חד-סוכר

חד-סוכר או סוכר פשוט (באנגלית: monosaccharide, מונוסכריד) הוא סוג פחמימה הבסיסי ביותר. החד סוכר מכיל קבוצה קרבונילית אחת בלבד, ולכן הוא לא ניתן לפירוק לתתי סוכרים. כמו כן, חד-הסוכרים מהווים את אבני הבניין של כל שאר הפחמימות. זאת מכיוון שכל שאר הפחמימות הן פולימרים אשר חד סוכרים הם המונומרים שלהם. רוב חדי הסוכרים בטבע מיוצרים מפחמן דו-חמצני ומים בתהליך הפוטוסינתזה.

 מבנה 
ממוזער|היטל פישר של הסוכר ריבוז. ניתן לראות את הקבוצה הקרבונילית על פחמן מספר אחת, המהווה קבוצת אלדהיד. לכן ריבוז הוא אלדוזה. בנוסף לזאת הוא מכיל חמישה פחמנים ולכן הוא מסווג כפנטוז. כמו כן ההידרוקסיל הרחוק ביותר מן הפחמן הראשון הוא בצד שמאל תחת היטל פישר ולכן הריבוז הוא מסוג L.
מבנה סכמטי של חד סוכר הוא שרשרת של אטומי פחמן, עליה מחוברים כמה קבוצות פונקציונליות של הידרוקסילים, וכן חמצן בקשר כפול המהווה קבוצה קרבונילית. במקרה הבסיסי כל פחמן שאינו קשור לקבוצה הקרבונילית יהיה מחובר לשני הפחמנים שלידו, למימן ולקבוצת הידרוקסיל. סוכר פשוט זה יענה על הנוסחה הכימית: CH2O)n). במקרים יותר מסובכים ייתכנו מודיפיקציות על הסוכר הכוללות קבוצות זרחה, חנקנים, קבוצות גופרית ועוד. תכונה של מבנה המולקולה החד סוכרית היא שכל פחמן המכיל קבוצה הידרוקסילית, פרט לפחמן הראשון ולפחמן האחרון, הוא פחמן כיראלי. לכן עבור אותו מבנה בסיסי של סוכר ייתכנו מספר איזומרים שונים. לדוגמה, הסוכרים גלוקוז וגלקטוז הם בעלי מבנה זהה, אך סידור הקשרים במרחב שונה, מה שמוביל גם לתכונות כימיות וביולוגיות שונות בתכלית.

 סיווג חד סוכרים 

על מנת לסווג את החד סוכרים לקבוצות, נהוגות כמה מוסכמות בתחום. ראשית, מספור הפחמנים מתחיל מהקצה הקרוב ביותר לקשר הכפול. שנית, לכל הסוכרים מלבד dihydroxyacetone יש לפחות מרכז כיראלי אחד. כמו כן מספר הסטריאואיזומרים משתנה בהתאם למספר הפחמנים הכיראלים. כאשר למולקולה יש  מרכזים כיראלים אזי ניתן להראת מתמטית כי יהיה לה  סטריואיזומרים.

בנתינת שמות למולקולה, התייחסות מקובלת היא למרכז הכיראלי הכי רחוק מן הקבוצה הפונקציונלית. כאשר מציגים את הסוכר בהיטל פישר, אם ההידרוקסיל נמצא בצד ימין אומרים שהמולקולה היא בקונפיגורציית D, אחרת נאמר שהיא בקונפיגורצית L. נוסף לכך, מולקולות אשר נבדלות זו מזו רק בכיווניות של מרכז כיראלי בודד יקראו אפימרים אחת של השנייה.

 קטוזות ואלדוזות 
חלוקה נוספת בין הסוכרים היא לפי מיקום הקשר הכפול במולקולה. אם הקשר הכפול ממוקם בקצה השרשרת הפחמנית, אזי החד סוכר הוא בעל קבוצת אלדהיד. סוכר זה ישתייך לקבוצת האלדוזות. אך אם הקשר הכפול ממוקם לא על אחד הקצוות, אזי קבוצת הקרבוניל היא הופכת את המולקולה לקטון, ועל כן הסוכר ישתייך לקבוצת הקטוזות.

 משפחות של סוכרים 
מלבד מיקום הקשר הכפול על השרשרת הפחמנית, נחלקים הסוכרים גם לפי מספר הפחמנים על השרשרת. טריוז הוא סוכר פשוט המכיל 3 פחמנים, טטרוז 4, פנטוז 5, הקסוז 6 והפטוז 7.כאשר חד-הסוכרים הם בעלי מבנה טבעתי, אם הטבעת מחומשת היא תקרא פוראנז, ואם הטבעת משושה היא תקרא פיראנוז.

תכונות פיזיקליות
לאפימרים ודיאסטריומרים שונים תכונות פיזיקליות שונות המתבטאות בתכונות כמו נקודת התכה וקבועי מסיסות. עם זאת כל החד-סוכרים, בדומה לדו-סוכרים, הם מתוקים, מסיסים במים, מתגבשים וצבעם לבן.

 כימיה של חד-סוכרים 
הקבוצות הפונקציונליות קטון ואלדהיד נוטות להגיב עם אלכוהול ביחס של 1:1 כדי לצור המיקטאל והמיאצטל בהתאמה, בהליך זה נוצר גם מרכז כיראלי חדש על הפחמן הקרבונילי. כמו כן התמרה עם אלכוהול נוסף יוצרת קטאל ואצטל, וכאשר האלכוהול השני הוא סוכר הקשר החדש שנוצר נקרא קשר גלקוזידי. קבוצות ה-OH שעל הסוכרים נוטות להתנהג ככוהלים חופשיים, ולהגיב או עם סוכרים אחרים, או עם קבוצת הקרבוניל של אותו הסוכר אליו הן שייכות. כתוצאה מכך תגובות נפוצות של סוכרים הן ציקליזציה, כאשר יש קבוצת OH שמגיבה עם הקרבוניל בתוך הסוכר, ופולימרזיציה כאשר קבוצת OH אחת מגיבה עם קרבוניל של סוכר אחר. תכונה נוספת של קבוצות ה-OH היא נטייתן להיקשר בקשרי מימן עם מולקולות מים. תכונה זו גורמת לסוכרים להיות עטופים בשכבה של מולקולת מים סביבם. דבר המקנה להם את היכולת לאגור מים, וגם להוות חומר סיכוך.

 ציקליזציה של חד-סוכרים 
לטריוזות וטטרוזות מבנה של שרשרת ישרה, זאת כיוון שסגירה לטבעת תגרור זווית קטנה בין כל זוג פחמנים, זווית זו תגרום למתח זוויתי במולקולה ולכן היא לא תועדף אנרגטית. עם זאת, חד סוכרים גדולים יותר - בעלי 5 פחמנים או יותר, מצויים לרוב במבנה ציקלי, טבעתי.

 תהליך התגובה 
הריאקציה שמתרחשת בעת סגירת סוכר ליניארי לטבעת היא תקיפה נוקלאופילית. הקשר הכפול בין החמצן לפחמן מקוטב, ועל הפחמן נמצא מטען חלקי חיובי. בריאקציה קבוצת קרבוקסיל על השרשרת הפחמנית משמשת כנוקלאופיל, ותוקפת את הפחמן הקרבונילי שמשמש כאלקטרופיל. בתקיפה נוצר קשר חדש שהופך את הפחמן הקרבונילי לכיראלי, פחמן זה נקרא גם הפחמן האנומרי של הסוכר.

התקיפה הנוקלאופילית יכולה להגיע גם מעל מישור הטבעת וגם מתחתיה, ולכן נוצרים שני אפימרים. כיוון שהאפימרים הם שונים בפחמן האנומרי, ניתן לומר שהמולקולות הם אנומרים אחד של השני. לאחר סגירת הטבעת הפחמן המותקף כבר לא קרבונילי יותר, אלא הוא הפך להיות חלק מקבוצת המי-אצטל, אם החל כאלדהיד, או המי-קטאל, אם התחיל כקטון. המוסכמה היא שכאשר ההידרוקסיל נמצא מתחת למישור הטבעת הפחמן האנומרי יסומן באות , וכאשר ההידרוקסיל מעל מישור הטבעת הפחמן האנומרי יסומן באות . החלפה בין קונפורמציית  לקונפורמציית  מוטרואציה (mutarotation). החלפה זו מתאפשרת לאחר חזרה למצב הליניארי של הסוכר, ולכן על הטבעת להיפתח על מנת לעבור מוטרוטציה. כמו כן כתלות בהידרוקסיל התוקף מספר הפחמנים המרכיבים את הטבעת הסופית משתנה.

 קונפורמרים של סוכר 

 פולימריזציה של חד סוכרים 
ממוזער|350x350 פיקסלים|לקטוז (Gal(1→4)Glc) הוא דו סוכר המורכב מגלקטוז וגלוקוז. הקשר הגליקוזידי במולקולה זו הוא מסוג (4→1).
מולקולות של חד סוכרים נקשרים זה לזה באמצעות תגובת דחיסה. בריאקציה נוצר קשר O-גליקוזידי (O-glycosidic bond) בין פחמן אנומרי של טבעת אחת לבין קבוצת ההידרוקסיל של הטבעת השנייה וגם משתחררת מולקולת מים. כאשר הפחמן האנומרי המשתתף בתגובה הוא חלק מקבוצת המי-אצטל תוצר הריאקציה יהיה אצטל, באותו האופן כאשר הוא מתחיל כחלק מקבוצת המי-קטאל התוצר יהיה קטאל.

כאשר באים לתת שם למולקולה הנוצרת בתגובה מוסכמת תבנית אוניברסלית:

ראשית מציינים את שם הסוכר שהפחמן האנומרי שלו משתתף בקשר יחד עם. בסוגרים רושמים את מספרו הפחמן האנומרי סוג הקונפורמציה בה הוא נמצא ( או ), חץ ימינה, ואז את מספרו של הפחמן עליו נמצאת מולקולת ההידרוקסיל. ולבסוף את שם הסוכר השני בקשר.

 סוכרים מחזרים 
כאשר הסוכר נמצא במצבו הפתוח, הפחמן הקרבונילי שלו מסוגל להתחמצן. כאשר חדי סוכרים עוברים דימריזציה, לעיתים הפחמן הקרבונילי של שני הסוכרים משתתף ביצירת הקשר ה-O גליקוזידי. במקרה זה לא יהיה הסוכר יכול לחזר כיוון שהוא לא יוכל להיפתח למצב ליניארי. היכולת של סוכרים לחזר משמשת בבדיקות אנליטיות של כמות הסוכרים בתמיסה.

 חד סוכרים בביולוגיה 
בביולוגיה לחד סוכרים כמה תפקידים מרכזיים אשר ניתן לחלק אותם לשלוש קבוצות עיקריות: מבנה, תקשורת ואגירה והפקת אנרגיה.

מבחינה מבנית החד סוכרים משמשים כחומר מוצא למולקולות ביולוגיות חשובות. לדוגמה בכל חומצת גרעין יש בסיס סוכרי של חד סוכר בשם ריבוז. כמו כן, לסוכרים תפקיד חשוב בתהליך קיפול חלבונים למבנה שלישוני. נמצא כי כאשר סוכרים מסוימים לא נקשרים לחלבונים בתהליך הקיפול, החלבונים מתפרקים או מתקפלים בצורה פגומה. בנוסף אלמנטים מבניים רבים בחיידקים ובצמחים, אך גם בחיות, בנויים מפולימרים של חד סוכרים כגון, תאית וכיטין.

מבחינה אנרגטית חד סוכרים רבים עוברים פולימריזציה לרב סוכרים ומשמשים לאגירת אנרגיה בתא, אחת משתי המולקולות האורגניות הנפוצות בטבע היא העמילן, ביופולימר המשמש צמחים לאגירת אנרגיה. כמו כן התאים יודעים להפיק אנרגיה באמצעות פירוק חד סוכרים בתהליך הגליקוליזה, וכאשר התאים שייכים ליצורים אווירנים, תהליך הפקת האנרגיה ימשיך באמצעות מעגל קרבס וזרחון חמצוני.

נוסף לכך הסוכרים משמשים להעברת אותות תוך תאיים ובין התאים והסביבה, לעיתים האות יועבר באמצעות הצמדה (מודיפיקציה) של סוכרים לחלבונים וליפידים ולפעמים על ידי היקשרות לרצפטורים. למשל: החד סוכר פרוקטוז 2,6 ביספוספט משפיע על אנזים מרכזי בתהליך הגליקוליזה בשם PFK-1, ובכך מווסת את המטבוליזם של התא.

 עיכול של חד סוכרים באדם 

 קטבוליזם של חד סוכרים 

 חד-סוכרים נפוצים 
טריוזות: גליצראלדהיד (glyceraldehyde), דיהידרוקסיאצטון (dihydroxyacetone)
טטרוזות: אריתרוז טראוז (erythrose treose)
פנוטוזות: ליקסוז (lyxose), ריבוז (ribose), דיאוקסיריבוז (dioxyribose)
הקסוזות: אידוז (idose), גלוקוז (glucose), פרוקטוז (fructose), גלקטוז (galactose)
הפטוזות: סדוהפטולוז (sedoheptulose)

 דרכי זיהוי (אינדיקטור) 
ניתן לזהות את חד-הסוכר גלוקוז במים בעזרת מקלונים לזיהוי גלוקוז (clinistix), ולאחר כמה שניות קצה המקלון יהפוך מצהוב לירוק כהה בנוכחות גלוקוז. דרך נוספת היא בעזרת תמיסת בנדיקט, תמיסה זו תהפוך את הנוזל הממיס את הגלוקוז מתכלת שקוף לכתום עכור לאחר כמה שניות עד דקות.

ראו גם
תגובת פרידל-קרפטס
קשר כימי
גליקוליזה
גלוקונאוגנזה
היטל פישר

 לקריאה נוספת 
Lehninger, A. L., Nelson, D. L., Cox, M. M., & Cox, M. M. (2005). Lehninger principles of biochemistry. Macmillan.

קישורים חיצוניים



 הערות שוליים 

*