Naturstoffchemie - Kohlenhydrate CHO H HO OH OH

Transkript

1 Einführung: Glucose I. Die Fischer-Projektion: C C R = D-Glucose 2-epi-Glucose = Mannose C II. Stereoisomere: chirale Zentren, kein Symmetrieelement. 2 = 6 Aldohexosen-Stereoisomere. 8 diastereore Paare von Enantiomeren. III. D/L-Nomenklatur: Die D/L-Nomenklatur für Monosaccharide definiert die absolute Konfiguration am höchst nummerierten chiralen Zentrum. R D-Zucker S L-Zucker Nützliche Links: Kohlenhydratstrukturen;

2 Monosaccharide Aldosen Fischer-Projektion in der D-Serie der Aldosen. E. Fischer: Bestimmung der relativen Konfiguration aller exosen. Erythrose C C D-Glycerinaldehyd C C C C C Ribose Arabinose Xylose Lyxose Threose C C C C C C C C Allose Altrose Glucose Mannose Gulose Idose Galactose Talose 2

3 In Säugetieren häufig vorkommende Zucker. R D-Glucose R D-Galactose R D-Mannose 2 C S! L-Idouronsäure 2 C R D-Glucoronsäure S L-Fucose R D-Xylose R NAc N-Acetyl-D-Glucosamin R NAc N-Acetyl-D-Galactosamin N Sialinsäure C 2 3

4 Monosaccharide Ketosen Fischer-Projektion in der D-Serie der Ketosen. Ribulose Erythrulose Xylulose Psicose Fructose Sorbose Tagatose

5 Mutarotation: Einstellung eines Gleichgewichtes der Anomeren über eine offenkettigen Zwischenstufe. Allgemeine Säuren-Basen-Katalyse. B B B B 5

6 Glycosid-Synthese via Austausch am anomeren Sauerstoffatom C2-Steuerung Z R Z R hauptsächlich,2-trans-produkt Z = Ac, Bz, NAc Z X Y S N -Typ Z R R Z R hauptsächlich α-glycoside Z = Bn, N 3 S N 2-Typ Z Glycosil-Donor X R Glycosil-Akzeptor Z R Inversion Z = Bn, N 3 Lösungsmitteleinflüsse beim S N -Mechanismus Z R kinetischer Lösungsmittelkomplex mit C 3 CN Z N N Z thermodynamischer Lösungsmittelkomplex mit Et 2 Et 2 R Z R 6

7 Fischer-Glycosidierung D-Galactopyranose Me, Cl Rückfluss, 2h Me 58% 20% Me Thermodynamische Bedingungen (2h): hauptsächlich Pyranosen. Kinetische Bedingungen (6h): >50% β-d-galactofuranoside. Me 6% 6% Me Die Fischer-Glycosidierung läuft über die anfängliche Bildung der Furanoside. Me schnell Me Me Me langsam 7

8 Die Koenigs-Knorr-Reaktion Bn Bn Bn R α-d-mannose Br A Y in situ Anomerisierung Y = R NBr, g(cn) 2, gbr 2 ; Y = AgCl, AgTf Bn Bn Bn R R = Bn, Bz, Ac A,2-trans α-d-mannose (einfach) heterogene Bedingungen Y = Ag 2, Ag-Silikat/Al 2 3 Bn Bn Bn R R = Bn A,2-cis β-d-mannose (anspruchsvoll) Glycosyl-Donor Promotor Glycosyl-Akzeptor R R R N 3 R: Bn>Bz=Ac X: I>Br>Cl X Et NBr g(cn) 2 g(cn) 2 /gbr 2 gbr 2 AgCl R AgTf -Me>>-C 2 R>6-6->>3->2->- Eine ptimierung von Ausbeute und Selektivität verlangt nach einer genauen Einstellung der drei Parameter. ) Reaktivität des Glycosyl-alogenids - Abhängig von Schutzgruppen. 2) Reaktivität des Glycosyl-Akzeptors - Abhängig von Schutzgruppen und räumlichen Anspruch. 3) Aktivität des Promoters - Stark variierender Aktivitätsbereich. 8

9 Stereochemie der Trichloracetimidat-Bildung - Der kinetische anomere Effekt β-glycosyloxid-anionen sind aufgrund des kinetischen anomeren Effektes stärker nucleophil als α-glycosyloxid-anionen.. ß-Glycoside sind sterisch leichter zugänglich (mehr Platz in der äquatorialen Position). 2. Wechselwirkungen zwischen Dipolen und freien Ionenpaaren destabilisieren das β-glycosyloxid-anion. 9

10 . Kinetische Bedingungen: β-trichloracetimidat (kinetischer anomerer Effekt) 2. Thermodynamische Bedingungen: α-trichloracetimidat (anomerer Effekt) Thermodynamisch Ac Ac Ac Ac K 2 C 3, Cl 3 CN, C 2 Cl 2, 8h, r.t. 98% Ac Ac Ac Ac N Kinetisch Ac Ac Ac Ac K 2 C 3, Cl 3 CN, C 2 Cl 2, 2h, r.t. 78% Ac Ac Ac Ac CCl 3 N CCl 3 Thermodynamisch Bn Bn Bn Bn K 2 C 3, Cl 3 CN, C 2 Cl 2, 8h, r.t. 78% Bn Bn Bn Bn N CCl 3 Kinetisch Bn Bn Bn Bn K 2 C 3, Cl 3 CN, C 2 Cl 2, 2h, r.t. 90% Bn Bn Bn Bn N CCl 3 0

11 Die Trichloracetimidat-Methode R R R R K 2 C 3, Cl 3 CN, C 2 Cl 2, 8h, r.t. 98% R R R R A N BF 3 A-, BF 3 R R R R A CCl 3 R R R R K 2 C 3, Cl 3 CN, C 2 Cl 2, 2h, r.t. 78% R R R R N CCl 3 A-, BF 3 BF 3 R R R R A A Kontrolle über das anomere Zentrum durch:. Nachbargruppen-Effekte (R = Ac, Bz, NAc:,2-trans-Konfiguration. 2. Keine Nachbargruppen-Effekte (R = Bn) a) Milde Lewis-Säure (BF 3 ) und tiefe Temperatur: Inversion an C. b) Starke Lewis-Säure (TMSTf): Bildung der thermodynamischen Glycoside. c) Lösungsmittel-Effekte: Et 2 begünstigt die α-konfiguration; MeCN begünstigt die β-konfiguration.

12 Die Nachbargruppen-Beteiligung an C2 bietet Kontrolle über das anomere Zentrum X Y Y = Promoter R R β-glycosid Gluco-Serie auptprodukt X Manno-Serie Y Y = Promoter R R auptprodukt α-glycosid 2

13 äufig verwendete Glycosyl-Donatoren N X Glycosyl-alogenide (X = Br, Cl) Aktivierung durch: R NBr; g(cn) 2, AgCl, AgTf SR Thio-Glycoside (R = Alkyl, Aryl) Aktivierung durch: NIS/Tf; DMTST CCl 3 Trichloacetimidate Aktivierung durch: BF 3 xet 2, TMSTf F Glycosyl-Fluoride Aktivierung durch: SnCl 2 /AgCl ; fcp 2 Cl 2,(AgTf) Weitere Glycosyl-Donatoren Epoxide Aktivierung durch: ZnCl 2 SeAr Seleoglycoside Aktivierung durch: AgTf/K 2 C 3 S N Pyridylthioglycoside g(n 3 ) 2, AgTf Anomere Ester Cu(Tf) 2, Sn(Tf) 2 N 3

14 Die biologische Bedeutung der ligo- und Polysaccharide Struktur-gebende Eigenschaften: - Zellulose: Zellwände der Pflanzen, Baumwolle,... - Agar: Zellwandmaterial von Seegras. - Chitin: Skelett der Insekten,... Energiespeicher: -Glycogen: Energiespeicher in Säugetieren. - Stärke (Mischung aus Amylose und Amylopektin), Energiespeicher der Pflanzen. Träger der biologischen Information: - Zell-Zell-Kontakte/Erkennung, Wachstumskontrolle, Entwicklung des Nervengewebes. - Antigen-Antikörper-Wechselwirkung. - Glycokonjugate: ligosaccharide (Glycan) verknüpft an Biopolymere (Protein oder Lipid). A: Lineare Polysaccharide: Cellulose, Amylose (Stärke) B: Branched Polysaccharides: Amylopectin, Glycogen (Stärke) Polysaccharidstrukturen C: Alternierende Kohlenhydrat-Einheiten: Agarose D: ligosaccharid-blöcke: Alginat E: Komplexe Lineare Kohlenhydrat-Einheiten: Gellan

15 Cellulose: β-( )-verknüpfte Glucose-Einheiten: Chitin: β-( )-verknüpfte N-Acetylglucosamin-Einheiten (GlcNAc): NAc NAc AcN NAc Amylose (eine Komponente von Stärke): α-( )-verknüpfte Glucose-Einheiten. Agarose (aus Algen): auptsächlich Galactose/Anhydrogalactose-Einheiten. 5

16 Glycokonjugate als Träger der biologischen Information Glycokonjugate = Glycan + Protein/Lipid Glycoproteine: N-verknüpfte Glycoproteine NAc N N N -Verknüpfung des Glycans (GlcNAc) mit der Amid-Gruppe von Asparagin. - Das Pentasaccharid besitzt immer die selbe ligomannose-struktur. - Beispiele: Serumproteine (Amylase), Plasmaproteine (Fibrinogen), Immunogluboline, ormone, Membran-Glycoproteine. GlcNAc Asn 2 α 2 α α α 2 2 α β β NeuAc α 2 α 3 6 α α 3 6 α 2 β α β α α β α Fuc α α β Gal β β β Man β β β GlcNAc β β β 6 α Asn Asn Asn 6

17 -verknüpfte Glycoproteine AcN (, C 3 ) N N GalNAc N N Xylose Ser Ser/Thr Gal Die Strukturen der -Glycoproteine sind Vielfältiger als die der N-Glycoproteine. Weit verbreitet ist das erste Motif. Beispiele: Serum- und Membran-Glyco- Proteine (Blutgruppen-Glycoproteine); eparin. 3 β β β β 3 6 β 3 β 3 β 3 β β β β β 3 6 β β 3 α β 3 β 3 β β 6 α GlcNAc GalNAc Xyl β β 3 β β β β 3 6 α β Ser/Thr Ser/Thr Ser/Thr Ser/Thr Ser 7

18 Glycosphingolipide: Glycosylierte Sphingosin-Derivate (hauptsächlich Ceramide) Cerebroside: Eine Kohlenhydrateinheit (oft Glucose oder Galactose) Komplexe Glycosphingolide: Verzweigte und unverzeigte ligosaccharide ( 20 Monomere) Ganglioside: Glycosphingolipide mit Sialinsäure Sulfatide: sulfonylierte Glycoshingolipide. N Galactosylceramid (Galactocerebrosid) 3 S Cer 3-Sulfogalactosylceramid Vorkommen: Zellmembran, Nervensystem Biologische Funktion: Zell-Adhäsion, Zell-Zell-Interaktionen, Zell-Erkennung, Zell-Differenzierung, Bildung interneuraler Verbindungen, Zell-Differenzierung bei der Embryo-Entwicklung, Blutgruppen-Antigene. AcN C 2 NAc Gangliosid GM Cer 8

19 Die Biosynthese von N-Acetyl-Neuraminsäure ATP ADP N ManNAc ManNAc-Kinase N-Acetyl-Mannose Zellkern NeuAc CTP PPi CMP-NeuAc CMP-NeuAc-Synthase - 3 P - 3 P PEP ADP AcN PEP ADP AcN N ManNAc-6-P NeuAc-9-P-Synthase C - N-Acetyl-9-Phosphat Neuraminsäure NeuAc-9-P-Phosphatase C - N-Acetyl-Neuraminsäure N 2 C - Golgi P N AcN CMP-NeuAc Glycan N-Acetyl-Neuraminsäu CMP C - -Zucker(Glycan) AcN Sialylkonjugate mit N-Acetyl-Neuraminsäure 9

20 Zucker Cytosol AcN C - Zucker C - AcN 20

21 Die Entdeckung von Prof. Reutter (FU-Berlin) ATP ADP N ManNAc ManNAc-Kinase N-Acetyl-Mannose Zellkern NeuNBu CTP PPi CMP-NeuNBu CMP-NeuAc-Synthase - 3 P - 3 P PEP ADP N PEP ADP N N ManNAc-6-P NeuAc-9-P-Synthase C - N-Acetyl-9-Phosphat Neuraminsäure NeuAc-9-P-Phosphatase C - N-Acetyl-Neuraminsäure Golgi CMP Glycan N N C - CMP-NeuAc C - -Zucker(Glycan) Sialylkonjugate mit N-Acetyl-Neuraminsäure P N N 2 N-Acetyl-Neuraminsäu 2

22 Die folgenden 5 Folien sind eine freundliches Geschenk von Prof. Bertozzi Ich habe sowohl die Graphiken als auch den Text von Ihrer homepage übernommen. Wenn Sie daher von we lesen, ist die Bertozzi-Gruppe gemeint und nicht die von MK. Anwendungen von Prof. Bertozzi Comparisons have revealed that the human genome is not much larger than those of lower organisms, but vastly more abundant in posttranslational machinery, accounting for numerous complex functions found only in mammals. Ketone N ManLev Agent N Cell Agent N 2 N C 2 N SiaLev Cell C 2 Agent fashioned with an aminooxy, hydrazide or thiosemicarbazide group Cell 22

23 ther biological applications of the Staudinger ligation The Staudinger ligation has unique properties that make it well-suited for covalent modification of biomolecules within a complex, highly functionalized environment. The azide and modified triaryl phosphine are both stable in water, but react with each other in a highly chemoselective fashion and are not diverted by any functional groups found in cells or tissues. These qualities have prompted us to expand applications of Staudinger ligation chemistry to include protein tagging within a cellular environment. Azids can be incorporated into proteins via unnatural amino acids and targeted the proteins for covalent modification within cellular lysates. 23

24 Figure. Incorporation of azides into proteins via protein expression in the presence of azidohomoalanine and selective protein modification with a pro-fluorescent dye activated by the Staudinger ligation. 2

25 Tumor vaccine therapy Their close association with malignancy has prompted consideration of tumor-associated oligosaccharides as components of anti-tumor vaccines. owever, tumor oligosaccharides themselves usually fail to stimulate an immune response due to immune self-tolerance. We are exploring an approach to tumor immunotherapy that circumvents self-tolerance by creating unnatural modifications to tumor-associated oligosaccharides, rendering them "foreign" and immunogenic. An immune response to an unnatural variant of a tumor oligosaccharide is engendered by vaccination using a synthetic version of the molecule. The same unnatural modification is induced on tumor cell surfaces by feeding the organism an unnatural metabolic substrate. nce the unnatural epitope is expressed on cells, the immune response is triggered to kill them. The approach is under investigation using the tumor-specific sialyl Tn antigen as a vaccine target. A C 2 N Synthetic vaccine comprising: (a) the unnatural sialic acid SiaLev within a tumor-specific oligosaccharide (b) carrier protein to serve as T-cell epitope Immunize animal Antibodies specific for unnatural sialylated carbohydrate Immune response against tumor cells B C 2 N Tumor cell bearing sialylated tumor-specific oligosaccharide: Non-immunogenic due to self-tolerance Ac N Ac Ac Ac Feed animal ManLev C 2 N Cell Tumor cell bearing unnatural sialylated tumor-specific oligosaccharide: Immunogenic in vaccinated animal Figure: A strategy for tumor vaccine therapy that breaks oligosaccharide self-tolerance through unnatural sialic acid biosynthesis. A. The animal is vaccinated with a synthetic glycoconjugate comprising an unnatural sialylated tumor-specific oligosaccharide bound to an antigenic carrier protein. The unnatural sugar structure circumvents self-tolerance, leading to a vigorous antibody response. B. A tumor cell bearing a natural oligosaccharide is not normally recognized by the immune system due to self-tolerance. But, exposure to the unnatural metabolic substrate ManLev induces the unnatural modification that renders the oligosaccharide immunogenic in the vaccinated animal. The tumor is then destroyed by the immune system. 25

26 Metabolic disruption of poly-a-2,8-sialic acid, an oligosaccharide associated with metastasis Finally, we use metabolic processes to reversibly inhibit the cell surface expression of interesting polysaccharide structures. We have focused initially on polysialic acid (PSA), a polymer uniquely found attached to the neural cell adhesion molecule (NCAM). This epitope is found in the normal adult brain in regions of neuronal plasticity, and on numerous tumors where it appears to promote metastasis. The molecular underpinnings of these biological roles are not known. We discovered that unnatural sialic acids generated in cells by metabolism of synthetic precursors are incorporated into the PSA chain where they act as chain terminators during polymer extension. N-Butanoylmannosamine (ManBut), for example, serves as a reversible switch for the expression of PSA on both neurons and tumors, and we are now using this chemical tool to study the effects of PSA expression on cell-cell interactions in vitro and in vivo. ther metabolic interference projects in the laboratory focus on altering core structures on cell surface glycoconjugates. The salvage pathway for N-acetylgalactosamine (GalNAc), for example, can be intercepted with unnatural GalNAc analogs thereby changing the structures and perhaps functions of -linked glycoproteins and chondroitin sulfate proteoglycans. AcN C 2 C 2 AcN n AcN (n = 0-200) PSA C 2 Neuron or tumor cell N BuN C 2 ManBut Neural Cell Adhesion Molecule (NCAM) Figure: ManBut is a small molecule switch for polysialic acid expression on tumors and neurons. 26