE 2011

9 Aldohexóz térszerkezete: 4 kiralitáscentrum C-atom 16 sztereoizomer (2 4 ) n kiralitáscentrum C-atom 2 n sztereoizomer GLYCOSCIENCE 2011 Melyik a glükóz?

10 tükörsík Glicerinaldehid térszerkezete Aldotrióz Fischer projekció: a molekulát sikba vetítve a szénlánc függőleges, a többi szubsztituens vízszintes D- L- Királis molekula: Nem azonos a saját tükörképével! D-(+)- L-(-)- 1 kiralitáscentrum C-atom2 sztereoizomer (2 1 ) Több királis centrum: Fischer konvenció: D-konfiguráció, ha a legutolsó királis szénatom HO- szubsztituense jobbra áll GLYCOSCIENCE 2011

11 Aldohexóz térszerkezete: 4 kiralitáscentrum C-atom 16 sztereoizomer (2 4 ) n kiralitáscentrum C-atom 2 n sztereoizomer GLYCOSCIENCE 2011 Melyik a glükóz? D- L-

12 Aldohexóz térszerkezete: 4 kiralitáscentrum C-atom 16 sztereoizomer (2 4 ) D- L- allóz altróz glükóz mannóz gulóz idóz galaktóz talóz n kiralitáscentrum C-atom 2 n sztereoizomer GLYCOSCIENCE 2011 Epimer: C-2 atomon ellentétes állású HO-csoportok

13 D-Glükóz módosulatai 1. Kristályosítás etanolból: színtelen kristályok, olvadáspont (op): 146°C (  ) 2. Kristályosítás jégecetből: színtelen kristályok, olvadáspont (op): 155°C (  ) Kristálydimorfizmus? fajlagos optikai forgatóképesség [  ] D : +112,2 (víz) fajlagos optikai forgatóképesség [  ] D : +18,7 (víz) Diasztereomerek Nem D- és L- antipódok Fischer Hogyan? GLYCOSCIENCE 2011

14 Reakció: aldehid + alkohol Intramolekulás reakció: Intermolekulás reakció Aldehid-felacetál Egyszerűsített Fischer képlet 1,2-félacetál1,3-félacetál 1,5-félacetál D-glükóz 1,4-félacetál GLYCOSCIENCE 2011

15 Reakció: aldehid + alkohol Intramolekulás reakció: Intermolekulás reakció tetrahidrofurán tetrahidropirán ≡ Aldehid-felacetál Egyszerűsített Haworth képlet Egyszerűsített Fischer képlet 1,2-félacetál1,3-félacetál 1,4-félacetál1,5-félacetál ≡ D-glükóz D-glükopiranóz D-glükofuranóz GLYCOSCIENCE 2011

16 D-glükopiranózD-glükofuranóz Új kiralitáscentrum: C-1 két új sztereoizomer: konfigurációs izomerek Egyszerűsített Haworth képlet Egyszerűsített Fischer képlet anomer C-1: anomer C-atom  -D- glükopiranóz  -D- glükopiranóz  -D- glükofuranóz  -D- glükofuranóz GLYCOSCIENCE 2011

17 Teterahidropirán gyűrű térszerkezete 120° 109,5° Tetrahidropirán szék- (chair) forma Nem egyetlen lépés! pszeudorotáció axiális (a) ekvatoriális (e) GLYCOSCIENCE 2011

18  D-Glükopiranóz konformációs állapotai Reeves képlet: megjeleníti a konformációs különbségeket is! Haworth képlet: konfigurációs különbségek  -D-glükopiranóz 4 C 1 szék konformáció  -D-glükopiranóz 1 C 4 szék konformáció ≡ == ? Hasonlóan az összes monoszacharidnál  -D-glükopiranóz 1,4 B (kád) konformáció új családfák GLYCOSCIENCE

19 D-Aldózok családfája (nyíltláncú forma): D-glicerinaldehid D-eritróz D-treóz D-ribóz D-arabinóz D-xilóz D-lixóz D-allóz D-altróz D-glükóz D-mannóz D-gulóz D-idóz D-galaktóz D-talóz Egyszerűsített Fischer képlet GLYCOSCIENCE 2011

20 D-Ketózok családfája (nyíltláncú forma): D-glicero-tetrulóz D-ribulóz D-xilulóz D-pszikóz D-fruktóz D-szorbóz D-tagatóz Egyszerűsített Fischer képlet Threo-pentulózEritro-pentulóz GLYCOSCIENCE 2011

21  -D-Aldofuranózok családfája: (Minimum 4 C-atom)  -D-eritrofuranóz  -D-treofuranóz  -D-ribofuranóz  -D-arabinofuranóz  -D-xilofuranóz  -D-lixofuranóz  -D-allo- furanóz  -D-altro- furanóz  -D-glüko- furanóz  -D-manno- furanóz  -D-gulo- furanóz  -D-ido- furanóz  -D-galakto- furanóz  -D-talo- furanóz Egyszerűsített Haworth képlet GLYCOSCIENCE 2011

22  -D-Ketofuranózok családfája: (Minimum 5 C-atom)  -D-ribulofuranóz  -D-xilulofuranóz  -D-pszikofuranóz  -D-fruktofuranóz  -D-szorbofuranóz  -D-tagatofuranóz Egyszerűsített Haworth képlet GLYCOSCIENCE 2011

23  -D-Aldopiranózok családfája: (Minimum 5 C-atom)  -D-Aldopiranózok családfája: (Minimum 5 C-atom)  -D-ribopiranóz  -D-arabinopiranóz  -D-xilopiranóz  -D-lixopiranóz  -D-allo- piranóz  -D-altro- piranóz  -D-glüko- piranóz  -D-manno- piranóz  -D-gulo- piranóz  -D-ido- piranóz  -D-galakto- piranóz  -D-talo- piranóz Egyszerűsített Haworth képlet GLYCOSCIENCE 2011

24  -D-Ketopiranózok családfája: (Minimum 6 C-atom)  -D-pszikopiranóz  -D-fruktopiranóz  -D-szorbopiranóz  -D-tagatopiranóz Egyszerűsített Haworth képlet GLYCOSCIENCE 2011

25  D-Aldopiranózok 4 C 1 konformációs képletei:  -D-ribopiranóz  -D-arabinopiranóz  -D-xilopiranóz  -D-lixopiranóz  -D-allopiranóz  -D-altropiranóz  -D-glükopiranóz  -D-mannopiranóz  -D-gulopiranóz  -D-idopiranóz  -D-galaktopiranóz  -D-talopiranóz Egyszerűsített Reeves képlet GLYCOSCIENCE 2011

26  L-Aldopiranózok 1 C 4 konformációs képletei: Egyszerűsített Reeves képlet Házi feladat GLYCOSCIENCE 2011

27  -D-Ketopiranózok családfája ( 4 C 1 konformáció):  -D-pszikopiranóz  -D-fruktopiranóz  -D-szorbopiranóz  -D-tagatopiranóz Egyszerűsített Reeves képlet GLYCOSCIENCE 2011

28 D-Glükóz módosulatai 1. Kristályosítás etanolból: színtelen kristályok, olvadáspont (op): 146°C (  ) 2. Kristályosítás jégecetből: színtelen kristályok, olvadáspont (op): 155°C (  ) al-D-glükóz Kristálydimorfizmus? fajlagos optikai forgatóképesség [  ] D : +112,2 (víz) fajlagos optikai forgatóképesség [  ] D : +18,7 (víz) Diasztereomerek Nem D- és L- antipódok  -D-glükopiranóz  -D-glükopiranóz  -D-glükofuranóz  -D-glükofuranóz Melyik kettő az öt szerkezet közül? Fischer GLYCOSCIENCE 2011

29 al-D-glükóz  -D-glükopiranóz 4 C 1  -D-glükopiranóz 4 C 1  -D-glükofuranóz  -D-glükofuranóz D-Glükóz konfigurációs és konformációs egyensúlyai vizes oldatban  -D-glükopiranóz 1 C 4  -D-glükopiranóz 1 C 4 Melyik szerkezet van a legnagyobb arányban – azaz melyik a legstabilabb? Mi szabja meg?A molekula összenergiája: stabilizáló és destabilizáló effektusok eredője GLYCOSCIENCE 2011

30 D-glükóz al-D-glükóz GLYCOSCIENCE 2011

31  -D-glükopiranóz 4 C 1  -D-glükopiranóz 4 C 1  -D-glükopiranóz 1 C 4  -D-glükopiranóz 1 C 4 D-Glükopiranóz konfigurációs és konformációs egyensúlyai Fischer  -D-glükóz  -D-glükóz konform. konfig. konform. GLYCOSCIENCE 2011

32 Bizonyítás: miért a  -D-glükopiranóz 4 C 1 konformáció a legstabilabb? Egyszerűsített Reeves képlet Házi feladat GLYCOSCIENCE 2011

33 D-Glükopiranóz konfigurációs egyensúlya vizes oldatban  -D-glükopiranóz 4 C 1  -D-glükopiranóz 4 C 1 36% 64% Számított energiakülönbség 0,90 kcal / mol Mért energiakülönbség 0,55 kcal / mol  0,35 kcal / mol Anomer effektus:az anomer C-atom elektronszívó szubsztituense axiális állásának preferenciája Elektronszívó szubsztituensek: CH 3 O, Cl, Br, CH 3 COO… Lemieux axiális nem  GLYCOSCIENCE 2011

34 Anomer effektus 99% 1% Kritika: kérdéses, hogy a szubsztituens effektusának tulajdonítható? Kivétel A pozitív N-atom erős elektronszívó!2-2 axiális állású szubsztituens!ekvatoriális preferencia Inverz (reverse) anomer effektus 67% 33% GLYCOSCIENCE 2011

35 Anomer effektus értelmezése Különböző elméleti megközelítések: MO (molekulapálya elméleti) – pályaszimmetria elv n  átmenet szimmetria megengedett GLYCOSCIENCE 2011

36 Nevezéktanok kapcsolata D- L- Glicerinaldehid Fischer: D- és L- Cahn-Ingold-Prelog: R- és S- a) prioritási sorrend: O > N > C > H; -COOH > -HCO > CH 2 OH > CH 3 ; konvenció b) körüljárás iránya („volánszabály”): jobbforgású (R rectus) balforgású (S sinister) R- S- Több királis C-atom: minden egyes centrumra külön meghatározni! GLYCOSCIENCE 2011

37 D-Glükóz A szénhidrákémia megtartotta a tradicionális nevezéktanát: (R)(R) (R)(R) (R)(R) (S)(S) 2R,3S,4R,5R-2,3,4,5,6-pentahidroxi-hexanal Csak erre az esetre: szubsztituens változtatás megfordíthatja a konfigurációt! L-arabino-D-glüko-D-manno- pentahidroxi-hexanal tetrahidroxi-pentanal GLYCOSCIENCE 2011

38 Mit tekintsünk általános reakciónak? Különböző molekulák azonos funkciójának átalakítása azonos reagenssel, azonos körülmények között adott vegyületcsoporton belül ugyanolyan eredményre vezet. Szénhidrátok általános reakciói: Vannak? Nincsenek? Szénhidrátok reakciói Monoszacharidok reakciói Szénhidrátok reakciói Monoszacharidok reakciói A monoszacharid molekulák reakciókészségét meghatározzák: áló csoportok – funkciók 2. Sztérikus effektusok 3. Reakció reagens, katalizreakcióközeg, hőfok, stb. 1. Reagáló csoportok – funkciók 2. Sztérikus effektusok 3. Reakciókörülmények: reagens, katalizátor, reakcióközeg, hőfok, stb. GLYCOSCIENCE 2011

39 aldehid keton aldóz ketóz primer szekunder félacetál és analógjaik: SH, NH 2 ók: nem anomer C-atomok c) C-H funkciók: nem anomer C-atomok 1. Monoszacharidok ró csoportjai – funkciói 1. Monoszacharidok reagáló csoportjai – funkciói a) karbonil-csoportok – anomer C-atom : b) hidroxi-csoportok: GLYCOSCIENCE 2011

40 Anomer C-atomok reakciói: elektrofil centrum Reakciópartnerek: nukleofilek a) O-nukleofilek → acetálok, glikozidok b) S-nukleofilek → tioacetálok, tioglikozidok c) N-nukleofilek → glikozilaminok, iminek d) C-nukleofilek → C-glikozidok, aldolok e) Hlg-nukleofilek → glikozil-halogenidek f) H-nukleofilek → cukoralkoholok GLYCOSCIENCE 2011

41 al-D-glükóz  -D-glükopiranóz 4 C 1  -D-glükopiranóz 4 C 1  -D-glükofuranóz  -D-glükofuranóz  -D-glükopiranóz 1 C 4  -D-glükopiranóz 1 C 4 Glükóz + H 2 O (vizes oldat): H 2 O amfoter partner: proton donor és proton akceptor: H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH - „láthatatlan reakció” Mikor látható? H2OH2O H2OH2O H2OH2OH2OH2O H2OH2O H2OH2OH2OH2O H2OH2OH2OH2O H2OH2O GLYCOSCIENCE 2011

42 látható reakció a) Izotóp jelzés: 18 O b) Optikai forgatás: [  ] D : +112,2 [  ] D : +18,7 ? [  ] D : +52,7 (egyensúly) Mutarotáció H2OH2OH2OH2O GLYCOSCIENCE 2011

43 Reakciók O-nukleofilekkel: acetálok, glikozidok 1. Acetálok félacetálacetál GLYCOSCIENCE 2011

44 Reakciók O-nukleofilekkel: acetálok, glikozidok 1. Acetálok 2. Glikozidok (monociklusos acetálok) félacetálos OH helyettesítése Fischer glikozilezés: CH 3 -glikozidok aglikon 0,6%0,9% 66%32,5% félacetálacetál Nem O-H O-CH 3 hanem OH OCH 3 !!! GLYCOSCIENCE 2011

45 Xilóz glikozilezése (Fischer): HCl (0,5%) / MeOH; 25°C kinetikai kontrolltermodinamikai kontroll GLYCOSCIENCE 2011

46 Fischer glikozilezés: Metil-D-glikozidok egyensúlyi elegyei (%) metanolban Monoszacharid  -Fur  -Fur Furanozidok  -Pir  -Pir Piranozidok Ribóz Arabinóz O-Me-Arabinóz O-Me-Arabinóz5149 2,3-O-Me 2 -arabinóz7525 Xilóz Lixóz Glükóz0,60,91,56632,598,5 Mannóz0,70 945,399,3 Galaktóz GLYCOSCIENCE 2011

47 Termodinamikai stabilitás - szerkezet      <> RibofuranozidArabinofuranozid 2,3-O-Me 2 -  -arabinopiranozid2,3-O-Me 2 -  -arabinofuranozid < <<  -Galaktofuranozid  -Mannofuranozid < GLYCOSCIENCE 2011

48 Monoszacharidok kölcsönös reakciói Intermolekulás reakció 1,6’- 1,1’-  - 1,2’- 1,1’-  - 1,3’- 1,4’- Diszacharidok: 2 monoszacharid Triszacharidok: 3 monoszacharid Oligoszacharidok: <10 monoszacharidPoliszacharidok: >10 monoszacharid Formális reakciók: a valóságban bonyolultabb! A kapcsolódási variációk és szerkezetek száma: ∞ A partner lehet más piranóz, pl vagy furanóz, pl C GLYCOSCIENCE 2011

49 Reakciók S-nukleofilekkel: tioacetálok, tioglikozidok H 2 S → R-SH R: alkil (tioalkoholok, merkaptánok), aril (tiofenolok) R-SH Tioacetálok Glükóz-dietil- ditioacetál Penta-O-acetil- al-glükóz Oka: S (nukleofilitás ) >> O (nukleofilitás ) S atom >> O atom >> S (elektronegativitás) < O (elektronegativitás) Stabilis al-forma GLYCOSCIENCE 2011

50 Glükóz-dietil-ditioacetál Reakciók S-nukleofilekkel Tioglikozidok (reaktív intermedierek) (  +  )-etiltio-glükopiranozid E+X-E+X- E+X-E+X- RY (  +  )-etiltio-glükofuranozid jó kilépő csoport GLYCOSCIENCE 2011

51 Reakciók N-nukleofilekkel: glikozilaminok, iminek NH 3 → R-NH 2 → R 1 R 2 NH R: alkil, aril, aralkil, heterociklusos, aminosav; heteroatom (O, N) [hev] 1. Glikozilaminok = N-glikozidok 2. Oximok védett al-D-mannóz N-fenil-  -glükozilamin N-fenil-  -glükozilamin mannóz Termodinamikai stabilitás: sztérikus, anomer effektus RYR’CHO védett al-mannóz-oxim glükóz H2NOHH2NOH al-mannóz-oxim Stabilis al-forma GLYCOSCIENCE 2011

52 Reakciók C-nukleofilekkel: szénlánchosszabbítás, C-glikozidok, aldol származékok C-nukleofilek: C-anion vagy negatív polározottságú C-atom ? C-atom, amelyről könnyen hasad le pozitív ion, pl. H + vagy Kat + X, Z: elektronvonzó szubsztituensek (C≡N, NO 2, COOR…) [Hlg] B: H, OH, OCH 3, OC(CH 3 ) 3 ; Q: Na, K, etc R: H, alkil, aril, etc a) cianid anion: C≡N - c) Grignard reagens: R-CH 2 -Mg-Br b) nitrometán: CH 3 NO 2 C-nukleofilek d) karbidok: Ca 2+ (C≡CH) - 2 (Ca-acetilid (karbid-, acetilén lámpa) alkalmasak a monoszacharid szénláncának a meghosszabbítására 1. Példa: formóz reakció formaldehid anion GLYCOSCIENCE 2011

53 Reakciók C-nukleofilekkel: Eredmény: 1) szénlánc (1+R’C) növelése 2) nincs új királis C-atom ! -- de sztereoszelektív reakció! f) (aktivált anomer C-atom) C-glikozidok R = H, védőcsoport X = O, S, N, ill. C Glikozidok R = H, védőcsoport X = O, S, N, ill. C R = védőcsoport L = jó kilépő csoport (leaving group) (erős negatív polározottság, pl. Hlg, TsO, TfO…) R’ = alkil, aril, heteroaril… Q = aktiváló csoport: Li, MgBr… Alkalmazás: a) totálszintézis: természetes molekulák alkotóelemeiként, b) biológiai folyamatok modellezése + GLYCOSCIENCE 2011

54 Reakciók Hlg-nukleofilekkel: glikozil-halogenidek Hlg-nukleofilek: HF, HCl, HBr, HI anionjai brómhidrin: nem stabilis tetra-O-acetil-  -mannozil-bromid acetobróm-mannóz Reaktív intermedier  -anomer → anomer effektus Nu penta-O-acetil-mannóz mannóz GLYCOSCIENCE 2011

55 primer szekunder félacetál Hidroxi-csoportok: HO-csoportok reakciói: Szabad cukor Védett = szubsztituált cukor Teljesen védett azonos szubsztituensek: R=R’=R’’ Parciálisan védett különböző szubsztituensek: R ≠ R’ ≠ R’’ Védelem Szubsztituens átmeneti eltávolítható végleges stabil Cél: regioszelektív és sztereoszelektív átalakítások védőcsoport stratégia GLYCOSCIENCE 2011

56 A szubsztitúció fajtái: 1. Észterek - acilezés 2. Éterek - alkilezés 3. Acetálok - karbonil-reakció HO-csoportok reakciói: 1. Észterek: savakkal képezett származékok: a) karboxilátok : i) formiátok: X=H; formil: HCO- ii) acetátok: X=CH 3 ; acetil: CH 3 CO-; trifluoracetil: CF 3 CO- iii) benzoátok: X= Z : H, Cl, NO 2, CH 3 O b) szulfonátok, szulfátok: RSO 2 - (X=R), -SO 2 - (X=OH) c) foszfátok: (RO) 2 PO- Élettani jelentőség: biológiai aktiválás d) egyéb: karbonátok, borátok, szulfitok, stb. R = cukorrész GLYCOSCIENCE 2011

57 A/ B/ A/ C/ B/ C/ A/ Ac 2 O + piridin 20 ° C B/ Ac 2 O + sav (H +, Lewis) ° C C/ Ac 2 O + NaOAc ° C Kinetikus kontroll Termodinamikus kontroll Anomerizáció Glükóz penta-O-acetil- al-glükóz  -glükózpenta-O-acetil-  -glükopiranóz  -glükózpenta-O-acetil-  -glükopiranóz HO-csoportok reakciói: Észterek: a)ii) acetát – regens: Ac 2 O, AcCl; katalizátor: piridin, NaOAc; H + -sav, Lewis sav (nem szelektív) GLYCOSCIENCE 2011

58 1. Intramolekulás átalakulások: nem lép új szubsztituens a molekulába a) epoxidok, b) telítetlen monoszacharidok 2. Intermolekulás átalakulások: új szubsztituens lép a molekulába nukleofil szubsztituciók - O-nukleofil: észtercsere - S-nukleofil: tio-dezoxi-monoszacharid – tiocukrok, tiacukrok - N-nukleofil: amino-dezoxi-monoszachaharid – aminocukrok, azacukrok - Hlg-nukleofil: halo-dezoxi-monoszacharid – halocukrok - C-nukleofil: elágazó monoszacharid – carbacukrok - H-nukleofil: dezoxi-monoszacharid 3. Komplex átalakulások: a) oxidációk: ulózok, uronsavak, cukorsavak (aldársavak) b) degradációk: savas, bázisos, oxidatív lebontások c) átrendeződések: intramolekulás átalakulások szomszédcsoport részvétel Nem anomer C-atomok reakciói: Eredmény: módosított monoszacharidokSzintézis intermedierek GLYCOSCIENCE 2011

59 Nem anomer C-atomok reakciói: 2. Nukleofil szubsztituciók: N-nukleofil intramolekulásan → aza-monoszacharid (azacukrok) : -C-NH-C- NaN 3 DMF H 2 / Pd CH 3 OH 5-O-tozil-xilofuranóz 5-azido-5-dezoxi-xilofuranóz 5-aza-xilopiranóz Nojirimicin analógok - piperidinóz Nojirimicin –- 5-aza-glükopiranóz piperidin Fontos természetes képviselő N (nukleofilitás ) > O (nukleofilitás ) HO-piperidin reakciók N-heterociklusok GLYCOSCIENCE 2011

60 Nem anomer C-atomok reakciói: 2) Nukleofil szubsztituciók Természetes analogok: ciklitol - inositol: hexahidroxi-ciklohexán 2,3,4,6-tetra-O-benzil- Grignard származék 2,3,4,5-tetra-O-benzil-1R(S),2R,3S,4R,5S- 6-dezoxi- 6-jód-al-D-glükóz pentahidroxiciklohexán Mg Et 2 O O2O2 Pt 2,4,6/3,5-pentahidroxi- ciklohexanon Ox. Inoszóz – pentahidroxiciklohexanon A ”legközönségesebb” inoszóz C-nukleofil intramolekulásan → carba-cukrok (alkoholok) -O- → -CH 2 - Nem acetálos OH ! GLYCOSCIENCE 2011

61 Nem anomer C-atomok reakciói: 3) komplex átalakulások C) Átrendeződések-3 : Amadori átrendeződés: aldozilamin 1-amino-1-dezoxi-ketóz D-glükóz1-arilamino-1-dezoxi-D-fruktóz Által ános primer aminokkal aminosavakkal Maillard reakció D-glükoziliminenamin forma NHAr marad a C-1 atomon! GLYCOSCIENCE 2011

62 Nem anomer C-atomok reakciói: 3) komplex átalakulások C) Átrendeződések-5 : Maillard reakció + - CO 2 ”fructóz-aminosav” (Amadori termék) Strecker aldehid (R 1 -aminosav függő) ”diketon” aminoketon Schiff bázis ”keto-enol” A Maillard reakció fehérje és szénhidráttartalmú élelmiszerekben végbemenő nem enzimes barnulási reakció, amely mind szobahőfokon, mind hevítéskor (sütés, főzés) bekövetkezhet. A reakció során különféle színes termékek (barna színanyagok, karamelizálódás) és aromakomponensek keletkeznek. A bonyolult átalakulás reakciólépései: Schiff-bázis képzés, Amadori, Heyns átrendeződés, dehidratációs és deaminálásos lépések, valamint Strecker lebontás. A reakciósor végtermékei a színes melanoidinek és a további reakciókra képes hidroximetil-furfural (HMF), továbbá kisebb mértékben maltól, izomaltól termékek. A melanoidinek bizonytalan polimerizációs fokú polimerei a 3-dezoxi-hexózoszon és az amino vegyületek kondenzációs termékeinek illetve a HMF származékoknak. A reakció során nem csak 3-dezoxi-hexózoszon, hanem 4-dezoxi- és 1-dezoxi-hexózoszonok is képezhetnek színes termékeket. GLYCOSCIENCE 2011

63 Nem anomer C-atomok reakciói: 3) komplex átalakulások C) Átrendeződések-5 : Maillard reakció GLYCOSCIENCE 2011

64 Miért Glycoscience – Glikotudomány? Egybefoglalja az C-alapú élet szerteágazó területein előforduló szénhidrátszármazékokról összegyűlt probléma- és tudáshalmazt. 1. Kémia: izolálás, szerkezetfelderítés, szintézis, metodika… 2. Biokémia: élettani funkciók, molekuláris biokémia, sejtek működése… 3. Farmakológia: potenciális gyógyszerek, hatásmechanizmus… 4. Ipar: élelmiszer-, gyógyszer-, kozmetikai, papíripar, fafeldolgozás (bútoripar, biomassza), szintetikus és üzemanyagok … GLYCOSCIENCE 2011

65 1953: Watson és Crick DNS – dezoxi-ribo- és RNS – ribo-nukleinsav szerkezet (R = OH)(R = H) Miért ribóz és furanóz? Új nukleozid szintézisek Gyógyszerkutatás és ipar Nukleozid- antibiotikumok GLYCOSCIENCE 2011

66 Antibiotikumok Streptomicin Eritromicin Daunorubicin Sejtbiológia – molekuláris felismerés Sialyl Lewis X neuraminsav oligoszacharidok Új glikozilezési módszerek Gyógyászat GLYCOSCIENCE 2011

67 Oligoszacharidok ciklodextrinek (Schardinger)  -ciklodextrin keményítő Poliszacharidok hialuronsav ismétlődő diszacharid egysége Gyógyászat alginát glükózamin Papír, textil n cellulóz Új szintézismódszerek Gyógyszer- Élelmiszer-, Kozmetikai-ipar GLYCOSCIENCE 2011

68 Szénhidrátok mindenütt Mennyiségek : 1) A glükóz a legnagyobb mennyiségben előforduló szerves vegyület 2) Az évente feldolgozott szénhidrátszármazékok mennyisége: ~10 14 tonna (2000) Glikobiológia (Glycobiology) Glikokémia (Glycochemistry) Glikotudomány (Glycoscience) Szénhidrátok és származékaik kémiája: összetétel, szerkezet, sztereokémia, tulajdonságok, reakciók… Szénhidrátok, glikokonjugátok biokémiája, biológiája: összetétel, szerkezet, sztereokémia, kapcsolódás, tulajdonságok, reakciók… Új koncepció (80-as évek) Varki A, Cummings R, Esko J, Freeze H, Stanley P, Bertozzi C, Hart G, Etzler M (2008). Essentials of glycobiologyEssentials of glycobiology. Cold Spring Harbor Laboratory Press; 2nd edition. Glycobiology (1997-) Carbohydrate Research J. Carbohydrate Chemistry etc GLYCOSCIENCE 2011

69 Glikobiológia Szubsztrát: Folyamat: Termék: szacharid (mono-, oligo-, poli-) glikozilezés oligo-, poliszacharid fehérje (oligopeptid, protein) glikopeptid, glikoprotein lipid (szteroid, terpenoid, flavonoid) glikolipid, glikoszteroid… nukleozid, foszforilezés nukleotid nukleotid oligonukleotid Katalizátor: Folyamat: Enzim glikozilezés glikozidáz, glikoziltranszferáz… foszforilezés foszfoészteráz, foszfotranszferáz… RNS-szintézis RNS-polimeráz oxidáció-redukció oxidoreduktáz hidrolízis hidroláz Koenzim glikozilezés UDP-glükóz = uridin-difoszfo-glükóz foszforilezés ATP = adenozintrifoszfát Szubsztrát- és folyamat specifikus Enzimmel együtt GLYCOSCIENCE 2011 glikokonjugátok

70 Glikobiológia ATP = adenozin-trifoszfát: cukornukleotid koenzim ATP-szintáz Biológiai szerep: metabolizmus, szintézis, aktív transzport, információ átadás intracellulás és extracellulás RNS és DNS szintézis protein kötődés: protein kináz 30 kj/mol GLYCOSCIENCE 2011

71 Glikobiológia GLIKOKONJUGÁTOK: glikopeptid, glikoprotein, glikolipid, glikoszteroid… a szacharid kovalens kötéssel kapcsolódik Tipikus monoszacharid egységeik: (A létező többszáz monoszacharidból csak néhány tucat található a különböző glikánokban) Pentózok: ötszénatomos semleges cukrok, pl., D-xilóz (Xyl) HexHexózok: hatszénatomos semleges cukrok, pl., D-glükóz (Glc), D-galaktóz (Gal), D-mannóz (Man).cukrok HexózaminokHexózaminok: 2-amino-2-dezoxi-hexózok szabad vagy acetilezett NH 2 -csoporttal,hexózok pl., N-acetil-D-glükózamin (GlcNAc), N-acetil-D-galaktózamin (GalNAc). Dezoxihexózok: 6-dezoxi származékok, pl., L-fukóz (Fuc), L-ramnóz (Rha). Uronsavak: Hexózok 6-karboxilát származékai, pl., D-glükuronsav (GlcA), L-iduronsav (IdoA).Hexózok SziálsavakSziálsavak: kilenc szénatomos savas cukrok (ált. Sia), a leggyakoribb az N-acetilneuraminsav (Neu5Ac, vagy NeuAc)cukrok GLYCOSCIENCE 2011

72 Glikobiológia Gyakori sziálsavas tetraszacharid egység glikoproteinekben Gyakori sziálsav egységek glikoproteinek oligoszacharidjaiban GLYCOSCIENCE 2011

73 Glikobiológia Sziálsav végcsoport szerepe sejtfelismerésben GLYCOSCIENCE 2011

74 Tipikus glikán-protein kötések glikoproteinekben Glikobiológia GLIKOPROTEINEK GLYCOSCIENCE 2011

75 GLIKÁNOK szerepe: fehérje konformációja a glikoproteinekben jelentős arányban Thy-1 glikoprotein Thy-1 glikoprotein sematikus ábrázolása A monoszacharidok változatosabban kötődnek, mint az aminosavak vagy nukleotidok: 3 különböző aminosav vagy nukleotid 6 trimert képez, 3 különböző hexózból (a térszerkezetétől függően) 1056 ÷ triszacharid alakítható ki! Glikopeptidek, glikoproteinek Varki A, etc GLYCOSCIENCE 2011

76 Glikopeptidek, glikoproteinek Immunoglobulin IgG: a szervezet védekező mechanizmusában fontos glikán Stadlmann J, Pabst M, Kolarich D, Kunert R, Altmann F., Proteomics. 14 (2008) GLYCOSCIENCE 2011

77 Glikokonjugátok: glikopeptidek, glikoproteinek, glikolipidek, glikoszteroidok, glikozid antibiotikumok… Sejtfolyamatokban megjelenő glikokonjugátok Varki A, etc GLYCOSCIENCE 2011

78


Letölteni ppt "2011.okt.5.. Szénhidrátkémia – Glikokémia – Glikobiológia Pintér István Szerkezeti Kémia és Biológia Laboratórium GLYCOSCIENCE 2011."

Hasonló előadás


Google Hirdetések