TM1-Karbonhidratlar (PDF)

KARBONHİDRATLAR Karbonhidrat Başlıca enerji kaynağı ve diyetin temel gıdası Doğada yaygın şekilde bulunan şeker zincirlerinin yapılarını, biyosentezlerini ve biyolojik görevlerini araştıran moleküler biyoloji dalına ise “Glikobiyoloji” denir Karbonhidratların çoğu doğal olarak bağ yapmış...

KARBONHİDRATLAR Karbonhidrat Başlıca enerji kaynağı ve diyetin temel gıdası Doğada yaygın şekilde bulunan şeker zincirlerinin yapılarını, biyosentezlerini ve biyolojik görevlerini araştıran moleküler biyoloji dalına ise “Glikobiyoloji” denir Karbonhidratların çoğu doğal olarak bağ yapmış halde bulunurlar : Polisakkaridler (nişasta, sellüloz) Glikoproteinler ve proteoglikanlar (hormonlar, kan grubu bileşikleri , antikorlar) Glikolipidler (serebrozidler, gangliozidler) Glikozidler Mukopolisakkaridler (hyaluronik asit) Nükleik asidler Karbonhidratlar proteinlerin özellikle çözünürlük gibi fiziksel özelliklerine etki ederler. Kompleks karbonhidratlar; protein ve lipitlerle kovalent olarak bağlanır glikoproteinler, proteoglikanlar Glikokonjugat glikolipidler Enzimler, antikorlar, hormonlar, Helicobacter pylori gastrik epitel hücre reseptörler ve kollajen gibi yapısal oligosakkaritleri ve kendi zarındaki lektinler arasındaki etkileşim ile mide iç proteinler glikoprotein yapısındadır. yüzeyine bağlanır Glikoproteinlerdeki karbonhidrat miktarı; immunoglobulin G %4 glikoforin % 20 gastrik glikoprotein (musin) % 60 kan grubu maddeleri ise %85 karbonhidrat içerir  Karbonhidratlar Karbonhidratlar ya da sakkaritler (sakkarit/sakcharon Yunanca= şeker) (C= “carbo” / H2O= “hydrate”) Karbon hidrat Çoğu şekerler sonuna – oz eklenerek ifade edilir Karbon, Hidrojen ve Oksijen içeren organik bileşikler Bazı karbonhidratlar ayrıca Azot, Fosfor veya Kükürt içerir  Başlıca enerji kaynağı ve diyetin temel gıdası Diğer temel biyokimyasal makromoleküllerin (lipid ve protein) biyosentezinde aracı moleküllerdir Bitki ve mikroorganizmaların yapısal dokularını oluştururlar (sellüloz, lignin, mürein) Genetik bilginin saklanmasında ve transferinde rol alan nükleik asitlerin bileşenidirler. Biyolojik transport, hücre-hücre tanıması, büyüme faktörlerinin aktivasyonu, immun sistemin düzenlenmesinde rol alırlar Bazı patolojik durumlarla ilişkili (Diabetes Mellitus, Laktoz Intoleransı vb).  Karbonhidratlar, polihidroksi aldehitler ve ketonlar veya hidroliz ile bu tür bileşikler üreten maddelerdir. Karbonhidrat yapısında Hidrojen ve Oksijen, su molekülündeki oranda bulunur (2:1). Glikoz C6H12O6 ya da C6 (H2O)6 Bu nedenle bu bileşikler «karbonhidrat» adını almıştır Çoğu karbonhidratta oran su ile aynı olmadığından, bu tanımlama yetersiz kalmaktadır Deoksiriboz (C5H10O4) Karbonhidratların molekül ağırlıkları; Gliseraldehit kadar küçük (Mw = 90 g/mol) ve amilopektin kadar büyük (Mw > 200.000.000 g/mol) olabilir Karbonhidratların Sınıflandırılması I- Karbonhidrat birimi sayısı II- Karbonil grubunun konumu III-Karbon sayısı IV. Siklik (halkalı) form  Karbonhidratların Sınıflandırılması I- Karbonhidrat birimi sayısı Monosakkaritler: bir karbonhidrat birimi (basit karbonhidratlar) Oligosakkaritler: disakkaritler: iki karbonhidrat birimi trisakkaritler: üç karbonhidrat birimi Polisakkaritler: monosakkarit polimerleridir Homopolisakkaridler Heteropolisakkaridler Kompleks karbonhidratlar Monosakkaritler Renksiz, kristalize , suda çözünen, apolar çözücülerde çözünmeyen katı maddeler Çoğunlukla tatlı -C=O ve -OH gruplu Hidroksil gruplarının bağlı olduğu karbon atomlarının çoğu kiral merkezlerdir (asimetrik C atomu içerirler). Bu, monosakkaritlerde bulunan birçok stereoizomere yol açar. 2n stereoizomer  Doğada en bol bulunan monosakkarit, dekstroz olarak da bilinen D-glikozdur. Glikoz, monosakkaridleri temsil eden en önemli şekerdir. Metabolik olaylarda karbonhidratlar glikoza çevrilmek suretiyle kullanılır. Yaygın disakkarit, sakkaroz, altı karbonlu şekerler D-glukoz ve D-fruktozdan oluşur Yaygın polisakkaritler arasında sellüloz ve nişasta bulunur. Bunların her ikisi de, D-glikoz birimlerinin homopolimerleridir, ancak monomerleri arasında farklı bağlar vardır.  Monosakkaridler hücrede enerji eldesinde yakıt ve karbon kaynağı olarak hizmet ederler Monosakkaridler tek başlarına bir şeker birimidirler Monosakkaridler bir karbonil grubuna ve çok sayıda hidroksil gruplarına sahiptirler. Monosakkaridler 3-7 karbon atomlu basit şekerlerdir Amino asitler ve yağ asitleri gibi diğer monomerlerin sentezi için ham madde olarak da görev alırlar.  Disakkaritler hidroliz olduklarında 2 molekul monosakkarit sakkaroz → glikoz + früktoz maltoz → glikoz + glikoz laktoz → glikoz + galaktoz Oligosakkaritler hidroliz olduklarında 3 -9 monosakkarit Polisakkaritler hidroliz olduğunda 10 dan fazla monosakkarit Düz ve dallanmış polisakkaritler; Nişasta, glikojen, sellüloz  Basit şekerler kovalent glikozidik bağlarla birleşerek oligosakkarit ve polisakkaritleri oluştururlar. kondensasyon adı verilen dehidrasyon reaksiyonu ile kovalent glikozit bağı oluşumu; enzimatik bir reaksiyondur ve enerji gerektirir. Disakkaritler Sakkaroz Polisakkaritler Selüloz:1,4’--glikozid bağları ile glikoz birimlerinin bağlanması ile oluşan glikoz polimeri Amiloz: 1,4’--glikozid bağları ile glikoz birimlerinin bağlanması ile oluşan glikoz polimeri Amilopektin: Dallanmış amiloz polisakkaritidir Karbonhidratların Sınıflandırılması II- Karbonil grubunun konumu Bu açık zincirli formda, karbon atomlarından biri bir karbonil grubu oluşturmak için bir oksijen atomuna çift bağlanır. Diğer karbonların her biri bir hidroksil grubuna sahiptir. Karbonil grubu karbon zincirinin sonundaysa (yani, bir aldehit grubunda), monosakarit aldoz olarak adlandırılır. Karbonil grubu başka bir pozisyonda ise (bir keton grubu) monosakarit bir ketozdur. III-Karbon sayısı üç karbon: trioz altı karbon: heksoz dört karbon: tetroz yedi karbon: heptoz vb. beş karbon: pentoz Aldehit ve keto grubu içermelerine göre Aldoz ve ketoz olarak sınıflandırılır Aldoz Ketoz Trioz Gliseroz Dihidroksi aseton Tetroz Eritroz Eritruloz Pentoz Riboz Ribuloz Heksoz Glukoz Fruktoz D-Aldozlar D-Ketozlar Dört ve beş karbonlu ketozlar, karşılık gelen aldozun adına "ul" eklenerek belirlenir; örneğin, D-ribüloz, aldopentoz D-ribozuna karşılık gelen ketopentozdur. Ketoheksozların adlandırılması: Fruktoz, Latince fruktus “meyve”.  En basit monosakaritler, üç karbonlu; D-gliseraldehit bir aldotrioz ve bir ketotrioz olan dihidroksiaseton. Doğadaki en yaygın monosakaritler, aldoheksoz D-glukoz ve ketoheksoz D-fruktozdur. Aldopentoz D-riboz ve 2-deoksi-D-riboz, nükleotitlerin ve nükleik asitlerin bileşenleridir. Karbonhidratların Sınıflandırılması IV. Siklik (halkalı) form Monosakkaritler kuramsal olarak düz zincir formundaki Fischer Projeksiyon Formülleri ile gösterilmelerine rağmen sulu çözeltilerde daha az enerji gerektiren halkalı yapıda bulunurlar. IV. Siklik (halkalı) form Hemiasetal ve Hemiketal oluşumu Beş veya daha fazla karbon atomuna sahip tüm monosakaritlerin karbonil grubunun, zincirdeki bir hidroksil grubunun oksijeni ile kovalent bir bağ oluşturması ile halkalı yapıları meydana gelir. Bir aldoz için ilk reaksiyonun ürünü bir hemiasetaldir ve bir ketoz için ilk reaksiyonun ürünü bir hemiketaldir. Piranoz ve Furanoz Altı üyeli monosakarit halka bileşiklerine piranoz Beş üyeli monosakarit halka bileşiklerine furanoz D-glikoz formunun sistematik isimleri bu nedenle α-D-glikopiranoz ve ß-D-glikopiranozdur. Fruktoz gibi ketoheksozda C-5'teki hidroksil grubu (veya C-6), C-2'deki keto grubuyla reaksiyona girerek hemiketal içeren bir furanoz halka oluşturur. D-fruktoz kolayca bir furanoz halkası oluşturur. Bu şekerin birleşik formlarında veya türevlerinde daha yaygın anomeri ß-D-fruktofuranozdur. Monosakkaritlerin halka formlarını göstermek için, genellikle Haworth perspektif formülleri kullanılır. Oluşan halka yapısı piran halkasına benzediği için bu monosakkaritlere Piranoz adı verilir. Gerçekte düzlemsel değil, sandalye veya kayık şeklini alma eğilimindedir. Glukoz bir aldoz dur. Altı karbonludur. Fischer ve Haworth düzenlemesine göre formülü : Fischer formülüne göre glukozun 1. karbon atomu aldehid grubu, 2.,3.,4. ve 5. karbon atomları sekonder alkol grubu, 6. karbon atomu Glikoz iki farklı halka yapısı oluşturur. Birinde OH grubu 1 nolu karbonun üstünde bağlı ise; beta glikoz, primer alkol grubu altta ise; alfa glikoz. şeklindedir. Karbonhidratların Halkalı (Siklik) Formları: Piranoz formları İzomeri tipleri D ve L izomerisi Piranoz ve furanoz halka yapıları Epimerler α ve ß anomerler STEROİZOMER ve OPTİK ÖZELLİKLER Kiral (yunanca- El) Molekül formülleri aynı, fakat atomların dizilişleri açısından farklılık gösteren moleküllere İZOMER denir. Polarize ışık düzlemini sağa çeviren şekerlere Atom dizilişlerindeki en DEKSTROROTATOR (+), D- önemli farklılık optik ve geometrik izomeridir. sola çevirenlere ise LEVOROTATOR (-), L- denir. Molekülü oluşturan atomlar düzlemin aynı tarafında ise Polarize ışığın sola yada sağa çevrilmesi CİS , farklı tarafında ise moleküldeki KİRAL KARBON atomundaki TRANS izomeri oluştururlar. hidroksil (OH) molekülünden kaynaklanır. Optikçe aktif maddelerin KİRAL KARBON: Bir C atomuna 4 farklı izomerlerinden biri polarize atom yada grup bağlandığında o karbon ışığı sağa, diğeri sola çevirir. atomuna kiral (Asimetrik) C atomu denir. Fischer Projeksiyonları ve D, L Formları İki çapraz çizgi ile temsil edilen Tetrahedral karbon: Yatay çizgi sayfa düzlemiden dışarı Dikey çizgi sayfa doğru düzleminden arkaya doğru Sübstitüent Karbon D ve L izomeri Dihidroksiaseton dışındaki tüm monosakaritler, bir veya daha fazla asimetrik (kiral) karbon atomu içerir ve bu nedenle optik olarak aktif izomerik formlarda ortaya çıkar. En basit aldoz olan gliseraldehit, bir kiral merkez (orta karbon atomu) içerir ve bu nedenle iki farklı optik izomer veya enantiyomer (stereoizomer çift) içerir. İki gliseraldehit enantiyomerinden biri, konvansiyonel olarak D izomeri, diğeri L izomeridir.  Monosakkaritlerde D- ve L-izomerlerin ayrımı için, karbonil grubundan en uzak olan asimetrik karbon atomu referans alınır. Referans karbon atomu üzerindeki hidroksil grubu projeksiyon formülünde sağda ise, monosakkarit D- izomerdir; solda ise L- izomerdir  Genel olarak, n kiral merkezli bir molekül 2n stereoizomer içerebilir. Gliseraldehit 21 = 2; dört kiral merkezli aldoheksozlar 24 = 16 stereoizomere sahiptir. 16 olası aldoheksoz stereoizomerinin sekizi D, sekizi ise L şeklidir. D formları doğada daha fazla bulunur Aldopentoz ve Aldoheksozlar Aldopentozlar: C5 , 3 kiral karbon, 8 stereoizomer Aldoheksozlar: C6 , 4 kiral karbon, 16 stereoizomer  Epimer şekerler ismi, yalnızca bir asimetrik karbon atomu etrafındaki konfigürasyon bakımından farklı olan iki monosakkarit için kullanılır. Glukoz, altı karbonlu standart şekerdir. Glukozun C-2 de epimeri mannozdur; C-4’de epimeri ise galaktozdur. Anomerler Karbonhidratların hemiasetale halkalaşması yeni bir kiral merkez yaratır. Halkalı karbonhidrat formunun hemiasetal veya hemiketal karbonu anomerik karbondur. Sadece anomerik karbonun stereokimyasında farklılık gösteren karbonhidrat izomerleri, anomerler olarak adlandırılır. Halkalı yapıda 1. karbon atomlarının da asimetrik olması sonucu bir aldoheksozun toplam 5 asimetrik karbon atomu ve dolayısıyla 2n = 25 = 32 stereoizomeri vardır.  Polarimetri Kiral ya da asimetrik moleküllerin optik aktivitesinin ölçülmesinde düzlemsel polarize ışık kullanılır D-Glukozun - ve - formları, polarize ışığın düzlemini aynı yöne fakat farklı derecelerde çevirirler. Örneğin -D-Glukoz 112o sağa (+) çevirir; -D-Glukoz ise 19o sağa (+) çevirir. Monosakkaritlerin Reaksiyonları Oksidasyon reaksiyonları Aldonik asidler: aldehid grubu karboksil grubuna dönüşür Glukoz – glukonik asid Uronik asidler: aldehid grubu değişmeden kalır ve diğer uçtaki primer alkol, karboksil grubuna okside olur Glukoz --- glukuronik asid Galaktoz --- galakturonik asid Monosakkaritlerin Oksidasyonu Aldozlarda C1 seçici olarak karboksilik aside (aldonik asitler) oksitlenir Br2 veya Ag (I) ile (Tollen’s testi). İndirgen şekerler serbest anomerik karbona sahiptir. Aldehit, Cu2+'ı Cu+'ya indirgeyebilir (Fehling testi). Aldehit, Ag+'yı Ag0'a indirebilir (Tollens testi). Glikoz gibi indirgeyici şekerlerin tespit edilmesini sağlar. Modern tespit teknikleri, kolorimetrik ve elektrokimyasal testleri kullanır. İndirgen karbonhidratlar: Karbonhidratlar aldonik aside okside olabilirler Sellobiyoz ve maltoz indirgen karbonhidratlar Laktoz indirgen karbh. Sakkaroz indirgen değildir Üronik Asit: Sadece -CH2OH terminalinin bulunduğu karbonhidrat karboksilik aside okside edilmiştir. Askorbik asit : Glukuronik asit türevi UDP-glukuronat: steroid hormon, bilirubin, bazı ilaçlar Konjugasyon işlemi glukuronik asitle birleştirme (glukuronidasyon) UDP-glukuronik asidi kullanarak molekülleri konjuge eden glukuronil transferaz detoksifikasyondan sorumludur ilaç detoksifikasyonu, steroid atılımı ve bilirubin metabolizmasında yaşamsal öneme sahip Glukoz oksidaz Glukoz oksidaz, glukozu glukonik -D-Glucose -D-Gluconolactone asid ve hidrojen perokside CH2 OH CH2 OH dönüştürür OH O OH Glucose oxidase OH O O Reaksiyon, peroksidaz ve o- HO OH O2 HO OH dianisidin varlığında gerçekleşirse sarı renk oluşur H 2O 2 NH OCH3 NH2 Bu reaksiyon idrar ve kan glukoz 2 H 2O OCH3 miktarı ölçümünün temelidir Peroxidase Testape, Clinistix, Diastix (idrarda) OCH3 Dextrostix (venöz kanda) NH OCH3 NH2 Oxidized Reduced o-dianisidine o-dianisidine (bright orange) (faint orange) Monosakkaritlerin İndirgenmesi (Redüksiyonu) Katalitik ( hidrojen ve katalizör ) ya da enzimatik yolla gerçekleşir. Oluşan ürün poliol ya da şeker alkolüdür (alditol) glukoz sorbitol (glusitol) mannoz mannitol fruktoz mannitol ve glusitol karışımı gliseraldehid gliserol Monosakkaritlerin İndirgenmesi (Redüksiyonu) Aldozların C1 bölgesi sodyum borohidrit ile 1° alkole indirgenir (alditoller) Karbonil gibi Reaksiyon verir Ketozların redüksiyonu Şeker alkolleri Gliserol nemlendirici ve çözücü olarak kullanılır ve nitratlanarak nitrogliserin elde edilir Şeker alkolleri patolojik olarak lens, siyatik sinir ve bazı durumlarda renal papillada birikir Şeker alkolleri şekerler kadar hızlı metabolize olmazlar (ksilitol?) Mannitol ozmotik diüretik olarak kullanılır. Klinikte akut renal yetmezliği olan hastalarda intravenöz kullanılır. Oligosakkaritler En çok bilinenler disakkaritlerdir Sakkaroz, laktoz, ve maltoz Maltoz hidroliz olduğunda 2 molekül D-glikoz oluşur Laktoz hidroliz olduğunda glikoz ve galaktoz açığa çıkar Sakkaroz hidroliz olduğunda glikoz ve fruktoz açığa çıkar Disakkaritler Sakkaroz Ya da Sükroz sofra şekeri olarak bilinir. Doğada en bol bulunan disakkarittir. Sükroz şeker kamışı ve şeker pancarında bulunur. Glikozidik bağ α (1→2)'dir. Sükrozdaki monosakaritlerin her iki anomerik karbonu da bağlıdır, bu nedenle sükroz indirgeyici bir şeker değildir. Fehling ve Benedict gibi reaktiflerle reaksiyona girmez. Hidrolizi ile glikoz ve fruktoz açığa çıkar (invert şeker) Glikozidik bağ α(1→2)'dir. Sakkarozdaki monosakaritlerin her iki anomerik karbonu da bağlıdır ve indirgen değildir Laktoz Laktoz, süt şekeri olarak bilinir. Süt ve süt ürünlerinde bulunur. Laktozu monosakkarit birimlerine hidrolize eden laktaz enzimini genetik olarak üretme yeteneği olmayan veya kaybeden kişilerde laktoza karşı toleranssızlık meydana gelebilir. Glikozidik bağ (1→4)'tür. Anomerik karbonlardan biri serbesttir, dolayısıyla laktoz bir indirgeyici şekerdir. Maltoz Glikozidik bağ α(1→4)'tür. Laktüloz galaktoz-β-(1,4)-fruktoz yarı sentetik disakkarit (doğal olarak bulunmaz) Gastrointestinal kanaldan emilmez. İnce barsaklardaki disakkaridaz enzimine dayanıklı olup kalın barsakta bulunan sakkarolitik bakteriler tarafından laktik asit, asetik asit ve formik asite parçalanır. Bu organik asitler peristaltik hareketleri stimüle eder, ayrıca ozmotik basıncı artırarak feçesin su içeriğini çoğaltıp yumuşamasına neden olur Laksatif etki Kalın barsakta pH düşer, bu sayede proteinleri kullanarak amonyak üreten kolonik bakterilerin sayısını azaltır. Ayrıca kolonik bakterilerin amonyak “uptake”ni artırarak feçesle azot kaybını artırırken amonyak emilimini de azaltır. Bu nedenle karaciğer komasında hiperamonemi’ ye bağlı portal-sistemik ensefalopati tedavisinde kullanılır. Deoksi Şekerler Bu monosakkaritlerin yapısında bir ya da birden fazla hidroksil grubu yerine hidrojen gelmiştir. 2. veya 6. karbonda oksijen bulunmaz. En fazla bulunan deoksi şeker DNA nın yapısındaki 2-deoksi riboz’dur Amino Şekerler Hidroksil grubu, -NH2 ya da -NHAs grubu ile yer değiştirmiş olan karbonhidratlar. Glukozamin , N-asetil glukozamin Galaktozamin , N-asetil galaktozamin Mannozamin , N-asetil mannozamin Glikolipidler ( gangliozid ), glikoprotein, ve glikozaminoglikanlarda bulunur ABO kan grupları kırmızı kan hücreleri üzerindeki karbonhidratları ifade eder. Bu kimyasal belirteçler üç ya da dört şeker birimi içeren oligosakkaritlerdir. Şeker birimleri D-galaktoz, L-fukoz, N-asetilglukozamin ve N-asetilgalaktozamindir.  Monosakkaritlerin fosforik asit esterleri (Şeker fosfatları): Bazı biyokimyasal olaylarda önemli rol oynar Şekeri hücre içinde tutar Polisakkaritler Polisakkaridler glikozidik bağ ile birleşmiş yüzlerce-binlerce monosakkaridin polimerleridirler. Homopolisakkaritler (nişasta, glikojen, inulin) Heteropolisakkaritler ( mukopolisakkaritler) Özellikleri: Polimerler (MA 200,000 den başlar) Beyaz ve amorf ürünlerdir Tatlı değildirler İndirgen değildirler ; aldoz ve ketoz reaksiyonlarını vermezler Çözeltileri kolloidal ya da süspansiyon formundadır Homopolisakkaritler Nişasta ve glikojen depo polisakkaridi olarak bulunur. Alfa glikoz birimleri var. Amiloz düz zincir, amilopektin dallanmış yapı Nişasta, glikozun iki homopolisakkaritinin bir karışımıdır. -Amiloz, (a1 - 4) bağlı kalıntılardan oluşan dallanmamış bir polimerdir. -Amilopektin glikojen gibi dallanmıştır, ancak (a1- 6) bağlayıcıları olan dallanma noktaları her 24-30 kalıntıda bir meydana gelir. -Amilopektinin molekül ağırlığı 200 milyon kadardır. Nişasta, bitkilerdeki ana depo polisakkaritidir. Glikojen, glikozun dallanmış bir homopolisakkaritidir. Glikoz monomerleri (a1 - 4) bağlantılı zincirler oluşturur. Her 8-12 kalıntıda bir (a1 - 6) bağlayıcı ile dallanma noktaları vardır. Molekül ağırlığı birkaç milyona ulaşır. Hayvanlarda ana depo polisakkarit olarak işlev görür. Bu sıkıca sarılmış sarmal yapılar, birçok hücrede görülen yoğun olarak depolanmış nişasta veya glikojen granüllerini üretir. Selüloz, kitin; bitki hücre duvarlarında ve hayvanların dış iskeletinde yapısal eleman. Selüloz bitki hücre duvarının en büyük bileşenidir ve beta glikozu içerir. İnsanda selülozun β-1,4 bağını hidroliz edecek enzim bulunmaz -Selüloz, glukozun doğrusal bir homopolisakkaritidir. -Glikoz monomerleri (b1 - 4) bağlantılı zincirler oluşturur. -Bitişik monomerler arasında hidrojen bağları oluşur. -Zincirler arasında ek H-bağları vardır. -Yapısı serttir ve suda çözünmez. -Doğada en bol bulunan polisakkarittir. -Pamuk neredeyse saf lifli selülozdur. Selüloz, yüksek gerilme mukavemetine sahip düz, stabil supramoleküler liflere sahiptir