17.4.2020
1
Ústav chemických léčiv, Farmaceutická fakulta VFU,
Palackého 1/3, 642 12 Brno
Doc. Ing. Pavel Bobáľ, CSc.
Organická chemie
24. Biomolekuly:
sacharidy
2
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
2
Úvod
OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
H
OH
D-glukosa
pentahydroxyhexanal
CH2OH
O
HHO
OHH
OHH
CH2OH
D-fruktosa
pentahydroxyhexanon
6 CO2 + 6 H2O 6 O2 + C6H12O6 celulosa, škrob
sluneční
světlo
glukosa
Fotosyntéza – zelené rostliny
Sacharidy – carbohydrates (uhlovodany – hydrát uhlíku C6H12O6 = C6(H2O)6)
- polyhydroxyaldehydy a polyhydroxyketony
3
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
3
Klasifikace sacharidů
Jednoduché sacharidy – monosacharidy (D-glukosa, D-fruktosa)
Složené sacharidy – oligosacharidy – 2 – 10 monosacharidů (sacharosa)
– polysacharidy (celulosa, škrob, amylopektin, …)
1 sacharosa 1 glukosa + 1 fruktosa
H3O+
celulosa ~ 3 000 glukos
H3O+
4
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
4
Klasifikace sacharidů
monosacharidy – aldosy (sufix – osa, prefix - aldo)
– ketosy (sufix – osa, prefix - keto)
– počet atomů uhlíku – prefix – tri-, tetr-, pent-, hex-, …
OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
H
OH
D-glukosa
(aldohexosa)
CH2OH
O
HHO
OHH
OHH
CH2OH
D-fruktosa
(ketohexosa)
OHH
OHH
OHH
CH2OH
D-ribosa
(aldopentosa)
H O
HH
OHH
OHH
CH2OH
2-deoxy-D-ribosa
(aldopentosa)
H O
17.4.2020
2
5
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
5
Zobrazování stavby sacharidů pomocí Fischerovy projekce
Emil Fischer (1891) – metoda zobrazování – hlavně sacharidů
stlačte do roviny
vazby před
rovinou
vazby za
rovinou
(R)-glyceraldehyd
(Fischerova projekce)
Fischerova projekce
6
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
6
Zobrazování stavby sacharidů pomocí Fischerovy projekce
Otočení o 180 ° - dovolené
(R)-glyceraldehyd (R)-glyceraldehyd
je totéž
jako
(R)-glyceraldehyd (S)-glyceraldehyd
není totéž
jako
Otočení o 90 ° nebo 270 ° - není dovolené
7
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
7
Zobrazování stavby sacharidů pomocí Fischerovy projekce
Zachování pozice jedné skupiny – otáčení zbývajících třech skupin ve směru nebo
proti směru otáčení hodinových ručiček
(R)-glyceraldehyd (R)-glyceraldehyd
totéž
jako
Určení konfigurace R nebo S z Fischerovy projekce:
- přiřazení priority substituentů obvyklým způsobem
- přemístění substituentu tak, aby skupina s nejnižší prioritou směrovala nahoru
(pouze povolené přetočení)
- určí se směr rotace (1→2→3) – konfigurace R nebo S
zůstává
zachována
8
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
8
Zobrazování stavby sacharidů pomocí Fischerovy projekce
Příklad – L-alanin
L-alanin
totéž
jako
rotace proti směru
chodu hodinových ručiček
ponechte CH3 na místě
S konfigurace
17.4.2020
3
9
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
9
Zobrazování stavby sacharidů pomocí Fischerovy projekce
OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
H
OH
OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
H
OH
= CHO
H
OH
H
OHH
OH
H
OH
CH2OH
=
D-glukosa
(karbonylová skupina je nahoře)
Několik stereogenních center:
- stereogenní centra – nad sebou
10
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
10
D- a L-Monosacharidy
Glyceraldehyd – dva enantiomery
D-glyceraldehyd – (D - pravotočivý – dextrorotatory)
D-cukry – nejvzdálenější stereogenní centrum od karbonylové skupiny doprava
OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
H
OH
D-glukosa
CH2OH
O
HHO
OHH
OHH
CH2OH
D-fruktosa
OHH
OHH
OHH
CH2OH
D-ribosa
OH
OHH
CH2OH
D-glyceraldehyd
[(R)-(+)-glyceraldehyd]
OH
L-cukry – nejvzdálenější stereogenní centrum od karbonylové skupiny doleva
11
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
11
D- a L-Monosacharidy
HHO
CH2OH
L-glyceraldehyd
[(S)-(-)-glyceraldehyd]
OH H
OHH
HHO
HHO
CH2OH
HO
OH
L-glukosa
OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
H
OH
D-glukosa
zrcadlo
přírodnínepřírodní
D- a L- nevyjadřuje optickou rotaci – vyjadřuje pouze konfiguraci na posledním
stereogenním centru ve Fischerově projekci
12
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
12
Konfigurace aldos
OHH
CH2OH
D-glyceraldehyd
OH
OHH
OHH
OHH
CH2OH
D-ribosa
OH
OHH
OHH
CH2OH
D-erythrosa
OH
HHO
OHH
CH2OH
D-threosa
OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
D-arabinosa
OH
HHO
HHO
OHH
CH2OH
D-lyxosa
OH
OHH
HHO
OHH
CH2OH
D-xylosa
OH
OH
OHH
OHH
OHH
CH2OH
H
OH
D-allosa
H
OHH
OHH
OHH
CH2OH
HO
OH
D-altrosa
OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
H
OH
D-glukosa
H
HHO
OHH
OHH
CH2OH
HO
OH
D-mannosa
OH
OHH
HHO
OHH
CH2OH
H
OH
D-gulosa
H
OHH
HHO
OHH
CH2OH
HO
OH
D-idosa
OH
HHO
HHO
OHH
CH2OH
H
OH
D-galaktosa
H
HHO
HHO
OHH
CH2OH
HO
OH
D-talosa
17.4.2020
4
13
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
13
Konfigurace aldos
Louis Fieser – postup pro snazší zapamatování názvů a struktur všech aldohexos
1. Krok – nakreslit 8 stejných Fischerových vzorců s CHO nahoře a CH2OH dole
2. Krok – stereochemii na C5 – OH doprava (řada D)
3. Krok – první 4 struktury na C4 – OH doprava a druhé 4 struktury doleva
4. Krok – na C3 střídavě – OH dvakrát doprava, dvakrát doleva atd.
5. Krok – na C2 střídavě – OH doprava, doleva, doprava, doleva atd.
6. Krok – názvy aldohexos – mnemotechnické pomůcky
„All altruists gladly make gum in gallon tanks“
„Alenka v altánu globus má gumový i galalitový tác“
14
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
14
Cyklické struktury monosacharidů: Vznik hemiacetalů
O
R H
OH
H OR'
R
+ R'OH
H+
aldehyd hemiacetal
- reverzibilní nukleofilni adice aldehydů a ketonů s alkoholy
- intramolekulární nukleofilni adice aldehydů a ketonů s alkoholy – molekula
obsahuje aldehyd (keton) i hydroxylovou skupinu – cyklický hemiacetal
- glukosa – šestičlenná pyranosa
- fruktosa – šestičlenná pyranosa (72 %) a pětičlenná furanosa (28 %)
- hydroxylové skupiny vpravo (Fischerova projekce) – spodní strana
- hydroxylové skupiny vlevo – horní strana
15
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
15
Cyklické struktury monosacharidů: Vznik hemiacetalů
OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
H
OH
=
OH
OH
OH
CH2OH
OH
D-glukosa
H
O
O
HO
HO
OH
OH
H, OH
Haworthova projekce
Sir Walter Norman Haworth
1937 – Nobelova cena za chemii
16
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
16
Cyklické struktury monosacharidů: Vznik hemiacetalů
17.4.2020
5
17
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
17
Anomery monosacharidů: Mutarotace
O
HO
HO
OH
OH
OH
O
HO
HO
OH
OH
OHOHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
H O
trans cis
(0,002 %)
-D-glukopyranosa
(37,3 %)
-D-glukopyranosa
(62,6 %)
Mutarotace – pomalá konverze anomerů na jejich rovnovážnou směs
Anomery – 2 diastereomery vzniklé cyklizací
- anomerní centrum – hemiacetalový atom uhlíku
- α-anomer a β-anomer
18
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
18
Reakce monosacharidů: Vznik esterů a etherů
O
HO
HO
OH
OH
OH
-D-glukopyranosa
O
H3CCOO
H3CCOO
OCOCH3
OCOCH3
OCOCH3
1,2,3,4,6-penta-O-acetyl--D-glukopyranosa
(91 %)
(CH3CO)2O
pyridin, 0 °C
O
HO
HO
OH
OH
-D-glukopyranosa
O
H3CO
H3CO
CH3O
OCH3
methyl-2,3,4,6-tetra-O-methyl--D-glukopyranosid
(85 %)
Ag2O
CH3I
OCH3OH
19
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
19
Reakce monosacharidů: Tvorba glykosidů
OR
OR
+ ROH
HCl
acetal
OH
OR
hemiacetal
+ H2O
O
HO
HO
OH
OH
OH
-D-glukopyranosa
(cyklický hemiacetal)
O
HO
HO
OH
OH
methyl--D-glukopyranosid
(66 %)
CH3OH, HCl O
HO
HO
OH
OCH3
OH
methyl--D-glukopyranosid
(33 %)
+
OCH3
- sufix - osid
20
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
20
Reakce monosacharidů: Tvorba glykosidů
O
AcO
AcO
OAc
OAc
OAc
1,2,3,4,6-penta-O-acetyl-
--D-glukopyranosa
O
AcO
AcO
AcO
OAc
2,3,4,6-tetra-O-acetyl-
--D-glukopyranosylbromid
Br
O
HO
HO
OH
O
OH
methylarbutin
1. ROH, Ag2O
2. HO,
H2O
HBr
OCH3
Koenigsova-Knorrova reakce – vznik β-glykosidu
17.4.2020
6
21
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
21
Reakce monosacharidů: Tvorba glykosidů
Koenigsova-Knorrova reakce – vznik β-glykosidu
- účast sousední skupiny – anchimerní efekt – ovlivňuje sterický průběh reakce
nebo rychlost reakce – nemění se
O
AcO
AcO
AcO
OAc
2,3,4,6-tetra-O-acetyl-
--D-glukopyranosylbromid
(kterýkoli anomer)
Br
O
AcO
AcO
O
OAc
+
O
O
AcO
AcO
OAc
O O+
OR
-
O
AcO
AcO
AcO
OAc
OR
-glykosid
ROH, Ag2O
22
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
22
Reakce monosacharidů: Redukce monosacharidů
O
HO
HO
OH
OH
OH
OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
H
OH
-D-glukopyranosa
D-glukosa
CH2OH
OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
H
D-glucitol (alditol)
1. NaBH4
2. H2O
- redukce aldos nebo ketos NaBH4 – alditoly
- D-glucitol - sorbit
23
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
23
Reakce monosacharidů: Oxidace monosacharidů
CH2OH
O
HHO
OHH
OHH
CH2OH
D-fruktosa
HHO
OHH
OHH
CH2OH
endiol
OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
aldohexosa
H
OH
OH
OH
H
(keto-enol
tautomerie)
NaOH, H2O
(keto-enol
tautomerie)
NaOH, H2O
Aldosy – snadná oxidace (jako aldehydy)
– reagují s Tollensovým a Fehlingovým činidlem
– redukující cukry
Ketosy – neredukující (redukující)
Fruktosa– isomerace v bazickém prostředí (redukující)
24
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
24
Reakce monosacharidů: Oxidace monosacharidů
O
HO
HO
OH
OH
OH
-D-galaktosa
OH
HHO
HHO
OHH
CH2OH
H
OH
OH
HHO
HHO
OHH
CH2OH
H
OHO
Br2, H2O
pH 6
D-galaktonová kyselina
(aldonová kyselina)
O
HO
HO
OH
OH
OH
OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
H
OH
-D-glukosa
OH
HHO
OHH
OHH
H
OHO
HO O
D-glukarová kyselina
(aldarová kyselina)
zahřívání
HNO3
17.4.2020
7
25
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
25
Reakce monosacharidů: Prodlužování uhlíkatého řetězce:
Kilianiho-Fischerova syntéza
HHO
H O
C
OH
HHO
H
N
C
OH
HHO
H
H O
HCN
aldosa kyanhydrin prodloužená aldosa
26
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
26
Reakce monosacharidů: Prodlužování uhlíkatého řetězce:
Kilianiho-Fischerova syntéza
C
OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
H
HHO
OHH
OHH
CH2OH
H O
D-arabinosa
N
C
H
HHO
OHH
OHH
CH2OH
HO
N
kyanhydriny
C
OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
H
C
H
HHO
OHH
OHH
CH2OH
HO
iminy
H NH
H NH
C
OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
H
C
H
HHO
OHH
OHH
CH2OH
HO
D-mannosa
H O
H O
D-glukosaHCN H2 H3O+
Pd/C
+ +
27
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
27
Reakce monosacharidů: Zkracování uhlíkatého řetězce:
Wohlovo odbourávání
OH
HHO
HHO
OHH
CH2OH
H
OH
D-galaktosa
OH
HHO
HHO
OHH
CH2OH
H
NOHH
oxim D-galaktosy
NH2OH
C
OH
HHO
HHO
OHH
CH2OH
H
kyanhydrin
(CH3CO)2O
CH3COONa
N
CH3ONa HHO
HHO
OHH
CH2OH
D-lyxosa
(37 %)
- HCN
H O
28
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
28
Konfigurace glukosy: Fischerův důkaz
! Vynechat !
17.4.2020
8
29
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
29
Disacharidy: Cellobiosa a maltosa
β-cellobiosa – (1→4)-β-glykosid
β-D-glukopyranosyl-(1→4)-β-D-glukopyranosa
nebo
4-O-β-D-galaktopyranosyl-β-D-glukopyranosa
redukujúci a vykazuje mutarotaci
(štěpením celulosy)
α-maltosa – (1→4)-α-glykosid
α-D-glukopyranosyl-(1→4)-α-D-glukopyranosa
nebo
4-O-α-D-glukopyranosyl-α-D-glukopyranosa
redukujúci a vykazuje mutarotaci
(štěpením škrobu)
O
HO
HO
OH
OH
O
O
HO
OH
OH
OH
1
4'
-glukopyranosid
-glukopyranosa
O
HO
HO
OH
H
OH
O
O
HO
OH
H
OH
OH
1
4'
-glukopyranosid
-glukopyranosa
30
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
30
Disacharidy: Cellobiosa a maltosa
O
O
HO
OH
OH
OH
Glu
H
OH
CHO
O
HO
OH
OH
Glu O
O
HO
OH
OH
H
Glu
OH
maltosa nebo cellobiosa
(-anomery)
maltosa nebo cellobiosa
(aldehydy)
maltosa nebo cellobiosa
(-anomery)
Mutarotace maltosy a cellobiosy
31
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
31
Disacharidy: Laktosa a sacharosa
O
HO
HO
OH
OH
O
1
2'
CH2OH
H
CH2OH
HO
HO
O
-glukopyranosid
D-fruktosa
sacharosa – (1→2)-glykosid
β-D-fruktofuranosyl-α-D-glukopyranosid
neredukujúci a nevykazuje mutarotaci
laktosa – (1→4)-β-glykosid
β-D-galaktopyranosyl-(1→4)-β-D-glukopyranosa
nebo
4-O-β-D-galaktopyranosyl-β-D-glukopyranosa
redukujúci a vykazuje mutarotaci
O
HO
OH
OH
O
O
HO
OH
OH
OH
1
4'
HO
-galaktopyranosid
-glukopyranosa
32
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
32
Polysacharidy: Celulosa
celulosa – (1→4)-O-(β-D-glukopyranosidový) polymer
O
O
HO
OH
OH
O
O
HO
OH
OH
O
O
HO
OH
OH
O
O
HO
OH
O
OH
17.4.2020
9
33
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
33
Polysacharidy: Škrob
O
HO
OH
H
OH
O
O
HO
OH
H
OH
O
O
HO
OH
H
OH
O
O
HO
O
OH
H
OH
amylosa – (1→4)-O-(α-D-glukopyranosidový) polymer
Škrob – amylosa (lineární) a amylopektin (rozvětvený)
34
24. Biomolekuly: sacharidy
Organická chemie
Sacharidy – 25.1 – 25.10 (po 971)
Aminokyseliny, peptidy a bílkoviny – 26.1 – 26.3, 26.5 – 26.9, 26.14
Lipidy – 27.1 – 27.5, 27.7 – 27.8
34