Курсовая работа

по химии

на тему:

"Углеводы"

Введение

По химической классификации, все углеводы являются полигидроксикарбонильными соединениями. Номенклатура их, как и в большинстве случаев природной химии, носит тривиальный характер, систематический подход разработан и им удобно пользоваться при названии производных углеводов и обозначении характерных структурных элементов. Общее окончание для всех углеводов, исключая полимерные системы - оза.

Здесь следует отметить, что обычно углеводы подразделяют в первую очередь на моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Но так как моносахара являются фундаментальными углеводными единицами, а олигосахара и полисахара - это не что иное, как их производные, то мы и будем придерживаться этой схемы: не выделять олигосахара в отдельный класс, рассматривая их как соответствующие производные моносахаров.

1. Классификация

Классификация углеводов ступенчатая. В первую очередь, отмечается количество атомов углерода углеводородной части молекулы - тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы и т.д. Наиболее распространенными являются пентозы и гексозы. В зависимости от числа атомов углерода в моносахаридной цепочке, их подразделяют на низшие, обычные и высшие моносахара с количеством углеродных атомов от 7 до 10. Нормальные углеводы структурно расходуют один углеродный атом на карбонильную группу, при всех остальных углеродных атомах находится по одной гидроксильной группе. Вторая ступень классификации связана с расположением карбонильной группы в углеводородной цепи - либо это альдегидная группа, либо кетонная - ив соответствии с этим, мы имеем либо альдозы, либо кетозы. С учетом первой ступени классификации, мы можем теперь различать альдопентозы, альдокетозы, альдогексозы, кетогексозы и т.д.

Следующий этап подразделения углеводов определяется пространственным структурным фактором, а именно, наличием асимметрических центров. Как видно на схеме 1, молекула альдозы содержит асимметрических центра, молекула кетозы - таких центра: это значит, что альдогексозы могут существовать в виде 2⁴ конфигурационных изомеров, кетогексозы - в виде 2³ конфигурационных изомеров. Учитывая структурное соотношение между диастереомерными и энантио-мерными формами, в простейшем варианте рассмотренное нами на примере винных кислот, можно уточнить: альдогектозы будут представлены 8 диастереомерами, каждый из которых может существовать в виде пары оптических антиподов.

Диастереомеры различаются между собой различным взаимным расположением гидроксильных групп в пространстве, в результате чего они будут существенно различаться физическими и, в некоторой степени, химическими свойствами. В связи с этим, а также с учетом важности этих индивидуальных соединений в природной химии, каждому из диастереомеров присвоено свое собственное тривиальное название. Оптические же антиподы обозначают индексами D - и L - в зависимости от конфигурации последнего, по нумерации углеводородной цепи, асимметрического центра Так как при переходе от углеводной молекулы с п-асимметрическими центрами к молекуле с центрами количество конфигурационных изомеров удваивается, то, приняв за минимальную альдозу глицериновый альдегид и минимальную кетозу - эритрулозу, мы можем построить иерархическую схему стереохимического родства природных углеводов с учетом того факта, что, в основном, они относятся к D-ряду в проекциях Фишера.

Доказательство строения и стереохимического родства восьми D - гексоз и четырех D-пентоз было основано на блестящих работах Эмиля Фишера, за которые он получил Нобелевскую премию по химии в 1901 году.

Относительно особенностей конфигураций D - и L-рядов моносахаров следует отметить два факта:

1. Обозначение D - и L - не находятся во взаимосвязи со знаком их оптического вращения.

2. Живые организмы "не узнают" и "не умеют" усваивать углеводы L-ряда, тогда как синтезировать они их могут. Свойство инертности ферментов к L - сахарам природа часто использует для построения сложных устойчивых молекулярных систем.

2. Свойства и структура моносахаридов

Специфика химических свойств углеводов заключается уже в том, что не имеет смысла рассматривать отдельно реакции, обусловленные только спиртовыми функциями или только карбонильными. Прежде всего, мы познакомимся с теми их свойствами, которые обусловлены взаимным влиянием этих функций, поскольку результатом их взаимного влияния являются существенные структурные изменения и появление новых химических свойств молекул моносахаридов.

Поскольку карбонильные группы обладают ярко выраженной способностью к присоединению нуклеофильных реагентов, а в молекулах Сахаров присутствуют эти нуклеофильные группы в количестве, более чем достаточном, то естественно ожидать от них осуществления этой реакции внутримолекулярным вариантом. И она осуществляется. Остается только выяснить, какой именно гидроксил осуществляет этот процесс и каков результат этого процесса.

Согласно пространственному строению моносахаридной молекулы, наиболее благоприятны для нуклеофильной атаки гидроксильные группы при углеродах С⁴, C^s и С⁶, если мы за основу возьмем альдогексозу; С⁴ и C^s - если за основу возьмем альдопентозу. Второй фактор, влияющий на выбор гидроксильной группы для этой реакции - это устойчивость образующегося циклического полуацеталя: образование малых циклов энергетически невыгодно из-за байеров-ского напряжения; образование больших циклов невыгодно по причине торсионных дестабилизирующих взаимодействий.

Из классической органической химии известно, что пяти - и шестичленные циклы, как карбоциклические, так и гетероциклические, термодинамически наиболее предпочтительны.

Следствием этих основных факторов является преимущественное образование шестичленного циклического полуацеталя в случае глюкозы, пятичленного циклического полуацеталя в случае рибозы, пятичленного циклического полуацеталя в случае фруктозы. В номенклатуре соединений это отражают введением названия соответствующего кислородного гетероцикла в качестве корневого слова - пираноза и фураноза. Но надо еще раз подчеркнуть, что такое формирование циклических форм является преимущественным: образование фураноз в случае альдогексоз и пираноз в случае альдопентоз также не исключено.

Согласно предложению Хеуорса, формулы всех циклов представляют схематически плоскими, что удобно для представления взаимного расположения гидроксильных групп, а для пятичленных циклов это близко к истине

При анализе циклических структур моносахаридов первое, что мы можем отметить - это исчезновение карбонильной функции и появление новой гидроксильной функции при С¹ и, соответственно, нового асимметрического центра при этом же углеродном атоме Так вот, в силу планарности карбонильной группы, присоединение реагента к ней возможно с обеих сторон плоскости, результатом чего является пара циклических изомеров, называемых а - и в-формами А во-вторых, возникает вопрос, что же является истиной для моносахаридов в структурном плане⁹ Многочисленными пионерскими работами в начале двадцатого столетия, основанными на виртуозных химических превращениях, а также современными исследованиями, в большей степени использующими физические методы показано, что в растворах существует динамическое равновесие между всеми тремя формами, а в кристалле - только циклические формы в зависимости от природы углевода и условий кристаллизации Динамическое равновесное состояние моносахаридов называют кольчато-цепной таутомерией. Соотношение между различными формами таутомерной смеси в растворе весьма трудно определяемо, так как оно в существенной степени зависит от природы моносахарида и от среды.

Глюкоза, конечно же, изучена лучше всех по всем аспектам. Так, для нее было установлено, что при кристаллизации из воды или из спирта образуются кристаллы чистой a-D-глюкопиранозы, а при кристаллизации из пиридина - только в - 0-РєК) К0РЗс3З033. В водном растворе D-глюкоза существует в виде смеси а - и в-форм в соотношении 36'64, т.е. все-таки предпочтительнее является в-структура глюкозы.

Ациклическая форма глюкозы в растворе присутствует в столь незначительных количествах, что не регистрируется физическими методами, но она безусловно есть, ибо не был бы возможен таутомерный переход между а - и в-формами. Указанное выше равновесие устанавливается при растворении чистой a-D-глюкозы в воде через 24 часа. Кроме того, только она - ациклическая форма глюкозы - дает четкие реакции альдегидной группы. В столь же незначительных концентрациях в растворе присутствуют и фуранозные формы глюкозы.

К настоящему моменту установлено, что преобладающей формой и для альдогексоз, и для альдопентоз, является наиболее термодинамически выгодная пиранозная. Только в нескольких случаях в растворах моносахаридов фуранозная форма зафиксирована в значительных количествах: для рибозы, альтрозы, иодозы и талозы. Кроме того, следует отметить, что иногда альдогексоза может образовать и семичленный цикл взаимодействием гидроксила при С⁶ с альдегидной функцией. Такую форму, называемую септаноза, образует тетраметил глюкоза.

Несколько иначе обстоит дело с таким типичным моносахаридом кетозной структуры, как фруктоза. Из двух возможностей образования циклической формы, она реализует обе. В водном растворе фруктоза существует в виде смеси таутомеров, в которой содержится до 15% в-фуранозной формы, значительные количества ациклических форм, но в основном, пиранозитный таутомер. В кристаллическом состоянии известна только р-0-фруктопираноза. Следует отметить, забегая несколько вперед, что ее природные производные по полуацетальному гидроксилу всегда имеют фуранозную структуру.

Из альдопентоз следует выделить рибозу, как наиболее распространенный моносахарид с пятью атомами углерода В водном растворе она представляет собой смесь всех четырех циклических таутомеров, из которых предпочтительными являются пиранозные формы, но фуранозные формы также значительны Нормальная кристаллическая форма рибозы - р-й-рибопираноза, а для производных характерна в-0-рибофуранозная структура.

Вернемся к глюкозе, отвлекшись от проекционных формул Фишера и Хеуорса, и проанализируем ее пространственную структуру, так сказать, в окончательном варианте. Поскольку все шестичленные циклы, включая гетероатомные, предпочтительно существуют в форме кресла, так же изобразим и глюкозу. В таком случае, в-глюкопираноза окажется термодинамически предпочтительной и по стереохимическому расположению всех заместителей цикла - они расположены экваториально. В связи с этим, становится понятным предпочтение, отданное Природой в-форме глюкозы при построении различных биологических структур, которые, в первую очередь, требуют стабильности.

б-Форма глюкопиранозы отличается аксиальным положением гликозидного гидроксила. Факторов, определяющих относительную стабильность б-изомера, несколько, но основным, очевидно, является стабилизирующее взаимодействие неподеленной электронной пары эндоциклического кислорода и свободной орбитали связи С'-ОН, которое максимально именно в этой конфигурации молекулы. Аномерный эффект, обнаруженный и изученный на молекуле глюкозы, оказался довольно общим явлением не только в химии углеводов, но и в химии циклических полуацеталей вообще, однако свое начало он берет из природной химии - из химии углеводов.

Таким образом, используя кресловидное изображение молекул альдопи-раноз, мы увидим, чтс пои переходе от глюкопиранозы ко всему остальному ряду альдогексоз, гидроксильные функции периодически меняют свое положение с экваториального на аксиальное, за исключением группировки - СН₂ОН - она всегда экваториальна.

Только D-иодоза имеет аксиальное положение - СН₂ОН группы в термодинамически наиболее стабильной конформации, так как остальные ее - ОН функции при этом расположены экваториально.

Так как фруктоза также имеет склонность к образованию пиранозной формы, то полезно рассмотреть и ее пространственную структуру. Установлено, что из двух кресловидных конформеров реализуется тот, в котором наиболее тяжелая группа занимает экваториальное положение при равном соотношении экваториальных и аксиальных гидроксифункций.

3. Химические свойства моносахаридов

Химические свойства моносахаридов, как и других бифункциональных соединений, могут быть разделены на три группы: это свойства спиртов, карбонильных соединений, и специфические реакции, обязанные взаимному влиянию и взаимному участию спиртовых и карбонильных функций.

Из типичных спиртовых свойств моносахаридов следует отметить, в первую очередь, реакции этерификации различного типа, ведущие к образованию сложных эфиров карбоновых кислот, сложных эфиров минеральных кислот, простых алкиловых эфиров. Так как в молекуле любого моносахарида содержится несколько спиртовых групп, то очевидно, что в любом случае эти реакции могут иметь различную степень кратности, т.е. могут быть получены, в зависимости от активности реагента, моноэфиры, дизфиры, триэфиры и т.д. При этом не полностью этерифицированные моносахара будут представлены еще и набором региоизомеров. Таким образом, в одной только реакции ожидаемое многообразие получаемых эфиров более чем достаточно.

Реакции карбонильных групп моносахаридов всегда могут проявиться, так как в растворе моносахарида всегда имеется ациклический таутомер, всегда имеется хоть в каких-то количествах и тогда, независимо от количества этой формы, процесс таутомерии обеспечивает полное прохождение реакции по карбонильной группе, т.е. так, как будто все вещество в растворе имело нециклическую структуру. В первую очередь, здесь следует отметить различные реакции нуклеофильного присоединения, окислительно-восстановительные реакции, реакции азометиновой конденсации.

Реакции окисления наиболее любопытны тем, что могут быть реализованы потрем направлениям!

Наиболее мягкое окисление по альдегидной группе приводит к гликоновым кислотам, окисление немного более энергичное - переводит спиртовую группу в карбоксильную. Концевая спиртовая группа может быть окислена до карбоксильной при условии защиты последней, т.е. в условиях жесткой стабилизации циклической формы молекулы. При действии некоторых окислителей, циклическая форма альдогексоз окисляется непосредственно по полуацетальному гидроксилу с образованием д-лактонов, которые обычно перегруппировываются в более стабильные г-лактоны.

Специфические свойства моносахаридов. Наличие в молекуле углеводов спиртовых гидроксилов открывает возможность одновременного участия в реакции нескольких из них. Типичная реакция моносахаридов с карбонильными реагентами приводит к образованию циклических ацеталей, структура которых определяется взаимным пространственным расположением гидроксильных групп: обычно в таких реакциях участвует пара цис расположенных гидроксифункций.

Так как моносахара в растворе обычно представлены смесью нескольких таутомеров, то при взаимодействии их с карбонильным соединением возможно образование циклических производных нетипичных форм, присутствующих в незначительных количествах, но, по ряду факторов, благоприятных для реакций такого типа.

Сближение в пространстве двух гидроксильных групп моносахаридов может, в условиях, соответствующих образованию простых эфиров, реализоваться в такой реакции внутримолекулярно. Продукты реакций имеют бициклическую структуру и называются ангидросахарами. Подобная реакция эффективно проходит в молекуле йодозы, так как в ее пиранозной форме один из информационных переходов сближает гидроксилы при С и С⁶, тогда как все остальные приобретают энергетически выгодное экваториальное положение.

Ангидросахара, полученные взаимодействием реакционных центров при С¹ и С⁴, имеют структуру, в которой зафиксирована форма лодки шестичленного цикла пиранозы.

Специфической реакцией моносахаридов можно считать и окисление их реагентами, действующими на пару вицинальных гидроксильных групп, предпочтительно имеющих цис-конфигурацию. Окисление выполняется йодной кислотой или тетраацетатом свинца и протекает через промежуточный циклический диэфир с последующим расщеплением углерод-углеродной связи циклического фрагмента. В свое время, реакция сыграла решающее значение при исследовании строения моносахаров.

Но так как обычно углеводная молекула имеет более, чем два гидроксила, то вариантов деструктивного гликольного окисления несколько, и процесс протекает часто постадийно и достаточно глубоко: например, так, как эрj имеет место в случае D-глюкозы.

Под действием оснований и кислот моносахара претерпевают изомеризацию и деградацию в зависимости от условий.

В мягких щелочных условиях обычно имеет место эпимеризация, т.е. изменение конфигурации углеродного атома в 2-положении к карбонильной группе, а также изомеризация типа альдоза р. кетоза. Так, при выдерживании D-глюкозы в течении нескольких дней в 0,01 М растворе гидроокиси натрия образуется смесь, содержащая 28% D-фруктозы, 3% D-маннозы и исходную D-глюкозу. Оба изомеризационных процесса протекают через общий интермедиат, являющийся енольной формой D-глюкозы, т.е. указанная смесь веществ является следствием кетоенольной таутомерии, катализируемой основанием. Заметим, что реакция идет из ациклической формы, являющейся также компонентой таутомерного процесса.

В более жестких щелочных условиях проходят более глубокие перегруппировки до сахариновых кислот. Та же самая D-глюкоза при обработке 0,15 М раствором гидроокиси кальция превращается в смесь нескольких гидрокси-кислот. Эти реакции многоступенчатые и, как правило, малой степени стерео-специфичности.

В кислой среде моносахара обычно более стабильны, но при нагревании в растворах минеральных кислот протекают процессы дегидратации, результатом которых являются производные фурана. Так, альдопентозы, отщепляя три молекулы воды, образуют фурфурол, а альдогексозы - 5-гидроксиме-тилфурфурол.

Характерным свойством моносахаров, обязанным совместному присутствию карбонильной и гидроксильной функций, является реакция образования озазонов, образующихся при взаимодействии как альдоз, так и кетоз с фенилгидразином. Обычная азометиновая конденсация по карбонильной группе моносахарида с одной молекулой фенилгидразина приводит к соответствующему фенилгидразону, но характерно то, что процесс на этом не заканчивается, а наблюдается последующая реакция окисления соседней гидроксильной группы до карбонильной, на что расходуется еще одна молекула фенилгидразина, далее новая карбонильная группа конденсируется с третьей молекулой фенилгидразина.

Образующиеся в результате бисфенилгидразоны хорошо кристаллизуются и потому часто используются для идентификации моносахаридов. На заре углеводной химии эта реакция использовалась для установления строения отдельных моносахаридов и их взаимосвязи. К примеру,

D-глюкоза и D-манноза образуют один и тот же озазон.

Рассматривая химические свойства углеводов, невозможно обойти их реакции брожения; фактически являясь биохимическими реакциями, они широко используются в химической технологии и в лабораторной практике. Большинство углеводов под действием ферментов, внутриклеточно, образуют пировиноградную кислоту и АТР.

Далее, в зависимости от природы микроорганизма, поставляющего определенный набор ферментов, пировиноградная кислота превращается в тот конечный продукт, который соответствует каталитическим возможностям данного комплекта энзимов. По продуктам брожения различают следующие его основные виды: спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, маслянокислое. Иногда основной процесс брожения может осложняться некоторыми параллельными или последовательными реакциями, обусловленными вариациями условий среды или ферментного набора: так, при маслянокислом брожении может реализоваться так называемое ацетон-бутиловое брожение; спиртовое брожение сопровождается уксуснокислым, виннокислым и глицериновым брожениями; при некоторых видах брожения в значительных количествах могут накапливаться лимонная, фумаровая и янтарная кислоты.

4. Биосинтетические реакции углеводов

Одно из важных свойств моносахаров - это способность к енолизации, обеспечивающая как процессы взаимопревращения моносахаров, так и различные реакции биосинтеза.

В ряду последних, в первую очередь, следует отметить реакцию фиксации диоксида углерода дифосфатом рибулозы как один из этапов цикла Кальвина.1,5-дифосфат D-рибулозы в присутствии оснований становится С-нуклеофилом, который легко присоединяет электрофильный диоксид углерода. Образующийся промежуточный разветвленный С⁶-сахарид гидролитически расщепляется на два фрагмента глицериновой кислоты - таким образом, молекула углекислоты может считаться "усвоенной".

На следующем этапе 3-фосфат глицериновой кислоты восстанавливается реагентом in vivo до фосфата глицеринового альдегида; последний изомеризуется до соответствующего кетона - фосфата дигидроксиацетона. Показано, что из фосфатов глицеринового альдегида и дигидроксиацетона реакцией конденсации образуется молекула дифосфата фруктозы: при этом дигидроксиацетоновая компонента выступает в качестве нуклеофила в форме енолят-аниона.

Очень похожими реакциями получаются другие моносахара, а также регенерируется рибулоза, необходимая для первичного захвата диоксида углерода. Кроме этого пути фотосинтетической фиксации диоксида углерода существуют и некоторые другие: например, образование щавелевоуксусной кислоты присоединением фосфата енол-пировиноградной кислоты, имеющего нуклеофильный центр, по атому углерода углекислоты, об электрофильном характере которого уже говорилось выше. В свою очередь, щавелевоуксусная кислота легко восстанавливается до яблочной кислоты, а последняя служит источником и пировиноградной кислоты, и фосфата ее енольной формы.

К этой схеме следует заметить, что высвобождающийся в ходе каталитического разложения диоксид углерода не выделяется "наружу", а тут же используется для последующих фотосинтетических превращений, например, для образования фруктозы, а пируваты снова возвращаются на начальную стадию биосинтеза.

Одним из интереснейших и важнейших химических преобразований альдогексоз является реакция образования аскорбиновой кислоты. Процесс реализуется in vivo из D-глюкозы и D-галактозы, а в промышленности ее получают из D-глюкозы. Важно отметить, что природная аскорбиновая кислота имеет L-конфигурацию.

Установлено, что процесс ее образования имеет обязательные стадии: окисление при С¹, С² или С³, эпимеризация или родственный процесс при С⁵, лактонизация между С и С⁴. В каком порядке эти реакции осуществляются, не всегда можно сказать однозначно, хотя бы потому, что эти процессы несколько различаются у животных и у растений. Наиболее доказана к настоящему времени следующая.

5. Производные моносахаров

К производным моносахаридов относятся соединения, имеющие моносахаридную основу, но содержащие вместо одной или нескольких гидрокси-функций какие-либо другие функциональные группы. Ввиду большого их разнообразия и широкого распространения в природе, имеет смысл разделить производные моносахаров на две подгруппы: производные по всем спиртовым группам и производные по полуацетальному гидроксилу. Последние в силу своей специфичности называют гликозидами и выделяют в особую группу, которую мы проанализируем позже.

Все производные моносахаридов, в которых спиртовая группа замещена на любую другую, получают приставку дезокси-, далее называют замещающую функцию.

Итак, дезоксисахара - это моносахариды, в которых одна или более спиртовых функций восстановлены до углеводородной. В природе широко распространена 2-дезоксирибоза в виде производных. В растениях часто встречаются моно-сахара с терминальной дезокси-группой: например, L-рамноза, L-фукоза, D-дигитоксоза. Многие моно - и ди-дезоксисахара входят в состав антибиотиков.

Аминосахара редко встречаются в свободном виде, обычно они входят как мономерные звенья в цепочки различных полисахаридов. Но так как в связанном виде они распространены широко и, можно сказать, фундаментально, мы эти звенья как бы в изолированном виде и рассмотрим. Важнейшими из них являются 2-аминопроизводные глюкозы и галактозы, аминогруппа которых может быть свободной или модифицированной ацильной или сульфогруппами.

Особенно богатым источником различных аминосахаров являются плесневые грибы семейства Streptomyces, продуцирующие разнообразные аминосахаридные антибиотики. В качестве типичного примера таких антибиотиков можно назвать канамицин В, в молекулу которого входят такие аминосахара как 2,6-диамино-2,6-дидезокcи-D-глюкоза и 3-амино-3-дезокси-D-глюкоза.

Важное место среди аминопроизводных моносахаров занимает нейраминовая кислота и ее производные - сиаповые кислоты Моносахаридной основой нейраминовой кислоты является кетононоза. Сиаловые кислоты - это ее ацилированные по азоту и кислороду производные, содержащиеся в свободном состоянии в спинномозговой жидкости.

Несмотря на большую углеродную цепочку ациклической формы нейраминовой кислоты, ее циклический таутомер, как и в случае гексоз, имеет размер пиранозы.

Отметим также аминопроизводное D-глюкозы, этерифицированной по третьему гидроксилу молочной кислотой - мурамовую кислоту, которая в виде Н-ацетильного производного входит в состав полисахаридов клеточной стенки бактерий. Наличие в ее молекуле аминной и карбоксильной функций позволяет мурамовой кислоте образовывать цвиттер-ионную форму.

Через свою карбоксильную функцию мурамовая кислота обычно осуществляет химическую связь с аминокислотами и пептидами, образуя класс пептидогликанов.

Разветвленные моносахара сравнительно немногочисленны, но их структуры уникальны: они являются компонентами некоторых антибиотиков, встречаются в растениях в связанном виде. Отметим стрептозу, которая входит в состав антибиотика стрептомицина; апиозу, обнаруженную в виде гликозида в петрушке; гамамелозу, которая в виде диэфира с галловой кислотой найдена в коре лещины виргинской.

Молекула апиозы интересна в структурном плане: имея только один асимметрический центр в цепной форме, она приобретает два новых асимметрических центра при переходе в циклическую форму, следовательно, D-апиоза может образовывать четыре циклических стереоизомера.

6. Гликозиды

Среди всех производных моносахаров, безусловно, на первое место следует поставить гликозиды. Гликозиды представляют собой моносахариды, в молекулах которых полуацетальный гидроксил замещен на какую-либо другую функциональную группу.

Из схемы 6.1 очевидно, что два атома кислорода при одном углероде как пиранозной, так и фуранозной форм моносахарида - это уже достаточное основание для создания существенного положительного заряда на этом атоме. Вследствие этого, для молекулы открываются две возможности реагирования: во-первых, облегчается диссоциация по связи С-ОН с образованием соответствующего карбкатиона, катионный центр которого стабилизирован взаимодействием с п-уровнем эндоциклического атома кислорода; во-вторых, достаточно большой положительный заряд на углероде создает благоприятную предпосылку для непосредственной атаки его нуклеофильным реагентом. Другими словами, ожидается, что полуацетальный гидроксил пираноз и фураноз будет легко замещаться нуклеофильно как по механизму S_N1; так и по механизму S_N2.

В соответствии с общими закономерностями реакций нуклеофильного замещения, в случае реализации мономолекулярного механизма ожидается образование продукта реакции в виде смеси диастереомеров, так как карбкатионный фрагмент переходного состояния молекулы плоский; если же процесс пойдет по синхронному бимолекулярному пути - пространственная структура продукта будет зависеть от конфигурации исходного моносахарида: из б-формы образуется в-гликозид, из в-формы - б-гликозид, так как атака нуклеофила осуществляется в тыл связи С-0 и завершается обращением конфигурации реакционного центра. Поскольку моносахарид всегда будет существовать в растворе в виде таутомерной смеси а - и в-форм, то независимо от механизма реакции мы, как правило, получим гликозид в виде изомерной смеси. Только лишь их соотношение будет варьироваться в зависимости от условий реакций и природы реагента. Но это все верно тогда, когда реакция проводится в колбе, т.е. in vitro.

Внутри живой клетки такой процесс катализируется ферментами, которые, как правило, работают стереоспецифично: это значит, что они будут избирательно вовлекать в реакцию какой-либо один из диастереомеров, а также осуществлять реакцию по какому-либо одному механизму, что в итоге приведет к продукту одной изомерной формы. Схематично такую реакцию можно представить, моделируя реагент и фермент в виде единой молекулы, на одном конце которой находится остаток фосфорной кислоты, катализирующий отщепление гидроксильной группы, на другом конце - нуклеофильный остаток, атакующий электрофильный атом углерода. Синхронное воздействие каталитического и нуклеофильного фрагментов на электрофильный центр а-глюкопиранозы приводит к соответствующему в-гликозиду.

Вполне возможно, что б-изомер большинства моносахаров более реакционно способен хотя бы по причине стерической доступности его реакционного центра. Тогда следует ожидать, что большинство природных гликозидов будут относится к ряду в-изомеров, так как их образование ферментативно катализируемо. Трудно проанализировать

все природные гликозиды на предмет принадлежности их к а - или в-ряду в виду их многочисленности. Но все-таки создается впечатление, что в-диастереомеры все же более многочисленны. Так как б-изомерные формы часто также образуются исключительно стереоспецифично, следует предположить, что комплексирование каталитического сайта фермента и молекулы моносахарида чувствительно к исходной пространственной форме пиранозы или фуранозы. Это возможно только при условии, что образование одних и тех же гликозидов различной конфигурации должно катализироваться различными ферментативными системами.

Для всех гликозидов характерно отсутствие таутомерных превращений в растворе, т.е. переход их в ациклическую форму невозможен, так как для этого процесса требуется подвижный атом водорода полуацетального гидроксила для преобразования последней в карбонильную группу. Второе общее свойство гликозидов - это достаточно легкая способность их к гидролизу в кислой среде, фактически являющемуся процессом, обратным реакции их образования.

Классификация гликозидов. Классифицируются гликозиды достаточно однозначно - согласно типу нуклеофила, заместившего полуацетальный гидроксил. Такой нуклеофил также называют агликоном. Если агликонами являются спирты или фенолы, то образующиеся гликозиды называют 0-гликозидами; серусодержащие нуклеофилы ведут к образованию S-гликозидов; если нуклеофилом являлось соединение, генерирующее в ходе реакции карбанион, то полученный гликозид имеет структуру С-гликозида; и наконец, очень распространены в природе различные варианты образования Н-гликозидов в ходе замещения полуацетального гидроксила моносахаров азотистыми основаниями разного типа.

О-гликозиды в природных источниках представлены как довольно простыми молекулами по структуре агликона, так и очень большими и разнообразными по строению и биологическим функциям соединениями, включая целые биополимерные системы.

Т. к. О-гликозиды образуются при взаимодействии спиртов любой природы с циклической формой моносахарида, а последний сам по себе содержит вполне достаточное количество различных по состоянию гидроксильных функций, то вполне естественно, что Природа использовала возможность образования новых структур, новых связей и новых возможностей путем взаимодействий молекул моносахаридов между собой по схеме О-гликозидирования, без привлечения других соединений. Такой путь всегда энергетически и материально наиболее экономичен.

Результатом этих реакций являются дисахариды, олигосахариды и полисахариды, которые могут быть построены как из одинаковых моносахаридных звеньев, так и из различных моносахаридных звеньев.

Дисахариды. Самый важный момент, который следует определить в структуре дисахарида после того как установлена природа его моносахаридных звеньев - это характер гликозидной связи: какая гидроксильная группа участвует со стороны моносахарида - агликона и какова конфигурация гликозидной связи. Чаще всего реализуется связь 1-4', реже встречается гликозидная связь 1-6', еще реже - связь 1-3'.

Образованные таким способом дисахариды называются восстанавливающими, так как фрагмент моносахарида - агликона содержит полуацетальный гидроксил свободным, что оставляет за ним способность к таутомерному превращению в ациклическую форму, которая и вступит в окислительно-восстановительную реакцию своей альдегидной группой.

В том случае, если дисахарид образован связью 1-1', т.е. моносахарид - агликон предоставляет для формирования гликозидной связи свой полуацетальный гидроксил - его относят к группе невосстанавливающих, так как таутомерного превращения, ведущего к ациклическому фрагменту с альдегидной группой, молекула не претерпевает и, следовательно, легких окислительно-восстановительных реакций от нее ожидать не приходится.

Типичными представителями гетеродетных дисахаридов являются лактоза и сахароза. Само название этих дисахаридов говорит о степени важности их для живых организмов и степени распространенности в живой системе. Лактоза представляет собой дисахарид, образованный из галактозы и глюкозы-агликона со связью в-1-4", тогда как сахароза образована из глюкозы и фруктозы со связью 1б-1'в, т.е. из этих данных следует, что лактоза является восстанавливающим дисахаридом, а сахароза – не восстанавливающим.

Полисахариды также должны быть классифицированы как О-гликозиды, поскольку образуются точно по той же схеме и имеют ту же природу связывания моносахаридных звеньев между собой Само собой разумеется, что от О-гликозидов дисахаридного типа они отличаются количеством этих звеньев - многие природные полисахариды имеют весьма высокую степень полимерности. Поскольку полисахариды, как и все биополимеры - это все-таки больше объекты биохимии и химии высокомолекулярных соединений, мы приведем здесь лишь краткое описание основных типов макромолекул этого класса веществ.

Полисахариды в силу того, что они являются О-гликозидами, легко подвергаются кислотному гидролизу до моносахаридов Полисахариды, построенные из остатков одного моносахарида, называются гомополисахаридами, а если они составлены из остатков различных моносахаридов - гетерополисахаридами, т. е так же, как и в случае дисахаридов. Так же, как и в дисахаридах, связь между моносахаридными фрагментами может осуществляться по типу 1-4', 1-6', 1-3', 1-2' при а - и в - конфигурациях гликозидного центра Последнее и понятно, так как такая конденсация двух молекул моносахаридов не оставляет свободного полуацетального гидроксила, способного взаимодействовать с третьей молекулой моносахарида и т.д., т.е. не оставляет возможности для реализации полимерного процесса.

О-гликозиды разные, т.к. О-гликозиды образуются взаимодействием спирта с циклическим изомером моносахарида, то очень часто природные соединения со спиртовой группы существуют в растениях именно в такой связанной форме в виде гликозидов. Они могут быть извлечены из сырья в мягких условиях без изменения, а если в процессе обработки сырья используется кислая среда и нагревание, то естественно, что моносахариды и агликоны будут найдены в индивидуальном состоянии и о природе гликозида можно будет только рассуждать. Известны 0-гликозиды стероидов: приблизительно у 11 семейств растений обнаружены такие производные, называемые сердечными гликозидами. Сердечные гликозиды образованы из моносахаридов или олигосахаридов различной природы, связанных в-гликозидной связью растительных стероидов через их спиртовую группу. В малых дозах они возбуждают деятельность сердечной мышцы, в больших дозах это сердечные яды.

Примером таких гликозидов может служить ланатозид А, найденный в одном из видов наперстянки.

Другая интересная группа растительных О-гликозидов - это цианогенные гликозиды, агликоновый компонент которых образован из а-циангидринов. Их особенностью является способность выделять синильную кислоту при ферментативном гидролизе, которому они подвергаются чрезвычайно легко: появление запаха "горького миндаля" при использовании семян некоторых растений указывает на присутствие в них таких гликозидов и на начало реакции их распада.

Циангидрины цианогенных гликозидов образуются из соответствующих аминокислот; в качестве сахарного остатка почти всегда фигурирует D-глюкоза, гликозидная связь которой имеет в-конфигурацию.

S-гликозиды. S-гликозиды весьма немногочисленны, наиболее хорошо изучена группа глюкозинолетов. Эти лечебные соединения легко расщепляются при действии ферментов, выделяя соответствующие изотиоцианаты и тиоцианаты, являющиеся причиной отравления при использовании растений, содержащих эти гликозиды.

Они содержатся во многих видах крестоцветных, максимум накопления тиогликозидов у большинства из них - в недозрелых семенах.

Н-гликозиды. О степени важности для живых систем Н-гликозидов говорить не приходится. Нуклеиновые кислоты, многие коферменты, макроэрги - вот те классы природных веществ, в основе которых лежит Н-гликозидный фрагмент, играя при этом далеко не второстепенную роль. Можно утверждать, что нет живой клетки без Н-гликозидов. Но при всем при этом, в структурном плане они представляют собой довольно локальный класс природных соединений, так как он ограничен сравнительно небольшим набором азотистых агликонов, а еще в большей степени - набором моносахаров, участвующих в их формировании. Поскольку основная масса Н-гликозидов представлена фрагментами, составляющими базис нуклеиновых кислот, и именно эти гликозиды выделены на первичных этапах исследования состава и строения ДНК и РНК, то из них и образовали отдельную группу под названием нуклеозиды.

Нуклеозиды образованы всего двумя моносахаридами - D-рибозой и D-2-дезокси-рибозой в своих фуранозных формах и небольшой серией азотистых гетероциклов с в-конфигурацией гликозидного фрагмента.

Азотистые агликоны нуклеозидов представлены двумя группами гетероциклов: производными пиримидина и производными пурина. Пиримидин и пурин функционализированы - НЗ₂ и ОН-группами, но последний функционал претерпевает таутомерное превращение из гидроксиформы в соответствующую карбонильную функцию - это равновесие в нейтральной среде сдвинуто в сторону пиридоновых форм, тогда как соли имеют гидроксипиридиновую структуру.

Аминопиридиновый фрагмент этих нуклеиновых оснований также способен к таутомерному превращению, равновесие обычно сдвинуто в сторону аминной формы.

Таким образом, нуклеозиды можно разделить на "нормальные" - те, которые содержат в гетероцикле карбонильные и аминные функции, и на "редкие" - те, которые содержат в гетероцикле гидроксильные и иминные функции.

Механизм образования Н-гликозидов этого ряда может быть объяснен, основываясь на следующих предпосылках: как правило, моносахара в водных растворах предпочтительно существуют в б-форме; во-вторых, все нуклеозиды при этом имеют в-конфигурацию; и, наконец, поскольку образование Н-гликозида - это процесс нуклеофильного замещения, из двух таутомерных форм всех нуклеиновых оснований нуклеофильными свойствами обладают их лактимные формы. Учитывая все это, можно предположить, что реакция идет по механизму S_N2, при котором электрофильный центр С атакуется атомом азота в пиридиновом валентном состоянии. А если учесть еще и то, что процесс должен реализоваться в очень мягких условиях живой клетки, можно предположить двойной катализ этой реакции - кислотный по полуацетальному гидроксилу и основной по фенольному гидроксилу. В принципе, он может быть реализован одной молекулой фермента, имеющей и кислотную, и основную функциональную группу.

Аналогичным образом могут быть образованы Н-гликозиды - с участием аминокислот и других биогенных аминов. Так как аминокислоты в нейтральных условиях существуют преимущественно в цвиттер-ионной форме, то катализатор-фермент двойственной природы, связывая кислотную функцию, активирует тем самым нуклеофильный реагент - а его кислотная функция будет синхронно активировать электрофильный центр.

Н-гликозиды, указанные на схеме 6.13 и называемые нуклеозидами, являются фрагментами, или, можно сказать, мономерными звеньями нуклеиновых кислот, которые связаны между собой фосфатными группами. Дезоксирибонуклеиновые и рибонуклеиновые кислоты, а также белки и полисахариды относятся к группе биополимеров, которые в настоящем издании мы рассматриваем очень кратко по причине вышеуказанной - это объекты физико-химии, химии ВМС и смежных областей биологии.

ДНК и РНК построены практически по одной схеме: полимерная цепочка представляет собой полиэфир фосфорной кислоты и моносахарида с боковыми ответвлениями в виде Н-гликозидных фрагментов.

Различаются они между собой природой моносахарида и набором оснований, образующих Н-гликозидный фрагмент: в ДНК это тимин, цитозин, аденин, гуанин, в РНК - урацил, цитозин, аденин, гуанин.

Эти небольшие казалось бы различия в структуре ДНК и РНК, в основном, сводятся к тому, что молекулы

ДНК являются более гидрофобными, а это, в свою очередь, приводит к тому, что в водной среде они проявляют тенденцию к агрегации, которая реализуется в виде двойной спирали. Двойная спираль ДНК построена на базе водородных связей между нуклеиновыми основаниями двух полимерных цепочек по схеме: тимин... аденин, цитозин... гуанин. Эти пары оснований представляют собой как бы "ступеньки веревочной лестницы", скрученной в виде спирали - это своего рода "винтовая лестница".

Водородные связи, образующие ступеньки этой "винтовой лестницы", уникальны по своей структуре - они являются кратными. Это двойная водородная связь в паре аденин-тимин и тройная связь в паре цитозин-гуанин. Бесспорно, такие мостики прочнее ординарных водородных связей, но они по-прежнему слабее любых ковалентных связей.

Различные Н-гликозиды. Различные Н-гликозиды, близкие по структуре к вышеописанным нуклеозидам, выполняющие функции, отличные от функций ДНК и РНК, широко распространены в живом мире - одинаково и в растительном, и в животном. Прежде всего, укажем на аденозин-трифосфат - основной макроэрг живой клетки, или другими словами - молекула, выполняющая роль аккумулятора энергии in vivo. Это лабильное соединение имеет одну важную особенность: первичная спиртовая группа рибозы фосфорилирована трижды и содержит вследствие этого трифосфорную группу, атомы фосфора которой имеют высокую степень электрофильности. Фосфорилированная часть молекулы АТР по своей структуре и свойствам похожа на фосфорный ангидрид - Р₂0₅, основной особенностью которого является высокоэкзотермичная реакция гидролиза. Взаимодействие АТР с нуклеофильными реагентами протекает легко и с выделением энергии, которая была затрачена на его синтез - т.е. энергия уже была как бы запасена в этой молекуле.

Аденозинтрифосфат участвует в большинстве метаболических реакций и является ключевым интермедиатом реакций in vivo, протекающих с переносом энергии запасенной им ранее. При гидролизе АТР на первом этапе отщепляется концевая фосфатная группа и выделяется около 30 кДж/моль энергии.

Образовавшийся аденозиндифосфат может гидролизоваться до аденозинмонофосфата с выделением еще некоторого количества энергии. Кроме того, фосфатные группы могут замещаться другими нуклеофилами - например, аминокислотами с образованием ацилфосфатов, которые являются ангидридами по своей химической природе и могут, в свою очередь, легко вступать в другие биохимические реакции также с выделением энергии. Широко распространен в живых системах циклический изомер AMP, выполняющий функцию посредника в работе ряда гормонов и нервных медиаторов.

Среди Н-гликозидов следует также особо отметить кофермент гликозидной структуры - НАД⁺, являющийся наиболее распространенным окислительно-восстановительным коферментом: он участвует в реакциях спиртокарбонильные превращения и др. Этот кофермент по химической структуре является дигликозидом.

Другой интересный кофермент Н-гликозидной структуры - кофермент А, который участвует в биохимических реакциях переноса ацильного фрагмента in vivo и образует при биосинтезе большинства классов природных соединений интермедиат Co-S-CO-CH₃. Н-гликозидом является и кофермент S-аденозилметионин, осуществляющий перенос метиленой группы в биосинтетических реакциях.

Из всего вышесказанного о различных Н-гликозидах ясно, что все они построены с участием аденина - поэтому часто их выделяют в отдельную группу.