تخليق الكربوهيدرات

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 7 صور
الموسوعة الحرة

يُعدّ تخليق الكربوهيدرات فرعًا من فروع الكيمياء العضوية، ويهتمّ بتكوين تراكيب كربوهيدراتية معقدة من وحدات بسيطة (السكريات الأحادية). يتضمن تكوين هذه التراكيب عادةً ربط السكريات الأحادية أو السكريات قليلة الوحدات بروابط جليكوسيدية، وهي عملية تُعرف باسم الجليكوزيل . لذا، من المهمّ بناء روابط جليكوسيدية ذات هندسة جزيئية مثالية (انتقائية فراغية) ورابطة مستقرة (انتقائية موضعية) في موقع التفاعل (المركز الأنوميري). [ 1 ]

آلية مبسطة لعملية الغلكزة

خلفية

يمكن تصنيف الكربوهيدرات عمومًا إلى مجموعتين رئيسيتين: السكريات الأحادية والكربوهيدرات المعقدة. السكريات الأحادية (وتُسمى أيضًا "السكريات البسيطة") هي أبسط الوحدات المكونة لأي كربوهيدرات؛ وأكثر السكريات الأحادية شيوعًا هي مركبات خماسية وسداسية الكربون مثل الجلوكوز والفركتوز والجلاكتوز . [ 2 ] أما الكربوهيدرات المعقدة فهي عبارة عن تراكيب من السكريات الأحادية المرتبطة معًا بروابط تُسمى الروابط الجليكوسيدية ، ويمكن تصنيف نواتج هذه الروابط وفقًا لحجمها. فمثلاً، ينتج عن ارتباط سكرين أحاديين معًا سكر ثنائي مثل اللاكتوز . وتُسمى السكريات قليلة الوحدات التي تتكون من ثلاث إلى عشر وحدات من السكريات الأحادية المرتبطة معًا بالسكريات قليلة الوحدات . أما السكريات التي يزيد حجمها عن عشر وحدات من السكريات الأحادية فتُسمى السكريات المتعددة ، وتشمل هذه الفئة الواسعة جزيئات كبيرة جدًا مثل النشا ، وهو بوليمر جلوكوز نباتي قد يحتوي على ملايين من بقايا الجلوكوز. [ 2 ]

يُعدّ تخليق الكربوهيدرات ذا أهمية بالغة لدراسة الكيمياء الحيوية وبعض أنواع الكيمياء التركيبية، إذ تلعب الكربوهيدرات أدوارًا حيوية في العديد من الأنظمة البيولوجية. في الطبيعة، تُصنّع السكريات الأحادية بيولوجيًا من مواد خام عبر عملية التمثيل الضوئي في النباتات وبعض بدائيات النوى، أو عن طريق استحداث الجلوكوز في الحيوانات. [ 2 ] كما توجد طرق مخبرية للتخليق الاصطناعي للسكريات الأحادية، مثل تخليق كيلياني-فيشر الذي يُتيح بناء جزيئات سكرية بسيطة كبيرة من جزيئات أحادية أصغر بشكل متسلسل. [ 3 ]

حتى الآن، لم تُطوَّر استراتيجية تركيبية موحدة لإنتاج السكريات قليلة الوحدات بشكلٍ متسق، وذلك بسبب الفروقات الدقيقة في التأثيرات الأنوميرية للوحدات الأحادية وتعقيد بنى الكربوهيدرات. [ 4 ] [ 5 ] وتُستخدم إجراءات سهلة، مثل التخليق في وعاء واحد والتخليق على الطور الصلب، مما يضمن اقتصادًا في استخدام الذرات . [ 6 ] [ 4 ] ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة إلى مزيد من التطوير في هذه الأساليب التركيبية، إذ لم يتم التحكم فيها أو أتمتتها بشكل كامل بعد. [ 6 ]

دلالة

الغليكوكونجوجات هي نتاج ارتباط السكريات قليلة الوحدات تساهميًا بجزيئات حيوية أخرى، مثل البروتينات والدهون. [ 7 ] وتؤدي هذه الغليكوكونجوجات أدوارًا أساسية في الأنشطة البيولوجية لخلايا الثدييات، بدءًا من توليد الطاقة وصولًا إلى الإشارات الخلوية. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] وتُعدّ هذه الغليكوكونجوجات، ذات البنية السكرية قليلة الوحدات القصيرة، مهمةً لتوصيفها وتنقيها خلال تطوير لقاحات الغليكوكونجوجات. [ 10 ] لذا، يُعدّ البحث في هندسة سلائف الغليكوزيل، التي تُنتج سكريات قليلة الوحدات ذات حجم مُتحكّم به، أمرًا بالغ الأهمية في تخليق الكربوهيدرات.

التخليق البيولوجي

مسار تحلل الجلوكوز

تبدأ الثدييات عملية تصنيع الكربوهيدرات باستخدام السكريات الأحادية، التي تنتج إما عن استحداث الجلوكوز أو عن تكسير الكربوهيدرات المعقدة. [ 11 ] يبدأ استحداث الجلوكوز بالبيروفات، الذي ينتج عن الأحماض الأمينية ألانين وألفا-كيتوغلوتارات. [ 12 ] لا تبدأ هذه العملية إلا عندما تقترب مخازن الجليكوجين من النفاد، وذلك بسبب ارتفاع تكلفة الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) اللازمة لتحويل البروتينات إلى أحماض أمينية. [ 12 ]

وعلى النقيض من ذلك، تخضع النباتات لدورة كالفن لتكوين الجلوكوز-3-فوسفات من ثاني أكسيد الكربون والماء في وجود الضوء؛ ويتحلل الفوسفات بسرعة إلى جلوكوز. [ 12 ]

مسار تحويل الجلوكوز إلى جليكوجين

يُتيح هضم الكربوهيدرات المعقدة إعادة بلمرة جزيئات الجلوكوز إلى شكل تتعرف عليه الإنزيمات. [ 12 ] في الثدييات، تتجمع جزيئات الجلوكوز لتكوين مخازن الجليكوجين أو الجليكوجينين. [ 12 ] تُعد إعادة تشكيل الكربوهيدرات ضرورية لتحويلها إلى أشكال يسهل نقلها إلى الخلايا ذات الاحتياجات العالية من الجلوكوز. [ 12 ]

تستخدم كل من الثدييات والنباتات نفس الآليات لتحويل الجلوكوز إلى كربوهيدرات معقدة؛ والفرق الوحيد يكمن في الإنزيمات المستخدمة لتحفيز هذه الآليات. تحتاج الثدييات إلى إنزيم سينثاز الجليكوجين والجليكوجينين لتخليق الجليكوجين . [ 12 ] أما النباتات فتُخَلِّق الأميلوز باستخدام إنزيم سينثاز النشا، والأميلوبكتين باستخدام إنزيمات تفرع النشا. [ 12 ]

تخليق السكريات قليلة الوحدات

تتميز السكريات قليلة الوحدات بتنوع بنيتها. فعدد السكريات الأحادية، وحجم الحلقة، والاختلافات في التكوين الفراغي للأنوميرات ، ووجود السكريات المتفرعة السلسلة، كلها عوامل تُسهم في هذا التعقيد المذهل لبنية السكريات قليلة الوحدات. ويكمن جوهر عملية اختزال السكريات قليلة الوحدات في ربط مجموعة الهيدروكسيل الأنوميرية في مانحات الغليكوزيل بمجموعات الهيدروكسيل الكحولية في مستقبلات الغليكوزيل . ويمكن ضمان التحكم في التوجيه الفراغي من خلال حماية مجموعات الهيدروكسيل في المستقبل مع ترك مجموعة الهيدروكسيل الكحولية المستهدفة غير محمية. إضافةً إلى ذلك، تؤثر عوامل أخرى، مثل مجموعات الحماية المختلفة، والمذيب، وطرق الغليكوزيل ، على نوع الأنومير المتكون.

لبنات البناء

تشمل المتبرعات الشائعة في تخليق السكريات قليلة الوحدات هاليدات الغليكوزيل ، وأسيتات الغليكوزيل، والثيوغليكوزيدات ، وثلاثي كلورو أسيتيميدات، وغليكوزيدات البنتينيل، والجليكالات . ومن بين هذه المتبرعات، تُعد هاليدات الغليكوزيل من المتبرعات الكلاسيكية، التي لعبت دورًا تاريخيًا في تطوير تفاعلات الغليكوزيل. ويُستخدم كل من الثيوغليكوزيد وثلاثي كلورو أسيتيميدات كمتبرعات أكثر من غيرهما في طرق الغليكوزيل الحديثة. ومن مزايا طريقة ثلاثي كلورو أسيتيميدات عدم الحاجة إلى استخدام كواشف المعادن الثقيلة في عملية التنشيط. علاوة على ذلك، يُمكن استخدام قواعد مختلفة للحصول على تكوينات أنوميرية مختلفة بشكل انتقائي (الشكل 2). أما بالنسبة للثيوغليكوزيدات، فتكمن أهم ميزاتها في قدرتها على توفير حماية مؤقتة للمركز الأنوميري، نظرًا لقدرتها على البقاء بعد معظم عمليات التنشيط. [ 13 ] بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام مجموعة متنوعة من طرق التنشيط، مثل NIS/AgOTf، وNIS/TfOH، وIDCP ( بيركلورات ثنائي كوليدين اليود )، واليود، وPh 2 SO/Tf 2 O. علاوة على ذلك، في تحضير الرابطة الجليكوسيدية 1،2-trans، يمكن أن يؤدي استخدام الثيوجليكوسيدات والإيميدات إلى تعزيز إعادة ترتيب المنتجات الثانوية للأورثوإستر، نظرًا لأن مخاليط التفاعل حمضية بدرجة كافية.

الانتقائية الفراغية

تلعب بنية المستقبلات دورًا حاسمًا في معدل وانتقائية التفاعلات الجليكوزيلية. عمومًا، تكون مجموعات الهيدروكسيل غير المحمية أقل تفاعلًا عندما تكون محصورة بين مجموعات حماية ضخمة. لهذا السبب، تكون مجموعة الهيدروكسيل عند OH-4 في البيرانوزيدات غير متفاعلة. يحدث فرط الاقتران عندما تكون OH-4 في وضع مضاد-مستوٍ بالنسبة لأكسجين الحلقة، مما قد يقلل أيضًا من تفاعليتها. (المخطط 3) علاوة على ذلك، يمكن لمجموعات الحماية الأسيلية أن تقلل من تفاعلية المستقبلات مقارنةً بمجموعات الحماية الألكيلية نظرًا لقدرتها على سحب الإلكترونات. وتُعد مجموعة الهيدروكسيل عند OH-4 في مشتقات N-أسيتيل جلوكوزامين غير متفاعلة بشكل خاص. [ 14 ]

تتكون الرابطة الجليكوسيدية من مانح جليكوزيل ومستقبل جليكوزيل. توجد أربعة أنواع من الروابط الجليكوسيدية: 1،2-ترانس-ألفا، و1،2-ترانس-بيتا، و1،2-سيس-ألفا، و1،2-سيس-بيتا. يمكن تكوين روابط 1،2-ترانس الجليكوسيدية بسهولة باستخدام مانحات جليكوزيل 2-O-أسيلية (مشاركة المجموعة المجاورة). ولمنع تراكم وسائط الأورثوإستر ، يجب أن تكون ظروف الجليكوزيل حمضية قليلاً.

روابط صعبة

عند ربط السكريات الأحادية، يجب أن تكون السكريات قليلة الوحدات مُختزلة لكي تتمكن من ربط وحدات الجليكوزيل بالتتابع. تُفضل السكريات الأحادية، بطبيعتها، روابط ألفا بسبب التأثير الأنوميري ، [ 1 ] لكن السكريات الثنائية ذات روابط ألفا غير مُختزلة، مما يُعطل الربط اللاحق للسكريات الأحادية. [ 15 ] ولجعل عملية الجليكوزيل مستمرة وآلية، يجب أن تحافظ روابط الجليكوسيد على شكل بيتا للحفاظ على البنية مفتوحة للربط مع المزيد من مجموعات الجليكوزيل.

يُعدّ تحضير روابط 1,2-cis-β-جليكوسيدية بشكل انتقائي فراغي أكثر صعوبة. عادةً، عند وجود مجموعات غير مشاركة في الموضع O-2، يمكن تحقيق رابطة 1,2-cis-β إما باستخدام طرق أيون الهاليد ذات الأهمية التاريخية ، أو باستخدام مانحات جليكوسيل 2-O-ألكيلية، والتي عادةً ما تكون ثيوجليكوسيدات أو ثلاثي كلورو أسيتيميدات، في مذيبات غير قطبية.

في أوائل التسعينيات، كان تكوين رابطة بيتا مانوسيد لا يزال يمثل تحديًا كبيرًا للهواة. إلا أن الطريقة التي قدمها ديفيد كريتش (المخطط 4)، والتي تتطلب حماية 4،6-بنزيليدين كشرط أساسي، وتعتبر ألفا تريفلات الأنوميرية وسيطًا رئيسيًا، حلت هذه المشكلة بشكل جوهري. أما طريقة توصيل الأغليكون داخل الجزيء (IAD) [ 16 ] ، التي طُورت بالتزامن مع هذه الطريقة ، فهي طريقة بديلة قليلة الاستخدام، ولكنها مع ذلك تتميز بالتخصص الفراغي.

انظر أيضاً

فيما يلي التفاعلات الشائعة لتكوين الرابطة الجليكوسيدية:

بعض طرق الحماية الشائعة هي كما يلي:

مراجع

  1. 1 2 تيواري، فينود كومار (26 أكتوبر 2023). استراتيجيات التخليق في كيمياء الكربوهيدرات (  الطبعة الأولى). إلسيفير. الصفحات 3-7 . ISBN  978-0-323-98649-6.
  2. 1 2 3 برات، شارلوت دبليو؛ كورنيلي، كاثلين (2014). الكيمياء الحيوية الأساسية ( الطبعة الثالثة). هوبوكين، نيوجيرسي: وايلي. ISBN  978-1-118-08350-5.
  3. ↑ باريك، أرون؛ باريك، هانسا؛ باريك، خياتي (2006). تفاعلات التسمية في التخليق العضوي . نيودلهي: مؤسسة الكتب. ISBN 978-81-7596-829-5.
  4. 1 2 سيبرغر، بيتر هـ.؛ ويرز، دانيال ب. (أبريل 2007). "تخليق وتطبيقات طبية للسكريات قليلة الوحدات" . مجلة نيتشر . 446 (7139): 1046-1051 . Bibcode : 2007Natur.446.1046S . doi : 10.1038/nature05819 . ISSN 1476-4687 . PMID 17460666 .  
  5. ↑ بولتجي، توماس جيه؛ بوسكاس، تيريز؛ بونز، جيرت-يان (1 نوفمبر 2009). "الفرص والتحديات في أبحاث السكريات قليلة الوحدات الاصطناعية والمركبات السكرية" . مجلة نيتشر للكيمياء . 1 (8): 611-622 . Bibcode : 2009NatCh...1..611B . doi : 10.1038/nchem.399 . ISSN 1755-4330 . PMC 2794050. PMID 20161474 .   
  6. 1 2 شو، هان؛ شين، باوكسينغ؛ تشياو، مينغ؛ لينهاردت، روبرت جيه؛ تشانغ، شينغ (15 أبريل 2021). "التطورات الحديثة في التخليق أحادي الخطوة لتجميع السكريات المتعددة والسكريات المقترنة والسكريات المتعددة ذات الحجم المُتحكم به". بوليمرات الكربوهيدرات . 258 117672. doi : 10.1016/j.carbpol.2021.117672 . ISSN 1879-1344 . PMID 33593549 .  
  7. 1 2 شيفاتاري، ساشين س.؛ شيفاتاري، فيديا س.؛ وونغ، تشي-هوي (26-10-2022). "الجليكوكونجوجيت: التخليق، والدراسات الوظيفية، والتطورات العلاجية" . مراجعات كيميائية . 122 (20): 15603-15671 . doi : 10.1021/acs.chemrev.1c01032 . ISSN 0009-2665 . PMC 9674437. PMID 36174107 .   
  8. ↑ شانديل، نافديب س. (يناير 2021). "استقلاب الكربوهيدرات" . مجلة كولد سبرينغ هاربور لوجهات نظر في علم الأحياء . 13 (1) a040568. doi : 10.1101/cshperspect.a040568 . ISSN 1943-0264 . PMC 7778149. PMID 33397651 .   
  9. ^ دانييل إي. ليفي وبيتر فوجيدي. الكيمياء العضوية للسكريات . تايلور وفرانسيس: 2006 ، ص 181-197
  10. ↑ ستيفانيتي، جوزيبي؛ ماكلينان، كالمان ألكسندر؛ ميكولي، فرانشيسكا (29-09-2022). "تأثير حجم السكر والتحكم فيه في لقاحات الجليكوكونجوجات" . مجلة Molecules . 27 (19): 6432. doi : 10.3390/molecules27196432 . ISSN 1420-3049 . PMC 9572008. PMID 36234967 .   
  11. ↑ برات، شارلوت دبليو؛ كورنيلي، كاثلين (2014). الكيمياء الحيوية الأساسية ( الطبعة الثالثة). هوبوكين، نيوجيرسي: وايلي. ISBN  978-1-118-08350-5.
  12. 1 2 3 4 5 6 7 8 نيلسون، د.ل.، وكوكس، م.م. (2017). مبادئ لينينجر في الكيمياء الحيوية (الطبعة السابعة). دبليو إتش فريمان وسابلينج ليرنينج، 1636-1638، 1671-1675.{{cite book}}: مفقود أو فارغ |title=( مساعدة ) صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط ) صيانة CS1: أسماء رقمية: قائمة المؤلفين ( رابط )
  13. ↑ روبرت ف. ستيك؛ الكربوهيدرات: جزيئات الحياة الحلوة ؛ دار النشر الأكاديمية؛ 2001 ، الصفحات 113-177
  14. ^ كريش، د.؛ دودكين في جيه آم. الكيمياء. شركة نفط الجنوب. 2001 , 123 , 6819-6825
  15. ↑ شارما، ألوك؛ فيجايان، مامانامانا (يناير 2011). "تأثير الرابطة الجليكوسيدية على طبيعة ارتباط الكربوهيدرات في الليكتينات ذات الطي β-prism I: دراسة بالأشعة السينية وديناميكيات جزيئية على معقدات الليكتين-الكربوهيدرات في الموز". علم الأحياء السكرية . 21 (1): 23-33 . doi : 10.1093/glycob/cwq128 . PMID 20729346 . 
  16. ↑ غاريغ، بي جيه، كيمتراكس - الكيمياء العضوية ، 1992 ، 5 ، 389
  • شعار ويكيميديا ​​كومنزوسائط متعلقة بتخليق الكربوهيدرات على ويكيميديا ​​كومنز