Kolhydrater Biologisk kemi 7,5 hp KTH VT 2012 Barbara Norman
Disposition Vad är kolhydrater? Bildning och nedbrytning av kolhydrater Varför behöver vi kolhydrater? Kolhydrater på molekylnivå Isomeri - Kiralitet och enatiomerer - Fischer projektion och cykliska strukturer Disackarider Polysackarider Olika bindningstyper Andra kolhydrater och deras funktion Kolhydratmetabolism - introduktion
Mål Förstå stereoisomeri - kunna förklara begrepp såsom kiralitet, tetrahedralt stereocenter och enantiomer. Strukturer av monosackarider - förstå Fischerprojektion och kunna förklara sambandet mellan en rak och en cyklisk form. Kunna rita strukturformel för glyceraldehyd, dihydroxyaceton och glukos. Strukturer av disackarider - kunna namnge vilka monosackarider maltos, laktos och sackaros består av och beskriva bindningstyperna mellan monosackariderna. Olika typer av kolhydrater - kunna definiera mono-, di- och polysackarider samt beskriva deras struktur och funktion. Kunna förklara skillnader mellan stärkelse och cellulosa. Känna till modifierade kolhydrater. Funktion - reflektera över kolhydraters olika funktioner
Exempel på kolhydrater
Energin kommer från solen Växter bildar kolhydrater genom fotosyntes ATP http://glycolysis.co.uk/glucose/
Digestion och absorption av kolhydrater 1. Munhåla: Enzymet amylas i saliven börjar sönderdela kolhydrater 2. Tunntarmen: Enzymet amylas från pancreas och andra enzymer från tarmväggar ger nedbrytning till enkla sockerarter Enkel översiktsbild på kolhydratnedbrytning
Många som är laktosintoleranta har för lite av enzymet laktas
http://www.scienceinschool.org/
Nedbrytning av olika födoämnen Glukos Tas upp från tarmen och transporteras i blodet Viktig energikälla för bl. a. hjärnan
Energi förvaras i fosfatbindningar Energi 1 gram ATP kan frigöra 59J
Vad behövs energi till, energikrävande processer Rörelse (kontraktion av muskelceller) -Skelettmuskel -Hjärtmuskel -Glatt muskulatur Tillväxt (allmän) barn, skador, mm Reparation (nybilda proteiner i den takt som de nöts ut ) Transport mellan olika delar inne i cellen Transportera ämnen ut eller in i cellen, jonpumpar
Kolhydrater på molekylnivå
Introduktion till kolhydrater 1.Monosackarid 3-6 C kan inte hydrolyseras Ex - glukos - fruktos - galaktos 2.Disackarider byggs upp av två monosackarider: Ex - laktos - maltos - sackaros 3.Polysackarider består av flera monosackarider Ex- stärkelse - glykogen - cellulosa (oligosackarider = 2-9 st sammankopplade monosackaridenheter)
Kolhydrat = Kol + vatten Gemensamt för alla kolhydrater: Summaformel: (CH 2 O) n
Klassificering av Monosackarider Aldoser och ketoser med: 3st C kallas trioser ex: glyceraldehyd är en aldotrios ex: dihydroxyaceton är en ketotrios 4st C kallas tetroser 5st C kallas pentoser 6st C kallas hexoser ex: glukos är en aldohexose ex: fruktos är en ketohexose
Klassificering av Monosackarider Glukos är en aldohexos (aldo- = aldehyd, -hex = sex kol; -ose = socker) Ribos är en aldopentos (femkols- aldehyd socker) Fructose är en ketohexos (sexkols- ketonsocker) Copyright 2010 Pearson Education, Inc. Chapter Twenty Two 16
Isomeri Isomera molekyler har samma molekylformel men olika utseende Två olika typer av isomerer - Strukturisomeri (konstitutionsisomeri) molekylernas atomer är bundna till varandra på olika sätt -Stereoisomeri (rymdisomeri) molekylerna är ordnade på olika vis i rymden -diastereomerer -enantiomerer (kiral kolatom) diastereomerer
Glyceraldehyd Glyceraldehyd är den enklaste kolhydraten med en kiral kolatom http://www.personal.kent.edu/~cearley/pchem/sugar/sugar.htm
Stereocenter Hur kan man identifiera en kiral molekyl? En kiral kolatom har 4st olika (unika) grupper bundna till sig
Kirala molekyler Kirala molekyler förhåller sig till varandra som högerhand till vänsterhand. De är spegelbilder av varandra men formerna kan inte läggas på varandra (superimpose) Enantiomerer = optiska isomerer
Optisk aktivitet Enantiomerer har samma fysikaliska egenskaper förutom vridning av planpolariserat ljus En lösning av D eller L-formen i ett enantiomerpar vrider ljuset lika mycket men åt motsatt håll Copyright 2010 Pearson Education, Inc. Chapter Twenty Two 21
Enantiomerer n = antal kirala kolatomer resulterar i 2 n isomerer och halva antalet enantiomerpar
Fischer projektion ett sätt att presentera stereoisomerer två-dimensionellt Regler för att rita 1- Stereocentrum (kirala kolet C) placeras i papprets plan - platta till 2- Bindningar som befinner sig ovanför pappret visas som horisontella linjer 3-Bindningar som befinner sig under pappret visas som vertikala linjer
Ex Glyceraldehyd Regler för att rita (forts) 1. Lägg kolkedjan vertikalt, karbonylgruppen ska ligga överst 2. Rotera det kirala kolet 180 grader för att få den andra enantiomeren
D och L? monosackarider delas upp i L- och D-former Dextro (höger) Laevo (vänster) Valt D-glyceraldehyd som modell för övriga kolhydrater I naturen finns mest kolhydrater av D-varianterna OBS! En D-kolhydat kan vara antingen + eller - vridande
Många enzymer är kirala
Enantiomerer kan ha olika biologisk aktivitet Många biomolekyler är kirala, kan bara binda den ena av ett par enantiomerer Ofta finns bara den ena formen i naturen Ex. Thalidomid (neurosedynskador) * Ibuprofen * (* kiralt kol)
Uppgift : Viktiga monosackarider
Andra monosackaridstrukturer Aldehyder och ketoner reagerar med alkoholer och bildar hemiacetaler. Hydroxyl- och karbonylgruppen i samma sockermolekyl kan bilda en intern hemiacetal. Copyright 2010 Pearson Education, Inc. Chapter Twenty Two 29
Hexoser kan bita sig i svansen! Partiellt positivt C attackeras av fritt elektronpar på O Aldehyd + Alkohol -glukos Hemiacetal -glukos http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc462/462a/notes/carbo/carb_structure.htm
Från Fisher till cyklisk Haworth projektion Copyright 2010 Pearson Education, Inc. Chapter Twenty Two
Mutarotation mutarotation: förändring av riktningen i planpolariserat ljus beroende på skift i jämvikten mellan de olika glukosformerna anomerer: två former av cyklisk monosackarid där OH-gruppen på C1 pekar neråt (α) eller uppåt (β) I en glukoslösning förekommer alla tre formerna Copyright 2010 Pearson Education, Inc. Chapter Twenty Two 32
D och L beskriver enantiomerer med olika riktning på OH-gruppen längs bort från karbonylgruppen. och beskriver anomerer med olika riktning på OHgruppen på C1. Haworth projektion beskriver cykliska strukturer. CH 2 OH gruppen i ett D socker presenteras alltid ovanför ringen i Haworth projektionen. Copyright 2010 Pearson Education, Inc. Chapter Twenty Two 33
Disackarider
Bildning av Acetal Bildning av hemiacetal: karbonyl + hydroxyl - inom en monosackarid Bildning av acetal : hemiacetal + hydroxyl - mellan olika monosackarider Kolhydrat-acetaler kallas Glykosider
Disackarider bildas från cykliska hemiacetal enheten från ett socker, och från alkoholgruppen på det andra sockret Disackarider (1-4) glykosid bindning
Kolhydrat-acetaler kallas glykosider Disackariden maltos består av två glukosenheter bundna i en α-1-4 glykosidbindning
Laktos (mlölksocker) är en disackarid bestående av -D-galaktos och -D-glukos. De två monosackariderna är bundna med en -1,4 glykosidbindning. Copyright 2010 Pearson Education, Inc. Chapter Twenty Two 38
Sackaros består av en D-glukos och en D-fruktos som binds via en 1-2 glykosidbindning Copyright 2010 Pearson Education, Inc. Chapter Twenty Two 39
Disackarider Tre vanligaste och näringsmässigt viktigaste disackariderna: Maltos, Laktos, Sackaros (=Sucrose)
Hur sött är socker? ex. på olika kolhydrater och artificiella sötningsmedel. Copyright 2010 Pearson Education, Inc. Chapter Twenty Two 41
Polysackarider
Polysackarider Polysackarider byggs upp av 100-100000 tals av monosackarider Vanligaste polysackariderna Stärkelse: växters lagring av energi Glykogen: däggdjurs lagring av energi Cellulosa: cellväggsmaterial i växter Polysackarider byggs upp av samma eller olika monosackaridenheter och kan vara raka eller grenade
Varför får vi energi av potatismos men ej av granbark? Stärkelse = polyglukos Cellulosa = polyglukos Ung granbark kan samlas in och kokas ur varpå avkoket dricks, och kan vara ett viktigt tillskott särskilt vintertid i nordliga trakter. Den kan även med fördel ätas rostad vid elden, i synnerhet den tunnare yngre barken från unga toppskott/grenar. http://www.studentkrubb.se/?tag=potatismos http://www.overlevnad.se/vaxter/gran.html
Viktig skillnad i bindningstypen mellan glukosenheterna i cellulosa (β-1,4) och stärkelse (α-1,4)
Cellulosa Cellulosa bygger upp cellväggar (växter) och växtfibrer Enbart β-glukos med β-(1-4 )-glukosidiska bindningar Geometrin tillåter att glukoskedjor packar sig sida vid sida vilket leder till en mycket stabil struktur Människor har inga enzymer som kan bryta ner cellulosa Kossor?
Stärkelse enbart α-glukosmolekyler 10-20% Amylos α-(1-4) bindningar 80-90% Amylopektin α-(1-4) bindningar + α-(1-6) bindningar Spiralformad för att skydda OH-grupperna från vatten Hydrolys av de olika bindningarna kräver olika enzym
Liknar amylopektin men är mer grenad Glukos binds samman med α-1-4 glukosidiska bindningar var 10-15 glukos förgrening via α -1,6-glukosidisk bindning Glykogen Lagras i lever och skelettmuskulaturen Vid överskott omvandlas glykogen till fett
Glykemisk index Classification GI range Examples Low GI 55 or less most fruits and vegetables, legumes/pulses, some whole, intact grains, nuts, fructose Medium GI 56 69 whole wheat products, basmati rice, sweet potato, sucrose, baked potatoes High GI 70 and above white bread, most white rices, corn flakes, extruded breakfast cereals, glucose,
Andra typer av kolhydrater med modifierade glukosmolekyler Copyright 2010 Pearson Education, Inc. Chapter Twenty Two 50
Exempel på modifierade polysackarider: Chitin bygger upp skalet hos hummrar och skalbaggar Heparin antikoagulant Glykoproteiner proteiner med korta kedjor oligosackerider har många funktioner, (ex blodgrupper) Copyright 2010 Pearson Education, Inc. Chapter Twenty Two 51
Förbränning av glukos Första steg i glykolysen
www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/600glycolysis.html