211
15. Kohlenhydrate, Nucleotide Große Klasse von Naturstoffen Name aufgrund der allgemeinen Formel Cn(H2O)n Herkunft aus Photosynthese:
6 CO2 + 6 H2Ohν
Assimilation
Atmung
C6H12O6 + 6 O2
Glucose ad16-01.cw2 a) Monosaccharide α) Übersicht
Aldosen Ketosen
(CHOH)n
OH
CH2OH*
(CHOH)mCH2OH
OCH2OH
*
3 C: Aldotriosen Ketotriose 4 C: Aldotetrosen Ketotetrosen 5 C: Aldopentosen Ketopentosen 6 C: Aldohexosen Ketohexosen Zahl Stereoisomere: 2n 2m 6 C: 24 = 16 (8 Enantiomerenpaare)
23 = 8 (4 Enantiomerenpaare)
Die wichtigsten Monosaccharide:
D-FructoseD-Glucose
CH2OHOHHOOHHOHH
CH2OH
OH
OHHHHOOHHOHH
CH2OH
OH
OHHOHHOHH
CH2OH
D-Ribose
o
ad16-01.cw2 (RNA bzw. 2-H: DNA)
212
Stammbäume
Der Stammbaum der D-Aldosen
Natstoff / Anh02-01.CW3
OHHCH2OH
OH
D-Glycerinaldehyd
OHH
OH
CH2OHOHH
HHO
OH
CH2OHOHH
OHH
OH
OHHOHH
CH2OH
HHO
OH
OHHOHH
CH2OH
OHH
OH
HHOOHH
CH2OH
HHO
OH
HHOOHH
CH2OH
D-Erythrose D-Threose
D-Ribose D-Arabinose D-Xylose D-Lyxose
HHO
OH
OHHOHH
CH2OHOHH
OHH
OH
HHOOHH
CH2OHOHH
HHO
OH
HHOOHH
CH2OHOHH
OHH
OH
OHHHHO
CH2OHOHH
OHH
OH
OHHOHH
CH2OHOHH
HHO
OH
OHHHHO
CH2OHOHH
OHH
OH
HHOHHO
CH2OHOHH
HHO
OH
HHOHHO
CH2OHOHH
D-Allose D-Altrose D-Glucose D-Mannose D-Gulose D-Idose D-Galactose D-Talose
Alle Alten Glucken Möchten Gern Im Garten Tanzen
213
Der Stammbaum der D-Ketosen
Natstoff / Anh02-02.CW3
CH2OHO
CH2OH
CH2OHOOHH
CH2OH
CH2OHOOHH
CH2OHOHH
CH2OHOHHO
CH2OHOHH
CH2OHOOHHOHHOHH
CH2OH
CH2OHOHHOOHHOHH
CH2OH
CH2OHOOHHHHOOHH
CH2OH
CH2OHOHHOHHOOHH
CH2OH
Dihydroxyaceton
D-Erythrulose
D-Ribulose D-Xylulose
D-Psicose D-Fructose D-Sorbose D-Tagatose
214
Physikalische Eigenschaften einiger Monosaccharide Triosen:
L-Glycerin-aldehyd
CCCH2OH
OH
HO H
D-Glycerin-aldehyd[α] D = + 14°
CCCH2OH
OH
H OH
Org16_03.cw2 Pentosen:
D-Ribose[α] D = − 24°
CCCC
H OHOHH
CH2OH
OH
H OH
2-Desoxy-D-ribose[α] D = − 56°
CCCC
H OHOHH
CH2OH
OH
H H
L-Arabinose[α] D = + 105°
CCCC
HO HHHO
CH2OH
OH
H OH
Org16_03.cw2 Hexosen:
D-Glucose[α] D = + 52°
CCCC
HO HOHH
C OHCH2OH
H
OH
H OH
Org16_03.cw2
D-Fructose[α] D = − 92°
CH2OHCCC
OHO H
OHHC OHCH2OH
H
D-Mannose[α] D = + 15°
CCCC
HO HOHH
C OHCH2OH
H
OH
HO H
D-Galactose[α] D = + 80°
CCCC
HO HHHO
C OHCH2OH
H
OH
H OH
215
β) Halbacetalform
R'R
O
R''OH
R'R
OHOR''
* * AnomeresZentrum
(H+)
Fünfring: FuranoseSechsring: Pyranosead16-01.cw2 O O
Furan Pyran - Ribose Vorbemerkung zur Fischer-Projektion: 1 x vertauschen von Substituenten: => Wechsel Konfiguration 2 x vertauschen von Substituenten: => Drehung im Raum bei
erhaltener Konfiguration
OH
OHHOHHHHOH2C
OH
OH
OHHOHHOHH
CH2OH
OOHH
OHHHO H
HHOH2C
ad16-02.cw2
*
O
OHHO
HOH2C OH
*
OOHH
OHHH OH
HHOH2C
*
β-D-Ribo-furanose
β α
RNA(H) DNA
216
- Glucose Ableitung ganz analog
α-D-Gluco- pyranose
O
OHOH
OH
HO
HO
β-D-Gluco- pyranose
O
OH
OH
HO
OHHO
OH
OHHHHOOHHOHH
CH2OH
OH
OHHHHOOHHHHOH2C
OH
2 x vert.
ad16-01.cw2
ad16-01.cw2
Unter alkalischen Bedingungen Aldehydform nachweisbar: Fehling, unter sauren nicht: Fuchsin-Schweflige Säure Begriffe: Anomere
Epimere Zitat Wikipedia: Die Konfiguration am anomeren Zentrum wird durch die Stereodeskriptoren α und β beschrieben, wobei das α-Anomer jenes Isomer ist, bei dem die absolute Konfiguration des anomeren Kohlenstoff-Atomes der Konfiguration des höchstbezifferten chiralen Zentrums entgegengesetzt ist. Diese Definition gilt sowohl für D- als auch für L-Zucker. Die Hydroxylgruppe des anomeren Zentrums ist in der Fischer-Projektion der D-Kohlenhydrate auf der gleichen Seite der Hauptkette wie die Hydroxylgruppe des Bezugsatoms. Folglich ist bei β-Anomeren die Hydroxylgruppe des Bezugsatoms der D-Kohlenhydrate auf entgegengesetzter Seite der Hauptkette. Details auf der IUPAC-Webseite: http://www.chem.qmul.ac.uk/iupac/2carb/06n07.html#062
Tatsächliche Konfigurationsisomere:
OHHO
HO OHO
OHOHHO
HO OHO
OH
[α]D = + 53
Im Gleichgewicht 63 % 37 %
217
D-Glucose, Mutarotation:
β-Gl./α-Gl. 63:37
β-Gl. α-Gl.
Kristal-lisationEthanol
Kristal-lisationPyridin
[α]D = + 19 [α]D = + 112
[α]D = + 53
Schmp. 150 °C Schmp. 146 °C
ad16-02.cw2
CCCC
HO HOHH
C OHCH2OH
H
OH
H OH
Org16_04.cw2
CCCC
HO HOHH
CCH2OH
H
H OHOHH
OCCCC
HO HOHH
CCH2OH
H
H OHHHO
O
HO
OH
OH
CH2OH
O
OH HO
OH
OH
CH2OH
O OH
HOHO OHO
OHOH
OHHOHO OHO
OH
[α] = + 11220 °CD
α-D-(+)-GlucoseSchmp. 146 °C
[α] = + 5320 °CD
Gemisch:37 % α + 63 % β
[α] = + 1920 °CD
β-D-(+)-GlucoseSchmp. 150 °C
218
γ) Reaktionen - Oxidation Fehling-Test (Nachweis Aldosen, nicht allgemein Aldehyde)
CR
OHCR
OO+ 2 Cu2+ / 4 OH− Cu2O ↓ 2 H2O
(Tartrat)+ +
(Tartrat) ad16-04.cw2
CH2OH
CHO
CH2OH
COOH
COOH
COOH
Br2
HNO3
Gluconsäure
Zuckersäure
ad16-04.cw2
Übung:
Hexose XHNO3 Dicarbonsäure
[α]D = 0 !ad16-04.cw2 - Osazon-Bildung Zucker oft nicht kristallin Fischer:
ad16-04.cw2
CH2OH
OHC
OH
H
CH2OH
HC
OH
HO
CH2OH
NC
NH
N Ph
N Ph
H
H
3 Ph−NHNH2
− 2 H2O− Ph−NH2− NH3
3 Ph−NHNH2
− 2 H2O− Ph−NH2− NH3
D-Glucose Osazon
krist.
D-Mannose
219
Epimere an C-2 ergeben dasselbe Osazon - Cyanhydrin-Synthese nach Kiliani-Fischer
+ +
Epimer
HCN
*
**
*
CC OHHR
OHHCN
CC OHHR
OHHC
OH
*
CC
OH
OHHR*
CC OHHR
HHOCN
*ad16-04.cw2
Arabinose → Glucose + Mannose Hinweis auf Abwehr Pflanzen: Glycoside von Cyanhydrinen: Freisetzen von HCN - Glycosid-Bildung Erinnerung Acetalbildung:
Ad16-05.cw2
R CO
HR C OR'
H
OHR C OR'
H
OR'
Halbacetal Acetal
2 R'OH
(H+ ) (H+ )
Unterscheidung: Beliebiger Zucker → Glycosid Glucose → Glucosid, Ribose → Ribosid usw.
220
OHHO
HO O
OH
HO
OHHO
HO OOCH3
HO
OHHO
HO O
OCH3
HO
+
Glucose 33 66:β α
CH3OH / HCl
OHHO
HO OHO
H
über:
ad16-02.cw2 Anomerer Effekt: Bevorzugung der C-1 axialen Form δ) Nucleoside, Nucleotide Bausteine RNA/DNA
O
OH(H)HO
NHO
* Nucleosid
O
OH(H)HO
NOPO
HOHO *1'
2'3'4'
5'
Nucleotid DNA /RNA
D-Ribose
HN
− H2O*O
OH(H)HO
OHHO
Ad16-05.cw2
N
N
N
NH
NH2
HN = Adenin Adenosin
Ad16-05.cw2
221
Desoxyribonucleinsäure, DNA
Adenin
Guanin
Cytosin
Thymin
NH2
N
NN
N
N
N
O
NH2
O
N
NN
N NH2
H
O
O
X
CH2
O
PO
O O
O
X
CH2
CH2
X
O
OOOP
O
CH2
X
O
OOOP
O
OOOP
O
H3CO
O
HN
N
2-Desoy-D-ribose
5'
3' 1'
p
A
p
C
p
G
p
T
OH5'
3'
5'-Ende 3'-Ende
pApCpGpT ACGT
abgekürzte Formulierungen
Org16_09.cw2
222
b) Di- und Polysaccharide Glycosidische Bindung erlaubt Polymerisation
Mono-Di-Tri-
Oligo-Poly-
- Saccharide
Ad16-05.cw2 α) Cellobiose, Saccharose - Cellobiose
OHHO
HO O
OH
HO
OHHO
HO O
OH
HO
OHHO
HO OHO
H
H+/ - H2O oder Enzym
OHHO
HO OHO
OHHOO O
OH
HO
ad16-03.cw2
Fehler in Formel?
OHHO
HO OHO
O
H
OH
OO
HOOH
Cellobiose
4-O-(β-D-Glucopyranosyl)-β-D-glucopyranoseAd16-05.cw2
223
Fehling-Probe positiv, weil Halbacetal (reduzierender Zucker) - Saccharose (Rohrzucker) zum Verständnis
CH2OOHHOOHH
HOH2C HOH
Ad16-06.cw2
CHOOHHHHOOHH
HOH2C HOH
α ! β !
O
HOH
HO
OHO
OOHHO
HO CH2OH
HO
2
1 α
β
Substituent
2-O-(α-D-Glucopyranosyl)-β-D-fructofuranose
Saccharose ist ein nicht reduzierender Zucker, da kein Halbacetal Beweis: Fehling ? - Invertzucker
Saccharose D-Glucose + D-FructoseH+/ H2O
oderInvertase(Enzym)[α]D + 67 + 52 − 92
− 40 Ad16-05.cw2
224
β) Die wichtigsten Disaccharide
Reduzierende Zucker
OCH2OH
OH
OHO
HO
OH
OH
CH2OHO
OH
HOHO
HO
O
OHOHO
HOO
HO
HO
MaltoseGluc-α-1,4-GlucNatstoff / Nat02-21.CW3
Maltose (Malzzucker)
[4-O-(α-D-Glucopyranosyl)-D-glucopyranose]
HO
OH
OH
CH2OHO O
OH
OH
CH2OHO OH
OHOOOHO
HO OHHO OH
O H OH
lineare StrukturCellobioseGluc-β-1,4-Gluc
Natstoff / Nat02-21.CW3 Cellobiose [4-O-(β-D-Glucopyranosyl)-D-glucopyranose]
OH
OH
CH2OHO O
OH
OH
CH2OHO OH
HO
lineare StrukturLactoseGal-β-1,4-Gluc
H OH
OO OH
HO
OHOO
OH
O H OH
Natstoff / Nat02-21.CW3 Lactose (Milchzucker)
[4-O-(β-D-Galactopyranosyl)-D-glucopyranose]
225
Nicht-reduzierende Zucker
OOHO
OH
OH
CH2OHO
OH
OHOH
OH
TrehaloseGluc-α-1,α-1-Gluc
OH
OH
O
O
OHO OH
OH
OH
OH
HO
Natstoff / Nat02-21.CW3 Trehalose (α-D-Glucopyranosyl-α-D-glucopyranosid)
O
HO OH
OHOH
HO
O H
OH
OH
HO OH
HO
OHO
OHOH
OH
HO
O
OHOH
OHOH
OOH
HOHO O
OH
D-Fructose
D-Glucose
SaccharoseGluc-α1,β2-Fructose
CH2OHO
HO HOHHHHOH2C
OH
CHOOHH
HO HOHHHHOH2C
OH
Natstoff / Nat02-27.CW3 Saccharose (Rohrzucker)
(α-D-Glucopyranosyl-β-D-fructofuranosid) Weitere Beispiele
O
OH
OHHO
OH
OH
CH2OHO O CH2
HO
O CH
CN
Amygdalin Ruberythrinsäure
O
O
HO
O
HO
CH2OO
OH
OH
HOOH
OH
O
Org16_04.cw2
226
γ) Oligosaccharide
Cyclodextrine / Einschlußverbindungen
OH
O
O
O
OH
OH
OHO
OHO
HO
O
O
OH
OH
HO
OH
OH
OOH
HO
O
OHO
OHO
OHOHO
HO
O
O
OHHO
HO
OMe
OCl Cyclodex.cw2
227
δ) Polysaccharide Meist aus D-Glucose
αβ
. . . . 4−OH6−OH
. . . . . . . .
Ad16-06.cw2
D-Glucose
Cellulose β-1,4
Pflanzliche Stärke
Tierische Stärke (Glykogen) α-1,4 / α-1,6
10 - 30 % Amylose α-1,470 - 90 % Amylopektin α-1,4 / α-1,6
ad16-07.cw2 - Cellulose, Chitin Im Prinzip weitere Umsetzungen analog Bildung Cellobiose
Org16_06.cw2
OCH2OH
OH
OH OOO
CH2OH
OH
OHOH
OH
CH2OHO O
OOH
OH
CH2OHO
OOO
OH
O
H
H
OHOO
HO
OH
O
O
OH
OO
OH
HOO
HO O
H
H
OHHO
OHO
OO
OO
HOOHOH
HOO
O
OO
HOOHO
HOOH
(NHCOCH3)H H
(NHCOCH3) (NHCOCH3)
(NHCOCH3)
repetit. Einheit steif / linearGerüstsubst.Ad16-06.cw2
Chitin analog
228
D-Glucosamin
CCCC
HO HOHH
C OHCH2OH
H
OH
H NH2
D-Galactosamin
CCCC
HO HHHO
C OHCH2OH
H
OH
H NH2
Org16_03.cw2
OCH2OH
NH
OH OOO
CH2OH
NH
OHOOOH
NH
CH2OHO
H3C
O
H3C
O
H3C
O
Org16_06.cw2Chitin
2 OH NH CO
CH3
OH
HOOHO
HONH2
Glucosamin
Ad16-06.cw2 - Maltose, Stärke Maltose ist das Basis-Disaccharid der Stärke; im Gegensatz zur Cellobiose aber α-glycosidische Bindung → bemerkenswerte Konsequenz ! Weiterer Anbau von α-Glucose-Einheiten führt zum Ring (→Cyclodextrine) oder zur Helix-Struktur (→Amylose)
OH
OH
CH2OHO
OOH
OH
CH2OHO
O O
OCH2OH
OH
OHO
OCH2OH
OH
OH
Org16_06.cw2
OH
OH
CH2OHO
OOH
OH
CH2OHO
O O
OCH2OH
OH
OHO
O
CH2
OH
OH
O
OCH2OH
HO
OHO
OCH2OH
OH
OH
Org16_06.cw2
Org16-07.cw2
O
O
HO
HOOH
OHO
HOO
OH
HO
OOH
OH
O
HOOH
OH
O
O
O
OO
O
HO
HOOH
OHO
HOO
OH
OH
OH
HOO
HO
OOH
OH
O
HOOH
OH
O
O
O
O
HO
OHO OHO
OH
OH
O
OH
OH
HOOO OH
HO
O
O
O
OH
OHHO
O
OH
OHO
HO
OH
OHO
HO
O
OHHO
HO
O
HOHO
Org16_06.cw2 Amylose Amylopektin
229
Iod-Stärke-Reaktion: Iod wird in Kanal linear eingelagert; in Cyclodextrine ebenfalls Einlagerung von Verbindungen möglich, die in Hohlraum hineinpassen.
HO OH
O
O
HO
HOO
OH
OOH
HOHO O
O
HO
OHO
O
OH
OH
HO
II
II
II
Ad16-06.cw2
Nutzung von Kohlenhydraten als Synthesebausteine Beispiel: Technische Synthese von Vitamin C
230
O
OH
D-(+)-Glucose
OHOH
HO
OH
Reduktion desAldehyds zum
Alkohol
KatalysatorH2
OH
D-Sorbit
OHOH
HO
OH
OH
biochemischeDehydrierung(Acetobacter)
OH
L-Sorbose
OHO
HO
OH
OHO
L-Sorbose
OHHO
OH
OH
HO
O
[H+] OO
O OH
O
O
=> Aceton als Schutzgruppefür Diole (Di-Alkohole) übereine Ketalbildung; dieSchutzgruppeist im Basichen stabil, kannim Saurenwieder abgespalten werden
Oxidation mit KMnO4
selektiv, da nur einefreie OH-Gruppevorhanden ist !
OOH
OH OH
OH
HO
OO
O OH
O
O O
[H+]
H2O
O
2-Keto-L-Gluconsäure
OHHO
OHHO
O OH
[H+]Δ
HOOH
O
O
OH
HO
HOOH
O
O
O
HO
L-AscorbinsäureVitamin Cwasserlöslich
Keto-Enol-Tautomerie
- H2O
231
Genauerer Blick auf DNA / RNA
O
O OH
"BASE"OPO O-O
POO
O-
O
O OH
"BASE"
POO
O-
O
O OH
"BASE"
POO
O-
O
O
"BASE"OPO O-O
POO
O-
O
O
"BASE"
POO
O-
O
O
"BASE"
POO
O-
RNA DNA
Biomakromoleküle ausPhosphorsäure,Ribose bzw. Desoxyribose undNucleobasen.Die einzelnen Segmente heißen Nucleotide,der Kohlenhydrat-Teil mit BaseNucleosid.
232
Die Nucleobasen unterteilen sich in
Purin-Basen
N
N NH
N
NH2
Adenin (A)in RNA und DNA
HN
N NH
N
O
Guanin (G)in RNA und DNA
Pyrimidin-Basen
N
NH
O
NH2
Cytosin (C)in RNA und DNA
HN
NH
O
O
Uracil (U)nur in RNA
HN
NH
O
O
Thymin (T)nur in DNA
H2N
1
2
34
56 7
8
9
12
34
5
6
O
HO OH
OHHO
Cyclische Halbacetal-Formder D-Ribose
O
HO OH
OHHO
Cyclische Acetal-Formder D-Ribose
O
HO OH
NHO
N-Glycosid der D-Ribose"N,O-Acetal"Adenosin
N
N
N
NH2
O
HO OH
NO
N -Glycosid der D-Ribose("N,O-Acetal") undPhosphorsäuremonoesterNucleotid Adenosinmonophosphat
N
N
N
NH2
PO O
O
233
Die Nucelobasen sind N-glykosidisch mit dem Zucker (D-Ribose oder 2-Desoxy-D-Ribose)verknüpft) => Nucleoside
Die 5'-OH-Gruppe des Zuckers ist dann noch mit Phosphorsäure verestert=> Nucleotid
Adenin Adenosin Desoxyadenosin Adenosin-monophosphat Desoxy .....
Guanin Guanosin Desoxyguanosin Guanosin-monophosphat Desoxy .....
Uracil Uridin - Uridin-monophosphat -
Cytosin Cytidin Desoxycytidin Cytidin-monophosphat Desoxy .....
Thymin - Desoxythymidin - Desoxythymidin-monophosphat
Die eigentlichen Nucleinsäuren bestehen nun aus vielen solcher Nucleotide.Zwei dieser Stränge ordnen sich nun zu einer Doppelhelix an, in der die Richtung(5'-Ende zum 3'-Ende) entgegengesetzt ist und die Basen komplementär sind(daher Basenpaare bilden, die die Doppelhelix zusammenhalten).
Base Nucleosid Nucleotid
NH
O N OH
Keto-Form Enol-Form (in dieserForm fehlt ein Teil derWechselwirkungen)
NH
NH N NH2
Imin-Form Enamin-Form (in dieserForm fehlt ein Teil derWechselwirkungen)
Helicale Anordnung => helicale Chiralität
- Drehrichtung der Helix durch dieChiralitätszentren in der Ribose festgelegt
- Die negativ geladenen Phosphateinheitenliegen außen und damit am weitestenentfernt voneinander
234
Diese Basenpaare sind die Watson-Crick-Paare:
N N
N
OR
H
H
N
N N
N
O
NH
H
HC-G-PaarAssoziationsenthalpie25 kJ/mol
R'
N
N N
N
N
T-A-PaarAssoziationsenthalpie16 kJ/mol
R'
H HN N
H
O
OR
In dieser Helix liegen die Basenpaare übereinander gestapelt,die Windungen sind so gestaltet, daß sich eine große und einekleine Furchen ausbilden. (Ich bin leider nichtin der Lage, dies vernünftig zu zeichnen ....)
Chargaff -Regel: genausoviel A wie T, genausoviel C wie G !!
Watson und Crick: Strukturaufklärung unter Verwendung der Daten von Rosalind Franklin Basenpaarung der Nucleotide der DNA
H3C O
O
HNN
HH
N
N
NN
N O
NN
N
N
N
H
HH
HHN
O
NN
Thymin Adenin Cytosin Guanin
A
C
G
T
T
G
C
A
5'-Ende
3'-Ende 5'-Ende
3'-Ende
Kette 1 Kette 2
Org16_09.cw2 Peptidbildung Transkription, Translation
235
Lineare Verkettung der Aminosäuren aufgrund der DNA:
Org16_10.cw2
PHETRP
ALA
LYSGLY
ILEVAL
CYS
GLN
GLU
LEU
TTC
PHEH2N TRP GLU LYS COOHGLY
TGG GAA AAG CGT
Faltung der Aminosäurekette zu einer dreidimensionalen Struktur (Protein): ATP, ADP
O
HO OH
NO
N
N
N
NH2
PO O
OPO
OO
PO
HOO
Adenosintriphosphat ATP
O
HO OH
NO
N
N
N
NH2
PO O
OO
PO
HOO
PO
HOO
H2O
ΔG im Zellmedium ca. -50 kJ/mol