Glikozydy

Podstawowa struktura glikozydu, tutaj z D - glukozą jako częścią cukrową

Glikozydy , zwane też glikozydami , to organiczne związki chemiczne o budowie ogólnej R – O – Z. Alkohol (R - OH), jest połączony z cukru, (Z) za pośrednictwem wiązania glikozydowego . Glikozydy są więc pełne acetale z cukrów . Składnik alkoholowy „R – O–” może być innym cukrem lub dowolnym innym związkiem hydroksylowym , ale nie rodnikiem acylowym .

Jeśli tioacetal R - S - Z lub selenoacetal R - e - Z obecny jest zamiast acetalu , mówi się o thioglycoside lub selenoglycoside.

Z kolei związki N- glikozylowe R – NR' – Z nazywane są glikozyloaminami lub aminocukrami. Związki C- glikozylowe R – CR'R''-Z są pochodnymi glikozylowymi . W żargonie laboratoryjnym zamiast tego używa się tylko „ C- glikozyd” lub „ N- glikozyd”, ale jest to mylące, ponieważ glikozyloaminy i glikozyle zachowują się chemicznie inaczej.

Część cukrowa Z jest ogólnie określana jako glikon (glikon). Jeśli jest w R-OH zgodnie z IUPAC - Nomenklatura nie jest cukrem, nazywa się aglikonem (aglikonem).

Wiązanie glikozydowe

Wiązanie chemiczne między anomerycznym atomem węgla cukru a heteroatomem aglikonu lub z drugim cukrem nazywane jest wiązaniem glikozydowym (patrz rysunek). Glikozydy to także substancje związane z innymi heteroatomami, takimi jak siarka , selen , azot i fosfor . Wiązanie glikozydowe jest rozszczepialne hydrolitycznie, przy czym równowaga reakcji jest po stronie produktów rozszczepienia. Wiązanie jest kinetyczne, ale dość stabilne. Powstaje w wyniku reakcji kondensacji przy niewielkim nakładzie energii, z eliminacją wody . W naturze tworzenie znane jako glikozylacja odbywa się enzymatycznie poprzez aktywowany sacharyd, w laboratorium specjalnymi metodami aktywacji lub w reakcji cukru z dużym nadmiarem alkoholu w warunkach katalizy kwasowej.

W przypadku glikozydu, funkcja aldehydowa aldoz (np. glukoza ) lub funkcja ketonowa ketoz (np. fruktoza ) występuje jako cykliczny pełny acetal. Acetalu jest produkt kondensacji aldehydu lub ketonu, a jeden lub dwa alkohole (hemiacetalowych lub pełne acetalu). Pełne acetale są stabilne do zasadowych i obojętnych do słabo kwaśnych roztworów wodnych, ale hydrolizują w obecności mocnych kwasów.

Stereochemia i nomenklatura

Tworzenie pełnego acetalu glikozydowego sprawia, że prochiralna funkcja karbonylowa jest chiralna , tj. Oznacza to, że powstaje nowe stereocentrum , tak zwany anomeryczny atom węgla lub centrum anomeryczne . Dwa powstałe diastereoizomery (anomery) są określane jako α- i β-glikozydy. Glikozydy nazywa się dodając końcówkę -id do korzenia glikonu, np. B. fruktozyd dla glikozydu fruktozy lub glukozyd dla glikozydu glukozy .

Jeśli cukier tworzy pięcioczłonowy pierścień, jest to glikofuranozyd (pochodzący z furanu ). Jeśli tworzy sześcioczłonowy pierścień, mówi się o glikopiranozydzie (pochodzącym z piranu ).

Zobacz także Glycosidic Bond # nomenklatura i przykłady

Definicja α i β: wiązanie glikozydowe

Glikozylacja i hydroliza

Czym w przypadku aminokwasów jest wiązanie peptydowe, w przypadku węglowodanów jest to wiązanie glikozydowe, ponieważ umożliwia stabilne połączenie z innymi cukrami lub szeroką gamą alkoholi poprzez nieznacznie odwracalną reakcję kondensacji. Skutkuje to ogromną różnorodnością strukturalną węglowodanów, które zdecydowanie stanowią największą część biomasy. Zarówno enzymatyczna, jak i nieenzymatyczna synteza glikozydu nazywana jest glikozylacją .

Enzymy

W układach biologicznych glikozydy są hydrolizowane do wolnego cukru i alkoholu aglikonowego przez glikozydazy . Te glikozydazy są mniej lub bardziej specyficzne dla niektórych cukrów i jednego z anomerycznych kształtów i rozmiarów pierścieni. Na przykład, glikozydaza specyficzna dla α-mannopiranozy, α-mannozydaza, nie może hydrolizować galaktozydu . α-galaktozydaza może rozszczepiać nie tylko α-galaktopiranozydy, ale czasami także podobne glikozydy, takie jak β-arabinopiranozydy. Z drugiej strony glikozylotransferazy są wysoce specyficznymi enzymami, które katalizują przeniesienie aktywowanych węglowodanów (cukry UDP) do alkoholu z utworzeniem wiązania glikozydowego.

Syntezy chemiczne

Tworzenie wiązań glikozydowych jest jednym z najważniejszych składników chemii węglowodanów. Obecnie istnieje wiele różnych enzymatycznych i nieenzymatycznych metod glikozylacji, które są wykorzystywane w laboratorium aż do produkcji przemysłowej.

Fischer Glikozylacja: proste glikozydy alkilowe i poliglikozydy alkilowe

Przykład APG na podstawie glukozy (m = 1 do 5 i n = 11 do 15).

Wiązanie glikozydowe jest stabilne w stosunku do środowiska zasadowego do słabo kwaśnego, ale wrażliwe na warunki silnie kwasowe, ewentualnie pod wpływem dopływu energii lub zwiększonego ciśnienia. Bliskość tlenu w pierścieniu sprzyja solwolizie poprzez stabilizację utworzonego cyklicznego jonu karboksoniowego . W roztworze wodnym prowadzi to do hydrolizy glikozydu do aglikonu i wolnego cukru. Zamiast tego, alkiloglikozyd odpowiadający alkoholowi tworzy się w roztworze alkoholowym, np. w roztworze alkoholowym. B .:

${\ displaystyle \ mathrm {glukoza + MeOH \ rightleftharpoons metyloglukozyd + H_ {2} O}}$

Należy zauważyć, że ta glikozylacja Fischera, nazwana na cześć Emila Fischera , jest złożoną reakcją równowagi z wolnym cukrem jako produktem termodynamicznym. W celu uzyskania ilościowej wydajności alkiloglikozydu stosuje się bezwodny alkohol, zwykle z HCl _g lub silnie kwasowym wymieniaczem jonowym jako katalizatorem. Woda utworzona w reakcji może, na. B. pobierać dynamicznie w aparacie Soxhleta przez sito molekularne .
Po stronie glikozydowej powstają zarówno α-, jak i β-glikopiranozydy i furanozydy. Równowagowa mieszanina glikozydów z wyłączeniem wody jest indywidualnie różna dla każdego sacharydu, ale głównym produktem są głównie α-glikopiranozydy (patrz tabela). Można je następnie często utrzymywać w bardzo czystym stanie przez krystalizację. Działa to bardzo dobrze w przypadku prostych alkoholi aż do butanolu. Jeśli jednak pożądany aglikon jest mniej polarny, pojawia się problem fazowy. Cukier nie jest już rozpuszczalny w alkoholu i reakcja nie może zajść lub wymagane są bardzo wysokie temperatury lub ciśnienie. Od kilku lat poliglikozydy alkilowe (APG) w sensie surowców odnawialnych zyskały znaczenie przemysłowe jako surfaktanty , zwłaszcza w kosmetykach wysokiej jakości. Ponieważ glikozydy długołańcuchowych i niepolarnych alkoholi tłuszczowych są w tym przypadku interesujące, opisano problem fazowy. Dlatego, wychodząc ze skrobi, najpierw przeprowadza się butanolizę , a powstałe poliglikozydy butylu są ponownie glikozylowane z alkoholami tłuszczowymi:

${\ displaystyle \ mathrm {(glukoza) _ {n} + butanol \, {\ xrightarrow {[H ^ {+}]}} \, poliglukozyd butylu \, {\ xrightarrow {[H ^ {+}], \, alkohole tłuszczowe }} \, Poliglukozydy alkilowe}}$

Efekt anomeryczny

Zwiększona stabilność termodynamiczna osiowej pozycji anomerycznej (głównie α) nazywana jest efektem anomerycznym i jest przedmiotem kontrowersyjnych dyskusji. Stopień, w jakim efekt anomeryczny jest wyraźny, zależy od konfiguracji cukru i, między innymi, od polarności rozpuszczalnika. Odgrywa ważną rolę w chemii węglowodanów i może być wykorzystana w syntezie.

Aktywacja chronionych donorów glikozylu

W reakcji glikozylacji cukier nazywany jest donorem glikozylu, a aglikon – akceptorem glikozylu. Celem takiej syntezy jest zwykle wprowadzenie wrażliwego aglikonu lub synteza oligosacharydów. Proste alkiloglikozydy są najczęściej otrzymywane przez glikozylację Fischera (głównie lub wyłącznie α po krystalizacji) lub z cukrów peracetylowanych (β, patrz poniżej).

• Grupy ochronne: W celu uzyskania selektywnej glikozylacji należy włożyć znaczny dodatkowy wysiłek ze względu na wysoką funkcjonalizację sacharydów. Do maskowania grup hydroksylowych stosuje się różne grupy zabezpieczające . Najważniejszymi grupami zabezpieczającymi są octany , benzoesany i etery benzylowe .
• Efekt grup sąsiednich: donory 2- O- acylowanej glikozylu selektywnie wytwarzają β-glikozydy (lub między innymi α w przypadku mannozy), ponieważ ester karbonylowy osłania pozycję α. W przeciwieństwie do tego, donory 2- O- alkilowane dają głównie lub w bardzo szczególnych warunkach wyłącznie termodynamicznie korzystniejsze α-glikozydy (dotyczy to również mannozy).
  W przypadku efektu grup sąsiednich, tworzenie się ortoestru jako produktu konkurencyjnego wobec glikozydu może okazać się destrukcyjne .

W celu uzyskania pełnego donora glikozylu, w pozycję anomeryczną należy wprowadzić odpowiednią grupę opuszczającą. W tym miejscu krótko opisano tylko kilku ważnych dawców i ich aktywację w obecności alkoholu:

• Halogenki cukru: Jedną z najbardziej znanych metod glikozylacji jest aktywacja halogenków cukru przez sole srebra, znana jako metoda Koenigsa-Knorra , na przykład acetobromogglukoza przez węglan srebra (należy zauważyć, że β jest tutaj selektywnie tworzony przez sąsiednią grupę 2-OAc ):

• Trichloroacetimidany: Cukry – O– (C = NH) – CCl ₃ są aktywowane przez katalityczne ilości kwasu Lewisa.
• Tioglikozydy: Sugar-SR są aktywowane przez odczynniki elektrofilowe, takie jak Br ⁺ .
• 1- O- octany: Cukier-OAc są aktywowane przez nadmiar kwasu Lewisa. Stosowane są jako związki peracetylowane do syntezy alkiloβ-glikozydów i tioglikozydów, a także cukrów chronionych i halogenków cukru wolnych od 1-OH.

Biologia i farmacja

Glikozydy są z natury szeroko rozpowszechnione. Pełnią szeroki zakres funkcji biologicznych. Przy różnicowaniu według aglikonu należącego do określonej grupy substancji chemicznych powstają obszerne podklasy, które często są podobne pod względem toksyczności , przydatności jako substancji leczniczych lub innych właściwości. W biochemii i farmakologii jest to najczęstsza klasyfikacja.

W ludzkim ciele polarne i niepolarne toksyny alkoholowe są często rozpuszczane w wodzie i wydalane jako glukuronidy poprzez wiązanie z kwasem glukuronowym .

Niektóre specjalne glikozydy są fitochemikaliami . Synteza glikozydów umożliwia roślinie m.in. magazynowanie substancji toksycznych w postaci nietoksycznej. Glikozyd to z. B. przechowywany w wakuoli , która służy do kompartmentalizacji odpowiedniej glikozydazy. Chodź glikozyd i związana z nim glikozydaza, np. B. niszcząc jednocześnie komórkę roślinną, glikozyd ulega hydrolitycznemu rozszczepieniu, a toksyna zostaje uwolniona i może rozwinąć swoje działanie.

Glikozydy bardzo różnią się pod względem działania jako substancji leczniczych lub pod względem toksykologicznym. W biochemii i farmacji dzielą się na następujące podgrupy w zależności od aglikonu:

Glikozydy antocyjanów

W antocyjanowe glikozydy są grupą związków występujących w wielu roślinach, jak barwniki.

Glikozydy kumaryny

Glikozydy kumaryny (np. rutarin ) pochodzą od kumaryny stosowanej jako substancja zapachowa . Wiele z tych glikozydów ma działanie farmakologiczne.

Glikozydy cyjanogenne

Jak sugeruje ich nazwa, glikozydy cyjanogenne podczas rozkładu wydzielają wysoce toksyczny kwas cyjanowodorowy HCN.

Flawonoidy

W grupie flawonoidów aglikonem jest flawon . Podobnie jak glikozydy antocyjanów, ta duża grupa zawiera wiele barwników roślinnych, które jako naturalne polifenole są również aktywne farmakologicznie. Przykładami są hesperydyna , naringina i rutyna .

Glikozydy nasercowe

Glikozydy nasercowe to około 300 substancji, które działają farmakologicznie inotropowo na mięsień sercowy . Występują one w pewnych roślin, takich jak naparstnicy Foxgloves lub tym lilia w dolinach convallariamajalis i składa się z trzech stosunkowo rzadkich cukrów dezoksy i steroidów alkoholu jako aglukonem. Obecnie znaczenie kliniczne mają jedynie digoksyna i digitoksyna . Ze względu na swoje szczególne właściwości odróżniają się od pokrewnych saponin. Jak teraz wiemy, nasz organizm może wytwarzać glikozydy nasercowe z samego cholesterolu, ale znaczenie endogennie syntetyzowanych glikozydów nasercowych jest nadal nieznane.

Glikozydy irydoidalne

Glikozydy irydoidalne, takie jak aukubina i katapol, służą do odstraszania drapieżników roślin.

Glikozydy fenolowe lub glikozydy fenylowe

Glikozydy fenylowe (również glikozydy fenolowe ) to grupa glikozydów, w której fenol jest połączony z węglowodanem wiązaniem glikozydowym. Ponieważ wiele antrachinonów i flawonoidów to także fenole, grupy te częściowo się pokrywają. Glikozydy fenylowe są szeroko rozpowszechnione; obejmują one B .:

• Esculina
• niektóre antraglikozydy
• Antocyjany
• Arbutyna
• Coniferin
• Hesperydyna
• Naringin
• Floryzyna
• Salicyna : Jednym z przykładów jest salicyna znaleziona w wierzbie Salix . Powstaje z glikonu D- glukozy i alkoholu salicylowego (również saligeniny ). Substancja ulega hydrolizie w organizmie człowieka i powstaje glukoza oraz alkohol salicylowy, które są metabolizowane w wątrobie do kwasu salicylowego .
• Scutellarin
• Glukozyd waniliny

Saponiny

Saponiny (łac. „ Sapo ” = „mydło”) po zmieszaniu i wytrząsaniu z wodą tworzą mieszaniny przypominające mydło. Odpowiedni aglikon należy do klasy sapogenin , która jest zwykle związana z D- glukozą lub D - galaktozą . Sapogeniny to steroidy , alkaloidy steroidowe (steroidy zawierające azot) lub triterpeny . Wiele roślin wykorzystuje saponiny, takie jak digitonina lub solanina, jako substancje obronne lub obronne.

Glikozydy oleju musztardowego

Glikozydy lub glukozynolany oleju musztardowego są glikozydami, które są połączone mostkiem przez atom siarki , tj. S- glikozydy lub tioglikozydy. Zawierają one również azot i dają wiele warzywa kapustne i kapary , takich jak rzodkiewka , gorczyca , rzeżucha i kapusta jest gorzki i cierpki smak. Jeśli tkanka roślinna jest uszkodzona, glikozydy oleju gorczycznego rozkładają się na częściowo toksyczne produkty.

Klasyczny dowód

Węglowodany (cukry) to związki polihydroksykarbonylowe, m.in. Innymi słowy, mają one kilka funkcyjnych grup alkoholowych i dlatego zwykle występują w postaci bardzo korzystnego energetycznie cyklicznego hemiacetalu, tj. reagują ze sobą tworząc pierścienie. Poprzedni karbonylowy atom tlenu tworzy egzocykliczną grupę OH, tlen grupy hydroksylowej tworzy endocykliczny tlen pierścienia. Ponieważ forma hemiacetalowa aldoz w roztworze wodnym jest w równowadze z formą aldehydu o otwartym łańcuchu, roztwór glukozy redukuje roztwór Fehlinga . W przypadku szerokiej gamy alkoholi R-OH cukry tworzą cykliczny pełny acetal z egzocyklicznym podstawnikiem OR zamiast egzocyklicznej grupy hydroksylowej. Taki pełny acetal jest trwały w roztworze wodnym, a zatem nie redukuje roztworu Fehlinga, chyba że sam aglikon ma działanie redukujące, np. B. czy to znowu cukier. W silnie kwaśnym roztworze wodnym glikozydy są rozdzielane na jeden lub więcej monosacharydów i alkohol. Klasycznym kryterium wykrywania glikozydu jest zatem odporność na roztwór Fehlinga bez uprzedniej hydrolizy i redukcja roztworu Fehlinga po hydrolizie kwasowej. W obecności aglikonu redukującego, np. B. inny cukier, kryterium to nie ma zastosowania. Ponieważ pierwsze badania farmaceutycznych preparatów ziołowych (formulacja = postać dawkowania) zostały przeprowadzone tymi klasycznymi metodami badawczymi, ziołowe składniki aktywne wymienione poniżej są określane jako glikozydy w farmacji, chociaż glikozydy mają znaczenie daleko wykraczające poza tę niewielką grupę.

Indywidualne dowody

1. ↑ Wpis dotyczący glikozydów . W: Kompendium terminologii chemicznej IUPAC („Złota Księga”) . doi : 10.1351 / goldbook.G02661 Wersja: 2.2.
2. ↑ Jochen Lehmann, Węglowodany: chemia i biologia , wydanie drugie. i exp. Ed., Stuttgart Nowy Jork, Thieme 1996, s. 82.

linki internetowe

• Fitoskładniki