Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия

Подождите немного. Документ загружается.

Стереоизомерия моносахаридов. Все моносахариды содержат асиммет-

ричные атомы углерода: альдотриозы – один центр асимметрии, альдо-

тетрозы – 2, альдопентозы – 3, альдогексозы – 4 и т.д. Кетозы содержат на

один асимметричный атом меньше, чем альдозы с тем же числом уг-

леродных атомов. Следовательно, кетотриоза диоксиацетон не содержит

асимметричных атомов углерода. Все остальные моносахариды могут

существовать в виде различных стереоизомеров.

Общее число стереоизомеров для любого моносахарида выражается

формулой N = 2

, где N – число стереоизомеров, а n – число асимметричных

атомов углерода. Как отмечалось, глицеральдегид содержит только один

асимметричный атом углерода и поэтому может существовать в виде двух

различных стереоизомеров.

Изомер глицеральдегида, у которого при проекции модели на плоскость

ОН-группа у асимметричного атома углерода расположена с правой сто-

роны, принято считать D-глицеральдегидом, а зеркальное отражение –

L-глицеральдегидом:

Альдогексозы содержат четыре асимметричных атома углерода и могут

существовать в виде 16 стереоизомеров (2

), представителем которых

является, например, глюкоза. Для альдопентоз и альдотетроз число сте-

реоизомеров равно соответственно 2

= 8 и 2

= 4.

Все изомеры моносахаридов подразделяются на D- и L-формы (D-

и L-конфигурация) по сходству расположения групп атомов у последнего

центра асимметрии с расположением групп у D- и L-глицеральдегида.

Природные гексозы: глюкоза, фруктоза, манноза и галактоза – принад-

лежат, как правило, по стереохимической конфигурации к соединениям

D-ряда (схема 5.1).

Известно, что природные моносахариды обладают оптической актив-

ностью. Способность вращать плоскость поляризованного луча света –

одна из важнейших особенностей веществ (в том числе моносахаридов),

молекулы которых имеют асимметричный атом углерода или асиммет-

ричны в целом. Свойство вращать плоскость поляризованного луча вправо

обозначают знаком плюс (+), а в противоположную сторону – знаком

минус (–). Так, D-глицеральдегид вращает плоскость поляризованного

луча вправо, т. е. D-глицеральдегид является D(+)-альдотриозой, а L-гли-

церальдегид – L(–)-альдотриозой. Однако направление угла вращения по-

ляризованного луча, которое определяется асимметрией молекулы в целом,

заранее непредсказуемо. Моносахариды, относящиеся по стереохимической

конфигурации к D-ряду, могут быть левовращающими. Так, обычная

форма глюкозы, встречающаяся в природе, является правовращающей,

а обычная форма фруктозы – левовращающей.

Циклические (полуацетальные) формы моносахаридов. Любой моно-

сахарид с конкретными физическими свойствами (температура плавления,

растворимость и т.д.) характеризуется специфической величиной удельного

171

D-глицеральдегид

L-глицеральдегид

Схема 5.1

СЕМЕЙСТВО D-KET03, СОДЕРЖАЩИХ 3-6 АТОМОВ УГЛЕРОДА

172

Диоксиацетон

D-эритрулоза

D-рибулоза

D-ксилулоза

D-псикоза

D-фруктоза

D-сорбоза

D-тагатоза

вращения Установлено, что величина удельного вращения при

растворении любого моносахарида постепенно меняется и лишь при дли-

тельном стоянии раствора достигает вполне определенного значения. На-

пример, для свежеприготовленного раствора глюкозы = +112,2°,

после длительного стояния раствора эта величина достигает равновесного

значения = +52,5°. Изменение величины удельного вращения при

стоянии (во времени) растворов моносахаридов называется мутарота-

цией. Очевидно, мутаротация должна вызываться изменением асимметрии

молекулы, а следовательно, трансформацией ее структуры в растворе.

Явление мутаротации имеет объяснение. Известно, что альдегиды и ке-

тоны легко и обратимо реагируют с эквимолярным количеством спирта

с образованием полуацеталей:

Реакция образования полуацеталя возможна и в пределах одной мо-

лекулы, если это не связано с пространственными ограничениями. По

теории А. Байера, внутримолекулярное взаимодействие спиртовой и кар-

бонильной групп наиболее благоприятно, если оно приводит к образованию

пяти- или шестичленных циклов. При образовании полуацеталей возникает

новый асимметрический центр (для D-глюкозы это С-1). Шестичленные

кольца сахаров называют пиранозами, а пятичленные – фуранозами.

α-Форма – это форма, у которой расположение полуацетального гидроксила

такое же, как у асимметричного углеродного атома, определяющего при-

надлежность к D- или L-ряду. Иными словами, в формулах с α-моди-

фикацией моносахаридов D-ряда полуацетальный гидроксил пишут справа,

а в формулах представителей L-ряда – слева. При написании β-формы

поступают наоборот.

Таким образом, явление мутаротации связано с тем, что каждый

твердый препарат углеводов представляет собой какую-либо одну цикли-

ческую (полуацетальную) форму, но при растворении и стоянии растворов

эта форма через альдегидную превращается в другие таутомерные цикли-

ческие формы до достижения состояния равновесия. При этом значение

удельного вращения, характерное для исходной циклической формы, посте-

пенно меняется. Наконец, устанавливается постоянное удельное вращение,

которое характерно для равновесной смеси таутомеров. Например, из-

вестно, что в водных растворах глюкоза находится главным образом в виде

α- и β-глюкопираноз, в меньшей степени – в виде α- и β-глюкофураноз

и совсем небольшое количество глюкозы – в виде альдегидной формы.

Следует подчеркнуть, что из различных таутомерных форм глюкозы

в свободном состоянии известны лишь α- и β-пиранозы. Существование

малых количеств фураноз и альдегидной формы в растворах доказано, но

* Удельное вращение - угол поворота плоскости поляризованного луча света при

прохождении через кювету толщиной 1 см с раствором вещества, имеющего концентрацию

1 моль/л. При определенной температуре, в данном растворителе и при определенной длине

волны проходящего света величина удельного вращения определяется только природой

растворенного вещества.

173

Полуацеталь

в свободном состоянии они не могут быть выделены вследствие своей

неустойчивости.

В 20-х годах У. Хеуорс предложил более совершенный способ на-

писания структурных формул углеводов. Формулы Хеуорса – шести- или

пятиугольники, причем они изображены в перспективе: кольцо лежит

в горизонтальной плоскости. Находящиеся ближе к читателю связи

изображают более жирными линиями (углеродные атомы цикла не пишут).

Заместители, расположенные справа от остова молекулы при ее верти-

кальном изображении, помещают ниже плоскости кольца, а заместители,

находящиеся слева,– выше плоскости кольца. Обратное правило применяют

только для того единственного углеродного атома, гидроксильная группа

которого участвует в образовании циклического полуацеталя. Так, у

D-сахаров группу СН

ОН пишут над этим атомом углерода, а водородный

атом при нем – внизу.

Наконец, следует помнить, что при написании структурных формул по

Хеуорсу гидроксильная группа при С-1 должна быть расположена ниже

плоскости кольца в α-форме и выше – в β-форме:

Проекционные формулы Хеуорса не отражают подлинной конформации

моносахаридов. Подобно циклогексану, пиранозное кольцо может при-

нимать две конфигурации – форму кресла и форму лодки (конформацион-

ные формулы). Форма кресла обычно более устойчива, и, по-видимому,

именно она преобладает в большей части природных сахаров (рис. 5.1).

Основные реакции моносахаридов, продукты реакций

и их свойства

Реакции полуацетального гидроксила. Уже отмечалось, что моносахариды

как в кристаллическом состоянии, так и в растворе в основном существуют

в полуацетальных формах. Полуацетальный гидроксил отличается большей

реакционной способностью и может замещаться другими группировками

в реакциях со спиртами, карбоновыми кислотами, фенолами и т.д.

174

α-D-глюкопираноза β-D-глюкопираноза

α-D-фруктофураноза

β-D-фруктофураноза

Рис. 5.1. α-D-глюкоза.

а - линейная формула глюкозы

(альдогексоза); б - структурная фор-

мула по Хеуорсу; в - конформаци-

онная формула (форма кресла).

Продукт реакции называют гликозидом. Соответственно α- и β-изоме-

рам моносахаридов существуют α- и β-глюкозиды. Например, при реакции

метилового спирта с глюкозой (допустим, в β-пиранозной форме) в при-

сутствии неорганических кислот образуется продукт алкилирования ме-

тил-β-D-глюкопиранозид:

При действии на β-D-глюкопиранозу уксусной кислотой образуется

продукт ацилирования ацетил-β-D-глюкопиранозид:

175

β-D-глюкопираноза

Метил-β-D-глюкопиранозид

β-D-глюкопираноза

Ацетил-β-D-глюкопиранозид

СН

ОН

СН

СООН

Ацилированию и метилированию способны подвергаться и остальные

группы моносахаридов, но при намного более жестких условиях. Если

в реакцию вступают спирты, фенолы или карбоновые кислоты, продукты

реакции называют О-гликозидами. Следовательно, метил-β-D-глюкопира-

нозид и ацетил-β-D-глюкопиранозид являются О-гликозидами (связь осу-

ществляется через кислород). Природные О-гликозиды, большинство из

которых образуется в результате жизнедеятельности растений, существуют

преимущественно в β-форме.

Важным классом гликозидов являются N-гликозиды, в которых глико-

зидная связь осуществляется через азот, а не через кислород *. N-гликозиды

рассматривают как производные моносахаридов, у которых гликозидная

часть молекулы связана через атом азота с радикалом органического

соединения R, не являющегося углеводом. Как и О-гликозиды, N-гликозиды

могут быть построены как пиранозиды или как фуранозиды и иметь α-

и β-форму:

К N-гликозидам принадлежат исключительно важные в обмене веществ

продукты расщепления нуклеиновых кислот и нуклеопротеидов (нуклеоти-

ды и нуклеозиды), АТФ, НАД, НАДФ, некоторые антибиотики и т.п. (см.

главу 3).

Реакции с участием карбонильной группы. Линейная форма в кристал-

лических препаратах моносахаридов и их растворах присутствует в незна-

чительных количествах, но ее участие в таутомерном равновесии обеспе-

чивает моносахаридам все свойства, присущие альдегидам (в альдозах) или

кетонам (в кетозах). Способность альдоз и кетоз присоединять спирты

представлена ранее.

Рассмотрим некоторые другие их свойства.

Окисление моносахаридов. Обработка альдоз слабыми окислителями при-

водит к превращению альдегидной группы в положении атома С-1 в карбоксильную

группу с образованием так называемых альдоновых кислот. Альдоновой кислотой

может быть D-глюконовая кислота, которая образуется при окислении альдегидной

группы D-глюкозы. Фосфорилированная форма D-глюконовой кислоты играет

важную роль в качестве промежуточного продукта углеводного обмена. Другой

пример – D-галактоновая кислота – продукт окисления альдегидной группы D-га-

лактозы.

* Существуют еще S-гликозиды, которые представляют собой производные циклических

форм тиосахаридов, в меркаптогруппе (—SH) при С-1 которых атом водорода замещен

радикалом. S-гликозиды содержатся в ряде растений (горчица, черногорка, боярышник и др.).

176

N-гликозид (α-форма)

N-гликозид (β-форма)

В альдуроновых, или уроновых, кислотах окислена (с образованием карбоксиль-

ной группы) первичная спиртовая группа, а альдегидная группа остается неокислен-

ной. Уроновая кислота, образующаяся из D-глюкозы, носит название D-глюку-

роновой кислоты, а образующаяся из D-галактозы – D-галактоуроновой кислоты.

Уроновые кислоты весьма важны в биологическом отношении, многие из них

являются компонентами полисахаридов.

Восстановление моносахаридов. Моносахариды легко гидрируются по

связи С—О и при этом превращаются в многоатомные спирты (сахароспирты).

D-глюкоза, например, образует спирт сорбит, а D-манноза – маннит. Восстановление

D-фруктозы приводит к эквимолекулярной смеси эпимеров – D-маннита и D-cop-

бита, так как в результате гидрирования второй атом углерода становится асим-

метричным. Такого рода восстановление может осуществляться и ферментативным

путем.

Фосфорнокислые эфиры углеводов. Моносахариды, этерифицированные

фосфорной кислотой, играют исключительно большую роль в обмене

веществ. Первым обнаруженным в природе фосфорнокислым эфиром

углевода был фруктозо-1,6-бисфосфат, который выявили при брожении

Л.А. Иванов, а также А. Гарден и В. Юнг в 1905 г. В последующие годы из

природных источников выделено много новых моно- и бисфосфатов моно-

сахаридов, в частности большое количество фосфатов кетоз, например

рибулозо- и ксилулозофосфаты. В настоящее время установлена важная

роль во многих биохимических процессах наряду с фосфатами гексоз

и пентоз также фосфатов гептоз (в первую очередь седогептулозо-7-фосфа-

та) и фосфатов тетроз (эритрозо-4-фосфата и др.). В 1980 г. группой

177

D-глюконовая

кислота

D-галактоновая

кислота

D-глюкуроновая

кислота

D-галактуроновая

кислота

бельгийских исследователей (Г. Херс и др.) был открыт фруктозо-2,6-бис-

фосфат – важный регулятор метаболизма углеводов.

Большой интерес представляют пирофосфорные эфиры моносахаридов,

например 5-фосфорибозил-1-пирофосфат (ФРПФ), который участвует в

синтезе пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов.

Ниже приводятся формулы некоторых фосфатов сахаров, играющих

важную роль в обмене веществ:

Дезоксисахара. У дезоксисахаров одна из гидроксильных групп, при-

соединенных к кольцевой структуре, замещена на атом водорода. Они

образуются при гидролизе ряда соединений, играющих важную роль

в биологических процессах. Примером может служить дезоксирибоза,

входящая в состав нуклеиновых кислот (ДНК):

Аминосахара. Это производные моносахаридов, гидроксильная группа

которых —ОН замещена аминогруппой —NH

. В зависимости от по-

ложения аминогруппы (при атомах углерода) в молекуле аминосахара

178

Глюкозо-1-фосфат Глюкозо-6-фосфат

Фруктозо-1,6-бисфосфат

Рибозо-5-фосфат

Фруктозо-2,6-бисфосфат

5-Фосфорибозил-

-1-пирофосфат

2-Дезокси-D-рибофураноза

(β-форма)

различают 2-амино-, 3-амино- и 4-аминосахара и т.д. По числу аминогрупп

выделяют моноаминосахара и диаминосахара.

Аминосахара обладают всеми свойствами аминов, обычных моносаха-

ров, а также специфическими свойствами, обусловленными пространствен-

ной близостью гидроксильных и аминных групп.

В организме человека и животных наиболее важными аминосахарами

являются D-глюкозамин и D-галактозамин:

Аминосахара входят в состав мукополисахаридов животного, расти-

тельного и бактериального происхождения, являются углеводными компо-

нентами различных гликопротеинов и гликолипидов. В составе этих высо-

комолекулярных соединений аминогруппа аминосахара чаще всего аци-

лирована, а иногда сульфирована (см. главу 21).

ОЛИГОСАХАРИДЫ

Олигосахариды – углеводы, молекулы которых содержат от 2 до 10 остатков

моносахаридов, соединенных гликозидными связями. В соответствии с

этим различают дисахариды, трисахариды и т.д.

Дисахариды – сложные сахара, каждая молекула которых при гидро-

лизе распадается на две молекулы моносахаридов. Дисахариды наряду

с полисахаридами являются одними из основных источников углеводов

в пище человека и животных. По строению дисахариды – это гликозиды,

в которых 2 молекулы моносахаридов соединены гликозидной связью.

Среди дисахаридов наиболее широко известны мальтоза, лактоза и

сахароза. Мальтоза, являющаяся α-глюкопиранозил-(1–>4)-α-глюкопира-

нозой, образуется как промежуточный продукт при действии амилаз на

крахмал (или гликоген), содержит 2 остатка α-D-глюкозы (название сахара,

полуацетальный гидроксил которого участвует в образовании гликозидной

связи, оканчивается на «ил»).

В молекуле мальтозы у второго остатка глюкозы имеется свободный

полуацетальный гидроксил. Такие дисахариды обладают восстанавлива-

ющими свойствами.

179

D-глюкозамин

D-галактозамин

Мальтоза

Одним из наиболее распространенных дисахаридов является сахароза –

обычный пищевой сахар. Молекула сахарозы состоит из одного остатка

D-глюкозы и одного остатка D-фруктозы. Следовательно, это α-глюко-

пиранозил-(1–>2)-β-фруктофуранозид:

В отличие от большинства дисахаридов сахароза не имеет свободного

полуацетального гидроксила и не обладает восстанавливающими свойст-

вами. Гидролиз сахарозы приводит к образованию смеси, которую на-

зывают инвертированным сахаром. В этой смеси преобладает сильно

левовращающая фруктоза, которая инвертирует (меняет на обратный) знак

вращения правовращающего раствора исходной сахарозы.

Дисахарид лактоза содержится только в молоке и состоит из D-галак-

тозы и D-глюкозы. Это – β-галактопиранозил-(1–>4)-глюкопираноза:

Благодаря наличию в молекуле свободного полуацетального гидрокси-

ла (в остатке глюкозы) лактоза относится к числу редуцирующих ди-

сахаридов.

Среди природных трисахаридов наиболее известна рафиноза, со-

держащая остатки фруктозы, глюкозы и галактозы. Рафиноза в больших

количествах содержится в сахарной свекле и во многих других растениях.

В целом олигосахариды, присутствующие в растительных тканях, разно-

образнее по своему составу, чем олигосахариды животных тканей.

ПОЛИСАХАРИДЫ

Полисахариды – высокомолекулярные продукты поликонденсации моноса-

харидов, связанных друг с другом гликозидными связями и образующих

линейные или разветвленные цепи. Наиболее часто встречающимся моно-

сахаридным звеном полисахаридов является D-глюкоза. В качестве ком-

понентов полисахаридов могут быть также D-манноза, D- и L-галактоза,

D-ксилоза и L-арабиноза, D-глюкуроновая, D-галактоуроновая и D-ман-

нуроновая кислоты, D-глюкозамин, D-галактозамин, сиаловые и амино-

уроновые кислоты.

180

Сахароза

Лактоза