Monosaccharid

Denne artikel har flere problemer. Hjælp venligst med at forbedre den eller diskuter disse problemer på talk-siden. (Lær hvordan og hvornår du kan fjerne disse skabelonbeskeder) Denne artikel har brug for yderligere citater til verifikation. Hjælp venligst med at forbedre denne artikel ved at tilføje citater til pålidelige kilder. Ukilderet materiale kan blive anfægtet og fjernet. Find kilder: “Monosaccharid” – nyheder – aviser – bøger – scholar – JSTOR (juli 2009) (Lær hvordan og hvornår du kan fjerne denne skabelonbesked) Denne artikel beskriver kun et højt specialiseret aspekt af sit tilknyttede emne. Hjælp venligst med at forbedre denne artikel ved at tilføje mere generelle oplysninger. Talksiden kan indeholde forslag. (September 2013) Denne artikel læser sig som en lærebog og kræver måske oprydning. Vær venlig at hjælpe med at forbedre denne artikel, så den bliver neutral i tonen og opfylder Wikipedias kvalitetsstandarder. (april 2020) (Lær hvordan og hvornår du fjerner denne skabelonbesked)

Monosakkarider (af græsk monos: enkelt, sacchar: sukker), også kaldet simple sukkerarter, er den enkleste form af sukker og de mest basale enheder (monomerer) af kulhydrater. Den generelle formel er C
nH
nH
2nO
n, selv om ikke alle molekyler, der passer til denne formel (f.eks. eddikesyre), er kulhydrater. De er normalt farveløse, vandopløselige og krystallinske faste stoffer. I modsætning til deres navn (sukkerarter) er det kun nogle monosaccharider, der har en sød smag.

Eksempler på monosaccharider er glukose (druesukker), fruktose (levulose) og galaktose. Monosakkarider er byggestenene i disakkarider (f.eks. saccharose og laktose) og polysakkarider (f.eks. cellulose og stivelse). Hvert kulstofatom, der bærer en hydroxylgruppe, er chiralt, undtagen dem i enden af kæden. Dette giver anledning til en række isomere former, der alle har den samme kemiske formel. For eksempel er galactose og glucose begge aldohexoser, men har forskellige fysiske strukturer og kemiske egenskaber.

Monosaccharidet glucose spiller en central rolle i stofskiftet, hvor den kemiske energi udvindes gennem glykolyse og citronsyrecyklussen for at give energi til levende organismer. Nogle andre monosakkarider kan i den levende organisme omdannes til glukose.

Struktur og nomenklatur

Med få undtagelser (f.eks. deoxyribose) har monosakkarider denne kemiske formel: (CH2O)x, hvor x normalt er ≥ 3. Monosaccharider kan klassificeres efter antallet x af kulstofatomer, de indeholder: triose (3), tetrose (4), pentose (5), hexose (6), heptose (7) osv.

Glucose, der anvendes som energikilde og til syntese af stivelse, glykogen og cellulose, er en hexose. Ribose og deoxyribose (i henholdsvis RNA og DNA) er pentose-sukkerarter. Som eksempler på heptoser kan nævnes ketoser, mannoheptulose og sedoheptulose. Monosaccharider med otte eller flere kulstofatomer observeres sjældent, da de er ret ustabile. I vandige opløsninger eksisterer monosakkarider som ringe, hvis de har mere end fire kulstofatomer.

Linære monosakkarider med lineær kæde

Enkle monosakkarider har et lineært og uforgrenet kulstofskelet med én funktionel carbonylgruppe (C=O) og én hydroxylgruppe (OH) på hvert af de resterende kulstofatomer. Derfor kan molekylestrukturen for et simpelt monosakkarid skrives som H(CHOH)n(C=O)(CHOH)mH, hvor n + 1 + m = x; så dets grundstofformel er CxH2xOx.

Til konvention er kulstofatomerne nummereret fra 1 til x langs rygsøjlen, startende fra den ende, der er tættest på C=O-gruppen. Monosaccharider er de enkleste enheder af kulhydrater og den enkleste form for sukker.

Hvis carbonylet er i position 1 (dvs. n eller m er nul), begynder molekylet med en formylgruppe H(C=O)- og er teknisk set en aldehyd. I så fald betegnes forbindelsen som en aldose. Ellers har molekylet en ketogruppe, en carbonylgruppe -(C=O)- mellem to carbonhydrider; i så fald er det formelt set en keton og betegnes som en ketose. Ketoser af biologisk interesse har normalt carbonylgruppen i position 2.

De forskellige klassifikationer ovenfor kan kombineres, hvilket resulterer i navne som “aldohexose” og “ketotriose”.

En mere generel nomenklatur for monosaccharider med åben kæde kombinerer et græsk præfiks til angivelse af antallet af kulbrinter (tri-, tetr-, pent-, hex- osv.) med suffikserne “-ose” for aldoser og “-ulose” for ketoser. I sidstnævnte tilfælde, hvis carbonylet ikke befinder sig i position 2, angives dets position med et numerisk infix. H(C=O)(CHOH)4H er således f.eks. pentose, H(CHOH)(C=O)(CHOH)3H er pentulose, og H(CHOH)2(C=O)(CHOH)2H er pent-3-ulose.

Stereoisomerer med åben kæde

To monosaccharider med tilsvarende molekylgrafer (samme kædelængde og samme carbonylposition) kan stadig være forskellige stereoisomerer, hvis molekyler adskiller sig i rumlig orientering. Dette sker kun, hvis molekylet indeholder et stereogent center, nærmere bestemt et kulstofatom, der er chiralt (forbundet til fire forskellige molekylære understrukturer). Disse fire bindinger kan have en af to konfigurationer i rummet, som adskiller sig fra hinanden ved deres håndholdighed. I et simpelt monosaccharid med åben kæde er alle kulstofatomer chirale, undtagen det første og det sidste atom i kæden og (i ketoser) kulstoffet med ketogruppen.

For eksempel har triketosen H(CHOH)(C=O)(CHOH)H (glyceron, dihydroxyacetone) intet stereogent center og eksisterer derfor som en enkelt stereoisomer. Den anden triose, aldosen H(C=O)(CHOH)2H (glyceraldehyd), har ét chiralt kulstof – det centrale, nummer 2 – som er bundet til grupperne -H, -OH, -C(OH)H2 og -(C=O)H. Derfor findes det som to stereoisomerer, hvis molekyler er spejlbilleder af hinanden (som en venstre og en højre handske). Monosaccharider med fire eller flere kulbrinter kan indeholde flere chirale kulbrinter, så de har typisk mere end to stereoisomerer. Antallet af forskellige stereoisomerer med samme diagram er begrænset af 2c, hvor c er det samlede antal chirale kulbrinter.

Fischer-projektionen er en systematisk måde at tegne skeletformlen for et acyklisk monosaccharid på, således at hvert enkelt chiralt kulstofs håndstilling er velbeskrevet. Hver stereoisomer af et simpelt monosaccharid med åben kæde kan identificeres ved positionerne (højre eller venstre) i Fischer-diagrammet af de chirale hydroxyler (de hydroxyler, der er knyttet til de chirale kulbrinter).

De fleste stereoisomerer er selv chirale (forskellige fra deres spejlbilleder). I Fischer-projektionen adskiller to spejlbillede-isomerer sig ved at have positionerne af alle de chirale hydroxyler omvendt fra højre til venstre. Spejlbilledeisomerer er kemisk identiske i ikke-kirale miljøer, men har normalt meget forskellige biokemiske egenskaber og forekomster i naturen.

Mens de fleste stereoisomerer kan arrangeres i par af spejlbilledeformer, er der nogle ikke-kirale stereoisomerer, der er identiske med deres spejlbilleder, på trods af at de har chirale centre. Dette sker, når den molekylære graf er symmetrisk, som i 3-ketopentoserne H(CHOH)2(CO)(CHOH)2H, og de to halvdele er spejlbilleder af hinanden. I dette tilfælde svarer spejling til en halvdrejning. Af denne grund er der kun tre forskellige 3-ketopentose-stereoisomerer, selv om molekylet har to chirale kulbrinter.

Distinkte stereoisomerer, der ikke er spejlbilleder af hinanden, har normalt forskellige kemiske egenskaber, selv i ikke-kirale miljøer. Derfor kan hvert spejlpar og hver ikke-kiral stereoisomer få et specifikt monosaccharidnavn. Der findes f.eks. 16 forskellige aldohexose-stereoisomerer, men navnet “glucose” betegner et bestemt par af spejlbilleder af aldohexoser. I Fischer-projektionen har den ene af de to glukoseisomerer hydroxyl til venstre på C3 og til højre på C4 og C5, mens den anden isomer har det omvendte mønster. Disse specifikke monosakkaridnavne har konventionelle forkortelser på tre bogstaver, som “Glu” for glukose og “Thr” for threose.

Generelt har et monosakkarid med n asymmetriske kulbrinter 2n stereoisomerer. Antallet af stereoisomerer med åben kæde for et aldose-monosaccharid er større med én end for et ketose-monosaccharid af samme længde. Enhver ketose vil have 2(n-3) stereoisomerer, hvor n > 2 er antallet af kulstofatomer. Enhver aldose vil have 2(n-2) stereoisomerer, hvor n > 2 er antallet af kulstofatomer, der også kaldes epimere, som har en forskellig placering af -OH- og -H-grupper ved de asymmetriske eller chirale kulstofatomer (dette gælder ikke for de kulstofatomer, der har den funktionelle carbonylgruppe).

Konfiguration af monosaccharider

Lige mange chirale molekyler vil de to stereoisomerer af glyceraldehyd gradvist dreje polarisationsretningen af lineært polariseret lys, når det passerer igennem det, selv i opløsning. De to stereoisomerer identificeres med præfikserne D- og L-, alt efter rotationsretningen: D-glyceraldehyd er dextrorotatorisk (roterer polarisationsaksen med uret), mens L-glyceraldehyd er levorotatorisk (roterer den mod uret).

D- og L-glucose

D- og L-præfikserne anvendes også med andre monosaccharider for at skelne mellem to bestemte stereoisomerer, der er spejlbilleder af hinanden. Til dette formål betragter man det chirale kulstof, der er længst væk fra C=O-gruppen. Dets fire bindinger skal forbindes med -H, -OH, -C(OH)H og resten af molekylet. Hvis molekylet kan roteres i rummet, så retningerne af disse fire grupper svarer til retningerne af de analoge grupper i D-glyceraldehyds C2, får isomeren D-præfikset. I modsat fald får den L-præfikset.

I Fischer-projektionen angiver D- og L-præfikserne konfigurationen ved det kulstofatom, der er det andet fra bunden: D- hvis hydroxyl er på højre side, og L- hvis det er på venstre side.

Bemærk, at D- og L-præfikserne ikke angiver rotationsretningen for polariseret lys, som er en kombineret effekt af arrangementet på alle chirale centre. De to enantiomerer vil dog altid rotere lyset i modsatte retninger, med samme mængde. Se også D/L-system.

Cyklisering af monosaccharider

Et monosaccharid skifter ofte fra den acykliske (åbne kæde) form til en cyklisk form, gennem en nukleofil additionsreaktion mellem carbonylgruppen og en af hydroxylgrupperne i det samme molekyle. Reaktionen skaber en ring af kulstofatomer, der er lukket af et brobyggende oxygenatom. Det resulterende molekyle har en hemiacetal- eller hemiketalgruppe, afhængigt af, om den lineære form var en aldose eller en ketose. Reaktionen er let omvendt og giver den oprindelige åbne kædeform.

I disse cykliske former har ringen normalt fem eller seks atomer. Disse former kaldes henholdsvis furanoser og pyranoser – i analogi med furan og pyran, de enkleste forbindelser med samme kulstof-oxygen-ring (selv om de mangler dobbeltbindingerne i disse to molekyler). F.eks. kan aldohexosen glukose danne en hemiacetalbinding mellem hydroxyl på kulstof 1 og oxygen på kulstof 4, hvorved der dannes et molekyle med en 5-leddet ring, kaldet glucofuranose. Den samme reaktion kan finde sted mellem kulstof 1 og 5, hvorved der dannes et molekyle med en seks-ledet ring, kaldet glucopyranose. De sjældent forekommende cykliske former med en 7-atomig ring (den samme som oxepan) kaldes heptoser.

Omdannelse mellem furanose, acyklisk, og pyranoseformer af D-glukose

Pyranoseformer af nogle pentose-sukkerstoffer

Pyranoseformer af nogle hexosesukkerstoffer

For mange monosaccharider (herunder glukose), de cykliske former dominerer i fast tilstand og i opløsninger, og derfor anvendes almindeligvis samme navn for isomerer med åben og lukket kæde. Således kan udtrykket “glukose” f.eks. betyde glucofuranose, glucopyranose, den åbne kædeform eller en blanding af de tre.

Cyklitisering skaber et nyt stereogent center ved det carbonylbærende kulstof. Den -OH-gruppe, der erstatter carbonylens oxygen, kan ende i to forskellige positioner i forhold til ringens midterplan. Hvert monosaccharid med åben kæde giver således to cykliske isomerer (anomerer), der betegnes med præfikserne α- og β-. Molekylet kan skifte mellem disse to former ved en proces kaldet mutarotation, der består i en omvendelse af den ringdannende reaktion efterfulgt af en anden ringdannelse.

Haworth-projektion

Den stereokemiske struktur af et cyklisk monosakkarid kan repræsenteres i en Haworth-projektion. I dette diagram har α-isomeren for pyranoseformen af en D-aldohexose -OH af det anomeriske kulstof under kulstofatomernes plan, mens β-isomeren har -OH af det anomeriske kulstof over planet. Pyranoser antager typisk en stolskonformation, svarende til cyclohexans konformation. I denne konformation har α-isomeren det anomeriske kulstofs -OH i en aksial position, mens β-isomeren har det anomeriske kulstofs -OH i en ækvatorial position (når man tænker på D-aldohexose-sukkerstoffer).

• 

  α-D-Glucopyranose

• 

  β-D-Glucopyranose

Derivater

Der findes et stort antal biologisk vigtige modificerede monosaccharider:

• Aminosukkerarter som:
  • galactosamin
  • glucosamin
  • sialsyre
  • N-acetylglucosamin
• Sulfosukkerarter som f.eks:
  • sulfoquinovose
• Andre som f.eks:
  • ascorbinsyre
  • mannitol
  • glucuronsyre

Se også

• Monosaccharidnomenklatur
• Reducerende sukker
• Sukkersyre
• Sukkeralkohol
• Disaccharid

Noter