Kohlenhydrate (Saccharide) Prof. Eilika Weber-Ban Institut für Molekularbiologie & Biophysik
Kohlenhydrate (Saccharide) Kohlenhydrate sind aus drei Elementen aufgebaut, Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) Summenformel: (C•H2O)n
mit n ≥ 3
Kohlenhydrate existieren als: Einfachzucker (Monosaccharide) Polysaccharide Kohlenhydrate spielen eine Rolle als: •Energiequellen (Glukose, Glukogen, Stärke) •Bau- und Strukturmaterial (Cellulose, Chitin) •Bestandteil von: Glykoproteinen Glycolipiden Peptidoglycan (in bakteriellen Zellwänden)
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Monosaccharide Monosaccharide:
H
C
Carbonlyderivate (Aldehyde oder Ketone) von unverzweigten Polyhdroxyalkoholen
CH2OH
O
C O
(H C OH) n
(H C OH) n CH2OH
CH2OH Aldosen
Ketosen
Monosaccharide enthalten drei oder mehr C-Atome und werden demnach als: Triosen, Tetrosen, Pentosen, Hexosen oder Heptosen bezeichnet.
Schreibweise und Nomenklatur von Monosacchariden: Fischerprojektion Fischerprojektion (nach E. Fischer, 1891): 2-dimensionale Molekülprojektion der Tetraeder um C-Atome 1. 2. 3. 4. 5.
Kohlenstoffkette senkrecht anordnen höchstoxidiertes C-Atom nach oben in rechtem Winkel rechts und links die Substituenten schreiben C-C Bindungen zeigen nach hinten, Substituenten nach vorne steht ein Substituent in dieser Projektion rechts („dexter“) so ist er in D-Konfiguration, steht er links („levis“) so ist er in L-Konfiguration
H
C
O
(H C OH) n H C OH CH2OH
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D- und L- Aldosen und Ketosen
H
C
O
(H C OH) n H C OH
H
C
O
(H C OH)n HO C H
CH2OH
CH2OH
D-Aldosen
L-Aldosen
CH2OH
CH2OH
C O
C O
(H C OH) n H C OH H D-Ketosen
(H C OH) n HO C H H L-Ketosen
D-Aldosen
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D-Ketosen
Eigenschaften von Monosacchariden Löslichkeit: Alle Monosaccharide sind gut wasserlöslich. Süsskraft: Einfachzucker haben sehr unterschiedliche Süsskraft. Fruktose ist z.B. deutlich süsser als Glukose. Laktose, ein Disaccharid ist der am wenigsten süsse aller Zucker, Fruktose der Süsseste.
Süssheit wird erzeugt von den OH-Gruppen-Kombinationen, die an dem Zuckermolekül herausragen und mit den Rezeptoren unserer Geschmacksnerven auf der Zunge wechselwirken. Es kommt nicht darauf an, wieviele OH-Gruppen vorhanden sind, sondern wo sie zu finden sind. Nur bestimmte Orientierungen der OH-Seitenketten passen an die Rezeptoren.
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Ringbildung von Monosacchariden H
H C O
+
R'
OH
R'
R
R
Hemiazetal
Alkohol
Aldehyd R C O
+
R R''
OH
R''
R' Keton
O C OH
Alkohol
O C OH R' Hemiketal
Ringbildung der D-Ribose
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Haworth-Projektion In dieser Projektion wird der Ring als planar dargestellt. Die Gruppen, die in der Fischerprojektion rechts stehen befinden sich unterhalb der gezeichneten Ringebene, die links stehen, oberhalb. Die CH2OH Gruppen, die nicht am Ring teilnehmen (wie z.B. bei Glukose) liegen bei D-Zuckern immer oberhalb der Ebene.
Sessel- und Wannenkonfiguration der Pyranosen
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Aldonsäuren Die Aldehydgruppe der Aldosen kann zur Carboxylgruppe oxidiert werden. So entsteht z.B. aus Glukose, Gluconsäure.
Alduronsäuren Durch Oxidation der primären OH-Gruppe zur Carboxylgruppe entstehen Alduronsäruen, z.B. Glucuronsäure.
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Alditole Durch Reduktion der Aldehydgruppe zur OH-Gruppe entstehen azyklische Polyhydroxyalkohole, Alditole.
Aminozucker Wenn eine oder mehrere OH-Gruppen durch NH2-Gruppen ersetzt werden, entstehen Aminozucker. Sie werden durch die Endung – amin gekennzeichnet, z.B. Glucosamin oder Galactosamin.
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Reduzierte Zucker Wird eine OH-Gruppe durch ein H ersetzt, so entstehen Desoxyzucker. Der biologisch wichtigste dieser Zucker ist β-D-2desoxyribose, die Zuckerkomponente der Zuckerphosphatkette in DNA.
Phosphorylderivate Die Zucker OH-Gruppen können mit Phosphatgruppen Ester bilden (z.B. D-Glyceraldehyde-3-phosphate).
Glykoside Die anomere Gruppe eines Zuckers kann mit einem anderen Alkohol oder einer NH2-Gruppe kondensieren (Abspaltung von H2O). Es entstehen so N-glykosidische oder O-glykosidische Bindungen.
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Nukleotide D-Ribose und Purine oder Pyrimidine in Nukleinsäuren bilden N-glykosidische Bindungen.
Abkürzungen
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Disaccharide Monosaccharide können über ihre anomere Gruppe mit anderen OH-Gruppen glykosidische Bindungen eingehen. Stammt diese andere OHGruppe ebenfalls aus einem Monosaccharid, so bilden sich Disaccharide.
Es können zwei Arten von Disacchariden entstehen: 1. Reduzierende Disaccharide Die anomere Gruppe des einen Zuckers reagiert mit einer OH-Gruppe des anderen Zuckers, die nicht am anomeren C-Atom in diesem Zucker ist. Somit ist die anomere Gruppe noch unreagiert in diesem Zucker. 2. Nichtreduzierende Disaccharide Die anomere Gruppe des einen Zuckers reagiert mit der OH-Gruppe des anderen Zuckers, die am anomeren C-Atom sitzt. Vier Eigenschaften unterscheiden Disaccharide: 1. 2.
Die Art der glykosidischen Bindung ist beschrieben indem man die C-Atome benennt, die verbunden werden und die Konfiguration an den anomeren C-Atomen, die an der Bindung teilnehmen, z.B. α(1Æ2)β in Sucrose oder α(1Æ4) in Maltose.
3. 4.
Die beiden Monosaccharide. Die C-Atome, über die die Verknüpfung stattfindet. Reihenfolge unterschiedlicher Monosaccharide. Konfiguration der OH-Gruppe an den anomeren C-Atomen, die an der Bindung teilnehmen.
Polysaccharide Polysaccharide sind aus Monosacchariden aufgebaut, die über glykosidische Bindungen miteinander verbunden sind. Im Gegensatz zu Proteinen oder Nukleinsäuren bilden Polysaccharide nicht nur lineare Polymere, sondern auch verzweigte Polymere. Strukturelle Polysaccharide Cellulose Chitin Glycosaminoglycane Speicher-Polysaccharide Stärke Glykogen
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Zellulose struktur-bildende Hauptkomponente von Pflanzenzellwänden lineares Polymer mit bis zu 15 000 D-Glukoseeinheiten Bindung ist β(1Æ4) glykosidisch Cellulose bildet planare Ketten, wobei jeder Glukoserest 180° gegenüber dem benachbarten Glukoserest gedreht ist. Die einzelnen Ketten können sich so aneinander lagern und ein Netzwerk von H-Brücken ausbilden.
Chitin Hauptkomponente des Exoskeletts von Schalentieren Homopolymer von β(1Æ4)- N-acetyl-D-Glucosaminen. ähnliche Struktur wie Cellulose
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Glykosaminoglycane unverzweigte Heteropolysaccharide, die aus abwechselnden Uronsäure- und Hexosaminresten aufgebaut sind. bilden die extrazelluläre gelartige Matrix im Bindegewebe wie z.B. Knorpel, Sehnen, Haut etc. .
Stärke
Speicherpolysaccharid der Pflanzen Mischung aus Glykanen α-Amylose und Amylopectin abgebaut durch Amylasen und Glucosidasen In α-Amylose sind mehrere tausend Glukoseeinheiten α(1Æ4) glykosidisch verknüpft. Im Gegensatz zu der β(1Æ4) Verknüfpung von Cellulose, führt diese Art der Verknüpfung zur Ausbildung einer helikalen Struktur. Amylopectin besteht ebenfalls haupsächlich aus α(1Æ4) glykosidisch verknüpften Glukoseeinheiten, hat aber auch α(1Æ6) glykosidische Verzweigungen alle 30 Reste. Amylopectin enthält bis zu 1 Mio Glukosereste.
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Glykogen Speicherpolysaccharid der Tiere und ist in allen Zellen, vor allem aber Muskel und Leberzellen vorhanden. Glycan aus α(1Æ4) verknüpften Glukoseeinheiten alle 7-12 Reste gibt es eine α(1Æ6) Verzweigung durch verzweigte Sturkur, kann es sehr schnell abgebaut werden (es gibt viele nicht reduzierende Enden, von denen aus abgebaut werden kann durch Glykogenphosphorylase) und Glukose kann somit schnell mobilisiert werden
Glykoproteine Glycoproteine = Proteine, die kovalente Bindungen mit Sacchariden eingehen Proteine sind genetisch kordiert (werden von DNA Vorlagen transkribiert und translatiert). Herstellung der Kohlenhydrate und Modifikation der Proteine erfolgt enzymatisch. ÎGlykoproteine oft heterogen zusammengesetzt Glykoproteine: Proteoglykane: wichtig für Organisation von Gewebe Peptidoglykane: Bakterienzellwände Glycosylierte Proteine: sekretierte Proteine und membranständige Proteine
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Proteoglycane
Rückgrat aus Hyaluronsäurefilamenten (4000 – 40000 A lang) daran kleine „Bürsten“ (bis zu 100) nichtkovalent gebunden „Bürsten“ bestehen aus Polypeptidkette an die kovalent bis zu 150 Glykosaminoglycane (meist Keratansulfat oder Chondroitinsulfat) über die OHGruppen von Ser or Thr Resten gebunden sind zusätzlich sind noch kleinere Oligosaccharide an Asn Reste der Polypeptidkette gebunden Knorpelgewebe z.B. enthält ein Netzwerk aus Kollagen, das von Proteoglycan umgeben ist. Proteoglycan ist sehr stark hydriert (Anionen aus Sulfatgruppen in Keratan und Chondroitinsulfat).
Peptidoglycan in Bakterienzellwänden Im Gegensatz zu Eukaryonten haben Bakterien zusätzlich zur Zellmembran noch eine Zellwand. Bakterienzellwände bestehen aus kovalent verbundenen Polysacchariden und Polypeptiden, die gemeinsam ein grosses Makromolekül bilden, das die Zelle wie ein Beutel vollkommen umschliesst und so Festigkeit und Struktur verleiht.
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Struktur von Peptidoglykan
Tetrapeptide sind vernetzt miteinander: 1. Direkt: in Zellwänden gram-negativer Bakterien Amidbindung:ε-NH2 Lys mit CooH-Gruppe D-Ala 2. Indirekt: in Zellwänden gram-positiver Bakterien ein Pentaglycin ist zwischengeschaltet
Glykosilierte Proteine Fast alle sekretierten und membran-assoziierten Proteine in Eukaryonten sind glykosyliert. Die Glycosilierung findet im ER und im Golgi-Apparat statt.
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N-Glykosylierung Bei der N-Glykosilierung ist immer ein N-acetyl Glucosamin βverknüpft mit dem Amid N-Atom eines Asn Restes in der Sequenz Asn-X-Ser/Thr.
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O-Glykosilierung O-Glykosilierung findet im Golgi Apparat an komplett synthetisierten Proteinen statt. Meist wird ein Galactosyl-N-acetyl-Glucosaminrest an eine Ser oder Thr Seitenkette gebunden. Die Sekundär- und Tertiärstruktur des Proteins bestimmt hierbei wo die Glykosilierung stattfindet, nicht die Sequenz. Glykosyltransferasen fügen dann schrittweise Zucker zur bestehenden Zuckerkette hinzu
Bildung von Glycoproteinen im ER und Golgi Klassifizierung der Oligosaccharide in 3 Gruppen:
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Effekt von Glykosilierung auf Proteine und ihre Funktion Glycosylierung kann die Proteineigenschaften in vieler Hinsicht beeinflussen: Proteinfaltung Oligomerisierung physikalische Stabilität biologische Aktivität Schutz gegenüber Proteasen Kohlenhydrate sind auch sehr wichtig für die Zell-Zell- Erkennung: Befruchtung Zell-Differenzierung Aggregation von Zellen, um Organe zu bilden
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