Karbohydrater og glykobiologi

Transkript

1 1, IA Relevante læringsmål, Biokjemi: beskrive den generelle strukturen til karbohydrater, lipider, aminosyrer og nukleinsyrer, og forklare stoffenes fysikalsk-kjemiske egenskaper ut fra dette gjøre rede for hovedfunksjonene til karbohydrater, lipider, nukleinsyrer og proteiner Relevant studiemateriell: Lehninger; Principles of biochemistry, 5 th Ed., Kapittel 7 Lippincott s; Biochemistry, 5 th Ed., Kapittel 7 og 14 (Baynes; Medical biochemistry, 3 rd Ed., Kapittel 3 og 26) 1

2 3 Det store bildet 4 De tre hovedklassene av biomolekyler er: o Karbohydrater o Proteiner o Lipider Karbohydrater er: o Energilager o Energikilde o Produkter i metabolismen o Strukturelt rammeverk i RNA og DNA (ribose og deoxyribose) o Strukturelementer i celleveggen til bakterier og planter o Koblet til mange proteiner og lipider o Viskositet, adhesivitet og strekkstyrke til ekstracellulær matriks 2

3 5 De fleste karbohydrater har følgende empiriske formel: I ( 2 ) n eller - - I «ydrat av karbon» Monosakkarider - Et monosakkarid kan være en triose, tetrose, pentose eller hexose, avhengig av antall -atomer (3, 4, 5 eller 6). exoser er mest vanlig i naturen. ligosakkarider noen få monosakkarider kovalent bundet sammen. Mest vanlig: Disakkarider som består av 2 monosakkarider. Polysakkarider polymerer av karbohydrater som består av en kjede av mono-eller disakkarid enheter (n>20). 6 Monosakkarider Karbohydrater med fri karbonylgruppe har navn som ender på ose. To hovedgrupper: 1.Aldoser 2.Ketoser R1 R2 Aldehyder har en karbonyl (=) hvor en R gruppe er. Ketoner har en karbonyl hvor ingen av R gruppene er. 3

4 7 Monosakkarider Aldoser (f.eks glukose) har en aldehydgruppe på ene enden. Ketoser (f.eks fruktose) har en ketogruppe, vanligvis på = hexose 2 D-fructose 8 Terminologi 4

5 9 Epimerer Epimerer er karbohydrater som er stereokjemisk forskjellig i ett av flere mulige karbon (chiralt senter) 2 epimer 4 epimer 10 D og L betegnelse / Enantiomer (stereoisomer/speilbilde) D & L betegnelser er basert på konfigurasjonen rundt asymmetriske/chirale karbon. Eks: Det minste monosakkaridet (sammen med dihydroaceton): ett chiralt senter i glyceraldehyd. to ulike optiske isomerer/enantiomerer L: levo rotatory (roterer polarisert lys mot venstre) D: dextro rotatory (roterer polarisert lys mot høyre) 5

6 11 D & L karbohydrater er speilbilder av hverandre De kan ha samme navn, f.eks D-glukose & L-glukose. Andre stereoisomerer har unike navn, f.eks. glukose, mannose, galaktose, etc. Antallet stereoisomerer er 2 n, der n er antall asymmetriske sentre. 6- aldoser har 4 asymmetriske sentre. Derfor har de 16 stereoisomerer. 2 D-glucose 2 L-glucose 12 Karbohydratnomenklatur For karbohydrater med mer enn ett asymmetrisk atom (chiralsenter, merket med rødt), vil D eller L formene referere til den asymmetriske lengst borte fra aldehyd eller keto gruppene. De fleste naturlig forekommende karbohydrater er D isomerer. 2 2 D-glucose L-glucose 6

7 13 Enantiomere forbindelser ar vanligvis identiske fysikalsk/kjemiske egenskaper med unntak av evnen til å rotere polarisert lys. Eksempel på det motsatte: Thalidomidskandalen på tallet: (S)-thalidomid (R)-thalidomid To enantiomere forbindelser av thalidomid Til behandling av morgenkvalme for gravide: R-formen virker beroligende og kvalmestillende. S-formen kan medføre fosterskader. 14 Terminologi 7

8 15 Monosakkarider kan danne sykliske forbindelser I vandig løsning foreligger aldotetroser og alle monosakkarider med >5 karbonatomer hovedsakelig som sykliske forbindelser. Karbonylgruppen danner en kovalent binding med oksygenet i hydroksylgruppen i kjeden den reagerer med. Reaksjon mellom et aldehyd/keton og en alkohol. Fører til dannelse av hemiacetaler og hemiketaler. 16 Aldoser og ketoser danner hemiacetal og hemiketal En aldehyd gruppe kan reagere med en alkohol og danne en hemiacetal. En ketogruppe kan reagere med en alkohol og danne en hemiketal. 8

9 17 Monosakkarider kan danne sykliske forbindelser: enden reagerer med starten av molekylet vis -D-glukose løses i vann: - ca 1/3 -D-glukose - ca 2/3 b-d-glukose - spor av lineær form - spor av 5 medlems ring (mindre stabil) Glukose danner en hemiacetal, fordi 5 og 1 aldehyd reagerer med hverandre. Man får da dannet en hexagonal ring (pyran) som er en stabil struktur D-glucose b-d-glucose Syklisk glukose har et asymmetri senter i 1. Stereoisomerene kalles anomerer, & b. Anomerisk Karbon --- Karbonatomet som inngår i hemiacetal eller hemiketal dannelse. aworth projeksjoner viser sykliske karbohydrater som tilnærmet plane ringstrukturer der: har gruppen under ringen i 1 posisjon b har gruppen over ringen i 1 posisjon (Gjelder for D karbohydratene) 9

10 19 Ketogruppen kan også inngå i ringdannelse Fruktose danner enten: en 5-medlems furanose ring, ved at gruppen i 5 reagerer med ketogruppen i 2, eller en 6-medlems pyranose ring, ved at gruppen i 6 reagerer med ketogruppen i 2 20 alpha ( ) og beta (b) anomerer for furanoser trans cis 10

11 21 aworth projeksjoner uskeregler 1) Ringen er alltid orientert med oksygen i øvre høyre hjørne (pyranose). 2) - 2 gruppen er plassert 2 D PP for et D-karbohydrat og NED for er L-karbohydrat. 3) -karbohydrater har - 2 gruppa og den anomere hydroksyl gruppa i trans. 4) b-karbohydrater har - 2 gruppa og den anomere hydroksyl gruppa i cis. 2 2 L 2 b 22 aworth projeksjoner for L-Glukose - 2 ned=l - 2 ned=l 2 2 trans = cis = b BEGGE ER L-GLUKSE L-karbohydrater -L ANMERER b-l 11

12 23 Fisher projeksjon -D-glukose Forskjell på D- og L-glukose? L-glukose aworth projeksjon Derivater av karbohydrater 2 2 D-ribitol sukkeralkoholer mangler aldehyd- eller ketogruppe, f.eks. ribitol. sukkersyrer - aldehydgruppa i 1, eller gruppa i 6, er oksidert til karboksylsyre; f.eks.: glukonsyre eller glukuronsyre. 2 D-gluconic acid D-glucuronic acid 12

13 25 Derivater av karbohydrater 2 N 2 -D-glucosamine 2 N 3 -D-N-acetylglucosamine aminosukker- en aminogruppe erstatter en hydroksyl gruppe. Et eksempel er glukosamin. Aminogruppa kan være acylert, som f.eks. i N- acetylglukosamin (viktig karbohydrat i glykoproteiner). 26 Derivater av karbohydrater N - 3 R N-acetylneuraminate (sialic acid) R = 2 N-acetylneuraminat (N-acetylneuramin syre, også kalt sialinsyre) finnes ofte som terminale residuer på oligosakkarider i glykoproteiner. Sialinsyre gir negativ ladning til glykoproteiner, fordi karboksyl gruppa kan dissosiere et proton ved fysiologisk p (som vist her). 13

14 27 28 Monosakkarid + monosakkarid = disakkarid Maltose, er et disakkarid av to glukosemolekyler med en (1 4) glykosidbinding mellom 1 & 4. ydrolyse av stivelse gir maltose. Videre hydrolyse (via maltase) gir glukose. anomer: 1 peker nedover (for D karbohydrater) 14

15 29 Eksempel på andre disakkarider: Laktose, melkesukker, er bygd opp av galaktose & glukose, med b(1 4) binding fra gruppen på galaktose. Fullt navn for laktose er b-d-galaktopyranosyl-(1 4)-b-D-glukopyranose. Laktose hydrolyseres av laktase. Glukopyranose i laktose kan være enten eller b form. er er det b-formen som er vist. 30 Eksempel på andre disakkarider: Sukrose, vanlig bordsukker, har en glykosid binding mellom de anomere hydroksyl gruppene på glukose & fruktose. Siden konfigurasjonen rundt den anomere i glukose er ( peker nedover i forhold til ringen), er bindingen (1 2). Fullt navn for sukrose er: -D-glukopyranosyl-(1 2)-b-D-fruktofuranosid. (se for begrunnelse av strukturen). Sukrose hydrolyseres av sukrase. -oside-ending brukes når to anomere karbonatomer deltar i glykosidbindingen b-d-fruktofuranose (standard form) 15

16 31 Polysakkarider (glykaner) Mange viktige funksjoner: Energilager (stivelse og glykogen i planter, dyr og bakterier) Strukturell funksjon (eks. cellulose i planter) Gir viskositet og fasiliterer celleadhesjon Viktig for gjennkjennelse av bakterier/virus av reseptorer Styrker extracellulær matriks 32 Polysakkarider Polysakkarider kan bestå av en, to eller mange ulike monosakkarider. 16

17 33 Polysakkarider Planter lagrer glukose som amylose eller amylopektin, fellesbetegnelsen er stivelse. Amylose er en glukosepolymer med (1 4) glykosidbinding som danner en helix struktur. Enden på polysakkaridkjeden med en fri anomerisk 1 kalles den reduserende enden amylopectin Amylopektin er en glukosepolymer med mest (1 4) bindinger, men har også grener dannet av (1 6) bindinger. Grenene er vanligvis lengre enn det som vist i figuren over (forgreinings punkt for hver enhet). a. halvparten av karbohydratene som vi spiser er i form av stivelse. Amylopektin og amylose hydrolyseres av -amylase, et enzym som skilles ut av spyttkjertler og av pankreas. 17

18 35 Amylopektin tråder danner dobbelhelix strukturer med hverandre eller med amylose (blå tråd). Glukoseenheter fjernes fra den ikkereduserende enden av -amylase. 36 Glykogen er lik amylopektin i struktur, men er mer forgrenet = mer kompakt! Sciencephotolibrary.com Glykogenpartikler kan utgjøre opptil 10% av leverens vekt! I mennesker og dyr lagres glukose som glykogen. Strukturen er lik amylopektin, men glykogen har flere (1 6) grener (forgreiningspunkt for hver 8-12 enhet). En struktur med høy forgrening gir hurtig frigjøring av glukose fra glykogenlagrene, f.eks. i muskler under fysisk aktivitet. Evne til hurtig å mobilisere glukose er viktigere for mennesker og dyr enn for planter! 18

19 37 Stivelse og glykogen binder store mengder 2 Mange eksponerte hydroksylgrupper Danner hydrogenbindinger med vann Fitnessutøvere unngår karbohydrater før konkurranse Mer markerte muskler 38 ellulose i plantecellevegg gir struktur og styrke Lineær, uforgrenet polymer ( enheter) Kjeder av glukose med b(1 4) glykosidbinding (kroppen vår kan ikke bryte b(1 4) binding mellom glukosemolekyler). Enztmet cellulase bryter b(1 4) binding (finnes i noen bakterietyper, i tarmen hos termitter og i en av magene hos kyr) cellulose

20 39 ellulose i plantecellevegg gir struktur og styrke 40 elleveggen i bakterier består av peptidoglykan er bakteriens rustning Alternerende b(1 4) linket N-acetylglukosamin og N-acetylmuraminsyre enheter Karbohydratkjeder er koblet sammen med peptidkjeder: kjedekoblet rustning for bakterien Lysozym hydrolyserer b(1 4) binding (finnes i tårer) 20

21 41 Begrepsavklaring: Proteoglykaner og Glykokoproteiner Glykoproteiner er proteiner med noen oligosakkaridkjeder kovalent bundet til proteiner. Vanligvis ca 2-10 forgreinete karbohydratenheter. Karbohydratene utgjør ca 1-15% av totalvekten. Proteoglykaner har store mengder glykosaminoglykaner (GAG) (eks. heparan sulfat, kondroitin sulfat eller keratan sulfat) bundet til et protein (enten kovalent binding eller via elektrostatiske interaksjoner med negative ladninger). Proteoglykaner er en av hovedkomponentene i extracellulær matrix (EM). GAG utgjør vanligvis ca 50-60% av totalvekten i proteoglykaner. 42 Ekstracellulær matriks Rommet mellom celler i vev er fylt med ekstracellulær matriks (EM). older celler på plass og gir porøsitet slik at næringsstoffer og 2 kan diffundere til cellene. Bygd opp av et fibernettverk av negativt ladde polysakkarider og proteiner som f.eks.: collagen, fibronektin og laminin. 21

22 43 Glykosaminoglykaner i ekstracellulær matrix Polysakkaridene i EM kalles glykosaminoglykaner og er en familie av lineære polymerer som består av repeterende enheter av disakkarider. Den ene av disakkaridene er alltid enten: N- acetylglukosamin eller N-acetylgalaktosamin, den andre er oftest en uronsyre. Disse enhetene kan også være sulfaterte. Glykosaminoglykaner (GAG) kan være koblet til ekstracellulære proteiner, som da kalles proteoglykaner. yaluronsyre er smøremiddel i ledd, Essensiell byggestein i brusk og sener eparin er en naturlig forekommende antikoagulant som produseres av mastceller 44 Proteoglykanaggregater i EM Sulfatgrupper og hydroksylgrupper gir polymeren høy negativ ladning polysakkaridkjedene frastøter hverandre, og binder opp masse vann. Gir viskositet og virker smørende 22

23 45 Trykkmotstand i glykosaminoglykaner F.eks: yaluronsyre i brusk og leddvæske: Sulfatgrupper og hydroksylgrupper gir polymeren høy negativ ladning polysakkaridkjedene frastøter hverandre, og binder opp masse vann Gir viskositet, virker smørende og støtabsorberende 46 Eksempel på en viktig funksjon til proteoglykaner Interaksjon mellom celler og ekstracellulær matriks (EM) utføres av et membranprotein (integrin) og av et ekstracellulært protein (fibronektin) som har bindingsseter for både integrin og proteoglykan. 23

24 47 Glykoproteiner er bundet til oligosakkarider -koblet oligosakkarider har en glykosidbinding til gruppen på Ser eller Thr. N-koblet oligosakkarider har en N- glykosid binding til amin gruppen på Asn (Asparigin). Flere oligosakkaridkjeder kan være koblet til proteiner, og karbohydratinnholdet i proteiner kan være fra 1 til opptil 70% av glykoproteinets masse. 48 Etter den første koblingen, kan oligosakkaridene forgreine seg og vokse -koblet N-koblet Legg merke til hvor stor diversitet som glykosylering gir, både når det gjelder typer av karbohydrat enheter og i kobling som benyttes. Samme protein utrykt i forskjellige vev kan ha forskjellig glykosyleringsmønster. 24

25 49 va er fordelene med å addere oligosakkarider til proteiner? Øker polaritet og dermed løseligheten og stabilitet Kan påvirke proteinfoldingen Beskytter mot proteolytiske enzymer Viktig for biologisk aktivitet: Intracellulær lokalisering elle-celle interaksjoner Vevsutvikling Ekstracellulær signalisering 50 Lektiner er proteiner som binder karbohydrater de medierer ofte celle-celle interaksjoner Mange typer av magesår skyldes bakterien.pylori som binder et bestemt oligosakkarid på overflaten av epitelcellene i magen. Bakterien gjør dette vha et protein som kalles lektin. Lektinet binder oligosakkaridet Le b som er assosiert med blodtype. Personer med blodtype er mer utsatt for magesår enn andre..pylori bakterier bundet til celler i mageslimhinnen. Marshall og Warren isolerte bakterien fra magen fra magesårpasienter Nobelprisen i

26 51 Eksempler på viktige funksjoner til oligosakkarider Det finnes oligosakkarider på en rekke membranproteiner og lipider i cellemembranen som kan binde lektiner. Eksempler på lektinbindinger: - virusinfeksjon (influenza virus), - bakterietoksiner, - bakterieinfeksjon (.pylori), - selektiner (lektiner) i plasmamembranen på bestemte celletyper medierer celle-celle interaksjoner (f.eks.: vandring av lymfocytter fra blodbanen og ut i vevet ved en infeksjon), - Mannose-6-fosfat reseptor som står for transport av enzymer til lysosomer Sammendrag Karbohydrater er stoffer som inneholder en aldehyd- eller keto gruppe, og to eller flere grupper Monosakkarider finnes i flere stereokjemiske former Monosakkarider danner interne hemiacetal eller hemiketal. Den anomere (fra keto eller aldehyd gruppa) kan ha to former ( eller b) Monosakkarider kan danne glykosidbindinger ligosakkarider er korte polymerer av flere monosakkarider som er koblet sammen vha glykosidbindinger Polysakkarider (glykaner) kan være energilager eller strukturelle komponenter i cellevegger eller i ekstracellulær matriks Stivelse og glykogen er homopolysakkarider som lagrer energi i planter og dyr og i bakterier. De inneholder D-glukose med ( 1-4) binding og er forgrenet Glykosaminoglykaner er ekstracellulære heteropolysakkarider der en av de to monosakkarid enhetene er en uronsyre og den andre en N-acetylert aminosukker. Sulfatgrupper på hydroksylgrupper gir polymeren høy negativ ladning. Disse polymerene (hyaluronsyre, chondroitin sulfat, dermatan sulfat, keratan sulfat og heparin) gir viskositet, adhesivitet og strekkstyrke til ekstracellulær matriks Proteoglykaner er glykokonjugater der en proteinkjerne er koblet til en eller flere store glykaner. Proteoglykaner gir adhesjon mellom celler og ekstracellulær matriks Glykoproteiner inneholder oligosakkarider som er mindre, men mer strukturelt komplekse enn glykosaminoglykaner. De fleste proteiner er glykoproteiner. Mange lipider kan også har oligosakkarider. ligosakkaridene påvirker folding og stabilitet til proteiner, og kan gjenkjennes av andre proteiner (lektiner). Lektinbindinger har en rekke viktige funksjoner i helse og sykdom

27 53 Relevante læringsmål, Biokjemi: beskrive den generelle strukturen til karbohydrater, lipider, aminosyrer og nukleinsyrer, og forklare stoffenes fysikalsk-kjemiske egenskaper ut fra dette gjøre rede for hovedfunksjonene til karbohydrater, lipider, nukleinsyrer og proteiner 27