Sacharidy Polyhydroxyaldehydy (aldosy) nebo polyhydroxyketony (ketosy). CHO C C C C CH2OH OHH OHH HHO OHH CH2OH C C C C CH2OH OHH OHH HHO O D-glukosa D-fruktosa Nejjednoduššími sacharidy jsou dihydroxyaceton a glyceraldehyd (C3H6O3), monosacharidy obsahující více než 7 atomů uhlíku jsou nestálé. Dříve také uhlovodany. glukosa C6H12O6 = C6(H2O)6 sacharosa C12H22O11 = C12(H2O)11 28. dubna 2020 1 / 51 Sacharidy Saccharum – lat. cukr 28. dubna 2020 2 / 51 Sacharidy Označení monosacharidů -trialdo- -tetr-pent- -osa keto- -hex- -hept- 1CHO 2C 3C 4C 5CH2OH OHH OHH OHH aldopentosa 1CHO 2C 3C 4C 5C 6CH2OH OHH OHH HHO OHH aldohexosa ketohexosa 1CH2OH 2C 3C 4C 5C 6CH2OH OHH OHH HHO O D-ribosa D-glukosa D-fruktosa 28. dubna 2020 3 / 51 Sacharidy Sacharidy obsahují řadu center chirality a až na výjimky jsou chirální. Ke znázornění prostorového uspořádání cukrů se historicky používá Fischerova projekce: HO H CHO HOH2C HO H HOH2C CHO C CHO CH2OH OH H CHO CH2OH OHC OHH CHO CH2OH H Fischerova projekce D-glyceraldehyd 28. dubna 2020 4 / 51 Sacharidy Podle konfigurace centra chirality nejvzdálenějšího od karbonylu dělíme monosacharidy na d- a l-monosacharidy (cukry). CHO H2C OH OH D-glyceraldehyd CHO H2C OH HO L-glyceraldehyd HH V živé přírodě dominují d-cukry. d- a l-sacharidy nesoucí stejný název jsou enantiomery: CHO CH2OH OHH OHH OHH CHO CH2OH HO H HO H HO H D-ribosa L-ribosa CHO CH2OH OHH OHH HHO OHH CHO CH2OH HO H HO H H OH HO H D-glukosa L-glukosa 28. dubna 2020 5 / 51 Sacharidy Epimery – sacharidy, které se liší pouze konfigurací na jednom stereogenním centru. CHO CH2OH OHH OHH HHO HO H D-mannosa CHO CH2OH OHH OHH HHO OHH D-glukosa Monosacharidy mohou tvořit pěti- nebo šestičlenné cyklické poloacetaly: HO H O O O H Rovnováha je posunuta ve prospěch poloacetalu. 28. dubna 2020 6 / 51 Sacharidy Cyklické formy monosacharidů můžeme považovat za deriváty tetrahydrofuranu (furanosy) a tetrahydropyranu (pyranosy). O O tetrahydropyran tetrahydrofuran Haworthovy vzorce – perspektivní vzorce užívané pro znázornění sacharidů. U pyranos umístíme atom kyslíku v cyklu vždy vpravo nahoru (furanosy nahoru), atomy řetězce jsou pak uspořádány v cyklu po směru pohybu hodinových ručiček podle stoupajících pořadových čísel. 28. dubna 2020 7 / 51 Sacharidy Odvození Haworthova vzorce ze vzorce otevřené formy aldosy: CHO CH2OH OHH OHH HHO OHH D-glukosa CH2OHC C C C C O OH HOH H H HO H OH H OHC C C C C O OH HOH H H HO CH2OH H H rotace o 120° CH2OHC C C C C O OH HOH H H HO H OH H 28. dubna 2020 8 / 51 Sacharidy Odvození Haworthova vzorce ze vzorce otevřené formy aldosy: OHC C C C C O OH HOH H H HO CH2OH H H tvorba acetalu O H OH H OH OH H H HO CH2OH H * D-glukopyranosa Adicí -OH skupiny na karbonyl mohou vzniknout dva anomery – stereoisomery, které se liší orientací nově vzniklé poloacetalové -OH skupiny: O H OH H OH OH H H HO CH2OH H O OH H H OH OH H H HO CH2OH H α-D-glukopyranosa β-D-glukopyranosa 28. dubna 2020 9 / 51 Sacharidy Odvození Haworthova vzorce ze vzorce otevřené formy ketosy: CH2OH C CH2OH OHH OHH HHO O OH C C C C O H HOH OH CH2OH H CH2OH O CH2OH OH HO H H OH HOH2C H Zjednodušený zápis: O CH2OH α-D-glukopyranosa Mutarotace – změna zastoupení anomerů ve směsi, která je doprovázena změnou optické otáčivosti. 28. dubna 2020 10 / 51 Sacharidy Vlastnosti monosacharidů: Krystalické látky dobře rozpustné vodě, špatně rozpustné v organických rozpouštědlech. Vykazují reaktivitu alkoholů i aldehydů a ketonů (některé reakce aldehydové skupiny mohou být ale velmi pomalé). Estery monosacharidů: O H O H OH OH H H HO CH2OH H P O OH OH O H OH H OH OH H H HO CH2 H OP OH HO O α-D-glukopyranosa-1-fosfát α-D-glukopyranosa-6-fosfát 28. dubna 2020 11 / 51 Sacharidy Estery monosacharidů: β-D-glukopyranosa O OH HO OH HO nadbytek H3C O O CH3 O pyridin O O O O O CH3 O O CH3 H3C O H3C O OOH CH3 O + 5 CH3COOH penta-O-acetyl-β-D-glukopyranosa 28. dubna 2020 12 / 51 Sacharidy Tvorba glykosidů: Glykosidy vznikají substitucí poloacetalové -OH skupiny nukleofilem. β-D-glukopyranosa O OH HO OH HO OH methyl-β-D-glukopyranosid methyl-α-D-glukopyranosid H3C OH HCl O O HO OH HO OH CH3 + O O HO OH HO OH CH3 33 % 67 % Také N-glykosidy: O N Cukr (pentosa) + báze = nukleosid Cukr (pentosa) + báze + fosfát = nukleotid NN N NH2 HO HO O N NN N NH2 O HO P OH HO O OH OH 28. dubna 2020 13 / 51 Sacharidy Redukce sacharidů: Redukcí aldos a ketos vznikají cukerné alkoholy. OHH HHO OHH OHH CH2OH NaBH4 β-D-glukopyranosa O OH HO OH HO OH O H D-glukosa H2O OHH HHO OHH OHH CH2OH D-glucitol O H HH Oxidace sacharidů: Oxidací aldehydové skupiny u aldos vznikají aldonové kyseliny. H O aldosa oxidace HO O aldonová kyselina 28. dubna 2020 14 / 51 Sacharidy Oxidace sacharidů: OHH HHO OHH OHH CH2OH Br2 β-D-glukopyranosa O OH HO OH HO OH O H D-glukosa H2O OHH HHO OHH OHH CH2OH D-glukonová kyselina pH = 6 O OH Některá činidla jsou schopná oxidovat aldosy i ketosy: Tollensovo činidlo – [Ag(NH3)2]+ . Fehlingovo činidlo – vodný roztok Cu2+ a vinanu sodného. Benedictovo činidlo – vodný roztok Cu2+ a citrátu sodného. Reakce s těmito činidly vede k precipitaci Ag nebo Cu2O – odlišení redukujících aldos a ketos od glykosidů a neredukujících oligo- a polysacharidů. 28. dubna 2020 15 / 51 Sacharidy Oxidace sacharidů: Oxidace silnými oxidačními činidly (HNO3) vede k oxidaci primární -OH skupiny – z aldos vznikají aldarové kyseliny. OHH HHO OHH OHH CH2OH NHO3 β-D-glukopyranosa O OH HO OH HO OH O H D-glukosa H2O OHH HHO OHH OHH D-glukarová kyselina O OH ∆T O OH Selektivní oxidací primární -OH skupiny vznikají uronové kyseliny. glukuronová kyselina O OH HO HOOC OH HO Konjugace s produkty metabolismu cizorodých látek, součást hyaluronové kyseliny. 28. dubna 2020 16 / 51 Sacharidy Epimerace: O H H OH HO H H OH H OH CH2OH D-glukosa H2O NaOH HO H H OH H OH CH2OH HO H OH H2O O H H OH HO H H OH H OH CH2OH D-glukosa + O H HO H HO H H OH H OH CH2OH D-mannosa + C CH2OH O HO H H OH H OH CH2OH D-fruktosa epimery 28. dubna 2020 17 / 51 Sacharidy d-Glukosa – dextrosa, hroznový cukr. Primární produkt fotosyntézy: 6 CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2 V roztoku 99 % jako pyranosa, necyklická molekula se podílí 0,25 % a furanosy vytvářejí zbytek. O H H OH HO H H OH H OH CH2OH D-glukosa + OHO OH OH OH OHO OH OH OH H2O α-D-glukopyranosa β-D-glukopyranosa 36 % 64 % HO HO 28. dubna 2020 18 / 51 Sacharidy d-Fruktosa – levulosa, ovocný cukr. C CH2OH O HO H H OH H OH CH2OH d-Galaktosa – gálaktos – řecky mléko. OH HO H HO H H OH CH2OH H HO 28. dubna 2020 19 / 51 Sacharidy d-Ribosa a 2-deoxy-d-ribosa OH H OH H OH CH2OH H HO D-ribosa H H OH H OH CH2OH H HO 2-deoxy-D-ribosa O HO OH OH OH β-D-ribofuranosa O HO OH OH 2-deoxy-β-D-ribofuranosa d-Glukosamin O HO OH NH2 OH OH D-glukosamin O OH OH NH2 HO HO 28. dubna 2020 20 / 51 Sacharidy Disacharidy, oligo- a polysacharidy vznikají spojení monosacharidů glykosidickou vazbou (poloacetalová -OH jednoho sacharidu nahrazena kyslíkem -OH skupiny druhého sacharidu – vzniká acetal). Maltosa – sladový cukr, disacharid vznikající hydrolýzou škrobu. O OH OH HO HO OH + α-D-glukopyranosa H2O− + H2O O OH OH HO HO O OH OH HO O OH maltosa 12 3 4 5 6 O OH OH HO HO OH 12 3 4 5 6 Spojení dvou α-d-glukopyranos 1→4 glykosidovou vazbou. 28. dubna 2020 21 / 51 Sacharidy Celobiosa – disacharid vznikající hydrolýzou celulosy. O OH OH HO HO β-D-glukopyranosa + β-D-glukopyranosa celobiosa O OH OH HO O OH Spojení dvou β-d-glukopyranos 1→4 glykosidovou vazbou. Laktosa – mléčný cukr. O OH OH HO β-D-galaktopyranosa + β-D-glukopyranosa laktosa O OH OH HO O OH HO Spojení β-d-galaktopyranosy a β-d-glukopyranosy 1→4 glykosidovou vazbou. 28. dubna 2020 22 / 51 Sacharidy Sacharosa – řepný (třtinový) cukr. α-D-glukopyranosa + β-D-fruktofuranosa sacharosa O HO OH HOHO O OH O OH HO OH Sacharosa je neredukující cukr, také nepodléhá mutarotaci. 28. dubna 2020 23 / 51 Sacharidy Celulosa – lineární homopolymer složený z β-d-glukopyranos spojených 1→4 glykosidovou vazbou. V řetězci 7 000 až 12 000 glukosových jednotek. Mezi řetězci celulosy vznikají silné vodíkové vazby – strukturní funkce celulosy. O OH OH HO O β-D-glukopyranosa celulosa O OH OH HO O O O OH OH HO O OH OH HO O O 28. dubna 2020 24 / 51 Sacharidy Škrob – větvený homopolymer složený z α-d-glukopyranos. Zásobní polysacharid rostlin. Skládá se z: Amylosy – lineární část (1→4 vazby), tvoří asi 20 % škrobu. Nerozpustná ve studené vodě. Amylopektinu – větvená část (1→4 a 1→6 vazby). Větvení každých cca 25 glukosových jednotek. α-D-glukopyranosa O HO OHHO O O HO OHHO O O amylosa O HO OHHO O HO OHHO O O 28. dubna 2020 25 / 51 Sacharidy Škrob α-D-glukopyranosa O HO OHHO O O O OHHO O O amylopektin O HO OHHO O HO OHHO O O O OH HO OH O O OH HO OH O 28. dubna 2020 26 / 51 Sacharidy Glykogen – větvený homopolymer složený z až 100 000 α-d-glukopyranosových jednotek. Zásobní polysacharid živočichů. Strukturou podobný amylopektinu (1→4 a 1→6 vazby), větvení co 8–12 jednotek. Chitin – strukturní polymer některých živočichů. Složen z N-acetyl-d-glukosaminových jednotek spojených β-(1→4) glykosidovými vazbami. Strukturou podobný celulose. O OH NH HO O chitin O OH NH HO O O O OH NH HO O OH NH HO O O H3C O O H3C O H3C O H3C 28. dubna 2020 27 / 51 Úkol Nakreslete vzorec α-d-talopyranosy v Haworthově projekci. HO H H O HO H HO H H OH CH2OH D-talosa 28. dubna 2020 28 / 51 Úkol Nakreslete vzorec α-d-talopyranosy v Haworthově projekci. HO H H O HO H HO H H OH CH2OH D-talosa Řešení: α-D-talopyranosa OOH H H OH OH HH OH CH2OH H 28. dubna 2020 28 / 51 Heterocyklické sloučeniny Sloučeniny, jejichž základem je uhlovodíkový cyklus, v němž jeden nebo více atomů uhlíku je nahrazeno heteroatomem. Mnoho přírodních látek: N N CH3 N N N N O O H3C CH3 CH3 N N NH2 HN H NH2 COOH N H NH2 HO N N O H OH O O OH OH HO HO N S O CH3 CH3 COOH N H O H nikotin kofein penicilin G kyselina askorbová tryptofan serotonin histamin indigo 28. dubna 2020 29 / 51 Heterocyklické sloučeniny Heterocykly často nesou historické triviální názvy: N N H O N N H S N H N H N N O N H N N N N N H pyrrol furan thiofen imidazol pyrrolidin pyridin piperidin pyrimidin 4H-pyran indol chinolin purin 28. dubna 2020 30 / 51 Heterocyklické sloučeniny Při číslování heterocyklu se obecně snažíme nejnižší lokanty přidělit heteroatomům. Pořadí priorit mezi heteroatomy: O > S > N. N N H N OS N N 1 2 3 4 5 6 1 2 34 5 1 2 34 5 1 2 34 5 Některé heterocykly mají stanovené číslování: 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 1 2 3 45 N H N N N N N H 6 7 6 7 8 7 8 9 28. dubna 2020 31 / 51 Heterocyklické sloučeniny Hantzschův-Widmanův systém – tvorba systematických názvů monocyklických heterocyklů. Název heterocyklu se tvoří z předpony, která udává druh heteroatomu (pro dusík aza-, pro kyslík oxa-, pro síru thia-) a z kmene názvu, který vyjadřuje počet atomů v cyklu a stupeň nasycenosti sloučeniny. Heterocykly obsahující Heterocykly neobsahující Počet atomů atom dusíku atom dusíku v cyklu Nenasycené Nasycené Nenasycené Nasycené 3 -irin -iridin -iren -iran 4 -et -etidin -et -etan 5 -ol -olidin -ol -olan 6 -in -inan -in -an 7 -epin -epan -epin -epan 8 -ocin -okan -ocin -okan 9 -onin -onan -onin -onan 10 -ecin -ekan -ecin -ekan 28. dubna 2020 32 / 51 Heterocyklické sloučeniny Hantzschův-Widmanův systém Nenasycené heterocyklické sloučeniny mají ve svém cyklu maximální počet nekumulovaných dvojných vazeb. Například dvě dvojné vazby v pětičlenném cyklu nebo tři dvojné vazby v cyklu šestičlenném. Příklady: N pyrrol (azol) N pyridin (azin) N N pyrazin (1,4-diazin) O furan (oxol) H O oxiran N aziridin H N azetidin H O oxolan N N N 1 2 3 4 5 6 1,2,4-triazin O N S 1 2 3 4 5 6 1,4,3-oxathiazin S O N S N 1,2,4-thiadiazol 1,3-oxathiolan 1 2 34 5 1 2 34 5 28. dubna 2020 33 / 51 Heterocyklické sloučeniny Vlastnosti a reaktivita heterocyklů O reakce typické pro ethery N H reakce typické pro aminy Pětičlenné aromatické heterocykly N H sp2N H O sp2 O O N S podobnost s benzenem podobnost s dieny H 28. dubna 2020 34 / 51 Heterocyklické sloučeniny Pětičlenné aromatické heterocykly Aromatická sloučenina Delokalizační energie/(kJ mol−1 ) Benzen 151 Thiofen 121 Pyrrol 92 Furan 67 Rezonanční struktury thiofenu, pyrrolu a furanu: X X XX X X = S, O, N X 28. dubna 2020 35 / 51 Heterocyklické sloučeniny Pětičlenné aromatické heterocykly Při elektrofilní aromatické substituci elektrofil vstupuje přednostně do pozic 2 a 5. N H H E N H H E N H H E N H N H H E H E N H E Pyrrol (a další pětičlenné aromatické heterocykly) je nestabilní v přítomnosti kyselin – dochází k polymeraci. N H H H N H + polymerace 28. dubna 2020 36 / 51 Heterocyklické sloučeniny Pro elektrofilní substituce se používají nekyselá činidla. N H NO O Cl N H +Cl N H ClClNCS N H N H NO2 HNO3/Ac2O H3C O NO2 O −10 °C S HNO3/H2SO4 30 °C S NO2 S 30 °C S Br NBS 28. dubna 2020 37 / 51 Heterocyklické sloučeniny Porfin – aromatický π-systém s 18 elektrony obsahující 4 cykly pyrrolu. Porfyriny – deriváty porfinu. N N N N H H porfin N N N N CH3HOOCH2CH2C CH3 H3C H3C HOOCH2CH2C CH2 CH2 Fe hem Jedna z metod přípravy: N − 4 H2O − 3 H2 BF3 Et2O H 44 +R O H N N N N R R R R H H 28. dubna 2020 38 / 51 Heterocyklické sloučeniny Pyridin – šestičlenný aromatický heterocyklus. Elektronový pár atomu dusíku není v konjugaci. sp2 N N Atom dusíku odčerpává elektronovou hustotu z atomů uhlíku: N N N N N Pyridin je zásadou: N N HpKb = 8,8 H 28. dubna 2020 39 / 51 Heterocyklické sloučeniny Pyridin podstupuje neochotně elektrofilní aromatické substituce, elektrofil vstupuje do pozice 3. N 300 °C HNO3/H2SO4 N 3-nitropyridinpyridin NO2 N O S N snadnost elektrofilní aromatické substituce H 28. dubna 2020 40 / 51 Heterocyklické sloučeniny Pokud je na jádře potenciální odstupující skupina, může proběhnout nukleofilní aromatická substituce: N Cl 2-chlorpyridin CH3ONa 50 °C N OCH3 2-methoxypyridin + NaCl OCH3 mechanismus: N Cl N OCH3 Cl Na N OCH3 Na + NaCl 28. dubna 2020 41 / 51 Heterocyklické sloučeniny Pyrimidin a jeho deriváty N N N N O O uracil cytosin thymin N N NH2 O N N O O CH3 H H H H H 28. dubna 2020 42 / 51 Heterocyklické sloučeniny Purin a jeho deriváty N N N N NH2 adenin H N N N N H N N N N H N N N N O H2N guanin H N N N N O O O mocová kyselina H2O 78 % 22 % 20 °C H H H H N N CH3 H3C O O kofein N N CH3 H3C O O theofillin N N CH3 O O theobromin N N CH3 N N H N N CH3 H H 28. dubna 2020 43 / 51 Aminokyseliny Substituční deriváty karboxylových kyselin s -COOH i -NH2 skupinami. Bílkoviny obsahují α-aminokyseliny (22, z nich 20 standardně kódovaných). Téměř výhradně l-aminokyseliny. COOH R H2N H Prolin je sekundární amin. N H COOH Další biologicky významné aminokyseliny: COOHH2N γ-aminomáselná kyselina (γ-aminobutanová kyselina) O HO I I I I COOH NH2 thyroxin 28. dubna 2020 44 / 51 Aminokyseliny Acidobazické chování aminokyselin R H NH3 COOH pKa1 R H NH3 COO pKa2 R H NH2 COO 28. dubna 2020 45 / 51 Aminokyseliny Peptidová vazba CH C O OH H2N R1 CH C O OH H2N R2 + CH CH2N R1 O N H CH R2 C OH O + H O H C O N C O N Amidová vazba – planární uspořádání atomů NCO. Konformery: C O N H s-trans C O N H s-cis Ea = 80 kJ/mol s-trans je stabilnější, v peptidech ale obvykle převládá s-cis. 28. dubna 2020 46 / 51 Aminokyseliny Sekvenování peptidů Instrumentální (MS. . . ) Chemické metody. Delší řetězce je potřeba selektivně rozštěpit na menší fragmenty: Enzymaticky – trypsin (karboxyl Arg a Lys), chymotrypsin (karboxyl Phe, Tyr a Trp). . . Chemicky – BrCN (karboxyl Met). 28. dubna 2020 47 / 51 Aminokyseliny Sekvenování peptidů Val-Gly-Ala-Phe-Thr-Cys-Arg-Pro-Asn-Met-Tyr-Gly-Ser-Trp-Gly-Lys-Leu-His trypsin: chymotrypsin: Pro-Asn-Met-Tyr-Gly-Ser-Trp-Gly-Lys Val-Gly-Ala-Phe-Thr-Cys-ArgLeu-His Gly-Lys-Leu-His Val-Gly-Ala-Phe Thr-Cys-Arg-Pro-Asn-Met-TyrGly-Ser-Trp Pro-Asn-Met-Tyr-Gly-Ser-Trp-Gly-LysVal-Gly-Ala-Phe-Thr-Cys-Arg Leu-His Gly-Lys-Leu-HisVal-Gly-Ala-Phe Thr-Cys-Arg-Pro-Asn-Met-Tyr Gly-Ser-Trp stanovení sekvence: 28. dubna 2020 48 / 51 Aminokyseliny Označení aminokyseliny na N-konci pomocí Sangerova činidla: N H R2 O NH2 R1 NH2 R2 + NO2 F NO2 + − HF N H R2 O N R1 H NO2 NO2 H2O/H ∆T O N R1 H NO2 NO2 HO Edmanovo odbourávání pomocí fenylisothiokyanátu: N H R2 O NH2 R1 N C S1. 2. CF3COOH NH2 R2 + N N S H R1 O fenylthiohydantoin 28. dubna 2020 49 / 51 Aminokyseliny Pomocí Edmanova odbourávání lze sekvenovat řetězce dlouhé max. 50 aminokyselin. Mechanismus Edmanova odbourávání: N H O NH2 R C S N Ph N H O N R H C H NS Ph N SO N H N Ph R H H N SO N H N Ph R H H N SO N H N Ph R H H O H O F3C O O F3C N S N Ph HR O H N H H N S N Ph HR O N N S HR O Ph 28. dubna 2020 50 / 51 Aminokyseliny Sekvenátor 28. dubna 2020 51 / 51