Kohlenhydrate. Markus Tiedge. Institut für Klinische Biochemie Tel: (532)-6329 oder 6525 (Sekretariat)

Transkript

1 Kohlenhydrate Markus Tiedge Institut für Klinische Biochemie Tel: (532)-6329 oder 6525 (Sekretariat) Unterrichtsmaterialien:

2 Buchempfehlungen Löffler Basiswissen Biochemie 4. Auflage, Springer orn Biochemie des Menschen 1. Auflage, Thieme Domagk Biochemie für die mündliche Prüfung 3. Auflage, Springer Löffler/Petrides Biochemie und Pathobiochemie 7. Auflage, Springer

3 Unterrichtsplan 1. Grundbegriffe der Kohlenhydratchemie 2. Medizinisch relevante Kohlenhydrate 3. Glykoproteine und Glykolipide 4. Kohlenhydratverdau und resorption 5. Glykolyse und Gluconeogenese 6. Pentosephosphatweg 7. Glykogenstoffwechsel 8. Regulationsprinzipien des Kohlenhydratstoffwechsels 9. ormonelle Regulation durch Insulin und Glucagon 10. Der Diabetes mellitus als häufigste Störung des Kohlenhydratstoffwechsels

4 Kohlenhydrate Kohlenhydrate: Ein Polyhydroxyaldehyd oder Polyhydroxyketon, oder eine Substanz, aus denen diese Moleküle nach ydrolyse entstehen = Aldehyde oder Ketone eines mehrwertigen Alkohols. Monosaccharide: Ein Kohlenhydrat, das nicht durch ydrolyse in ein einfacheres Kohlenhydrat umgewandelt werden kann. Besitzen die allgemeine Formel C n 2n n, wobei n von 3 bis 8 variiert. Aldose: ein Monosaccharid, das eine Aldehydgruppe enthält Ketose: ein Monosaccharid, das eine Ketogruppe enthält

5 Funktionen von Kohlenhydraten Energiespeicher (Glykogen,Stärke) Strukturkomponenten (Zellulose, Chitin) Zellerkennung (Glykoproteine) Kohlenhydrate sind Bestandteile von - DNA, RNA - Cofaktoren (ATP, NAD(P)) - Glykoproteine - Glykolipide

6 Kohlenhydrate Monosaccharide sind einfache Zucker, die chemisch nicht weiter zu einfachen Zuckern abgebaut werden können. ligosaccharide = eine Verknüpfung von wenigen" Monosacchariden (2 bis 10) Polysaccharide sind Polymere (> 10) bestehend aus Monosacchariden

7 Monosaccharide Monosaccharide werden nach der Zahl ihrer Kohlenstoffatome klassifiziert Name Triose Tetrose Pentose exose eptose ctose Formel C C C C C C

8 Monosaccharide sind chiral Aldosen mit 3 oder mehr C-Atomen and Ketosen mit 4 oder mehr C-Atomen sind chiral. Chirales C-Atom = 4 verschiedene Bindungspartner Die Anzahl an chiralen C-Atomen ist in Ketosen immer um ein C-Atom geringer als bei den vergleichbaren Aldosen derselben Länge. Die Zahl der möglichen Stereoisomere beträgt 2 n (n = die Zahl der chiralen C- Atome) C C 2 C C 2 D-glucose C 2 D-fructose

9 Monosaccharide 2 wichtige Triosen im Stoffwechsel C C C 2 C= C 2 Glycerinaldehyd (eine Aldotriose) C 2 Dihydroxyaceton (eine Ketotriose) äufig werden die Bezeichnungen Aldo- oder Ketonicht erwähnt und die Substanzen nur als Triosen bezeichnet; bwohl hierdurch die Lokalisation der Carbonylgruppe nicht klar ist, so wird die Anzahl der Kohlenstoffatome festgelegt.

10 Monosaccharide Glycerinaldehyd enthält ein Stereozentrum und existiert daher als ein Paar von Enantiomeren C C C C C 2 C 2 (L)-Glyceraldehyd (D)-Glyceraldehyd

11 Fischer Projektionen Fischerprojektion: eine zweidimensionale Darstellung der Konfiguration des tetrahedrischen Stereozentrums horizontale Linien repräsentieren Bindungen in der Vorwärtsprojektion vertikale Linien repräsentieren Bindungen in der Rückwärtsprojektion C C Fischer C Projektion C 2 (D)-Glycerinaldehyd C 2 (D)-Glycerinaldehyd

12 D,L Monosaccharide 1891 erfolgte die Zuordnung von D- and L- zu den Enantiomeren des Glycerinaldehyds durch Emil Fischer C C 2 (D)-Glyceraldehyd [ a] 25 = D C C 2 (L)-Glyceraldehyd [ a] 25 = D

13 D,L Monosaccharide Nach den von Emil Fischer vorgeschlagenen Konventionen ist ein D-Monosaccharid: ein Monosaccharid das in der Fischerprojektion die - am letzten chiralen C-Atom auf der rechten Seite hat. L-Monosaccharid: a ein Monosaccharid das in der Fischerprojektion die - am letzten chiralen C-Atom auf der linken Seite hat. Die Nummerierung beginnt dabei am Molekülende, das die Aldehyd- bzw. die Ketogruppe trägt.

14 D-Monosaccharide Im folgenden sind die beiden häufigsten D-Aldotetrosen und D-Aldopentosen dargestellt: C C C C 2 C 2 C 2 D-Erythrose D-Threose D-Ribose Pentosephosphatzyklus Synthese von Phenylalanin in Pflanzen Pflanzen C C 2 D-Ribulose Nukleinsäuren, Pentosephosphat Coenzyme -zyklus (ATP, NAD), Pentosephosphat -zyklus

15 D-Monosaccharide 3 wichtige D-Aldohexosen. Merke: D-Glucosamin ist ein Aminozucker. D-Fructose ist die wichtigste 2-Keto-D-hexose C C 2 C C 2 C N 2 C 2 C 2 C C 2 D-Glucose D-Galactose D-Glucosamin D-Fructose Stärke, Glykogen, Saccharose, Lactose, Maltose Lactose Glykoproteine Fruchtsäfte, Saccharose

16 Zyklische Struktur Monosaccharide besitzen ydroxyl- und Carbonylgruppen im selben Molekül und liegen zumeist gänzlich als zyklische albacetale und ketale aus 5 bzw. 6 Atomen vor. Anomeres Kohlenstoffatom: ein neues Stereozentrum entsteht aus der albacetalformation. Anomere: Kohlenhydrate, die sich in der Anordnung des sterischen Kohlenstoffatoms unterscheiden.

17 Die Ringbildung von Aldosen und Ketoses führt zu einem zusätzlichen chiralen C-Atom Aldosen (Glucose) bilden einen Ring in Form eines zyklischen albacetals AL C L C Ketosen (Fructose) bilden einen Ring in Form eines zyklischen albketals R 1 R 2 ALD E YDE R 1 R 2 EM IACETA L NE W C I RAL CA RB N K E T NE NE W C I RAL CA RB N R C R 1 R R 1 AL C L R 2 R 2 EM IK ET AL

18 aworth Projektionen aworth Projektionen emiazetale oder ketale aus 5 und 6 Atomen sind als planare Pentagone oder exagone dargestellt. Dabei wird das anomere C-Atom rechts und das emiacetal Sauerstoffatom hinten rechts angeordnet. Die Bezeichnung b- bedeutet, daß die - Gruppe des anomeren Kohlenstoffatoms in der gleichen Ebene des Rings liegt wie die terminale -C 2 Gruppe; a- bedeutet, daß die - Gruppe in der entgegengesetzten Ebene zur terminalen -C 2 Gruppe liegt.

19 aworth Projektionen C 1 C oben = beta - unten = alpha C 3 5 C C 5 C Anomeres C-Atom Für alle nicht-anomeren C-Atome gilt, dass die - Gruppen in den in aworth Projektionen nach unten zeigen, wenn sie in den Fischer Projektionen nach rechts zeigen

20 C 5 C 2 D-Glucose Das Gleichgewicht der Mutorotation liegt auf Seiten der ß-D-Glucose 5 C 2 C 0,0025 %! anomeres Kohlenstoffatom C 2 C ( b) + ( a) b-d-glucopyranose a-d-glucopyranose ( b-d-glucose) ( a-d-glucose) 62 % 38 %

21 aworth Projektionen albazetalringe aus 6 Atomen werden als Pyranring bezeichnet. albazetalringe aus 5 Atomen werden als Furanring bezeichnet. Furan Pyran

22 Konformationsformeln albacetalringe aus 5 Atomen sind annähernd planar, so daß die aworth Projektionen die Furanosen adäquat repräsentieren. C 2 ( b ) C 2 ( a ) b-d-ribofuranose (b-d-ribose) a-d-ribofuranose (a-d-ribose)

23 Konformationsformeln Bei den Pyranosen ist der aus 6 Atomen bestehende Ring exakter durch die Sesselkonformation dargestellt. C 2 ( β) -ß-D-Glucopyranose (Sesselkonformation)

24 Konfiguration und Konformation Die sterischen Anordnungen der anomeren C-Atome sind bezogen auf die Ringebenen oben und unten - in beiden Projektionsdarstellungen identisch. C 2 ( b) b-d-glucopyranose (aworth Projektion) Konfiguration C 2 b-d-glucopyranose (Sesselkonformation) Konformation ( b)

25 Sessel- und Wannenkonformation der D-GlucoseD Sessel Wanne Die Sesselkonformation ist die energetisch günstigere und wird daher bevorzugt

26 Beispiele der Stereochemie Enantiomers Diastereomers Epimers C C C C C C C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 L-glucose D-glucose D-mannose D-galactose D-glucose Enantiomere (Spiegelbildisomere) Stereo- und Strukturisomere, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Diastereoisomere Verbindungen mit mehreren asymmetrischen C-Atomen, die eine unterschiedliche Konfiguration an einem oder mehreren C-Atomen aufweisen, jedoch keine Enantiomere sind. Epimere Verbindungen mit mehreren asymmetrischen C-Atomen, die eine unterschiedliche Konfiguration an einem einzigen C-Atom aufweisen. D-mannose

27 Epimere von Monosacchariden D-Galactose D-Glucose D-Mannose C4 Epimer C2 Epimer Epimere von Monosacchariden bezeichnen Diastereoisomere, die sich in der Anordnung der und Gruppen an einem einzigen chiralen C-Atom unterscheiden. Beispiel: Epimere der D-Glucose: D-Galactose (Epimerisierung an C4) D-Mannose (Epimerisierung an C2)

28 Wichtige Begriffe zur Chemie der Monosaccharide Konstitutionsisomere (Strukturisomere) gleiche Summenformel, unterschiedliche Struktur. Beispiel: Glucose und Fructose Diastereoisomere Verbindungen mit unterschiedliche Anordnung der Substituenten an einem oder mehreren asymmetrischen C-Atomen, die jedoch keine Enantiomere sind. Beispiel: D-Mannose und D-Galaktose Enantiomere (Spiegelbildisomere) Stereo- und Strukturisomere, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Beispiel: D- und L-Glycerinaldehyd Epimere Verbindungen mit mehreren asymmetrischen C-Atomen, die eine unterschiedliche Konfiguration an einem einzigen C-Atom aufweisen. Beispiel: Glucose und Galaktose (C4-Epimer) Anomere unterschiedliche Konfiguration der Gruppe am albazetal-bildenden (glykosidischen) C-Atom. Beispiel: a-glucose und ß-Glucose Konformere (Rotationsisomere) unterschiedliche Raumform derselben Verbindung. Beispiel: Sessel- und Wannenform einer Ringverbindung

29 Ascorbinsäure (Vitamin C) L-Ascorbinsäure (Vitamin C) wird sowohl biochemisch (nicht beim Menschen!) als auch industriell aus D-Glucose synthetisiert C C 2 C 2 D-Glucose L-Ascorbinsäure (Vitamin C)

30 Ascorbinsäure (Vitamin C) L-Ascorbinsäure wird sehr leicht zu L- Dehydroascorbinsäure oxidiert Beide Verbindungen sind physiologisch als xidations- bzw. Reduktionsmittel aktiv. C 2 C 2 xidation Reduktion L-Ascorbinsäure (Vitamin C) L-Dehydroascorbinsäure

31 Typische Eigenschaften von Monosacchariden 1. xidation zu Aldonsäuren 2. xidation zu Lactonen 3. Reduktion zu Zuckeralkoholen (Alditole) 4. Bildung von Phosphorsäureestern 5. Ausbildung von glykosidischen Bindungen

32 xidation zu Aldosäuren Die -C Gruppe der Aldosen kann durch Tollens, Benedict s, oder Fehling s Lösungen zu C 2 oxidiert werden. Durch diese Reaktionen wurde vor der Einführung enzymatischer Tests Glucose im Urin nachgewiesen. R C + + A g ( N 3 ) 2 Tollens' Lösung N 3, 2 R C - N A g Silberniederschlag R C + Zitrat oder T a r t r a t P u f f e r C u 2 + R C - + C u 2 Roter Niederschlag

33 Aldonolacton Die xidation des zyklischen albazetals ergibt ein Lacton (einen zyklischen Ester) C 2 A g ( N 3 ) 2 + b-d-glucose N a C 2 D -Gluconolacton

34 Alditole (Zuckeralkohole) Die Carbonylgruppe eines Monosaccharids kann durch reduzierende Substanzen (z.b. NaB 4, ein Borhydrid) zur ydroxylgruppe reduziert werden. C + C 2 2 Ni C 2 C 2 D-Glucose D-Glucitol (D-Sorbitol)

35 Phosphorsäureester Phosphorsäureester spielen eine zentrale Rolle für den Metabolismus von Monosacchariden. Sie werden zumeist durch die Übertragung einer Phosphatgruppe von ATP gebildet.

36 Phosphorsäureester C 2 + ß-D-Glucose P P - P P - Adenosin ATP C 2 ß-D-Glucose-6-phosphat + - P P - Adenosin - - ADP

37 Bildung von Glykosiden Glykoside: ein Kohlenhydrat, bei dem die - Gruppe des anomeren C-Atoms durch R ersetzt ist. C 2 C 3 (b) aworth Projektion Methyl b-d-glucopyranosid (Methyl b-d-glucosid) C 2 C 3 (b) Sesselkonformation

38 Glykoside Glykosidische Bindung: Die Bindung eines anomeren C- Atoms des Glykosids an eine -R Gruppe Glykoside werden benannt nach der Alkyl- or Arylgruppe, die an den Sauerstoff gebunden ist, gefolgt von dem Namen des Kohlenhydrats mit der Endung -id Methyl a-d-glucopyranoside Methyl b-d-ribofuranosid

39 Die glykosidische Bindung verknüpft 2 Monosaccharide zu einem Disaccharid 1. Kein ATP Verbrauch 2. Aus dem albazetal der Monosaccharide wird ein Vollazetal 3. Die glykosidische Bindung kann hydrolytisch gespalten werden C 2 C 2 he m i acetal al c oho l ydr ol ysi s 2 C 2 2 Con de nsat i on C 2 ac et al gl yc osi di c l i nka ge

40 Physiologisch wichtige Disaccharide Maltose (Malzzucker) Lactose (Milchzucker) Sucrose Saccharose (Fruchtzucker) Cellubiose (Grundbaustein der Zellulose)

41 Maltose a-glucosyl-(1fi4) 4)-glucosid Aus Malz (gekeimter Gerste bzw. auch anderen Getreiden) a 1,4-glykosidische Bindung C 2 ß-Maltose weil diese - Gruppe beta ist C 2

42 Lactose ß-Galactosyl-(1fi4) 4)-glucosid äufigster Zucker in der Milch 5% - 8% in der Milch des Menschen, 4% - 5% in Kuhmilch ß-1,4-glykosidische Bindung C 2 C 2 D-Galactose D-Glucose

43 Sucrose, Saccharose a-glucosyl-(1fi2) 2)-ß-fructosid aushaltszucker, gewonnen aus Zuckerrohr- oder Zuckerrübensaft C 2 a-1,2-glykosidische Bindung ß-D-Glucopyranose Glucose C 2 ß-D-Fructopyranose Fructose C 2 Im Gegensatz zu Maltose und Lactose ist Saccharose ein nichtreduzierender Zucker, da das Disaccharid kein albazetal mehr enthält.

44 Cellobiose ß-Glucosyl-(1fi4) 4)-glucosid Cellobiose C 2 ß-1,4-glykosidische Bindung C 2 Beachte im Kugelmodell die Drehung der planaren Ringebenen um 180 ; C-6 ist im linken Ring nach vorne, im rechten Ring nach hinten gerichtet. Grundbaustein der Cellulose

45 ligosaccharide Kohlenhydratketten aus drei bis zehn Monosacchariden. Bestandteil von Glykoproteinen und Glykolipiden (wichtige Funktion für die Zellerkennung). Bestandteil von Antibiotika und Zytostatika, die aus Pflanzen, Bakterien und Pilzen isoliert werden.

46 ligosaccharidstrukturen sind Bestandteil von Pharmaka 4 Beispiele aus der Gruppe Antibiotika Zytostatika

47 Physiologisch wichtige Polysaccharide Stärke (Amylose und Amylopektin) Glykogen Dextran Zellulose Chitin Peptidoglykane Lipopolysaccharide Pektin

48 Stärke Energiespeicher in Pflanzen Besteht aus 2 Fraktionen: Amylose und Amylopektin. Beide Fraktionen ergeben nach kompletter ydrolyse (chemisch durch Säure) nur D-Glucose Amylose besteht aus kontinuierlichen, unverzweigten Ketten von bis zu 4000 D-Glucose Einheiten, die durch a-1,4-glykosidische Bindungen verknüpft sind. Amylose bildet helikale Strukturen aus. Amylopektin ist ein hochverzweigtes Polymer aus D- Glucose. Die Ketten bestehen aus Einheiten von D-Glucose verknüpft durch a-1,4-glykosidische Bindungen und Verzweigungen die durch a-1,6- glykosidische Bindungen geknüpft werden.

49 Amylose und Amylopektin

50 Stärke Amylose is sehr schlecht in Wasser löslich, bildet jedoch eine mizellare Suspension aus In dieser Suspension liegt Amylose als helikale Struktur vor

51 Glykogen Glykogen ist das Speicher- bzw. Reserve-Kohlenhydrat bei Tieren Vergleichbar dem Amylopektin, ist Glykogen ein nichtlineares Polymer aus D-Glucose Einheiten verknüpft durch a-1,4- und a- 1,6-glykosidische Bindungen. Glykogen ist starkt verzweigt: Nach ca. jedem zehnten a-1,4 verknüpften Glucosemolekül folgt eine a-1,6-glykosidische Verzweigung. Das verzeigte Glykogenmolekül ist an ein sogenanntes Starterprotein, dem Glykogenin, gekoppelt. Die Gesamtmenge an Glykogen in einem normalernährten erwachsenen Menschen beträgt ca g, davon 30 % in der Leber und 70 % in der Muskulatur. Glykogen liegt im Zytoplasma als Granula vor, die neben dem Kohlenhydratanteil auch Proteine (Glykogenin und Enzyme des Glykogenstoffwechsels) enthalten.

52 Glykogen aus Löffler & Petrides Biochemie und Pathobiochemie

53 Dextrane Wenn die auptverknüpfung der Glucosekette von alpha(1,4) zu alpha(1,6) geändert wird, erhält man eine neue Familie von Polysacchariden - Dextrane Dextrane sind häufig von der alpha(1,6) verknüpften aupkette aus verzweigt. Die Verzweigungen der Dextrane können (1,2), (1,3) oder (1,4) verknüpft sein. Dextrane werden von Bakterien der Mundflora als Bestandteilen der dentalen Plaque gebildet. Quervernetzte Dextrane werden in der Analytik von Makromolekülen als "Sephadex" Gele in der Säulenchromatographie eingesetzt. Diese Gele bestehen bis zu 98% aus Wasser!

54 Dextran

55 Cellulose Cellulose ist ein lineares Polymer aus D-Glucose Einheiten, die durch b-1,4-glykosidische Bindungen verknüpft sind. Cellulose hat ein durchschnittliches Molekulargewicht von 400,000, entsprechend 2800 D-Glucose Einheiten pro Molekül Gestreckte Molekülkonformation durch 180 Wechsel der Ringebenen der Glucoseeinheiten (vergl. Cellubiose). Starke Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Molekülen. Cellulose kann nicht durch die Amylasen des menschlichen Verdauungstraktes abgebaut werden, da diese nur a-glykosidische Bindungen spalten. C 2 C 2 C 2

56 Cellulose Die Beta(1,4) Verknüpfung macht den Unterschied zu Stärke und Glykogen! Ein Cellulosemolekül bildet eine bandartige Struktur aus. Wasserstoffbrücken erlauben starke Interaktion zwischen den Molekülketten. Es bilden sich kabelartige Stränge von hoher Festigkeit.

57 Vergleich Cellulose vs Amylose Amylose Cellulose Glucose ist jeweils 180 o zueinander gedreht

58 Chitin Wichtigstes Strukturelement des Exoskeletons bei Nichtvertebraten, z.b. Insekten oder Krustentieren. Kommt auch in Zellwänden von Algen, Pilzen und efen vor. Wird gebildet durch Einheiten von N-Acetyl-b-D-Glucosamin, die durch b-1,4-glykosidische Bindungen verknüpft sind. C N - C C 3 C 2 N-Acetyl-Dglucosamin C 2 N C C 3