3.3.1.Пептиды.

Пептиды - это продукты конденсации двух и более молекул α - аминокислот. Две молекулы аминокислоты могут взаимодействовать друг с другом с отщеплением молекулы воды и образованием продукта, в котором остатки аминокислот связаны амидной связью, называемой в химии пептидов –

п ептидной

пептидная связь

Полученный продукт называется дипептидом. Пептиды, образованные из 3-х аминокислот, называются трипептидами, из 4 - х - тетрапептидами, из большого числа аминокислот - полипептидами. Процесс наращивания пептидной цепи может происходить многократно и приводить к веществам с очень высокой молекулярной массой (белкам). Условились формулы пептидов записывать так, чтобы свободная аминогруппа ( N - концевая аминокислота ) оказывалась слева, а свободная карбоксильная группа - ( С - концевая аминокислота ) – cправа. Название пептидов составляют на основе исторических названий α - аминокислот, причем название аминокислоты с карбоксильной группой сохраняется полностью, а в названии предшествующих ей изменяют окончание “ин” на “ил”. Все название пишется слитно. Например дипептид, изображенный выше, называется фенилаланилсерин,а

г лицилаланин.

Если полипептид содержит более 100 аминокислотных остатков, то его уже относят к белкам.

3.4.Углеводы.

Углеводы - один из основных классов органических соединений, встречающихся в природе. Название “углеводы” было первоначально дано потому, что многие соединения этого класса, (например, глюкоза С₆Н₁₂О_6, сахароза С₁₂Н₂₂О₁₁₎ ) имеют эмпирическую формулу С_х (H₂O) _у и формально могут быть отнесены к «гидратам углерода». Позднее были выделены многие важные соединения (например, дезоксирибоза С₅Н₁₀О₄), которые не могут быть описаны такой формулой, тем не менее термин «углевод» является общепринятым. К числу наиболее известных углеводов относятся глюкоза, сахароза, крахмал, клетчатка. Все эти соединения имеют большое значение для жизненных процессов как у животных, так и растений. Химия углеводов охватывает широкий круг вопросов от процессов фотосинтеза, который представляет собой процесс “связывания” углекислого газа и воды под влиянием энергии солнечных лучей с образованием углевода до процесса окисления глюкозы в организме с выделением энергии, которая запасается в организме в виде аденозинтрифосфата (АТФ) и затем расходуется в процессах жизнедеятельности организма:

солнечная энергия

К лассификация углеводов. Углеводы классифицируются на простые и сложные. Простые углеводы - моносахариды, простейшие углеводы, молекулы которых не подвергаются гидролизу. Сложные полисахариды - продукты конденсации моносахаридов. Полисахариды - это продукты поликонденсации большого числа моносахаридов. Полисахариды, состоящие из одного мономерного звена, называются гомополисахаридами. Моносахариды. Классификация. Моносахариды представляют собой гетерофункциональные соединения. Это многоатомные спирты, содержащие карбонильную группу, другими словами, полигидроксильные карбонильные соединения, содержащие неразветвленную углеродную цепь. Моносахариды классифицируют по числу атомов углерода в молекуле сахара на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы. Наиболее распространены пентозы и гексозы. В зависимости от природы карбонильной группы моносахариды делятся на альдозы, содержащие альдегидную группу, либо на кетозы, содержащие кетонную группу. Если объединить эти два признака, то все моносахариды можно разделить на альдопентозы, кетопентозы, кетогексозы, альдогексозы и т.д. Для всех моносахаридов характерно окончание” оза,” например глюкоза - альдогексоза, рибоза - альдопентоза, фруктоза - кетогексоза и т. д. Таким образом, моносахариды классифицируют сразу по двум признакам: по природе карбонильной группы и по числу углеродных атомов в молекуле. По номенклатуре ИЮПАК любую альдогексозу можно назвать как 2,3,4,5,6 - пентагидроксигексаналь, однако в химии углеводов используются исключительно тривиальные названия.

Стереоизомерия. В молекулах моносахаридов имеется несколько хиральных атомов, что служит причиной существования большого числа стереоизомеров, соответствующих одной и той же структурной формуле. Например в альдогексозе - четыре хиральных центра, и, следовательно, этой формуле соответствует 16 стереоизомеров

(2 ⁴), т.е. 8 пар энантиомеров. Одним из этих стереоизомеров является глюкоза. Глюкоза по распространенности далеко превосходит все остальные моносахариды. Структура и свойства глюкозы будут рассматриваться более подробно, чем свойства других моносахаридов, не только вследствие ее большего значения, но и потому, что многое из относящегося к глюкозе справедливо также и для других моносахаридов. Глюкоза представляет собой альдогексозу, это означает, что в молекуле глюкозы шесть атомов углерода и имеется альдегидная группа. Для всех моносахаридов установлены относительные конфигурации, т. е. пространственное расположение заместителей у хиральных атомов относительно конфигурации (пространственного строения) D - глицеринового альдегида. Представить себе пространственное строение моносахаридов удобнее всего, если выводить их из D - глицеринового альдегида. Он существует в виде двух стереоизомеров, энантиомеров:

Г лицериновый альдегид.

Принадлежность моносахарида к тому или иному ряду определяется по конфигурации его наиболее удаленного от альдегидной группы хирального центра. Если она совпадает с конфигурацией D-глицеринового альдегида, т.е., если гидроксил стоит справа, то моносахарид относится к D-ряду. Если же гидроксил стоит слева и конфигурация последнего хирального центра соответствует L-глицериновому альдегиду, то моносахарид относят к L-ряду. Принадлежность моноcахаридов к D - или L - ряду указывает только на то, что он может быть получен из D – или, соответственно, L-глицеринового альдегида. Направление вращения плоскополяризованного света растворами сахаров зависит от конфигурации всех хиральных центров, поэтому конфигурацию моносахаридов, т.е. принадлежность к тому или иному генетическому ряду, принято обозначать большими буквами, соответственно, D и L , а направление вращения - знаками: (+)-вправо, (-) –влево. Знак вращения ставится после буквенных обозначений. Почти все природные сахара относятся к D-ряду. Для написания формул моносахаридов с учетом их конфигурации используются проекционные формулы Фишера. Углеродная цепь в них записывается вертикально. В альдозах наверху помещается альдегидная группа, в кетозах - первичноспиртовая, расположенная рядом с кетонной. С них и начинается нумерация цепи. На рис. 3.4.1. показано происхождение альдоз от D-глицеринового альдегида.

D-глицериновый альдегид

D-(-)эритроза D-(+)-треоза

D(-)-рибоза D-(-)-арабиноза D(+)-ксилоза D-(-)-ликсоза

D (+)АллозаD(+)альтрозаD(+)глюкозаD(+)маннозаD(-)гулоза

D(-)идозаD(+)галактоза D(+)галоза

Рис.3.4.1.Семейство D - альдоз.

Все изображенные 8 D-. альдогексоз имеют одинаковую природу и последовательность связей между атомами, но отличаются конфигурацией, т.е. пространственным расположением заместителей у одного или нескольких углеродных атомов. Такие стереоизомеры называются диастереоизомерами. Частным случаем диастереомеров являются эпимеры, это диастереомеры, различаюшиеся конфигурацией только одного хирального центра (например, D-глюкоза и D -манноза являются эпимерами, так как отличаются друг от друга конфигурацией С-2). Из альдопентоз наиболее распространены в природе D-рибоза и D- 2 - дезоксирибоза, входящие в состав нуклеиновых кислот. Из кетогексоз в природе наиболее распространенным моносахаридом является D - фруктоза.

D-рибоза D-2-дезоксирибоза D-фруктоза

Циклические формы моносахаридов. Уже давно были известны свойства моносахаридов, которые не могли быть объяснены предложенными ранее для них формулами гидроксиальдегидов и гидроксикетонов. В частности, в водных растворах сахаров наблюдается мутаротация - изменение угла оптического вращения, моносахариды реагируют с аминами, но оснований Шиффа не дают, в некоторых реакциях наблюдается повышенная реакционная способность одной из гидроксильных групп и др Для объяснения этих противоречий было высказано предположение, впоследствии подтвердившееся, что моносахариды могут иметь двоякое строение: не только альдегидо- и кетоспиртов, но и внутренних циклических полуацеталей, не содержащих свободной альдегидной (кетонной) группы, но легко дающих ее при разрыве цикла:

Образование полуацеталя в общем виде

В результате дальнейших исследований оказалось, что в кристаллическом состоянии моносахариды имеют циклическое строение, а в водных растворах представлены циклическими и открытыми оксо-формами, находящимися в динамическом равновесии. Такая таутомерия называется цикло - цепная таутомерия. Поэтому в зависимости от условий они могут реагировать и как гидроксиальдегиды или гидроксикетоны, и как полуацетали. Равновесие сдвигается в сторону той формы, которая принимает участие в реакции, и, в конечном итоге, вся молекула реагирует в одной форме. Образование циклических форм обусловлено взаимодействием карбонильной группы с гидроксилом пятого (С-5) или (С-4) углеродного атома. Эти атомы из-за конфигурации углеродной цепи могут сближаться друг с другом в пространстве без возникновения углового напряжения. Такие превращения характерны не только для моносахаридов. За счет внутримолекулярного взаимодействия по механизму нуклеофильного присоединения образуется циклический полуацеталь (полукеталь). У альдогексоз в реакцию с альдегидной группой преимущественно вступает гидроксильная группа у С-5, так как при этом образуется термодинамически устойчивый шестичленный цикл. Такой цикл называется пиранозным, а образующаяся полуацетальная гидроксильная группа - гликозидной. Если в реакцию вступает гидроксильная группа у С-4, то полуацеталь содержит пятичленный цикл, называемым фуранозным. В циклической форме (по сравнению с открытой) возникает дополнительный центр хиральности при атоме углерода, содержащего ранее карбонильную группу. Новый хиральный центр называется аномерным, а соответствующие два стереоизомеры - , -  - аномерами. У α - аномера конфигурация аномерного центра совпадает с конфигурацией нижнего, ”ключевого”, хирального центра в молекуле моносахарида, а у β - аномера - противоположная. Таким образом, в проекционных формулах Фишера гликозидная гидроксильная группа у α - аномера расположена так же, как гидроксильная группа у нижнего хирального центра, а β- аномера - противоположно относительно вертикальной линии углеродной цепи.

α -D-глюкопираноза D-глюкоза β-D-глюкопираноза (циклическая форма) (открытая форма) (циклическая форма)

Перспективные формулы углеводов. На проекциях Фишера циклические формы моносахаридов выглядят необычно, поэтому их изображают с помощью перспективных формул (формулами Хеуорса), в которых циклы изображаются в виде плоских многоугольников, лежащих перпендикулярно плоскости рисунка. Атом кислорода всегда изображается в правом верхнем углу для пиранозной формы, за плоскостью цикла – для фуранозной. Углеродные атомы, как правило, не пишутся, а только нумеруются. Через них проводят вертикальные линии, на концах которых пишутся гидроксильные группы (атомы водорода опускаются) в соответствии с их пространственным расположением в молекуле.

Рис.3.4.2. пираноза фураноза

П ри этом атомы и группы, находящиеся с левой стороны проекции Фишера, пишутся над плоскостью цикла, а находящиеся справа - под плоскостью, при этом гидроксильная группа при С-1 направлена “вниз” для α- аномера, и “вверх” - для β- аномера. Для D-сахаров свободную СН₂ОН-группу альдогексозы изображают над плоскостью кольца:

 -D-глюкопираноза  - D-глюкопираноза.

Однако фуранозная форма также широко встречается среди моносахаридов. Пиранозная форма является предпочтительной для альдогексоз, в то время альдопентозы образуют циклические полуацетали как в фуранозной, так и пиранозной форме. Подобно альдопентозам 2-кетогексозы могут существовать в фуранозной форме. Наиболее ярким примером является D-фруктоза:

α-D-фруктофураноза β - D-фруктофураноза.

Конформация моносахаридов. Формулы Хеуорса предполагают плоское строение кольца. Это приблизительно верно для фураноз. Рентгеноструктурные исследования сахаров показали, что пиранозы существуют в кресловидной конформации (аналогично конформации “кресла” для циклогексана), причем такой, в которой максимально возможное число объемистых заместителей расположено экваториально. β-D-глюкопираноза является наиболее распространенным моносахаридом и основной единицей большинства полисахаридов. Это безусловно связано с тем, что у этого аномера все заместители находятся в экваториальном положении.

Р ис.3.4.3. β-D-глюкопираноза в форме кресла.

Мутаротация.  - Глюкоза образует кристаллы с углом удельного вращения, равным +112⁰. Известна и другая глюкоза с углом удельного вращения +19⁰(β- аномер). При растворении в воде происходит изменение угла оптического вращения обеих форм, пока оно не достигнет величины +53⁰. Этот процесс называется мутаротацией.. Мутаротация вызвана тем, что в растворе моносахариды способны к таутомерии, т.е. к существованию в равновесии смеси открытой и циклических форм. В водных растворах устанавливается равновесие между циклическими таутомерами моносахаридов, различающихся размером цикла (фуранозный, пиранозный), конфигурацией аномерного атома (α и β-формы) и свободной карбонильной формой. Например в водном растворе глюкозы устанавливается равновесие между 5 таутомерами: -,- аномерами пиранозных и фуранозных циклических форм и открытой оксо-формой:

D- глюкофураноза глюкоза D-глюкопираноза

(α- и β- аномеры) ( открытая форма) (α- и β-аномеры)

Все сахара, содержащие полуацетальный (полукетальный) гидроксил, претерпевают в растворе мутаротацию с установлением равновесия между аномерными циклическими формами, взаимопревращение которых происходит через образование промежуточного альдегида или кетона.

Свойства моносахаридов.

Физические свойства моносахаридов. Кристаллические вещества, хорошо растворимы в воде, многие обладают сладким вкусом, оптически активны.

Химические свойства моносахаридов. Моносахариды, как уже было сказано, являются полигидроксильными карбонильными соединениями и проявляют свойства, характерные для этих функциональных групп.

С войства моносахаридов как многоатомных спиртов.* В дальнейшем при написании формулы моносахаридов, когда идет речь о смеси аномеров, положение гликозидного гидроксила указывается волнистой чертой, а написание атомов водорода в цикле опускается, например:

D-глюкопираноза

Н екоторые реакции моносахаридов по гидроксильным группам: это реакции алкилирования, ацилирования, фосфорилирования

ацилирование

Алкилирование фосфорилирование

Реакция с гидроксидом меди. Эта реакция подтверждает то, что моносахариды являются многоатомными спиртами. При действии гидроксида меди в щелочной среде на моносахарид появляется характерное синее окрашивание.

Э та реакция является качественной на диольный фрагмент:

С войства моносахаридов как карбонильных соединений. Моносахариды дают почти все реакции, характерные для карбонильной группы. Так, при действии цианистого водорода образуются две диастереоизомерные формы циангидринов, а при восстановлении получаются многоатомные спирты:

Циангидрин D-глюкозы

D -глюкоза D- сорбит

Окисление моносахаридов. В зависимости от условий окисления моносахаридов образуются различные продукты. Моносахариды способны восстанавливать в щелочной среде катионы металлов (Cu ⁺² и Ag⁺). Так, альдозы восстанавливают аммиачный раствор гидроксида серебра:

R -CH=O + Ag(NH₃)₂ OH ⁺ Ag + продукты окисления

альдоза

Моноcахариды восстанавливают при нагревании двухвалентную медь до одновалентной, что приводит к осаждению оксида меди(1) Cu₂O (красно-коричневый цвет):

R-CН=O + Cu ⁺² Сu₂O + продукты окисления Альдоза(красно-коричневый цвет)

Кетозы также способны восстанавливать катионы металлов за счет того, что в щелочной среде возможна изомеризация кетозы в альдозу:

Кетоза ендиол альдоза

Кето-енольная таутомерия сахаров в основной среде (эпимеризация).

Эти реакции используются как качественные реакции на моносахариды. При действии мягких окислителей (бромная вода) в молекуле сахара окисляется альдегидная группа до карбоксильной, при этом получаются гликоновые ( альдоновые ) кислоты, а при действии более сильных окислителей (разб.азотная кислота) кроме альдегидной группы окисляется первичная спиртовая группа и образуются дикарбоновые кислоты, называемые гликаровыми или сахарными кислотами:

гликоновая кислота

альдоза гликаровая кислота

Есть еще очень важный с биохимический точки зрения продукт окисления моносахаридов - это уроновые кислоты, получаемые при окислении первичной спиртовой группы с сохранением альдегидной группы:

D-глюкуроновая кислота.

Уроновые кислоты играют большую роль в метаболических процессах. Так, с помощью их происходит выведение токсических веществ из организма. Уроновые кислоты легко декарбоксилируются, при этом из гексоз получаются пентозы. Предполагают, что таким образом осуществляется генетическая связь между гексозами, являющимися продуктами фотосинтеза, и пентозами, входящими в состав нуклеиновых кислот.

Гликозиды. Моносахариды существуют в виде циклических полуацеталей (полукеталей), полуацетальный гидроксил называется гликозидным гидроксилом. При проведении реакции по гликозидному гидроксилу получаются гликозиды, последние классифицируются на O-гликозиды при реакции с гидроксилсодержащими соединениями, на N-гликозиды - при реакции с аминами. При реакции моносахаридов со спиртом в кислой среде образуются О-гликозиды. О-гликозиды- это полные ацетали, которые образуются в кислых условиях:

D-глюкопираноза метил-α-D-глюкопиранозид- метил-β-D-глюкопиранозид

В названии гликозида указывается сначала введенный радикал, затем конфигурация аномерного атома и название углеводного остатка с суффиксом – озид. Как все ацетали, гликозиды легко гидролизуются в кислых условиях, но устойчивы в щелочных. Для гидролитического расщепления гликозидов широко используется ферментативный гидролиз. В силу своей специфичности фермент α-глюкозидаза расщепляет только α-глюкозидную связь, β-глюкозидаза – только β-глюкозидную связь. Ферментативный гидролиз используется для установления конфигурации аномерного атома углерода, ферментативное расщепление полисахаридов происходит в организме. При реакции моносахаридов с аминами образуются N-гликозиды. К N-гликозидам относятся нуклеозиды, образованные нуклеиновым основанием и рибозой( или дезоксирибозой).

Дисахариды. Дисахариды - это продукты конденсации двух моносахаридов, связанных между собой гликозидной связью. Дисахариды – это О - гликозиды или полные ацетали. Дисахариды состоят из двух остатков моносахаридов одинаковой или разной природы. Дисахариды классифицируются на восстанавливающие и невосстанавливающие дисахариды.

Восстанавливающие дисахариды. В востанавливающих дисахаридах гликозидная связь образуется за счет спиртового гидроксила в положении С-4 (реже - С-6) другого моносахарида. Примером таких дисахаридов являются мальтоза и лактоза:

м альтоза лактоза-

4О-( α-D-глюкопиранозил- 4-О-(β-D-галактопиранозил)-

глюкопираноза) глюкопираноза

У таких дисахаридов сохраняется гликозидный гидроксил, следовательно, такие дисахариды проявляют восстанавливающие свойства, связанные с возможностью раскрытия цикла, и мутаротацию свежеприготовленных растворов сахаров. Представителем невосстанавливающего дисахарида является сахароза, в молекуле которой два остатка сахара связаны полуацетальными гидроксилами. По этой причине сахароза не обладает восстанавливающими свойствами, ее растворы не мутаротируют.

С ахароза.(β-D-фруктофуранозил-α-D-глюкопиранозид.)

Полисахариды. Полисахариды - продукты поликонденсации моносахаридов (от нескольких десятков до сотен тысяч молекул). По химической природе полисахариды - это полигликозиды (полуацетали). Наиболее распространенными полисахаридами являются крахмал, целлюлоза, гликоген (животный крахмал). При образовании полимерной молекулы гликозидный гидроксил одной молекулы взаимодействует со спиртовым гидроксилом другой молекулы чаще всего в положении 4, реже с 6 и редко с 3 -им другой молекулы).

Крахмал, гликоген. Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов: амилозы и амилопектина. В амилозе остатки D - глюкозы связаны между собой  - гликозидной связью в положении 1 одной молекулы (гликозидный гидроксил) и в положении 4 (спиртовой гидроксил) - другой молекулы. Цепь амилозы неразветвленная, включает до 1000 остатков глюкозы. Пространственное строение амилозы таково, что она образует комплексы, называемые соединениями включения. Такой комплекс образуется с иодом, обусловливая синюю окраску. Эта реакция используется в аналитических целях как для открытия иода, так и крахмала (иодкрахмальная реакция). Амилопектин близок по строению к амилозе, но имеет более разветвленную структуру за счет образования -гликозидной связи с спиртовым гидроксилом другой молекулы глюкозы в положении 6. Молекулярная масса амилопектина достигает 1-6 млн.

А милоза Амилопектин

Близок по строению к амилопектину гликоген, который содержит еще более разветвленную структуру. Условно можно принять, что разветвленность структуры гликогена вдвое больше, чем у амилопектина. Такая разветвленность способствует выполнению гликогеном функции источника энергии из-за наличия большого числа концевых групп, что обеспечивает быстрое отщепление нужного количества молекул глюкозы.

Клетчатка, целлюлоза. Целлюлоза представляет собой полисахарид, состоящий из остатков - D-глюкопиранозы. Остатки моносахаридов связаны между собой 1 - 4 - гликозидной связью. Поэтому молекула целлюлозы имеет линейное строение, чему способствует образование водородных связей между гидроксилами глюкозы. Этим объясняется необыкновенная механическая прочность целлюлозы, являющаяся основой древесины.

Целлюлоза, фрагмент молекулы

С биологической точки зрения особое значение имеют N-гликозиды, в которых остаток сахара, представлящий собой D-рибозу или D-2-дезоксирибозу, связан связью С-N с производным азотистого основания пуринового или пиримидинового ряда. Такие гликозиды более известны под названием рибонуклеозидов или дезоксирибонуклеозидов.