Основы биохимии - А. А. Анисимов 1986

Углеводы
Моносахариды

6.2.1. Классификация и номенклатура, строение молекулы. Существует несколько принципов классификации моносахаридов: моносахариды делят на альдозы и кетозы в зависимости от наличия в них альдегидной или кетонной группы; возможно деление по числу углеродных атомов, входящих в состав молекулы (триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы, октозы и т.д.)

Сахара, содержащие более семи углеродных атомов, называют высшими сахарами. По химической природе все моносахариды делят на нейтральные (содержат только карбонильные и спиртовые группы); кислые (содержат еще и карбоксильные группы) и аминосахароза, в которых кроме карбонильных и спиртовых групп есть еще и аминогруппа, обусловливающая основные свойства этих соединений. Известны также полифункциональные сахара, содержащие в своем составе помимо карбонильных и гидроксильных групп одновременно и карбоксильную и аминогруппы, как например, нейраминовая кислота.

В основу, наименований разнообразных представителей моносахаридов в большинстве случаев положены тривиальные названия нейтральных сахаров (ксилоза, рибоза, глюкоза, фруктоза). От них производятся наименования аминосахаров (глюкозамин, галактозамин) и карбоксилсодержащих сахаров (глюкуроновая кислота, манноновая кислота, галактаровая кислота). Тривиальные названия моносахаридов обычно складываются из двух частей: корень, указывает на какое-либо свойство данного сахара или его происхождение, а окончание -оза — на его принадлежность к углеводам. Например, название «фруктоза» указывает на содержание этого моносахарида во фруктах.

Наименованиям кетоз придается окончание -улоза, например, кетоза С₄ — тетрулоза, кетоза С₅ — пентулоза. Часто в названиях моносахаридов сочетаются два принципа — указывается как наличие альдегидной или кетонной группировки, так и число атомов углерода: альдопентоза, кетогексоза.

Для обозначения разнообразных производных моносахаридов нумеруют атомы углерода, начиная от альдегидной группы или с того конца, к которому ближе кетогруппа, и положение заместителей указывают цифрой, а также тот атом, с которым связан заместитель, если он не связан непосредственно с углеродом. Например: 2-дезокси-2-амино-3,4-ди-О-метилглюкоза.

Всем моносахаридам, начиная с триоз, присуща стереоизомерия, они существуют в двух энантиомерных формах: D и L. Принадлежность моносахарида к D- или L-ряду определяется по расположению ОН-группы у последнего (считая от альдегидной или кето- группы) хирального атома углерода. Если она расположена справа от углеродной цепи, то молекулу относят к D-ряду, если слева — к L-ряду. Обозначения D и L не служат указанием на направление вращения плоскости поляризации. Некоторые моносахариды, отнесенные к D-ряду, являются левовращающими, а многие представители L-ряда — правовращающими. Чтобы указать и принадлежность моносахарида к D- или L-ряду и направление вращения плоскости поляризации, после символов D или L перед названием сахара в скобках ставят знак (+) или (—), обозначающий правое или левое вращение.

В живых организмах моносахариды присутствуют в преобладающем большинстве случаев в D-конфигурации. Исключение составляют L-арабиноза, относительно редко встречающиеся L-моносахариды у бактерий, L-рамноза и L-сорбоза растений.

Так как число стереоизомеров для альдогексоз с четырьмя хиральными центрами равно 2⁴, т. е. шестнадцати, то их можно сгруппировать в восемь пар энантиомеров. D- и L-изомеры каждой из 8 пар энантиомеров альдогексоз имеют одинаковые химические и физические свойства и отличаются только направлением вращения плоскости поляризованного света.

Эквимолярная смесь энантиомеров (D- и L-форм) называется рацемической смесью или рацематом и не обладает оптической активностью. Если сравнивать стереоизомеры моносахаридов, не являющихся энантиомерами, различия в структуре между ними достаточны для того, чтобы у этих моносахаридов были разные химические свойства, а также температура плавления и кипения, растворимость и т. д. Такие пары стереоизомеров называют диастереомерами. Например, D-манноза является энантиомером по отношению к L-маннозе и диастереомером по отношению к 14 другим гексозам (D- и L-формы галактозы, глюкозы, гулозы, идозы и т. д.).

Диастереомеры, отличающиеся по конфигурации только при одном из нескольких хиральных центров, называются эпимерами. В природе особенно часто встречаются такие эпимеры: глюкоза и галактоза (различия по конфигурации только С-4), глюкоза и манноза (различия по С-2). Часто к последней паре эпимеров добавляют и фруктозу, хотя это неправильно — различия между фруктозой и глюкозой имеют структурный характер. Превращение одного эпимера в другой получило название эпимеризации.

Предложенные Э. Фишером формулы сахаров с прямой углеродной цепью удобны для изображения изомерных форм и демонстрации общих свойств моносахаридов. Однако они не отражают всех свойств этих соединений. Кроме того, они не объясняют явления мутаротации, которое заключается в изменении величины удельного вращения при растворении моносахаридов в воде.

Московский профессор М. А. Колли (1870) для объяснения явления мутаротации впервые высказал предположение о существовании циклического строения молекулы углеводов. Эта гипотеза впоследствии была подтверждена исследованиями немецкого химика Б. Толленса.

В настоящее время твердо установлено, что в природе только небольшая часть молекул пентоз и гексоз содержит открытую цепь, большинство молекул находится в виде циклических структур. Образование последних становится понятным, если вспомнить, что четыре ковалентные связи углерода образуют тетраэдр, поэтому углеродная цепь не представляет собой прямую, а существенно изогнута, что способствует взаимодействию между карбонильной и гидроксильной группами с образованием цикла. Такая реакция характерна для всех моносахаридов с числом углеродных атомов больше четырех. При замыкании молекулы моносахарида в цикл происходит внутримолекулярная реакция образования полуацеталя или полукеталя.

Образование циклических структур

В зависимости от того, гидроксильная группа какого из углеродных атомов принимает участие в образовании полуацеталя или полукеталя, могут получаться пятичленные циклы (из четырех атомов С и одного атома О) или шестичленные (из пяти атомов С и одного атома О). Эти структуры называются, соответственно, фуранозными или пиранозными, по аналогии с известными органическими соединениями — фураном или пираном.

Для моносахаридов ряда пентоз обычно характерен фуранозный цикл, в то время как большинство гексоз находится в пиранозной форме. Образование семичленных колец у гексоз наблюдается редко из-за значительного напряжения связей в таком цикле.

В процессе образования внутримолекулярного полуацеталя или полукеталя в молекуле пентоз и гексоз появляется еще один хиральный центр и новая пара изомеров (а- и ß-формы), которые называют аномерами (от греч. ано — верхний, считая сверху, карбонильные группировки в формулах моносахаридов располагаются вверху).

Аномерные пары отличаются по расположению в пространстве заместителей только у аномерного углеродного атома, поэтому их можно рассматривать как частный случай эпимеров, а- и ß-Аномерные формы различают по расположению полуацетального (или полукетального) гидроксила и гидроксила последнего хирального углерода. Если они расположены по одну сторону от углеродной цепи (цис-положение), это будет а-аномер; если эти гидроксилы находятся по разные стороны от углеродной цепи (транс-положение) — ß-аномер. Атом углерода, участвующий в образовании полуацеталя (полукеталя), называется полуацетальным (полукетальным), или аномерным, а образующийся гидроксил — полуацетальным (полукетальным), или гликозидным.

Рис. 6.1. Взаимопревращения различных форм глюкозы в водном растворе

Каждая гексоза образует четыре циклические формы (а- и ß-фуранозную и а- и ß-пиранозную), находящиеся в растворе в динамическом равновесии с ациклической формой. Так, в водном растворе глюкозы присутствуют одновременно все его формы (четыре циклические и одна нециклическая, альдегидная). При этом количество нециклической формы составляет менее 1%. Все эти формы способны взаимно превращаться друг в друга через оксоформу (т. е. нециклическую форму) глюкозы (рис. 6.1).

У кетогексоз в образовании полукеталя принимает участие карбонильная группа и гидроксил у С-5 или С-6, в результате чего также образуется фуранозная или пиранозная формы сахара. Пиранозные формы гексоз и пентоз значительно более устойчивы, чем фуранозные, поэтому в растворе всегда существенно преобладают первые. Однако в составе олиго- и полисахаридов гексозы могут присутствовать и в фуранозиой форме (например, фруктофураноза в молекуле сахарозы). Естественная тенденция гексоз и пентоз к циклизации обеспечивает образование устойчивых полимеров из чрезвычайно реакционноспособных неустойчивых мономеров.

Образование моносахаридами циклических форм объясняет «аномалии» в их поведении как альдегидов или кетонов.

1. В циклической форме у сахаров нет свободной карбонильной группы, поэтому они не дают некоторые цветные реакции на альдегиды.

2. Полуацетальный и полукетальный гидроксилы в отличие от других гидроксилов в молекуле сахара образуют со спиртами легко гидролизуемые простые эфиры.

3. D- и L-Формы каждого моносахарида существуют в виде а- и ß-изомеров, поэтому образуется не 2, а 4 ряда производных.

4. а- и ß-Формы моносахаридов, обладающие разной величиной оптического вращения, в процессе растворения в воде взаимно переходят друг в друга, поэтому удельное вращение меняется до установления равновесия. В результате этого в первое время после растворения обнаруживается много значений удельного вращения, отсюда название явления—мутаротация или мультиротация (от лат. multirotatia — много вращений). Так, при растворении в воде a-D-глюкозы ([а]²⁰_D = +112,2°) и ß-D-глюкозы ([а]²⁰_D = + 18,7°) удельное вращение меняется до установления равновесия (36% а-формы, 64% ß-формы и следы нециклической формы), в момент которого оно достигает величины +52,7°.

Более совершенный способ изображения циклических форм моносахаридов в виде проекционных формул был предложен В. Хеуорсом (1927). Примером проекционной формулы Хеуорса является структура II, представленная ниже. При таком изображении считают, что углеродный остов молекулы вместе с этерифицированным кислородом лежат в одной плоскости. Связи, расположенные ближе к наблюдателю, обозначаются более жирными линиями. Атомы углерода в кольце не пишутся, а иногда опускаются и атомы водорода. Для обозначения конфигурации замещающих групп их располагают выше или ниже плоскости кольца.

При переходе от формул Фишера (структура I) к проекционным формулам Хеуорса (структура II) используют следующие правила: 1) заместители, находящиеся справа от углеродного скелета молекулы при ее линейном изображении, помещаются ниже плоскости кольца при изображении молекулы в циклической форме; а заместители, находящиеся слева, занимают положение выше плоскости кольца; 2) обратное правило применяется только для углеродного атома, ОН-группа которого участвует в образовании циклического полуацеталя. Это исключение возникает потому, что линейные формулы типа I не дают правильного представления о структуре. Структурная идентичность линейной и циклических формул будет понятнее, если изобразить линейную формулу, как показано на структуре III. Ниже представлены различные способы изображения молекул а- D-глюкопиранозы.

В такой формуле расположение заместителей при С-5 соответствует правилу для всех остальных углеродных атомов. Однако и проекционные формулы Хеуорса являются лишь приближенными, так как в действительности углы между валентностями атомов углерода равны 120°. Эти формулы не отражают пространственного расположения атомов в молекуле сахаров. В природе пирановое кольцо не является плоским, вследствие изгибов его плоскости может возникнуть большое число конформаций, однако стабильными из них являются восемь: шесть в форме лодки (обозначают буквой B, от англ. boat — лодка) и две в форме кресла (С, от англ. chair — кресло) (рис. 6.2.).

Различные заместители у атомов углерода могут располагаться как в экваториальной, так и в аксиальной плоскостях, придавая соединению неидентичные свойства. Экваториальные, т. е. занимающие положение, близкое к плоскости молекулы, ОН-группы пираноз этерифицируются гораздо легче, чем аксиальные, занимающие положение, близкое перпендикулярному плоскости молекулы.

«Кресло» является более жесткой, устойчивой конформацией, а форма «лодки» более подвижна, существует несколько ее вариантов. Хуже исследованы конформации фураноз. Полагают, что фуранозное кольцо может существовать или в конформации «конверт» (четыре атома в одной плоскости, а один выступает из нее), или в «скрученной» («твист») форме, когда три атома лежат водной плоскости, а два выступают из нее.

Рис. 6.2. Конформации пиранозного кольца:

а — аксиальная связь, в — экваториальная связь

6.2.2. Физические и химические свойства. Моносахариды — твердые, бесцветные, кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и плохо растворимые (или даже совсем нерастворимые) в органических растворителях (спирт, эфир). Всем им присущ сладкий вкус, но сладость сахаров неодинакова. Если сладкий вкус сахарозы принять за 100%, то у фруктозы он будет равен 173%, глюкозы — 74, ксилозы — 40, лактозы — 16%. Растворы моносахаридов обладают нейтральной реакцией.

Действие кислот и оснований на моносахариды. Моносахариды устойчивы в горячих разбавленных растворах неорганических кислот, что позволяет количественно выделять их в неизмененном виде при гидролизе полисахаридов. Под действием концентрированных кислот моносахариды дегидратируются и дают циклические альдегиды — фурфурали. При этом из гексод образуется гидроксиметилфурфурол, а из пентоз — фурфурол.

Образующиеся фурфурали могут вступать с фенолами или их производными в реакцию конденсации, давая окрашенные продукты. Это свойство положено в основу некоторых цветных реакций на сахара. Кетозы образуют гидроксиметилфурфурол с большей скоростью, чем альдогексозы, на этом основано определение кетогексоз по Селиванову.

Разбавленные водные растворы оснований при комнатной температуре вызывают перегруппировку относительно аномерного атома углерода и соседнего с ним, не затрагивая замещающих групп при других углеродных атомах, т. е. происходит эпимеризация. Переход осуществляется через енольную форму, одинаковую для всех трех сахаров. При проведении этой реакции обычно используют растворы Ва(ОН)₂ или Са(ОН)₂.

При нагревании с разбавленными щелочами или при высоких их концентрациях свободные моносахариды подвергаются внутримолекулярным перегруппировкам, фрагментации и конденсации. При конденсации сахаров образуются окрашенные продукты (от желтых до темно-коричневых), причем интенсивность окраски зависит от концентрации углевода. Это свойство используют для количественного определения сахаров в моче по Альтгаузену.

Окисление сахаров. При окислении альдоз в кислой среде образуется три класса сахарных кислот: альдоновые, альдаровые и альдуроновые.

В присутствии слабых окислителей (гипоиодит натрия, бромная вода) или под действием специфических ферментов у альдоз окисляется альдегидная группа и образуются альдоновые кислоты (например, из глюкозы — глюконовая, из маннозы — манноновая). Глюконовая кислота в виде кальциевых солей применяется в медицине. Ее фосфорилированная форма играет важную роль в качестве промежуточного продукта углеводного обмена (см. разд. 6.9.3).

При более сильном окислении (действие азотной кислоты) окисляются как альдегидная группа, так и первичная спиртовая группа у последнего углеродного атома и образуются дикарбоновые, или альдаровые кислоты. Продукт такого окисления D-глюкозы называется D-глюкаровой или сахарной кислотой, а D-галактозы — D-галактаровой или слизевой. Большого биологического значения кислоты этого класса не имеют.

В отличие от них очень важен третий класс кислот — альдуроновые кислоты. Они образуются при окислении только спиртовой группы у С-6. Уроновые кислоты являются компонентами многих полисахаридов.

При окислении альдоз в щелочной среде сначала образуются альдоновые кислоты, а затем происходит расщепление углеродного скелета. При этом появляется ряд продуктов, обладающих сильной восстанавливающей способностью, в результате чего моносахариды легко восстанавливают такие слабые окислители, как оксид серебра (I) и гидроксид меди (II), до металлического серебра и оксида меди (I). Реакции простых сахаров с Ag₂О, Cu(OH)₂и фелинговой жидкостью [щелочной раствор оксида меди (II) и виннокислого калия и натрия] широко применяют для открытия моносахаридов и количественного их определения. Кетозы и в кислой, и в щелочной среде окисляются с разрывом углеродной цепи.

Восстановление моносахаридов. Карбонильная группа моносахарида может быть восстановлена газообразным водородом или амальгамой натрия в воде с образованием соответствующих многоатомных спиртов (иногда называются сахароспиртами). Из D-глюкозы образуется спирт сорбит, а D-манноза дает маннит.

6.2.3. Производные моносахаридов. Гликозиды образуются по типу простых эфиров при взаимодействии полуацетального или полукетального (гликозидного) гидроксила с гидроксильной группой другого соединения. Так, D-глюкоза дает с метанолом метил-а-D-глюкозид и метил-β-D-глюкозид. «Несахарная» часть гликозида называется агликоном.

своеобразными гликозидами являются также олигосахариды и полисахариды, которые образуются при взаимодействии полуацетальных или полукетальных гидроксилов одних моносахаридов с гидроксилами других моносахаридов. Однако под термином «гликозиды» принято прежде всего понимать соединения сахаров со спиртами-агликонами.

В природе встречается большое разнообразие гликозидов. Многие из них обладают своеобразным (часто горьким) вкусом или специфическим ароматом (синигрин горчицы, глюкованилин), поэтому играют важную роль в пищевой промышленности. Другие находят применение в медицине, например сердечные гликозиды, содержащиеся в растениях родов Strophanthus и Digitalis.

О-Метильные производные. Если ОН-группа при аномерном атоме легко реагирует в кислой среде с метанолом, давая метил-гликозиды, то метилирование остальных ОН-групп моносахаридов требует более жестких условий. В этом случае вместо метилацеталей образуются метиловые эфиры, которые в отличие от метил-гликозидов не гидролизуются при кипячении с кислотой. Метилирование всех свободных гидроксильных групп углевода называют исчерпывающим метилированием.

Им пользуются для установления положения заместителей, не содержащих свободных ОН-групп (например, аминогрупп). Гликозиды метилированных сахаров, благодаря летучести в высоком вакууме, используют для газожидкостной хроматографии и масс-спектрометрии углеводов.

O-Ацильные производные. При замещении атомов водорода гидроксильных групп углеводов остатками кислот получаются вещества типа сложных эфиров.

Огромное значение в метаболизме любой клетки и ткани имеют многие моно- и дифосфорнокислые эфиры моносахаридов, которые представляют собой промежуточные продукты дыхания, брожения, биосинтеза и взаимопревращения углеводов. При образовании фосфорных эфиров резко увеличивается реакционная способность моносахаридов, их биохимическая активность.

Аминосахара. Замещение гидроксильной группы при С-2 на аминогруппу приводит к образованию аминосахаров. Широко распространены в природе два аминосахара — D-глюкозамин и D-гaлактозамин.

Аминосахара входят в состав многих гликопротеинов и гликолипидов, чаще в форме N-ацетильных производных.

Мурамовая и нейраминовая кислоты. Эти производные сахаров играют ведущую роль в качестве строительных блоков структурных полисахаридов, входящих в состав клеточных стенок бактерий (N-ацетилмурамовая кислота) и плазматических мембран клеток животных (N-ацетилнейраминовая кислота). В молекуле N-ацетил-мурамовой кислоты ацетилированный D-глюкозамин связан эфирной связью с молочной кислотой. N-Ацетилнейраминовая кислота содержит остатки ацетилированного D-маннозамина и пировиноградной кислоты. Все О- и N-ацильные производные нейраминовой кислоты имеют общее название — сиаловые кислоты.

Нейраминовая и сиаловая кислоты имеют большое значение прежде всего как составные компоненты мембран нервной ткани. Однако сиалсодержащие гликолипиды обнаружены и в других тканях. Они выполняют механические, иммунохимические и другие функции, могут восстанавливать электровозбудимость мозговой ткани, специфически связывать или инактивировать некоторые бактериальные токсины.

6.2.4. Отдельные представители моносахаридов. Триозы (С₃Н₆О₃). Основными представителями являются глицеральдегид и дигидроксиацетон, в свободном виде они обычно не встречаются.

Фосфорные эфиры триоз образуются в организме животных, растений и бактерий как промежуточные продукты превращений более сложных моносахаридов, а также в процессе фотосинтеза у растений и хемосинтеза у бактерий.

Тетрозы (С₄Н₈О₄). Из этой группы моносахаридов заслуживает внимания D-эритроза, которая образуется в качестве промежуточного продукта при фотосинтезе и в пентозофосфатном цикле окисления углеводов в виде 4-фосфорного эфира. Продукт восстановления эритрозы — спирт эритрит — обнаружен у водорослей, лишайников.

Пентозы (С₅Н₁₀О₅). Представители пентоз в свободном виде встречаются очень редко (в моче, в листьях некоторых растений), чаще они входят в состав более сложных углеводов и других органических соединений; образуются и в качестве промежуточных продуктов в процессе метаболизма углеводов.

L-Арабиноза широко распространена в природе в составе гемицеллюлоз, пектиновых веществ, слизей, гумми. Обнаруживается в свободном виде в моче после употребления больших количеств фруктов или их соков (алиментарная пентозурия). D-Арабиноза входит в состав полисахаридов ряда бактерий, является компонентом некоторых растительных гликозидов.

D-Ксилоза — древесный сахар — обнаруживается у растений в свободной форме, но в значительно большем количестве в составе гемицеллюлоз, растительных слизей. Много ксилозы содержится в соломе, отрубях, древесине, хлопковой шелухе и особенно много (до 12%) в кукурузных кочерыжках, откуда ее и получают для кондитерской промышленности. Образующийся из ксилозы спирт ксилит используют вместо сахарозы в питании больных диабетом и ожирением. У человека, животных и микроорганизмов ксилоза входит в состав гликопротеинов.

D-Рибоза и D-2-дезоксирибоза содержатся в нуклеиновых кислотах и свободных нуклеотидах. Продукт восстановления рибозы — спирт рибитол — составная часть некоторых витаминов, простетических групп ферментов.

В зеленых растениях, в микроорганизмах и тканях животных найдены кетопентозы — D-рибулоза и L-ксилулоза. Фосфорные эфиры этих сахаров играют важную роль в качестве промежуточных продуктов цикла Кальвина и пентозофосфатного пути окисления углеводов.

Гексози (С₆Н₁₂О₆). Многие представители этой группы моносахаридов находятся в природе в свободном виде и играют важную роль в жизни всех организмов.

D-Глюкоза (виноградный сахар, декстроза) присутствует в свободном виде в зеленых частях растений, в семенах, различных фруктах и ягодах, меде, в крови человека и животных. У здорового человека в крови содержится от 0,07 до 0,11% глюкозы. Кроме того, она входит в состав большого числа полисахаридов, многих гликозидов.

D-Фруктоза (плодовый сахар, левулеза). Содержится в свободном виде в зеленых частях растений, в нектаре цветов, плодах, меде.

D-Галактоза входит в состав дисахаридов лактозы и мелибиозы, трисахарида рафинозы, олигосахаридов стахиозы, вербаскозы и целого ряда полисахаридов II порядка как растительного, так и животного происхождения.

D-Манноза встречается в растениях в составе высокомолекулярных полисахаридов — слизей, гемицеллюлоз. В организме животных и человека манноза обнаружена в гликопротеинах, углеводных цепях протеогликанов. Найдена манноза и у микроорганизмов, в частности в составе некоторых капсулярных полисахаридов и О-антигенных детерминант у грамотрицательных бактерий.

Монодезоксигексозы и их производные известны как структурные компоненты сердечных гликозидов. Ряд 6-дезоксисахаров обнаружен в составе гликолипидов бактерий, а также некоторых антибиотиков. Наиболее широко распространены L-фукоза, L-рамноза и их метальные моно- и диэфиры. Так, L-фукоза является структурным компонентом олигосахаридов молока, специфических полисахаридов групповых веществ крови, бактериальных клеточных стенок.

Дидезоксигексозы и их производные часто встречаются в сердечных гликозидах (например, D-дигитоксоза). Источником 2,6- и 2,4-дидезоксисахаров оказались также некоторые антибиотики. 3,6-Дидезоксисахара были выделены из микробного материала (абеквоза, колитоза и др.); они входят в состав специфических полисахаридов грамотрицательных бактерий и составляют в среднем 10—15% от бактериальных полисахаридов. Значение их велико, поскольку в полисахаридах эти сахара являются терминальными группами, определяющими антигенную специфичность. Известна также 2,3,6-тридезоксигексоза — амицетоза, выделенная из антибиотиков.

Гептозы (С₇Н₁₄О₇) и другие высшие сахара обнаружены в природе в различных видах. Так, из растений выделены D-седогептулоза, D-манногептулоза и др. Седогептулоза в виде фосфорного эфира образуется) в процессе фотосинтеза в качестве промежуточного продукта, а также в пентозофосфатном цикле. Из бактерий изолированы D-глицеро-D-манногептоза, D-глицеро-D-глюкогептоза и другие высшие сахара.