6. Углеводы: моно, ди- и полисахариды

Углеводы разделяют на простые (моносахариды) и сложные (полисахариды).

Моносахариды (монозы). Это гетерополифункциональные соединения, содержащие карбонильную и несколько гидроксильных групп. Моносахариды имеют молекулярную формулу С_п(Н₂О)_п, которая послужила основой для названия данного класса соединений (углерод + вода). По своей структуре монозы относятся к полиоксиальдегидам (альдозам) или полиоксикетонам (кетозам). В зависимости от числа атомов углерода монозы делят на триозы (три атома), тетрозы (четыре атома), пентозы (пять атомов) и гексозы (шесть атомов). В зависимости от строения карбонильной группы монозы обозначают: альдотриоза, альдогексоза, кетогексоза и т.п.

6.1 Оптическая изомерия моносахаридов.

Моносахариды являются оптически активными соединениями, могут содержат от 1 до 4 асимметрических атомов углерода.

Оптические изомеры, относящиеся друг к другу как несимметричный предмет к своему зеркальному отображению, называют энантиомерами, или оптическими антиподами. Энантиомеры отличаются друг от друга конфигурацией всех асимметрических атомов углерода и образуют D-форму (см. Приложение 2) и L-форму — стереохимические ряды моносахаридов. Изомеры, отличающиеся конфигурацией только части асимметрических атомов углерода и не являющиеся оптическими антиподами, называют диастереомерами. Пару диастереомеров, отличающихся конфигурацией только одного асимметрического атома углерода, называют эпимерами. Обычно к названию добавляют номер эпимерного атома углерода, 2-эпимеры называют просто эпимерами. Например, D-аллоза и D-альтроза – эпимеры, D-аллоза и D-глюкоза – 3-эпимеры, D-аллоза и D-гулоза – 4-эпимеры.

В качестве стандарта для определения принадлежности соединения стереохимическому D- или L-ряду принята конфигурация асимметрического атома в простейшей триозе — D-глицериновом альдегиде. Принадлежность соединения стереохимическому ряду определяет конфигурация асимметрического атома углерода с наибольшим номером (в случае глюкозы — атома С₅). Если она находится справа, то соединение относят к D-ряду, если слева — к L-ряду. Установлено, что все природные монозы относятся к D-ряду.

6.2 Цикло-оксо-таутомерия моносахаридов. В твердом состоянии и в водном растворе моносахариды преимущественно существуют в виде циклических пяти- и шестичленных полуацеталей. Таким образом, в растворе устанавливается таутомерное равновесие между открытой (оксо-формой) и циклической формой моносахарида, причем циклическая форма значительно преобладает (более 99,9 % в равновесной смеси):

Рисунок 8 – Схема цикло-оксо-таутомерии D-фруктозы

Для изображения на плоскости пространственной структуры соединений в открытой форме используют проекционные формулы Фишера, а для изображения на плоскости пространственной структуры циклических соединений применяют проекционные формулы Хоуорса.

При этом руководствуются следующими правилами: цикл изображают плоским; заместители, находящиеся в оксо-форме справа, изображают под плоскостью цикла, а находящиеся слева — над плоскостью цикла; атомы водорода связей С—Н могут быть не показаны.

В циклической форме появляется дополнительный по сравнению с открытой формой асимметрический атом углерода (центр хиральности): атом С₁ в альдозах или атом С₂ в кетозах, называемый аномерным атомом углерода, и дополнительная группа –ОН, называемая полуацетальным гидроксилом. Если конфигурация аномерного атома углерода совпадает с конфигурацией атома, определяющего принадлежность соединения стереохимическому ряду, его называют -аномером, если не совпадает — -аномером.

Таким образом, - и -аномеры моноз можно рассматривать как изомеры положения полуацетального гидроксила. Переход аномерных форм    осуществляется только через открытую оксо-форму.

Аналогично устанавливается равновесие в растворе между пиранозными и фуранозными формами. Преобладание - или -аномера зависит от природы монозы, растворителя, концентрации и других внешних условий. Равновесие между всеми формами является динамическим. Так, если какой-либо аномер глюкозы растворить в воде, он постепенно превращается в другой аномер, пока не образуется равновесная смесь аномеров, в которой также содержится очень небольшое количество открытой формы. Этот переход сопровождается изменением оптического вращения раствора. Такое явление называют мутаротацией (аномеризацией) моносахаридов. Равновесная смесь, образующаяся в результате мутаротации как -, так и -D- глюкопираноз, содержит 36 % -изомера и 64 % -формы. Доля оксо-формы в равновесной смеси невелика (при рН 6,9 равновесная смесь D-глкжозы содержит лишь малую часть альдегидной формы). Поэтому монозы не дают характерного для альдегидов окрашивания в реакции с фуксиносернистой кислотой и не реагируют с гидросульфитом натрия. Мутаротация катализируется кислотами и основаниями. В твердом состоянии монозы находятся исключительно в циклической форме.

6.3 Химические свойства моносахаридов. В химическом отношении монозы сочетают в себе свойства многоатомных спиртов, карбонильных соединений и полуацеталей.

1. Для циклических форм моноз наиболее характерны реакции с участием гидроксильной группы. Наиболее химически активна полуацетальная гидроксильная группа.

Простые эфиры получают при взаимодействии гидроксильных групп моноз с алкилгалогенидами. Одновременно в реакцию вступают как полуацетальная, так и спиртовые гидроксигруппы. Полуацетальная группа –ОН более реакционноспособна, поэтому образование простого эфира по этой группе протекает быстрее и может протекать и при взаимодействии моноз с низшими спиртами в присутствии хлороводорода. Образующиеся при этом моноэфиры называют гликозидами (пиранозидами и фуранозидами).

П ростые эфиры, образованные спиртовыми гидроксильными группами не гидролизуются, а гликозидная связь легко подвергается гидролизу в щелочной среде. Растворы гликозидов не мутаротируют.

Молекулы этанола или йодистого метила выступают в данной реакции в роли нуклеофилов. Аналогично монозы взаимодействуют с аминами и их производными с образованием N-гликозидов.

Гликозиды представляют собой продукты конденсации циклических форм моносахаридов со спиртами и аминами с образованием гликозидной связи. Гликозиды легко подвергаются гидролизу в кислой среде. По типу О-гликозидов образуются ди- и полисахариды, а по типу N-гликозидов — нуклеозиды — структурные компоненты нуклеиновых кислот. Гликозиды играют чрезвычайно важную роль в биохимических процессах, в частности в процессах дыхания и фотосинтеза. Важнейший из гликозидов — аденозинтрифосфат (АТФ), являющийся сложным эфиром фосфорной кислоты и аденозина — нуклеозида, являющегося продуктом конденсации аденина с рибозой. Фосфатные группы АТФ выполняют роль своеобразного энергетического депо; при их гидролизе выделяется энергия, необходимая клеткам для мышечного сокращения.

При взаимодействии с кислотами и их ангидридами монозы образуют сложные эфиры. Так, при взаимодействии глюкозы с уксусным ангидридом образуется пентаацетилглюкоза.

Б иологически важным примером является реакция фосфорилирования. Фосфаты — эфиры моноз и фосфорной кислоты содержатся во всех растительных и животных организмах и представляют собой метаболически активные формы моносахаридов. Так, 1-фосфат D-глюкозы образуется при гидролизе гликогена; 6-фосфат глюкозы — продукт катаболизма глюкозы в организме; фосфаты D-рибозы и 2-дезокси-D-дезоксирибозы — структурные элементы нуклеиновых кислот.

Реакция происходит на первой стадии гликолиза (процесса окисления глюкозы в пируват). Необходимо заметить, что все промежуточные продукты гликолиза представляют собой сложные эфиры моноз и фосфорной кислоты.

2. Окисление моноз в кислой и нейтральной среде приводит к образованию различных кислот. Окислению может подвергаться только карбонильная группа — «мягкое» окисление с образованием –оновых кислот

Окисление карбонильной и первичная гидроксильной группы — «жесткое» окисление, например, раствором HNO₃ до гликаровых кислот.

Окисление только первичной гидроксильной группы в мягких условиях (например, при действии ферментов) при защите альдегидной группы приводит к образованию гликуроновых кислот.

Гликурониды при нагревании декарбоксилируются, что приводит к образованию моноз с меньшим числом атомов углерода. Так можно получить из D-гликуронида пентозу — D-ксилозу.

Окисление моноз в щелочной среде сопровождается деструкцией углеродного скелета. Окислению могут подвергаться и некоторые дисахариды, называемые восстанавливающими. Существуя преимущественно в форме полуацеталей, они обладают потенциально свободной альдегидной группой.

Восстанавливающие моно- и дисахариды восстанавливают ионы меди(П), входящие в состав реактива Фелинга или в состав реактива Бенедикта до оксида меди (I) Сu₂О, а также ионы серебра в реактиве Толленса [Ag(NH₃)₂]OH до свободного серебра. Реакции используют как качественные на наличие восстанавливающих сахаридов.

3. Моносахариды подвергаются химическому либо билогическому восстановлению. Восстановление моноз приводит к превращению карбонильных групп в спиртовые; при этом образуются многоатомные спирты.

П ри восстановлении альдоз образуется один спирт, а при восстановлении кетоз получают два стеоизомерных многоатомных спирта, т.к. неасиметрический 2-й атом углерода в кетозе (атом кетогруппы) после восстановления становится асимметрическим и возможны две ориентации гидроксильной группы, связанной с ним.

4 . Реакция изомеризации (эпимеризации) всегда происходит по кислотному центру моносахаридов, которым является атом углерода, непосредственно связанный с карбонильной группой. Реакция протекает под действием разбавленных растворов щелочей или ферментативно и сопровождается внутримолекулярным окислением-восстановлением атомов углерода С₁ и С₂. В ходе этой перегруппировки из-за переноса протона, осуществляемого под влиянием иона ОН^–, возникает промежуточное соединение — ендиол (двойная связь (-ен) между двумя гидроксильными группами (диол)). Превращения ендиола могут привести к образованию как кетозы, так и двух альдоз.

Рисунок 9 – Схема кето-енольной таутомерии моноз

В результате реакции постепенно образуется равновесная смесь изомеров. Например, в результате эпимеризации D-глюкозы образуется D-манноза — эпимер глюкозы по С₂ и D-фруктоза — структурный изомер глюкозы

Пример реакции изомеризации в организме — ферментативное превращение глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат в процессе гликолиза.