Karbohydrater og glykobiologi

Transkript

1 Karbohydrater og glykobiologi Magnus Steigedal, IKM Innhold: Karbohydratstruktur og nomenklatur Derivater av karbohydrater Glykosidbinding og polysakkarider Glykosaminoglykaner Proteoglykaner Glykoproteiner Noen funksjoner av oligosakkarider De fire hovedklassende av biomolekyler er: Karbohydrater Proteiner Nukleinsyrer Lipider Karbohydrater er: Energilager, energikilde, produkter i metabolismen, Strukturelt rammeverk i RNA og DNA (ribose og deoxyribose), Strukturelementer i celleveggen til bakterier og planter, Koblet til mange proteiner og lipider 1

2 Karbohydrater har følgende empiriske formel: I ( 2 ) n eller - - I 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). Monosakkardier Aldoser (f.eks glukose) har en aldehydgruppe på ene enden. Ketoser (f.eks fruktose) har en ketogruppe, vanligvis på = hexose 2 D-fructose 2

3 D og L betegnelse D & L betegnelser er basert på konfigurasjonen rundt det ene atomet i glyceraldehyd (det minste monosakkaridet sammen med dihydroaceton). L: levo rotatory (roterer polarisert lys mot venstre) D: dextro rotatory (roterer polarisert lys mot høyre) 2 D-glyceraldehyde 2 L-glyceraldehyde 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 Isomeri: forskjell i struktur i et stoff med samme kjemisk sammensetning og samme molekylvekt 3

4 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. 2 D-glucose Antallet stereoisomerer er 2 n, der n er antall asymmetriske sentre. 6- aldoser har 4 asymmetriske sentre. Derfor har de 16 stereoisomerer. 2 L-glucose Epimerer Epimerer er karbohydrater som er stereokjemisk forskjellig i ett karbon 1 2 epimer epimer (epimer i 2) (epimer i 4) 4

5 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. Monosakkarider kan danne sykliske forbindelser: enden reagerer med starten av molekylet vis ɑ-d-glukose løses i vann: - ca 1/3 ɑ-d-glukose - ca 2/3 β-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 5

6 α-d-glucose β-d-glucose Syklisk glukose har et asymmetri senter i 1. Stereoisomerene kalles anomerer, α & β. Anomerisk Karbon --- Karbonatomet som inngår i hemiacetal eller hemiketal dannelse aworth projeksjoner viser sykliske karbohydrater som tilnærmet plane ringstrukturer der: α har gruppen under ringen i 1 posisjon β har gruppen over ringen i 1 posisjon (Gjelder for D karbohydratene) Fisher projeksjon 2 α-d-glukose Forskjell på D- og L-glukose? 2 α- L-glukose 2 aworth projeksjon 2 6

7 AWRT PRJEKSJNER uskeregler 1) Ringen er alltid orientert med oksygen i øvre høyre hjørne (pyranose). 2) - 2 gruppen er plassert PP for et D-karbohydrat og NED for er L-karbohydrat. 2 D 2 L 3) α-karbohydrater har - 2 gruppa og den anomere hydroksyl gruppa i trans. 2 α 4) β-karbohydrater har - 2 gruppa og den anomere hydroksyl gruppa i cis. 2 β AWRT PRJEKSJNER for L-Glukose - 2 ned=l - 2 ned=l trans = α 2 2 cis = β L-KARBYDRATER α-l ANMERER β-l BEGGE ER L-GLUKSE 7

8 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 8

9 This image cannot currently be displayed. This image cannot currently be displayed. This image cannot currently be displayed. This image cannot currently be displayed. This image cannot currently be displayed. This image cannot currently be displayed. alpha (α) og beta (b) anomerer for furanoser 2 cis 2 trans beta (β) alpha (α) D-ribose DNA 9

10 Derivater av karbohydrater 2 2 D-ribitol 2 D-gluconic acid D-glucuronic acid 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. Derivater av karbohydrater 2 N 2 α-d-glucosamine 2 N 3 α-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). 10

11 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). Monosakkarid + monosakkarid = disakkarid Maltose, er et disakkarid av to glukosemolekyler med en α(1 4) glykosidbinding mellom 1 & 4. ydrolyse av stivelse gir maltose. Videre hydrolyse (via maltase) gir glukose. α anomer: 1 peker nedover (for D karbohydrater) 11

12 Eksempel på andre disakkarider: Laktose, melkesukker, er bygd opp av galaktose & glukose, med β(1 4) binding fra gruppen på galaktose. Fult navn for laktose er β-d-galaktopyranosyl-(1 4)-β-D-glukopyranose. Laktose hydrolyseres av laktase. Glukopyranose i laktose kan være enten α eller β form. er er det β-formen som er vist. 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 α ( peker nedover i forhold til ringen), er binding en α(1 2). Fult navn for sukrose er: α-d-glukopyranosyl-(1 2)-β-D-fruktofuranosid. (se for begrunnelse av strukturen). Sukrose hydrolyseres av sukrase. -oside-ending brukes når to anomere karbonatomer deltar i glykosidbindingen β-d-fruktofuranose (standard form) 12

13 Polysakkarider Planter lagrer glukose som amylose eller amylopektin, fellesbetegnelsen er stivelse. Amylose er en glukosepolymer med α(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 α(1 4) bindinger, men har også grener dannet av α(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 α amylase, et enzym som skilles ut av spyttkjertler og av pankreas. 13

14 Amylopektin tråder danner dobbelhelix strukturer med hverandre eller med amylose (blå tråd). Glukoseenheter fjernes fra den ikkereduserende enden av α amylase. Glykogen er lik amylopektin i struktur, men er mer forgrenet = mer kompakt! Glykogenpartikler utgjør ca 7% av leverens vekt! I mennesker og dyr lagres glukose som glykogen. Strukturen er lik amylopektin, men glykogen har flere α(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! 14

15 cellulose 2 ellulose, en hovedbestanddel i celleveggen i planter, består av lange lineære kjeder av glukose med β(1 4) glykosidbinding (kroppen vår kan ikke bryte β(1 4) binding mellom glukosemolekyler). ellulase bryter β(1 4) binding, finnes i noen bakterietyper (i tarmen hos termitter og i en av magene hos kyr) elleveggen i bakterier består av peptidoglykan er bakteriens rustning Karbohydratkjeder er koblet sammen med peptidkjeder: kjedekoblet rustning for bakterien Lysozyme hydrolyserer β(1 4) binding 15

16 Glykosaminoglykaner Rommet mellom celler i vev er fylt med ekstracellulær matriks (EM). EM holder celler på plass og gir porøsitet slik at næringsstoffer og oksygen kan diffundere til cellene. EM er bygd opp av et fibernettverk av negativ ladet polysakkarider og proteiner som f.eks.: collagen, fibronektin og laminin. Polysakkaridene i EM kalles glykosaminoglykaner som 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 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 Eksempel på en viktige 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 16

17 Glykokonjugater Proteogykaner har glykosaminoglykaner arrangert rundt en proteinkjerne Glykoproteiner er proteiner med noen karbohydrater tilkoblet (oligosakkarider) Glykoproteiner har oligosakkarider bundet til seg -koblet oligosakkarider har en glykosidbinding til gruppen på Ser eller Thr. N-koblet oligosakkarider har en N- glykosid binding til amin gruppen på Asn. Flere oligosakkaridkjeder kan være koblet til proteiner, og karbohydratinnholdet i proteiner kan være fra 1 til mer enn 70% av glykoproteinets masse. 17

18 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 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 Marshall og Warren isolerte bakterien fra magen fra magesårpasienter Nobelprisen i

19 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 (.plyori), - 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 (α eller β) 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 (α1 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 19