Zucker, ligosaccharide, Glycosylierung Aus früheren Vorlesungen (C0+1) wird als bekannt vorausgesetzt: Bildung von Halbacetalen! Säurekatalysierte Bildung von Acetalen und Ketalen (, S,S N,N)! xocarbeniumion = Carboxoniumion Fischer-Projektion und Zugehörigkeit der Zucker zur L- oder zur D-Reihe! D-Glycerinaldehyd ist R-konfiguriert! Unterschied D-Glucose und D-Mannose! Unterschied Pyranose und Furanose! Unterschied Aldose und Ketose! Anomerer Effekt! Bedeutung der Zucker: 1. Ernährung (Amylose, Stärke) 2. Struktur (Cellulose, Chitin)...
Im Rahmen von C-4 wird vermittelt: Bedeutung der Zucker Numerierung von oben fortgesetzt: 3. Zell-Zell-Erkennung (N- und -Glycane Blutgruppen) 4. Von Zuckern abgeleitete Antibiotika (Kanamycin) Synthesemethoden Glycosyl-Donor und Akzeptor, stereoselektive Glykosylierungsmethoden für ligosaccharidsynthese, Fischer-Helferich, Königs-Knorr, Anomere -Alkylierung, Trichloracetimidat-Aktivierung, Nachbargruppeneffekte, komplementäre Schutzgruppen: Bn, PMB, Benzyliden, Ac, Bz, TMS, TBDMS =TBS, Struktur der Glycane am Beispiel Erythropoietin Analytik Prochirale Methylengruppen, pror, pros-zuordnung enantiotoper bzw. diastereotoper Protonen Bestimmung der Rotamerenverteilung um exocyclische Methylengruppen der N-Glycane über NMR- Spektroskopie: Mittelung von 3 J-Kopplungen
Ac Ac Ac Br Ac Nachbargruppenbeteiligung (= anchimerer Effekt) dominiert die Zuckerchemie. Hier ein einfaches Beispiel Ac Ac Ac Br AgCl 4 MeH - AgBr Ac Ac Ac Ac Ac Ac + + resonanzstabilisiertes Carboxoniumion-Intermediat + MeH, H Ac Ac Ac Ac Me Tetraacetyl-1-Methyl- - D-glucopyranose Tetra--Acetyl- -D-glucopyranosylbromid wird in Methanol in Gegenwart einer Lewissäure (z.b. Ag+) umgesetzt. Es folgt eine Reaktion unter Nachbargruppenbeteiligung. Nach zweimaliger Inversion entsteht das - Glycosid unter Retention der anomeren Konfiguration. Rückseitenangriff des freien Elektronenpaares der Acetatgruppe (S N 2), erleichtert durch die Lewissäure Ag, die das Bromid übernimmt, zum Carboxoniumintermediat. S N 2-Substitution durch Methanol. Die axiale C--Bindung des Carboxoniumions (Abgangsgruppe) wird dabei wieder gebrochen. Reaktionen mit Nachbargruppenbeteiligung verlaufen i. a. rascher als Vergleichsreaktionen ohne eine solche. A Geyer C4 2011
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Gerüst- und Speicherstoffe Zucker = Kohlenhydrate = C + H 2 = CH 2 6 CH 2 = C 6 H 12 6 2 C 6 H 12 6 1 H 2 = C 12 H 22 11 Monosaccharide Disaccharide n C 6 H 12 6 A Geyer C4 2011 n H 2 = C 6n H 10n 5n Polysaccharide
Nur ein ganz kleiner Bruchteil der denkbaren Verknüpfungsmöglichkeiten von Zuckern wird von der Natur genutzt A Geyer C4 2011
H H Rübenzucker H H H C 12 H 22 11 H H Rohrzucker, Saccharose H -D-Fructofuranosyl(2 1)- -D-glucopyranosid Prof Geyer, Philipps-Universität 14
Traubenzucker C 6 H 12 6 + C 6 H 12 6 = C 12 H 22 11 + H 2 H H H H H H H H H H H H Fruchtzucker H H H H H D-Glucose D-Fructose H Prof Geyer, Philipps-Universität 15
Amylose Stärke [ H H H ] n (1 4)- -D-Glucan C 6 H 10 5 Prof Geyer, Philipps-Universität 16
Cellulose Baumwolle, Hanf, Holz (1 4)- -D-Glucan [ H H H n = 2000-25 000 C 6 H 10 5 ] n, Prof Geyer, Philipps-Universität 17
Alginate Braunalgen (1 4)- -D-Mannuronan (1 4)- -L-Guluronan C 6 H 7 6 [ H _ H _ H H ] n Prof Geyer, Philipps-Universität 18
Chitin C 8 H 13 N 5 Außenskelett der Krustentiere [ H (1 4)-2-Acetamido-2-desoxy- -D-glucan H HN ] n Prof Geyer, Philipps-Universität 19
Viele Gerüst- und Speicherstoffe sind Kohlenhydrate H H Rübenzucker Rohrzucker, Saccharose H C 12 H 22 11 H H H H -D-Fructofuranosyl(2 1)- -D-glucopyranosid H 2 [ H Cellulose Baumwolle, Hanf, Holz (1 4)- -D-Glucan H H C 6 H 10 5 ] n n = 2000-25 000 5 Chitin Außenskelett der Krustentiere [ H H (1 4)-2-Acetamido Acetamido-2-desoxy- -D-glucan HN C 8 H 13 N 5 ] n 8 Amylose Stärke [ H H H ] n Hemicellulose (1 3,1 4)- -D-Glucan Alginate Braunalgen (1 4)- -D-Mannuroan (1 4)- -L-Guluronan (1 4)- -D-Glucan C 6 H 10 5 C I, Prof Geyer, Philipps-Universität C 6 H 10 5 4 [ H H H H H H n = tausende ] n 6 C 6 H 7 6 [ H _ H _ H n ~ 1000 H 7 ] n Kennzeichen (fast) aller Kohlenhydrate ist die Grundstruktur des Sessels A Geyer C4 2011 20
Kommunikation zwischen Zellen findet massgeblich über die Kohlenhydrate der Zelloberfläche statt. Entzündung Bakterien Krebs A Geyer C4 2011 21
Chemical Glycobiology Carolyn R. Bertozzi and Laura L. Kiessling Science 2001 291: 2357-2364. Zahlreiche Proteine (rot, gelb) werden an der Zellmembran (grüne Linie) über GPI-Anker (grün) durch hydrophobe Wechselwirkungen lokalisiert. N-Glycan-Reste (blau) sind weitere post-translationale Modifikationen dieser Proteine.
Über GPI-Anker (Glycosylphosphatidylinositol) sind viele unserer Proteine in der Zellwand verankert. Retrosynthetische Zerlegung A Geyer C4 2011
Woran erkennen Blutzellen ihre Umgebung? Rote Blutzellen weisse Blutzellen A Geyer C4 2011 24
Blutgruppen in Medizin und Naturwissenschaften Chemie H H H H AcNH H H AcNH H H H H A-Antigen Me H H H -L-Fuc-(1 2)[ -D-Gal-(1 3)]- -D-Gal-(1 3)- -D-GlcNAc-(1 3)- -D-Gal-(1 Biologie Blutgruppe A Medizin Prof Geyer, Philipps-Universität 25
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Die Blutgruppen A, B und 0 Rote Blutzellen unter dem Mikroskop Die berfläche aller Körperzellen ist mit Zuckerbäumchen belegt: Z.B. die Blutgruppenantigene Me AcNH NHAc Prof Geyer, Philipps-Universität 27
Molekulare Widerhaken H AcHN H H Rote Blutzellen unter dem Mikroskop Auf der äußersten Spitze sitzt meist N-Acetylneuraminsäure (Sialinsäure) H _ C 2 Prof Geyer, Philipps-Universität 28
Der Widerhaken, eine sehr einfache Art der Wechselwirkung Ein einzelner Widerhaken bindet nur sehr schwach an eine andere rauhe berfläche. Viele dieser schwachen Wechselwirkungen addieren sich zu einer festen Verzahnung (Disteln, Kletten etc...) Prof Geyer, Philipps-Universität 29
Der Klettverschluss, eine sehr einfache Art der Bindung Schlaufen und Haken Elektronenmikroskopische Aufnahme Prof Geyer, Philipps-Universität 30
Unterschiede zum Reissverschluss Ein Reissverschluss funktioniert nur auf grund der präzisen Anordnung der Häkchen. Das muss beim Klett nicht sein! Prof Geyer, Philipps-Universität 31
Additivität Viele schwache Bindungen addieren sich zu einem festen Halt. Klettverschluss: Je größer die Fläche, desto fester. Prof Geyer, Philipps-Universität 32
Molekulare Klettverschlüsse auf der berfläche einer Zelle GLYCCALIX DER ERYTHRCYTENMEMBRAN Elektronenmikroskopische Aufnahme der berfläche eines Erythrocyten. Die Glycocalix ist bis zu bis 140 nm dick und besteht aus dicht gepackten Kohlenhydratstrukturen, die an berflächenproteine oder Lipide gebunden sind. Quelle: Voet Vereinfachte Darstellung der Glycocalix einer eukaryontischen Zelle. Die Glykocalix setzt sich aus ligosaccharidseitenketten zusammen, die mit Membranglykolipiden und - proteinen verknüpft sind, und den Polysaccharidketten von Membranproteoglykanen. Prof Geyer, Philipps-Universität Quelle: Alberts 33
Abbremsen von Blutzellen durch die Endothelzellen (Innenseite der Blutgefäße) Weisse Blutzellen rollen wandern und erkennen Entzündungsherde A Geyer C4 2011 34
Der Bremsweg eines Leukozyten Dynamische Adhäsion: Polyvalente schwache Bindungen verhindern eine mechanische Zerstörung der Leukozytenmembran Erst nach dem Stillstand erfolgt die feste Bindung über Integrine. Erst danach kann sich die weisse Blutzelle durch die Wand des Blutgefäßes zum Entzündungsherd hindurchzwängen.