Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
1 монета
doc

Студенческий документ № 045703 из МГМСУ им. А. И. Евдокимова

ГЛАВА I. УГЛЕВОДЫ

Углеводы относятся к числу наиболее распространенных в природе органических соединений. В биосфере углеводов содержится больше, чем всех других органических соединений вместе взятых. В растениях углеводы составляют до 80% от общей массы, в животных организмах их доля не превышает 2%. Среди них встречаются как относительно простые соединения, так и гигантские макромолекулы (полимеры), молекулярная масса которых может достигать нескольких миллионов. Наиболее распространены D-глюкоза и ее полисахариды ? целлюлоза и крахмал.

Наряду с нуклеиновыми кислотами и белками, углеводы являются важнейшими компонентами, участвующими практически во всех процессах, которые протекают в живых организмах. Основными функциями углеводов в биологических системах являются энергетическая и структурная. Действительно, углеводы играют центральную роль в накоплении, хранении и транспорте энергии во всех живых организмах, а появление в природе опорных конструкций на основе полисахаридов (древесина растений или панцири членистоногих) произошло задолго до появления скелетов на основе фосфата кальция. Помимо этих функций, сложные олигосахариды используются для специфического межклеточного узнавания, а

D-рибоза и D-дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот (РНК и ДНК) ? хранителей и переносчиков наследственной информации. Некоторые углеводы и их производные являются лекарственными средствами, например, антибиотиками.

Запасы углеводов в виде гликогена в организме человека составляют 2% от общей массы. Основная масса его (2/3) находится в мышцах, 1/3 ? в печени. В крови содержится 100-110 мг глюкозы и от ее концентрации зависит осмотическое давление крови. Хронический дефицит углеводов приводит к истощению запасов гликогена в печени и отложению жира в ее клетках. Это может вызвать так называемое жировое перерождение печени и нарушение ее функций.

Таким образом, для того, чтобы понимать характер процессов, протекающих в живой природе в целом и в организме человека в частности и целенаправленно влиять на них, борясь с инфекциями и заболеваниями, необходимо знать и развивать химию углеводов.

Классификация углеводов

Углеводы (сахариды) ? общее название обширного класса природных органических соединений, содержащих неразветвленную цепь из нескольких атомов углерода, карбонильную группу а также несколько гидроксильных групп. Иными словами, это полиоксикар-бонильные соединения, которые описываются брутто-формулой Cx(H2O)y, и их производные.

Простейшими представителями углеводов являются моносахари-ды (от греч. monos: единственный; sacchar: сахар), отвечающие формуле (CH2O)x, где x = 3 ? 9.

В зависимости от числа остатков моносахаридов в молекуле углеводы делятся на моно-, олиго- и полисахариды. Полисахариды, в свою очередь, делятся на гомополисахариды, состоящие из остатков одного и того же моносахарида и гетерополисахариды, состоящие из остатков различных моносахаридов. Отдельную группу составляют углеводсодержащие смешанные биополимеры. Классификацию углеводов можно представить в виде схемы:

Схема 1. Классификация моносахаридов.

1. Моносахариды.

Среди моносахаридов наиболее распространены полиоксиаль-дегиды (альдозы) и полиоксикетоны (кетозы). К моносахаридам также относят их производные, содержащие иные функциональные группы (карбоксильную, тиольную, аминогруппу и др.), а также отличающиеся другими особенностями строения (табл. 1).

Таблица. 1. Некоторые типы моносахаридов и их производные.

Альдозы Кетозы Полиолы Альдоновые кислоты Альдаровые кислоты Уроновые кислоты Дезоксисахара Аминосахара 1.1. Альдозы и кетозы.

В неразветвленной цепи моносахаридов обычно содержится от трех до шести атомов углерода, вследствие чего они делятся соответственно на триозы, тетрозы, пентозы и гексозы.

Простейшие моносахариды ? это трехуглеродные глицериновый альдегид (альдотриоза) и диоксиацетон (кетотриоза):

С учетом природы оксогруппы и длины углеродной цепи моносахариды подразделяются на производные глицеринового альдегида (альдотетрозы, альдопентозы и т. д. по мере удлинения цепи) и диоксиацетона (кетотетрозы, кетопентозы и т.д.).

Низшие представители альдоз и кетоз ? бесцветные жидкости, напоминающие сироп. Остальные представляют собой бесцветные кристаллические вещества, большинство из них обладают сладким вкусом. Они хорошо растворяются в воде, хуже ? в спирте, и практически нерастворимы в неполярных растворителях (эфир, гексан, CCl4 и др.). Водные растворы альдоз и кетоз имеют нейтраль-ную реакцию среды.

Широко распространенная глюкоза C6H12O6 является альдогек-созой и по номенклатурным правилам ИЮПАК называется 2,3,4,5,6-пентагидроксигексаналь. Однако на практике международная номен-клатура в химии углеводов не употребляется. Причиной тому является большое число оптических изомеров, соответствующих одной структурной формуле.

1.1.1. Стереоизомерия углеводов.

Стереоизомерия или оптическая изомерия является одним из видов пространственной изомерии. Она обусловлена наличием хиральных центров и проявляется в способности некоторых соединений вращать плоскость поляризованного луча света в разные стороны. Наиболее распространенным хиральным центром является асимметрический атом углерода, т. е. углеродный атом, связанный с четырьмя различными заместителями. При наличии одного асиммет-рического атома углерода молекула может существовать в виде двух изомеров, относящихся друг к другу как несимметричный предмет к своему отражению:

Заместители A и B располагаются перед плоскостью рисунка,

а D и E ? за ней.

Все хиральные молекулы обладают оптической активностью ? способностью отклонять плоско-поляризованный свет вправо

((+)-форма) или влево ((?)-форма). В справочниках удельную величину вращения обозначают [?]. Например, D-глюкоза в природе встречается в виде правовращающего изомера , а

D-фруктоза ? в виде левовращающего: .

Знак вращения или абсолютная конфигурация определяется методом рентгеноструктурного анализа и помимо природы самого хирального соединения может зависеть от природы растворителя, температуры и др.

Общее число оптических изомеров равно 2n, где n ? число асимметрических атомов (хиральных центров).

Среди оптических изомеров различают:

1) Энантиомеры ? пространственные изомеры, молекулы которых являются несовместимыми зеркальными антиподами.

Энантиомеры имеют одинаковые физические и химические свойства, но отличаются по оптической и биологической активности*.

Например:

Смесь энантиомеров в соотношении 1:1 оптической активностью не обладает и называется рацемической.

*Довольно редко асимметрия молекул двух оптических изомеров проявляется в образуемых ими кристаллах. Благодаря этому свойству Л. Пастер (1848) открыл явление оптической изомерии: он обнаружил два типа кристаллов соли винной кислоты, различающихся окраской, и разделил их при помощи пинцета.

2) Эпимеры ? пространственные изомеры, молекулы которых различаются конфигурацией заместителей у одного асимметричес-кого атома углерода.

Эпимеры отличаются по физическим и химическим свойствам.

Например, в ряду альдопентоз D-рибоза и D-арабиноза являются эпимерами по 2-му атому углерода:

В ряду альдогексоз эпимерами по 2-му атому углерода являются

D-глюкоза и D-манноза:

3) Диастереомеры ? пространственные изомеры, молекулы которых различаются конфигурацией заместителей у двух и более асимметрических атомов углерода.

Диастереомеры также отличаются по физическим и химическим свойствам.

Например, в ряду альдогексоз D-галактоза и D-манноза являются диастереомерами по 2-му и по 4-му атомам углерода:

Асимметрия молекул приводит к тому, что низшие моносахариды трудно кристаллизуются. Действительно, для включения молекулы в кристаллическую решетку требуется ее единственная конфигурация, а в рацемической смеси присутствует набор по-разному ориентиро-ванных молекул.

1.1.2. Относительная конфигурация и построение формул Фишера. D- и L-ряды.

Вещества, имеющие родственную конфигурацию у асимметри-ческого атома, принято классифицировать по принципу стереохими-ческих рядов (D- и L-ряды). Такая классификация успешно приме-няется для углеводов и ?-аминокислот.

Для оксикарбонильных соединений в качестве конфигурацион-ного стандарта используют глицериновый альдегид. Это соединение имеет 1 хиральный центр (атом С-2, обозначен *):

Общее число его оптических изомеров равно: N = 2n = 21 = 2.

Для представления оптических изомеров используют формулы (проекции) Фишера:

Построение фишеровских проекций проводят следующим образом:

1) формулу соединения проецируют на плоскость таким образом, чтобы цепь углеродных атомов располагалась вертикально;

2) С-атом с наименьшим порядковым номером (входящий в состав старшей функциональной группы) должен быть вверху;

3) два заместителя у асимметрического атома углерода должны располагаться слева и справа.

Если OH-группа находится справа, то это D-изомер, если слева ? L-изомер. При этом символы D и L не имеют никакого отношения к знаку вращения, т. е. возможны случаи D (+) и D (?), а также L (+) и L (?).

При увеличении числа асимметрических атомов каждый из них рассматривается независимо и обладает D- или L-конфигурацией в соответствии с расположением связанной с ним гидроксильной группой. Моносахарид относят к D-ряду, если наиболее удаленный от альдегидного асимметрический атом углерода имеет D-конфигу-рацию.

D-, L-система обозначений не очень удобна, так как она касается только одного из возможных хиральных центров. Для более подробного описания конфигурации асимметрических атомов используют R-, S-систему обозначений.

По номенклатуре ИЮПАК с учетом R-, S- системы обозначений D-глюкозу:

называют 2R, 3S, 4R, 5R-пентагидроксигексаналь.

В этой связи чаще используют тривиальные названия моносахаридов, отражающие строго определенное расположение заместителей у хиральных центров.

От глицеринового альдегида путем наращивания углеродного скелета происходит семейство альдоз. На рис. 1 приведены альдозы D-ряда, родоначальником которых является D-глицериновый альдегид.

Для перехода от моносахарида D-ряда к L-ряду необходимо изменить конфигурацию всех асимметрических атомов на противопо-ложную:

Простейшим представителем кетоз, имеющих хиральный центр, является кетотетроза (тетрулоза), у которой есть 2 оптических изомера: D- и L-эритрулоза (по тривиальной номенклатуре). От них происходят семейства D- и L-кетоз. Семейство D-кетоз приведено на рис. 2. На практике из них чаще всего встречается D-фруктоза.

Подавляющее большинство природных моносахаридов принадлежит к D-ряду. Например, живые организмы не "узнают" и не умеют перерабатывать L-глюкозу. Так, дрожжевые клетки могут вырабатывать спирт только из D-глюкозы, тогда как L-глюкоза спиртовому брожению не подвергается. В то же время имеются примеры, когда более распространенными в природе оказываются L-изомеры. Например, в растениях чаще встречается L-арабиноза, а

D-арабиноза обнаружена только в некоторых видах бактерий.

1.1.3. Циклические формы. Построение проекций Хеуорса.

При помощи проекций Фишера изображаются, в основном, моносахариды, имеющие открытое, незамкнутое строение. Однако моносахариды могут иметь и циклическое строение. Причиной образования циклических форм является возможность пространст-венного сближения двух функциональных групп молекулы моносаха-рида: карбонильной и гидроксильной. Действительно, карбонильный атом углерода имеет частичный положительный заряд (?+) и является объектом нуклеофильной атаки. Атом кислорода гидроксильной группы имеет неподеленную электронную пару и проявляет свойства нуклеофила.

Рис. 1. Семейство D-альдоз.

Рис. 2. Семейство D-кетоз.

В результате этого взаимодействия в водном растворе моносаха-рида происходит разрыв связи С = О и образуется циклический полуацеталь:

Отметим, что далеко не все гидроксильные группы моносахарида могут участвовать в образовании циклического полуацеталя. Это связано с тем, что образующийся полуацеталь должен быть термодинамически устойчив, а наиболее устойчивы, как известно, пяти- и шестичленные циклы. В альдогексозе такие циклы могут образовываться только с участием гидроксильных групп у С-4 и С-5. Остальные OH-группы устойчивых циклов с С-1 не образуют. Отсюда следует, что существовать в виде циклических форм могут только моносахариды, содержащие четыре и более атомов углерода в цепи. Триозы и тетрулозы циклических структур не образуют и в водном растворе существуют только в виде открытой формы.

Пятичленные циклы называют фуранозами, шестичленные ? пиранозами. Названия происходят от соответствующих гетеро-циклов ? фурана и пирана:

Образующуюся в результате циклизации OH-группу у атома С-1 называют полуацетальной или гликозидной. Сам атом С-1 приобретает свойства хирального центра, что приводит к появлению двух дополнительных оптических изомеров, называемых аномерами. У ?-аномера гликозидная OH-группа расположена по одну сторону с гидроксильной группой, определяющей принадлежность моносахари-да к стереохимическому ряду, у ?-аномера они находятся по разные стороны. Появление аномеров обусловлено свободным вращением заместителей вокруг связи С1-С2, что позволяет осуществлять нуклеофильную атаку как сверху, так и снизу по отношению к плоскости расположения альдегидной группы. Таким образом, реакция нуклеофильного взаимодействия гидроксильной и альдегид-ной групп не является стереоселективной.

В проекциях Фишера это выглядит следующим образом:

Благодаря наличию в молекуле моносахарида других хиральных центров, ?- и ?-аномеры по отношению друг к другу являются диастереомерами и, как следствие, различаются по физико-химичес-ким характеристикам. Так, ?-аномер D-глюкозы имеет температуру плавления 1460С, а ?-аномер плавится при 1500С.

Использование проекций Фишера для описания строения циклических форм не очень удобно, так как они не отражают в полной мере геометрию цикла. Пространственное строение циклических форм принято описывать при помощи формул Хеуорса.

Переход от проекционных формул Фишера к формулам Хеуорса осуществляется по следующим правилам:

1. В формуле Фишера производится четное число перестановок заместителей у атома углерода, чья гидроксильная группа участвует в образовании циклического полуацеталя. Перестановка осущест-вляется таким образом, чтобы данная OH-группа располагалась на одной вертикали с карбонильной группой и находилась внизу.

Например, в образовании пиранозного цикла D-глюкозы участвует OH-группа при С-5. Осуществляем две перестановки и записываем циклическую форму в проекции Фишера:

Аналогичным образом поступаем в случае образования фуранозного цикла. Теперь в образовании цикла участвует OH-группа при С-4:

2. В зависимости от структуры цикла берется соответствующая "заготовка":

для пиранозного цикла для фуранозного цикла Все заместители, находящиеся в фишеровской проекции справа от линии углеродной цепи, располагаются под плоскостью цикла; соответственно заместители, находящиеся слева ? над плоскостью.

Отметим, что у пиранозных форм моносахаридов D-ряда группа ?CH2OH всегда располагается над плоскостью цикла. У ?-аномеров гликозидная OH-группа располагается под плоскостью цикла, а у

?-аномера ? над плоскостью.

Названия циклических форм строятся следующим образом: сначала указывают положение полуацетального гидроксила (?- или

?-), затем принадлежность сахарида к стереохимическому ряду

(D- или L-), далее в корень тривиального названия сахарида вставляют смысловую часть названия цикла (-фуран- или -пиран-), заканчивая название суффиксом -оза.

В случаях, когда аномеризация не уточняется или речь идет о равновесной смеси аномеров, положение гликозидной группы обозначается волнистой линией:

1.1.4. Таутомерия моносахаридов. Мутаротация.

Фуранозные и пиранозные циклы, а также ?- и ?-аномеры обладают различной термодинамической устойчивостью. Однако в растворе моносахариды существуют как в открытой форме, так и во всех возможных циклических формах. Соотношение этих форм зависит от строения открытой формы моносахарида, природы растворителя и других факторов. В целом пиранозные циклы более устойчивы, чем фуранозные, а в полярных растворителях более устойчивы ?-аномеры благодаря экваториальной конформации замес-тителей (подробнее см. Н. А. Тюкавкина, Ю. И. Бауков. Биооргани-ческая химия, М.: Дрофа, 2006, с. 380).

Таким образом, в водном растворе возможны взаимные превраще-ния фуранозных циклов в пиранозные, а ?-аномеров в ?-аномеры и наоборот. Такое динамическое равновесие между открытой и цикли-ческими формами моносахарида называется цикло-оксо-таутомери-ей. Взаимопревращение ?- и ?-аномеров называется аномеризацией.

Внешним проявлением этого процесса является постепенное изменение угла оптического вращения раствора до достижения равно-весного значения. Изменение угла вращения плоскости поляризован-ного света в растворе моносахарида называется мутаротацией.

1.2. Химические свойства альдоз и кетоз.

Альдозы и кетозы представляют собой полифункциональные соединения и вступают в реакции, характерные для гидроксильной и карбонильной групп. При этом следует учитывать, что конфигурация заместителей у асимметрических атомов каждого моносахарида является строго определенной и проведение того или иного превращения должно осуществляться стереоспецифично.

1.2.1. Реакции по гидроксильной группе.

1.2.1.1. Образование сахаратов.

Углеродная цепь любого моносахарида содержит большое число OH-групп, обладающих электроноакцепторными свойствами. По этой причине гидроксильные группы в молекулах моносахаридов обла-дают большей кислотностью по сравнению со спиртами. В результате моносахариды могут образовывать алкоголяты (сахараты) не только с щелочными и щелочноземельными металлами, но и с их гидрокси-дами:

Как и все многоатомные спирты, реагируя в щелочной среде с гидроксидом меди (II), глюкоза дает интенсивное синее окрашивание:

Эта реакция используется как качественная для доказательства наличия в структуре моносахаридов двух и более гидроксильных групп, способных образовывать с катионами металлов внутрикомп-лексные соединения в виде пяти- или шестичленных циклов.

1.2.1.2. Образование простых эфиров.

Если через раствор D-глюкозы в метаноле пропустить газообразный HCl, то в результате нуклеофильного замещения гликозидной OH-группы на алкоксильную группу образуется циклический ацеталь, который называется гликозид:

Связь между атомом С-1 и группой -OR (где R ? алкильный радикал или фрагмент моносахарида) называется гликозидной.

Остальные OH-группы в реакции не участвуют. Это означает, что гликозидный гидроксил отличается по своим свойствам от других гидроксильных групп моносахарида. Он легко замещается на другие нуклеофилы, в результате чего образуются различные производные углеводов по С-1: простые и сложные эфиры, галогениды и др.

Отметим также, что нуклеофильной атаке подвергается атом С-1, который является хиральным центром. В отсутствии специфических условий протекания реакции (например, ферментативного катализа) это неизбежно приводит к образованию рацемической смеси, в данном состоящей из двух аномеров.

В названии гликозида указываются алкильный заместитель (например, метил-), аномер (?- или ?-), моносахарид (например, глюко-) и циклическая форма (пирано- или фурано-), суффикс -оза заменяется на -озид.

В отсутствие свободной полуацетальной OH-группы переход в открытую форму невозможен. Следовательно, гликозиды не способны к цикло-оксо-таутомерии и их растворы не мутаротируют.

В более жестких условиях в реакцию вступают все гидроксиль-ные группы углевода:

В этом случае также образуется смесь из двух аномеров. В названии указываются сначала алкильный фрагмент циклического полуацеталя (метил-), затем положение и число и вид других алкильных замести-телей (2,3,4,6,-тетра-O-метил), аномер (?- или ?-), моносахарид (галакто-), циклическая форма (пирано- или фурано-) и добавляется суффикс -озид.

Простые эфиры не гидролизуются в слабокислой и щелочной средах. В то же время ацетали легко гидролизуются при кипячении с кислотой:

В результате кислотного гидролиза образуется полуацеталь, способный к аномеризации, и раствор такого сахарида мутаротирует.

К щелочному гидролизу большинство гликозидов устойчиво.

1.2.1.3. Образование сложных эфиров.

Моносахариды легко вступают в реакцию этерификации с ангидридами карбоновых кислот. Так, действием избытка уксусного ангидрида получают ацетатные производные моносахаридов, при этом в реакции участвуют все гидроксильные группы:

где Ac ? COCH3.

Сложные эфиры моносахаридов легко гидролизуются и в кислой, и в щелочной средах. Это объясняется тем, что сложноэфирная связь менее устойчива к гидролизу по сравнению с простой эфирной связью.

Среди сложноэфирных производных моносахаридов наибольшее значение имеют фосфаты (сложные эфиры фосфорной кислоты):

Фотосинтез углеводов, брожение и другие биологические процессы, в основе которых лежат превращения моносахаридов, в действительности осуществляются с участием их фосфатов. Так, при гидролизе гликогена, который в организме осуществляется при помощи фермента фосфорилазы, глюкоза отщепляется в виде

1-фосфата. 6-фосфат глюкозы образуется в биологических условиях при ее фосфорилировании аденозинтрифосфорной кислотой (АТФ).

Эфиры моносахаридов и серной кислоты (сульфаты) являются структурными компонентами полисахаридов соединительной ткани (хондроитинсульфаты, гепарин).

1.2.2. Реакции по карбонильной группе.

1.2.2.1. Удлинение и укорачивание цепи моносахарида.

Несмотря на то, что в смеси таутомерных форм равновесие сдвинуто в сторону образования циклических форм, в растворе моносахарида присутствует некоторое количество ациклической (открытой) формы, что позволяет ему вступать в реакции, характерные для альдегидов и кетонов. Так, при взаимодействии сахаридов с гидроксиламином образуется смесь оксимов циклических и ациклических форм. При действии на них уксусного ангидрида одновременно происходят ацетилирование и дегидратация с образо-ванием нитрила. Обработка полученного нитрила метилатом натрия приводит к дезацетилированию и отщеплению молекулы HCN:

Таким способом углеродная цепь альдозы укорачивается на один атом углерода.

Удлинение углеродной цепи можно осуществить циангидринным методом. Взаимодействие альдозы с цианидом натрия приводит к образованию смеси двух изомерных нитрилов, которые легко гидро-лизуются в альдоновые кислоты. Последние при восстановлении амальгамой натрия дают альдозы:

Отметим, что в обоих случаях конфигурация хиральных центров, не участвующих в превращениях, сохраняется.

1.2.3. Реакции окисления-восстановления.

При восстановлении альдегидной или кето-группы моносахари-дов образуются многоатомные спирты. Восстановление проводят водородом в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pd, Pt):

Альдозы образуют один полиол, кетозы дают смесь двух стерео-изомеров. Так, из D-фруктозы образуются D-сорбит и D-маннит:

Несложно видеть, что эти спирты могут быть получены восстановлением D-глюкозы и D-маннозы соответственно.

Названия таких спиртов оканчиваются на -ит. Они представляют собой кристаллические вещества, хорошо растворяются в воде, обладают сладким вкусом и используются как заменители сахара при сахарном диабете (ксилит, сорбит). Восстановление моносахаридов также может осуществляться при помощи ферментов.

Окисление моносахаридов играет большую роль в химии углеводов. В зависимости от условий реакции окисления могут приводить к образованию различных продуктов.

В щелочной среде моносахариды при нагревании окисляются реактивами Толленса, Бенедикта и Фелинга. Окисление в щелочной среде, как правило, приводит к разрушению молекулы моносахарида, поэтому эти реакции используются только для их качественного обнаружения. Принцип действия реактивов основан на восстановлении катионов Ag+ (реактив Толленса) и Cu2+ (реактивы Бенедикта и Фелинга), что сопровождается образованием характерных осадков Ag и Cu2О (красно-кирпичного цвета):

Реактивы Толленса, Бенедикта и Фелинга используются в биохимических лабораториях как тесты для обнаружения альдоз и кетоз в биологических жидкостях (крови, моче). Гликозиды в такие реакции не вступают.

Окисление в нейтральной или кислой среде позволяет сохранить углеродный скелет. Окисление в мягких условиях, например, бромной водой, позволяет окислить карбонильную группу до карбоксильной, не затрагивая гидроксильные группы. Образующиеся при этом кислоты называют альдоновыми.

При окислении D-глюкозы бромной водой образуется D-глюко-новая кислота. Ее кальциевая соль (глюконат кальция) используется в медицине.

Использование сильного окислителя, например, разбавленной азотной кислоты, позволяет окислить обе концевые группы ? карбо-нильную и первичную спиртовую до карбоксильных. Образующиеся при этом кислоты называют альдаровыми. Продукт такого окисления D-глюкозы называется D-глюкаровой кислотой:

При окислении D-галактозы азотной кислотой образуется

D-галактаровая или слизевая кислота, которая мало растворима в воде. Это позволяет использовать азотную кислоту для обнаружения D-галактозы.

Окисление моносахаридов в биологических системах носит более сложный характер. Так, при аэробном окислении D-глюкозы, катализируемом ферментом глюкозооксидазой, окислению подвер-гается не открытая, а циклическая форма. Глюкозооксидаза специфи-чна к ?-D-глюкопиранозе, которая вначале окисляется до ?-лактона:

В кислой среде ?-лактон легко превращается в ?-лактон. Взаимные превращения лактонов приводят к мутаротации раствора глюконовой кислоты.

При окислении первичной спиртовой группы без затрагивания альдегидной образуются гликуроновые (уроновые) кислоты. Ввиду более легкой окисляемости альдегидной группы получение уроновых кислот представляет собой довольно сложную задачу. В этой связи окислению подвергают моносахарид с защищенной альдегидной группой, например, в виде гликозида:

Уроновые кислоты имеют большое значение. Они входят в состав различных полисахаридов. Так, глюкуроновая кислота является структурной единицей гепарина, гиалуроновой кислоты и др. Пекти-новые вещества плодов и ягод являются полиуронидами.

В организме уроновые кислоты выполняют важную функцию: они связывают посторонние и токсические вещества и в виде глюкуронидов выводят их из организма вместе с мочой:

где X ? токсикант.

1.2.4. Поведение моносахаридов в водных растворах кислот и щелочей. Дегидратация и взаимные превращения моносаха-ридов.

Моносахариды устойчивы к действию разбавленных растворов неорганических кислот, что позволяет количественно выделять их путем кислотного гидролиза олиго- и полисахаридидов.

В концентрированных растворах кислот при нагревании моноса-хариды подвергаются дегидратации. Отщепляя по три молекулы воды, альдопентозы образуют фурфурол, а альдо- и кетогексозы ? 5-гидроксиметилфурфурол:

Фурфурол и 5-гидроксиметилфурфурол вступают в характерные реакции с замещенными бензолами с образованием окрашенных продуктов. Эти реакции используют для обнаружения моносаха-ридов. Так, реакция с анилином является качественной на пентозы, а реакция с резорцином ? на альдо- и кетогексозы. В обоих случаях растворы окрашиваются в красный цвет.

Обнаружение фруктозы в растворе по методу Селиванова проводят следующим образом. Сначала фруктозу переводят в

5-гидроксиметилфурфурол нагреванием с концентрированной HCl, затем добавляют резорцин (1,3-дигидроксибензол). Образующееся конденсированное соединение в кислой среде отщепляет воду, переходя в структуру с большим числом сопряженных двойных связей. Подобное строение имеют многие индикаторы кислотно-основного типа (фенолфталеин, метилоранж и др.). Присоединяя или отщепляя протон H+, они меняют свою окраску в зависимости от активной реакции среды.

Следует отметить, что использование изомерных дигидроксибен-золов (орто- и пара-) не дает желаемого результата. Это объясняется тем, что в резорцине влияние заместителей на перераспределение электронной плотности внутри кольца носит согласованный характер: они являются электронодонорами (+М) и способствуют повышению электронной плотности в положении "4" бензольного кольца. Орто- и пара-изомеры дигидроксибензола (пирокатехин и гидрохинон) таким эффектом не обладают.

В разбавленных щелочных растворах при комнатной температуре моносахариды способны к кето-енольной таутомерии, обусловленной миграцией двойной связи. При переходе от ендиольной формы в кето-форму возможна перегруппировка заместителей у аномерного и соседнего с ним атомов углерода:

Следствием этого процесса является появление в растворе равновесной смеси эпимеров данного моносахарида.

При высоких температурах и высоких концентрациях щелочей моносахариды подвергаются расщеплению и полимеризации с образованием различных продуктов, в том числе молочной и муравьиной кислот.

1.2.5. Специфические реакции моносахаридов.

Помимо перечисленных выше общих свойств моносахаридов, отдельные представители могут принимать участие в специфических процессах. Таковым является, например, брожение ? ферментативное расщепление молекул сахаров. Брожению подвергаются сахара с числом углеродных атомов, кратным трем. Например, для глюкозы существует несколько видов брожения: спиртовое, молочнокислое, маслянокислое и лимоннокислое.

Спиртовое брожение протекает под влиянием различных микроорганизмов или фермента зимазы, который содержится, например, в кожуре винограда. В результате спиртового брожения гексоз (для пентоз эта реакция не характерна) образуется этиловый спирт:

Спиртовое брожение используют для получения этилового спирта, в виноделии, пивоварении и т.д., а также в хлебопечении (выделяющийся при брожении СО2 поднимает тесто).

Молочнокислое брожение протекает при выработке различных молочнокислых продуктов, при солении огурцов, квашеной капусты и силосовании кормов:

Процессы маслянокислого и лимоннокислого брожения можно представить в следующем виде:

Лимоннокислое брожение протекает в присутствии особых плесневых грибков. Этот процесс используют для получения лимонной кислоты.

1.3. Важные производные моносахаридов.

К производным моносахаридов относятся соединения, имеющие близкую природу, но содержащие вместо карбонильной или гидроксильной групп или в дополнение к ним другие функцио-нальные группы. Наиболее известными производными являются дезокси- и аминосахара.

Дезоксисахара ? это моносахариды, у которых одна или две гидроксильные группы замещены на атом(ы) водорода. Из дезоксисахаров наиболее известны 2-дезокси-D-рибоза, 6-дезокси-L-манноза (L-рамноза) и 6-дезокси-L-галактоза (L-фукоза):

2-дезокси-D-рибоза входит в состав дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК). Концевые остатки L-фукозы служат маркировкой поверхности клеток, определяющих групповую принадлежность крови человека.

6-дезоксисахара, называемые также метилпентозами, входят в состав природных соединений, применяемых в кардиологии. Некото-рые из них одновременно являются 2-дезоксисахарами. Примером 2,6-дидезоксимоносахарида является D-дигитоксоза (2,6-дидезокси-D-аллоза), содержащаяся в сердечных гликозидах наперстянки.

Из аминосахаров в природе широко распространены два ?

2-амино-2-дезокси-D-глюкоза (D-глюкозамин, хитозамин) и 2-амино-2-дезокси-D-галактоза (D-галактозамин, хондрозамин), в которых гидроксильная группа при С-2 замещена на аминогруппу:

Первый входит в состав многих полисахаридов, содержащихся в тканях позвоночных, второй является компонентом гликолипидов и входит в состав главного полисахарида хрящей ? хондроитинсуль-фата.

Часто аминогруппа бывает ацетилирована или метилирована. Так, N-ацетил-D-глюкозамин является главным компонентом хитина ? структурного полисахарида, образующего наружный скелет насеко-мых и ракообразных. В состав действующего начала препарата стрептомицин, обладающего антибактериальным действием, входит N-метилированный L-глюкозамин. Помимо N-метил-L-глюкозамина в состав препарата входит стрептоза ? 5-дезокси-3-формил-L-ликсоза, содержащая дополнительную альдегидную группу:

Особое место среди производных моносахаридов занимают нейраминовая и мурамовая кислоты. Структуру этих кислот легче понять, если мысленно разбить их на два фрагмента:

Действительно, N-ацетилнейраминовая кислота получается в результате альдольной конденсации N-ацетил-D-маннозамина и пировиноградной кислоты, протекающей под действием ферментов.

Эти кислоты играют важную роль в качестве строительных блоков полисахаридов, содержащихся в клеточных стенках бактерий и в клеточных оболочках высших животных. N-ацетилмурамовая кислота ? главный структурный элемент полисахаридного остова бактериальных клеточных стенок. Она также является главным строительным блоком полисахаридных цепей, входящих в состав гликопротеидов и гликолипидов клеточных оболочек животных тканей.

N-ацильные производные нейраминовой кислоты называют сиаловыми кислотами. Сиаловые кислоты представляют собой бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и мало растворимые в неполярных органических растворителях. Они являются компонентами специфических веществ крови и тканей, входят в состав ганглиозидов мозга, участвующих в проведении нервных импульсов. В спинномозговой жидкости они содержатся в свободном состоянии.

Наконец, структурную связь с моносахаридами имеет хорошо известная аскорбиновая кислота (витамин С). В природных условиях она образуется из D-глюкозы и содержится в овощах (картофель, томаты), ягодах (черная смородина) и фруктах, особенно цитрусовых.

Аскорбиновая кислота представляет собой ?-лактон, содержащий ендиольный фрагмент.

Как кислота аскорбиновая сильнее уксусной: ее кислотность обусловлена диссоциацией одной из ендиольных групп. Следует отметить, что при образовании солей лактонное кольцо не размыкается.

Аскорбиновая кислота обладает восстановительными свойствами: при ее окислении образуется дикетонная форма, называемая дегидро-аскорбиновой кислотой:

Эти превращения протекают в мягких условиях и обеспечивают протекание некоторых окислительно-восстановительных реакций в клетке. Например, аскорбиновая кислота участвует в окислении пролина.

Суточная потребность в аскорбиновой кислоте для человека составляет 30 мг и более. Недостаток аскорбиновой кислоты вызывает различные заболевания, в частности, цингу.

2. Олигосахариды.

Олигосахариды составляют промежуточную группу между моно- и полисахаридами. Как правило, к ним относят углеводы, содержащие в своей молекуле от двух до десяти остатков моносахаридов.

Простейшими олигосахаридами являются дисахариды. По своим физико-химическим свойствам они во многом сходны с моносахари-дами: обладают способностью кристаллизоваться, растворимы в воде и обладают сладким вкусом. Отличие заключается в способности дисахаридов к кислотному гидролизу.

Образование дисахаридов происходит путем димеризации моносахаридов с обязательным участием хотя бы одной гликозидной OH-группы. Существует два типа связывания моносахаридных остатков: "голова к хвосту" и "голова к голове". Под термином "голова" подразумевают гликозидную OH-группу, под термином "хвост" ? любую другую гидроксильную группу. В первом случае образуются дисахариды, называемые восстанавливающими, во втором ? невосстанавливающими.

Схему протекания димеризации по принципу "голова к хвосту" можно представить следующим образом:

Образующуюся связь называют гликозидной и обозначают

?- (или ?-) (1 4), где цифры показывают положения гидроксилов, образующих связь, а ?- (или ?-) ? конфигурацию этой связи.

Принцип "голова к голове" реализуется так:

2.1. Восстанавливающие дисахариды.

Среди восстанавливающих дисахаридов широко распространены мальтоза, лактоза, и целлобиоза. Эти дисахариды являются изомерами и отвечают общей формуле C12H22O11.

Мальтоза (солодовый сахар) состоит из двух остатков D-глюкопи-ранозы, связанных (1 4)-гликозидной связью:

Аномерный атом углерода, участвующий в образовании глико-зидной связи, имеет ?-конфигурацию. Второй аномерный атом может иметь как ?- (?-мальтоза), так и ?-конфигурацию (?-мальтоза). Преоб-ладающей является ?-форма.

Первая молекула глюкозы, поставляющая для образования связи гликозидную OH-группу, рассматривается как заместитель в 4-м по-ложении второго моносахарида. В этой связи в названии дисахарида она приобретает суффикс -озил, в названии же второй молекулы сохраняется суффикс -оза. В названии дисахарида обязательно указывается конфигурация обоих аномерных атомов. Таким образом, полное номенклатурное название ?-мальтозы: ?-D-глюкопиранозил-

(1 4)-?-D-глюкопираноза.

Мальтоза ? промежуточный продукт расщепления крахмала и гликогена в желудочно-кишечном тракте. В свободном виде в пищевых продуктах она встречается в меде, солоде, пиве, патоке и проросшем зерне. Получают мальтозу гидролизом крахмала.

Лактоза состоит из остатка ?-D-галактопиранозы (невосстанавли-вающее звено), связанного ?-(1 4)-гликозидной связью с остатком

D-глюкозы:

Аномерный атом глюкозного фрагмента может иметь как ?- (?-лактоза), так и ?-конфигурацию (?-лактоза). Полное название лактозы: ?-D-галактопиранозил-(1 4)-?-(или ?)-D-глюкопираноза.

В природе лактоза содержится только в молоке. Она плохо растворима в холодной воде и в желудочно-кишечном тракте расщепляется до глюкозы и галактозы под действием фермента лактазы. Дефицит этого фермента у некоторых людей приводит к непереносимости молока. Нерасщепленная лактоза служит хорошим питательным веществом для кишечной микрофлоры. В кисло-молочных продуктах большая часть лактозы сброжена до молочной кислоты, поэтому люди с лактазной недостаточностью могут переносить кисломолочные продукты без неприятных последствий. Кроме того, молочнокислые бактерии в кисломолочных продуктах подавляют деятельность кишечной микрофлоры и снижают неблагоприятные действия лактозы.

Целлобиоза образована двумя D-глюкопиранозными остатками, но в отличие от мальтозы, (1 4)-гликозидная связь имеет ?-конфигу-рацию:

Целлобиоза является структурным компонентом целлюлозы. Интересно, что фермент ?-глюкозидаза (мальтаза), расщепляющий мальтозу, неактивен по отношению к целлобиозе. Это объясняется различием в конфигурации гликозидной связи. Целлобиоза расщеп-ляется при помощи ?-глюкозидазы, которая в организме человека отсутствует. Поэтому целлобиоза и ее полимер целлюлоза в организ-ме человека не перерабатываются и не могут служить источником питания. В то же время жвачные животные употребляют в пищу растения, содержащие целлюлозу, так как в их пищеварительном тракте имеются бактерии, содержащие ?-глюкозидазу.

Восстанавливающие свойства мальтозы, лактозы и целлобиозы обусловлены наличием свободной полуацетальной гидроксильной группы, вследствие чего сохраняется способность к раскрытию цикла и образованию аномеров:

Таким образом, растворы восстанавливающих дисахаридов мутаротируют, но поскольку синтез природных дисахаридов с участием ферментов строго стереоспецифичен, гликозидная связь может находиться только в одной из возможных конфигураций

(?- или ?-) и на ее стереохимию мутаротация не влияет. Кроме того, восстанавливающие дисахариды вступают в реакции с реактивами Бенедикта, Феллинга и Толленса.

2.2. Невосстанавливающие дисахариды.

Примером наиболее распространенных в природе невосстанавли-вающих дисахаридов является сахароза (свекловичный или тростни-ковый сахар). Молекула сахарозы состоит из остатков ?-D-глюко-пиранозы и ?-D-фруктофуранозы, соединенных друг с другом за счет взаимодействия обоих полуацетальных гидроксилов, т. е. (1 2)-гли-козидной связью:

В название невосстанавливающих дисахаридов один из моносахаридных остатков входит в общее название с суффиксом

-озил, а другой с суффиксом -озид. Если дисахарид состоит из остатков двух одинаковых моносахаридов, то не имеет значения, какой из них будет назван первым. Если же в состав дисахарида входят остатки различных моносахаридов, то название строится в соответствии с номенклатурным принципом: фрагменты моно-сахаридов располагают в алфавитном порядке. Таким образом, наз-вание сахарозы: ?-D-глюкопиранозил-(1 2)-?-D-фруктофуранозид.

Отсутствие полуацетального гидроксила в молекуле сахарозы приводит к тому, что сахароза не имеет таутомерной оксо-формы и поэтому не обладает восстанавливающими свойствами, а ее растворы не мутаротируют.

2.3. Химические свойства дисахаридов.

Для восстанавливающих дисахаридов характерны многие реакции, в которые вступают моносахариды: образование гликозидов, простых и сложных эфиров, окисление и др. Некоторые процессы приведены на схеме 2.

Однако в отличие от моносахаридов дисахариды способны к кислотному гидролизу, в результате которого разрывается гликозидная связь и образуются моносахариды. Так, при гидролизе сахарозы образуется смесь глюкозы и фруктозы:

Полученная смесь моносахаридов имеет левое вращение (?39,50), в то время как исходное вещество ? сахароза ? характеризуется противоположным углом вращения (+66,5°). Такое изменение знака связано с тем, что при гидролизе образуется фруктоза, имеющая угол вращения, равный -92°, и глюкоза, вращающаяся вправо на +52,50. Разница между этими величинами и будет углом вращения смеси глюкозы и фруктозы. Изменение угла вращения под влиянием гидролиза называется инверсией (от лат. inversia ? переворачивание), а смесь глюкозы и фруктозы, полученную при этом, называют инвертным сахаром или искусственным медом. Натуральный мед ? природный инвертный сахар, который образуется в организме пчелы из сахарозы под влиянием фермента инвертазы.

К щелочному гидролизу дисахариды устойчивы.

Схема 2. Химические превращения мальтозы.

3. Полисахариды.

Большинство углеводов встречается в природе в виде полисахаридов. Полисахариды (полиозы) ? это высокомолекулярные соединения, состоящие из большого числа моносахаридных остатков, соединенных гликозидными связями. Общая формула полисахаридов (С6Н10О5)n.

Макромолекулы полисахаридов отличаются друг от друга природой повторяющихся моносахаридных звеньев, типом гликозидной связи (?- или ?-), длиной цепи и степенью разветвления. Относительная молекулярная масса полисахаридов варьирует в широких пределах: от нескольких тысяч до нескольких миллионов, так как любой образец полисахарида негомогенен по составу, а состоит из полимергомологов разной длины и молекулярной массы. Многие полисахариды образуют высокоупорядоченные надмолеку-лярные структуры, препятствующие гидратации отдельных молекул, поэтому такие полисахариды (хитин, целлюлоза) не только не растворяются, но и не набухают в воде.

3.1. Гомополисахариды.

К гомополисахаридам относятся полисахариды растительного (крахмал, целлюлоза, пектиновые вещества), животного (гликоген, хитин) и бактериального (декстрины) происхождения, состоящие из остатков моносахарида одного типа. Названия гомополисахаридов образуются из названий моноз с заменой суффикса -оза на суффикс

-ан (глюкан, маннан и т.п.). Для большинства из них этим моносахаридом является D-глюкоза.

С учетом биологической роли гомополисахариды делятся на структурные и резервные. К резервным относятся крахмал и гликоген; к структурным ? целлюлоза и хитин.

3.1.1. Резервные полисахариды.

Крахмал ? это смесь двух полисахаридов (амилозы и амило-пектина), в состав которых входят остатки ?-D-глюкопиранозы. Образуется в растениях в процессе фотосинтеза и содержится в клубнях, корнях, семечках. Цепь амилозы линейна и включает

200-1000 глюкозных остатков, соединенных ?-(1 4)-гликозидными связями. Относительная молекулярная масса составляет ? 160000.

В водном растворе макромолекулярная цепь амилозы свернута в спираль, поэтому в воде амилоза не дает истинного раствора, а образует гидратированные мицеллы, которые при добавлении иода окрашиваются в синий цвет.

Амилопектин имеет разветвленное (звездообразное) строение. В отличие от амилозы амилопектин при набухании в водных растворах образует клейстер. В основной цепи амилопектина остатки ?-D-глюкопиранозы связаны ?-(1 4)-гликозидными связями, а в местах разветвления ? ?-(1 6)-гликозидными связями:

Относительная молекулярная масса амилопектина в сотни раз больше чем у амилозы и составляет 1-6 млн. В воде амилопектин также образует коллоидные растворы, однако при добавлении иода раствор окрашивается не в синий, а в красно-фиолетовый цвет.

Гидролиз крахмала при нагревании в присутствии минеральных кислот приводит к образованию различных продуктов:

где m ? n.

Растворимый крахмал ? это частично гидролизованный полиса-харид. Его молекулярная масса несколько меньше, чем обычного крахмала. Растворимый крахмал растворяется в горячей воде, с йодом дает синее окрашивание.

Декстрины ? это полисахариды с промежуточной длиной цепи. Они являются продуктами неполного гидролиза крахмала, хорошо растворяются в холодной воде и с йодом дают окрашивание от фиолетового до желтого цвета. Промышленный способ получения декстринов - нагревание крахмала до 180-2000С. Например, процесс хлебопечения состоит в превращении малорастворимого крахмала в растворимые декстрины, которые гораздо легче усваиваются организмом.

Крахмал ? ценный пищевой продукт. Применяется он и в химической промышленности. Например, кислотный гидролиз крахмала (при кипячении) служит промышленным методом получения глюкозы. Крахмал является сырьем для производства этилового и н-бутилового спиртов, ацетона, молочной и лимонной кислот, глицерина и других продуктов. Он используется для производства декстринов и клеев.

В пищеварительном тракте гидролиз основных компонентов крахмала протекает под действием ферментов. Гидролиз амилозы протекает под действием фермента ?-амилазы, который присутствует в слюне и соке поджелудочной железы. Этот фермент гидролизует

?-(1 4)-гликозидные связи с образованием в конечном итоге смеси глюкозы и мальтозы. ?-(1 6)-гликозидные связи, находящиеся в точках ветвления, гидролизуются при помощи фермента ?-(1 6)-глюкозидазы. Конечными продуктами гидролиза также являются глюкоза и мальтоза.

В животных организмах функциональным аналогом растительного крахмала является гликоген. Особенно много его содержится в печении в мышцах. Относительная молекулярная масса углевода составляет ? 100 млн. По структуре гликоген близок к амилопектину и отличается от него большей степенью разветвлен-ности. В пищеварительном тракте гликоген легко гидролизуется амилазами, что позволяет проводить быструю регенерацию глюкозы в организме человека в случае стрессовых ситуаций, при физических и умственных нагрузках. В клетках гидролиз гликогена осуществляется фосфоролитическим путем при помощи фермента фосфорилазы, которая последовательно отщепляет молекулы глюкозы в виде

1-фосфата.

В целом, функцию резервных полисахаридов можно представить следующим образом: если в клетке имеется избыток глюкозы, то под действием соответствующих ферментов ее молекулы присоединяются к молекулам крахмала или гликогена; если же возникает метаболическая потребность в глюкозе, то происходит ее фермента-тивное отщепление от полисахаридов.

В микроорганизмах (дрожжах, бактериях) роль резервных полисахаридов выполняют декстраны. Они также представляют собой полисахариды с разветвленной цепью и состоят из остатков

D-глюкозы, но отличаются от крахмала и гликогена тем, что структурные единицы их остова связаны главным образом ?-(1 6)-гликозидными связями. Декстраны, синтезируемые бактериями, обитающими на поверхности зубов, являются одной из причин образования зубного налета.

3.1.2. Структурные полисахариды.

Целлюлоза, или клетчатка (от лат. cellula - клетка), ? растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом на Земле. Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенку растительных клеток. Древесина состоит из целлюлозы примерно на 50%, а волокна хлопчатника (очищенная вата) представляет собой почти чистую целлюлозу (до 96%).

Целлюлоза представляет собой полисахарид, который состоит из остатков ?-D-глюкопиранозы, связанных между собой ?-(1 4)-гли-козидными связями:

Относительная молекулярная масса целлюлозы составляет от 400 тысяч до 2 млн. Звенья ?-глюкозы образуют многочисленные внутри- и межмолекулярные водородные связи, вследствие чего макромо-лекулы целлюлозы имеют линейное строение и образуют плотную кристаллическую структуру. Целлюлоза относится к наиболее жесткоцепным полимерам, в которых гибкость макромолекул практически не проявляется. Этими факторами объясняется высокая устойчивость целлюлозы к механическим и химическим воздействиям, а также крайне низкая растворимость в воде, спирте, эфире, ацетоне и других растворителях.

В организме человека и большинства млекопитающих целлюлоза не расщепляется ферментами желудочно-кишечного тракта, но имеет большое значение: выступает в роли балласта и помогает пищеварению, механически очищая слизистые оболочки желудка и кишечника. Так, клетчатка способствует выведению из организма избытка холестерина. Объясняется это тем, что клетчатка растительной пищи адсорбирует стерины и препятствует их всасы-ванию. Кроме того, клетчатка играет важную роль в нормализации полезной кишечной микрофлоры.

При длительном нагревании целлюлозы с минеральными кислотами, можно получить промежуточные продукты гидролиза, вплоть до D-глюкозы:

где m ? n.

Полисахарид хитин служит главным структурным элементом твердого наружного скелета насекомых и ракообразных. Он представляет собой гомополимер N-ацетил-D-глюкозамина, остатки которого связаны межу собой ?-(1 4)-гликозидными связями, и по структуре близок к целлюлозе:

Как и целлюлоза, хитин нерастворим в воде и его цепи имеют кристаллическую упаковку.

К числу структурных гомополисахаридов относятся также инулин, построенный из остатков D-фруктозы (редкий случай, когда полисахарид построен из остатков кетоз) и пектиновые вещества, состоящие из остатков уроновых кислот (например, галактуроновой). Пектиновые вещества содержатся в растительных соках, плодах (яблоки, груши, лимон) и овощах (свекла, морковь). Современными исследованиями установлена возможность их использования с терапевтической целью при заболеваниях желудочно-кишечного тракта. Так, препарат "плантаглюцид", получаемый из подорожника, используется при язвенной болезни.

3.2. Гетерополисахариды.

Гетерополисахариды представляют собой полимеры, построен-ные из моносахаридов различных типов и их производных. Чаще всего гетерополисахариды состоят из двух различных мономеров, расположенных повторяющимся образом. Важнейшими представите-лями гетерополисахаридов в органах и тканях животных и человека являются гликозаминогликаны (мукополисахариды). Они состоят из неразветвленных цепей, содержащих аминосахара и уроновые кислоты, и выполняют важные биологические функции. В частности, они являются основой углеводных компонентов соединительных тканей (хрящей, сухожилий и др.), входят в состав костей и обеспечивают прочность и упругость органов.

Важную биологическую роль играет гиалуровая кислота: с ней связаны процессы оплодотворения, защита от проникновения микро-организмов, она находится в стекловидном теле глаза, в полости суставов и т. д. Повторяющейся единицей гиалуроновой кислоты служит дисахарид, состоящий из остатков D-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-D-глюкозамина, связанных ?-(1 3)-гликозидной связью. В свою очередь, дисахаридные остатки соединены ?-(1 4)-глико-зидной связью:

Гиалуроновая кислота имеет высокую молекулярную массу -

2-7?106, ее растворы обладают высокой вязкостью.

Другой мукополисахарид, обнаруженный в составе клеточных оболочек и основного внеклеточного вещества, ? это хондроитин. По своей структуре хондроитин почти идентичен гиалуроновой кислоте: единственное различие состоит в том, что вместо остатков N-ацетил-D-глюкозамина он содержит остатки N-ацетил-D-галактозамина.

Такой дисахарид называется N-ацетилхондрозин:

Сернокислые эфиры хондроитина называются хондроитинсуль-фатами. Различают хондроитин-4- и хондроитин-6-сульфаты, в которых сульфатная группа образует сложноэфирную связь с гидроксильной группой N-ацетил-D-галактозамина соответственно при С-4 и при С-6. Они являются основными структурными компонентами хрящевой и костной ткани, роговицы и других видов соединительной ткани позвоночных. Молекулярная масса хондро-итинсульфатов колеблется в диапазоне от 10 до 60 тысяч.

В животных организмах также широко распространен гепарин, который был выделен из печени, тканей сердца и легких, а также из мышц. Он является природным антикоагулянтом крови и поэтому играет важную биологическую роль.

Гепарин имеет более сложное строение: чередующимися звеньями являются дисахариды, в состав которых входят остатки

D-глюкозамина, связанные ?-(1 4)-гликозидной связью с остатками либо D-глюкуроновой, либо L-идуроновой кислоты. В свою очередь, дисахариды связаны между собой ?-(1 4)-связью, если дисахарид оканчивается D-глюкуроновой кислотой и ?-(1 4)-связью ? если

D-идуроновой кислотой.

Большинство аминогрупп гепарина сульфатированы, некоторые - ацетилированы. Кроме того, у ряда остатков L-идуроновых кислот су-льфатные группы содержатся при С-2, а у глюкозаминных - при С-6.

Структурным элементом стенок кровеносных сосудов является гепаритинсульфат, который содержит аналогичные дисахаридные единицы, но имеет в своем составе больше N-ацетильных групп и меньше сульфатных групп.

3.3. Химические свойства полисахаридов.

Химические свойства полисахаридов в основном связаны с наличием ОН-групп и гликозидных связей. Доля свободных альдегидных групп в макромолекуле сравнительно невелика, поэтому полисахариды восстанавливающих свойств не проявляют.

Из химических свойств полисахаридов наибольшее значение имеют реакции гидролиза и образование производных за счёт реакций макромолекул по гидроксильным группам.

Полисахариды устойчивы к гидролизу в щелочной среде, но при действии концентрированных растворов щелочей могут образовывать алкоголяты. Так, например, получают щелочную целлюлозу:

В кислой среде при неполном гидролизе образуются олигосахариды, в том числе и дисахариды. Полный гидролиз полисахаридов ведет к образованию моносахаридов. Способность полисахаридов к гидролизу увеличивается в ряду: целлюлоза < крахмал < гликоген.

Из целлюлозы (отходов деревообрабатывающей промышленнос-ти) в результате кислотного гидролиза и последующего сбраживания образующейся глюкозы получают этанол (называемый "гидролизным спиртом"):

(C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2

Среди производных полисахаридов наибольшее практическое значение имеют простые и сложные эфиры. Такая химическая модификация полимеров не сопровождается существенным измене-нием степени полимеризации макромолекул.

Сложные эфиры целлюлозы образуются при действии на целлюлозу минеральных или органических кислот и их ангидридов. Так, при взаимодействий целлюлозы со смесью азотной и серной кислот можно получить нитраты целлюлозы:

В зависимости от числа гидроксильных групп в глюкозном звене, вступивших в реакцию этерификации, образуются различные эфиры: моно-, ди- и тринитрат целлюлозы. Смесь моно- и динитрата целлюлозы называют колоксилином, а тринитрат целлюлозы - пироксилином. На основе нитратов целлюлозы (нитроцеллюлозы) получают различные взрывчатые вещества, например, порох. Нитраты целлюлозы также служат основой для получения нитролаков и эмалей.

При взаимодействии целлюлозы с уксусной кислотой (в присутствии серной кислоты) или уксусным ангидридом образуется ацетат целлюлозы. Наибольшее промышленное значение получил полный эфир ? триацетат целлюлозы ? называемый искусственным шелком:

Ацетаты целлюлозы применяют также для получения пластмасс, фото- и кинопленки, специальных лаков.

Из простых эфиров целлюлозы особое значение получили метил-, этил- и бутилцеллюлоза. Они образуются при действии галоген-алканов на щелочную целлюлозу. Например:

Алкилированная целлюлоза приобретает некоторую раствори-мость в воде, в связи с чем ее используют в качестве лаков, клеев и пропиточных материалов.

Для приготовления покрытий и загустителей применяют ацили-рованный крахмал. Алкильные производные крахмала используют в качестве пластификаторов и клеев.

4. Углеводсодержащие смешанные биополимеры.

К числу наиболее распространенных смешанных биополимеров относятся углевод-белковые сополимеры (гликопептиды), состоящие из ковалентно связанных пептидных и углеводных цепей. По соотношению пептидных и углеводных фрагментов различают гликопротеины, протеогликаны и пептидогликаны.

Гликопротеинами называют смешанные биополимеры, в которых, макромолекула белка содержит в качестве сополимера олигосахарид-ные цепи. К каждой полипептидной цепи присоединяется до 55 углеводных остатков, содержащих, в свою очередь, от 2 до 20 моносахаридных звеньев.

Гликопротеины входят в состав всех органов, тканей и клеток организма человека и животных, а также содержатся в секреторных жидкостях и плазме крови. Функции гликопротеинов весьма разнообразны: среди них встречаются ферменты, гормоны, белки иммунной системы, компоненты плазмы крови и т. д. Именно углеводные части гликопротеинов определяют групповую принад-лежность крови. Установлено, что отличие четырех известных групп крови связано с концевыми невосстанавливающими моносахарид-ными остатками.

Протеогликаны, в отличие от гликопротеинов, содержат в качестве сополимеров не олигосахаридные, а полисахаридные цепи. Связь между углеводным и белковыми компонентами может быть как O-, так и N-гликозидной. Свойства протеогликанов также в большей степени определяются углеводной частью. Среди полисахаридов, входящих в состав протеогликанов, наиболее известны гепарины, хондроитинсульфаты, дерматансульфат и др.

Пептидогликаны, наоборот, представляют собой полисахаридные цепи содержащие сравнительно короткие олигопептидные фрагмен-ты. Эти фрагменты могут связывать между собой полисахаридные цепи, в результате чего образуется жесткий каркас. Например, пептидогликан клеточной стенки бактерий построен из остатков

N-ацетилглюкозамина и N-мурамовой кислоты, соединенных между собой ?-(1 4)-связью. Образующийся двумерный каркас обеспечи-вает защиту клетки от внешних воздействий, в том числе от шока при попадании в гипотоническую среду.

Расщепление пептидогликанов приводит к образованию смеси гликопептидов, обладающих противоопухолевой активностью. В этой связи гликопептиды клеточной стенки бактерий привлекают внимание исследователей как потенциальные компоненты синтети-ческих вакцин и противоопухолевые средства.

5. Роль углеводов в жизнедеятельности человеческого организма.

Основная функция углеводов ? обеспечение энергией всех процессов в организме. Действительно, при окислении 1 грамма углеводов организм получает 4,1 ккал энергии. Клетки способны получать из углеводов энергию, как при их окислении кислородом, так и в анаэробных условиях (без доступа кислорода). Боль в мышцах после тяжелой работы ? результат действия на клетки молочной кислоты, которая образуется при анаэробном распаде углеводов, когда для обеспечения работы мышечных клеток не хватает кислорода, поступающего с кровью.

Общую схему анаэробного негидролитического расщепления углеводов ? гликолиза ? можно представить следующим образом:

С6H12O6 + 2H3PO4 + 2АДФ 2CH3CH(OH)COOH + 2АТФ

Углеводы также способны стимулировать окисление промежуточных продуктов метаболизма жирных кислот. Они являются составной частью молекул некоторых аминокислот, участвуют в построении ферментов, образовании нуклеиновых кислот, являются предшественниками образования жиров, иммуно-глобулинов, играющих важную роль в системе иммунитета, и гликопротеидов ? комплексов углеводов и белков, которые являются важнейшими компонентами клеточных оболочек. Гиалуроновые кислоты и другие мукополисахариды образуют защитную прослойку между всеми клетками, из которых состоит организм.

В отличие от растений, способных получать углеводы в процессе фотосинтеза, животные организмы синтезировать углеводы не способны и получают их только с растительной пищей. Резкое ограничение углеводов в диете ведет к значительным нарушениям метаболизма. Особенно страдает при этом белковый обмен. При достаточном поступлении углеводов с пищей белки используются, главным образом, для пластического обмена, а не для производства энергии. При дефиците углеводов белки используются не по назначению: они становятся источником энергии и участниками некоторых важных химических реакций. Это приводит к повышенному образованию азотистых веществ и, как следствие, к повышенной нагрузке на почки, нарушениям солевого обмена и другим, вредным для здоровья, последствиям. Таким образом, углеводы необходимы для рационального использования белков.

При дефиците углеводов в пище организм использует для получения энергии не только белки, но и жиры. При усиленном распаде жиров могут возникнуть нарушения обменных процессов, связанные с ускоренным образованием кетонов (к этому классу веществ относится известный всем ацетон) и накоплением их в организме. Избыточное образование кетонов при усиленном окислении жиров и частично белков может привести к "закислению" внутренней среды организма и отравлению тканей мозга вплоть до развития ацидотической комы с потерей сознания.

Основным средством депонирования (накопления) углеводов в растениях является крахмал. У животных в этом качестве выступает гликоген.

Некоторые представители углеводов

Глюкоза ? самый важный простой углевод.

Из всех моносахаридов наиболее важным является глюкоза, так как она является структурной единицей для построения молекул большинства ди- и полисахаридов, поступающих в организм с пищей. Все полисахариды, представленные в пище человека, за редкими исключениями, являются полимерами глюкозы.

Полисахариды в процессе движения по желудочно-кишечному тракту (ЖКТ) расщепляются до моносахаридов и всасываются в кровь в тонком кишечнике. С кровью воротной вены большая часть глюкозы (около половины) из кишечника поступает в печень, остальная глюкоза через общий кровоток транспортируется в другие ткани. Концентрация глюкозы в крови в норме поддерживается на постоянном уровне и составляет 3,33-5,55 мкмоль/л, что соответствует 80-100 мг в 100 мл крови. Транспорт глюкозы в клетки регулируется во многих тканях гормоном поджелудочной железы ? инсулином. В клетке в ходе многостадийных химических реакций глюкоза превращаются в другие вещества, которые в конечном итоге окисляются до углекислого газа и воды, при этом выделяется энергия, используемая организмом для обеспечения жизнедеятельности. При снижении уровня глюкозы в крови или ее высокой концентрации (и невозможности использования в полном объеме), как это происходит при диабете, наступает сонливость, а в некоторых случаях ? потеря сознания (гипогликемическая кома).

Без присутствия инсулина глюкоза не поступает в клетки и не может быть использована в качестве топлива. В этом случае ее роль выполняют жиры (это характерно для людей с сахарным диабетом). Скорость поступления глюкозы в ткани мозга и печени не зависит от инсулина и определяется только концентрацией ее в крови. Эти ткани называются инсулинонезависимыми.

Фруктоза ? вкусный углевод.

Является одним из самых распространенных углеводов фруктов. В отличие от глюкозы она может без участия инсулина проникать из крови в клетки тканей. По этой причине фруктоза рекомендуется в качестве наиболее безопасного источника углеводов для больных диабетом. Часть фруктозы попадает в клетки печени, которые превращают ее в более универсальное топливо ? глюкозу, поэтому фруктоза тоже способна повышать уровень сахара в крови, хотя и в значительно меньшей степени, чем другие простые сахара. Основным преимуществом фруктозы является то, что она в 2,5 раза слаще глюкозы и в 1,7 ? сахарозы. Ее применение вместо сахара позволяет снизить общее потребление углеводов.

Галактоза ? молочный углевод.

В продуктах в свободном виде не встречается. Она образует дисахарид с глюкозой ? лактозу (молочный сахар) ? основной углевод молока и молочных продуктов.

Галактоза, образующаяся при расщеплении лактозы, превращает-ся в печени в глюкозу. При врожденном наследственном недостатке или отсутствии фермента, превращающего галактозу в глюкозу, развивается тяжелое заболевание ? галактоземия, которая ведет к умственной отсталости.

Сахароза ? "пустой" углевод.

Содержание сахарозы в сахаре составляет 95%. Сахар быстро расщепляется в ЖКТ, глюкоза и фруктоза всасываются в кровь и служат источником энергии и наиболее важным предшественником гликогена и жиров. Его часто называют "носителем пустых калорий", так как сахар ? это чистый углевод, он не содержит других питательных веществ, таких как, например, витамины, минеральные соли. При соединении двух молекул глюкозы образуется мальтоза ? солодовый сахар. Ее содержат мед, солод, пиво, патока и хлебо-булочные и кондитерские изделия, изготовленные с добавлением патоки.

Избыток сахарозы оказывает влияние на жировой обмен, усиливая жирообразование. Таким образом, количество поступающе-го сахара может служить в известной степени фактором, регулирующим жировой обмен. Обильное потребление сахара приводит к нарушению обмена холестерина и повышению его уровня в сыворотке крови. Избыток сахара отрицательно сказывается на функции кишечной микрофлоры. При этом повышается удельный вес гнилостных микроорганизмов, усиливается интенсивность гнилостных процессов в кишечнике, развивается метеоризм.

Установлено, что в наименьшей степени эти недостатки проявляются при потреблении фруктозы.

Крахмал ? распространенный углевод.

Основной из перевариваемых полисахаридов. На его долю приходится до 80% потребляемых с пищей углеводов. Источником крахмала служат растительные продукты, в основном злаковые: крупы, мука, хлеб, а также картофель. Больше всего крахмала содержат крупы: от 60% в гречневой крупе (ядрице) до 70% ? в рисовой. Много крахмала содержится и в бобовых продуктах ? от 40% в чечевице до 44% в горохе. По причине высокого содержания крахмала в картофеле (15-18%) в диетологии его относят не к овощам, где основные углеводы представлены моно- и дисахаридами, а к крахмалистым продуктам наравне со злаковыми и зернобобовыми.

Основное отличие крахмала от других полисахаридов состоит с том, что расщепление крахмала начинается уже в полости рта при участии слюны, которая частично расщепляет гликозидные связи, образуя менее крупные, чем крахмал молекулы ? декстрины. Затем процесс переваривания крахмала происходит постепенно на протяжении всего ЖКТ.

Гликоген ? углевод прозапас.

Молекула гликогена содержит до 1 млн. остатков глюкозы, следовательно, на синтез расходуется значительное количество энергии. Необходимость превращения глюкозы в гликоген связана с тем, что накопление значительного количества глюкозы в клетке привело бы к повышению осмотического давления, так как глюкоза хорошо растворимое вещество. Напротив, гликоген содержится в клетке в виде гранул и малорастворим. Распад гликогена ? гликогенолиз ? происходит в период между приемами пищи. Таким образом, гликоген ? удобная форма накопления углеводов, имеющая активно разветвленную структуру, что позволяет быстро и эффектив-но расщеплять гликоген на глюкозу и оперативно использовать как источник энергии.

Гликоген запасается, главным образом, в печени (до 6% от массы печени) и в мышцах, где его содержание редко превышает 1%. Запасы углеводов в организме нормального взрослого человека (массой 70 кг) после приема пищи составляют около 327 г.

Функция мышечного гликогена состоит в том, что он является легкодоступным источником глюкозы, используемой в энергети-ческих процессах в самой мышце. Гликоген печени используется для поддержания физиологических концентраций глюкозы в крови, прежде всего в промежутках между приемами пищи. Через 12-18 ч после приема пищи запас гликогена в печени почти полностью истощается. Содержание мышечного гликогена заметно снижается только после продолжительной и напряженной физической работы.

Пищевые волокна ? комплексный углевод.

Это комплекс углеводов: клетчатки (целлюлозы), гемицеллюлозы, пектинов, камедей (гумми), слизи, а также не являющегося углеводом лигнина. Таким образом, пищевые волокна ? это большая группа веществ различной химической природы, источником которых служат растительные продукты. Пищевых волокон много в отрубях, непросеянной муке и хлебе из нее, крупах с оболочками, бобовых, орехах. Меньше пищевых волокон в большинстве овощей, фруктов и ягод и особенно в хлебе из муки тонкого помола, макаронах, в очищенных от оболочек крупах (рис, манная крупа и др.)

Эталоны решения задач

Задача №1

Для моносахарида, представленного в открытой форме:

1) Дайте название по международной и тривиальной номенкла-туре.

2) Определите число асимметрических атомов углерода (хиральных центров) в молекуле моносахарида и общее число его оптических изомеров.

3) Приведите примеры его энантиомера, а также эпимера и диастереомера (по одному в пределах D-ряда) в проекциях Фишера и назовите их по тривиальной номенклатуре.

4) Обсудите возможность образования циклических форм в водном растворе с участием различных гидроксильных групп.

5) Представьте его ?-D-фуранозную и ?-D-пиранозную формы в проекциях Хеуорса.

Решение.

1) По международной номенклатуре данный моносахарид называется 2R, 3S, 4S, 5R-пентагидроксигексаналь. Расположение гидроксильных групп при хиральных центрах соответствует

D-галактозе.

2) Асимметрическими являются атомы углерода С-2, С-3, С-4 и

С-5. Общее число оптических изомеров равно: N = 2n = 24 = 16.

3) Энантиомером данного моносахарида является его полный антипод L-галактоза. В пределах D-ряда в качестве эпимера D-галактозы можно выбрать любой моносахарид, отличающийся положением заместителя только у одного из хиральных центров С-2, С-3, С-4 (но не С-5!). Например, D-гулоза. Диастереомером является моносахарид, отличающийся положением заместителей у двух и более хиральных центров, но не являющийся его полным оптическим антиподом, т.е. энантиомером. Таковым является, например,

D-аллоза:

4) Циклические формы с участием гидроксильных групп при С-2, С-3 и С-6 не образуются, так как такие циклы неустойчивы. Устойчивыми являются только пяти- (фуранозные) и шестичленные (пиранозные) циклы, образованные при участии гидроксильных групп у С-4 и С-5.

5) Составление формул Хеуорса для заданных циклических форм проводим в соответствии с методикой, описанной в 1.1.4.:

Для ?-D-галактофуранозы:

Для ?-D-галактопиранозы:

Задача №2

Осуществите следующую цепочку превращений:

?-D-маннопираноза метилгликозид А В

Решение. 1) Получение метилгликозида проводим действием на моно-сахарид метилового спирта в присутствии сухого HCl:

Нуклеофильное замещение OH-группы у асимметрического атома С-1 приводит к одновременному образованию двух аномеров.

2) Исчерпывающее метилирование можно осуществить либо при помощи диметилсульфата, либо метилиодида в щелочной среде:

Здесь под веществом "А" подразумеваем смесь аномеров.

3) Кислотный гидролиз затрагивает только гликозидную связь:

Простые эфирные связи к кислотному гидролизу устойчивы. Веществом "В" также является смесь аномеров, которая в отличие от "А" в растворе способна к мутаротации.

Задача №3

Получите полный ацетат ?-D-фруктопиранозы и 1,6-дифосфат-?-D-фруктофуранозы.

Решение. 1) Полное ацетилирование можно осуществить действием на моносахарид избытка уксусного ангидрида:

где Ac ? COCH3.

2) Фосфорилирование моносахарида можно провести фермента-тивным путем при помощи АТФ:

При этом наиболее легко фосфорилируются гидроксильные группы, связанные с первичными атомами углерода.

Задача №4

Некоторое количество кристаллической D-глюкозы растворили в воде. Оптические измерения показали, что за несколько часов удельное вращение раствора снизилось от +1130 до +52,50. Последнее значение оставалось неизменным в течение нескольких часов.

1) Назовите причину изменения удельного вращения раствора

D-глюкозы. Как называется это явление?

2) Назовите все формы, в которых существует D-глюкоза в водном растворе.

3) Предположите, в какой форме D-глюкоза находится в кристалле и найдите соотношение между ?- и ?-пиранозными формами в растворе (считая долю открытой и фуранозных форм ничтожно малой), если для ?-D-глюкопиранозы и ?-D-глюкопиранозы удельные величины вращения составляют соответственно +1180 и +190.

4) От каких факторов зависит соотношение аномеров в растворе?

Решение.

1) Это явление, называемое мутаротацией, обусловлено образова-нием в растворе равновесной смеси открытой и циклических форм моносахарида.

2) В водных и спиртовых растворах этот моносахарид существует одновременно в открытой форме (оксоформе) и циклических формах ? фуранозной (?- и ?-) и, преимущественно, пиранозной (?- и ?-). Схема взаимных превращений этих форм представлена на стр. 15.

3) Значение = +1130, измеренное в начальный момент времени, свидетельствует о том, что кристалл D-глюкозы состоит из ?-D-глюкопиранозы, для которой = +1180. Некоторое снижение объясняется тем, что в начальный период процесс цикло-оксо-таутомерии протекает довольно быстро, а затем замедляется.

Значение = +52,50 соответствует состоянию динамического равновесия между всеми формами моносахарида. Считая, что вклад каждой формы моносахарида в общую величину удельного вращения пропорционален его содержанию в растворе, составим уравнение:

118?x + 19?(1 ? x) = 52,5;

где x ? доля ?-D-глюкопиранозы.

Решив уравнение, получим x = 0,36. Таким образом, в растворе

D-глюкозы содержится 36% ?-D-глюкопиранозы и 64% ?-D-глюко-пиранозы.

4) Соотношение ?- и ?-аномеров зависит главным образом от природы растворителя.

Задача №5

Напишите схему возможных превращений D-рибозы в щелочной среде и назовите продукты.

Решение. В разбавленных растворах щелочей при комнатной температуре в молекулах моносахаридов происходит миграция двойной связи. Образующаяся при этом ендиольная форма находится в равновесии с D-арабинозой, являющейся эпимером D-рибозы по С-2, и D-рибуло-зой:

Задача №6

В двух пробирках находятся растворы D-глюкозы и D-фруктозы. Предложите способ, при помощи которого можно распознать содержимое пробирок. Ответ подтвердите схемами реакций.

Решение.

I способ 1) К обоим растворам добавим смесь CuSO4 с избытком NaOH. В обоих случаях раствор окрашивается в ярко-синий цвет, что обуслов-лено образованием сахаратов меди (II):

2) При нагревании синяя окраска одного из растворов исчезает и появляется осадок красно-кирпичного цвета. Это связано с окислением альдегидной группы глюкозы:

В другом растворе никаких видимых изменений не происходит, так как кето-группа не восстанавливает катионы Cu2+.

II способ

1) К обоим растворам добавим концентрированную соляную кислоту и нагреем до ктипения. В обоих случаях образуется

5-гидроксиметил-фурфурол:

2) При добавлении к обоим растворам резорцина (1,3-дигидрокси-бензола), раствор, содержавший D-фруктозу, окрашивается в вишнево-красный цвет. Раствор, содержавший D-глюкозу, при добавлении резорцина дает едва заметную бледно-розовую окраску (или не дает совсем). Это объясняется тем, что альдозы в этих же условиях реагируют медленнее, чем кетозы.

Задача №7

Проведите реакции окисления D-маннозы до альдоновой, альдаровой и уроновой кислот, а также реакцию восстановления альдегидной группы.

Решение. 1) Окисление D-маннозы до альдоновой кислоты можно провести, используя бромную воду:

2) Чтобы окислить обе концевые группы ? карбонильную и первичную спиртовую ? используют более сильные окислители, например, разбавленную азотную кислоту:

3) Окислить первичную спиртовую группу до карбоксильной, не затронув при этом альдегидную, практически невозможно. В таких случаях прибегают к различным способам "защиты" альдегидной группы, например, через получение гликозида:

Далее маннопиранозид подвергают окислению бромной водой с последующим кислотным гидролизом ацеталя:

4) Восстановление D-маннозы можно провести, например, водо-родом на платиновом катализаторе:

Задача №8

В результате брожения D-глюкозы образовался продукт, который реагирует со щелочью только в мольном соотношении 1:1 и может подвергаться ацилированию. Предположите, какой вид брожения имел место и напишите схемы всех реакций.

Решение. Наиболее известные виды брожения D-глюкозы: спиртовое, молочнокислое, маслянокислое и лимоннокислое. Этанол не реагирует со щелочью, масляная кислота не подвергается ацилированию, а лимонная кислота реагирует со щелочью в соотношении 1:3. Следовательно, возможным продуктом брожения является молочная кислота:

Действительно, молочная кислота реагирует со щелочью в соотношении 1:1:

и может подвергаться ацилированию по гидроксильной группе:

Задача №9

Составьте формулу дисахарида, состоящего из 2-дезокси-?-D-рибопиранозы (невосстанавливающий остаток) и ?-D-глюкопирано-зы, в проекции Хеуорса и назовите его. Проведите его исчерпываю-щее метилирование с последующим кислотным гидролизом. Назовите все продукты по международной номенклатуре.

Решение. 1) Формула дисахарида имеет следующий вид:

Название: ?-D-дезоксирибопиранозил-(1 4)-?-D-глюкопираноза.

2) Исчерпывающее метилирование:

Название: 3,4-ди-О-метил-2-дезокси-?-D-рибопиранозил-(1 4)-

метил-2,3,6-три-О-метил-D-глюкопиранозид.

3) В результате кислотного гидролиза разрываются ацетальная и гликозидная связи:

Задача №10

В результате полного кислотного гидролиза соединения, имеющего брутто-формулу C13H25O11, образовались два моносахарида, изомерных по С-4, и низкомолекулярное легколетучее соединение с неприятным запахом. Установите возможную структурную формулу вещества, если известно, что один из моносахаридов является структурным компонентом крахмала и целлюлозы, а после проведения гидролиза раствор стал мутаротировать. Напишите схему гидролиза.

Решение. Структурным компонентом крахмала и целлюлозы является

D-глюкопираноза, а ее изомером по С-4 ? D-галактопираноза. Эти моносахариды могут образовывать дисахарид лактозу C12H22O11. Отсутствие мутаротации исходного раствора и наличие "лишнего" углеродного атома в брутто-формуле исходного соединения позволяют предположить, что гидролизу подвергается метилгликозид лактозы:

Неприятный запах раствору придает метанол.

Задача №11

В ряде европейских стран для получения этилового спирта в качестве исходного материала используют картофель. Напишите схему последовательных превращений, позволяющих осуществить этот процесс.

Решение. Как известно, картофель богат крахмалом. В результате кислотного гидролиза крахмала образуется глюкоза:

(C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6,

продуктом спиртового брожения которой является этанол:

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2

Задача №12

После исчерпывающего метилирования и гидролиза 10 г гликогена получено 5 ммоль 2,3-ди-О-метилглюкозы. Определите долю остатков глюкозы, участвующих в образовании (1 6)-глико-зидных связей.

Решение.

Гликоген представляет собой полисахарид, близкий по строению к амилопектину (см. стр. 37), но отличающийся большей разветвлен-ностью макроцепей. Его формулу можно представить как совокупность мономерных звеньев (C6H10O5)n и (C6H10O5)m. Первый тип звеньев составляет основную и боковую цепи и в результате исчерпывающего метилирования и гидролиза дает 2,3,6-три-О-метилглюкозу:

Второй тип участвует в образовании (1 6)-гликозидных связей, поэтому метилированию в нем подвергаются только две OH-группы:

Суммарная масса этих звеньев равна:

Отсюда доля остатков глюкозы, участвующих в образовании

(1 6)-гликозидных связей, равна:

Вопросы для контроля усвоения темы

1. Какие соединения относятся к углеводам? Какие функцио-нальные группы они содержат?

2. В чем заключается отличие моносахаридов от олиго- и поли-сахаридов?

3. Чем обусловлено наличие большого числа изомеров моносаха-ридов?

4. Сколько оптических изомеров имеют триозы, тетрозы, пентозы и гексозы?

5. Как определяется принадлежность моносахаридов к D- и

L-ряду?

6. В каких формах моносахариды присутствуют в водных растворах? Приведите эти формы для D-рибозы, D-глюкозы,

D-маннозы и D-галактозы в проекциях Фишера и Хеуорса. Укажите гликозидную OH-группу.

7. Как называется тип динамической изомерии углеводов в водных растворах? Что такое мутаротация?

8. Какие реакции используются для качественного обнаружения альдоз и кетоз?

9. Какие виды брожения моносахаридов вам известны? Напишите уравнения реакций.

10. Напишите формулы 2-дезокси-D-рибозы, L-фукозы, L-рамно-зы, и D-глюкозамина. К каким производным моносахаридов они относятся?

11. Приведите формулу аскорбиновой кислоты. Какое соединение образуется при ее окислении?

12. На какие две группы подразделяются дисахариды и почему? Приведите формулы мальтозы, лактозы, целлобиозы и сахарозы. Определите, к какой группе относится каждый дисахарид.

13. Что такое инвертный сахар?

14. По каким признакам классифицируют полисахариды? Приведите по одному примеру из каждой группы полисахаридов.

15. Напишите структурные формулы звеньев амилозы и целлюлозы. В чем заключается их отличие?

Задачи для самостоятельного решения

Примечание. Формулы открытых форм D-рибозы, D-арабинозы,

D-глюкозы, D-маннозы, D-галактозы, D-альтрозы и D-фруктозы необходимо помнить. В остальных случаях можно воспользоваться схемами на стр. 9-10.

Вариант №1

1. Для моносахарида, представленного в открытой форме:

а) дайте название по международной и тривиальной номенкла-туре;

б) определите число хиральных центров в молекуле моносахарида и общее число его оптических изомеров;

в) приведите открытые формы его энантиомера, эпимера по С-2 и диастереомера по С-3 и С-4 в проекциях Фишера и назовите их по тривиальной номенклатуре;

г) представьте его ?-D-фуранозную и ?-D-пиранозную формы в проекциях Хеуорса.

2. Осуществите следующую цепочку превращений:

?-D-галактофураноза метилгликозид А В

3. Напишите схему таутомерных превращений лактозы в водном растворе в проекциях Хеуорса. Проведите реакции ее полного ацетилирования и окисления бромной водой.

4. Напишите схему полного кислотного гидролиза крахмала с указанием промежуточных продуктов.

Вариант №2

1. Для D-глюкозы:

а) приведите открытую форму и дайте название по междуна-родной номенклатуре;

б) определите число хиральных центров в молекуле моносахарида и общее число его оптических изомеров;

в) приведите открытые формы ее энантиомера, эпимера по С-3 и диастереомера по С-2 и С-4 в проекциях Фишера и назовите их по тривиальной номенклатуре;

г) представьте ее ?-D-фуранозную и ?-D-пиранозную формы в проекциях Хеуорса.

2. Проведите реакции окисления D-альтрозы до альдоновой, альдаровой и уроновой кислот, а также реакцию восстановления альдегидной группы.

3. Осуществите следующую цепочку превращений:

целлобиоза А В С

Назовите вещество С.

4. Напишите схему реакции получения искусственного шелка.

Вариант №3

1. Для моносахарида, представленного в циклической форме:

а) приведите открытую форму и дайте название циклической формы по международной номенклатуре;

б) определите число хиральных центров в молекуле моносахарида и общее число его оптических изомеров;

в) приведите открытые формы его энантиомера, эпимера по С-4 и диастереомера по С-2 и С-3 в проекциях Фишера и назовите их по тривиальной номенклатуре;

г) представьте его аномер в проекции Хеуорса и назовите его.

2. Напишите схему таутомерных превращений D-маннозы в щелочной среде с участием ендиольной формы. Назовите продукты.

3. Проведите реакции полного ацетилирования и метилирования сахарозы с последующим кислотным гидролизом. Назовите конечные продукты.

4. Напишите схему полного кислотного гидролиза целлюлозы с указанием промежуточных продуктов.

Вариант №4

1. Для моносахарида, представленного в открытой форме:

а) дайте название по международной и тривиальной номенкла-туре;

б) определите число хиральных центров в молекуле моносахарида и общее число его оптических изомеров;

в) приведите открытые формы его энантиомера, эпимера по С-3 и диастереомера по С-2 и С-4 в проекциях Фишера и назовите их по тривиальной номенклатуре;

г) представьте его ?-D-фуранозную и ?-D-пиранозную формы в проекциях Хеуорса.

2. Получите полный ацетат ?-D-галактопиранозы и 1,6-дифосфат-?-D-галактофуранозы.

3. В результате кислотного гидролиза восстанавливающего дисахарида образовался раствор, который в начальный момент времени имел удельную величину вращения, соответствующую ?-D-глюкопиранозе ( = +1180). Установите структурную формулу дисахарида, назовите его, напишите схему его кислотного гидролиза и схему его таутомерных превращений в водном растворе.

4. Напишите схему реакции получения пироксилина и уравнение реакции его сгорания.

Вариант №5

1. Для D-арабинозы:

а) приведите открытую форму и дайте название по междуна-родной номенклатуре;

б) определите число хиральных центров в молекуле моносахарида и общее число его оптических изомеров;

в) приведите открытые формы ее энантиомера, эпимера по С-3 и диастереомера по С-2 и С-3 в проекциях Фишера и назовите их по тривиальной номенклатуре;

г) представьте ее ?-D-фуранозную и ?-D-пиранозную формы в проекциях Хеуорса.

2. Получите из D-глюкозы сахарат и глюконат кальция.

3. Составьте формулу дисахарида, если он состоит из остатков

?-D-глюкуроновой кислоты (невосстанавливающий фрагмент) и D-га-лактозамина, соединенных ?-(1 3)-гликозидной связью. Напишите формулу его N-ацильного производного, содержащего сульфатные группы у С-4 и С-6.

4. Осуществите следующую цепочку превращений:

крахмал А В С D E

Напишите схемы реакций и назовите вещества A, B, С, D и E.

Вариант №6

1. Для моносахарида, представленного в циклической форме:

а) приведите открытую форму и дайте название циклической формы по международной номенклатуре;

б) определите число хиральных центров в молекуле моносахарида и общее число его оптических изомеров;

в) приведите открытые формы его энантиомера, эпимера по С-3 и диастереомера по С-3 и С-4 в проекциях Фишера и назовите их по тривиальной номенклатуре;

г) представьте его аномер в проекции Хеуорса и назовите его.

2. Проведите удлинение и укорачивание цепи D-ксилозы на один атом углерода. Назовите полученные моносахариды по тривиальной номенклатуре.

3. Напишите возможную структурную формулу трисахарида, если известно, что его раствор мутаротирует, но не восстанавливает реактив Феллинга, фрагменты связаны только ?-гликозидными связями, а при гидролизе образуются D-глюкопираноза и D-фрукто-пираноза в соотношении 2:1.

4. Напишите схему реакции получения бутилцеллюлозы.

Вариант №7

1. Для моносахарида, представленного в открытой форме:

а) дайте название по международной и тривиальной номенкла-туре;

б) определите число хиральных центров в молекуле моносахарида и общее число его оптических изомеров;

в) приведите открытые формы его энантиомера, эпимера по С-4 и диастереомера по С-2 и С-3 в проекциях Фишера и назовите их по тривиальной номенклатуре;

г) представьте его ?-D-фуранозную и ?-D-пиранозную формы в проекциях Хеуорса.

2. Проведите внутримолекулярную дегидратацию D-арабинозы и D-галактозы. Укажите реагенты, при помощи которых можно качественно обнаружить образующиеся циклические соединения и характерные признаки этих реакций.

3. Для расщепления молекулы лактозы использовали разбавлен-ный раствор азотной кислоты. Какие продукты при этом образуются? Напишите схемы возможных реакций.

4. В состав препарата луронита, получаемого из стекловидного тела глаз крупного рогатого скота, входит полисахарид, структурной единицей которого является дисахарид, состоящий из остатков

D-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-глюкозамина, соединенных

?-(1 3)-гликозидной связью. Составьте формулу полисахарида, если дисахаридные остатки связаны между собой ?-(1 4)-гликозидной связью.

Вариант №8

1. Для D-аллозы:

а) приведите открытую форму и дайте название по междуна-родной номенклатуре;

б) определите число хиральных центров в молекуле моносахарида и общее число его оптических изомеров;

в) приведите открытые формы ее энантиомера, эпимера по С-2 и диастереомера по С-3 и С-4 в проекциях Фишера и назовите их по тривиальной номенклатуре;

г) представьте ее ?-D-фуранозную и ?-D-пиранозную формы в проекциях Хеуорса.

2. В результате брожения D-глюкозы образовался продукт, который реагирует со щелочью только в мольном соотношении 1:1, не реагирует с HBr и не подвергается ацилированию. Определите, какой вид брожения имел место и напишите схемы всех реакций.

3. Напишите формулу невосстанавливающего дисахарида, последовательно состоящего из остатков ?-D-галактопиранозы и ?-D-глюкопиранозы. Проведите его исчерпывающее метилирование с последующим кислотным гидролизом.

4. Предложите способ, при помощи которого можно различить растворы глюкозы, крахмала и целлюлозы.

Вариант №9

1. Для моносахарида, представленного в циклической форме:

а) приведите открытую форму и дайте название циклической формы по международной номенклатуре;

б) определите число хиральных центров в молекуле моносахарида и общее число его оптических изомеров;

в) приведите открытые формы его энантиомера, эпимера по С-3 и диастереомера по С-2 и С-4 в проекциях Фишера и назовите их по тривиальной номенклатуре;

г) представьте его аномер в проекции Хеуорса и назовите его.

2. Проведите последовательно реакции D-аллозы с гидроксидом меди (II) в щелочной среде при комнатной температуре и при нагревании. Опишите качественные признаки реакций.

3. Осуществите следующую цепочку превращений:

сахароза глюкоза глюконовая кислота

Напишите схемы реакций.

4. Напишите схему реакции получения метилцеллюлозы.

Вариант №10

1. Для моносахарида, представленного в открытой форме:

а) дайте название по международной и тривиальной номенкла-туре;

б) определите число хиральных центров в молекуле моносахарида и общее число его оптических изомеров;

в) приведите открытые формы его энантиомера, эпимера по С-3 и диастереомера по С-4 и С-5 в проекциях Фишера и назовите их по тривиальной номенклатуре;

г) представьте его ?-D-фуранозную и ?-D-пиранозную формы в проекциях Хеуорса.

2. Проведите кислотный гидролиз гликозидов D-глюкопиранозы, 2-дезокси-D-глюкопиранозы и 2-амино-2-дезокси-D-глюкопиранозы. Сравните устойчивость перечисленных гликозидов к кислотному гидролизу.

3. Проведите реакции окисления и восстановления лактозы, сохранив при этом гликозидную связь.

4. После исчерпывающего метилирования и гидролиза 1 г гликогена получено 0,6 ммоль 2,3-ди-О-метилглюкозы. Определите долю остатков глюкозы, участвующих в образовании (1 6)-глико-зидных связей и общее число остатков глюкозы в макромолекуле, если ее молекулярная масса составляет 106.

ГЛАВА II. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Нуклеиновые кислоты ? это водорастворимые высокомолеку-лярные соединения, макромолекулы которых состоят из многократно повторяющихся звеньев ? нуклеотидов. Поэтому их также называют полинуклеотидами.

Впервые они были обнаружены в 1868 году швейцарским врачом Мишером в ядрах погибших лейкоцитов, что и определило их название (от лат. nucleus ? ядро).

По химическому строению нуклеиновые кислоты ? биологичес-кие полимеры, состоящие из остатков фосфорной кислоты, моносаха-рида и одного из пуриновых или пиримидиновых гетероциклических оснований. Входящие в состав нуклеиновых кислот гетероцикли-ческие соединения пуринового и пиримидинового ряда называют нуклеиновыми основаниями или просто основаниями.

В общем виде молекулу нуклеиновой кислоты можно предс-тавить следующим образом:

Фрагмент макромолекулы нуклеиновой кислоты моносахарид-основание называется нуклеозидом, а фрагмент моносахарид-основание-фосфат ? нуклеотидом.

Нуклеиновые кислоты присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.

Особенность нуклеиновых кислот заключается в том, что обычно "неделимое" мономерное звено в полинуклеотидах может быть разделено на составные части: нуклеотиды и нуклеозиды, которые помимо того, что служат строительными блоками при синтезе нуклеиновых кислот, играют и вполне самостоятельную роль в процессах обмена веществ, а также участвуют в качестве кофермен-тов в реакциях переноса остатков сахаров, аминов и других биомолекул.

1. Компоненты нуклеиновых кислот

1.1. Азотистые основания.

В состав нуклеиновых кислот входят гетероциклические основания пиримидинового ряда: урацил, тимин, цитозин и пуринового ряда: аденин и гуанин. В составе некоторых нуклеотидов встречаются и другие пурины, в частности 2-метиладенин и

1-метилгуанин, называемые минорными.

Для удобства используют однобуквенные обозначения (символы) гетероциклических оснований (русские или латинские):

Пиримидиновые основания

Пуриновые основания

Нумерация атомов производится в указанном порядке. Отметим также, что в физиологических условиях нуклеиновые основания существуют только в лактамной и аминной формах. Во всех формах гетероциклы сохраняют ароматичность и имеют плоское строение, благодаря чему отличаются высокой термодинамической стабиль-ностью.

1.2. Углеводы.

Углеводным компонентом нуклеиновых кислот являются пентозы: D-рибоза или 2-дезокси-D-рибоза. Обе пентозы всегда находятся в фуранозной форме и имеют ?-конфигурацию аномерного атома С-1? (в формулах нуклеотидов и нуклеозидов атомы углерода моносахаридов нумеруются цифрой со штрихом):

1.3. Фосфорная кислота.

Остатки фосфорной кислоты (H3PO4) входят в состав нуклеотидов и этерифицируют D-рибозу и 2-дезокси-D-рибозу в положениях 3? и 5?. В этой связи нуклеотиды и полинуклеотиды можно рассматривать, с одной стороны, как сложные эфиры нуклеозидов (фосфаты), а с другой ? как кислоты.

Остатки моносахаридов и фосфорной кислоты выполняют структурную функцию и являются носителями гетероциклических оснований.

2. Нуклеозиды

Нуклеозиды состоят из гетероциклических оснований, связанных с моносахаридом N-гликозидной связью. В образовании этой связи участвуют аномерный атом углерода моносахарида и атомы азота N-1 (у пиримидинового основания) и N-9 (у пуринового основания):

В зависимости от углеводного остатка нуклеозиды делятся на рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды. Номенклатурные назва-ния нуклеозидов строятся аналогично названиям гликозидов, например, ?-аденинрибофуранозид и т. д. Однако чаще используются названия с суффиксами -идин у пиримидиновых и -озин у пуриновых нуклеозидов и приставкой дезокси- у дезоксирибонуклеозидов:

цитозин + рибоза = цитидин;

цитозин + дезоксирибоза = дезоксицитидин;

аденин + рибоза = аденозин;

аденин + дезоксирибоза = дезоксиаденозин.

Исключением является название тимидин, используемое для дезокситимидина, входящего в состав ДНК.

Кроме того, нуклеозиды обозначают символами, производимыми от входящих в них оснований. В случае дезоксирибонуклеозидов перед символом ставят строчную букву д (лат. d). Символами удобно пользоваться при обозначении первичной структуры ДНК или РНК. Если речь идет только о ДНК, букву d обычно пропускают.

Таблица 1. Нуклеозиды ДНК.

Название Символ Формула Дезоксиаденозин дА или dA Тимидин дТ или dT Дезоксигуанозин дГ или dG Дезоксицитидин дЦ или dC Таблица 2. Нуклеозиды РНК.

Название Символ Формула Аденозин А Гуанозин Г или G Уридин У или U Цитидин Ц или C Нуклеозиды значительно лучше растворимы в воде, чем исходные азотистые основания. Подобно всем гликозидам, нуклеозиды устойчивы к действию щелочей, но при нагревании легко подвергаются кислотному гидролизу с разрывом гликозидной связи и образованием основания и пентозы:

Пиримидиновые нуклеозиды значительно более устойчивы к гидролизу, чем пуриновые. В условиях in vivo гидролиз обоих типов нуклеозидов осуществляется при помощи специфических ферментов, называемых нуклеозидазами.

3. Нуклеотиды

Нуклеотиды ? это производные нуклеозидов, которые образуются в результате этерификации пентозного фрагмента фосфорной кислотой. В зависимости от строения пентозы различают рибонуклеотиды (мономерные звенья РНК) и дезоксирибо-нуклеотиды (мономерные звенья ДНК).

В 2-дезоксирибозе имеются только два положения, по которым может образовываться сложноэфирная связь ? а именно 3?- и 5?-положения. В случае рибонуклеотидов фосфатная группа может находиться в положениях 2?, 3? и 5?. В биологических системах встречаются нуклеотиды всех типов, однако наиболее распространены нуклеозид-5?-фосфаты. За счет фосфатного остатка нуклеотиды проявляют свойства кислот и в физиологических условиях (pH ? 7) находятся в практически полностью ионизирован-ном состоянии.

3.1. Мононуклеотиды.

Мононуклеотиды ? это повторяющиеся мономерные единицы олигонуклеотидов и полинуклеотидов.

3.1.1. Нуклеозидмонофосфаты.

Нуклеозидмонофосфаты содержат только один остаток фосфор-ной кислоты. Например:

Для мононуклеотидов также используют два вида названий (табл. 3.), отражающих их принадлежность как к сложным эфирам, так и к кислотам. В первом случае название включает наименование нуклеозида с указанием положения в нем фосфатного остатка: аденозин-5?-фосфат*, уридин-5?-фосфат и т. д. Широко используются и тривиальные названия, имеющие окончание "-овая кислота", например, 5?-Уридиловая кислота.

Для удобства введены сокращения: трехбуквенные ? АМФ (лат. AMP), УМФ (лат. UMP) и т.д. и однобуквенные ? pA, pU и т.д. В биохимической литературе встречаются как русские, так и латинские обозначения, однако более широко используются латинские. Сокращения AMP, GMF и т.д. всегда относятся к 5?-нуклеотидам. У других, например, 3?-производных в сокращенном названии указывается положение фосфатной группы: 3?-AMP, 3?-GMP и т. д.

* вместо "монофосфат" часто пишут просто "фосфат".

В однобуквенных кодах 5?-фосфаты записываются с добавлением латинской буквы "p" перед символом нуклеозида (pA), 3?-фосфаты ? после символа нуклеозида (Ap).

Таблица 3. Важнейшие нуклеотиды, входящие в состав нуклеино-вых кислот.

Названия нуклеотидов Сокращенные названия как монофосфата как кислоты Входящие в состав РНК Аденозин-5?-фосфат* 5?-Адениловая кислота AMP pA Гуанозин-5?-фосфат 5?-Гуаниловая кислота GMP pG Цитидин-5?-фосфат 5?-Цитидиловая кислота CMP pC Уридин-5?-фосфат 5?-Уридиловая кислота UMP pU Входящие в состав ДНК Дезоксиаденозин-5?-фосфат 5?-Дезоксиадениловая кислота dAMP pdA Дезоксигуанозин-5?-фосфат 5?-Дезоксигуаниловая кислота dGMP pdG Дезоксицитидин-5?-фосфат 5?-Дезоксицитидиловая кислота dCMP pdC Тимидин-5?-фосфат Тимидиловая кислота dTMP pdT Сложноэфирные связи с фосфатными остатками в мононуклео-тидах относительно устойчивы к кислотному гидролизу. Однако фермент 5?-нуклеотидаза способен отщеплять фосфатную группу в положении 5?, не затрагивая при этом N-гликозидную связь.

3.1.1.1. Нуклеозидмоноциклофосфаты.

Существуют нуклеотиды, в которых фосфорная кислота одновре-менно этерифицирует две гидроксильные группы пентозного остатка с образованием устойчивого шестичленного цикла. В этой связи в их названиях используют приставку цикло-, например, циклоаденозин-монофосфат (cAMP) или циклогуанозинмонофосфат (cGMP). Эти два нуклеозидциклофосфата присутствуют практически во всех клетках живых организмов:

Биологическая роль циклических нуклеотидов была открыта сравнительно недавно. Так, аденозин-3?, 5?-циклофосфат выполняет роль внутриклеточного "посредника" в процессах, индуцируемых гормоном адреналином.

3.1.2. Нуклеозид-5?-дифосфаты (НДФ) и нуклеозид-5?-трифос-фаты (НТФ).

Во всех тканях организма в свободном состоянии содержатся не только моно-, но и ди-, а также трифосфаты нуклеозидов. Наиболее известными являются аденозин-5?-дифосфат (АДФ) аденозин-5?-трифосфат (АТФ).

Нуклеотиды, фосфорилированные в разной степени, способны к взаимопревращениям путем наращивания или отщепления фосфат-ных групп. Дифосфатная группа содержит одну, а трифосфатная ? две ангидридные связи, называемые макроэргическими, поскольку они обладают большим запасом энергии. При расщеплении макроэргической связи Р ? О выделяется энергия, приблизительно равная 32 кДж/моль. Этим объясняется важнейшая роль АТФ как "поставщика" энергии во всех живых клетках. Взаимные превращения АМФ, АДФ и АТФ представлены на схеме 1.

Ангидридные связи могут гидролизоваться либо специфичными ферментами, либо при кипячении в присутствии HCl. Ни сложно-эфирная связь, ни N-гликозидная при этом не расщепляются.

Помимо энергетической функции, НДФ и НТФ играют важную роль в транспорте строительных блоков. Так, уридиндифосфат (УДФ) выполняет функцию переносчика остатков моносахарида при синтезе полисахаридов. Кроме того, они являются предшественниками мононуклеотидных единиц при синтезе ДНК и РНК.

Схема 1. Взаимные превращения АМФ, АДФ и АТФ.

3.2. Динуклеотиды.

Динуклеотиды состоят из двух мононуклеотидных единиц, соединенных фосфатным мостиком. Наиболее важными представите-лями этой группы являются никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и его фосфат (НАДФ), флавинадениндинуклеотид (ФАД) и его восстановленная форма ФАДН2. НАД и НАДФ выполняют важную роль коферментов большого числа ферментов дегидрогеназ и, следовательно, являются участниками окислительно-восстанови-тельных реакций. В соответствии с этим они могут существовать как в окисленной (НАД+, НАДФ+), так и в восстановленной (НАДН, НАДФН) формах:

Структурным фрагментом НАД+, НАДФ+ является никотин-амидный остаток в виде пиридиниевого катиона. В составе НАДН, НАДФН этот фрагмент превращается в остаток замещенного

1,4-дигидропиридина.

В ходе биологического дегидрирования (окисления) субстрат теряет два атома водорода, т.е. два протона и два электрона, и переходит в окисленную форму, а НАД+ и НАДФ+ переходят в восстановленную форму НАДН и НАДФН соответственно. Данный процесс является обратимым:

Типичными примерами биохимических реакций с участием НАД+ являются окисление спиртовых групп в альдегидные (например, превращение ретинола в ретиналь), а с участием НАДН ? восстановление карбонильных групп в спиртовые:

Флавинадениндинуклеотид ? кофермент окислительно-восстано-вительных процессов с участием ферментов оксидаз (окислительное дезаминирование ?-аминокислот) и дегидрогеназ (превращение янтарной кислоты в фумаровую):

Флавинадениндинуклеотид (ФАД) является метаболически актив-ной формой рибофлавина (витамина В2). В структуру рибофлавина входят остаток альдита D-рибитала и гетероциклическая система изоаллоксазина, включающая фрагмент 2,4-диоксоптеридина:

Изоаллоксазин, имеющий ярко-желтый цвет, получил название флавин (от лат. Flavus ? желтый) и соответственно витамин В2 ? название рибофлавин. Ответственным за окислительно-восстанови-тельный процесс является изоаллоксазиновый фрагмент, который, восстанавливаясь, присоединяет от субстрата два электрона к атомам углерода изоаллоксазинового фрагмента, изменяя их степень окисления. Одновременно два протона (Н+), получаемые обычно из водной среды, присоединяются к атомам азота, в результате чего образуется восстановленная форма ФАДН2. Процесс обратим:

3.3. Олиго- и полинуклеотиды.

Олигонуклеотидами называют соединения, в которых несколь-ко нуклеозидов (до 20) соединены между собой фосфодиэфирными связями. Нуклеозид со свободной 5?-OH-групой называется

5?-концевым, а со свободной 3?-OH-групой ? 3?-концевым.

Полинуклеотиды представляют собой линейные гетерополиме-ры, также состоящие из последовательности мононуклеозидных единиц, соединенных фосфатным мостиком. Полинуклеотиды, состоящие из ковалентно связанных между собой остатков дезоксирибонуклеозидов, называются дезоксирибонуклеиновыми кислотами (ДНК), а полинуклеотиды, состоящие из остатков рибонуклеозидов ? рибонуклеиновыми кислотами (РНК). В обоих случаях мононуклеозиды связаны между собой при помощи фосфодиэфирных мостиков, соединяющих 3?-положение одного мононуклеотида с 5?-положением его соседа.

Нуклеиновые кислоты также различаются и по составу входящих в них гетероциклических оснований: урацил входит только в состав РНК, а тимин ? только в состав ДНК. Аденин, цитозин и гуанин являются постоянными компонентами полинуклеотидов.

Молекулярная масса ДНК достигает десятков миллионов. Это самые длинные из известных макромолекул. Значительно меньше молекулярная масса РНК (от нескольких сотен до десятков тысяч). ДНК содержатся в основном в ядрах клеток, РНК ? в рибосомах и протоплазме клеток.

3.3.1. Первичная структура нуклеиновых кислот.

Первичная структура нуклеиновых кислот ? это нуклеотидный состав и определенная последовательность нуклеотидных звеньев в полимерной цепи. Фрагменты полинуклеотидных цепей ДНК и РНК представлены на рис. 1.

Для записи первичной структуры ДНК и РНК используют однобуквенные обозначения нуклеозидов. Приведенные на рис 1. фрагменты ДНК и РНК записывают соответственно: d(A-C-G-T) и

(A-C-G-U). Часто букву d опускают, если речь идет о ДНК.

ДНК РНК Рис. 1. Первичная структура цепи ДНК и РНК.

Нуклеотидный состав ДНК различного происхождения находится в соответствии с правилами Э. Чаргаффа:

1) Все ДНК независимо от их происхождения содержат одинаковое число пуриновых и пиримидиновых оснований. Следовательно, в любой ДНК на каждый пуриновый нуклеотид приходится один пиримидиновый.

2) Любая ДНК всегда содержит в равных количествах попарно аденин и тимин, гуанин и цитозин, что обычно обозначают как А = Т и G = C.

3) Количество оснований, содержащих аминогруппы в положении 4 пиримидинового ядра и 6 пуринового (цитозин и аденин), равно количеству оснований, содержащих оксо-группу в тех же положениях (гуанин и тимин), т. е. A + C=G + T.

Наряду с этим было установлено, что для каждого типа ДНК суммарное содержание гуанина и цитозина не равно суммарному содержанию аденина и тимина, т. е. что (G + C)/(A + T), как правило, отличается от единицы (может быть как больше, так и меньше ее). По этому признаку различают два основных типа ДНК: А-Т-тип с преимущественным содержанием аденина и тимина и G-C-тип с преимущественным содержанием гуанина и цитозина.

Для РНК правила Чаргаффа либо не выполняются, либо выполняются с большим приближением.

3.3.2. Вторичная структура нуклеиновых кислот.

Под вторичной структурой нуклеиновых кислот понимают пространственно упорядоченные формы полинуклеотидных цепей.

Вторичная структура ДНК представляет собой две параллельные неразветвленные полинуклеотидные цепи, закрученные вокруг общей оси в двойную спираль (рис. 2).

Рис. 2. Вторичная структура ДНК.

Такая пространственная структура удерживается множеством водородных связей, образуемых азотистыми основаниями, направ-ленными внутрь спирали. Эти основания составляют компле-ментарные пары (от лат. complementum ? дополнение). Образование водородных связей между комплементарными парами оснований обусловлено их пространственным соответствием. Так, пиримидино-вое основание комплементарно пуриновому:

Водородные связи между другими парами оснований не возникают по пространственным причинам. Таким образом, в ДНК:

ТИМИН (Т) комплементарен АДЕНИНУ (А)

ЦИТОЗИН (C) комплементарен ГУАНИНУ (G)

Комплементарность оснований определяет комплементарность цепей в молекулах ДНК. Водородные связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Иными словами, пуриновым основаниям аденину и гуанину в одной цепи будут соответствовать пиримидиновые основания тимин и цитозин в другой цепи.

Таким образом, полинуклеотидные цепи, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны между собой:

В сдвоенной молекуле ДНК суммарно число групп А равно числу групп Т, а число групп G ? числу C.

Комплементарность полинуклеотидных цепей служит химичес-кой основой главной функции ДНК ? хранения и передачи наследственных признаков. Способность ДНК не только хранить, но и использовать генетическую информацию определяется следую-щими ее свойствами:

1) Молекулы ДНК способны к репликации (удвоению), т.е. могут обеспечить возможность синтеза других молекул ДНК, идентичных исходным, поскольку последовательность оснований в одной из цепей двойной спирали контролирует их расположение в другой цепи;

2) Молекулы ДНК могут совершенно точным и определенным образом направлять синтез белков, специфичных для организмов данного вида.

Вторичная структура РНК.

В отличие от ДНК, молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи и не имеют строго определенной пространственной формы (рис. 3.), т.к. вторичная структура РНК зависит от их биологических функций. Полимерная цепь РНК приблизительно в десять раз короче, чем у ДНК.

Комплементарными парами в РНК являются цитозин-гуанин и урацил-аденин.

Рис. 3. Вторичная структура РНК.

Основная роль РНК ? непосредственное участие в биосинтезе белка. Известны три вида клеточных РНК, которые отличаются по местоположению в клетке, составу, размерам и свойствам, определяющим их специфическую роль в образовании белковых макромолекул:

1) Информационные (матричные) РНК передают закодированную в ДНК информацию о структуре белка от ядра клетки к рибосомам, где и осуществляется синтез белка;

2) Транспортные РНК собирают аминокислоты в цитоплазме клетки и переносят их в рибосому; молекулы РНК этого типа "узнают" по соответствующим участкам цепи информационной РНК, какие аминокислоты должны участвовать в синтезе белка;

3) Рибосомные РНК обеспечивают синтез белка определенного строения, считывая информацию с информационной (матричной) РНК.

3.3.3. Химические свойства нуклеиновых кислот.

ДНК и РНК имеют много общих химических и физических свойств. Так, нуклеиновые кислоты хорошо растворимы в воде и плохо растворяются в водных растворах кислот. Существенные различия ДНК и РНК связаны, в основном, с их отношением к гидролизу.

3.3.3.1. Гидролиз в кислой среде.

Мягкий кислотный гидролиз ДНК оказывает весьма избиратель-ное действие: он приводит к расщеплению N-гликозидных связей между пуриновыми основаниями и дезоксирибозой, связи пиримидин-дезоксирибоза при этом не затрагиваются. В результате образуется ДНК, лишенная пуриновых оснований. Гидролиз РНК, проводимый в аналогичных условиях, приводит к образованию пуриновых оснований и пиримидиновых нуклеозид-2'(3')-фосфатов.

Кислотный гидролиз в жестких условиях, приводит к разрыву всех N-гликозидных связей как ДНК, так и РНК и образованию смеси пуриновых и пиримидиновых оснований.

3.3.3.2. Гидролиз в щелочной среде.

В щелочной РНК легко гидролизуются до нуклеотидов, которые в свою очередь, расщепляются с образованием нуклеозидов и остатков фосфорной кислоты. ДНК, в отличие от РНК, устойчивы к щелочному гидролизу.

3.3.3.3. Ферментативный гидролиз.

Гидролиз ДНК и РНК также протекает и при участии специфических ферментов ? нуклеаз. Эти ферменты избирательно действуют на 3?- и 5?-сложноэфирные связи. Так, фосфодиэстераза, выделенная из яда змей, расщепляет все 3?-связи как в ДНК, так и в РНК с образованием нуклеозид-5?-фосфатов. Фосфодиэстераза, выделенная из селезенки быка, наоборот, гидролизует только 5?-связи и высвобождает только нуклеозид-3?-фосфаты. Известны дезокси-рибонуклеазы, расщепляющие связи только между определенными парами мононуклеотидов ? их используют для направленного гидролиза РНК.

Гидролиз ДНК И РНК проводят, в основном, для установления их нуклеотидного состава. Далее выделенные смеси анализируют с использованием хроматографических и спектральных методов анализа, а также электрофореза.

Нуклеиновые кислоты часто бывают связаны со специфичными белками в очень крупные надмолекулярные нуклеопротеидные комплексы. Таковыми являются, например, рибосомы и вирусы.

Эталоны решения задач

Задача №1

Составьте формулы нуклеозидов:

1) 2?-дезоксиаденозин;

2) гуанозин.

Решение. 1) Данный нуклеозид состоит из 2-дезокси-?-D-рибофуранозы и аденина, связанных N-гликозидной связью:

2) Данный нуклеозид имеет в своем составе ?-D-рибофуранозу и гуанин:

Задача №2

Составьте структурную формулу мононуклеотида, брутто-формула которого C9H14N3O8P, и назовите его.

Решение.

Общая формула большинства мононуклеотидов имеет вид:

где X ? H или OH, Y ? азотистое основание.

Единственным гетероциклическим основанием, содержащим 3 атома азота, является цитозин ? C4H5N3O. Следовательно, на остатки пентозы и фосфорной кислоты приходится 7 атомов кислорода, из которых 3 входят в состав фосфатной группы (?H2PO3) и один участвует в образовании сложноэфирной связи между пентозой и фосфатом. Таким образом, оставшиеся 3 атома кислорода входят в состав пентозы и X = OH.

Формула мононуклеотида:

Название: цитидин-5?-фосфат или 5?-цитидиловая кислота.

Задача №3

Для олигонуклеотида (фрагмента цепи ДНК) состава: 5?-A-C-Т-3?:

1) напишите структурную формулу и укажите составные части;

3) напишите формулу фрагмента цепи ДНК, комплементарного данному и обозначьте его при помощи однобуквенного кода;

4) укажите комплементарные пары гетероциклических оснований;

5) определите, какие таутомерные формы азотистых оснований участвуют в образовании комплементарных пар.

Решение.

1) Данный олигонуклеотид имеет 5?-концевую OH-группу у аденозина и 3?-концевую OH-группу у тимидина. Формула заданного фрагмента ДНК имеет вид:

Составными частями данного олигонуклеотида являются фрагменты D-дезоксирибозы, фосфорной кислоты и гетероцикличес-ких оснований: аденина, цитозина и тимина.

2) Заданному фрагменту комплементарен участок цепи ДНК с обратным направлением нуклеозидов: 3?-T-G-A-5?:

4) Комплементарными парами являются аденин-тимин и цитозин-гуанин.

5) В образовании комплементарных пар азотистые основания участвуют в лактамной и аминной формах:

Задача №4

Укажите продукты, образующиеся при действии фосфодиэсте-разы яда змей на фрагмент РНК состава 5?-A-U-A-A-C-U-3?.

Решение. Фосфодиэстераза змеиного яда последовательно расщепляет сложноэфирные 3?-связи в молекуле РНК с образованием нуклеозида (при отщеплении концевой 5?-группы) и нуклеозид-5?-фосфатов:

В результате ферментативного расщепления образуются: аденозин (1 молекула), аденозин-5?-фосфат (2 молекулы), уридин-5?-фосфат (2 молекулы) и цитидин-5?-фосфат (1 молекула).

Задача №5

Предложите способ, при помощи которого можно осуществить разложения РНК до гетероциклического основания пентозы и фосфат-аниона.

Решение. В отличие от ДНК, РНК подвергается щелочному гидролизу с образованием сначала рибонуклеотидов, а затем рибонуклеозидов:

РНК рибонуклеотиды рибонуклеозиды + PO43?

Дальнейшее разложение рибонуклеозидов с разрывом N-глико-зидной связи протекает уже в кислой среде:

Рибонуклеозиды гетероциклические основания + D-рибоза

Вопросы для контроля усвоения темы

1. Какие гетероциклические основания входят в состав нуклеиновых кислот? Приведите их структурные формулы.

2. Что представляют собой углеводные фрагменты нуклеиновых кислот? Укажите их стереохимический параметр.

3. Что такое нуклеозиды? Приведите примеры. Какая химическая связь реализуется между фрагментами нуклеозидов?

4. Что такое мононуклеотиды? Приведите примеры. Какие химические связи реализуется между фрагментами нуклеотидов?

5. В каких положениях могут находиться фосфатные группы в рибонуклеотидах и дезоксирибонуклеотидах?

6. В каком состоянии находятся остатки фосфорной кислоты в нуклеотидах при физилогических условиях?

7. Что представляют собой нуклеозид-5?-дифосфаты и нуклеозид-5?-трифосфаты? Какова их роль в жизнедеятельности организма?

8. Какие связи содержит трифосфатная группа АТФ?

9. Что такое динуклеотиды? Приведите примеры процессов, протекающих с участием НАД+, НАДН, ФАД и ФАДН2.

10. Что такое полинуклеотиды? В каких пределах варьирует их молекулярная масса?

11. Что понимают под первичной структурой нуклеиновых кислот?

12. В чем заключаются отличия в первичной структуре ДНК и РНК?

13. Что такое вторичная структура полинуклеотидов? Чем отличается вторичная структура ДНК и РНК?

14. Какой вид взаимодействия стабилизирует двойную спираль ДНК?

15. В какой форме азотистые основания участвуют в образовании комплементарных пар?

16. Почему гуанин не образует комплементарные пары с тимином и урацилом?

17. В чем заключается отличие химических свойств ДНК и РНК?

18. В чем заключается отличие в воздействии на ДНК и РНК фосфодиэстеразы, выделенной из яда змей и селезенки быка?

Задачи для самостоятельного решения

1. Составьте формулы нуклеозидов: dT, dG, dC, A, U, C.

2. Составьте формулы нуклеотидов: 5?-AMP, 5?-GMP, 5?-dCMP, 3?-UMP, 3?-dTMP.

3. Составьте формулу фрагмента ДНК состава: 5?-G-T-A-C-A-3?. Подберите последовательность азотистых оснований, комплементар-ных данному ряду.

4. Составьте формулу фрагмента ДНК состава: 5?-C-U-A-G-U-3?. Подберите последовательность азотистых оснований, комплементар-ных данному ряду.

5. Проведите кислотный гидролиз тимидина и гуанозина. Назовите продукты.

6. Проведите ферментативный гидролиз уридин-5?-фосфата при помощи 5?-нуклеотидазы.

7. Укажите продукты, образующиеся при действии фосфодиэсте-разы, выделенной из селезенки быка, на фрагмент ДНК состава 5?-С-Т-G-G-C-Т-3?.

8. На рисунке приведены участки цепей полинуклеотидов, отражающих вторичную структуру нуклеиновой кислоты.

а) определите, какой нуклеиновой кислоте ? ДНК или РНК ? принадлежат эти фрагменты;

б) обозначьте последовательности нуклеотидов в обоих фрагментах при помощи однобуквенного кода;

в) укажите комплементарные пары азотистых оснований;

г) проведите кислотный гидролиз данных фрагментов в мягких и в жестких условиях.

3

105

Показать полностью… https://vk.com/doc-42117957_132065445
Рекомендуемые документы в приложении