2011.okt.5.

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

Egyszerű és összetett cukrok szerkezete és kémiai sajátságai GLYCOSCIENCE 2011 Így kezdődött… Cukorkémia Hermann Emil Fischer (1852-1919) München-Erlangen-Würzburg-Berlin Szénhidrátok és proteinek mint a biológiában két igen fontos vegyületcsoport (Nobel díj 1902) Zemplén Géza (1883-1956) Berlin (1907-1910) – Budapest (1911-1956) cukorkémia Magyarországon (Kossuth díj 1948) Egyszerű és összetett cukrok szerkezete és kémiai sajátságai Szénhidrátkémia

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

GLÜKÓZ szőlőcukor Sz1 ≠ Sz2 ≠ Sz3 ≠ Sz4 ≠ Sz5 GLYCOSCIENCE 2011 T1a T1b T3b b a a b c c T3c T1c Sz1 Sz3 GLÜKÓZ szőlőcukor c c T2c Sz2 Sz4 T4c b b Sz5 a a T2b a c T4b b T2a T4a T5a T5c T5b 1 vegyület 5 szerkezet + 3 reagens 5x3 = 15 különböző termék Sz1 ≠ Sz2 ≠ Sz3 ≠ Sz4 ≠ Sz5 Sz: szerkezet T: termék a,b,c: reagensek

GLYCOSCIENCE 2011 Glükóz elemi (C H O) összetételét megmérve az eredmény: C6H12O6 = C6(H2O)6 látszatra: 6 atom szén + 6 molekula víz A formaldehid összetétele: H2C=O C(H2O) paraformaldehid oligomer: H2nCnOn Cn(H2O)n Genetikai kapcsolat bázis Bizonyíték: formóz-reakció: n H2C=O monoszacharidok keveréke A. Butlerov és E. Fischer

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

Aldohexóz térszerkezete: GLYCOSCIENCE 2011 Aldohexóz térszerkezete: 4 kiralitáscentrum C-atom n kiralitáscentrum C-atom 16 sztereoizomer (24) 2n sztereoizomer

Aldohexóz térszerkezete: GLYCOSCIENCE 2011 Aldohexóz térszerkezete: 4 kiralitáscentrum C-atom n kiralitáscentrum C-atom 16 sztereoizomer (24) 2n sztereoizomer Melyik a glükóz?

Glicerinaldehid térszerkezete Aldotrióz GLYCOSCIENCE 2011 Glicerinaldehid térszerkezete Aldotrióz 1 kiralitáscentrum C-atom 2 sztereoizomer (21) Királis molekula: Nem azonos a saját tükörképével! Fischer projekció: a molekulát sikba vetítve a szénlánc függőleges, a többi szubsztituens vízszintes tükörsík D- L- D-(+)- L-(-)- Több királis centrum: Fischer konvenció: D-konfiguráció, ha a legutolsó királis szénatom HO- szubsztituense jobbra áll

Aldohexóz térszerkezete: GLYCOSCIENCE 2011 Aldohexóz térszerkezete: 4 kiralitáscentrum C-atom n kiralitáscentrum C-atom 16 sztereoizomer (24) 2n sztereoizomer Melyik a glükóz? D- L-

Aldohexóz térszerkezete: GLYCOSCIENCE 2011 Aldohexóz térszerkezete: 4 kiralitáscentrum C-atom n kiralitáscentrum C-atom 16 sztereoizomer (24) 2n sztereoizomer Epimer: C-2 atomon ellentétes állású HO-csoportok D- L- allóz altróz glükóz mannóz gulóz idóz galaktóz talóz

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

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

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

GLYCOSCIENCE 2011 Új kiralitáscentrum: C-1 két új sztereoizomer: konfigurációs izomerek Egyszerűsített Haworth képlet D-glükopiranóz D-glükofuranóz a-D- glükopiranóz b-D- glükopiranóz a-D- glükofuranóz b-D- glükofuranóz anomer C-1: anomer C-atom anomer Egyszerűsített Fischer képlet

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

≡ a-D-Glükopiranóz konformációs állapotai = = GLYCOSCIENCE 2011 ? Haworth képlet: konfigurációs különbségek 4 4 1 1 ≡ = = 1 4 a-D-glükopiranóz 4C1 szék konformáció a-D-glükopiranóz 1,4B (kád) konformáció a-D-glükopiranóz 1C4 szék konformáció Reeves képlet: megjeleníti a konformációs különbségeket is! Hasonlóan az összes monoszacharidnál új családfák

D-Aldózok családfája (nyíltláncú forma): GLYCOSCIENCE 2011 D-Aldózok családfája (nyíltláncú forma): Egyszerűsített Fischer képlet 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

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

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

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

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

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

a-D-Aldopiranózok 4C1 konformációs képletei: GLYCOSCIENCE 2011 a-D-Aldopiranózok 4C1 konformációs képletei: Egyszerűsített Reeves képlet a-D-ribopiranóz a-D-arabinopiranóz a-D-allopiranóz a-D-altropiranóz a-D-glükopiranóz a-D-mannopiranóz a-D-xilopiranóz a-D-lixopiranóz a-D-gulopiranóz a-D-idopiranóz a-D-galaktopiranóz a-D-talopiranóz

b-L-Aldopiranózok 1C4 konformációs képletei: GLYCOSCIENCE 2011 Egyszerűsített Reeves képlet Házi feladat b-L-Aldopiranózok 1C4 konformációs képletei:

a-D-Ketopiranózok családfája (4C1 konformáció): GLYCOSCIENCE 2011 a-D-Ketopiranózok családfája (4C1 konformáció): Egyszerűsített Reeves képlet a-D-pszikopiranóz a-D-fruktopiranóz a-D-szorbopiranóz a-D-tagatopiranóz

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

D-Glükóz konfigurációs és konformációs egyensúlyai vizes oldatban GLYCOSCIENCE 2011 D-Glükóz konfigurációs és konformációs egyensúlyai vizes oldatban a-D-glükopiranóz 1C4 a-D-glükopiranóz 4C1 a-D-glükofuranóz al-D-glükóz b-D-glükopiranóz 1C4 b-D-glükopiranóz 4C1 b-D-glükofuranóz Melyik szerkezet van a legnagyobb arányban – azaz melyik a legstabilabb? Mi szabja meg? A molekula összenergiája: stabilizáló és destabilizáló effektusok eredője

GLYCOSCIENCE 2011 D-glükóz al-D-glükóz

D-Glükopiranóz konfigurációs és konformációs egyensúlyai GLYCOSCIENCE 2011 D-Glükopiranóz konfigurációs és konformációs egyensúlyai konform. a-D-glükóz a-D-glükopiranóz 1C4 a-D-glükopiranóz 4C1 konfig. konfig. Fischer konform. b-D-glükóz b-D-glükopiranóz 1C4 b-D-glükopiranóz 4C1

Bizonyítás: miért a b-D-glükopiranóz 4C1 konformáció a legstabilabb? GLYCOSCIENCE 2011 Egyszerűsített Reeves képlet Házi feladat Bizonyítás: miért a b-D-glükopiranóz 4C1 konformáció a legstabilabb?

D-Glükopiranóz konfigurációs egyensúlya vizes oldatban GLYCOSCIENCE 2011 D-Glükopiranóz konfigurációs egyensúlya vizes oldatban Számított energiakülönbség 0,90 kcal / mol a-D-glükopiranóz 4C1 b-D-glükopiranóz 4C1 36% 64% Mért energiakülönbség 0,55 kcal / mol Lemieux DE 0,35 kcal / mol Anomer effektus: az anomer C-atom elektronszívó szubsztituense axiális állásának preferenciája axiális nem a! Elektronszívó szubsztituensek: CH3O, Cl, Br, CH3COO…

Anomer effektus GLYCOSCIENCE 2011 Kivétel 67% 33% 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

Anomer effektus értelmezése GLYCOSCIENCE 2011 Anomer effektus értelmezése Különböző elméleti megközelítések: MO (molekulapálya elméleti) – pályaszimmetria elv n s* átmenet szimmetria megengedett

D- L- R- S- GLYCOSCIENCE 2011 Nevezéktanok kapcsolata Fischer: D- és L- konvenció D- L- Glicerinaldehid Cahn-Ingold-Prelog: R- és S- a) prioritási sorrend: O > N > C > H; -COOH > -HCO > CH2OH > CH3; b) körüljárás iránya („volánszabály”): jobbforgású (R rectus) balforgású (S sinister) R- S- Több királis C-atom: minden egyes centrumra külön meghatározni!

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

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

1. Monoszacharidok reagáló csoportjai – funkciói GLYCOSCIENCE 2011 1. Monoszacharidok reagáló csoportjai – funkciói a) karbonil-csoportok – anomer C-atom : aldehid keton aldóz ketóz b) hidroxi-csoportok: primer szekunder félacetál és analógjaik: SH, NH2 c) C-H funkciók: nem anomer C-atomok

Anomer C-atomok reakciói: GLYCOSCIENCE 2011 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

Glükóz + H2O (vizes oldat): GLYCOSCIENCE 2011 Glükóz + H2O (vizes oldat): H2O amfoter partner: proton donor és proton akceptor: H2O + H2O H3O+ + OH- H2O H2O H2O H2O a-D-glükopiranóz 1C4 a-D-glükopiranóz 4C1 b-D-glükofuranóz H2O H2O al-D-glükóz H2O H2O H2O H2O b-D-glükopiranóz 1C4 b-D-glükopiranóz 4C1 a-D-glükofuranóz „láthatatlan reakció” Mikor látható?

a) Izotóp jelzés: 18O b) Optikai forgatás: Mutarotáció ? GLYCOSCIENCE 2011 a) Izotóp jelzés: 18O látható reakció b) Optikai forgatás: H2O H2O ? [a]D : +112,2 [a]D : +52,7 (egyensúly) [a]D : +18,7 Mutarotáció

Reakciók O-nukleofilekkel: acetálok, glikozidok GLYCOSCIENCE 2011 Reakciók O-nukleofilekkel: acetálok, glikozidok 1. Acetálok félacetál acetál

Reakciók O-nukleofilekkel: acetálok, glikozidok GLYCOSCIENCE 2011 Reakciók O-nukleofilekkel: acetálok, glikozidok 1. Acetálok félacetál acetál 2. Glikozidok (monociklusos acetálok) félacetálos OH helyettesítése Fischer glikozilezés: CH3-glikozidok 66% 32,5% aglikon 0,6% 0,9% Nem O-H O-CH3 hanem OH OCH3 !!!

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

Fischer glikozilezés: GLYCOSCIENCE 2011 Fischer glikozilezés: Metil-D-glikozidok egyensúlyi elegyei (%) metanolban Monoszacharid a-Fur b-Fur Furanozidok a-Pir b-Pir Piranozidok Ribóz 5 17 22 12 66 78 Arabinóz 7 29 24 47 71 2-O-Me-Arabinóz 67 33 3-O-Me-Arabinóz 51 49 2,3-O-Me2-arabinóz 75 25 Xilóz 2 3 65 30 95 Lixóz 1 89 10 99 Glükóz 0,6 0,9 1,5 32,5 98,5 Mannóz 0,7 94 5,3 99,3 Galaktóz 6 16 58 20

< > << < < Termodinamikai stabilitás - szerkezet GLYCOSCIENCE 2011 Termodinamikai stabilitás - szerkezet Ribofuranozid Arabinofuranozid < > a- b- a- b- 2,3-O-Me2-a-arabinopiranozid 2,3-O-Me2-a-arabinofuranozid << < b-Mannofuranozid b-Galaktofuranozid <

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

>> Reakciók S-nukleofilekkel: tioacetálok, tioglikozidok R-SH GLYCOSCIENCE 2011 Reakciók S-nukleofilekkel: tioacetálok, tioglikozidok R-SH H2S → R-SH R: alkil (tioalkoholok, merkaptánok), aril (tiofenolok) Tioacetálok Penta-O-acetil- al-glükóz Glükóz-dietil- ditioacetál Oka: S (nukleofilitás ) >> O (nukleofilitás ) Stabilis al-forma >> S atom >> O atom S (elektronegativitás) < O (elektronegativitás)

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

Reakciók N-nukleofilekkel: glikozilaminok, iminek GLYCOSCIENCE 2011 Reakciók N-nukleofilekkel: glikozilaminok, iminek NH3 → R-NH2 → R1R2NH R: alkil, aril, aralkil, heterociklusos, aminosav; heteroatom (O, N) 1. Glikozilaminok = N-glikozidok [hev] N-fenil-a-glükozilamin N-fenil-b-glükozilamin glükóz Termodinamikai stabilitás: sztérikus, anomer effektus 2. Oximok H2NOH RY R’CHO Stabilis al-forma mannóz al-mannóz-oxim védett al-mannóz-oxim védett al-D-mannóz

GLYCOSCIENCE 2011 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, NO2, COOR…) [Hlg] B: H, OH, OCH3, OC(CH3)3; Q: Na, K, etc R: H, alkil, aril, etc 1. Példa: formóz reakció formaldehid anion C-nukleofilek a) cianid anion: C≡N- b) nitrometán: CH3NO2 alkalmasak a monoszacharid szénláncának a meghosszabbítására c) Grignard reagens: R-CH2-Mg-Br d) karbidok: Ca2+(C≡CH)-2 (Ca-acetilid (karbid-, acetilén lámpa)

Reakciók C-nukleofilekkel: GLYCOSCIENCE 2011 Reakciók C-nukleofilekkel: Glikozidok f) (aktivált anomer C-atom) C-glikozidok R = H, védőcsoport X = O, S, N, ill. C 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… Eredmény: 1) szénlánc (1+R’C) növelése 2) nincs új királis C-atom ! -- de sztereoszelektív reakció! Alkalmazás: a) totálszintézis: természetes molekulák alkotóelemeiként, b) biológiai folyamatok modellezése

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

HO-csoportok reakciói: GLYCOSCIENCE 2011 HO-csoportok reakciói: Hidroxi-csoportok: Szabad cukor primer szekunder félacetál 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

HO-csoportok reakciói: GLYCOSCIENCE 2011 HO-csoportok reakciói: A szubsztitúció fajtái: 1. Észterek - acilezés 2. Éterek - alkilezés 3. Acetálok - karbonil-reakció 1. Észterek: savakkal képezett származékok: a) karboxilátok : i) formiátok: X=H; formil: HCO- ii) acetátok: X=CH3; acetil: CH3CO-; trifluoracetil: CF3CO- iii) benzoátok: X= Z: H, Cl, NO2, CH3O b) szulfonátok, szulfátok: RSO2- (X=R), -SO2- (X=OH) c) foszfátok: (RO)2PO- R = cukorrész Élettani jelentőség: biológiai aktiválás d) egyéb: karbonátok, borátok, szulfitok, stb.

HO-csoportok reakciói: GLYCOSCIENCE 2011 HO-csoportok reakciói: Észterek: a)ii) acetát – regens: Ac2O, AcCl; katalizátor: piridin, NaOAc; H+-sav, Lewis sav (nem szelektív) Glükóz A/ B/ a-glükóz penta-O-acetil-a-glükopiranóz C/ Anomerizáció B/ C/ B/ A/ penta-O-acetil-al-glükóz C/ b-glükóz penta-O-acetil-b-glükopiranóz A/ Ac2O + piridin 20°C B/ Ac2O + sav (H+, Lewis) 0-100°C C/ Ac2O + NaOAc 100-110°C Kinetikus kontroll Termodinamikus kontroll

Nem anomer C-atomok reakciói: GLYCOSCIENCE 2011 Nem anomer C-atomok reakciói: 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 Eredmény: módosított monoszacharidok Szintézis intermedierek

Nem anomer C-atomok reakciói: GLYCOSCIENCE 2011 Nem anomer C-atomok reakciói: 2. Nukleofil szubsztituciók: N-nukleofil intramolekulásan → aza-monoszacharid (azacukrok) : -C-NH-C- N (nukleofilitás ) > O (nukleofilitás ) NaN3 H2 / Pd DMF CH3OH 5-O-tozil-xilofuranóz 5-azido-5-dezoxi-xilofuranóz 5-aza-xilopiranóz piperidin Fontos természetes képviselő HO-piperidin reakciók N-heterociklusok Nojirimicin –- 5-aza-glükopiranóz Nojirimicin analógok - piperidinóz

Nem anomer C-atomok reakciói: GLYCOSCIENCE 2011 Nem anomer C-atomok reakciói: 2) Nukleofil szubsztituciók C-nukleofil intramolekulásan → carba-cukrok (alkoholok) -O- → -CH2- Nem acetálos OH ! Mg Et2O 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 Természetes analogok: ciklitol - inositol: hexahidroxi-ciklohexán Ox. Inoszóz – pentahidroxiciklohexanon O2 Pt 2,4,6/3,5-pentahidroxi- ciklohexanon A ”legközönségesebb” inoszóz

Nem anomer C-atomok reakciói: 3) komplex átalakulások GLYCOSCIENCE 2011 Nem anomer C-atomok reakciói: 3) komplex átalakulások C) Átrendeződések-3: Amadori átrendeződés: aldozilamin 1-amino-1-dezoxi-ketóz D-glükóz 1-arilamino-1-dezoxi-D-fruktóz NHAr marad a C-1 atomon! D-glükozilimin enamin forma Általános primer aminokkal aminosavakkal Maillard reakció

Nem anomer C-atomok reakciói: 3) komplex átalakulások GLYCOSCIENCE 2011 Nem anomer C-atomok reakciói: 3) komplex átalakulások C) Átrendeződések-5: Maillard reakció 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. ”keto-enol” ”diketon” ”fructóz-aminosav” (Amadori termék) + -CO2 Strecker aldehid (R1-aminosav függő) aminoketon Schiff bázis

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

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

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

GLYCOSCIENCE 2011 Oligoszacharidok ciklodextrinek (Schardinger) Gyógyszer- Élelmiszer-, Kozmetikai-ipar keményítő Papír, textil a-, b-, g--ciklodextrin Poliszacharidok n cellulóz hialuronsav ismétlődő diszacharid egysége glükózamin alginát Új szintézismódszerek Gyógyászat

Szénhidrátok mindenütt GLYCOSCIENCE 2011 Szénhidrátok mindenütt Mennyiségek: 1) A glükóz a legnagyobb mennyiségben előforduló szerves vegyület 2) Az évente feldolgozott szénhidrátszármazékok mennyisége: ~1014 tonna (2000) Új koncepció (80-as évek) Glikotudomány (Glycoscience) Glikokémia (Glycochemistry) Glikobiológia (Glycobiology) Carbohydrate Research J. Carbohydrate Chemistry etc Glycobiology (1997-) Szénhidrátok és származékaik kémiája: összetétel, szerkezet, sztereokémia, tulajdonságok, reakciók… Szénhidrátok, glikokonjugátok biokémiája, biológiája: összetétel, szerkezet, sztereokémia, kapcsolódás, tulajdonságok, reakciók… Varki A, Cummings R, Esko J, Freeze H, Stanley P, Bertozzi C, Hart G, Etzler M (2008). Essentials of glycobiology. Cold Spring Harbor Laboratory Press; 2nd edition.

Glikobiológia GLYCOSCIENCE 2011 glikokonjugátok 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 glikokonjugátok 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

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

GLYCOSCIENCE 2011 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) Hexózok: hatszénatomos semleges cukrok, pl., D-glükóz (Glc), D-galaktóz (Gal), D-mannóz (Man). Hexózaminok: 2-amino-2-dezoxi-hexózok szabad vagy acetilezett NH2-csoporttal, 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). Sziálsavak: kilenc szénatomos savas cukrok (ált. Sia), a leggyakoribb az N-acetilneuraminsav (Neu5Ac, vagy NeuAc)

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

Glikobiológia GLYCOSCIENCE 2011 Sziálsav végcsoport szerepe sejtfelismerésben

Glikobiológia GLIKOPROTEINEK GLYCOSCIENCE 2011 Tipikus glikán-protein kötések glikoproteinekben

Glikopeptidek, glikoproteinek GLYCOSCIENCE 2011 Glikopeptidek, glikoproteinek Thy-1 glikoprotein sematikus ábrázolása GLIKÁNOK szerepe: fehérje konformációja a glikoproteinekben jelentős arányban A monoszacharidok változatosabban kötődnek, mint az aminosavak vagy nukleotidok: 3 különböző aminosav vagy nukleotid 6 trimert képez, 3 különböző hexózból (a térszerkezetétől függően) 1056 ÷ 27648 triszacharid alakítható ki! Varki A, etc

Glikopeptidek, glikoproteinek GLYCOSCIENCE 2011 Glikopeptidek, glikoproteinek Immunoglobulin IgG: a szervezet védekező mechanizmusában fontos glikán Stadlmann J, Pabst M, Kolarich D, Kunert R, Altmann F., Proteomics. 14 (2008) 2858-71

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

GLYCOSCIENCE 2011