Лекция 6
Строение углеводов и углеводсодержащих биополимеров
Важнейшие представители и их биологическое значение
Углеводы широко распространены в природе и выполняют в живых организмах различные важные функции:
- являются источниками углерода, который необходим для синтеза белков, нуклеиновых кислот, липидов и других соединений;
- выполняют энергетическую функцию, обеспечивая до 70% потребности организма в энергии;
- выполняют резервную функцию – крахмал и гликоген представляют собой форму хранения глюкозы;
- структурную функцию – целлюлоза принимает участие в формировании клеточной стенки растений.
Углеводы делятся на:
- моносахариды или простые сахара;
- олигосахариды, содержащие в молекуле от 2 до 10 моносахаридных остатков;
- полисахариды, которые представляют собой полимеры моносахаридов.
6.1. Моносахариды
Первые выделенные из природных источников сахара (так же, как и большинство известных в настоящее время) имели химическую формулу Сn(H2О)n.
Именно поэтому они получили название углеводы. В дальнейшем были получены:
- сахара, с другим соотношением углерода и кислорода;
- сахара, содержащие другие атомы (азот, серу).
6.1.1. Классификация моносахаридов
Существует несколько видов классификации моносахаридов:
1) По числу углеродных атомов, входящих в состав молекулы моносахариды делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т. д. В природе наиболее широко распространены пентозы и гексозы.
2) В молекулах моносахаридов одновременно содержится несколько функциональных групп: карбонильная группа (альдегидная или кетонная) и несколько гидроксильных групп.
В зависимости от вида карбонильной группы моносахариды подразделяются на:
- альдозы - в моносахариде содержится альдегидная группа, которая локализуется у первого углеродного атома;
- кетозы - содержится кетогруппа, которая у природных кетоз локализуется у второго углеродного атома.
Например, глюкоза – это альдоза, а фруктоза – это кетоза.
6.1.2. Номенклатура моносахаридов
В основу номенклатуры положены тривиальные названия моносахаридов состава Сn(H2О)n с линейной цепью углеродных атомов: рибоза, глюкоза, фруктоза.
Название кетоз образуются введением суффикса -ул- в название соответствующей альдозы: рибоза → рибулоза; некоторые кетосахара имеют тривиальные названия: фруктоза (кетогексоза).
6.1.3. Изомерия моносахаридов
Все моносахариды кроме кетотриозы дигидроксиацетона содержат ассиметричные атомы углерода.
Наличие ассиметричного атома углерода в молекуле обусловливает образование двух оптических стериоизомеров, принадлежащих к D- или L-ряду.
Для оптической стериоизомерии моносахаридов важно учитывать следующие моменты:
1) Общее число ассиметричных атомов углерода в моносахаридах равно числу расположенных внутри углеродной цепи групп >С(Н)ОН.
2) Если в молекуле моносахаридов присутствует несколько ассиметричных атомов углерода, то число стереоизомеров определяется по формуле 2n, где n – число ассиметричных атомов.
3) в качестве стандарта для сравнения принадлежности моносахаридов к D- или L-ряду предложено использовать изомеры глицеринового альдегида CH2(OH)CH(OH)CHO, так как он имеет самую простую структуру из всех моносахаридов, содержащих ассиметричные атомы.
Это соединение имеет один хиральный центр и, поэтому, может существовать в виде двух оптических стереоизомеров (рис. 6.1):
Рис. 6.1. Стереоизомеры глицеринового альдегида
Два стереоизомера глицеринового альдегида являются родоначальниками двух рядов моносахаридов: D- и L-ряда.
!!! Все моносахариды можно рассматривать как производные D- или L-глицеринового альдегида, которые получаются путём последовательного удлинения их цепи со стороны альдегидной группы (т. е. в положении С2-атома углерода) на >С(Н)ОН-группу.
Важно отметить, что:
1) каждый раз при этом гидроксильная группа при С2-атоме может принять любое из двух положений (справа или слева от С2-атома), тогда как положение остальных >С(Н)ОН-групп остаётся неизменным.
2) принадлежность любого моносахарида к D- и L-ряду определяется положением гидроксильной группы у атома углерода, наиболее удалённого от карбонильной группы.
Например, для альдогексоз – это конфигурация при С5-атоме, а для кетогексоз – это конфигурация при С4-атоме и т. д.:
АЛЬДОТЕТРОЗЫ
АЛЬДОПЕНТОЗЫ
АЛЬДОГЕКСОЗЫ
Рис. 6.2. Стереохимический ряд D-альдоз (хиральный центр, определяющий принадлежность к D-ряду, выделен жирными линиями)
Сходным образом можно изобразить конфигурацию всех кетоз D-ряда.
Для этого необходимо учитывать, что природные кетозы:
1) содержат кетогруппу у С2-углеродного атома в молекуле моносахарида;
2) характеризуются D-конфигурацией наиболее удаленного от кетогруппы хирального центра;
3) поскольку в кетозах на один хиральный центр меньше, чем в альдозах с тем же числом атомов углерода, то и число стереоизомеров вдвое меньше.
На рисунке 6.3 представлено строение биологически важных кетоз:
Рис. 6.3. Строение некоторых биологически важных кетоз