Acyl Group Migration in Carbohydrates : Migration within the saccharide unit and across the glycosidic linkage

Abstract

Carbohydrates fulfill many biological roles in nature, all from giving cells their structure to cell signaling. Hemicelluloses form a group of polysaccharides found mostly in plant cells. These polysaccharides help to maintain the properties and functions of cell walls. Hemicelluloses can be further divided into mannans, xylans and glucans, depending on the main carbohydrate in the backbone. A common feature of the backbone is the β-(1→4)-linkages between the main carbohydrate units. Branches are also common in hemicelluloses, usually consisting of carbohydrates other than the main one. Many hemicelluloses can be partially acetylated in nature and the acetyl groups are often crucial for the biological activity of the polysaccharides. Acyl group migration is a phenomenon that can cause problems in synthesis, isolation, and purification of compounds. It was Fischer that first observed the migration in carbohydrates. The migration can take place in any compound with hydroxyl groups sufficiently close to each other but is most prominent in carbohydrates because of the close proximity of the hydroxyl groups. The migration has mostly been studied in monosaccharides and the migration in oligo- and polysaccharides has mostly been side notes in other studies. Many hemicelluloses are naturally acetylated and considering that the acetyl groups are used to regulate biological activity in nature, migration could be a method to enhance or suppress cell signaling and other biological activities. This thesis explores the acyl group migration in monosaccharides as well as model compounds of hemicelluloses. A comprehensive investigation into the acyl group migration in monosaccharides has been performed. Furthermore, it is demonstrated that the acetyl group can migrate between two saccharide units in trisaccharide model compounds, towards the reducing end, from a secondary to the primary position. It is also demonstrated that the migration can take place in large polysaccharides. With the help of experimental evidence and computational calculations, a mechanism is proposed where the pH of the buffer and the pKas of the hydroxyl groups have a significant role.

Kolhydrater uppfyller många roller i naturen, allt från att ge celler deras struktur till cellsignalering. Hemicellulosa är en grupp polysackarider, som förekommer främst i växtceller. Hemicellulosor hjälper cellväggarna att upprätthålla sina egenskaper och funktioner. Hemicellulosor kan delas in i mannaner, glukaner och xylaner, beroende på den mest förekommande kolhydraten i huvudkedjan, som består främst av β-(1→4)-kopplingar. Sidokedjor är vanliga och består främst av andra kolhydrater än huvudkolhydraten. Många hemicellulosor kan vara naturligt acetylerade och acetylgrupperna är viktiga för den biologiska aktiviteten hemicellulosor har. Acylgruppsmigrationen är ett fenomen som ställer till med problem i syntes, isolering och rening av ämnen. Första beskrivningen av migrationen i kolhydrater gjordes av Fischer. Så länge hydroxylgrupper är nära varandra kan migrationen ske i vilka ämnen som helst, men migrationen observeras mest i kolhydrater på grund av att de innehåller flera hydroxylgrupper som är nära varandra. Migrationen har huvudsakligen studerats i monosackarider medan migration i oligo- och polysackarider har mestadels varit en bisak i andra studier. Migrationen kunde vara ett sätt att reglera cellsignalering och andra biologiska aktiviteter eftersom många hemicellulosor innehåller acetylgrupper, samt att acetylgrupper används för att reglera biologiska aktiviteter. Denna avhandling utforskar acetylgruppsmigrationen i detalj i monosackarider, men också modellförningar baserade på hemicellulosor. En utförlig studie på acetylgruppsmigration i monosackarider har gjorts för att ge en bättre helhetsbild. Avhandlingen påvisar även att acetylgrupper kan migrera från en sackaridenhet till en annan, mot den reducerande ändan, och även migrationen i en naturlig polysackarid, GGM, har undersökts. Med hjälp av experimentella metoder och databeräkningar har en mekanism för migrationen föreslagits, där buffertens pH och hydroxylgruppernas pKa har en central roll för migrationshastigheten.