Структура, функции и биологически важные реакции углеводов
ЗАНЯТИЕ 11
СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ И БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫЕ РЕАКЦИИ УГЛЕВОДОВ
D-ГЛЮКОПИРАНОЗА
По аналогичным правилам осуществляется переход и у кетоз, что показано ниже на примере одного из аномеров фуранозной формы d-фруктозы.
Цикло-оксо-таутомерия
В твердом состоянии моносахариды находятся в циклической форме. В зависимости от того, из какого растворителя была перекристаллизована d-глюкоза, она получается либо в виде a-d-глюкопиранозы (из спирта или воды), либо в виде β-d-глюкопиранозы (из пиридина). Они различаются величиной угла удельного вращения, а именно +112° у a-аномера и +19° у β-аномера. У свежеприготовленного раствора каждого аномера при стоянии наблюдается изменение удельного вращения до достижения постоянного, одинакового для того и другого раствора угла вращения +52,5°.
Изменение во времени угла вращения плоскости поляризации света растворами углеводов называют мутаротацией.
Химическая сущность мутаротации состоит в способности моносахаридов к существованию в виде равновесной смеси таутомеров - открытой и циклических форм. Такой вид таутомерии называется цикло-оксо-таутомерией.
В растворах равновесие между четырьмя циклическими таутомерами моносахаридов устанавливается через открытую форму - оксоформу. Взаимопревращение a- и β-аномеров друг в друга через промежуточную оксоформу называется аномеризацией.
Таким образом, в растворе d-глюкоза существует в виде таутомеров: оксоформы и a- и β-аномеров пиранозных и фуранозных циклических форм.
В смеси таутомеров преобладают пиранозные формы. Оксоформа, а также таутомеры с фуранозными циклами содержатся в малых количествах. Важно, однако, не абсолютное содержание того или иного таутомера, а возможность их перехода друг в друга, что приводит к пополнению количества «нужной» формы по мере ее расходова-
ния в каком-либо процессе. Например, несмотря на незначительное содержание оксоформы, глюкоза вступает в реакции, характерные для альдегидной группы.
Аналогичные таутомерные превращения происходят в растворах со всеми моносахаридами и большинством известных олигосахаридов. Ниже приведена схема таутомерных превращений важнейшего представителя кетогексоз - d-фруктозы, содержащейся во фруктах, меде, а также входящей в состав сахарозы.
Конформации
Наглядные формулы Хеуорса тем не менее не отражают реальной геометрии молекул моносахаридов, поскольку пяти- и шестичленные циклы не являются плоскими. Так, шестичленный пиранозный цикл, подобно циклогексану, принимает наиболее выгодную конформацию кресла. В распространенных моносахаридах объемная первичноспиртовая группа СН2ОН и большинство гидроксильных групп находятся в более выгодных экваториальных положениях.
Из двух аномеров d-глюкопиранозы в растворе преобладает β-аномер, у которого все заместители, включая полуацетальный гидроксил, расположены экваториально.
Высокой термодинамической устойчивостью d-глюкопиранозы, обусловленной ее конформационным строением, объясняется наибольшее распространение d-глюкозы в природе среди моносахаридов.
Конформационное строение моносахаридов предопределяет пространственное расположение полисахаридных цепей, формируя их вторичную структуру.
4. Строение наиболее важных представителей пентоз (рибоза, 2-дезоксирибоза, ксилоза); гексоз (глюкоза, манноза, галактоза, фруктоза), аминосахаров (глюкозамин, маннозамин, галактозамин), их роль.
Большинство природных моносахаридов принадлежит к D-ряду. Из альдопентоз часто встречаются D-рибоза и D-ксилоза, а из кетопентоз - D-рибулоза и D-ксилулоза. Общие названия кетоз образуются введением суффикса -ул в названия соответствующих альдоз: рибозе соответствует рибулоза, ксилозе - ксилулоза (из этого правила выпадает название «фруктоза», которое не имеет связи с названием соответствующей альдозы).
Как видно из приведенных выше формул, стереоизомерные d-альдогексозы, равно как d-альдопентозы и d-кетопентозы, являются диастереомерами. Среди них есть такие, которые отличаются конфигурацией только одного центра хиральности. Диастереомеры, различающиеся конфигурацией только одного асимметрического атома углерода, называются эпимерами. Эпимеры - частный случай диастереомеров. Например, d-глюкоза и d-галактоза отличаются друг от друга только конфигурацией атома С-4, т. е. являются эпимерами по С-4. Аналогично d-глюкоза и d-манноза - эпимеры по С-2, а d-рибоза и d-ксилоза - по С-3.
Дезоксисахара. Самый распространенный из дезоксисахаров - 2-дезокси-D-рибоза - является структурным компонентом ДНК. В природных сердечных гликозидах, применяемых в кардиологии, содержатся остатки дидезоксисахаров, например дигитоксозы (сердечные гликозиды наперстянки).
Аминосахара. Эти производные, содержащие вместо гидроксильной группы аминогруппу (обычно при С-2), обладают основными свойствами и образуют с кислотами кристаллические соли. Важнейшими представителями аминосахаров служат аналоги d-глюкозы и d-галактозы, для которых часто используют полутривиаль-
ные названия - d-глюкозамин (2-дезокси-2-амино-D-глюкоза) и d-галактозамин (2-дезокси-2-амино-D-галактоза) соответственно. Аминогруппа в них может быть ацилирована остатками уксусной, иногда серной кислоты.
Сравнительно недавно открыт D-маннозамин (2-амино-2-дезокси-D-манноза):
СОН
ОН – С - Н
ОН – С - Н
Н – С - ОН
Н – С - ОН
СН2-ОН
Аминосахара (обычно в виде N-ацетальных производных) входят в состав мукополисахаридов (полисахаридов плазмы крови, иммунополисахаридов, хитина) и мукопротеидов (гликопротеидов).
Глюкозамин – главный аминосахар нашего организма. Именно его, либо его модификации (ацетилглюкозамин, галактозамин, маннозамин) организм использует в качестве строительного материала многих гликопротеинов соединительной ткани – гиалуроновой кислоты, хондроитин-, гепарин-, кератан- сульфатов.
D-Глюкозаминсульфат непосредственно является мономером протеогликана хрящевой ткани – хондроитинсульфата. Поэтому давно и с успехом используется в медицине как препарат, предупреждающий прогрессирование различных заболеваний суставов.
D–Глюкозамин относится к так называемым «сигнальным» молекулам, т.к.:
1. Стимулирует основной фактор роста фибробластов.
2. Способствует выработке оксида азота макрофагами, тем самым оказывая сосудорасширяющий эффект.
3. Подавляет образование фибробластами и кератиноцитами Интерлейкина–1 α одного из медиаторов острого и хронического воспаления, стимулятора матриксных металлопротеиназ – разрушителей экстрацеллюлярного матрикса кожи.
4. Подавляет образование TNF-α (фактора некроза опухолей альфа), под влиянием которого увеличивается образование макрофагами и нейтрофилами перекиси водорода и других свободных радикалов.
Галактозамин (хондрозамин) - структурный компонент хондроитинсерной кислоты, входящей в состав соединительной ткани (особенно хрящевой).
Маннозамин входит в состав сиаловых кислот.
5. Реакция фосфорилирования моносахаридов и ее биологическое значение. Гидролиз фосфатов.
В клетках глюкоза и другие моносахариды с использованием АТФ фосфорилируются до фосфорных эфиров, например: глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат + АДФ
Эта реакция катализируется ферментом гексокиназой (в клеточных условиях гексокиназа неспособна осуществлять обратную реакцию).
Значение фосфорилирования промежуточных соединений:
1. Поскольку в клеточной мембране, как правило, отсутствуют белки-переносчики для фосфорилированных сахаров, фосфорилированные промежуточные соединения, а также глюкозо-6-фосфат не могут покинуть клетку. После первоначального фосфорилирования для удержания внутри клетки фосфорилированных соединений больше не нужно дополнительной энергии, несмотря на большую разницу между внутри- и внеклеточной концентрацией этих соединений.
2. Фосфатные группы необходимы для хранения метаболической энергии. Энергия, которая потенциально может быть высвобождена при гидролизе фосфоангидридных связей (например, в АТФ), частично запасается при образовании эфиров фосфорной кислоты, например, глюкозо-6-фосфата. В дальнейшем высокоэнергетические соединения, содержащие фосфатную группу и образующиеся в ходе гликолиза (1,3-дифосфоглицерат и фосфоенолпируват), выступают в качестве доноров фосфорильной группы при образовании АТФ из АДФ.
3. Энергия связывания фосфатных групп с активными центрами ферментов снижает энергию активации и увеличивает специфичность ферментативных реакций. Фосфатные группы АДФ, АТФ и промежуточных продуктов гликолиза образуют комплексы с ионами Mg2+. Места связывания субстрата многих ферментов специфичны к этим комплексам. Для активности большинства ферментов гликолиза необходим Mg2+.
Гидролиз глюкозо-6-фосфата
Глюкозо-6-фосфат, подобно всем другим фосфорилированным интермедиатам, «заперт» в клетке, будучи не способным проходить через цитоплазматическую мембрану. Однако, имеются три ткани, клетки которых должны быть способны выделять глюкозу в кровоток, а именно: ткани печени и эпителий почечных канальцев и тонкого кишечника. Это становится возможным благодаря действию фермента глюкозо-6-фосфатазы, который катализирует реакцию:
глюкозо-6-фосфат + Н2О → глюкоза + Н3РО4
Полученная в ходе реакции глюкоза с током крови транспортируется к клеткам органов и тканей, что имеет большое значение при голодании.
6. О - и N- гликозиды. Их образование и гидролиз; биологическая роль гликозидов.
К гликозидам относят производные циклических форм углеводов, в которых полуацетальная гидроксильная группа заменена группой OR. Неуглеводный компонент гликозида называют агликоном. Связь между аномерным центром (в альдозах это С-1, в кетозах - С-2) и группой OR называют гликозидной. Гликозиды являются ацеталями циклических форм альдоз или кетоз.
В зависимости от размера оксидного цикла гликозиды подразделяют на пиранозиды и фуранозиды. Гликозиды глюкозы называют глюкозидами, рибозы - рибозидами и т. п. В полном названии гликозидов последовательно указывают наименование радикала R, конфигурацию аномерного центра (α- или β-) и название углеводного остатка с заменой суффикса -оза на -озид (см. примеры в схеме реакции ниже).
Гликозиды образуются при взаимодействии моносахаридов со спиртами в условиях кислотного катализа; при этом в реакцию вступает только полуацетальная группа ОН.
Реакция образования О-гликозидов лежит в основе образования ди-, олиго- и полисахаридов.
При гидролизе О-гликозидной связи полисахариды расщепляются на более короткие фрагменты, а при полном гидролизе – на образующие полисахариды моносахара. Например, при ферментативном гидролизе α-1,4 и α-1,6-О-гликозидных связей в молекуле крахмала (основной полисахарид пищи) в желудочно-кишечном тракте человека образуется α-глюкоза.
Рассмотрим N-гликозиды на примере реакции взаимодействия азотистого гетероциклического основания и пентозы. Азотистое основание присоединяется к углеводному компоненту вместо полуацетального гидроксила через атом азота в положении 1 для пиримидинов и 9 для пуринов, образуя N-гликозидную связь. На рисунке показано образование Аденозина – пуринового нуклеозида, состоящего из азотистого основания аденина и ß,Д-рибофуранозы. Реакция обратима. При гидролизе нуклеозида образуется азотистое основание и углевод – рибоза.
Реакция образование N-гликозидов лежит в основе образования нуклеозидов, нуклеотидов и нуклеиновых кислот, кофакторов.
Лактулоза
Лактуло́за (4-О-β-D-галактопиранозил-D-фруктоза) - дисахарид, состоящий из остатков молекул галактозы и фруктозы, синтетический стереоизомер молочного сахара - лактозы. В природе не встречается.
Лактулоза используется в качестве осмотического слабительного лекарственного средства, стимулирующего перистальтику кишечника, и применяется при запорах, печёночной энцефалопатии, а также при диагностике нарушений желудочно-кишечного тракта.
По физическим свойствам - белый порошок, хорошо растворимый в воде.
Лактулозу в промышленных количествах синтезируют из лактозы, которую, в свою очередь, вырабатывают из подсырной сыворотки, отходов при производстве молока и молочных продуктов. Продукт производства в качестве примесей может содержать галактозу (не более 16%), лактозу (12 %), эпилактозу (8 %), фруктозу (1 %).
Лактулоза оказывает гиперосмотическое слабительное действие, стимулирует перистальтику кишечника, улучшает всасывание фосфатов и солей кальция и магния, способствует выведению ионов аммония.
Лактулоза, в отличие от лактозы (также дисахарида, содержащегося в молоке), совершенно не всасывается в кишечнике человека, поскольку у человека нет ферментов, способных гидролизовать лактулозу. Благодаря этому лактулоза повышает осмотическое давление в кишечнике и вызывает переход воды в просвет кишки, разжижение и увеличение объёма стула и, тем самым, послабляющий эффект. Лактулоза также увеличивает секрецию желчи в просвет тонкой кишки, подобно другим осмотическим слабительным, таким, как магния сульфат.
Кроме того, лактулоза, доходя в неизменённом виде до толстой кишки, захватывается и метаболизируется бактериями толстой кишки, способными усваивать лактулозу. При этом продукты бактериального метаболизма лактулозы сдвигают pH среды в толстой кишке в кислую сторону, угнетая тем самым рост и размножение патогенных микроорганизмов и создавая более благоприятную среду для размножения «полезных» сапрофитных бактерий в толстой кишке. Этот эффект лактулозы широко используется в лечении дисбактериозов толстой кишки.
Кислая среда, создающаяся в толстой кишке при бактериальном метаболизме лактулозы, также угнетает процессы гниения в толстой кишке, сдвигает баланс гниения и брожения в сторону преобладания бродильных процессов и снижает образование токсичных продуктов гниения белков, в частности, аммиака.
В кислой среде большая часть аммиака находится в ионизированной форме (NH4+) и плохо всасывается в кровь, а щелочная среда повышает образование неионизированной, более липофильной и лучше всасываемой формы аммиака NH3. Тем самым действие лактулозы приводит к снижению уровня аммиака и других токсичных продуктов гниения белков в крови. Этот эффект лактулозы широко используется при лечении печёночной энцефалопатии, острой и хронической печёночной недостаточности, алкогольной болезни печени, когда нарушена способность печени обезвреживать аммиак.
Химические свойства
По химической сути дисахариды являются гликозидами, а восстанавливающие дигосахариды обладают еще и признаками моносахаридов, так как содержат потенциальную альдегидную группу (в открытой форме) и полуацетальный гидроксил. Этим и определяется их химическое поведение. Они вступают во многие реакции, свойственные моносахаридам: образуют сложные эфиры, способны окисляться и восстанавливаться под действием тех же реагентов.
Наиболее характерной реакцией дисахаридов является кислотный гидролиз, приводящий к расщеплению гликозидной связи с образованием моносахаридов (во всех таутомерных формах).
Опыт 1
Доказательство восстанавливающей способности у глюкозы
и отсутствие её у фруктозы
| Реакции | Ход работы | Наблюдаемое окрашивание | анализ |
| Троммера | 1 пробирка 10 кап. р-ра глюкозы + 8 кап. NaOH + 4 кап. CuSO4 Нагреть на спиртовке 2 пробирка 10 кап. р-ра фруктозы + 8 кап. NaOH + 4 кап. CuSO4 Нагреть на спиртовке | Голубой осадок ↓ Жёлтый осадок ↓ Красный осадок | |
| ? | |||
| Фелинга | 10 кап. р-ра глюкозы + 10 кап. р-ра Фелинг I + 10 кап. р-ра Фелинг II Нагреть на спиртовке | Синий прозрачный р-р ↓ |
| Толленса | 10 кап.аммиачного р-ра гидроокиси серебра + 3 кап р-ра глюкозы | ||
| Ниландера | 10 кап р-ва Ниландера (гидроокись висмута) + 10 кап р-ра глюкозы | жёлтый цвет ↓ коричневый цвет ↓ чёрный цвет |
Опыт 2
Открытие фруктозы реактивом Селиванова
(раствор резорцина в соляной кислоте)
| Р. Селиванова | 1 пробирка 10 кап. р-ра фруктозы + 10 кап. р. Селиванова Нагреть на спиртовке | ||
| 2 пробирка 10 кап. р-ра глюкозы + 10 кап. р. Селиванова Нагреть на спиртовке |
Опыт 3
Доказательство восстанавливающей способности у лактозы и
отсутствие её у сахарозы
| Р. Троммера | 1 пробирка 10 кап. р-ра сахарозы + 8 кап. NaOH + 4 кап. CuS04 | ||
| 2 пробирка 10 кап. р-ра лактозы + 8 кап. NaOH + 4 кап. CuS04 |
Опыт 4.
Качественные реакции на крахмал и гликоген
| Реакция Троммера | 10 кап. р-ра крахмала + 8 кaп.NaOH + 4 кап CuS04 Нагреть на спиртовке | ||
| Окраска с иодом | 1 пробирка 10 кап р-ра крахмала + 1 кап. р-ра йода 2 пробирка 10 кап. р-ра гликогена + 1 кап, p. йода | красно-бурое окрашивание |
Опыт 5
Качественные реакции на продукты гидролиза крахмала.
Гидролиз крахмала:
1 мл р-ра крахмала+10 кaп.H2S04
↓
10 мин → на кипящей водяной бане
↓
Гидролизат
| Р. Троммера | 10 кап. гидролизата + 15 кап. NaOH + 2 кап. CuSO4 Нагреть на спиртовке | ||
| Окраска с йодом | 10 кап. гидролизата + 1 кап. йода |
ЗАНЯТИЕ 11
СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ И БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫЕ РЕАКЦИИ УГЛЕВОДОВ