Sacharidy
Polyhydroxyaldehydy (aldosy) nebo poly hydroxy ketony (ketosy).
CHO i	CH2OH
H-C-OH	C=0 1
1 HO-C-H	HO-C-H
1 H-C-OH	1 H-C-OH
1 H-C-OH	1 H-C-OH
1 CH2OH	1 CH2OH
D-glukosa	D-fruktosa
Nejjednoduššími sacharidy jsou dihydroxyaceton a glyceraldehyd (CsHeOs), monosacharidy obsahující více než 7 atomů uhlíku jsou nestálé.
Dříve také uhlovodany.
glukosa    C6H1206 = C6(H20)6
sacharosa C12H220n = C12(H20)n
Sacharidy
ŕ
V
Monosacharidy
Oligosacharidy
2-10 monosacharidů
1
Polysacharidy
v.
Cukry
J
Saccharum - lat. cukr
Sacharidy
Označení monosacharidň
	-tri-
aldo-	-tetr-
	-pent- -osa
keto-	-hex-
	-hept-
1pHO H-2p-OH H-3p-OH H-4C-OH
5CH2OH
aldopentosa
1pHO H-2p-OH HO-3p-H H-4p-OH H-5p-OH
6CH2OH aldohexosa
1CH2OH
2p=o
HO-3p-H H-4p-OH H-5p-OH 6CH2OH
ketohexosa
D-ribosa
D-glukosa
D-fruktosa
Sacharidy
Sacharidy obsahují řadu center chirality a až na výjimky jsou chirální.
Ke znázornění prostorového uspořádání cukrů se historicky používá Fischerova projekce:
X
W
CHO
i
Hlll9^CH2OH OH
D-glyceraldehyd
CHO H^OOH
ČH2OH
Fischerova projekce
CHO
H
OH
CH2OH
Sacharidy
Podle konfigurace centra chirality nejvzdálenějšího od karbonylu dělíme monosacharidy na d- a l-monosacharidy (cukry).
CHO
H-
OH
H2C-OH D-glyceraldehyd
CHO
HO-
■H
H2C-OH L-glyceraldehyd
V živé přírodě dominují d-cukry.
d- a l-sacharidy nesoucí stejný název jsou enantiomery:
CHO
hi-
hi-
H-
OH OH
OH
CH2OH D-ribosa
HOHO-
CHO
■H
HO-
H
H-HO-H-
CHO -OH -H
■H
CH2OH L-ribosa
OH
1 1	
1 1	vJn
CH2OH D-glukosa
HO-H-
CHO
■H
HO-
	i i
MvJ	1 1
OH -H
CH2OH L-glukosa
Sacharidy
Epimery - sacharidy, které se liší pouze konfigurací na jednom stereogenním centru.
CHO
HO-
HO-hi-
hi-
H
-H
OH
OH
CH2OH
D-mannosa
CHO
H-
HO-H-
H-
OH
■H
OH OH
CH2OH D-glukosa
Monosacharidy mohou tvořit pěti- nebo šestičlenné cyklické poloacetaly:
H ^~
O
O
H
Rovnováha je posunuta ve prospěch poloacetalu
Sacharidy
Cyklické formy monosacharidů můžeme považovat za deriváty tetrahydrofuranu (furanosy) a tetrahydropyranu (pyranosy).
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.
Sacharidy
Odvození Haworthova vzorce ze vzorce otevřené formy aldosy:
H-HO-H-
H-
CHO -OH -H
OH OH
CH2OH D-glukosa
H
C-CH2OH
%H C
OH
i
H
C
Óh
H
C=0
c
l\OH
H
I
C-CH2OH
C
H I
c=o
rotace o 120c
CH2OH I
C-OH
H/l H I/ H l
C C=0
Hi\?H V
HU c—c
H
OH
H
OH
Sacharidy
Odvození Haworthova vzorce ze vzorce otevřené formy aldosy:
HO
CH2OH I
C-OH
"ŕ
—c
H
I
c=o
tvorba acetalu
H
HO
CH2OH -O
H
OH H
C i
H
H
OH
OH
H OH D-glukopyranosa
Adicí-OH skupiny na karbonyl mohou vzniknout dva anomery - stereo i so m e ry, které se liší orientací nově vzniklé poloacetalové -OH skupiny:
CH2OH
H
HO
CH2OH
-O
H N OH H
H
OH
H
HO
■O
H
OH H
\OH
\
H
H OH oc-D-glukopyranosa
H OH (3-D-glukopyranosa
Sacharidy
Odvození Haworthova vzorce ze vzorce otevřené formy ketosy:
HO-H-H-
CH2OH i
C=0
H
OH OH
CH2OH
CH2OH OH
CH2OH l
c=o
c
I
HO 1/
-C l
OH H
HOH2C    O CH2OH
H^
,H HO/
OH
OH H
Zjednodušený zápis:
CH2OH
-O
\
nJ
oc-D-glukopyranosa
Mutarotace - změna zastoupení anomerů ve směsi, která je doprovázena změnou optické otáčivosti.
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:
H
HO
CH2OH -O
H
OH H
H
O
II
O-P-OH
H
OH
I
OH
oc-D-glukopyranosa-1 -fosfát
OH i
HO-P-0-CH2
n
0 H
HO
■O
H
OH H
H
OH
H OH a-D-glukopyranosa-6-fosfát
Sacharidy
Estery monosacharidů:
OH
HO-
^O
j-
OH
O O
X x
H3C CrXH3 nadbytek
pyridin
CH3
O
HO OH (3-D-glukopyranosa
O
■O ^CH3 0"'<     V-0 + 5 CH3COOH
H3C^    )-( O
o o o^;
)=o CH3
H3C
penta-O-acetyl-p-D-glukopyranosa
Sacharidy
Tvorba glykosidů:
Glykosidy vznikají substitucí poloacetalové -OH skupiny nukleofilem
h3C-oh^ hči
ho oh
p-D-glukopyranosa
+
33 % 67 %
methyl-p-D-glukopyranosid methyl-a-D-glukopyranosid
Také A/-glykosidy:
nh:
n
n
1—1
V
N
ho oh
nh:
n
n
o ^n^n
ho-p-0
Óh
H
ho oh
Cukr (pentosa) + báze = nukleosid
Cukr (pentosa) + báze + fosfát = nukleotid
Sacharidy
Redukce sacharidů:
Redukcí aldos a ketos vznikají cukerné alkoholy.
HO OH (3-D-glukopyranosa
H-
HO-hi-
hi-
OH -H
■OH OH
CH2OH D-glukosa
NaBH4 H20
H
O-H-
HO-H-
H-
H
OH -H
OH OH
CH2OH D-glucitol
Oxidace sacharidů:
Oxidací aldehydové skupiny u aldos vznikají aldonové kyseliny.
H^.0 HO^O oxidace ^
•A/W vAAA/
aldosa aldonová
kyselina
Sacharidy
H--OH
Br2 HO--H
H20 H--OH
pH = 6 H--OH
CH2OH
D-glukonová kyselina
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 nered u kujících oligo- a polysacharidu.
Oxidace sacharidů:
H-
HO-hi-
hi-
OH -H
■OH OH
CH2OH
(3-D-glukopyranosa D-glukosa
Sacharidy
Oxidace sacharidů:
Oxidace silnými oxidačními činidly (HNO3) vede k oxidaci primární-OH skupiny - z aldos vznikají aldarové kyseliny.
H-
HO-H-
H-
O^OH
OH -H
H-
NHO3
OH ■OH
H20 AT
HO-H-
H-
ß-D-glukopyranosa
CH2OH D-glukosa
OH -H
OH OH
O^OH
D-glukarová kyselina
Selektivní oxidací primární-OH skupiny vznikají uronové kyseliny.
HOOC
HO OH glukuronová kyselina
Konjugace s produkty metabolismu cizorodých látek, součást hyaluronové kyseliny.
Sacharidy
Epimerace:
H-
HO-H-
H-
■OH -H
OH OH
CH2OH D-glukosa
NaOH HoO
H
HO
HO-H-
H-
*OH
■H
OH -OH
CH2OH
HoO
H-HO-H-
H-
OH -H
OH OH
CH2OH D-glukosa
+
HO-HO-H-
H-
■H
■H
OH OH
CH2OH
D-mannosa
_i
epimery
+
HO-H-H-
CH2OH C=0 -H -OH -OH
CH2OH D-fruktosa
Sacharidy
D-Glukosa - dextrosa, hroznový cukr. Primární produkt fotosyntézy:
6C02 + 12H20
C6H1206 + 6 H20 + 6 02
V roztoku 99 % jako pyranosa, necyklická molekula se podílí 0,25 % a furanosy vytvářejí zbytek.
H-
HO-hi-
hi-
OH -H
OH OH
CH2OH D-glukosa
H20
+
oc-D-glukopyranosa 36%
(3-D-glukopyranosa 64%
D-Galaktosa - gálaktos - řecky mléko.
Sacharidy
D-Ribosa a 2-deoxy-D-ribosa
hi-
hi-
H-
HO.
OH OH OH
OH OH
OH
CH2OH D-ribosa
(3-D-ribofuranosa
H-
H-
H-
H
OH OH
CH2OH 2-deoxy-D-ribosa
HO.
^ OH
OH
2-deoxy-(3-D-ribofuranosa
D-Glukosamin
D-glukosamin
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.
Spojení dvou a-D-glukopyranos 1—>4 glykosidovou vazbou.
Sacharidy
Celobiosa - disacharid vznikající hydrolýzou celulosy.
p-D-glukopyranosa + p-D-glukopyranosa celobiosa
Spojení dvou /3-D-glukopyranos 1—>4 glykosidovou vazbou Laktosa - mléčný cukr.
(3-D-galaktopyranosa + p-D-glukopyranosa
laktosa
Spojení /3-D-galaktopyranosy a /3-D-glukopyranosy 1—>4 glykosidovou vazbou.
Sacharidy
Sacharosa - řepný (třtinový) cukr.
oc-D-glukopyranosa + (3-D-fruktofuranosa
sacharosa
Sacharosa je neredukující cukr, také nepodléhá mutarotaci
Cyklodextriny - cyklické oligosacharidy z 7 až 32 a-D-glu kopy ra nosových jednotek.
a-cyklodextrin (6 molekul glukosy), /3-cyklodextrin (7 molekul glukosy), 7-cyklodextrin (8 molekul glukosy).
OH
OH
Cyklodextriny - váží lipofilní molekuly do své kavity, vnějšek molekuly je hydrofilní.
Chirální molekula.
Sacharidy
Celulosa - lineární homopolymer složený z /3-D-glukopyranos spojených 1—>4 glykosidovou vazbou.
V řetězci 7 000 až 12 000 gl u kosových jednotek.
Mezi řetězci cel u losy vznikají silné vodíkové vazby - strukturní funkce cel u losy.
OH
(3-D-glukopyranosa
celulosa
Sacharidy
Škrob - větvený homopolymer složený z a-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 gl u kosových jednotek.
HO
amylosa oc-D-glukopyranosa
Glykogen - větvený homopolymer složený z až 100 000 a-D-g\u kopyra nosových 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 A/-acetyl-D-glukosaminových jednotek spojených >4) glykosidovými vazbami.
Strukturou podobný celulose.
OH
acharidy
Agarosa - nevětvený polysacharid složený z disacharidu agarobiosy, která obsahuje D-galaktopyranosu a 3,6-anhydro-L-galaktopyranosu spojené a-(l—>3) a >4) glykosidové vazby.
Část -OH skupin je methylová na, vázána v acetalu s pyrohroznovou kyselinou a esterifikována kys. sírovou.
Sacharidy
Pektin - heteropolysacharid, hlavní složkou je D-galaktouronová kyselina, dále D-xylosa, D-galaktosa, L-arabinosa.. .
Asi 80 % karboxylových skupin je esterifikováno methanolem.
OH COOH.
OH
D-galakturonová kyselina
COOH
H—	-o
H	H
OH	
	
H
OH
■-H
-■n
Nachází se v buněčných stěnách rostlin.
Sacharidy
Hyaluronová kyselina - polysacharid složený z pravidelně se střídajících jednotek kyseliny D-glukuronové a A/-acetyl-D-glukosaminu, které jsou spojeny >4) a >>3) glykosidovými vazbami.
Jedna z hlavních složek mezibuněčné hmoty.
Nakreslete vzorec a-d-talopyranosy v Haworthově projekc
HO HO HO H
-H -H -H -OH CH2OH D-talosa
Nakreslete vzorec a-d-talopyranosy v Haworthově projekci
HOHOHÓ-H-
H
H
H
-OH CH2OH D-talosa
Řešení:
CH2OH
a-D-talopyranosa
Heterocyklické sloučeniny
Sloučeniny, jejichž základem je uhlovodíkový cyklus, v němž jeden nebo více atomů uhlíku je nahrazeno heteroatomem.
Mnoho přírodních látek:
Heterocyklické sloučeniny
Heterocykly často nesou historické triviální názvy:
N
i
H
pyrrol
O
furan
o
thiofen
O N i
H
imidazol
Q
i
H
pyrrolidin
	
	
pyridin	
	
	
	H
i
H
piperidin
pyrimidin
indol
N
v
"O" 4/-/-pyran
■ N
N
H
purin
Heterocyklické sloučeniny
Při číslování heterocyklu se obecně snažíme nejnižší lokanty přidělit heteroatomům.
Pořadí priorit mezi heteroatomy: O > S > N.
4
Některé heterocykly mají stanovené číslování:
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.
Počet atomů	Heterocykly obsahující atom dusíku		Heterocykly neobsahující 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
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:
o
O
furan (oxol)
o
N i
H
pyrrol (azol)
pyridin (azin)
N
N
pyrazin (1,4-diazin)
O
H i
N
LA
H
oxiran
aziridin
azetidin
oxolan
2 4 ! !
4N^6 6^2 4fi_Ä, 4\_4
5 1
1,2,4-triazin 1,4,3-oxathiazin 1,2,4-thiadiazol 1,3-oxathiolan
Heterocyklické sloučeniny
Vlastnosti a reaktivita heterocyklů
reakce typické pro ethery
reakce typické pro aminy
N I
H
Pětičlenné aromatické heterocykly
podobnost s benzenem -►
H
i
podobnost s dieny
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 = S, O, N
		
Heterocyk	Jické sloučeniny	
Pětičlenné aromatické heterocykly
Při elektrofilní aromatické substituci elektrofil vstupuje přednostně do pozic 2 a 5.
Pyrrol (a další pětičlenné aromatické heterocykly) je nestabilní v přítomnosti kyselin - dochází k polymeraci.
Heterocyklické sloučeniny
		
Heterocyk	Jické sloučeniny	
Porfin - aromatický 7r-systém s 18 elektrony obsahující 4 cykly pyrrolu.
Porfyriny - deriváty porfinu.
porfin hem
Jedna z metod přípravy:
Heterocyklické sloučeniny
Pyridin - šestičlenný aromatický heterocyklus.
Elektronový pár atomu dusíku není v konjugaci
h
Atom dusíku odčerpává elektronovou hustotu z atomů uhlíku
:n0
Pyridin je zásadou
e
'N1
pKb = 8,8
H
©n i
H
Heterocyklické sloučeniny
Pyridin podstupuje neochotně elektrofilní aromatické substituce, elektrofil vstupuje do pozice 3.
pyridin
HNO3/H2SO4 300 °C
3-nitropyridin
r\ r\ r\
V \/
N
I
H
KJ n
snadnost elektrofilní aromatické substituce
Heterocyklické sloučeniny
Pokud je na jádře potenciální odstupující skupina, může proběhnout nukleofilní aromatická substituce:
CH3ONa] 50 °C 1
2-chlorpyridin
I + NaCI 'N OCH3
2-methoxypyridin
mechanismus:
N
Na®
v Cl: ^CH3
.Cl:
.oK.'.'
K I '       ^ ✓"N
Na®
OCHr
I + NaCI 'N OCH3
Heterocyklické sloučeniny
Pyrimidin a jeho deriváty
ř-\
0	NH2	0
		
1	i	■
1 H	i H	1 H
uracil	cytosin	thymin
Heterocyklické sloučeniny
Purin a jeho deriváty
NHí
N'
N
N'
N
H
adenin
O
H.,
N H2N
N
N
H
guanin
O
H
N
O^N
H H močová kyselina
O
H3^MA^N
CH-
N
O^N
N
CH-
0 H
H3^MX_N
N
O^N
N
CH-
O
CH-
N
O^N
N
CH-
kofein
theofillin
theobromin
Substituční deriváty karboxylových kyselin s -COOH i -NH2 skupinami.
Bílkoviny obsahují a-aminokyseliny (22, z nich 20 standardně kódovaných). Téměř výhradně L-aminokyseliny.
HpN-
COOH
■H
R
Prolin je sekundární amin.
H
i
.N.
,.*COOH
Další biologicky významné aminokyseliny:
HpN.
,COOH
y-aminomáselná kyselina (y-aminobutanová kyselina)
thyroxin
Aminokyseliny
Acidobazické chování aminokyselin
H
H
R-
COOH NH3
pKai
R
H
COO NH3
?Ka2
R
0
—COO NH2
^11
^ N
:0:
Amidová vazba - planární uspořádání atomů NCO. Konformery:
• • • •
O:      ^ O:
ll ll
£7     ^ Ea = 80 kJ/mol V
Ů
s-trans s-cis
s-trans je stabilnější, v peptidech ale obvykle převládá s-cis.
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).
Aminokyseliny
Sekvenování peptidů
Val-Gly-Ala-Phe-Thr-Cys-Arg-Pro-Asn-Met-Tyr-Gly-Ser-Trp-Gly-Lys-Leu-His
trypsin:
Leu-His       Pro-Asn-Met-Tyr-Gly-Ser-Trp-Gly-Lys Val-Gly-Ala-Phe-Thr-Cys-Arg
chymotrypsin:
Gly-Ser-Trp       Gly-Lys-Leu-His        Val-Gly-Ala-Phe Thr-Cys-Arg-Pro-Asn-Met-Tyr
stanovení sekvence:
Val-Gly-Ala-Phe-Thr-Cys-Arg Pro-Asn-Met-Tyr-Gly-Ser-Trp-Gly-Lys Leu-His
Val-Gly-Ala-Phe Thr-Cys-Arg-Pro-Asn-Met-Tyr Gly-Ser-Trp Gly-Lys-Leu-His
Označení aminokyseliny na N-konci pomocí Sangerova činidla:
X
R2 O
N02
NH<
+
Ri
N02
-Hl
H2Q/H AT
R2
HO
O H i
N
N02
Ri
N02
Edmanovo odbourávání pomocí fenylisothiokyanátu:
R2 O
NH-
N=C=S
H Ri
2. CF3COOH
Y"NH2 +
Aminokyseliny
Pomocí Edmanova odbourávání lze sekvenovat řetězce dlouhé max. 50 aminokyselin.
Mechanismus Edmanova odbourávání: