Biologisk kemi 7,5 hp KTH Vt 2010 Märit Karls Kolhydrater Biologisk kemi 7,5 hp KTH Vt 2010 Märit Karls Vad tänker ni på när jag säger kolhydrater? Kemiskt? Om det inte var kemiläraren som frågar? Doktor Dahlkvist? Lista på tavlan.

Studentmat? Varför får vi energi av potatismos men ej av granbark? Stärkelse = polyglukos Cellulosa = polyglukos Kolhydrater viktiga för energiförsörjning 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

Digestion och absorption av kolhydrater Munhåla Mekanisk sönderdelning Salivkörtlar: Basiskt slem med enzymer Enzymet Amylas börjar sönderdela kolhydrater Enkel översiktsbild på kolhydrat nedbrytning Innan vi börjar läsa om kolhydratmetabolismen måste vi lära oss lite om hur kolhydrater ser ut kemiskt, då kan vi förstå hur de reagerar. Inte så svårt, ni kan det mesta redan!

Cellmetabolismen Nedbrytning av födoämnen Glukos Transporteras i blodet Viktig energikälla för bl a hjärnan Innan vi kan börja med metabolismen måste vi lära oss mer om hur kolhydrater, fett och proteiner ser ut kemiskt. Börja med sidan: De viktigaste kolhydraterna

Spar till metabolismen http://www.scienceinschool.org/

Energi förvaras i fosfatbindningar 1 gram ATP kan frigöra 59J

Energin kommer från solen Lagras i växter vid fotosyntes Utvinns vid cell- metabolismen ”cellandning” ATP http://glycolysis.co.uk/glucose/

Vad behövs energi till, energikrävande processer? Rörelse (kontrationer av muskelceller) -Skelettmuskel -Hjärtmuskel -Glatt muskulatur -Små celler med kontrationsförmåga ex vita blodkroppar och cilieförsedda celler 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 Transport – transportproteiner som transporterar ämnen över cellmembranet, tar förvånansvärt mycket energi!

Kolhydrat = Kol + vatten??? Gemensamt för alla kolhydrater: Summaformel: De viktigaste kolhydraterna: gör en lista! Den enklaste kolhydraten: glyceraldehyd Med glyceraldehyd som modell kan vi bygga andra kolhydrater Summaformel: (CH2O)n, Kan enkelt säga att kolhydrater är aldehyder eller ketoner med många hydroxylgrupper.

Glyceraldehyd Vad känner ni igen? Repetition: Markera aldehydgrupp Repetera: hemiacetalbildning s.439 Hydroxylgrupper: hydrofil! Titta på Hemiacetal: syreatom i hydroxylgrupp attackerar karbonylkol, får C-O-C, alltså eter med en hydroxylgrupp på ena kolet. RCHO  +  R'OH    R-CH(OH)-OR´ Bra sida om stereoisomerer: http://wetche.cmbi.ru.nl/organic/stereo/ http://www.personal.kent.edu/~cearley/PChem/sugar/sugar.htm

Nytt: Kiral molekyl! Rita spegelbild! D-(+)-Glyceraldehyd

Isomeri Isomera molekyler har samma molekylformel men olika utseende Strukturisomeri (konstitutionsisomeri) Stereoisomeri (rymdisomeri) 12

Strukturisomeri Kedjeisomeri: ex. butan/ 2-metylpropan Atomerna är bundna till varandra på olika sätt Kedjeisomeri: ex. butan/ 2-metylpropan Ställningsisomeri: ex. 1-propanol/2-propanol Funktionsisomeri: ex. etanol/dimetyleter Strukturisomeri kan tex ha olika funktionella grupper som etanol/eter! Oxidera bägge propanol, aldehyd resp keton (aceton) nästa lika som glyceraldehyd och dihydroxyaceton! Låt det stå kvar på tavlan.

Stereoisomeri Atomerna är ordnade på olika vis i rymden samma funktionella grupper, samma ”skelett” Geometrisk isomeri: cis/transisomeri Ex: cisbuten/transbuten Optisk isomeri: spegelbildsisomeri Ex: D-glyceraldehyd/ L-glyceraldehyd Alla atomer har samma grannatomer, samma ordning mellan atomerna, men de pekar åt olika håll.

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= spegelbilder, som ej kan överföras i varandra,jmf höger och vänster-handske men ett glas är identisk med sin spegelbild, ej enantiomer Diastereomerer= stereoisomerer som inte är spegelbilder; t ex cis/trans-isomerer, Enantiomerer Fig. 18.1, s. 521 15

Kiral Akiral Spegelbilder som EJ kan överföras på varandra Akirala objekt har ett symmetriplan, symmetricentrum, Ex: glas, tennisracket, Högersida Vänstersida Framsida Baksida Har ett symmetriplan

Stereocenter Träna på att identifiera stereoisomerer: Bra sida! Hur kan man identifiera en kiral molekyl? En kiral kolatom har 4st olika (unika) grupper bundna till sig Asymmetriska centrar, Kiralt ”kol”, Kiraltcenter, Tetrahedralt-stereocenter: olika namn samma sak Träna på att identifiera stereoisomerer: BRA sida! Träna på att identifiera stereoisomerer: Bra sida! http://wetche.cmbi.ru.nl/organic/stereo/mjones/indexj.html 17

Optisk aktivitet Enantiomerer har samma fysikaliska egenskaper förutom vridning av planpolariserat ljus Ena molekylen vrider ljuset åt höger (D-(+)-glyceraldehyd) Andra molekylen vrider ljuset åt vänster (L-(-)-glyceraldehyd) Valt D glyceraldehyd som modell; alla kolhydrater med samma konfiguration som D glyceraldehyd kallas D-form (kan vara +/-) 18

D och L? Dextro (höger) Laevo (vänster) Finns nytt system, R/S (rectus, sinister) mer systematiskt, men för kolhydrater används fortfarande D och L 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 19

Enantiomerer kan ha olika biologisk aktivitet Naturen är kiral, människan är kiral! Många biomolekyler är kirala, kan bara binda den ena av ett par enantiomerer I många fall finns bara den ena formen i naturen Läs Interaction 17.2 om neurosedynkatastrofen Ex. Thalidomid, Ibuprofen, träna på att hitta stereocenter! 20

Träna på att hitta stereocenter! Ibuprofen Thalidomide Amfetamin

Många enzymer är kirala För många läkemedel är det också viktigt att använda rätt form. Hos neurosedyn var det exempelvis den ena formen som gav den önskade, lugnande effekten, medan det var spegelbilden som gav upphov till fosterskador Fig. 17.4, s. 504 22

Fischer projektion För att representera tre-dimensionella molekyler två-dimensionellt används Fischer projektion Regler för att rita (sid 522, Holum) 1- Lägg kolkedjan vertikalt, karbonylgruppen (C1) överst 2- Stereocentrarna (kirala kolen) i mitten (vertikalt) 3- Horisontella linjer representerar bindningar som projiceras framåt i planet 4-Vertikala linjer representerar bindningar som projiceras bakåt i planet 5- Rotera det kirala kolet 180 grader för att få den andra enantiomeren Se även exempel 18.1, s.523 Ta OH på denna och gå igenom ex på nästa bild 23

Ex Glyceraldehyd D-formen: OH-gruppen på stereocenter längs från Efter denna bild kan vi bygga nya kolhydrater, Vet man hur glyceraldehyd ser ut och kan räkna till 6 så kan man rita glukos! D-formen: OH-gruppen på stereocenter längs från aldehydgruppen pekar åt höger Fig. 18.2, s.522 24

Andra viktiga monosackarider D-ribos 5 kolatomer (aldopentos) D-glukos 6 kolatomer (aldohexos) D-galaktos 6 kolatomer (aldohexos) Fruktos 6 kolatomer (keto!hexos) Rita upp Fisherprojektion av dessa!

Hexoser kan bita sig i svansen! Partiellt positivt C attackeras av fritt elektronpar på O Aldehyd + Alkohol Skriv enkel formel på tavlan. Hemiacetal=Eter med hydroxylgrupp på ena kolatomen. Hemiacetal -glukos -glukos http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc462/462a/NOTES/CARBO/carb_structure.htm

Bildning av Hemiacetal Allmän reaktionsformel: Vit ruta för att skriv reaktionsformel för hemiacetalbildning http://www.personal.kent.edu/~cearley/PChem/sugar/sugar.htm

Mutarotation Titta på: Jämvikt! I en glukoslösning förekommer alla tre formerna: Rak kedja spår -glukos 36 % -glukos 64% Detta sätt att rita cyklisk glukos kallas Haworthprojektion Animering av ringslutning mm Denna animering blir bra, men titta också på denna sida: http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/543glucose.html Läs vad som händer i rutan till vänster; det bildas betaglukos, alla stora grupper sitter ekvatoriellt. http://wetche.cmbi.ru.nl/organic/gluc/glucjmol.html

Fruktos Keton! 6 C Ketohexos http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/543fructose.html

Cyklisk struktur Fruktos Keton + hydroxyl ger hemiketal Rep. Kap 14.5 Fruktos OH på C5 reagerar med C=O på C2 5-ring

Bildning av Acetal Hemiacetal = halvacetal Bildning av hemiacetal: aldehyd + hydroxyl Bildning av acetal: hemiacetal + hydroxyl Kolhydrat-acetaler kallas Glykosider

Disackarider Disackarider bildas från cykliska hemiacetal enheten från ett socker, och från alkoholgruppen på det andra sockret (1-4) glykosid bindning

Maltos och Cellobios Maltos α-(1-4) glykosidbindning Cellbios har β-(1-4) glykosidbindning Vi har enzymer som kan spjälka maltos men inte cellobios

Laktos och Sackaros Laktos binder galaktos β-(1-4) till glukos - Mjölksocker -Laktas (bara Norden) -laktosintolerant Sackaros binder glukos α-(1-4) till fruktos - Bordssocker -Sockerrör, sockerbetor

Polysackarider Byggs upp av 100-100 000-tals monosackarider Stärkelse: Växters lagring av energi Glykogen: Däggdjurs lagring av energi Cellulosa: Cellväggsmaterial

Stärkelse enbart α-glukosmolekyler 10-20% Amylose α-(1-4) bindningar 80-90% Amylopektin α-(1-4) bindningar α-(1-6) bindningar Spiralformad för att skydda OH-grupperna från vatten Bindningarna hydrolyseras lätt i närvaro av syra eller enzymer

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?

Glykogen Liknar amylopektin men är mer grenad Lagras i lever och skelettmuskulaturen Vid överskott omvandlas glykogen till fett Glukos binds samman med α-1-4 – glukosidiska bindningar var 10-15 glukos förgrening via α -1,6-glukosidisk bindning

Glykogen

Andra kolhydrater Glykolipid är en lipid med en kolhydratmolekyl kopplat på sig. Förekommer bla i cellmembran. Fungerar som igenkänningssignal för andra celler. Immunförsvar samt bakterier och virus använder sig av detta Glykoproteiner är proteiner som har rester av kolhydrater kopplade till vissa av sina aminosyror. Finns bla i cellmembran och har mycket varierande funktioner. De flesta proteiner som finns i blodet är glykoproteiner. Bakteriers cellväggar innehåller heteropolysackarider med beta(1-4) glukosidiska bindningar. Dessa bindningar kan brytas mha enzymet lysozym och dödar bakterien Extracellulära matrixen består delvis av heteropolysackarider och fibrösa proteiner. Polysackariden kallas glykosaminoglykaner Hyaluronsyra är kroppens smörjmedel (leder) och byggs upp av glykosaminoglykaner. Viktig beståndsdel i senor och brosk

Disackarider Hemiacetal Acetal http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bookshelf/br.fcgi?book=mcb&part=A259&rendertype=figure&id=A278 Copyright © 2000 W. H. Freeman and Company Bookshelf ǀ NCBI ǀ NLM ǀ NIH