Как отличаются свойства моносахаридов и олиго полисахаридов. Углеводы моно- ди- и полисахариды функции углеводов

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 (Н 2 О) п , которая и послужила основой для названия данного класса соединений (углерод + вода). По своей структуре монозы относятся к полиоксиальдегидам, или альдозам, или полиоксикетонам, или кетозам. В зависимости от числа атомов углерода монозы делят на триозы (три атома углерода), тетрозы (четыре атома), пентозы (пять атомов), гексозы (шесть атомов) и гептозы (семь атомов). В зависимости от строения карбонильной группы каждую из моноз обозначают: альдотриоза, альдогексоза, кетогексоза и т.п.

Оптическая изомерия моносахаридов .

Характерной особенностью структуры моносахаридов является наличие в молекулах асимметрических (т.е. имеющих четыре различных заместителя) атомов углерода. Асимметрические атомы углерода представляют собой центры хиральности молекулы. Следствие хиральности молекулы - явление оптической изомерии, или энантиомерии, которое выражается в способности соединения вращать плоскость поляризованного света в противоположные стороны. Соединение с асим-метрическими атомами углерода может существовать в виде 2 изо-меров . В соединениях с одинаковыми асимметрическими атомами углерода число оптических изомеров уменьшается вследствие существования мезоформ. Мезо-соединения оптически неактивны из-за «внутренней компенсации» знака вращения. Примером мезо-соединения является D-ксилит.

Оптические изомеры, относящиеся друг к другу как несим-метричный предмет к своему зеркальному отображению, называют энантиомерами, или оптическими антиподами. Энантиомеры отличаются друг от друга конфигурацией всех центров хиральности и образуют D-форму (лат.Dexter — правый) и L-форму (лат. laevus — левый) — стереохимические ряды моносахаридов. Изомеры, отличающиеся конфигурацией только части центров хиральности 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 к 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 С 5). Если она совпадает с конфигурацией асимметрического атома углерода D-глицеринового альдегида , то соединение относят к D-ряду, если не совпадает — к L-ряду. Установлено, что все природные монозы относятся к D-ряду.

Цикло-оксо-таутомерия моносахаридов .

В твердом состоянии и в водном растворе моносахариды преимущественно существуют в виде циклических полуацеталей. Образование полуацеталей можно рассматривать как внутримолекулярную реакцию A N , в результате которой образуются наиболее устойчивые шестичленные циклы (пиранозные) и пятичленные циклы (фуранозные). 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):

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 С 1 в альдозах или атом С 2 в кетозах, называемый аномерным атомом углерода, и дополнительная группа -ОН, называемая полуацеталъным гидроксилом (в формуле Хоуорса показана звездочкой *). Если конфигурация аномерного атома углерода совпадает с конфигурацией атома, определяющего принадлежность соединения стереохимическому ряду, его называют a-аномером, если не совпадает — b-аномером.

Таким образом, a- и b-аномеры моноз можно рассматривать как изомеры положения полуацетального гидроксила. Переход аномерных форм a « b осуществляется только через открытую оксо-форму: a-форма « оксо-форма « b-форма

Аналогично устанавливается равновесие в растворе между пиранозными и фуранозными формами. Преобладание a- или b-аномера зависит от природы монозы, растворителя, концентрации и других внешних условий. Равновесие между всеми формами является, таким образом, динамическим. Так, если какой-либо аномер глюкозы растворить в воде, он постепенно превращается в другой аномер, пока не образуется равновесная смесь двух 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 a-, так и b-D-глюкопираноз, содержит 36 % a-изомера и 64 % b-формы. Доля оксо-формы в равновесной смеси невелика (при рН 6,9 равновесная смесь D-глкжозы содержит лишь малую часть альдегидной формы). По-этому 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.

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.

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, напри-мер, бромной водой с образованием - оновых кислот

Окисление карбонильной и первичной гидроксильной группы — «жесткое» окисление, например, раствором HNO 3 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 легко декарбоксилируются, что приводит к образованию моноз с меньшим числом атомов углеро-да. Так можно получить из D-гликуронида пентозу — D-ксилозу.

Окисление моноз в щелочной среде сопровождается деструк-цией углеродного скелета. Реакции окисления характерны не только для альдоз, но и для кетоз (в отличие от кетонов), что объясняет-ся явлением эпимеризации моноз.

Окислению могут подвергаться и некоторые дисахариды, называемые восстанавли-вающими. Существуя преимущественно в форме полуацеталей, они обладают потенциально свободной альдегидной группой (в оксо-форме).

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

3. Моносахариды подвергаются химическому либо билогическому восстановлению.

Восстановление моноз, как и всяких карбонильных соедине-ний, приводит к превращению карбонильных групп в спиртовые; при этом образуются многоатомные спирты, называемые сахарными спиртами, или альдитами.

Помимо амальгамы натрия в водной (или водно-спиртовой, или спиртовой) среде для восстановления моноз используют во-дород в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni) и гидриды метал-лов (особенно NaBH 4). Следует иметь в виду, что при восстановлении альдоз образуется один спирт, а при восстановлении кетоз получают два стеоизомерных многоатомных спирта, т.к. неасиметрический 2-й атом С в кетозе (атом карбонильной группы) после восстановления становится асимметрическим и возможны две ориентации гидроксильной группы, связанной с ним.

4. Реакция изомеризации (эпимеризации) всегда происходит по a-СН*-кислотному центру моносахаридов, которым является атом углерода, непосредственно связанный с карбонильной груп-пой. Реакция протекает под действием разбавленных растворов ще-лочей или ферментативно (в условиях организма) и сопровожда-ется внутримолекулярным окислением-восстановлением (диспропорционированием) атомов углерода С 1 и С 2 .

В ходе этой перегруппировки вследствие переноса протона, осуществляемого под влиянием гидроксильного иона, возникает промежуточное соединение — ендиол (одна двойная связь (-ен) между двумя гидроксильными группами (ди-ол)).

Превращения ендиола могут привести к образо-ванию как кетозы, так и двух альдоз.

Таким образом, в результате реакции постепенно образуется равновесная смесь изомеров. Например, в результате эпимеризации D-глюкозы образуется D-манноза — эпимер глюкозы по С 2 и D-фруктоза — структурный изомер глюкозы.

Пример реакции изомеризации в организме — ферментатив-ное превращение глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат в про-цессе гликолиза.

Олиго- и полисахариды . Дисахариды (биозы) представляют со-бой продукт конденсации двух молекул моносахаридов, соеди-ненных О-гликозидной связью.

Если в реакции конденсации принимают участие оба полуацетальных гидроксила и два остатка моноз соединяются гликозид-гликозидной связью, образуется невосстанавливающий дисахарид. Такой дисахарид не содержит гликозидный гидроксил, не может переходить в открытую альдегидную форму и поэтому не восстанавливает окислов металлов (не вступает в реакции с гидроксидом меди или в реакцию «серебряного зеркала»).

Если в реакции конденсации принимают участие один полуацетальный и один спиртовой гидроксил и два остатка моноз соединяются гликозид-гликозной связью, образуется восстанавливающий дисахарид. Такой дисахарид содержит гликозидный гидроксил, за счёт которого может переходить в открытую альдегидную форму и выступать в качестве восстановителя.

Дисахариды, как любые гликозиды, гидролизуются в кислой среде. Наиболее биологически важными дисахаридами являются сахароза, мальтоза, лактоза и целлобиоза.

Например, структурную формулу мальтозы, которая является основным продуктом расщепления крахмала в полости рта под действием фермента слюны — b-амилазы, можно представить сле-дующим образом:

Систематическое название (a-D-глюкопиранозил-(1®4)-a-D-глюкопираноза или 4-(a-D- глюкопиранозидо)-D-глюко-пираноза) указывает на наличие гликозидной связи между имеющим a-конфигурацию атомом С, одного остатка глюкозы и атомом С 4 другого остатка. Мальтоза образуется в результате конденсации двух молекул a-D-глюкопиранозы с образованием гликозидной связи между атомом С 1 a-аномера глюкозы и атомом С 4 второй молекулы глюкозы. Такую связь называют a (1®4) -связью.

Лактоза (4-(b-D-галактопиранозидо)-D-глюкопираноза) имеет строение:

Сахарозу (a-D-глюкопиранозидо-b-D-фруктофуранозид) называют тростниковым сахаром; она является невосстанавливающим дисахаридом, содержится в тростнике, сахарной свекле, различных фруктах, ягодах и овощах.

Систематическое название сахарозы отражает конфигурацию обоих гликозидных (суффикс «озид» у названий обеих моноз) гидроксилов (a или b), и наличие связи С 1 -С 2 .

Продукты конденсации нескольких (от 2 до 12) молекул моносахаридов называют олигосахаридами; большего числа моносахаридов — полисахаридами .

Если макромолекулы построены из остатков одного моносахарида, то такие полисахариды называют гомополисахаридами . Среди гомополисахаридов наиболее биологически важными являются поли- D -глюкопиранозы: амилоза, амилопектин, гликоген (дисахаридным фрагментом последних является мальтоза) и целлю-лоза, структурным компонентом которой выступает дисахарид цел-лобиоза.

Амилоза — это полимер неразветвленного строения (линейный полимер) молекулярной массой около 60000; при нагревании растворяется в воде, образуя лиофильный коллоидный раствор; взаимодействует с йодом с образованием комплексного «соеди-нения включения» синего цвета.

При растворении в воде амилопектин набухает, образуя связаннодисперсную систему — гель. С йодом амилопектин образует соединение красно-фиолетового цвета. Смесь амилозы (20-25%) и амилопектина (75-80%) предтавляет собой полисахарид природного происхождения — крахмал.

Таким образом, природный крахмал не является индивидульным веществом: он состоит из двух фракций, отличающихся пo строению и вследствие этого обладающих различной растворимостью в теплой воде. Крахмал является основным резервным полисахаридом растений.

Крахмал - белое аморфное вещество. В холодной воде не растворим, в горячей набухает и постепенно растворяется. При охлаждении получается студнеобразная масса или гель (кисель). По многим свойствам кисель похож на твёрдое тело, в частности, проявляет упругость, несмотря на то, что это довольно разбавленный раствор крахмала, а не концентрированный, как например, сироп. Дело в том, что при попадании в раствор разветвлённые и неразветвлённые молекулы амилопектина и амилазы за счёт возникающих водородных связей формируют трёхмерную пространственную сетку, в ячейки которой попадают молекулы воды. Такой каркас существует только при невысокой температуре. Если кисель подогреть, молекулы начнут двигаться энергичнее, водородные связи между ними разрушатся и кисель станет жидким.

Все полисахариды крахмала вращают поляризованный свет вправо, так как образованы правовращающей глюкозой. При нагревании с кислотами крахмал гидролизуется по месту глюкозид-глюкозных связей, давая последовательно декстрины, мальтозу и глюкозу.

Гликоген («животный крахмал») по структуре и свойствам похож на амилопектин, но имеет еще более разветвленную полимерную цепь и является резервным полисахаридом животных, запасаемым в печени и мускульной ткани.

Гликоген является «двойником» крахмала в животном мире и играет роль депо питательных веществ и запасного углевода животных тканей (откладывается, в основном, в печени и в мышцах). Молекулярная масса гликогена очень велика - около 100 млн. Такой размер молекул соответствует их биологической функции резервного углевода. Макромолекула гликогена из-за большого размера не проходит через мембрану и остаётся внутри клетки, пока не возникнет потребность в энергии. В перерывах между приёмами пищи гликоген понемногу расщепляется до глюкозы, которая поступает в кровь и затем используется клетками организма. У хорошо упитанного взрослого человека запасы гликогена достигают 0,5 кг.

Одним из важнейших полисахаридов является целлюлоза. Она образует главную составную часть стенок растительных клеток. Целлюлоза представляет собой полимер, полностью состоящий из звеньев b-D-глюкопиранозы, которые связаны гликозидными b(1®4)-связями.

Целлюлоза — линейный полимер, цепи которой могут содер-жать более 10000 звеньев:

Чистая целлюлоза является белым волокнистым веществом, нерастворимым в воде, эфире или спирте. Такая устойчивость по отношению к растворителям объясняется уникальной структурой целлюлозы.

Этот полисахарид состоит из остатков D-глюкозы, связанных только гликозидной b(1®4)-связью; молекулы целлюлозы ните-видные и не имеют разветвлений. Высокоупорядоченная структура, подтвержденная данными рентгеноструктурного анализа, обусловливает необычайную прочность и упругость целлюлозы, равно как и отсутствие растворимости в большинстве применяемых растворителей.

Любопытно, что целлюлоза растворяется в реактиве, приготовленном смешиванием Сu(ОН) 2 с концентрированным водным раствором аммиака (реактив Швейцера), а также в подкисленном растворе ZnCl 2 при нагревании или в концентрированной серной кислоте, т.е. в тех средах, состав которых обусловливает возможность разрыва водородных связей в молекулах целлюлозы и образование новых связей с растворителем.

Благодаря наличию свободных спиртовых гидроксильных групп целлюлоза способна реагировать со спиртами и кислотами с образованием эфиров. Целлюлоза выполняет функции структурного полисахарида, используемого организмом для построения остова клеточной ткани.

Пектиновые вещества содержатся в плодах и овощах, для них характерно желеобразование в присутствии органических кислот, что используется в пищевой промышленности для изготовления желе и мармеладов.

В основе пектиновых веществ лежит пектовая - полигалактуроновая кислота.

Пектовая кислота состоит из остатков D-галактуроновой кислоты, связанных a(1®4)-гликозидной связью.

Некоторые пектиновые вещества оказывают противоязвенное действие и являются основой ряда препаратов, например, плантаглюцид из подорожника.

Гетерополисахариды (макромолекулы которых построены из остатков более, чем одного моносахарида) также достаточно широко распространены в природе.

Альгиновые кислоты содержатся в бурых водорослях. Неразветвленная цепь построена из соединенных (1®4) -связями остатков D-маннуроновой и L-гулуроновой кислот. Альгиновые кислоты как гелеобразователи используются в пищевой промышленности. Морские водоросли служат источником многих полисахаридов. Например, широко применяемый в биохимических исследованиях агар представляет собой гетерополисахарид, содержащий большое число сульфатных групп. Агар состоит из смеси агарозы и агаропектина. В полисахаридной цепи агарозы чередуются остатки D-галактозы и L-лактозы.

Полисахариды соединительной ткани . Соединительная ткань распределена по всему организму и обусловливает прочность и упругость органов, эластичность их соединения, стойкость к проникновению инфекций. Полисахариды соединительной ткани связаны с белками.

Наиболее полно изучены хондроитинсульфаты (кожа, хрящи, сухожилия), гиалуроновая кислота (стекловидное тело глаза, пуповина, хрящи, суставная жидкость), гепарин (печень). Эти Полисахариды обладают общими чертами в строении: их неразветвленные цепи построены из дисахаридных остатков, в состав которых входят уроновые кислоты (D-глюкуроновая, D-галактуроновая, L-идуроновая) и N-ацетилгексозамины (N-ацетилглюкозамин, N-ацетилгалактозамин). Некоторые из них содержат остатки серной кислоты.

Гиалуроновая кислота построена из дисахаридных остатков, соединенных b(1®4)-гликозидными связями. Дисахаридный фрагмент состоит из остатков D-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-О-глюкозамина, связанных b(1®3)-гликозидной связью. Гиалуроновая кислота имеет большую молекулярную массу - 2-7 млн., растворы обладают высокой вязкостью, с чем связывают её барьерную функцию, обеспечивающую непроницаемость соединительной ткани для патогенных микроорганизмов.

Сульфатная группа образует эфирную связь с гидроксильной группой N-ацетил-О-галактозамина, находящейся либо в 4-м, либо в 6-м положении, Молекулярная масса хондроитинсульфатов составляет 10 000 - 60 000.

Хондроитинсульфаты и гиалуроновая кислота содержатся не в свободном, а в связанном виде с полипептидными цепями.

Рецензенты:

доктор медицинских наук, профессор Османов Э.М.;

кандидат химических наук, доцентКнязева Л.Г.

Р

Романцова С.В., Биоорганическая химия в вопросах и ответах. Учеб.-метод. пособие для студентов мед. спец. ун-тов / С.В. Романцова, А.И. Панасенко, О.А. Шеина, Л.В. Розенблюм; М-во обр. и науки РФ, ГБОУ ВПО «Тамб. гос. ун-т им. Г.Р. Державина». Тамбов: Изд-во ТГУ им. Г.Р. Державина, 2013. …………… с.

Настоящее учебно-методическое пособие написано в соответствии с программой курса «Общая и биоорганическая химия» для студентов специальности «Лечебное дело». В пособии приведены ответы на самые распространённые вопросы, возникающие у студентов в процессе освоения курса. Даны пояснения по вопросам классификации, номенклатуры и общим закономерностям реакционной способности органических соединений, строению и свойствам биологических макромолекул и их структурных компонентов. УДК 577.1 ББК 24.2 я73 © ГОУВПО Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина, 2013

Введение

Целью курса биоорганической химии, как учебной дисциплины, является формирование системных знаний о взаимосвязи строения и химических свойств биологически важных классов органических соединений, биополимеров и их структурных компонентов в качестве основы для понимания сути жизненных процессов на современном молекулярном уровне.

В преподавании биоорганической химии большое внимание уделяется самостоятельной работе студентов. В данном пособии приводятся подробные ответы на самые распространённые вопросы, возникающие у студентов в процессе освоения курса. Используя данные пояснения, студенты в ходе самоподготовки учатся общему подходу и логике рассуждения, что облегчает выполнение контрольных и тестовых заданий.

углеводы: моно-, ди- и полисахариды

Вопрос 1 . Какие соединения называются углеводами?

Ответ. Углеводы – класс природных органических веществ, являющихся гетерофункциональными соединениями, содержащими одновременно карбонильную и гидроксильные функциональные группы (т.е. это многоатомные альдегидо- или кето-спирты или продукты их конденсации). Термин «углеводы» воз-ник в середине XIX века в связи с тем, что в молекулах многих углеводов соотношение атомов водорода и кислорода такое же, как и в молекулах воды, т.е. на два атома водорода приходился один атом кислорода, и молекулу углевода можно представить как состоящую из углерода (угля) и воды. Например, для глюкозы (С 6 Н 12 О 6) формула может иметь вид С 6 (Н 2 О) 6 , формулу сахарозы (С 12 Н 22 О 11) можно записать как С 12 (Н 2 О) 11 , а в общем виде – С n (Н 2 О) m . Позже стали известны природные углеводы, которые не отвечают приведённой общей формуле (С n (Н 2 О) m), тем не менее, термин «углеводы» используется и в настоящее время, наряду с термином «сахариды» или просто «сахара».

Вопрос 2 . Какие функции выполняют углеводы?

Ответ. Углеводы образуются в растениях в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды. Животные организмы не способны синтезировать углеводы, и получают их с растительной пищей. Таким образом, углеводы входят в состав всех живых организмов и являются одними из самых распространённых органических веществ на Земле. Функции углеводов:

– структурная и опорная функции (целлюлоза является основным структурным компонентом клеточных стенок растений, хитин выполняет аналогичную функцию у грибов, а также обеспечивает жёсткость экзоскелета членистоногих);

– защитная роль (у некоторых растений есть защитные образования: шипы, колючки и др., состоящие из клеточных стенок мёртвых клеток;

– энергетическая функция (при окислении 1 г углеводов выделяются 4,1 ккал энергии);

– пластическая функция (входят в состав сложных молекул, например, рибоза и дезоксирибоза участвуют в построении АТФ, ДНК и РНК);

– запасающая функция (углеводы выступают в качестве запасных питательных веществ: гликоген у животных, крахмал и инулин – у растений);

– осмотическая функция (участвуют в регуляции осмотического давления в организме, в т.ч. в крови);

– рецепторная функция (входят в состав воспринимающей части многих клеточных рецепторов).

Многие углеводы и их производные находят применение в фармации и медицине. Углеводы служат исходными веществами для промышленного производства бумаги, искусственных волокон, взрывчатых веществ, этилового спирта и т.д.

Вопрос 3 . Как классифицируются углеводы?

Ответ. Углеводы подразделяются на два класса: простые и сложные. Простые углеводы (моносахариды, монозы) не гидролизуются с образованием более простых углеводов. Примерами простых углеводов могут служить: глюкоза (С 6 Н 12 О 6), рибоза (С 5 Н 10 О 5), фруктоза (С 6 Н 12 О 6).

Простые углеводы, содержащие кетогруппу, называются кетозами, альдегидную группу – альдозами. В зависимости от числа атомов углерода монозы делят на триозы (три атома углерода), тетрозы (четыре атома), пентозы (пять атомов), гексозы (шесть атомов) и гептозы (семь атомов).

Например, глюкоза содержит в молекуле альдегидную группу и шесть атомов углерода, её называют альдогексозой; фруктоза содержит карбонильную группу (является многоатомным кетоспиртом) и шесть атомов углерода, её называют кетогексозой. Рибоза является альдопентозой. Природные монозы, как правило, содержат неразветвлённые цепи атомов углерода.

D – фруктоза

D – фруктоза

D – фруктоза

Сложные углеводы способны гидролизоваться с образованием молекул простых углеводов. Если при гидролизе сложного углевода образуется от 2 до 10 молекул простых углеводов, то такой сложный углевод называется олигосахаридом. Если при гидролизе олигосахарида образуется две молекулы простых углеводов, то его называют дисахаридом, три – трисахаридом и т.д. Самыми распространёнными дисахаридами являются сахароза (при гидролизе образуются фруктоза и глюкоза), мальтоза и целлобиоза (при их гидролизе образуются две молекулы глюкозы), лактоза (при гидролизе образуются галактоза и глюкоза).

Углеводы, гидролизующиеся с образованием большого количества (до нескольких тысяч) молекул простых углеводов, называются полисахаридами. Полисахариды являются высокомолекулярными соединениями. К ним относятся, например, крахмал и целлюлоза (клетчатка). Сложные углеводы можно рассматривать, как продукты поликонденсации моносахаридов.

Если полисахариды построены из остатков одного моносахарида, то их называют гомополисахаридами; если из остатков разных моносахаридов, то – гетерополисахаридами.

Среди гомополисахаридов наиболее биологически важными являются крахмал, гликоген, целлюлоза, среди гетерополисахаридов – альгиновые кислоты, агар (содержащиеся в водорослях); полисахариды соединительной ткани (хондроитинсульфаты, гиалуроновая кислота, гепарин).

Молекулы углеводов входят в состав смешанных биополимеров, например углевод-белковых биополимеров (гликопротеины, протеогликаны) или углевод-липидных (гликолипиды).

Вопрос 4 . Являются ли моносахариды оптически активными соединениями? Как изобразить энантиомеры моносахаридов?

Ответ. Молекулы моносахаридов (кроме диоксиацетона) содержат центры хиральности (асимметрические атомы углерода), что является причиной существования стереоизомеров. Например, в альдогексозе имеются четыре асимметрических атома углерода и ей соответствуют 16 стереоизомеров (2 4 = 16), образующих 8 пар. В альдопентозе три асимметрических атома углерода и ей соответствуют 8 стереоизомеров (2 3 = 8), образующих 4 пары.

Члены одной пары являются антиподами или энантиомерами (их молекулы относятся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению). Энантиомеры имеют одно и то же название, но один из них относится к D-ряду, а другой – к L-ряду. Энантиомеры можно изобразить в виде незамкнутых проекционных формул Фишера, например:

В формулах Фишера углеродная цепь записывается вертикально и нумеруется с того конца, к которому ближе альдегидная или кетогруппа, т.е. с верхнего углеродного атома. Асимметричные углеродные атомы символом «С» не обозначаются, подразумевается, что они находятся на пересечении вертикальных и горизонтальных линий.

Молекула кетопентозы содержит 2 асимметрических атома углерода (третий и четвёртый) и образует 2 пары энантиомеров:

Принадлежность изомера к D- или L-ряду определяется сравнением конфигурации наиболее удалённого от карбонильной группы асимметрического атома углерода с конфигурацией изомеров глицеринового альдегида, который принят в качестве стандарта. Глицериновый альдегид содержит в молекуле один асимметрический атом углерода и имеет два энантиомера:

Рассмотрим в качестве примера изомеры фруктозы:

		D – фруктоза

В обеих формулах содержится по три асимметрических (хиральных) атома углерода. Это атомы 3, 4 и 5. Наиболее удалены от кетогруппы (С=О) хиральные атомы под номером 5. В формуле (1) конфигурация пятого атома углерода соответствует конфигурации хирального атома в молекуле D-глицеринового альдегида (ОН группа расположена справа, атом водорода – слева). Таким образом, первый изомер относится к D-ряду, это D-фруктоза. Конфигурация пятого атома углерода в формуле (2) соответствует конфигурации L-глицеринового альдегида, т.е. это L-фруктоза. Подавляющее большинство природных моносахаридов принадлежит к D-ряду.

Вопрос 5 . Встречаются ли моносахариды в природе в свободном виде?

Ответ. Самым распространённым природным моносахаридом является D-глюкоза – виноградный сахар или декстроза от лат. dextrus – правый, т.к. обычная природная D-глюкоза имеет удельное вращение + 52,5 о, т.е. вращает плоскость поляризации плоскополяризованного света на 52,5 о вправо.

В свободном виде содержится в крови, являясь основным энергетическим субстратом для мозга. Постоянный уровень глюкозы поддерживается с помощью гормона инсулина, уменьшающего концентрацию глюкозы в крови, а также глюкагона, адреналина и других гормонов, увеличивающих её концентрацию. При сахарном диабете инсулин вырабатывается поджелудочной железой в недостаточном количестве, что приводит к увеличению её концентрация в крови.

Интересно, что L-глюкоза, являясь энантиомером обычной природной D-глюкозы, также является сладкой, но не усваивается организмом, поэтому она может быть использована как заменитель сахара.

В свободном виде глюкоза содержится также в зелёных частях растений, в различных фруктах и мёде. Входит в состав крахмала, гликогена, целлюлозы, гемицеллюлоз, декстранов, сахарозы, мальтозы и многих гликозидов.

D-фруктоза – плодовый сахар или левулёза от лат. laevus – левый, т.к. водные растворы D-фруктозы имеют удельное вращение - 92,4 o .

Фруктоза содержится в зелёных частях растений, в нектаре цветов, в плодах, в мёде. Входит в состав сахарозы, а также многих полисахаридов.

D-галактоза. В свободном кристаллическом виде выделяется на плодах плюща. Встречается в качестве составной части некоторых дисахаридов (лактоза) и полисахаридов (хондроитин, агар-агар, слизи, гемицеллюлозы)

Вопрос 6 . Как написать формулу L-изомера галактозы, если известна формула D-изомера?

Ответ. Для того, чтобы написать формулуэнантиомера, необходимо изобразить в зеркальном отражении заместители у всех асимметрических атомов углерода. Запишем формулу D-галактозы, выбрав из схемы, приведённой ниже и поменяем расположение заместителей (–Н и –ОН) у 2, 3, 4 и 5 атомов углерода:

Название энантиомера: L-галактоза.

Вопрос 7 . В чём состоит различие между диастеромерами, эпимерами и энантиомерами?

Ответ. Стереоизомеры углеводов, отличающиеся конфигурацией одного или нескольких асимметрических атомов углерода, называются диастереомерами, например: D-аллоза и D-манноза; D-фруктоза и L-тагатоза и т.д.

Эпимеры и энантиомеры – частные случаи диастереомеров.

Диастереомеры, относящиеся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению, называются энантиомерами. Энантиомеры имеют одинаковые физические и химические свойства, отличаются эти изомеры только направлением вращения плоскости поляризации плоскополяризованного света. Различается также биологическая активность энантиомеров.

Если диастереомеры различаются конфигурацией только одного асимметрического атома углерода, то их называют эпимерами. Если различается конфигурация второго атома углерода, то такие диастереомеры называют просто эпимерами; если других атомов углерода, то к названию добавляется номер этого атома.

Например, D-рибоза и D-арабиноза отличаются конфигурацией только второго атома углерода и являются эпимерами.

D-аллоза и D-глюкоза отличаются конфигурацией только третьего атома углерода и являются 3-эпимерами, а D-аллоза и D-гулоза – 4-эпимерами.

Эпимеры имеют различные физические и оптические свойства, а также биологическую активность.

Вопрос 8 . Как определить, являются ли диастереомерами D-аллоза и L-идоза?

Ответ. Дляэтого надо написать формулы этих альдоз. Формула D-аллозы приведена на схеме (см. вопрос 6). L-идоза являются энантомером D-идозы, т.е. их молекулы относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение и, зная формулу D-идозы легко записать формулу L-идозы (см. вопрос 6):

Диастереомеры, по определению, должны отличаться конфигурацией одного или нескольких асимметрических атомов углерода. Из рассмотрения формул D-аллозы и L-идозы следует, что конфигурации второго и четвёртого атомов углерода у них одинаковы (и в молекуле D-аллозы и в молекуле L-идозы ОН группы у этих атомов расположены справа, а атомы водорода – слева).

Конфигурации третьего и пятого атомов углерода отличаются (в молекуле D-аллозы ОН группы находятся справа от углеродной цепи, а в молекуле L-идозы – слева). Таким образом, D-аллоза и L-идоза отличаются конфигурацией двух асимметрических атомов углерода: третьего и пятого, и, следовательно, являются диастереомерами.

Вопрос 9 . Как определить, являются ли эпимерами D-глюкоза и D -манноза?

Ответ. Дляэтого надо написать формулы этих альдоз. Формула приведены на схеме (см. вопрос 6).

Эпимеры являются частным случаем диастереомеров и, по определению, должны отличаться конфигурацией только одного асимметрического атома углерода. Из рассмотрения формул D-глюкозы и D-маннозы следует, что у третьего атома углерода в обеих молекулах атом водорода расположен справа, а гидроксильная группа – слева; у четвёртого и пятого атомов углерода в обеих молекулах атом водорода расположен слева, а гидроксильная группа – справа; т.е. конфигурации третьего, четвёртого и пятого асимметрических атомов углерода у D-глюкозы и D-маннозы одинаковы.

Конфигурация второго атома углерода отличается (в молекуле D-глюкозы ОН группа находится справа от углеродной цепи, а в молекуле D-маннозы – слева). Таким образом, D-глюкоза и D-манноза отличаются конфигурацией только одного (второго) асимметрического атома углерода и, следовательно, являются эпимерами.

Вопрос 10 . Как образуются циклические формы моносахаридов?

Ответ. Циклические формы моносахаридов образуются в результате внутримолекулярного взаимодействия между карбоксильной и гидроксильной группами. Эти формы термодинамически более устойчивы, чем открытые формы молекул углеводов. Обычно возникают пятичленные (фуранозные) и шестичленные (пиранозные) циклы. В пространстве оказываются сближенными альдегидные (или кетонные) группы и гидроксильная группа при четвёртом или пятом (для альдоз) и пятом и шестом (для кетоз) атоме углерода. За счёт их взаимодействия и происходит замыкание циклов в молекулах моносахаридов.

Шестичленный пиранозный цикл образуется при взаимодействии альдегидной группы с пятым атомом альдопентоз или альдогексоз; а также при взаимодействии кетогруппы с шестым атомом кетогексоз.

Пятичленный фуранозный цикл образуется при взаимодействии альдегидной группы с четвёртым атомом альдотетроз, альдопентоз и альдогексоз; а также при взаимодействии кетогруппы с пятым атомом кетопентоз и кетогексоз.

В результате образования цикла в молекуле альдогексозы у первого атома углерода вместо альдегидной группы появляется гидроксильная группа (у кетогексоз у второго атома углерода). Эта гидроксильная группа получила название гликозидной (полуацетальной) гидроксильной группы (гликозидный гидроксил). В названиях циклических форм к обозначению углевода добавляется окончание «пираноза» для шестичленного цикла или «фураноза» для пятичленного цикла.

В циклической молекуле моносахарида увеличивается число асимметрических атомов углерода, т.к. асимметрическим становится атом углерода, который ранее входил в состав альдегидной или кетонной группы. В случае галактозы это первый, а в случае фруктозы – второй атом углерода. Этот атом получил название аномерного углерода. Появление дополнительного асимметрического атома приводит к увеличению числа оптических изомеров, соответствующих циклической форме, в два раза по сравнению с открытой формой. Так, для альдогексозы это уже не 16, а 32 изомера. Каждому изомеру открытой формы отвечают два изомера циклической формы (аномеры).

У α-аномера конфигурация аномерного центра одинакова с конфигурацией асимметрического атома углерода, определяющего принадлежность к D- или L-ряду, а у β-аномера она противоположна. В проекционных формулах Фишера у моносахаридов D-ряда в α-аномере гликозидная гидроксильная группа находится справа, а в β-аномере – слева от углеродной цепи; для L-изомеров наоборот, в α-аномере гликозидная гидроксильная группа находится слева, а в β-аномере – справа от углеродной цепи. Аномеры являются диастереомерами и отличаются по своим свойствам (например, по температурам плавления). Аномеры можно рассматривать как частный случай эпимеров.

Вопрос 11 . Как изображаются циклические формы моносахаридов в виде перспективных формул Хеуорса?

Ответ. В системе Хеуорса циклы изображают в виде плоских пяти- или шестиугльников, расположенных перпендикулярно плоскости рисунка, поэтому линии, соответствующие передней части кольца выделяют более жирным шрифтом. Атом кислорода располагается в пиранозном цикле в дальнем правом углу, в фуранозном – также в дальнем правом углу или в середине задней части кольца. Гидроксильные группы и атомы водорода располагают перпендикулярно плоскости цикла. Символы атомов углерода в циклах обычно не пишутся.

Чтобы написать формулу Хеуорса вначале изображают формулу Фишера и поворачивают её на 90 о вправо (по часовой стрелке:

Поворачивают на 90 о атом углерода, связанный с гидроксильной группой, вступающей в реакцию циклизации. При построении маннофуранозы это будет четвёртый атом углерода, при построении маннопиранозы – пятый. В результате поворота группа –ОН должна расположиться в одну линию с основной углеродной цепью. Поэтому для D-изомера группа –СН 2 ОН окажется вверху, а для L-изомера – внизу:

В названии циклической формы указывается: тип аномера (a или b), затем принадлежность к стереохимическому ряду: D- или L-; затем название моносахарида, производным которого является данная циклическая форма, без окончания «–за», то есть оставляем глюко-, манно-, фрукто- и т.д., в заключение указывается тип циклической формы (пираноза или фураноза).

У альдогексоз D-ряда в пиранозной форме (и у альдопентоз и кетогексоз D-ряда в фуранозной форме) группа СН 2 ОН всегда располагается над плоскостью цикла, что служит формальным признаком D-ряда. Для L-ряда эта группа располагается под плоскостью цикла. Гликозидная группа –ОН у a-аномеров альдоз D-ряда оказывается под плоскостью, а у b-аномеров – над плоскостью цикла. Для соединений L-ряда гликозидный гидроксил у a-аномеров L-ряда оказывается над плоскостью, а у b-аномеров – под плоскостью цикла.

Следуя приведённым выше правилам, можно написать формулы Хеуорса для фуранозных и пиранозных форм кетоз, например для фруктозы:

Вопрос 12 . В каких формах (открытых или циклических) преимущественно находятся моносахариды в твёрдом состоянии и в растворе?

Ответ. В твёрдом состоянии моносахариды находятся в циклической форме (преимущественно пиранозной). В растворах устанавливается равновесие между открытой формой и двумя парами циклических аномеров (цикло-оксо-таутомерное равновесие или цикло-цепная таутомерия). Различные формы молекул, находящихся в состоянии такого равновесия называются таутомерами. В смесях таутомеров преобладают пиранозные формы. Открытые формы и фуранозные циклы содержатся в малых количествах. Преобладание a- или b-аномера зависит от природы монозы, растворителя, концентрации и других внешних условий.

Таутомерные формы углеводов могут переходить друг в друга, что приводит к пополнению количества той или иной формы по мере её расходования в каком-либо процессе. Равновесие между всеми формами является, таким образом, динамическим. Так, если какой-либо аномер глюкозы растворить в воде, он постепенно превращается в другой аномер, пока не образуется равновесная смесь двух аномеров, в которой также содержится очень небольшое количество открытой формы. Этот переход сопровождается изменением оптического вращения раствора, т.к. для каждого таутомера характерен свой угол вращения плоскости поляризации плоскополяризованного света. Такое явление называют мутаротацией моносахаридов.

Вопрос 13 . Напишите a-фуранозную и b-пиранозную формы L-арабинозы. Изобразите их аномеры в виде проекций Фишера.

Ответ. За исходное соединение необходимо взять D-арабинозу. Записываем её формулу и строим формулу её энантиомера (см. вопрос 6).

L-арабиноза – альдопентоза. Её фуранозная форма образуется за счет взаимодействия альдегидной группы с гидроксилом четвертого углеродного атома; а пиранозная форма – за счет взаимодействия альдегидной группы с гидроксилом пятого атома углерода. При циклизации водород гидроксильной группы (С 5 или С 4) присоединяется к кислороду альдегидной группы за счет разрыва p-связи С–О, образуя полуацетальный, или гликозидный, гидроксил (заключен в рамку). Кислород гидроксильной группы у атома С 4 или С 5 после отщепления от него водорода соединяется с углеродом альдегидной группы у атома С 1 . Возникает кислородный мостик, связывающий атомы С 1 –С 4 и замыкающий пятичленный цикл, или С 1 –С 5 и замыкающий шестичленный цикл.

О О НО Н Н ОН

С – Н 1 С – Н C С

НО Н Н 2 ОН H ОН H ОН

Н ОН НО 3 Н HO Н HO Н

Н ОН НО 4 Н О Н О Н

СН 2 ОН 5 СН 2 ОН СН 2 ОН СН 2 ОН

D-арабиноза L-арабиноза a-L-арабинофураноза b-L-арабинофураноза

О О НО Н Н ОН

С – Н 1 С – Н C С

НО Н Н 2 ОН H ОН H ОН

Н ОН НО 3 Н HO Н HO Н

Н ОН НО 4 Н НО Н НО Н

СН 2 ОН 5 СН 2 ОН О СН 2 О СН 2

D-арабиноза L-арабиноза a-L-арабинопираноза b-L-арабинопираноза

В полуацетальной форме первый атом углерода превратился в асимметрический. В результате этого при замыкании цикла из одной открытой альдегидной формы (оксоформы) получаются две циклические полуацетальные формы, отличающиеся одна от другой положением полуацетального гидроксила.

Циклическая форма, у которой полуацетальный гидроксил расположен по одну сторону (в циc-положении) с гидроксилом, определяющим конфигурацию (принадлежность к D- или L-ряду) монозы, называется a-формой. Циклическая форма, у которой полуацетальный гидроксил находится в транс-положении с гидроксилом, определяющим конфигурацию, называется b-формой. a и b-Формы представляют собой диастереомеры, называющиеся аномерами.

Вопрос 14 . Какие соединения получаются при восстановлении D-глюкозы и D-фруктозы?

Ответ. При восстановлении моносахаридов образуются многоатомные спирты (полиолы), называемые альдитами. Восстановление обычно проводят водородом в присутствии металлических катализаторов (палладий, никель) или боргидридом натрия. Водород присоединяется по месту разрыва двойной связи углерод – кислород карбонильной группы. При восстановлении альдоз получается лишь один продукт (полиол), например при восстановлении D-глюкозы образуется шестиатомный спирт D-глюцит (L-сорбит):

D-глюцит, как и D-глюкоза является оптически активным соединением, т.к. в его молекуле присутствует 4 асимметрических атома углерода (2, 3, 4, 5) и отсутствуют элементы симметрии.

Восстановление глюкозы в сорбит является первой стадией химического синтеза аскорбиновой кислоты. Сорбит окисляют микробиологически, используя микроорганизм Acetobacter suboxydans; образующуюся L-сорбозу в несколько стадий превращают в аскорбиновую кислоту.

При восстановлении кетоз получается смесь двух полиолов, т.к. атом углерода, входивший в состав кетогруппы, после восстановления становится асимметрическим и для него возможно двоякое расположение ОН группы и атома водорода в пространстве (как слева, так и справа от углеродной цепи). Например, для D-фруктозы имеем:

D-глюцит и D-маннит обладают оптической активностью.

Многоатомные спирты, получающиеся при восстановлении моносахаридов, - кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде; обладают сладким вкусом и могут использоваться, как заменители сахара при сахарном диабете (ксилит, сорбит).

Вопрос 15 . При восстановлении каких альдогексоз образуются оптически неактивные шестиатомные спирты?

Ответ. При восстановлении D-галактозы и D-аллозы получаются шестиатомные спирты дульцит и аллит соответственно. Молекулы этих спиртов имеют плоскость симметрии, проходящую между третьим и четвёртым атомати углерода, следовательно, эти полиолы оптической активностью не обладают.

Вопрос 16 . Какие соединения могут получаться при окислении L-галактозы? Будут ли эти соединения оптически активны?

Ответ. Реакции окисления используются при биохимических анализах (например, анализ крови и мочи на сахар). Состав и строение продуктов окисления моносахаридов зависит от природы монозы и условий окисления (прежде всего от силы окислителя). Альдозы окисляются легче кетоз.

Под действием мягких окислителей (аммиачный раствор оксида серебра, гидроксид меди, бромная вода) альдозы превращаются в альдоновые кислоты (альдегидная группа окисляется до кислотной карбонильной группы).

А) реакция «серебряного зеркала» (реакция Толленса):

Внешний признак протекания реакции – образование на стенках пробирки слоя металлического серебра.

Б) реакция с гидроксидом меди (II):

Внешний признак протекания реакции – превращение голубого осадка гидроксида меди (II) в красный осадок оксида меди (I).

В) окисление бромной водой (внешний признак протекания реакции – обесцвечивание раствора брома):

С помощью сильного окислителя – разбавленной азотной кислоты – концевые группы альдоз (альдегидная и первичная спиртовая) одновременно окисляются в карбоксильные группы, образуя альдаровые (сахарные) кислоты, например:

Эта реакция может быть использована для обнаружения галактозы, т.к. слизевая кислота трудно растворяется в воде. Следует обратить внимание на тот факт, что, хотя в молекуле слизевой кислоты имеется четыре асимметрических атома углерода (2, 3, 4, 5), она не проявляет оптической активности, т.к. обладает плоскостью симметрии.

В организме при участии ферментов может окислиться первичная спиртовая группа, в то время, как альдегидная группа в результате остаётся не окисленной. Продукты таких реакций называют уроновыми кислотами:

В организме уроновые кислоты выполняют очень важную функцию: они образуют с лекарственными веществами и продуктами их превращений (метаболитами), токсичными веществами водорастворимые гликозиды и выводят их из организма с мочой, отсюда происходит название уроновых кислот (лат. urina – моча). D-глюкуроновая и L-идуроновая кислоты и их производные являются структурными элементами различных полисахаридов (пектиновые вещества, гепарин, гиалуроновая кислота, хондроитин, гепарин и т.д.). В ходе метаболизма уроновых кислот синтезируется аскорбиновая кислота (у человека не синтезируется).

Вопрос 17 . Какие соединения могут получаться при окислении D-фруктозы? Будут ли эти соединения оптически активны?

Ответ. Окисление кетоз происходит под действием сильных окислителей и сопровождается деструк­цией углеродного скелета. Разрыв связи может происходить двумя способами: между первым и вторым, а также вторым и третьим атомами углерода. При этом все концевые атомы углерода окисляются с образованием карбоксильных групп.

Так, при окислении D-фруктозы образуется четыре продукта реакции. При разрыве связи между первым и вторым атомами углерода образуются муравьиная и D-арабинаровая кислоты. При разрыве связи между вторым и третьим атомами углерода образуются щавелевая и мезовинная кислоты.

Моносахариды также образуют ацетали (кетали), которые и называются гликозидами:

Гликозидами называют не только ацетали углеводов, образующиеся при взаимодействии со спиртами. К гликозидам относят продукты, образующиеся при взаимодействии полуацетального гидроксила с другими соединениями. Связь, которую образует полуацетальный гидроксил, также называют гликозидной.

Гликозиды могут классифицироваться в зависимости от того через какой атом агликон связан с сахарной частью гликозида: С-гликозиды, О-гликозиды, N-гликозиды, S-гликозиды.

В зависимости от размера цикла гликозиды подразделяются на пиранозиды и фуранозиды.

Неуглеводная часть гликозида называется агликоном (можно перевести как «несахар»). В приведённом примере это метоксигруппа – остаток метилового спирта (выделено курсивом). Названия гликозидов строятся следующим образом: агликон + гликозид. Окончание углевода -оза меняется на -озид. В самом начале названия указывают атом, через который агликон присоединяется к углеводной части.

Примером С-гликозида может служить псевдоуридин, примером S-гликозида – синигрин, содержащийся в горчице. Нуклеозиды – N-гликозиды рибозы и дезоксирибозы с нуклеиновыми основаниями, являются компонентами нуклеотидов, ДНК и РНК.

Вопрос 19 . Как образуются сложные эфиры моносахаридов?

Ответ. Сложные эфиры можно получить, действуя на моносахариды ангидридами органических кислот. Например, при взаимодействии с уксусным ангидридом получаются ацетильные производные моносахаридов.

Сложные эфиры гидролизуются как в кислой, так и щелочной средах.

Большое значение имеют эфиры фосфорной кислоты – фосфаты, содержащиеся во всех растительных и животных организмах. К ним, прежде всего, относятся фосфаты D-глюкозы: 1-фосфат D-глюкозы получается при гидролизе гликогена с помощью фермента фосфорилазы; 6-фосфат глюкозы образуется на первой стадии гликолиза (катаболизма глюкозы в организме).

Фосфаты D-рибозы и 2-дезокси-D-рибозы служат структурными элементами нуклеиновых кислот и ряда коферментов.

Эфиры серной кислоты – сульфаты – входят в состав полисахаридов соединительной ткани.

Вопрос 20 . Напишите структурную формулу дисахарида, образованного двумя остатками b-D-галактозы, которые связаны между собой 1,4-гликозидной связью. Напишите структурную формулу продукта взаимодействия этого дисахарида с метиловым спиртом в присутствии хлороводорода. Могут ли эти соединения вступать в peaкцию «серебряного зеркала»? Напишите уравнения необходимых реакций.

Ответ. Молекулы b-D-галактозы могут образовывать между собой связи с участием 1-го и 4-го углеродных атомов:

Звездочкой обозначен гликозидный гидроксил, который может замещаться на группу –ОСН 3 при реакции с метанолом:

Благодаря наличию гликозидного гидроксила дисахарид может в водном растворе превращаться в линейную форму с альдегидной группой, поэтому он дает реакцию серебряного зеркала (уравнение приведено в упрощенном виде):

С 12 Н 22 О 11 + Аg 2 О С 12 Н 22 О 12 + 2Ag¯

Монометиловый эфир дисахарида b-D-галактозы не содержит гликозидного гидроксила, не может существовать в линейной форме и не вступает в реакцию серебряного зеркала.

Вопрос 21 . Каково строение молекулы сахарозы?

Ответ. При гидролизе молекула сахарозы расщепляется на молекулу α-D-глюкопиранозы и молекулу β-D-фруктофуранозы, таким образом, она является дисахаридом, т.е. состоит из двух остатков молекул моносахаридов:

Эти остатки связаны гликозидной связью между гидроксильными группами при аномерных атомах углерода (1-й атом α-D-глюкопиранозы и 2-й атом β-D-фруктофуранозы).

В молекуле сахарозы отсутствуют свободные ОН-группы у 1-го атома углерода в остатке α-D-глюкозы и у 2-го атома углерода в остатке β-D-фруктозы (полуацетальные или гидроксильные гидроксилы). Поэтому молекула сахарозы не может переходить в открытую (альдегидную) форму и давать реакцию серебряного зеркала, а также окисляться гидроксидом меди, т.е. является не восстанавливающим серебро и медь углеводом.

Источниками сахарозы служат: сахарный тростник, сахарная свекла, соки растений и плодов.

Вопрос 22 . Является ли сахароза самым сладким веществом?

Ответ. Именно сладкий вкус углеводов делает нашу жизнь ярче и вкуснее. Однако самым сладким веществом является не сахароза и даже вообще не углевод. Более сладким углеводом, чем сахароза, является фруктоза. Если принять относительную сладость сахарозы за 100, то сладость фруктозы составит 173, глюкозы 74, мальтозы и галактозы 32, а лактозы всего 16.

Однако, моносахариды могут быть и безвкусными и даже горькими, а вещества неуглеводной природы могут иметь сладкий вкус. Например, соединения бериллия и свинца могут быть сладкими. Ацетат свинца называется ―свинцовым сахаром, хотя использовать его как сахар совсем не рекомендуется ввиду высокой токсичности соединений свинца.

Также сладким вкусом обладают многие органические вещества, не имеющие ничего общего с сахарами, например, сахарин, сладость которого превышает сладость сахарозы примерно в 500 раз. 4-Этоксифенилмочевина (дульцин) в 200 раз слаще сахарозы и использовалась как подсластитель, пока не была обнаружена её вредность для организма.

Ацесульфам и аспартам (метиловый эфир дипептида L-аспартил-L-фенилаланина) в 200 раз слаще сахарозы. Метилфенхиловый эфир L-аспартиламиномалоновой кислоты в 33000 раз слаще сахарозы, а сукроновая кислота в 200000 раз.

Некоторые белки обладают удивительно сильным сладким вкусом. Например, белок монеллин из тропического растения Dioscoreophyllum cumminsii в 3000 раз слаще сахарозы, белок тауматин из тропического растения Thaumacoccus daniellii слаще сахара в 750-1000 раз, а его комплекс с ионами алюминия – талин – уже в 35000 раз слаще сахарозы. Белок миракулин из Synsepalum dulcificum не обладает сладким вкусом, но способен изменять вкус кислых продуктов на сладкий.

Вопрос 23 . Какие олигосахариды наиболее распространены в природе?

Ответ. Сахароза (тростниковый сахар, свекловичный сахар) чрезвычайно распространена в растениях. Невосстанавливающий дисахарид.

Мальтоза (солодовый сахар) состоит из двух остатков a-D-глюкопиранозы, связанных a-1,4 -гликозидной связью. Мальтоза образуется при гидролизе крахмала под действием фермента амилазы; если долго жевать хлеб можно почувствовать сладковатый вкус мальтозы, образующейся из крахмала хлеба под действием амилазы слюны. Восстанавливающий дисахарид.

Целлобиоза состоит из двух остатков b-D-глюкопиранозы, связанных b-1,4-гликозидной связью. Является структурной единицей клетчатки (целлюлозы). В свободном виде содержится в соке некоторых деревьев. Восстанавливающий дисахарид.

Лактоза (молочный сахар) состоит из остатков b-D- галактопиранозы и a-D-глюкопиранозы, связанных b-1,4- гликозидной связью. Лактоза содержится только в молоке млекопитающих и является восстанавливающим дисахаридом.

В организме гидролиз лактозы происходит под действием фермента лактазы. При недостаточности выработки лактазы наблюдается лактазный дефицит и неспособность переваривать лактозу. Поэтому при потреблении молока людьми с лактазным дефицитом, лактоза не переваривается, а начинает сбраживаться кишечной микрофлорой с различными неприятными последствиями (метеоризм, диарея). У большинства людей и млекопитающих ген лактазы выключается по мере взросления. Это объясняется тем, что млекопитающие потребляют молоко только в младенчестве, и в дальнейшем нет смысла тратить энергию и аминокислоты на синтез лактазы. Однако, в результате мутации в одном из регуляторных генов, чей продукт выключал ген лактазы, этот фермент (лактаза) стал синтезироваться на протяжении всей жизни. Примерно 70% европейцев усваивают молоко в зрелом возрасте, тогда как в Африке, Океании и Центральной Азии только 30% населения умеют вырабатывать лактазу. Однако, народы Африки с традиционно высоким потреблением молока (тутси, туареги и др.) не имеют проблем с перевариванием лактозы.

Трегалоза (грибной сахар) состоит из двух остатков a-D- глюкопиранозы, связанных за счёт полуацетальных гидроксильных групп, поэтому трегалоза не восстанавливающий дисахарид.

Содержится в грибах и некоторых растениях. В дрожжах содержание трегалозы достигает 18% на сухое вещество.

Другие дисахариды, такие как мелибиоза, гентибиоза, тураноза, примвероза и т.д. встречаются редко.

Трисахариды встречаются редко. Трисахарид рафиноза, состоящий из галактозы, глюкозы и фруктозы, содержится в сахарной свекле. Является невосстанавливающим трисахаридом. Другие трисахариды (генцианоза, мелецитоза, маннинотриоза, целлотриоза, плантеоза) встречаются чрезвычайно редко.

Тетрасахарид стахиоза состоит из двух остатков галактозы, одного остатка глюкозы и одного остатка фруктозы. Стахиоза содержится в корнях Stachys, в семенах люпина, сои, гороха и является невосстанавливающим тетрасахаридом.

Циклические олигосахариды – циклодекстрины (декстрины Шардингера), образуются при гидролизе крахмала под действием амилазы из Bacillus macerans. Состоят из 6-10 остатков D-глюкозы, связанных a-1,4-гликозидными связями. Циклодекстрины известны тем, что проявляют каталитические свойства, например способны катализировать гидролиз сложных эфиров фенолов. Образуют цветные комплексы с йодом, причём молекулы йода лежат внутри полости циклодекстрина.

Вопрос 24 . Какие углеводы называются полисахаридами?

Ответ. Полисахариды или полиозы – это высокомолекулярные углеводы. По химической природе это полигликозиды.

В молекулах полисахаридов много остатков моносахаридов связаны друг с другом гликозидными связями. При этом для связи с предыдущим остатком новый остаток предоставляет спиртовую гидроксильную группу, чаще всего при 4-м или 6-м атомах углерода. Для связи с последующим остатком предыдущий остаток предоставляет гликозидный (полуацетальный) гидроксил.

В полисахаридах растительного происхождения в основном осуществляются (1®4)- и (1®6) связи. Полисахаридные цепи могут быть разветвлёнными или неразветвлёнными (линейными).

Полисахариды гидролизуются в кислой среде и устойчивы к гидролизу в кислой среде. Полный гидролиз приводит к образованию моносахаридов или их производных, неполный – к ряду промежуточных олигосахаридов, в том числе и дисахаридов.

Вопрос 25 . Чем отличаются гомополисахариды от гетерополисахаридов?

Ответ. Полисахариды делятся на две группы: гомополисахариды и гетерополисахариды.

Гомополисахариды состоят из остатков одного моносахарида, например: крахмал, целлюлоза, гликоген и др.

Крахмал – это смесь двух полисахаридов, построенных из a-D-глюкопиранозных остатков: амилозы (10-20 %) и амилопектина (80-90 %).

Цепь амилозы неразветвлённая, включает 200-1000 глюкозных остатков (молекулярная масса 160000).

Молекулы амилозы свёрнуты в спираль, во внутренний канал которой могут входить подходящие по размерам молекулы (например – йода), образуя комплексы, называемые соединениями включения. Комплекс амилозы, с йодом имеет синий цвет. Это используется как качественная реакция на крахмал (йодкрахмальная проба).

Амилопектин, в отличии от амилозы, представляет собой разветвлённую спираль. В его основной цепи остатки α-D- глюкопиранозы связаны α(1®4)-гликозидными связями, а в точках разветвления – α(1®6)-гликозидными связями. Между точками разветвления располагаются 20-25 остатков α-D- глюкопиранозы. Молекулярная масса амилопектина достигает нескольких миллионов.

Крахмал представляет собой белое аморфное вещество. В холодной воде не растворяется, в горячей воде набухает и растворяется частично.

Крахмал образуется в растениях в процессе фотосинтеза и откладывается в клубнях, корнях, семенах. В пищеварительном тракте под действием ферментов происходит гидролиз крахмала, конечным продуктом гидролиза является α-D-глюкоза.

Гликоген – структурный и функциональный аналог растительного крахмала, содержащийся в животных организмах. По своему строению гликоген подобен амилопектину, но имеет ещё большее разветвление цепей. Между точками разветвления обычно содержатся 10-12 глюкозных звеньев, иногда даже 6. Молекулярная масса гликогена очень велика (до 100 миллионов). В организме гликоген выполняет функции резервного углевода. В нужный момент от него отщепляется в необходимых количествах глюкоза и энергетический фонд организма пополняется. В растениях роль резервного полисахарида выполняет амилопектин.

Целлюлоза или клетчатка – наиболее распространенный растительный полисахарид. Она выполняет роль опорного материала растений. В хлопке содержится почти 100 % целлюлозы, в древесине – 50-70 %.

Целлюлоза построена из остатков β-D-глюкопиранозы, которые связаны между собой β(1®4)-гликозидными связями. Цепь не имеет разветвлений, в ней содержится 2500-12000 β-D-глюкозных остатков (молекулярная масса 0,4-2 млн.).

Линейное строение целлюлозы поддерживается также водородными связями, образующимися внутри углеводных цепей и между отдельными цепями. Целлюлоза не расщепляется ферментами желудочно-кишечного тракта человека и не может быть питательным веществом, но она необходима для нормального питания, т.к. способствует регулированию функции желудочно-кишечного тракта, стимулирует перистальтику толстого кишечника.

Пектиновые вещества содержатся в плодах и овощах. В присутствии органических кислот они образуют желе, что используется в пищевой промышленности. Молекулы пектиновых веществ включают пектовую – полигалактуроновую кислоту, состоящую из остатков D-галактуроновой кислоты, связанных a-(1®4)- гликозидной связью.

Некоторые пектиновые вещества оказывают противоязвенное действие и являются основой ряда препаратов, например, плантаглюцида из подорожника.

Гетерополисахариды состоят из остатков разных моносахаридов. Гетерополисахариды в организме связаны с белками и образуют сложные надмолекулярные комплексы. Примерами гетерополисахаридов могут служить гиалуроновая кислота и гепарин.

Гиалуроновая кислота состоит из остатков D-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-D-глюкозамина, связанных β-(1®3)-
гликозидной связью.

Гиалуроновая кислота обладает большой молекулярной массой и большой вязкостью и обеспечивает непроницаемость соединительной ткани для патогенных микроорганизмов. Гиалуроновая кислота обычно находится не в свободном виде, а в связи с полипептидными цепями. Смешанные биополимеры составляют основу клеток и жидкостей животных организмов.

В состав полимерных молекул гепарина входят остатки D-глюкозамина и двух уроновых кислот – D-глюкуроновой и L-идуроновой. В количественном отношении преобладает L-идуроновая кислота. Аминогруппа у большинства глюкозаминных остатков сульфатирована (содержит SО 3 Н-группу), а у некоторых из них – ацетилирована (связана с СН 3 СО-группой). Кроме того, группы SО 3 Н содержатся у ряда остатков L-идуриновой кислоты. Гепарин и его производное – гепаритин сульфат – в организме связаны с белком, гепарин препятствует свёртыванию крови, гепаритин сульфат входит в состав стенок кровеносных сосудов.

Функции углеводов – структурная и опорная функции (целлюлоза основной структурный компонент клеточных стенок растений, хитин грибов, хитин обеспечивает жёсткость экзоскелета членистоногих); – защитная роль (у растений: шипы, колючки и др. , состоящие из клеточных стенок мёртвых клеток; – энергетическая функция (при окислении 1 г углеводов выделяется 4, 1 ккал энергии); – пластическая функция (входят в состав сложных молекул, например, рибоза и дезоксирибоза участвуют в построении АТФ, ДНК и РНК); – запасающая функция (запасные питательные вещества: гликоген у животных, крахмал и инулин – у растений); – осмотическая функция (участвуют в регуляции осмотического давления в организме, в т. ч. в крови); – рецепторная функция (входят в состав воспринимающей части многих клеточных рецепторов).

Стереоизомерия моноз Стереоизомеры углеводов, отличающиеся конфигурацией одного или нескольких асимметрических атомов углерода, называются диастереомерами. Эпимеры и энантиомеры – частные случаи диастереомеров. Диастереомеры, относящиеся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению, называются энантиомерами. Энантиомеры имеют одинаковые физические и химические свойства, различаются по оптическим свойствам и биологической активности. Если диастереомеры различаются конфигурацией только одного асимметрического атома углерода, то их называют эпимерами. Если различается конфигурация второго атома углерода, то такие диастереомеры называют просто эпимерами; если других атомов углерода, то к названию добавляется номер этого атома.

Химические свойства моноз Углеводы являются гетерофункциональными соединениями и могут существовать как в открытой, так и в циклической форме. Все химические реакции, в которые они вступают, можно разделить на три группы: реакции с участием карбонильной группы (восстановление, окисление); реакции с участием гидроксильных групп (образование простых и сложных эфиров); реакции с участием полуацетального гидроксила (получение гликозидов).

Восстановление моноз При восстановлении карбонильной группы моноз образуются полиолы (многоатомные спирты). Это кристаллические вещества, легко растворимые в воде и часто обладающие сладким вкусом, поэтому некоторые используются в качестве заменителей сахара (ксилит, сорбит). Кетозы (в отличие от альдоз) дают 2 полиола, т. к. атом углерода кетогруппы при восстановлении превращается в асимметрический, что приводит к существованию ещё одного изомерного полиола по второму атому углерода. Восстановление глюкозы в сорбит является одной из стадий промышленного синтеза аскорбиновой кислоты.

Окисление моноз Альдозы окисляются легче, чем кетозы. При взаимодействии со слабыми окислителями (гидроксид меди (II), аммиачный раствор гидроксида серебра) альдегидная группа окисляется до карбоксильной. Получаются –оновые кислоты (глюконовая, манноновая и т. д.) Взаимодействие альдоз с более сильными окислителями (разбавленная азотная кислота) приводит к окислению альдегидной и первичной спиртовой групп. Образуются дикарбоновые –аровые кислоты. При участии ферментов окисление может протекать по первичной спиртовой группе, не затрагивая альдегидную. В этом случае получаются –уроновые кислоты.

Окисление кетоз происходит под действием сильных окислителей и сопровождается деструк цией углеродного скелета. Разрыв связи может происходить двумя способами: между первым и вторым, а также вторым и третьим атомами углерода. При этом все концевые атомы углерода окисляются с образованием карбоксильных групп. При окислении D фруктозы образуется четыре продукта реакции. При разрыве связи между первым и вторым атомами углерода образуются муравьиная и D арабинаровая кислоты. При разрыве связи между вторым и третьим атомами углерода образуются щавелевая и мезовинная кислоты: Тот факт, что не только альдозы, но и кетозы дают реакцию «серебряного зеркала» (со слабым окислителем – аммиачным раствором гидроксида серебра) объясняется тем, что реакция идёт в щелочной среде, где возможны таутомерные превращения кетоз в эпимерные им альдозы. Образующиеся альдозы и выступают в качестве сильного восстановителя.

Образование простых эфиров 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. Образующиеся при этом моноэфиры называют гликозидами (пиранозидами и фуранозидами). Простые эфиры, образованные спиртовыми гидроксильными группами не гидролизуются, а гликозидная связь легко подвергается гидролизу в щелочной среде. Растворы гликозидов не мутаротируют.

Классификация гликозидов Гликозидами называют не только ацетали углеводов, образующиеся при взаимодействии со спиртами, но и продукты, образующиеся при взаимодействии полуацетального гидроксила с другими соединениями. Связь, которую образует полуацетальный гидроксил, также называют гликозидной. В зависимости от размера цикла гликозиды подразделяются на пиранозиды и фуранозиды. Неуглеводная часть гликозида называется агликоном («не сахар»). Гликозиды могут классифицироваться в зависимости от того через какой атом агликон связан с сахарной частью гликозида: С гликозиды, О гликозиды, N гликозиды, S гликозиды.

Образование сложных эфиров Сложные эфиры можно получить, действуя на моносахариды ангидридами органических кислот. Например, при взаимодейст вии с уксусным ангидридом получаются ацетильные производные моносахаридов. Сложные эфиры гидролизуются как в кислой, так и щелочной средах. Большое значение имеют эфиры фосфорной кислоты – фосфаты, содержащиеся во всех растительных и животных организмах. К ним, прежде всего, относятся фосфаты D глюкозы: 1 фосфат D глюкозы получается при гидролизе гликогена с помощью фермента фосфорилазы; 6 фосфат глюкозы образуется на первой стадии гликолиза (катаболизма глюкозы в организме). Фосфаты D рибозы и 2 дезокси D рибозы служат структурными элементами ДНК, РНК, АТФ и ряда коферментов.

Дисахариды (биозы) продукт конденсации двух молекул моносахаридов, соединенных О гликозидной связью. Если в реакции конденсации принимают участие оба полуацетальных гидроксила и два остатка моноз соединяются гликозид-гликозидной связью, образуется невосстанавливающий дисахарид. Такой дисахарид не содержит гликозидный гидроксил, не может переходить в открытую альдегидную форму и поэтому не восстанавливает окислов металлов (не вступает в реакции с гидроксидом меди или в реакцию «серебряного зеркала»). Если в реакции конденсации принимают участие один полуацетальный и один Спиртовой гидроксил и два остатка моноз соединяются гликозид-гликозной связью, образуется восстанавливающий дисахарид. Такой дисахарид содержит гликозидный гидроксил, за счёт которого может переходить в открытую альдегидную форму и выступать в качестве восстановителя.

Олигосахариды в природе Сахароза (тростниковый сахар, свекловичный сахар) чрезвычайно распространена в растениях. Невосстанавливающий дисахарид. Мальтоза (солодовый сахар) состоит из двух остатков D глюкопиранозы, связанных 1, 4 гликозидной связью. Мальтоза образуется при гидролизе крахмала под действием фермента амилазы; если долго жевать хлеб можно почувствовать сладковатый вкус мальтозы, образующейся из крахмала хлеба под действием амилазы слюны. Восстанавливающий дисахарид. Целлобиоза состоит из двух остатков D глюкопиранозы, связанных 1, 4 гликозидной связью. Является структурной единицей клетчатки (целлюлозы). Восстанавливающий дисахарид. Лактоза (молочный сахар) состоит из остатков D галактопиранозы и D глюкопиранозы, связанных 1, 4 гликозидной связью. Содержится только в молоке млекопитающих, восстанавливающий дисахарид. В организме гидролизуется под действием фермента лактазы, при недостаточности которого наблюдается неспособность переваривать лактозу. Поэтому при потреблении молока людьми с лактазным дефицитом, лактоза не переваривается, а сбраживается кишечной микрофлорой с неприятными последствиями (метеоризм, диарея). Трегалоза (грибной сахар) состоит из двух остатков D глюкопиранозы, связанных за счёт полуацетальных гидроксильных групп, поэтому трегалоза не восстанавливающий дисахарид. Содержится в грибах и некоторых растениях. В дрожжах содержание трегалозы достигает 18 % на сухое вещество. Другие дисахариды, такие как мелибиоза, гентибиоза, тураноза, примвероза и т. д. встречаются редко. Трисахариды встречаются редко. Трисахарид рафиноза, состоящий из галактозы, глюкозы и фруктозы, содержится в сахарной свекле. Является невосстанавливающим трисахаридом. Другие трисахариды (генцианоза, мелецитоза, маннинотриоза, целлотриоза, плантеоза) встречаются чрезвычайно редко. Тетрасахарид стахиоза состоит из двух остатков галактозы, одного остатка глюкозы и одного остатка фруктозы. Стахиоза содержится в семенах люпина, сои, гороха, невосстанавливающий тетрасахарид. Циклические олигосахариды – циклодекстрины образуются при гидролизе крахмала под действием амилазы. Состоят из 6… 10 остатков D глюкозы, связанных 1, 4 гликозидными связями. Циклодекстрины образуют цветные комплексы с йодом, причём молекулы йода лежат внутри полости циклодекстрина.

Полисахариды или полиозы – это высокомолекулярные углеводы. По химической природе это полигликозиды. В молекулах полисахаридов много остатков моносахаридов связаны друг с другом гликозидными связями. При этом для связи с предыдущим остатком новый остаток предоставляет спиртовую гидроксильную группу, чаще всего при 4 м или 6 м атомах углерода. Для связи с последующим остатком предыдущий остаток предоставляет гликозидный (полуацетальный) гидроксил. В полисахаридах растительного происхождения в основном осуществляются (1 4) и (1 6) связи. Полисахаридные цепи могут быть разветвлёнными или неразветвлёнными (линейными). Полисахариды гидролизуются в кислой среде и устойчивы к гидролизу в кислой среде. Полный гидролиз приводит к образованию моносахаридов или их производных, неполный – к ряду промежуточных олигосахаридов, в том числе и дисахаридов. Гомополисахариды состоят из остатков одного моносахарида, например: крахмал, целлюлоза, гликоген и др. Гетерополисахариды состоят из остатков разных моносахаридов. Гетерополисахариды в организме связаны с белками и образуют сложные надмолекулярные комплексы. Примерами гетерополисахаридов могут служить гиалуроновая кислота и гепарин.

Крахмал является главным запасным питательным веществом растений. Гомополисахариды крахмала делятся на две фракции: амилозу (15 25%) и амилопектин (75 85%). Амилоза (С 6 Н 10 О 5)n. Полисахариды амилозы представляют собой неразветвленные или малоразветвленные цепочки, содержащие около 200 остатков глюкозы. Амилоза имеет кристаллическое строение. Растворима в горячей воде, но при стоянии растворов вскоре выпадает в осадок. Дает с йодом синее окрашивание. Легко гидролизуется ферментам и кислотами до мальтозы и глюкозы. Амилопектин (C 6 H 10 О 5)n. Молекулы амилопектина более сложны, чем амилозы. Они представляют собой сильно разветвленные цепи, содержащие около 4000 остатков глюкозы и 0, 4% фосфорной кислоты. Амилопектин в горячей воде не растворяется, но сильно набухает дает клейстер. Йодом окрашивается в фиолетовый цвет.

Целлюлоза (клетчатка) Целлюлоза или клетчатка – наиболее распространенный растительный полисахарид. Она выполняет роль опорного материала растений. В хлопке содержится почти 100 % целлюлозы, в древесине – 50… 70 %. Целлюлоза построена из остатков β D глюкопиранозы, которые связаны между собой β(1 4) гликозидными связями. Цепь не имеет разветвлений, в ней содержится 2500 12000 β D глюкозных остатков (молекулярная масса 0, 4 2 млн). Цепь целлюлозы имеет вид нити, спиралеобразно закрученной вокруг своей оси и удерживаемой в таком положении водородными связями гидроксилов остатков глюкозы. Отдельные нити соединяются межмолекулярными водородными связями в пучки, имеющие характер волокон. Это обеспечивает особые механические свойства клетчатки высокую прочность и упругость целлюлозы, отсутствие растворимости в большинстве растворителей. Благодаря наличию свободных спиртовых гидроксильных групп целлюлоза способна реагировать со спиртами и кислотами с образованием эфиров. Из растворов ацетата целлюлозы в ацетоне изготовляют ацетатное волокно. Клетчатка легко гидролизуется кислотами. Продуктами гидролиза являются целлодекстрины, целлобиоза и глюкоза. Целлюлоза не расщепляется ферментами желудочно кишечного тракта человека и не может быть питательным веществом, но способствует регулированию функции желудочно кишечного тракта, стимулирует перистальтику толстого кишечника.

Пектиновые вещества содержатся в плодах и овощах, для них характерно желеобразование в присутствии органических кислот, что используется в пищевой промышленности для изготовления желе и мармеладов. В основе пектиновых веществ лежит пектовая полигалактуроновая кислота. Пектовая кислота состоит из остатков D галактуроновой кислоты, связанных (1 4) гликозидной связью. Некоторые пектиновые вещества оказывают противоязвенное действие и являются основой ряда препаратов, например, плантаглюцид из подорожника.

Гетерополисахариды Альгиновые кислоты содержатся в бурых водорослях. Неразветвленная цепь построена из соединенных (1 4) связями остатков D маннуроновой и L гулуроновой кислот. Альгиновые кислоты как гелеобразователи используются в пищевой промышленности. Морские водоросли служат источником многих полисахаридов. Например, широко применяемый в биохимических исследованиях агар представляет собой гетерополисахарид, содержащий большое число сульфатных групп. Агар состоит из смеси агарозы и агаропектина. В полисахаридной цепи агарозы чередуются остатки D галактозы и L лактозы. Полисахариды соединительной ткани. Соединительная ткань распределена по всему организму и обусловливает прочность и упругость органов, эластичность их соединения, стойкость к проникновению инфекций. Полисахариды соединительной ткани связаны с белками. Наиболее полно изучены хондроитинсульфаты (кожа, хрящи, сухожилия), гиалуроновая кислота (стекловидное тело глаза, пуповина, хрящи, суставная жидкость), гепарин (печень). Эти полисахариды обладают общими чертами в строении: их неразветвленные цепи построены из дисахаридных остатков, в состав которых входят уроновые кислоты (D глюкуроновая, D галактуроновая, L идуроновая) и N ацетилгексозамины (N ацетилглюкозамин, N ацетилгалактозамин). Некоторые из них содержат остатки серной кислоты.

Строение некоторых гетерополисахаридов Гиалуроновая кислота построена из дисахаридных остатков, соединенных (1 4) гликозидными связями. Дисахаридный фрагмент состоит из остатков D глюкуроновой кислоты и N ацетил О глюкозамина, связанных (1 3) гликозидной связью. Гиалуроновая кислота имеет большую молекулярную массу – 2 7 млн. , растворы обладают высокой вязкостью, с чем связывают её барьерную функцию, обеспечивающую непроницаемость соединительной ткани для патогенных микроорганизмов. Xондроитинсульфаты состоят из дисахаридных остатков N ацетилированного хондрозина, соединенных (1 4) гликозидными связями. В состав хондрозина входят D глюкуроновая кислота и D галактозамин, связанные между собою (1 3) гликозидной связью. Сульфатная группа образует эфирную связь с гидроксильной группой N ацетил О галактозамина, находящейся либо в 4 м, либо в 6 м положении, Молекулярная масса хондроитинсульфатов составляет 10 000 60 000. Хондроитинсульфаты и гиалуроновая кислота содержатся не в свободном, а в связанном виде с полипептидными цепями.

Мотивация цели. Моносахариды содержатся во всех живых организмах и имеют важное биологическое значение. Остатки моносахаридов входят в состав молекул нуклеиновых кислот, сердечных гликозидов, коферментов. Некоторые моносахариды используются для получения лекарственных препаратов.Полисахариды выполняют различные функции: энергетическую (крахмал, гликоген), скелетную (хондроитинсульфаты, гликопротеиды), являются биорегуляторами (гепарин) и др. Гетерополисахариды участвуют в построении групповых веществ крови и тканей.

Цель самоподготовки. Необходимо усвоить стереоизомерию и таутомерные превращения моносахаридов, химические свойства моно-, ди- и полисахаридов.

План изучения темы

1. Классификация углеводов. Классификация моносахаридов по количеству атомов углерода в цепи и по характеру оксогруппы. Примеры

2. Стереоизомерия моносахаридов. Энантиомеры, определение относительной конфигурации. Диастереомеры.

2. Цикло-оксо-таутомерия моносахаридов на примере глюкозы, галактозы, фруктозы, рибозы и дезоксирибозы. α- и β-аномеры.

3. Свойства моносахаридов, обусловленные открытой таутомерной формой (оксо-формой).

3.1. Реакции окисления моносахаридов в разных условиях. Использование реакций окисления для идентификации моносахаридов.

3.2. Реакции восстановления моносахаридов. Получение ксилита и сорбита. Их значение.

3.3. Качественная реакция на фруктозу (реакция Селиванова).

4. Реакции циклических форм моносахаридов.

4.1. Реакции по полуацетальному гидроксилу. Образование O- и N-гликозидов, их номенклатура. Условия гидролиза гликозидов.

4.2. Реакции по спиртовым гидроксилам.

Реакции моносахаридов как многоатомных спиртов (взаимодействие с Cu(OH) 2);

Образование фосфатов моносахаридов.

5. Отдельные представители моносахаридов и их производных, их значение.

5.1. Пентозы – ксилоза, рибоза, дезоксирибоза, гексозы – глюкоза, манноза, галактоза, фруктоза.

5.2. Аминосахара – глюкозамин, галактозамин.

5.3. Аскорбиновая кислота

6. Строение дисахаридов Мальтоза, целлобиоза, лактоза, сахароза. Их моносахаридный состав, тип гликозидной связи.

7. Химические свойства дисахаридов.

7.1. Реакции образования гликозидов.

7.2. Отношение дисахаридов к гидролизу. Условия гидролиза.

7.3. Медико-биологическое значение дисахаридов.

8. Строение и свойства гомополисахаридов.

8.1. Строение фракций крахмала (амилозы и амилопектина), гликогена, целлюлозы. Их биологическое значение.

8.2. Гидролиз полисахаридов, его условия.

8.3. Первичная и вторичная структура амилозы и целлюлозы. Зависимость их физических и химических свойств от вторичной структуры.

9. Понятие о гетерополисахаридах.

«Учебно-методическое пособие для самоподготовки к занятиям по биоорганической химии» с.-151-157, 165-167.

Вопросы для самоконтроля №№ 1, 2, 4, 5 (с.152-153), 6 (с.166). Письменно ответить на вопросы 6 (с.153), 5 (с.166)

Для подготовки к тесту используйте вопросы для тестового контроля №№ 1-6, 9, 11, 13-18, 20, 24, 27, 31-43 (с. 157-164), 2-7, 11, 12, 15-17, 21, 35, 41, 49 (с. 168-176).

Занятие № 7

Природные α-аминокислоты, пептиды, белки.

Строение, свойства, биологическая роль.

Мотивация цели. Аминокислоты играют важную роль в живом организме как мономеры для построения молекул пептидов и белков. Кроме того, они являются материалом для биосинтеза многих ферментов, гормонов, витаминов, антибиотиков, медиаторов. Отдельные аминокислоты используются как лекарственные препараты (цистеин, метионин, глутаминовая кислота). Пептиды выполняют в организме регуляторную функцию (гормоны, антибиотики). Белки составляют материальную основу химической деятельности клетки (ферменты, гормоны, структурные, транспортные защитные белки).

Цель самоподготовки. Необходимо усвоить классификацию и строение наиболее часто встречающихся α-аминокислот, химические превращения α-аминокислот in vitro и in vivo , принципы строения пептидов, пространственную организацию молекул белка.

Для подготовки к занятию необходимо использовать «Учебно-методическое пособие для самоподготовки к занятиям по биоорганической химии» с.-176-180.

План изучения темы – вопросы 1-5 (без 4.4) (с.176-177).

Вопросы для самоконтроля №№ 1- 10 (с.177-178). Письменно ответить на вопросы 2, 6, 9 (с.177-178).

Для подготовки к тесту используйте вопросы для тестового контроля №№ 1 – 54, 56, 57 (с.181-190).

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 (Н 2 О) п , которая и послужила основой для названия данного класса соединений (углерод + вода). По своей структуре монозы относятся к полиоксиальдегидам, или альдозам, или полиоксикетонам, или кетозам. В зависимости от числа атомов углерода монозы делят на триозы (три атома углерода), тетрозы (четыре атома), пентозы (пять атомов), гексозы (шесть атомов) и гептозы (семь атомов). В зависимости от строения карбонильной группы каждую из моноз обозначают: альдотриоза, альдогексоза, кетогексоза и т.п.

Оптическая изомерия моносахаридов . Характерной особенностью структуры моносахаридов является наличие в молекулах асимметрических (т.е. имеющих четыре различных заместителя) атомов углерода. Асимметрические атомы углерода представляют собой центры хиральности молекулы. Следствие хиральности молекулы – явление оптической изомерии, или энантиомерии, которое выражается в способности соединения вращать плоскость поляризованного света в противоположные стороны. Соединение с асим­метрическими атомами углерода может существовать в виде 2 изо­меров. В соединениях с одинаковыми асимметрическими атомами углерода число оптических изомеров уменьшается вследствие существования мезоформ. Мезо-соединения оптически неактивны из-за «внутренней компенсации» знака вращения. Примером мезо-соединения является D-ксилит.

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 центров хиральности и образуют D-форму (лат.Dexter - правый) и L-форму (лат. laevus - левый) - стереохимические ряды моносахаридов. Изомеры, отличающиеся конфигурацией только части центров хиральности 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 к 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 С 5). Если она совпадает с конфигурацией асимметрического атома углерода D-глицеринового альдегида, то соединение относят к D-ряду, если не совпадает - к L-ряду. Установлено, что все природные монозы относятся к D-ряду.

Цикло-оксо-таутомерия моносахаридов . В твердом состоянии и в водном растворе моносахариды преимущественно существуют в виде циклических полуацеталей. Образование полуацеталей можно рассматривать как внутримолекулярную реакцию A N , в результате которой образуются наиболее устойчивые шестичленные циклы (пиранозные) и пятичленные циклы (фуранозные). 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):

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 С 1 в альдозах или атом С 2 в кетозах, называемый аномерным атомом углерода, и дополнительная группа –ОН, называемая полуацеталъным гидроксилом (в формуле Хоуорса показана звездочкой *). Если конфигурация аномерного атома углерода совпадает с конфигурацией атома, определяющего принадлежность соединения стереохимическому ряду, его называют a-аномером, если не совпадает - b-аномером.

Таким образом, a- и b-аномеры моноз можно рассматривать как изомеры положения полуацетального гидроксила. Переход аномерных форм a « b осуществляется только через открытую оксо-форму: a-форма « оксо-форма « b-форма

Аналогично устанавливается равновесие в растворе между пиранозными и фуранозными формами. Преобладание a- или b-аномера зависит от природы монозы, растворителя, концентрации и других внешних условий. Равновесие между всеми формами является, таким образом, динамическим. Так, если какой-либо аномер глюкозы растворить в воде, он постепенно превращается в другой аномер, пока не образуется равновесная смесь двух 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 a-, так и b-D-глюкопираноз, содержит 36 % a-изомера и 64 % b-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.

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).

Простые 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.

Биологически важный пример реакции данного типа - 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 (полисахарида, присущего животным организмам); 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, напри­мер, бромной водой с образованием –оновых кислот

Окисление карбонильной и первичной гидроксильной группы - «жесткое» окисление, например, раствором HNO 3 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 легко 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. Реакции окисления характерны не только для альдоз, но и для кетоз (в отличие от кетонов), что объясняет­ся явлением эпимеризации моноз.

Окислению могут подвергаться и некоторые дисахариды, называемые восстанавли­вающими. Существуя преимущественно в форме полуацеталей, они обладают потенциально свободной альдегидной группой (в оксо-форме).

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

3. Моносахариды подвергаются химическому либо билогическому восстановлению.

Восстановление моноз, как и всяких карбонильных соедине­ний, приводит к превращению карбонильных групп в спиртовые; при этом образуются многоатомные спирты, называемые сахарными спиртами, или альдитами.

Помимо амальгамы натрия в водной (или водно-спиртовой, или спиртовой) среде для восстановления моноз используют во­дород в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni) и гидриды метал­лов (особенно NaBH 4). Следует иметь в виду, что при восстановлении альдоз образуется один спирт, а при восстановлении кетоз получают два стеоизомерных многоатомных спирта, т.к. неасиметрический 2-й атом С в кетозе (атом карбонильной группы) после восстановления становится асимметрическим и возможны две ориентации гидроксильной группы, связанной с ним.

4. Реакция изомеризации (эпимеризации) всегда происходит по a-СН*-кислотному центру моносахаридов, которым является атом углерода, непосредственно связанный с карбонильной груп­пой. Реакция протекает под действием разбавленных растворов ще­лочей или ферментативно (в условиях организма) и сопровожда­ется

внутримолекулярным окислением-восстановлением

(диспропорционированием) атомов углерода С 1 и С 2 .

В ходе этой перегруппировки вследствие переноса

протона, осуществляемого под влиянием

гидроксильного иона, возникает промежуточное

соединение - ендиол (одна двойная связь (-ен)

между двумя гидроксильными группами (ди-ол)).

Превращения ендиола могут привести к образо­ва-

нию как кетозы, так и двух альдоз.

Таким образом, в результате реакции

постепенно образуется равновесная смесь

изомеров. Например, в результате эпимеризации D-глюкозы образуется

D-манноза - эпимер глюкозы по С 2 и D-фруктоза - структурный изомер глюкозы.

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

Олиго- и полисахариды . Дисахариды (биозы) представляют со­бой продукт конденсации двух молекул моносахаридов, соеди­ненных О-гликозидной связью.

Если в реакции конденсации принимают участие оба полуацетальных гидроксила и два остатка моноз соединяются гликозид-гликозидной связью, образуется невосстанавливающий дисахарид. Такой дисахарид не содержит гликозидный гидроксил, не может переходить в открытую альдегидную форму и поэтому не восстанавливает окислов металлов (не вступает в реакции с гидроксидом меди или в реакцию «серебряного зеркала»).

Если в реакции конденсации принимают участие один полуацетальный и один спиртовой гидроксил и два остатка моноз соединяются гликозид-гликозной связью, образуется восстанавливающий дисахарид. Такой дисахарид содержит гликозидный гидроксил, за счёт которого может переходить в открытую альдегидную форму и выступать в качестве восстановителя.

Дисахариды, как любые гликозиды, гидролизуются в кислой среде. Наиболее биологически важными дисахаридами являются сахароза, мальтоза, лактоза и целлобиоза.

Например, структурную формулу мальтозы, которая является основным продуктом расщепления крахмала в полости рта под действием фермента слюны - b-амилазы, можно представить сле­дующим образом:

Систематическое название (a-D-глюкопиранозил-(1®4)-a-D-глюкопираноза или 4-(a-D- глюкопиранозидо)-D-глюко-пираноза) указывает на наличие гликозидной связи между имеющим a-конфигурацию атомом С, одного остатка глюкозы и атомом С 4 другого остатка. Мальтоза образуется в результате конденсации двух молекул a-D-глюкопиранозы с образованием гликозидной связи между атомом С 1 a-аномера глюкозы и атомом С 4 второй молекулы глюкозы. Такую связь называют a (1®4) –связью.

Лактоза (4-(b-D-галактопиранозидо)-D-глюкопираноза) имеет строение:

Целлобиоза (4-(b- D -глюкопиранозидо)-D-глюкопираноза) представляет собой основной структурный элемент целлюлозы; образуется при ферментативном гидролизе целлюлозы. Целлобиоза, как и лактоза, имеет 1,4-b-гликозидную связь и является восстанавливающим дисахаридом, но в отличие от лактозы при полном гидролизе дает только D-глюкозу:

Сахарозу (a-D-глюкопиранозидо-b-D-фруктофуранозид)

называют тростниковым сахаром; она является невосстанав-

ливающим дисахаридом, содержится в тростнике, сахарной

свекле, различных фруктах, ягодах и овощах.

Систематическое название сахарозы отражает конфигу-

рацию обоих гликозидных (суффикс «озид» у названий обеих

моноз) гидроксилов (a или b), и наличие связи С 1 –С 2 .

Продукты конденсации нескольких (от 2 до 12) молекул моносахаридов называют олигосахаридами; большего числа моносахаридов - полисахаридами .

Если макромолекулы построены из остатков одного моносахарида, то такие полисахариды называют гомополисахаридами . Среди гомополисахаридов наиболее биологически важными являются поли- D -глюкопиранозы: амилоза, амилопектин, гликоген (дисахаридным фрагментом последних является мальтоза) и целлю­лоза, структурным компонентом которой выступает дисахарид цел­лобиоза.

Амилоза - это полимер неразветвленного строения (линейный полимер) молекулярной массой около 60000; при нагревании растворяется в воде, образуя лиофильный коллоидный раствор; взаимодействует с йодом с образованием комплексного «соеди­нения включения» синего цвета.

При ферментативном гидролизе b-амилазой, которая выделяется поджелудочной железой и содержится в слюне, амилоза расщепляется на глюкозу и мальтозу; гидролиз начинается с невосстанавливающего конца амилозы и осуществляется последователь­ным отщеплением молекул мальтозы.

Амилопектин имеет разветвленную структуру и включает наряду с a(1®4)-связями и гликозидные a(1®6)-связи. За счет последних и образуются разветвления в структуре:

При растворении в воде амилопектин набухает, образуя связаннодисперсную систему - гель. С йодом амилопектин образует соединение красно-фиолетового цвета.

Смесь амилозы (20-25%) и амилопектина (75-80%) предтавляет собой полисахарид природного происхождения - крахмал.

Таким образом, природный крахмал не является индивидульным веществом: он состоит из двух фракций, отличающихся пo строению и вследствие этого обладающих различной растворимостью в теплой воде. Крахмал является основным резервным полисахаридом растений.

Крахмал – белое аморфное вещество. В холодной воде не растворим, в горячей набухает и постепенно растворяется. При охлаждении получается студнеобразная масса или гель (кисель). По многим свойствам кисель похож на твёрдое тело, в частности, проявляет упругость, несмотря на то, что это довольно разбавленный раствор крахмала, а не концентрированный, как например, сироп. Дело в том, что при попадании в раствор разветвлённые и неразветвлённые молекулы амилопектина и амилазы за счёт возникающих водородных связей формируют трёхмерную пространственную сетку, в ячейки которой попадают молекулы воды. Такой каркас существует только при невысокой температуре. Если кисель подогреть, молекулы начнут двигаться энергичнее, водородные связи между ними разрушатся и кисель станет жидким.

Все полисахариды крахмала вращают поляризованный свет вправо, так как образованы правовращающей глюкозой. При нагревании с кислотами крахмал гидролизуется по месту глюкозид-глюкозных связей, давая последовательно декстрины, мальтозу и глюкозу.

Гликоген («животный крахмал») по структуре и свойствам похож на амилопектин, но имеет еще более разветвленную полимерную цепь и является резервным полисахаридом животных, запасаемым в печени и мускульной ткани.

Гликоген является «двойником» крахмала в животном мире и играет роль депо питательных веществ и запасного углевода животных тканей (откладывается, в основном, в печени и в мышцах). Молекулярная масса гликогена очень велика – около 100 млн. Такой размер молекул соответствует их биологической функции резервного углевода. Макромолекула гликогена из-за большого размера не проходит через мембрану и остаётся внутри клетки, пока не возникнет потребность в энергии. В перерывах между приёмами пищи гликоген понемногу расщепляется до глюкозы, которая поступает в кровь и затем используется клетками организма. У хорошо упитанного взрослого человека запасы гликогена достигают 0,5 кг.

Одним из важнейших полисахаридов является целлюлоза. Она образует главную составную часть стенок растительных клеток. Целлюлоза представляет собой полимер, полностью состоящий из звеньев b-D-глюкопиранозы, которые связаны гликозидными b(1®4)-связями.

Целлюлоза - линейный полимер, цепи которой могут содер­жать более 10000 звеньев:

Чистая целлюлоза является белым волокнистым веществом, нерастворимым в воде, эфире или спирте. Такая устойчивость по отношению к растворителям объясняется уникальной структурой целлюлозы.

Этот полисахарид состоит из остатков D-глюкозы, связанных только гликозидной b(1®4)-связью; молекулы целлюлозы ните­видные и не имеют разветвлений. Высокоупорядоченная структура, подтвержденная данными рентгеноструктурного анализа, обусловливает необычайную прочность и упругость целлюлозы, равно как и отсутствие растворимости в большинстве применяемых растворителей.

Любопытно, что целлюлоза растворяется в реактиве, приготовленном смешиванием Сu(ОН) 2 с концентрированным водным раствором аммиака (реактив Швейцера), а также в подкисленном растворе ZnCl 2 при нагревании или в концентрированной серной кислоте, т.е. в тех средах, состав которых обусловливает возможность разрыва водородных связей в молекулах целлюлозы и образование новых связей с растворителем.

Благодаря наличию свободных спиртовых гидроксильных групп целлюлоза способна реагировать со спиртами и кислотами с образованием эфиров. Целлюлоза выполняет функции структурного полисахарида, используемого организмом для построения остова клеточной ткани.

Пектиновые вещества содержатся в плодах и овощах, для них характерно желеобразование в присутствии органических кислот, что используется в пищевой промышленности для изготовления желе и мармеладов.

В основе пектиновых веществ лежит

пектовая - полигалактуроновая кислота.

Пектовая кислота состоит из остатков

D-галактуроновой кислоты, связанных

a(1®4)-гликозидной связью.

Некоторые пектиновые вещества оказывают противоязвенное действие и являются основой ряда препаратов, например, плантаглюцид из подорожника.

Гетерополисахариды (макромолекулы которых построены из остатков более, чем одного моносахарида) также достаточно широко распространены в природе.

Альгиновые кислоты содержатся в бурых водорослях. Неразветвленная цепь построена из соединенных (1®4) -связями остатков D-маннуроновой и L-гулуроновой кислот. Альгиновые кислоты как гелеобразователи используются в пищевой промышленности. Морские водоросли служат источником многих полисахаридов. Например, широко применяемый в биохимических исследованиях агар представляет собой гетерополисахарид, содержащий большое число сульфатных групп. Агар состоит из смеси агарозы и агаропектина. В полисахаридной цепи агарозы чередуются остатки D-галактозы и L-лактозы.

Полисахариды соединительной ткани . Соединительная ткань распределена по всему организму и обусловливает прочность и упругость органов, эластичность их соединения, стойкость к проникновению инфекций. Полисахариды соединительной ткани связаны с белками.

Наиболее полно изучены хондроитинсульфаты (кожа, хрящи, сухожилия), гиалуроновая кислота (стекловидное тело глаза, пуповина, хрящи, суставная жидкость), гепарин (печень). Эти Полисахариды обладают общими чертами в строении: их неразветвленные цепи построены из дисахаридных остатков, в состав которых входят уроновые кислоты (D-глюкуроновая, D-галактуроновая, L-идуроновая) и N-ацетилгексозамины (N-ацетилглюкозамин, N-ацетилгалактозамин). Некоторые из них содержат остатки серной кислоты.

Гиалуроновая кислота построена из дисахаридных остатков, соединенных b(1®4)-гликозидными связями. Дисахаридный фрагмент состоит из остатков D-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-О-глюкозамина, связанных b(1®3)-гликозидной связью. Гиалуроновая кислота имеет большую молекулярную массу – 2-7 млн., растворы обладают высокой вязкостью, с чем связывают её барьерную функцию, обеспечивающую непроницаемость соединительной ткани для патогенных микроорганизмов.

Xондроитинсульфаты состоят из дисахаридных остатков N-ацетилированного хондрозина, соединенных b(1®4)-гликозидными связями. В состав хондрозина входят D-глюкуроновая кислота и D-галактозамин, связанные между собою b(1®3)-гликозидной связью.

Сульфатная группа образует эфирную связь с гидроксильной группой N-ацетил-О-галактозамина, находящейся либо в 4-м, либо в 6-м положении, Молекулярная масса хондроитинсульфатов составляет 10 000 - 60 000.

Хондроитинсульфаты и гиалуроновая кислота содержатся не в свободном, а в связанном виде с полипептидными цепями.