MONOSACHARIDY: VLASTNOSTI, FUNKCE A PŘÍKLADY - BIOLOGIE - 2025

Mezi monosacharidy jsou relativně malé molekuly, které tvoří strukturální základ pro více komplexních sacharidů. Ty se liší svou strukturou a stereochemickou konfigurací.

Nejvýznamnějším příkladem monosacharidu, který je v přírodě také nejhojnějším, je d-glukóza tvořená šesti atomy uhlíku. Glukóza je nepostradatelným zdrojem energie a je základní složkou některých polymerů, jako je škrob a celulóza.

Autor: Alejandro Porto, prostřednictvím Wikimedia Commons

Monosacharidy jsou sloučeniny odvozené od aldehydů nebo ketonů a ve své struktuře obsahují alespoň tři atomy uhlíku. Nemohou podstoupit procesy hydrolýzy, aby se rozložily na jednodušší jednotky.

Obecně jsou monosacharidy pevné látky bílé barvy a krystalického vzhledu se sladkou chutí. Protože jsou polárními látkami, jsou vysoce rozpustné ve vodě a nerozpustné v nepolárních rozpouštědlech.

Mohou být spojeny s jinými monosacharidy prostřednictvím glykosidických vazeb a mohou tvořit různé sloučeniny, které mají velký biologický význam a strukturálně velmi rozmanité.

Vysoký počet molekul, které monosacharidy mohou tvořit, jim umožňuje být bohatý na informace i funkci. Ve skutečnosti jsou uhlohydráty nejhojnější biomolekuly v organismech.

Spojení monosacharidů vede ke strukturálním funkcím k disacharidům - jako je sacharóza, laktóza a maltóza - ak větším polymerům, jako je glykogen, škrob a celulóza, které plní funkce ukládání energie.

Obecné vlastnosti

Monosacharidy jsou nejjednodušší uhlohydráty. Strukturně jsou sacharidy, a mnoho z nich může být reprezentován empirickým vzorcem (CH ₂ O) _n. Představují důležitý zdroj energie pro buňky a jsou součástí různých molekul nezbytných pro život, jako je DNA.

Monosacharidy jsou tvořeny atomy uhlíku, kyslíku a vodíku. Když je v roztoku, převládající forma cukrů (jako je ribóza, glukóza nebo fruktóza) není otevřený řetězec, ale spíše energeticky stabilnější kruhy.

Nejmenší monosacharidy jsou tvořeny třemi atomy uhlíku a jsou to dihydroxyaceton a d- a 1-glyceraldehyd.

Uhlíková kostra monosacharidů nemá větve a všechny atomy uhlíku, s výjimkou jednoho, mají hydroxylovou skupinu (-OH). Na zbývajícím atomu uhlíku je karbonylový kyslík, který může být kombinován do acetální nebo ketální vazby.

Struktura

Chemická struktura glukózy, monosacharidu.

Stereoisomerismus

Monosacharidy - s výjimkou dihydroxyacetonu - mají asymetrické atomy uhlíku, to znamená, že jsou spojeny se čtyřmi různými prvky nebo substituenty. Tyto uhlíky jsou zodpovědné za výskyt chirálních molekul, a tedy optických izomerů.

Například glyceraldehyd má jediný asymetrický atom uhlíku, a proto existují dvě formy stereoizomerů označené jako písmena d- a 1-glyceraldehyd. V případě aldotetrosů mají dva asymetrické atomy uhlíku, zatímco aldopentózy mají tři.

Aldohexózy, jako glukóza, mají čtyři asymetrické atomy uhlíku, a proto mohou existovat ve formě 16 různých stereoizomerů.

Tyto asymetrické uhlíky vykazují optickou aktivitu a formy monosacharidů se liší svou povahou podle této vlastnosti. Nejběžnější forma glukózy je pravotočivá a obvyklá forma fruktózy je levotočivá.

Když se objeví více než dva asymetrické atomy uhlíku, předpony d- a l- označují asymetrický atom nejdále od karbonylového uhlíku.

Hemiaceles a Hemicetales

Monosacharidy mají schopnost vytvářet kruhy díky přítomnosti aldehydové skupiny, která reaguje s alkoholem a vytváří hemiacetal. Podobně ketony mohou reagovat s alkoholem a obecně hemiketálem.

Například v případě glukózy, uhlík v poloze 1 (v lineární formě) reaguje s uhlíkem v poloze 5 stejné struktury za vzniku intramolekulárního hemiacetalu.

V závislosti na konfiguraci substituentů přítomných na každém atomu uhlíku mohou být cukry v jejich cyklické formě reprezentovány podle vzorců Haworthovy projekce. V těchto diagramech je okraj prstence, který je nejblíže čtenáři, a tato část je znázorněna tlustými čarami (viz hlavní obrázek).

Cukr, který má šest výrazů, je tedy pyranóza a prsten s pěti výrazy se nazývá furanóza.

Cyklické formy glukózy a fruktózy se tedy nazývají glukopyranóza a fruktofuranóza. Jak je diskutováno výše, d-glukopyranóza může existovat ve dvou stereoizomerních formách, označených písmeny a a p.

Konformace: židle a loď

Haworthovy diagramy naznačují, že struktura monosacharidů má plochou strukturu, tento pohled však není pravdivý.

Kroužky nejsou ploché kvůli tetrahedrální geometrii přítomné v jejich atomech uhlíku, proto mohou přijmout dva typy konformací, které se nazývají židle a loď nebo loď.

Sedlová konformace je ve srovnání s lodí pevnější a stabilnější, z tohoto důvodu je to převládající konformace v roztocích obsahujících hexózy.

Ve formě židle lze rozlišit dvě třídy substituentů, které se nazývají axiální a rovníkové. V pyranózách podléhají rovníkové hydroxylové skupiny esterifikačním procesům snadněji než axiální.

Autor: Alejandro Porto, prostřednictvím Wikimedia Commons

Vlastnosti monosacharidů

Mutarrotace a anomerní formy d-glukózy

Když jsou ve vodných roztocích, některé cukry se chovají, jako by měly další asymetrické centrum. Například d-glukóza existuje ve dvou izomerních formách, které se liší ve specifické rotaci: a-d-glukóza β-d-glukóza.

Ačkoli je základní složení totožné, oba druhy se liší, pokud jde o jejich fyzikální a chemické vlastnosti. Když tyto izomery vstoupí do vodného roztoku, projeví se změna optické rotace s postupem času a konečná hodnota je v rovnováze.

Tento jev se nazývá mutarrotace a nastává, když se jedna třetina alfa izomeru smíchá se dvěma třetinami beta izomeru při průměrné teplotě 20 ° C.

Modifikace monosacharidů

Monosacharidy mohou tvořit glykosidické vazby s alkoholy a aminy za vzniku modifikovaných molekul.

Podobně mohou být fosforylovány, to znamená, že k monosacharidu může být přidána fosfátová skupina. Tento jev má velký význam v různých metabolických drahách, například první krok glykolytické dráhy zahrnuje fosforylaci glukózy za vzniku intermediární glukózy 6-fosfátu.

S postupující glykolýzou se vytvářejí další metabolické meziprodukty, jako je dihydroxyaceton-fosfát a glyceraldehyd-3-fosfát, což jsou fosforylované cukry.

Fosforylační proces dává cukrům negativní náboj, což zabraňuje snadnému opuštění těchto molekul z buňky. Navíc jim dává reaktivitu, takže mohou vytvářet vazby s jinými molekulami.

Působení pH na monosacharidy

Monosacharidy jsou stabilní v prostředí při vysokých teplotách a se zředěnými minerálními kyselinami. Na rozdíl od toho, když jsou cukry vystaveny vysoce koncentrovaným kyselinám, podléhají dehydrataci, která produkuje aldehydové deriváty furanu, nazývané furfuraly.

Například zahříváním d-glukózy společně s koncentrovanými kyselinami chlorovodíkovými se získá sloučenina zvaná 5-hydroxymethylfurfural.

Když furfurals kondenzuje s fenoly, produkují barevné látky, které lze použít jako markery při analýze cukrů.

Na druhé straně, mírná alkalická prostředí produkují přeskupení kolem anomerního uhlíku a sousedního uhlíku. Když je d-glukóza ošetřena základními látkami, vytvoří se směs d-glukózy, d-ovoce a d-manózy. Tyto produkty se vyskytují při pokojové teplotě.

Dojde-li ke zvýšení teploty nebo koncentrace alkalických látek, monosacharidy procházejí procesy fragmentace, polymerace nebo přesmyku.

Funkce

Zdroj energie

Monosacharidy a uhlohydráty obecně, základní prvky ve stravě jako zdroje energie. Kromě toho, že fungují jako buněčné palivo a akumulace energie, fungují jako enzymatické meziprodukty v enzymatických reakcích.

Interakce buněk

Mohou být také spojeny s jinými biomolekuly - jako jsou proteiny a lipidy - a plnit klíčové funkce související s buněčnou interakcí.

Nukleové kyseliny, DNA a RNA, jsou molekuly zodpovědné za dědičnost a ve své struktuře mají cukry, konkrétně pentózy. D-ribóza je monosacharid, který se nachází v páteři RNA. Monosacharidy jsou také důležitými složkami komplexních lipidů.

Složky oligosacharidů

Monosacharidy jsou základní strukturální složky oligosacharidů (z řeckého oligo, což znamená málo) a polysacharidů, které obsahují mnoho monosacharidových jednotek, buď jedné třídy, nebo různých druhů.

Tyto dvě komplexní struktury fungují jako zásoby biologického paliva, například škrob. Jsou to také důležité strukturální složky, jako je celulóza, která se nachází v tuhých buněčných stěnách rostlin a ve dřevnatých a vláknitých tkáních různých rostlinných orgánů.

Klasifikace

Monosacharidy jsou klasifikovány dvěma různými způsoby. První závisí na chemické povaze karbonylové skupiny, protože to může být keton nebo aldehyd. Druhá klasifikace se zaměřuje na počet atomů uhlíku přítomných v cukru.

Například dihydroxyaceton obsahuje ketonovou skupinu, a proto se nazývá "ketosa", na rozdíl od glyceraldehydů, které obsahují aldehydovou skupinu a je považován za "aldosu".

Monosacharidy mají specifické jméno v závislosti na počtu uhlíků, které jejich struktura obsahuje. Cukr se čtyřmi, pěti, šesti a sedmi atomy uhlíku se tedy nazývá tetrosy, pentózy, hexózy a heptózy.

Ze všech uvedených tříd monosacharidů jsou hexózy zdaleka nejhojnější skupinou.

Obě klasifikace lze kombinovat a název dané molekule je směsí počtu uhlíků a typu karbonylové skupiny.

V případě glukózy (C ₆ H ₁₂ O ₆), je to považováno za hexózy, protože má šest uhlíkových atomů a je také aldóza. Podle těchto dvou klasifikací je touto molekulou aldohexóza. Podobně ribulosa je ketopentóza.

Důležité deriváty monosacharidů

Glykosidy

V přítomnosti minerální kyseliny mohou aldopyranózy reagovat s alkoholy za vzniku glykosidů. Jedná se o smíšené asymetrické acetaly tvořené reakcí anomerního atomu uhlíku z hemiacetalu s hydroxylovou skupinou alkoholu.

Vytvořená vazba se nazývá glykosidická vazba a může se také vytvořit reakcí mezi anomerním uhlíkem monosacharidu s hydroxylovou skupinou jiného monosacharidu za vzniku disacharidu. Tímto způsobem se vytvářejí oligosacharidové a polysacharidové řetězce.

Mohou být hydrolyzovány určitými enzymy, jako jsou glukosidázy nebo jsou-li vystaveny kyselosti a vysokým teplotám.

N-glykosylaminy nebo N-glukosidy

Aldózy a ketózy jsou schopné reagovat s aminy a výsledkem jsou N-glukosidy.

Tyto molekuly hrají důležitou roli v nukleových kyselinách a nukleotidech, kde se zjistí, že atomy dusíku bází tvoří N-glukosylaminové vazby s atomem uhlíku v poloze 1 d-ribózy (v RNA) nebo 2-deoxy-d-ribózy (v DNA).

Kyselina muramová a kyselina neuraminová

Tyto dva deriváty aminosacharidů mají ve své struktuře devět atomů uhlíku a jsou důležitými strukturálními složkami bakteriální architektury a ve vrstvě živočišných buněk.

Strukturální základna bakteriální buněčné stěny je kyselina N-acetylmuramová a je tvořena aminocukrem N-acetyl-d-glukosaminem spojeným s kyselinou mléčnou.

V případě kyseliny N-acetyl-neuraminové je derivátem N-acetyl-d-mannosaminu a kyseliny pyruvové. Sloučenina se nachází v glykoproteinech a glykolipidech živočišných buněk.

Cukry-alkoholy

U monosacharidů je karbonylová skupina schopna redukovat a tvořit cukerné alkoholy. K této reakci dochází za přítomnosti plynného vodíku a kovových katalyzátorů.

V případě d-glukózy vede reakce k d-glucitolu cukr-alkohol. Podobně, reakce d-manosou poskytuje d-mannitol.

Přirozeně existují dva velmi bohaté cukry, glycerin a inositol, oba s mimořádným biologickým významem. První je složkou určitých lipidů, zatímco druhá se nachází ve fosfatylinositolu a v kyselině fytové.

Sůl z kyseliny fytové je fytin, základní podpůrný materiál v rostlinných tkáních.

Příklady monosacharidů

Glukóza

Je to nejdůležitější monosacharid a je přítomen ve všech živých bytostech. Tento uhličitanový řetězec je nezbytný pro existenci buněk, protože jim dodává energii.

Skládá se z karbonátového řetězce šesti atomů uhlíku a je doplněn dvanácti atomy vodíku a šesti atomy kyslíku.

-Možnost

Tuto skupinu tvoří karbonyl na jednom konci uhličitanového řetězce.

Bohyně

Glykoaldehyd

Trios

Glyceraldehyd

Tento monosacharid je jediný z aldóz, který se skládá ze tří atomů uhlíku. Za to, co se nazývá triose.

Je to první monosacharid, který se získá při fotosyntéze. Kromě toho, že je součástí metabolických drah, jako je glykolýza.

Tetrosa

Erythrosa a Treosa

Tyto monosacharidy mají čtyři atomy uhlíku a jednu aldehydovou skupinu. Erythrosa a treose se liší ve struktuře chirálních uhlíků.

Ve třech se nacházejí v DL nebo LD konformacích, zatímco v erytróze jsou konformace obou uhlíků DD nebo LL

Pentosas

V této skupině najdeme uhličitanové řetězce, které mají pět atomů uhlíku. Podle polohy karbonylu rozlišujeme monosacharidy ribózu, deoxyribózu, arabinózu, xylózu a lixózu.

Ribóza je jednou z hlavních složek RNA a pomáhá vytvářet nukleotidy jako ATP, které dodávají energii buňkám živých věcí.

Deoxyribózy je odvozen od monosacharidu deoxysugar pěti atomy uhlíku (pentózových z vzorec C5H10O4 empirických)

Arabinóza je jedním z monosacharidů, které se vyskytují v pektinu a hemicelulóze. Tento monosacharid se používá v bakteriálních kulturách jako zdroj uhlíku.

Xylóza je také běžně známá jako cukr ze dřeva. Jeho hlavní funkce souvisí s výživou člověka a je jedním z osmi základních cukrů pro lidské tělo.

Lixóza je v přírodě vzácný monosacharid a nachází se na bakteriálních stěnách některých druhů.

Hexózy

V této skupině monosacharidů je šest atomů uhlíku. Jsou také klasifikovány podle toho, kde se nachází váš karbonyl:

Allose je vzácný monosacharid, který byl získán pouze z listů afrického stromu.

Altrose je monosacharid, který se nachází v některých kmenech bakterie Butyrivibrio fibrisolvens.

Glukóza je tvořena uhličitanovým řetězcem šesti atomů uhlíku, doplněným dvanácti atomy vodíku a šesti atomy kyslíku.

Manóza má složení podobné glukóze a její hlavní funkcí je produkce energie pro buňky.

Gulosa je sladký chutný umělý monosacharid, který kvasinky nefermentují.

Idóza je epimér glukózy a používá se jako zdroj energie pro extracelulární matrix buněk živých bytostí.

Galaktóza je monosacharid, který je součástí glykolipidů a glykoproteinů a nachází se hlavně v neuronech mozku.

Talose je další umělý monosacharid, který je rozpustný ve vodě a má sladkou chuť.

- Pojď

V závislosti na počtu atomů uhlíku můžeme rozlišit dihydroxyaceton tvořený třemi atomy uhlíku a erythrulosu tvořenou čtyřmi.

Podobně, pokud mají pět atomů uhlíku a berou v úvahu polohu karbonylu, najdeme ribulózu a xylulosu. Vyrobeno ze šesti atomů uhlíku, máme sicosu, fruktózu, sorbózu a tagatózu.

Reference

1. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologie: Život na Zemi. Pearsonovo vzdělávání.
2. Berg, JM, Tymoczko, JL, a Gatto Jr, GJ (2002). Stryer: Biochemie. WH Freeman and Company.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. Biologie. Panamerican Medical Ed.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, a Cox, MM (2008). Lehningerovy principy biochemie. Macmillan.
5. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (2013). Základy biochemie: život na molekulární úrovni. Wiley.
6. COLLINS, Peter M.; FERRIER, Robert J. Monosacharidy: jejich chemie a role v přírodních produktech.
7. CHAPLIN, MFI Monosacharidy. MASS SPECTROMETRY, 1986, sv. 1 str. 7.
8. AKSELROD, SOLANGE, et al. Glukóza / _ / -. J. Physiol, 1975, sv. 228, str. 775.
9. DARNELL, James E., a kol. Biologie molekulárních buněk. New York: Scientific American Books, 1990.
10. VALENZUELA, A. Struktura a funkce monosacharidů. 2003.
11. ZAHA, Arnaldo; FERREIRA, Henrique Bunselmeyer; PASSAGLIA, Luciane MP. Základní molekulární biologie-5. Artmed Editor, 2014.
12. KARP, Gerald. Buněčná a molekulární biologie: koncepty a experimenty (6. McGraw Hill Mexico, 2011.