Monosaccharid (von Griechisch: einzeln, sacchar: Zucker) sind die grundlegendsten Einheiten biologisch wichtiger Kohlenhydrate. Sie sind die einfachste Form von Zucker und sind gewöhnlich farblose, wasserlösliche, kristallene Festkörper. Ein Monosaccharid hat einen süßen Geschmack. Beispiele des Monosaccharids schließen Traubenzucker (Dextrose), fructose (levulose), galactose, xylose und ribose ein. Monosaccharid ist die Bausteine von disaccharides wie Rohrzucker und Polysaccharid (wie Zellulose und Stärke). Weiter ist jedes Kohlenstoff-Atom, das eine hydroxyl Gruppe unterstützt (abgesehen von vor allen Dingen) chiral, mehrere isomere Formen alle mit derselben chemischen Formel verursachend. Zum Beispiel sind galactose und Traubenzucker sowohl aldohexoses, aber haben verschiedene Chemikalie als auch physikalische Eigenschaften.

Struktur und Nomenklatur

Mit wenigen Ausnahmen (z.B, deoxyribose), hat Monosaccharid die chemische Formel C (HO), wo x mindestens 3 ist. Monosaccharid kann durch die Nummer x von Kohlenstoff-Atomen klassifiziert werden, die sie enthalten: diose (2) triose (3) tetrose (4), pentose (5), hexose (6), heptose (7), und so weiter.

Das wichtigste Monosaccharid, Traubenzucker, ist ein hexose. Beispiele von heptoses schließen den ketoses mannoheptulose und sedoheptulose ein. Das Monosaccharid mit acht oder mehr Kohlenstoff wird selten beobachtet, weil sie ziemlich nicht stabil sind.

Monosaccharid der geradlinigen Kette

Einfaches Monosaccharid hat ein geradliniges und unverzweigtes Kohlenstoffgerüst mit einem carbonyl (C=O) funktionelle Gruppe und Gruppe der einer hydroxyl (OH) auf jedem der restlichen Kohlenstoff-Atome. Deshalb kann die molekulare Struktur eines einfachen Monosaccharids als H (CHOH) (C=O) (CHOH) H, wo n+1+m = x geschrieben werden; so dass seine elementare Formel CHO ist.

Durch die Tagung werden die Kohlenstoff-Atome von 1 bis x entlang dem Rückgrat numeriert, vom Ende anfangend, das an der C=O Gruppe am nächsten ist.

Wenn der carbonyl an der Position 1 ist (d. h. n oder M Null ist), beginnt das Molekül mit einer formyl Gruppe H (C=O) - und ist technisch ein Aldehyd. In diesem Fall wird die Zusammensetzung ein aldose genannt. Sonst hat das Molekül eine keto Gruppe, einen carbonyl - (C=O) - zwischen zwei Kohlenstoff; dann ist es formell ein ketone, und wird ein ketose genannt. Ketoses vom biologischen Interesse haben gewöhnlich den carbonyl an der Position 2.

Die verschiedenen Klassifikationen können oben verbunden werden, auf Namen wie "aldohexose" und "ketotriose" hinauslaufend.

Eine allgemeinere Nomenklatur für das offene Kettenmonosaccharid verbindet ein griechisches Präfix, um die Zahl von Kohlenstoff (tri-, tetr-, pent-, Hexe - usw.), mit den Nachsilben '-ose' für aldoses und '-ulose' für ketoses anzuzeigen. Im letzten Fall, wenn der carbonyl nicht an der Position 2 ist, wird seine Position durch ein numerisches Infix angezeigt. Also, zum Beispiel H (C=O) (CHOH) ist H pentose, H (CHOH) (C=O) (CHOH) ist H pentulose, und H (CHOH) (C=O) (CHOH) H ist pent-3-ulose.

Offene Kette stereoisomers

Zwei Monosaccharid mit gleichwertigen molekularen Graphen (dieselbe Kettenlänge und dieselbe carbonyl Position) kann noch verschiedener stereoisomers sein, dessen sich Moleküle in der dreidimensionalen Einordnung der Obligationen von bestimmten Atomen unterscheiden. Das geschieht nur, wenn das Molekül ein stereogenic Zentrum, spezifisch ein Kohlenstoff-Atom enthält, das chiral (verbunden mit vier verschiedenen molekularen Unterbauten) ist. Jene vier Obligationen können einige von zwei Konfigurationen im durch ihre Händigkeit bemerkenswerten Raum haben. In einem einfachen Monosaccharid der offenen Kette ist jeder Kohlenstoff chiral außer dem ersten und den letzten Atomen der Kette, und (in ketoses) der Kohlenstoff mit der keto Gruppe.

Zum Beispiel hat der triketose H (CHOH) (C=O) (CHOH) H (glycerone, dihydroxyacetone) kein stereogenic Zentrum, und besteht deshalb als ein einzelner stereoisomer. Der andere triose, der aldose H (C=O) (CHOH) H (glyceraldehyde), hat einen chiral Kohlenstoff — den zentralen, Nummer 2 — der zu Gruppen-H, - OH,-C (OH) H, und - (C=O) H verpfändet wird. Deshalb besteht es als zwei stereoisomers, deren Moleküle Spiegelimages von einander (wie ein linker und ein richtiger Handschuh) sind. Das Monosaccharid mit vier oder mehr Kohlenstoff kann vielfachen chiral Kohlenstoff enthalten, so haben sie normalerweise mehr als zwei stereoisomers. Die Zahl von verschiedenem stereoisomers mit demselben Diagramm wird durch 2 begrenzt, wo c die Zahl von chiral Kohlenstoff ist.

Der Vorsprung von Fischer ist eine systematische Weise, die Skelettformel eines acyclic Monosaccharids zu ziehen, so dass die Händigkeit jedes chiral Kohlenstoff gut angegeben wird. Jeder stereoisomer eines einfachen Monosaccharids der offenen Kette kann durch die Positionen (Recht identifiziert oder verlassen werden) im Diagramm von Fischer des chiral hydroxyls (der hydroxyls, der dem chiral Kohlenstoff beigefügt ist).

Die meisten stereoisomers sind selbst chiral (verschieden von ihren Spiegelimages). Im Vorsprung von Fischer unterscheidet sich zwei Spiegelimage isomers, indem es die Positionen des ganzen chiral hydroxyls umgekehrtes Recht-zu-link gehabt wird. Spiegelimage isomers ist in non-chiral Umgebungen chemisch identisch, aber hat gewöhnlich sehr verschiedene biochemische Eigenschaften und Ereignisse in der Natur.

Während der grösste Teil von stereoisomers in Paaren von Spiegelimage-Formen eingeordnet werden kann, gibt es einen non-chiral stereoisomers, die zu ihren Spiegelimages identisch sind, trotz, chiral Zentren zu haben. Das geschieht, wann auch immer der molekulare Graph, als im 3-ketopentoses H (CHOH) (CO) (CHOH) H symmetrisch ist, und die zwei Hälften Spiegelimages von einander sind. In diesem Fall ist das Widerspiegeln zu einer Halbumdrehungsfolge gleichwertig. Deshalb gibt es nur drei verschiedene 3-ketopentose stereoisomers, wenn auch das Molekül zwei chiral Kohlenstoff hat.

Verschiedene stereoisomers, die nicht Spiegelimages von einander gewöhnlich sind, haben verschiedene chamical Eigenschaften sogar in non-chiral Umgebungen. Deshalb kann jedem Spiegelpaar und jedem non-chiral stereoisomer einen spezifischen Monosaccharid-Namen gegeben werden. Zum Beispiel gibt es 16 verschiedene aldohexose stereoisomers, aber der Name "Traubenzucker" bedeutet ein spezifisches Paar des Spiegelimages aldohexoses. Im Vorsprung von Fischer hat einer vom zwei Traubenzucker isomers den hydroxyl am linken auf C3, und an direkt auf C4 und C5; während der andere isomer das umgekehrte Muster hat. Diese spezifischen Monosaccharid-Namen haben herkömmliche dreistellige Abkürzungen, wie 'Glu' für Traubenzucker und 'Thr' für threose.

Allgemein hat ein Monosaccharid mit N asymmetrischem Kohlenstoff 2^N stereoisomers.

Die Zahl der offenen Kette stereoisomers für ein Monosaccharid von Aldose, ist durch 1 größer als dieses eines Monosaccharids von Ketose derselben Länge.

Jeder Ketose wird 2^ (n-3) stereoisomers haben, wo n> 2 die Zahl von Kohlenstoff ist.

Jeder Aldose wird 2^ (n-2) stereoisomers haben, wo n> 2 die Zahl von Kohlenstoff ist.

Die D/L Nomenklatur

Wie viele chiral Moleküle werden die zwei stereoisomers von glyceraldehyde die Polarisationsrichtung des geradlinig polarisierten Lichtes allmählich rotieren lassen, weil es es sogar in der Lösung durchführt. Die zwei stereoisomers werden mit den Präfixen '-' und '-'gemäß dem Sinn der Folge identifiziert:-Glyceraldehyde ist dextrorotary (lässt die Polarisationsachse im Uhrzeigersinn rotieren), während-glyceraldehyde levorotary ist (lässt es gegen den Uhrzeigersinn rotieren).

Der '-' und '-' Präfixe werden auch mit anderem Monosaccharid verwendet, um zwei besondere stereoisomers zu unterscheiden, die Spiegelimages von einander sind. Für diesen Zweck denkt man den chiral Kohlenstoff, der weiter von der C=O Gruppe entfernt wird. Seine vier Obligationen müssen zu-H, - OH,-C (OH) H, und der Rest des Moleküls in Verbindung stehen. Wenn das Molekül im Raum rotieren gelassen werden kann, so dass die Richtungen jener vier Gruppen diejenigen der analogen Gruppen im C2 von-glyceraldehyde vergleichen, dann erhält der isomer den '-' Präfix. Sonst erhält es den '-' Präfix.

Im Vorsprung von Fischer, der '-' und '-' Präfixe gibt die Konfiguration am Kohlenstoff-Atom an, das vom Boden zweit ist: '-', wenn der hydroxyl rechts, und '-ist', wenn es auf der linken Seite ist.

Bemerken Sie, dass der '-' und '-' Präfixe die Richtung der Folge des polarisierten Lichtes nicht anzeigen, das eine vereinigte Wirkung der Einordnung an allen chiral Zentren ist. Jedoch werden die zwei isomers immer das Licht in entgegengesetzten Richtungen an derselben Rate rotieren lassen.

Zyklischer isomers

Ein Monosaccharid schaltet häufig vom acyclic (offene Kette) Form zu einer zyklischen Form, durch eine nucleophilic Hinzufügungsreaktion zwischen der carbonyl Gruppe und einem der hydroxyls desselben Moleküls. Die Reaktion schafft einen Ring von durch ein Überbrücken-Sauerstoff-Atom geschlossenen Kohlenstoff-Atomen. Das resultierende Molekül hat einen hemiacetal oder hemiketal Gruppe je nachdem, ob die geradlinige Form ein aldose oder ein ketose war. Die Reaktion wird leicht umgekehrt, die ursprüngliche Form der offenen Kette nachgebend.

In diesen zyklischen Formen hat der Ring gewöhnlich 5 oder 6 Atome. Diese Formen werden furanoses und pyranoses, beziehungsweise — analog mit furan und pyran, den einfachsten Zusammensetzungen mit demselben Ring des Kohlenstoff-Sauerstoffes genannt (obwohl sie an den Doppelbindungen dieser zwei Moleküle Mangel haben). Zum Beispiel kann der aldohexose Traubenzucker eine hemiacetal Verbindung zwischen dem hydroxyl auf Kohlenstoff 1 und dem Sauerstoff auf Kohlenstoff 4 bilden, ein Molekül mit einem 5-membered Ring, genannt glucofuranose nachgebend. Dieselbe Reaktion kann zwischen Kohlenstoff 1 und 5 stattfinden, um ein Molekül mit einem 6-membered Ring, genannt glucopyranose zu bilden. Zyklische Formen mit einem 7-Atome-Ring (die dieselben von oxepane), selten gestoßen, werden septanoses genannt.

Für vieles Monosaccharid (einschließlich Traubenzuckers) herrschen die zyklischen Formen im festen Zustand und in Lösungen vor, und deshalb wird derselbe Name allgemein für das offene - und geschlossene Kette isomers verwendet. So, zum Beispiel, kann der Begriff "Traubenzucker" glucofuranose, glucopyranose, die Form der offenen Kette oder eine Mischung der drei bedeuten.

Cyclization schafft ein neues stereogenic Zentrum am carbonyl-tragenden Kohlenstoff - OH Gruppe, die den Sauerstoff des carbonyl ersetzt, kann in zwei verschiedenen Positionen hinsichtlich des midplane des Rings enden. So gibt jedes Monosaccharid der offenen Kette zwei zyklische isomers (anomers), angezeigt durch die Präfixe 'α-' und 'β-nach '. Das Molekül kann sich zwischen diesen zwei Formen durch genannten mutarotation eines Prozesses ändern, der in einer Umkehrung der ringbildenden von einer anderen Ringbildung gefolgten Reaktion besteht.

Vorsprung von Haworth

Die dreidimensionale Struktur Monosaccharid in der zyklischen Form wird gewöhnlich durch seinen Vorsprung von Haworth vertreten. In diesem Diagramm hat der α-isomer OH - des anomeric Kohlenstoff unter dem Flugzeug der Kohlenstoff-Atome, und der β-isomer hat OH - des anomeric Kohlenstoff über dem Flugzeug. Pyranoses nehmen normalerweise eine Stuhlangleichung an, die cyclohexane ähnlich ist. In dieser Angleichung hat der α-isomer OH - des anomeric Kohlenstoff in einer axialen Position, wohingegen der β-isomer OH - des anomeric Kohlenstoff in der äquatorialen Position hat.

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Ableitungen

Eine Vielzahl des biologisch wichtigen modifizierten Monosaccharids besteht:

• Zucker von Amino wie:
• Galactosamine
• Glucosamine
• Säure von Sialic
• N-Acetylglucosamine
• Sulfosugars wie:
• Sulfoquinovose

Siehe auch

• Pyranose
• Furanose
• Traubenzucker
• Monosaccharid-Nomenklatur
• Disaccharides
• Oligosaccharide
• Polysaccharid
• Zuckersäure
• Zuckeralkohol
• Das Reduzieren von Zucker
• McMurry, John. Organische Chemie. 7. Hrsg. Belmont, CA: Bäche/Kohl von Thomson, 2008. Druck.

Links

• Nomenklatur von Kohlenhydraten