חד-סוכר

חד-סוכר (monosaccharide, מונוסכריד) הוא סוג הפחמימה הפשוט ביותר. הוא מכיל קבוצה קרבונילית אחת בלבד (קשר כפול של חמצן לפחמן) ולכן לא ניתן לפרק אותו לסוכרים פשוטים יותר. חד-סוכרים הם אבני הבניין של שאר הפחמימות, כי פולימרים של פחמימות בנויים ממונומרים של חד-סוכרים. רוב החד-סוכרים בטבע מיוצרים מפחמן דו-חמצני ומים בפוטוסינתזה.

המבנה הבסיסי הוא שרשרת פחמנים שעליה קבוצות הידרוקסיל (, OH) וקבוצת קרבוניל (C=O). ברוב המקרים כל אטום פחמן פנימי קשור לשני פחמנים סמוכים, למימן ול, OH. בנוסחה הכללית מציגים זאת לעתים כ‑(CH2O)n. במולקולות מסויימות יש מודיפיקציות, כמו קבוצות זרחה או חנקן.

פחמן כיראלי (פחמן כיראלי = פחמן המחובר לארבע קבוצות שונות) הוא שכיח בחד-סוכרים. מספר מרכזי הכיראליות קובע כמה סטריאואיזומרים אפשריים. כך גלוקוז וגלקטוז בעלי אותה שרשרת, אך סידור שונה במרחב נותן להם תכונות כימיות וביולוגיות שונות.

מספר הפחמנים נקבע מהקצה הקרוב ביותר לקבוצה הקרבונילית. בסוכרים פרט ל‑dihydroxyacetone יש לפחות מרכז כיראלי אחד. ההיטל בפישר (Fischer) משמש לקבוע קונפיגורציה: אם ה‑OH על המרכז הכי רחוק מהקרבוניל בצד ימין קוראים D, אחרת L. מולקולות שונות בהיפוך כיראלי בודד נקראות אפימרים.

חלוקה חשובה היא לפי מיקום הקבוצה הקרבונילית. אם היא בקצה השרשרת זו קבוצת אלדהיד והסוכר נקרא אלדוז. אם היא במרכז השרשרת זו קבוצת קטון והסוכר נקרא קטוז.

מבדילים לפי מספר פחמנים: טריוז (3), טטרוז (4), פנטוז (5), הקסוז (6) ופטוז (7). סוכרים עם טבעות חמש או שש אטומי פחמן קרויים בהתאמה פוראנוז (חמישיתי) ופיראנוז (ששיתי).

חד-סוכרים בדרך כלל מתוקים, מסיסים במים, מתגבשים וצבעם לבן. אפימרים ודיאסטריומרים יכולים להראות הבדלים בנקודת הפשרת ובמסיסות.

הקבוצה הקרבונילית נוטה להיגרר לתגובות עם אלכוהול. תגובה 1:1 יוצרת מי‑אצטל או מי‑קטאל (חצי‑אצטל/חצי‑קטאל), והוספת אלכוהול נוסף נותנת אצטל או קטאל. כאשר האלכוהול השני הוא סוכר נוצר קשר גלקוזידי (קשר O‑גליקוזידי). קבוצות ה‑OH יוצרות קשרי מימן מול מים, מה שהופך סוכרים למימיים ולסוככים.

סוכרים קצרים מאוד (טריוזות וטטרוזות) נשארים בדרך כלל בשרשרת פתוחה. סוכרים בעלי חמישה פחמנים ויותר נוטים להיסגר לטבעת, כלומר לצורת פוראנוז או פיראנוז.

סגירת השרשרת לטבעת מתרחשת על ידי תקיפה נוקלאופילית (נוקלאופיל = קבוצת תוקפת שמביאה זוג אלקטרונים). קבוצת ה‑OH בתוך השרשרת תוקפת את הפחמן הקרבונילי, וכך נוצר פחמן אנומרי חדש (הופך לכיראלי). מסוגלים להיווצר שני אנומרים (α ו‑β) בגלל התקיפה משני הכיוונים. החלפת α ל‑β נקראת מוטורציה (mutarotation) ודורשת פתיחת הטבעת חזרה.

(מקוצר) חד-סוכרים יכולים לקבל צורות מרחביות שונות (קונפורמציות) שמשפיעות על יציבותם ועל התגובות שלהם.

חד-סוכרים מתחברים זה לזה בתגובת דחיסה (הולכת ויצירה של קשר O‑גליקוזידי ושחרור מים). אם הפחמן האנומרי משתתף בתגובה הוא כבר לא יכול להיפתח והסוכרים המתקבלים לא יהיו מחזרים.

דוגמה: דו‑סוכר שמורכב מגלקטוז וגלוקוז מחובר בקשר β(1→4).

כאשר סוכר יכול לחזור לצורה ליניארית, הקבוצה הקרבונילית שלו יכולה להתחמצן, ולכן הוא מוגדר כסוכר מחזר (reducing sugar). בדיקות כמו בנדיקט מנצלות יכולת זו כדי לזהות סוכרים.

לחד-סוכרים שלושה תפקידים עיקריים: מבנה, איתות ואגירת/הפקת אנרגיה.

מבנית: חד-סוכרים נכנסים לבניית מולקולות חשובות, למשל ריבוז בבניית חומצות גרעין. פולימרים של סוכרים בונים רכיבים מבניים בתאים, כמו תאית וכיטין.

אנרגטית: חד-סוכרים עוברים פולימריזציה לאגירת אנרגיה, למשל עמילן בצמחים. לתאים מפורק גלוקוז במעגלי מטבוליזם כמו גליקוליזה, מעגל קרבס וזרחון חמצוני ליצירת אנרגיה.

איתות: סוכרים מצורפים לחלבונים ולליפידים כדי לשנות את הפעילות שלהם. לדוגמה פרוקטוז‑2,6‑ביספוספט משפיע על האנזים המרכזי PFK‑1 בגליקוליזה.

סוכרים מפורקים בתהליכים מטבוליים בתא, כגון גליקוליזה, שמפרקת חד-סוכרים ומשחררת אנרגיה. בתאים אירוביים התהליך ממשיך במעגל קרבס ובזרחון חמצוני.

(ראו גם: גליקוליזה ומעגל קרבס) חד-סוכרים עוברים מסלולים שמפרקים אותם ליצירת ATP, המטבע האנרגטי של התא.

דוגמאות שנזכרו: גלוקוז, גלקטוז, פרוקטוז, ודיהידרוקסיאצטון.

ניתן לזהות גלוקוז במים עם מקלוני Clinistix, הקצה משנה צבע בתוך שניות. בדיקת בנדיקט גם מזהה סוכרים מחזרים; הצבע של התמיסה משתנה כתוצאה מחמצון הסוכר.

חד-סוכר הוא הסוכר הפשוט ביותר. אין בו אפשרות לפרק אותו לסוכר קטן יותר. חד-סוכרים בונים את כל שאר הסוכרים.

חד-סוכר הוא שרשרת של פחמנים עם קבוצות, OH (הידרוקסיל). יש בו גם מקום עם חמצן בקשר כפול, שקוראים לו קבוצת קרבוניל.

אם הקבוצה הקרבוניל בקצה הסוכר הוא אלדהיד. קוראים לסוכר כזה אלדוז. אם הקבוצה באמצע הוא קטון, קוראים לו קטוז.

סוכרים נקראים לפי כמה פחמנים יש להם: 3, 4, 5, 6 או 7. סוכר עם 5 או 6 פחמנים יכול ליצור טבעת.

כל החד-סוכרים בדרך כלל מתוקים, נמסים במים ומופיעים כגבישים לבנים.

קבוצות ה‑OH יכולות להגיב ולייצר קשרים בין סוכרים. קשר כזה נקרא קשר גלקוזידי. כשקבוצות ה‑OH נקשרות למים, הסוכר סופח מים.

סוכרים גדולים (5 פחמנים ומעלה) נוטים לסגור טבעת. סוכרים קצרים נשארים פתוחים.

ביצירת הטבעת קבוצת OH תוקפת את הקבוצה הקרבוניל והופכת פחמן לאנומרי. יש שתי אפשרויות ליצירת האנומר הזה, שמכונים α ו‑β.

סוכרים מתחברים זה לזה בתגובת דחיסה. נוצרת מולקולת מים וקשר O‑גליקוזידי.

אם סוכר יכול לחזור לצורתו הפתוחה, הוא יכול להחמצן. זה שימושי בבדיקות כמו בנדיקט כדי לזהות סוכר.

חד-סוכרים חשובים בשלושה דברים: מבנה, אנרגיה ואיתות.

מבנה: ריבוז, סוכר פשוט, נמצא בחומר התורשתי. גם תאית וכיטין הם פולימרים של סוכרים.

אנרגיה: צמחים מאחסנים סוכרים כעמילן. יצורים מפרקים גלוקוז בתהליכים שמייצרים אנרגיה.

איתות: סוכרים יכולים להתחבר לחלבונים ולשנות את התנהגותם.

דוגמאות: גלוקוז, גלקטוז, פרוקטוז ודיהידרוקסיאצטון.

מקלוני Clinistix משנים צבע בנוכחות גלוקוז. תמיסת בנדיקט משנה צבע כשיש סוכר מחזר.