Reactions and derivatives of monosaccharides, disaccharides, O- and N-glycosidic bonds, examples

Monosaccharides are derivatives of hydrocarbons, or of furan and pyran heterocycles, from which their basic division into furanoses and pyranoses is derived. They are a basic component of the food of animals, including humans. They contain several chiral carbons, which allows the formation of epimers and enantiomers (right- and left-handed antipodes that turn the plane of polarized light to the opposite side in solution).

See the Carbohydrates page for more detailed information .

Mutarotation
A so-called mutarotation can occur within one carbohydrate cycle. It is a condition where a carbohydrate changes its optical rotation upon dissolution. This is made possible by the fact that the C-1 carbon of the aldose is the chiral center of the cyclic molecule. We call the corresponding isomers anomers.

Epimerization
An isomerization reaction that takes place in a weakly basic environment. In the presence of an optically active substance (e.g. glucose ), its configuration changes. D-glucose can thus transition to D-mannose, which only differs in configuration at C-2. An epimer of glucose is also D-galactose, which is distinguished by its configuration at C-4. Such pairs are then called epimers.

Redox reaction
The reduction of monosaccharides at the C-1 position (in the presence of Ni, Pt) produces the sugar alcohol glucitol (reduction of glucose → sorbitol).

Oxidation takes place preferentially on the first carbon, when the aldehyde group is oxidized to form a carboxyl. This is how sugar acids are formed → aldonic acid (in the case of glucose – gluconic acid). Oxidation can also take place on the last carbon to form uronic (glucuronic) acid, or it can take place on both carbons at the same time and thus aldaric (glucaric) acid is formed.

Esterification
Reaction of monosaccharides (hydroxyl groups) with acids. In the body, the most common reaction of monosaccharides is with phosphoric acid (phosphorylation), which produces, for example, glucose-6-phosphate.

Glycosidic linkage
Acetate bond of carbohydrates with -OH group (e.g. alcohols, lipids, other carbohydrates - formation of oligo- and polysaccharides) or with -NH 2 (e.g. nitrogenous bases in DNA and RNA ). All monosaccharides with a carbonyl group can react with -OH to form a hemiacetal. The reaction taking place is a nucleophilic addition. The hemiacetal can further react with another nucleophilic group to form a total acetal to form a glycoside and water. This stabilizes the sugar and loses its reducing effects. The bond is called O-glycosidic. The N-glycosidic bond is formed by the reaction of a monosaccharide with the -NH 2 or -NH group. The resulting compounds are called nucleosides. In the human body, they occur in conjunction with phosphoric acid (phosphoric esters of nucleoside → nucleotides ). It forms the basis for ATP, ADP, etc.

Carbohydrate Report
If a monosaccharide finds itself in a strongly acidic environment, a furan derivative is formed from the given monosaccharide, or pyran. Furfural is formed from ribose by dehydration, 5-hydroxymethyl-furfural is formed from glucose by dehydration. This product can subsequently react with phenols and aromatic amines, condensation occurs and a colored condensation product is formed. We use these reactions to identify carbohydrates and distinguish aldoses from ketoses and pentoses from hexoses.

reducing disaccharides – orange-red Cu 2 O precipitate

non-reducing disaccharide y – no color change

monosaccharides – fast course
 * Barfoed's|| reducing monosaccharides from reducing disaccharides|| acetic acid, copper acetate || they reduce Cu 2+ at higher temperatures to form a red-orange Cu 2 O precipitate
 * Barfoed's|| reducing monosaccharides from reducing disaccharides|| acetic acid, copper acetate || they reduce Cu 2+ at higher temperatures to form a red-orange Cu 2 O precipitate

disaccharides – slow progress
 * Lugol's|| starch|| polyiodide ions|| dark blue coloration
 * Lugol's|| starch|| polyiodide ions|| dark blue coloration


 * }

Redukující vlastnosti sacharidů můžeme prokázat díky jejich schopnosti redukovat ionty těžkých kovů (za vyšší teploty), které jsou vázané v komplexu. Na tomto principu jsou založeny Tollensova a Fehlingova reakce, případně Barfoedova a Benedictova zkouška (viz tabulka).

Redukují všechny monosacharidy (aldózy i ketózy). Ketózy v zásaditém prostředí izomerují na aldózy, které se mohou redukovat. Pozitivní reakci poskytují také disacharidy obsahující volný poloacetalový hydroxyl (laktóza, maltóza). Škrob téměř neredukuje, pouze jeho koncové glukózy obsahující poloacetal.

V medicíně používáme tyto zkoušky pro jednoduché vyšetření moči (např. při podezření na metabolickou poruchu sacharidů).

Estery
Vznikají reakcí sacharidu (-OH) s kyselinou. Nejdůležitější estery sacharidů v organismu jsou estery vzniklé reakcí s kyselinou trihydrogenfosforečnou (fosfáty). Mezi takové estery patří například glukóza-6-fosfát, fruktóza-6-fosfát, fruktóza-1,6-bisfosfát, které se účastní např. procesu glykolýzy. Fosforečné estery můžeme najít také v nukleotidech a nukleových kyselinách.

Aminoderiváty
Deriváty, které mají -OH skupinu na C-2 nahrazenou aminoskupinou, která bývá acetylovaná. Vzniká tak sloučenina N-acetylaminoderivát (amid kyseliny octové). Mezi nejdůležitější aminoderiváty řadíme N-acetyl-D-glukosamin a N-acetyl-D-galaktosamin, které jsou charakteristické pro heteropolysacharidy a glykolipidy.

Uronové kyseliny
Produkty oxidace hydroxylu na C-6. Mohou tak vytvářet sloučeniny – glykosiduronáty. Mezi uronové kyseliny řadíme např. kyselinu D-glukuronovou, která je typickou stavební složkou heteropolysacharidů. Dále má důležitou úlohu v detoxikačních reakcích v játrech.

Aldonové kyseliny
Vznikají oxidací aldehydové skupiny na C-1. Metabolicky významné aldonové kyseliny je kyselina D-glukonová, která vzniká jako metabolit oxidační části pentózového cyklu.

Aldioly
Také se nazývají cukerné alkoholy. Vznikají redukcí karbonylové skupiny sacharidu. D-glukóza i D-fruktóza umožňují vznik D-sorbitolu, který se využívá jako umělé sladidlo.

Disacharidy
300px|náhled|vpravo|O- a N- glykosidová vazba

Disacharidy jsou sacharidy, které vznikají kondenzací 2 monosacharidů za odštěpení vody. Jednotlivé jednotky jsou spojeny O- glykosidovými vazbami. Opačným dějem je hydrolýza. Disacharidy přijaté potravou jsou v trávicím systému štěpeny pomocí glykosyláz (např. maltáza, laktáza).

Zástupci disacharidů
Maltóza – disacharid složený ze dvou jednotek glukózy. Jedná se o redukující cukr (vazba: α 1,4). Maltózu získáme hydrolýzou škrobu.

Laktóza – disacharid složený z glukózy a galaktózy. Jedná se také o redukující cukr (vazba: β 1,4). Je obsažena v mléce savců (4.8 % kravské, 6 % lidské).

Sacharóza – disacharid složený z glukózy a fruktózy. Jedná se o neredukující cukr (vazby α, β 1,2), jelikož nemá volný poloacetal. Nejrozšířenější disacharid, který obsahují všechny rostliny (třtinový cukr).

náhled|450px|Disacharidy

Související články

 * Sacharidy (1. LF UK, NT)

Zdroje

 * https://el.lf1.cuni.cz/p9og07ou0x7/
 * https://el.lf1.cuni.cz/p9og07ou0x7/