Carbohydrate chemistryMgr. (M.Sc.) Study Programme, Department of

Organic Chemistry, Faculty of Natural Sciences, Comenius University, Bratislava

Course Sylaby

1. Natural occurrence of carbohydrates and their structural diversity, chemical and biological properties and significance, fundamentals of glycobiology, basic concepts, definitions and structural representations, conformational analysis, need of a special nomenclature, relation to the other organic chemistry.

2. Basic special reactions of sugars originating from their polyhydroxycarbonyl structure. Mutarotation, Lobry de Bruyn-Alberda van Ekenstein reaction, Bílik reaction.

3. Ascent and descent of the aldose series. Fischer glycosidation. Internal glycosides (anhydro aldoses). Anomeric effect.

Carbohydrate chemistryMgr. (M.Sc.) Study Programme,

Course Sylaby (contd.)

4. Reactions of the sugar carbonyl group with thiols, sugar dithioacetals and dithioketals, thioglycosides. Reactions of the sugar carbonyl group with ammonia and its derivatives. Amadori rearrangement, Maillard reactions. N-Glycosyl amines, C-Glycosyl compounds. Sugar hydrazones and osazones.

5. Sugar ethers. Methyl, benzyl, trityl, and silyl ethers of sugars, preparation, properties and utilization for protection and deprotection od OH groups of sugars and for analytical purposes. Methylation analysis of sugars. Periodate oxidation and its analytical use. NMR, mass spectrometry, chromatographic methods of analysis.

6. Sugar esters. Acetates, benzoates, pivaloates, phosphates, sulfates, sulfonates, borates of sugars, their preparation, properties and utilization for protection and deprotection od OH groups of sugars and for analytical purposes.

Carbohydrate chemistryMgr. (M.Sc.) Study Programme,

Course Sylaby (contd.)

7. Sugar acetals. Isopropylidene and benzylidene acetals, their preparation, properties and utilization for protection and deprotection od OH groups of sugars. Conformation analysis of the Isopropylidene and benzylidene acetals of sugars.

8. Substitution reactions of the sugar hydroxyl groups other than the anomeric OH groups. Utilization of the sulfonate leaving groups for this substitution. Direct substitution of hydroxyl groups.

9. Sugar anhydro derivatives sacharidov and their preparation, properties and utilization for the substitution and configuration manipulations at the sugar carbon skeleton. Rules for the small anhydro ring opening at rigid sugar structures.

Carbohydrate chemistryMgr. (M.Sc.) Study Programme,

Course Sylaby (contd.)

10. Glycosyl halogenides, glycosyl trichloroacetimidates, their preparation, properties and utilization for synthesis of glycosides, disaccharides and higher oligosaccharides.

11. Thiosugars, aminodeoxy sugars, non-anomeric sugar halogenides, their preparation, properties and utilization. Branched chain sugars, unsaturated sugar derivatives.

12. Sugars as the sources of the chiral carbon atoms for synthesis of the non-sugar compounds. Sugars as the raw material for chemical industry – present situation and an outlook. Nutritional properties of carbohydrates, digestibility and energy density of sugars. Natural and artificial sweeteners, sugar-based fat substitutes, emulsifiers and detergents.

Literature:

Monosaccharides. Their Chemistry and Their Roles in Natural Products, P. M. Collins, R. J. Ferrier, Wiley, Chichester, 1995. Glycoscience I-III. Chemistry and Chemical Biology, B. Fraser-Reid, K. Tatsuta, J. Thiem (Eds.). Springer, Berlin, 2001.

Contemporary Carbohydrate Chemistry, A. M. Stephen, University of Cape Town, RSA, 2003, http://web.uct.ac.za/depts/cem/ccc/contents.htm

Sacharidy (In Czech), M. Černý, T. Trnka, M. Budešínsky, Edice Chemických listů, ČSCH, 2010

Carbohydrate Chemistry LecturesMgr. (M.Sc.) Study Programme, Department of Organic Chemistry, Faculty of Natural Sciences, Comenius University, Bratislava, http://chemia.rt.sk

Two potential examples of the written final exam questions

a) b) c)

NaOMe

MeOH DMF

NaSBn

a) b) c)

OBnS

TrO

OH

OO

Me

Me

OTsO

TrO

OH

OO

Me

Me

O

TrO

O

OO

Me

Me

OTsO

TrO

OAc

OO

Me

Me

O

TrO

OH

OO

Me

Me

3. Configuration D-gluco is

4. The intermediate of the chemical transformations is

Fundamentals of Glycobiology

• Carbohydrates, in addition to their long-known roles in

the living matter, which are plant cell wall structural building and energy source and storage functions, possess several other, the living matter forming and supporting roles, which are being recognized in a few last decades only.

• Due to their structural diversity, which by far exceeds the structural diversity of nucleic acids and proteins, sugars are inter alia responsible for the recognition phenomena both inside the cells and at their surface as well as for the cell specialization including the tissue differentiation and development of individual organs of the living organisms.

Biological Roles of Carbohydrates

Schematic illustration of the carbohydrate recognition interactions between cells and between a cell and the outer factors.Source: BioCarb AB catalogue.

Roles of the cell surface oligosaccharides in cellular recognition processes.

(a) Cells with each other interact via multiple affinity binding of their glycoprotein oligosaccharides with protein receptors of other cells.. Glycolipid (b) and glycoprotein oligosaccharides (c) are recognized by antibodies. Adhesion and colonization of bacterial pathogens (d) on cells proceeds via recognition of cell surface oligosaccharides. (e) Similarly the pathogenic viruses, before their invasion into cells, are docking at the cell surface oligosaccharides specific for the given virus.

Schematic illustration of the mammalian cell walls. Sources:http://cellbio.utmb.edu/cellbio/membrane_intro.htm and Wolfe S.L., Molecular and Cellular Biology, Wadsworth Publishing Company, 1993.)

• Different types of cells produce distinct sets of glycosylating enzymes, and simultaneously possess diverse sets of proteins, which can be glycosylated.

• Glycosylation is thus a flexible evolutionary pathway, serving broad purposes in complex organisms.

OHO

CH2OH

OHHO

OHO

HO

CH2OH

OHHO

OH

OHO

CH2OH

OHHO

OH

OHO

CH3

OHHO

OH

OOH

CH2OH

NHAcHO

OH

OOH

CH2OH

HNAcHO

OH

OHO

OHHO

OH

OAcNH

HO

OH

HOCH2

HO

OH

COOH

OHO

OHHO

OH

COOH

OHO

OHHO

OH

COOH

The most frequent monosaccharides of mammalian glycoconjugates

D-glucose (D-Glc) D-galactose (D-Gal) D-mannose (D-Man)

L-fucose (L-Fuc) D-glucuronic acid(D-GlcA) D-xylose (D-Xyl)

L-iduronic acid(L-IdoA) N-acetyl-D-glucosamine (D-GlcNAc)

N-acetyl-D-galactosamine (D-GalNAc) N-acetyl-neuraminic (sialic) acid(Neu5Ac)

Monosaccharides of mammalian glycoproteins. The first nine structures are most frequent, there occur also the others, e.g., NeuNGc a Kdn

O

HO

OHHO

OH

HO

O

HO

OHHO

OH

HO

O

HO

OHHO

OH

HOO

HO

OHHO

OH

O

OH

NHAcHO

OH

HO

O

OH

NHAcHO

OH

HO

O

HO

OHHO

OH

O

HO

OHHO

OH

O

HO

HO

OH

HO

HO

OH

COOHO

AcNH

HO

OH

HO

HO

OH

COOHO

HOCH2CONH

HO

OH

HO

HO

OH

COOH

Glc Gal Man Fuc

GlcNAc GalNAc Ara Xyl

NeuNAc NeuNGc Kdn

O

HO OH

HO

OHOH

O

HO OH

HO

OHO

OHO

OHHO

OH

O

HO

N

NO NH2O

P OOH

OHO

O

N

NO NH2O

P OOH

OH

O

HO

N

NO NH2O

P OOH

2

2

2

CH3

OHNH2

O

NH2 NH

CH3

O CH3

O

OH

Unlike sugars, the basic building blocks of nucleic acids and proteins (peptides) can be bound by the only type of the chemical bond and cannot create branched chains

Nucleic acids

thymidine mononucleotide

The only combination

Amino acids

L-alanine

The only combination

Sugars + 7 other combinations of the six-membered rings(+ 31 iných kombinácií 5-a 6-členných kruhov)

D-glucose

O

HO OH

HO

OHOH

O

HO OH

HO

OHO

OHO

OHHO

OH

O

HO

N

NO NH2O

P OOH

OHO

O

N

NO NH2O

P OOH

OH

O

HO

N

NO NH2O

P OOH

2

2

2

CH3

OHNH2

O

NH2 NH

CH3

O CH3

O

OH

Unlike sugars, the basic building blocks of nucleic acids and proteins (peptides) can be linked by the only type of the chemical bond and cannot create branched chains

Nucleic acids

thymidine mononucleotide

The only combination

Amino acids

L-alanine

The only combination

Sugars + 7 other combinations of the six-membered rings(+ 24 other combinations of the five-membered and six-membered rings1 iných kombinácií 5-a 6-členných kruhov)

D-glucose

• Sugars however, due to their structural and bonding diversity can form branched structures

• Thus, a relatively simple set of monosaccharides can create a huge amount of complex structures

• For example. nine common monosaccharides, which occur in human body, can be composed into more than 15 millions of possible tetrasaccharides, each of which can be considered a relatively simple oligosaccharide.

• This glycocode is being used for the recognition phenomena both inside the cells and at their surface as well as for the cell specialization including the tissue differentiation and development of individual organs of the living organisms.

•All the cells of a certain organism contain identical genetic material (genome). •The entire protein executive apparatus (proteome) expressed by the genome as well as the carbohydrate composition and their functions (glycome) are however specific for the cells, according to their specialization and role in the organism, which makes the cells of the given organism mutually different.

•Each aberration from this normal carbohydrate composition of the cell then causes pathological changes in the pertinent tissue or organ of the organism. Therefore the knowledge of the glycocode of the individual cells, i.e., the diagnostics of the cell glycome, as well as the knowledge of the glycobiological processes in the cell, necessary for its correct function and for a possible correction of the casual disorders of the cell proteome, which ensures the complete building-up of the cell, including its carbohydrate composition, based on the genetic code of the cell.

Blood groups discovery and blood transfusion

Austrian biologist and physician. He is noted for having first distinguished the main blood groups in 1900, having developed the modern system of classification of blood groups from his identification of the presence of agglutinins in the blood, and having identified, with Alexander S. Wiener, the Rhesus factor, in 1937, thus enabling physicians to transfuse blood without endangering the patient′s life. In 1930 he received the Nobel Prize in Physiology or Medicine.

Karl Landsteiner(1868-1943)

http://en.wikipedia.org/wiki/Karl_Landsteiner

ABOblood group

Antigen    A

Antigen    B

Antibody    anti-A

Antibody    

anti-B

A + - - +

B - + + -

O - - + +

AB + + - -

Podľa tabuľky rozdelenia AB0 krvných skupín napr. ľudia s krvnou skupinou A majú na povrchu ich červených krviniek antigén A. Kvôli tomu neprodukujú anti-A protilátky, pretože tieto by spôsobili zničenie ich vlastnej krvi. Ak sa však do ich krvného obehu transfúziou zavedie krv krvnej skupiny B, anti-B protilátky prítomné v ich krvi (A) ju rozpoznajú ako cudziu a zničia ju alebo z nej aglutinujú (vyzrážajú do zhlukov) vnesené cudzie červené krvinky, a to za účelom očistenia krvi od cudzích proteínov.

Determination of blood group: Human red blood cells before (left) and after (right) adding serum containing anti-A antibodies. When red blood cells carrying one or both antigens are exposed to the corresponding antibodies, they agglutinate; that is, clump together. The agglutination reaction reveals the presence of the A antigen on the surface of the cells.

http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/B/BloodGroups.html

Legend: Red blood cell

N-acetyl-D- galactosamine

N-acetyl-D- glucosamine

L-fucose

D-galactose

Antigens of the human ABO blood group system

http://en.wikipedia.org/wiki/ABO_blood_group_system

http://www.pandasthumb.org/archives/images/lock&key.jpg

• Sacharidový kód determinantov ľudských krvných skupín AB0 systému rozpoznávajú bielkovinové protilátky na princípe klúča a zámku

• Rovnaký princíp biologického rozpoznávania na bunkovej úrovni, najčastejšie medzi sacharidmi a bielkovinami, funguje aj v mnohých ďalších normálnych i chorobných procesoch v živých organizmoch

•Všetky bunky daného organizmu obsahujú rovnaký genetický materiál (genóm). •Od neho odvodený proteínový výkonný aparát (proteóm) ako aj sacharidové zloženie a funkcie (glykóm) sú však pre bunky špecifické podľa ich špecializácie a funkcie v organizme, čím sa bunky daného organizmu navzájom líšia.

•Každá odchýlka od tohto normálneho sacharidového zloženia bunky potom spôsobuje chorobné zmeny v príslušnom tkanive, pletive či orgáne daného organizmu. Preto je poznanie sacharidového kódu jednotlivých buniek, teda diagnostika glykómu bunky, ako aj poznanie glykobiologických procesov v bunke, potrebné na kontrolu správnej činnosti a nevyhnutné na prípadnú potrebu opravy porúch proteínového aparátu bunky, ktorý na základe genetického kódu bunky zabezpečuje jej kompletnú výstavbu vrátane sacharidového zloženia.

•Rovnako dôležité je poznanie sacharidových kódov pri proteín-sacharidových interakciách buniek s exogénnymi patogénmi (baktérie, vírusy, toxíny), ktoré vstupujú do buniek práve na základe tohto biologického rozpoznania sacharidového kódu na svojom povrchu či na povrchu hostiteľských buniek. Na základe poznania týchto sacharidových kódov je potom možné úspešne navrhnúť lieky (glykoterapeutiká) na liečenie, ale aj na prevenciu ochorení, ktoré spôsobujú tieto patogény.

O

HO OH

HO

NH

HO

OHCOOH

H

O

Kyselina N-acetylneuramínová (sialová) - prírodzený sacharid (cukor) nachádzajúci sa v cicavčích glykoproteínoch a glykolipidoch

Zanamivír - aktívna zložka prvého protichrípkového lieku Relenza a účinný inhibítor enzýmu neuraminidáza, povrchového glykoproteínu chrípkových vírusov, ktorý štiepi koncové kyseliny sialové z glykoproteínov a glykolipidov a je kritický pre replikáciu vírusov

O

HO OH

HO

NH

HN

COOH

H

ONH2

HN

Vírus chrípky pred inváziou do bunky

Kyselina N-acetylneuramínová (sialová)

O

NH

OH

OH

COOH

O

OHHO

HO

Oseltamivír-fosfát

Druhým, dnes už do medicínskej praxe zavedeným protichrípkovým liekom, je prípravok Tamiflu, ktorého aktívnou zložkou je oseltamivír-fosfát, iný účinný inhibítor enzýmu neuraminidáza. Oseltamivír-fosfát je podobne ako predošlý prípravok Relenza (zanamivír) napodobneninou (mimetikom) kyseliny N-acetylneuramínovej.

O

NH

NH3 H2PO4

COOC2H5

O

+ -

Oseltamivir is an antiviral drug that slows the spread of influenza (flu) virus between cells in the body by stopping the virus from chemically cutting ties with its host cell—median time to symptom alleviation is reduced by 0.5–1 day. The drug is sold under the trade name Tamiflu and is taken orally in capsules or as a suspension. It has been used to treat and prevent Influenzavirus A and Influenzavirus B infection in over 50 million people since 1999.

The prodrug Oseltamivir is itself not virally effective; however, once in the liver, it is converted by natural chemical processes, hydrolysed hepatically to its active metabolite, the free carboxylate of oseltamivir (GS4071).

Oseltamivir is a neuraminidase inhibitor, serving as a competitive inhibitor towards sialic acid, found on the surface proteins of normal host cells. By blocking the activity of the viral neuraminidase enzyme, oseltamivir prevents new viral particles from being released by infected cells.

http://en.wikipedia.org/wiki/Oseltamivir

http://www.ksbi.or.kr/board/trendview.asp?BoardName=trend&Num=2278&ScrollAction=Page4

(

O

NS

NH

CH3

OH

OH

OH

O

NHAc

OH

OH

OH

OH

Thiamet-G GlcNAc

Thiamet-G je veľmi sľubný kandidát na vývoj lieku proti Alzheimerovej chorobeScott A Yuzwa, Matthew S Macauley, Julia E Heinonen, Xiaoyang Shan, Rebecca J Dennis, Yuan He, Garrett E Whitworth, Keith A Stubbs, Ernest J McEachern, Gideon J Davies & David J Vocadlo, Nature Chemical Biology 4, 483 - 490 (2008). Published online: 29 June 2008; doi:10.1038/nchembio.96

Thiamet G

Hyperphosphorylation of the tau protein leads to its aggregation and formation of neurofibrillary tangles, a hallmark of Alzheimer’s disease and other tauopathic, neurodegenerative disorders. Tau is also dynamically modified by the addition and cleavage of O-linked β-N-acetylglucosamine (O-GlcNAc) moieties, which is mediated in part by O-GlcNAcase. Levels of O-GlcNAcylated proteins from Alzheimer’s disease brain extracts are decreased as compared to that in controls, suggesting that impaired brain glucose metabolism may contribute to pathogenesis.

Thiamet G is a potent and selective inhibitor of O-GlcNAcase that demonstrates a Ki value of 21 nM. It increases cellular O-GlcNAc-modified protein levels (EC50 = 30 nM) and blocks phosphorylation of tau protein both in cultured PC-12 cells and in rats (200 mg/kg/day).

Thiamet G is the first highly potent O-GlcNAcase inhibitor known to be orally bioavailable and effectively cross the blood brain barrier.

http://www.caymanchem.com/app/template/Product.vm/catalog/13237/a/z;jsessionid=68481FD62E7985888DA013B37765339F

Monosacharidy cicavčích glykoproteínov. Prvých deväť štruktúr je najbežnejších, vyskytujú sa aj ďalšie, napr. NeuNAc a Kdn

O

HO

OHHO

OH

HO

O

HO

OHHO

OH

HO

O

HO

OHHO

OH

HOO

HO

OHHO

OH

O

AcNH

OHHO

OH

HO

O

AcNH

OHHO

OH

HO

O

HO

OHHO

OH

O

HO

OHHO

OH

O

HO

HO

OH

HO

HO

OH

COOHO

AcNH

HO

OH

HO

HO

OH

COOHO

HOCH2CONH

HO

OH

HO

HO

OH

COOH

Glc Gal Man Fuc

GlcNAc GalNAc Ara Xyl

NeuNAc NeuNGc Kdn

Tri typy štruktúr asparagínovo-viazaných glykoproteínových oligosacharidov; 1 – komplexný, 2 – vysokomanózový, 3 – hybridný.Zdroj: http://www.prozyme.com/pdf/tngl100.pdf

Štyri typy základných štruktúr serínovo- resp. treonínovo-viazaných glykoproteínových oligosacharidov. Zdroj: http://www.prozyme.com/pdf/tngl100.pdf

http://www.cdgs.com/glyco1.jpg

Povrch bunky

Základné pojmy,

pôvod a význam sacharidov

sacharidy (syn. glycidy) - skupina zlúčenín s najmenej tromi alifaticky viazanými atómami uhlíka, ktorú tvoria polyhydroxykarbonylové zlúčeniny, ich jednoduché deriváty a ich oligoméry a polyméry, v ktorých monomérne sacharidové jednotky sú navzájom pospájané zmiešanou acetálovou (glykozidovou) väzbou.

Podľa počtu jednoduchých sacharidových jednotiek obsiahnutých v jednej molekule sa sacharidy delia na monosacharidy, oligosacharidy a polysacharidy. K sacharidom sa zaraďujú aj glykokonjugáty (glykoproteíny, glykolipidy,atď.).

Podľa prítomnosti karbonylovej skupiny v molekule sa sacharidy delia na redukujúce a neredukujúce. Sacharidy a ich deriváty obsahujujúce v molekule karbonylovú skupinu vo voľnej, hydratovanej alebo poloacetálovej forme sú redukujúce sacharidy. Sacharidy neobsahujúce takúto skupinu sú neredukujúce.

Väčšina sacharidov sú bezfarebné (biele) kryštalické látky sladkej chuti. Rozpustnosť sacharidov je najlepšia vo vode a dimetylsulfoxide a klesá s klesajúcou polaritou rozpúšťadla.

Reakcie sacharidov sa rozdeľujú na reakcie na hydroxylových skupinách, reakcie na karbonylovej skupine vo voľnej alebo poloacetálovej forme a reakcie podmienené prítomnosťou karbonylovej a hydroxylových skupín. Oligosacharidy a polysacharidy navyše poskytujú kyslou alebo enzýmovou hydrolýzou monosacharidy a oligosacharidy.

sacharidy (pokračovanie)

Na štruktúrnu analýzu sacharidov sa využívajú rôzne chemické reakcie, fyzikálnochemické metódy (1H- a 13C-NMR spektrometria, plynová a kvapalinová chromatografia, často v kombinácii s hmotnostnou spektrometriou, spektrometria v infračervenej, viditeľnej i ultrafialovej oblasti, polarimetria, optická rotačná disperzia, cirkulárny dichroizmus a rontgenová štruktúrna analýza) a biochemické metódy (reakcie katalyzované enzýmami).

Sacharidy patria medzi najrozšírenejšie prírodné organické látky. Vznikajú v procese fotosyntézy (ročne asi 2 1011 ton), sú stavebným materiálom rastlín (50 až 80% sušiny) a základnou látkou metabolizmu živočíchov. Niektoré sacharidy sa získavajú z prírodných materiálov (D-glukóza, D-lyxóza, L-arabinóza, sacharóza, laktóza, atď.), ostatné sa z nich pripravujú synteticky.

Využitie sacharidov je veľmi široké. Používajú sa ako potraviny a ich zložky (sacharóza, D-glukóza, D-fruktóza, laktóza, maltóza a maltodextríny, škrob, atď.), sú surovinou na výrobu textilných vlákien (celulóza), substrátmi pre rôzne fermentačné výroby (výroba etanolu, 1-butanolu, kyseliny citrónovej, atď.) a využívajú sa na výrobu liečiv, vitamínov a špeciálnych chemikálií.

Ročne v prírode fotosyntézou a následnými biochemickými premenami vzniká asi 200 miliárd ton biomasy, z ktorej prevažnú časť, asi 75 % tvoria sacharidy.

Obnoviteľná biomasa(200 miliárd ton/rok)

5 %, tuky, proteíny, terpenoidy, alkaloidy, atď.)20 %

75 %

lignín

sacharidy

_______________________________________________

Časové obdobie Surovinová základňa priemyselnej výroby materiálov_______________________________________________

Do prelomu Suroviny rastlinného pôvodu 19. a 20. storočia ↓ ↓ ↓ Obdobie od r. 1970 Suroviny fosílneho pôvodu ↓ ↓ ↓ ↓ ?? ?Suroviny rastlinného pôvodu?_______________________________________________

Historický vývoj základne chemického priemyslu

monosacharidy - zlúčeniny skupiny sacharidy, ktoré hydrolýzou neposkytujú nižšie sacharidové jednotky.

Podľa typu karbonylovej skupiny sa monosacharidy delia na aldózy a ketózy. Ak je na sekundárny atóm uhlíka centrálneho uhlíkového reťazca viazaný ďalší uhlíkový atóm alebo uhlíkový reťazec, sú to monosacharidy s rozvetveným reťazcom. Základné derivaty monosacharidov sú deoxysacharidy, aminosacharidy, tiosacharidy, kyseliny aldónové, kyseliny urónové, kyseliny aldarové, alditoly a nenasýtené deriváty sacharidov (napr. glykály). K monosacharidom sa pričleňujú aj cyklitoly. Všetky tieto monosacharidy a ich deriváty môžu byť zložkami oligosacharidov a polysacharidov.

Podľa konfigurácie na najvzdialenejšom asymetrickom atóme uhlíka (referenčný atóm uhlíka) od karbonylovej alebo potenciálnej karbonylovej skupiny sa rozdeľujú na D-monosacharidy a L-monosacharidy. Monosacharidy genetického radu D majú na referenčnom atóme uhlíka vo Fischerovom projekčnom vzorci hydroxylovú skupinu umiestnenú na pravej strane od centrálneho uhlíkového reťazca, monosacharidy genetického radu L majú túto hydroxylovú skupinu na ľavej srane. Reťazec uhlíkových atómov je orientovaný zvisle s uhlíkovým atómom karbonylovej alebo potenciálnej karbonylovej skupiny umiestneným hore. Väzby vystupujúce z atóma uhlíka k susedným atómom uhlíka v reťazci smerujú smerom za nákresnú rovinu, väzby k substituentom premietaným vpravo a vľavo od hlavného zvislého reťazca smerujú pred nákresnú rovinu. Atómy uhlíka v reťazci sa číslujú smerom zhora nadol.

Monosaccharides - subgroup of sacharides, which do not provide lower/smaller saccharide units by hydrolysis

C OH

OH C

H C

H

OH

C OHH

CH2OH

H

CH=O

C=O

OH C

H C

H

OH

C OHH

CH2OH

CH2OH

CH=O

HO-H2C C

H C

OH

OH

C OHH

CH2OH

CH=O

H C

H C

OH

OH

C OHH

CH2OH

H

CH2OH

OH

HOH

H

HO

HO

H

OH HH

OHH

OH

HOH2C O OH

CH2OH HH

OHOH

H

HOH2C O OH

HH

R

OHOH

H

HOH2C O OH

H

R = CH2OH

aldose(D-glucose)

ketose(D-fructose)

branched chain monosacharide (D-hamamelose)

aldose(D-ribose)

Reducing saccharides exist in cyclic hemiacetal structures.

monosacharidy - zlúčeniny skupiny sacharidy, ktoré hydrolýzou neposkytujú nižšie sacharidové jednotky.

Podľa typu karbonylovej skupiny sa monosacharidy delia na aldózy a ketózy. Ak je na sekundárny atóm uhlíka centrálneho uhlíkového reťazca viazaný ďalší uhlíkový atóm alebo uhlíkový reťazec, sú to monosacharidy s rozvetveným reťazcom. Základné derivaty monosacharidov sú deoxysacharidy, aminosacharidy, tiosacharidy, kyseliny aldónové, kyseliny urónové, kyseliny aldarové, alditoly a nenasýtené deriváty sacharidov (napr. glykály). K monosacharidom sa pričleňujú aj cyklitoly. Všetky tieto monosacharidy a ich deriváty môžu byť zložkami oligosacharidov a polysacharidov.

Podľa konfigurácie na najvzdialenejšom asymetrickom atóme uhlíka (referenčný atóm uhlíka) od karbonylovej alebo potenciálnej karbonylovej skupiny sa rozdeľujú na D-monosacharidy a L-monosacharidy. Monosacharidy genetického radu D majú na referenčnom atóme uhlíka vo Fischerovom projekčnom vzorci hydroxylovú skupinu umiestnenú na pravej strane od centrálneho uhlíkového reťazca, monosacharidy genetického radu L majú túto hydroxylovú skupinu na ľavej srane. Reťazec uhlíkových atómov je orientovaný zvisle s uhlíkovým atómom karbonylovej alebo potenciálnej karbonylovej skupiny umiestneným hore. Väzby vystupujúce z atóma uhlíka k susedným atómom uhlíka v reťazci smerujú smerom za nákresnú rovinu, väzby k substituentom premietaným vpravo a vľavo od hlavného zvislého reťazca smerujú pred nákresnú rovinu. Atómy uhlíka v reťazci sa číslujú smerom zhora nadol.

Základné deriváty monosacharidov:

C OH

OH C

H C

H

OH

C OHH

H

COOH

COOH

H

CH2OH

NHCOCH3

HOH

H

H

HOO

H

OHHH

HOH

H

HOH2C O OH

H

C OH

OH C

H C

H

OH

C OHH

CH2OH

H

COOH

C OH

OH C

H C

H

OH

C OHH

H

CH=O

COOH

C OH

OH C

H C

H

OH

C OHH

H

CH2 OH

H2C

H

CH2OH

OH

H

H

HOO

H

HH

OH

OH

HOH

H

HO

H

OH

HOH

H

OH

deoxysacharid(2-deoxy-D-ribóza)

aminosacharid(N-acetyl-D-glukózamín)

aldónová kyselina (k. D-glukónová)

urónová kyselina(k. D-glukurónová)

aldarová kyselina(k. D-glukarová k. cukrová)

alditol (D-glucitol, sorbitol)

nenasýtený derivátsacharidu (D-glukál)

cyklitol(myoinozitol)

monosacharidy (pokračovanie)

Monosacharidy a sacharidy vôbec ako chirálne molekuly (okrem mezo-foriem, ktoré majú rovinu symetrie, napr.galaktitol) sú opticky aktívne a otáčajú rovinu polarizovaného svetla. Optická otáčavosť [ ]D, znamená pri bežnej laboratórnej teplote (15 až 25o C) najčastejšie pri vlnovej dĺžke =589 nm (žltá D-čiara sodíkového svetla) vo vhodnom rozpúšťadle, je jednou z charakteristických konštánt pre tieto látky. Niekedy sa pravotočivosť (+) resp. ľavotočivosť (-) uvádza aj v názve sacharidu, napr. D(+)-glukóza. DL-Monosacharidy (napr. DL-glyceraldehyd) je ekvimolárna zmes obidvoch enanciomérov monosacharidov tzv. racemická zmes).

Prítomnosť viacerých hydroxylových skupin v molekule monosachridu zvyšuje počet asymetrických centier v molekule a je príčinou existencie značného počtu stereoizomérov monosacharidov (enancioméry, diastereoizoméry, epiméry). Počet streoizomérov jednotlivých typov monosacharidov a ich derivátov pre štruktúru s n asymetrickými atómami uhlíka v acyklickej forme je daný pre nerovnako zakončený reťazec (napr. aldózy) čislom 2n (existuje napr. osem pentóz). Ak sú koncové skupiny v molekule rovnaké (napr. alditoly), je počet stereoizomérov daný číslom 2n-1 pre n nepárne (štyri pentitoly) resp. 2(n/2)-1. (2n/2+1) pre n párne (desať hexitolov).

Redukujúce monosacharidy sú v acyklickej forme len v zriedkavých prípadoch. Ich charakteristickou vlastnosťou je vytváranie zmesí cyklických poloacetálových foriem (pyranóza, furanóza, ktoré sú vzájomne interkonvertovateľné (mutarotácia). Množstvo acyklickej formy v rovnováhe je spravidla veľmi malé. Novovytvorená hydroxylová skupina patriaca vnútornému poloacetálovému zoskupeniu sa nazýva anomérna (poloacetálová) hydroxylová skupina a sacharidový zvyšok glykozyl. Anomérny (poloacetálový) atóm uhlíka je ďalším asymetrickým centrom sacharidu.

In 1890, by epimerization between gluconic and mannonic acids, he established the stereochemical and isomeric nature of the sugars, and between 1891 and 1894 he established the stereochemical configuration of all the known sugars and exactly foretold the possible isomers, by an ingenious application of the theory of the asymmetrical carbon atom of Van't Hoff and Le Bel, published in 1874. Reciprocal syntheses between different hexoses by isomerization and then between pentoses, hexoses, and heptoses by reaction of degradation and synthesis proved the value of the systematics he had established. His greatest success was his synthesis of glucose, fructose and mannose in 1890, starting from glycerol.

http://en.wikipedia.org/wiki/Hermann_Emil_Fischer

In 1884 Fischer began his great work on the sugars, which transformed the knowledge of these compounds and welded the new knowledge obtained into a coherent whole. Even before 1880, the aldehyde formula of glucose had been indicated, but Fischer established it by a series of transformations such as oxidation into aldonic acid and the action of phenylhydrazine which he had discovered and which made possible the formation of the phenylhydrazones and the osazones. By passage to a common osazone, he established the relation between glucose, fructose and mannose, which he discovered in 1888.

Hermann Emil Louis Fischer 1852-1919 (1902 Nobel Prize)

Organic and Medicinal Chemistry and Chirality• Practical significance since the times of Thalidomide (Contergan,1954-1957)

NH

N

O

O

O

O

NH

N

O

O

O

O

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Thalidomide-structures.png

Relation between the conformational and Fischer formulae

OH(3)

C H

(2)C OHH

(1)CHO

(4)CH2OH

(2)C

(3)CH2OH

OHH

(1)CHO

H OH

CH2OH

CHO

H

OH CH2OH

OH

HOHC

OH C H

C OHH

CHO

CH2OH

D-glyceraldehyde

L-threose

Optical activity of sugars

C OH

OH C

HO C

H

H

C OHH

CH2OH

H

CH2OH

C OH

OH C

H C

H

OH

C OHH

CH2OH

H

CH=O

C=O

OH C

H C

H

OH

C OHH

CH2OH

CH2OH

symmetry plane

galactitol (meso-galactitol) []D

20 = 0 º

D(+)-glucose (dextrose)[]D

20 = + 53 º

D(-)-fructose(levulose)[]D

20 = – 92 º

Relation between the number of asymmetric carbons and the number of isomers of saccharides

D-ribóza D-arabinóza D-xy lóza

D-ly xóza

D-alóza D-altróza D-glukóza D-manóza D-gulóza D-idóza D-galaktóza D-talóza

L-ribóza L-arabinóza L-xy lóza L-ly xóza

D-ribóza D-arabinóza D-xy lózaL-ribóza L-arabinózaL-xy lóza L-ly xóza

D-ly xóza

D-arabinitol ribitol xy litol L-arabinitol

OH H

OH H

H OH

OH H

H OH

OH H

OH H

OH H

H OH

H OH

OH H

H OH

OH H

OH H

OH H

H OH

OH H

OH H

OH H

H OH

OH H

H OH

H OH

H OH

OH H

H OH

H OH

H OH

OH H

OH H

H OH

H OH

H OH

OH H

H OH

OH H

H OH

H OH

H OH

H OH

OH H

H OH

H OH

OH H

H OH

OH H

OH H

OH H

H OH

OH H

OH H

OH H

H OH

OH H

H OH

H OH

OH H

OH H

H OH

H OH

H OH

H OH

H OH

H OH

H OH

OH H

H OH

OH H

OH H

H OH

H OH

OH H

H OH

H OH

H OH

OH H

OH H

H OH

H OH

H OH

H OH

OH H

OH H

H OH

OH H

H OH

H OH

H OH

OH H

H OH

H OH

H OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

CHO

CH2OH

8 aldopentoses

4 pentitols Similarly the relation between 16 aldohexoses (8 D- a 8 L-enantiomers) and 10 hexitols can be derived