Вопрос 42. Углеводы. Общая классификация. Моносахариды. Конформации пираноз. Образование и гидролиз о- и n-гликозидов.

По способности к гидролизу углеводы делятся на простые — моносахариды и сложные — полисахариды. Моносахариды не гидролизуются с образованием более простых углеводов. Способные к гидролизу полисахариды можно рассматривать как продукты поликонденсации моносахаридов. Полисахариды являются высокомолекулярными соединениями, макромолекулы которых содержат сотни и тысячи моносахаридных остатков. Среди них выделяют группу олигосахаридов, имеющих относительно небольшую молекулярную массу и содержащих от 2 до 10 моносахаридных остатков.

Моносахариды (монозы) являются гетерофункциональными соединениями. В их молекулах одновременно содержатся карбонильная (альдегидная или кетонная) и несколько гидроксильных групп, т. е. моносахариды представляют собой полигидроксикарбонильные соединения — полигидроксиальдегиды и полигидроксикетоны. Для них характерно наличие неразветвленной углеродной цепи.

Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что из двух кресловидных конформаций пиранозного цикла в D-глюкопиранозе осуществляется та, в которой все большие по объему заместители, например первичноспиртовая и гидроксильная группы, занимают экваториальные положения. При этом полуацетальная группа у бета-аномера находится в экваториальном, у альфа-аномера в аксиальном положениях. Таким образом, у бета-аномера все заместители находятся в более выгодном экваториальном положении, в связи с чем он преобладает в смеси таутомеров D-глюкозы. Аномеры образуются не в равных количествах, а с преобладанием термодинамически более устойчивого диастереомера. Предпочтительность образования того или другого аномера во многом определяется их конформационным строением. Конформационное строение D-глюкопиранозы проливает свет на уникальность этого моносахарида. Бета-D-глюкопираноза — моносахарид с полным экваториальным расположением заместителей. Обусловленная этим высокая термодинамическая устойчивость — основная причина широкой распространенности ее в природе. У лактопиранозы ОН-группа при С-4 находится в аксиальном положении. Соотношение альфа- и бета-аномеров приблизительно такое же, как у глюкопиранозы.

Гликозиды. При взаимодействии моносахаридов с гидроксилсодержащими соединениями (спиртами, фенолами и др.) в условиях кислотного катализа образуются производные циклической формы только по гликозидной ОН-группе — циклические ацетали, называемые гликозидами. Удобным способом получения гликозидов является пропускание газообразного хлороводорода (катализатор) через раствор моносахарида в спиртах, например этаноле, метаноле и т. д. При этом соответственно получаются этил- или метилгликозиды. В названии гликозидов указываются сначала наименование введенного радикала, затем конфигурация аномерного центра и название углеводного остатка с суффиксом -озид. Как и все ацетали, гликозиды легко гидролизуются разбавленными кислотами, но проявляют устойчивость к гидролизу в слабощелочной среде. для гидролитического расщепления гликозидов широко при меняется ферментативный гидролиз, преимущество которого заключается в его специфичности. Например, фермент альфа-глюкозидаза из дрожжей расщепляет только альфа-глюкозидную связь; бета-глюкозидаза из миндаля — только бета-глюкозидную связь. На этом основании ферментативный гидролиз часто применяется в целях установления конфигурации аномерного атома углерода. Гидролиз гликозидов лежит в основе гидролитического расщепления полисахаридов, осуществляемого в организме, а также используется во многих промышленных процессах. Молекулу гликозида формально можно представить состоящей из двух частей: углеводной и агликоновой. В роли гидроксидсодержащих агликонов могут выступать и сами моносахариды. Гликозиды, образованные с ОН-содержащими агликонами, называют О-гликозидами. В свою очередь, гликозиды, образованные с NН-содержащими агликонами (например, аминами), называют N-гликозидами. К ним принадлежат нуклеозиды, имеющие важное значение в химии нуклеиновых кислот. Известны примеры S-гликозидов (тиогликозидов), например содержащийся в горчице синигрин, при гидролизе которого получают горчичное масло (действующее вещество горчичников).

Моносахариды — твердые вещества, легко растворимые в воде, плохо — в спирте и совсем нерастворимые в эфире. Водные растворы имеют нейтральную реакцию на лакмус. Большинство моносахаридов обладает сладким вкусом. В свободном виде в природе встречается преимущественно глюкоза. Она же является структурной единицей многих полисахаридов. другие моносахариды в свободном состоянии встречаются редко и в основном известны как компоненты олиго- и полисахаридов.

Моносахариды могут существовать как в открытой (оксоформе), так и циклических формах. В растворе эти изомерные формы находятся в динамическом равновесии.

Открытые формы. Моносахариды (монозы) являются гетерофункциональными соединениями. В их молекулах одновременно содержатся карбонильная (альдегидная или кетонная) и несколько гидроксильных групп, т. е. моносахариды представляют собой полигидроксикарбонильные соединения — полигидроксиальдегиды и полигидроксикетоны. Для них характерно наличие неразветвленной углеродной цепи.

Моносахариды классифицируют с учетом двух признаков:

• природы карбонильной группы;

• длины углеродной цепи.

Моносахариды, содержащие альдегидную группу, называются альдозами, кетонную группу (обычно в положении 2) — кетозами (суффикс -оза характерен для названий всех моносахаридов: глюкоза, галактоза, фруктоза). Строение альдоз и кетоз в общем виде можно представить следующим образом.

В зависимости от длины углеродной цепи (3—10 атомов) моносахариды делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы и т. д. Наиболее распространены пентозы и гексозы.

Гликозиды. При взаимодействии моносахаридов с гидроксилсодержащими соединениями (спиртами, фенолами и др.) в условиях кислотного катализа образуются производные циклической формы только по гликозидной ОН-группе — циклические ацетали, называемые гликозидами. В зависимости от размера оксидного цикла гликозиды делятся на пиранозиды и фуранозиды. Ацетали глюкозы называют глюкозидами, рибозы - рибозидами, фруктозы - фруктозидами и т. п. (суффикс -оза заменяется на -озид).

Растворы гликозидов не мутаротируют. Удобным способом получения гликозидов является пропускание газообразного хлороводорода (катализатор) через раствор моносахарида в спиртах, например этаноле, метаноле и т. д. При этом соответственно получаются этил- или метилгликозиды. В названии гликозидов указываются сначала наименование введенного радикала, затем конфигурация аномерного центра и название углеводного остатка с суффиксом -озид.

Как и все ацетали, гликозиды легко гидролизуются разбавленными кислотами, но проявляют устойчивость к гидролизу в среде.

Более напряженные пятичленные гетероциклы фуранозидов расщепляются гидролитическим путем быстрее пиранозидов. Гидролиз гликозидов в кислой среде приводит к соответствующим спиртам и моносахаридам и представляет собой реакцию, обратную их образованию.

Для гидролитического расщепления гликозидов широко при меняется ферментативный гидролиз, преимущество которого заключается в его специфичности. Например, фермент альфа-глюкозидаза из дрожжей расщепляет только альфа-глюкозидную связь; бета-глюкозидаза из миндаля — только бета-глюкозидную связь. На этом основании ферментативный гидролиз часто применяется в целях установления конфигурации аномерного атома углерода. Гидролиз гликозидов лежит в основе гидролитического расщепления полисахаридов, осуществляемого в организме, а также используется во многих промышленных процессах. Молекулу гликозида формально можно представить состоящей из двух частей: углеводной и агликоновой. В роли гидроксидсодержащих агликонов могут выступать и сами моносахариды, Гликозиды, образованные с ОН-содержащими агликонами, называют О-гликозидами. В свою очередь, гликозиды, образованные с NН-содержащими агликонами (например, аминами), называют N-гликозидами. К ним принадлежат нуклеозиды, имеющие важное значение в химии нуклеиновых кислот.

Вопрос 43. Окисление и восстановление моносахаридов: образование гликоновых, гликаровых, гликуроновых кислот; получение ксилита, сорбита и маннита. Значение продуктов восстановления в медицине. Аминосахара как 2-аминоаналоги Д-глюкопиранозы и Д-маннопиранозы; реакции их ацилирования.

Восстановление. При восстановлении моносахаридов (их альдегидной или кетонной групп) образуются многоатомные спирты (полиолы) называемые альдитами. Эти кристаллические легко растворимые в воде вещества обладают сладким вкусом и часто используются как заменители сахара при сахарном диабете (ксилит, сорбит).

Восстановление моносахаридов проводят водородом в присутствии металлических катализаторов (палладий, никель). Шестиатомные спирты — глюцит (сорбит), дульцит и маннит — получаются при восстановлении соответственно глюкозы, галактозы и маннозы. Восстановление глюкозы в сорбит является одной из стадий промышленного синтеза аскорбиновой кислоты.

При восстановлении альдоз получается лишь один полиол, кетоз — смесь двух полиолов, например, при восстановлении фруктозы

борогидридом натрия NaВН4 образуются глюцит (сорбит) и маннит.

Окисление. Реакции окисления используют в структурных исследованиях и биохимических анализах для обнаружения моносахаридов, в частности глюкозы, в биологических жидкостях (моча, кровь). В зависимости от условий окисления образуются различные продукты. Окисление в щелочной среде. Альдозы в связи с наличием альдегидной группы способны восстанавливать в щелочкой среде катионы металлов (серебра, меди). Такие реакции возможны за счет таутомерного перехода в альдегидную форму, например реакция серебряного зеркала с реактивом Толленса. Кетозы тоже способны восстанавливать катионы металлов, так как они в щелочной среде изомеризуются в альдозы. Моносахариды в щелочной среде неустойчивы, поэтому при их

окислении получается смесь продуктов.

Моносахариды окисляются реактивом Бенедикта и реактивом Фелинга (фелингова жидкость), содержащими катионы меди(II). Различие между этими реактивами в том, что в фелинговой жидкости для стабилизации катионов меди(II) используют раствор калиево-натриевой соли винной кислоты (тартрат-ионы), а в реактиве Бенедикта — соли лимонной кислоты (цитрат-ноны). Принцип действия реактивов одинаков и основан на восстановлении двухвалентной меди в одновалентную с осаждением оксида меди(I) Сu2О (краснокирпичный цвет).

Реактивы Толленса, Бенедикта или Фелинга используются как качественные тесты для обнаружения альдоз и кетоз. Моносахариды и их производные (как и любые углеводы, вообще), вступающие в реакции с этими реактивами называют восстанавливающие. Гликозиды не проявляют восстановительной способности и не дают положительной пробы с этими реактивами. Окисление в нейтральной и кислой средах. Окисление альдоз без деструкции (разрушения) углеродного скелета проводят в нейтральной или кислой среде и получают различные кислоты. С помощью сильного окислителя — разбавленной азотной кислоты — концевые группы альдоз (альдегидная и первичноспиртовая) одновременно окисляются в карбоксильные группы, образуя альдаровые кислоты (называемые также сахарными). D-Глюкоза превращается при этом в глюкаровую кислоту.

Получающаяся из галактозы галактаровая (слизевая) кислота трудно растворима в воде, что используется для обнаружения галактозы методом окисления ее азотной кислотой. Мягкими окислителями (бромная вода) можно окислить альдегидную группу в карбоксильную не затрагивая других групп. При этом получаются альдоновые кислоты.

Альдоновые кислоты, являясь гидроксикислотами, выделяются в виде гамма- или дельта-лактонов, При окислении глюкозы бромной водой с высоким выходом получается глюконовая кислота, легко отщепляющая молекулу воды с образованием лактонов. В медицине используется кальциевая соль этой кислоты (глюконат кальция)

При окислении первичноспиртовой группы без затрагивания весьма склонной к окислению альдегидной группы получаются уроновые кислоты, синтез которых представляет собой сложную задачу. Обычно окислению подвергают моносахарид с защищенной альдегидной группой, например в виде гликозида. Уроновые кислоты, как и альдоновые, легко образуют лактоны. Уроновые кислоты при нагревании их солей с металлами (никель, магний) подвергаются декарбоксилированию. При этом из гексуроновых кислот образуются пентозы. В организме за счет ферментативной реакции декарбоксилирования глюкуроновой кислоты получается ксилоза.

Вопрос 44. Дисахариды: лактоза, целлобиоза, сахароза, мальтоза. Строение, номенклатура, таутомерия. Гликозидная связь. Восстанавливающие и невосстанавливающие сахара. Гидролиз. Лактобионовая кислота и Мальтобионовая кислота.

Восстанавливающие дисахариды. В этих дисахаридах один из моносахаридных остатков участвует в образовании гликозидной связи за счет гидроксильной группы чаще всего при С-4 или С-6, реже при С-З. В дисахариде имеется свободная полуацетальная гидроксильная группа, вследствие чего сохраняется способность к раскрытию цикла. Восстановительные свойства таких дисахаридов и мутаротация их свежеприготовленных растворов обусловлены возможностью осуществления цикло-оксо-таутомерии. Представителями восстанавливающих дисахаридов являются мальтоза, целлобиоза, лактоза.

Мальтоза. Этот дисахарид называют еще солодовым сахаром. Он является основным продуктом расщепления крахмала под действием фермента амилазы, выделяемого слюнной железой. Мальтоза имеет в З раза менее сладкий вкус, чем сахароза.

В мальтозе остатки двух молекул D-глюкопиранозы связаны альфа-(1-4)-гликозидной связью. Аномерный атом углерода, участвующий в образовании этой связи, имеет конфигурацию, а аномерный атом с полуацетальной гидроксильной группой может иметь как альфа- (альфа-мальтоза) так и бета-конфигурацию (бета-мальтоза). Молекула глюкозы, поставляющего для связи полуацетальную гидроксильную группу, рассматривается как заместитель при С-4 второй молекулы глюкозы. В названии дисахарида первая молекула приобретает суффикс -озил, а у второй сохраняется суффикс -оза. Кроме того, в полном названии указывается конфигурации обоих аномерных атомов углерода. Мальтоза восстанавливает реактив Фелинга.

Целлобиоза. Этот дисахарид получается при неполном гидролизе полисахарида целлюлозы. В целлобиозы остатки двух молекул D-глюкопиранозы связаны бета-(1-4)-гликозидной связью. Отличие целлобиозы от мальтозы состоит в том, что аномерный атом углерода, участвующий в образовании гликозидной связи, имеет бета-конфигурацию. Растворы целлобиозы мутаротируют. Конфигурацинное различие между мальтозой и целлобиозой влечет за собой и конформационное отличие: альфа-гликозидная связь в мальтозе расположена аксиально, а бета-гликозидная связь в целлобиозе — экваториально. Конформационное состояние дисахаридов служит первопричиной линейного строения целлюлозы, в состав которой входит целлобиоза, и клубкообразного строения амилозы (крахмал), построенной из мальтозных единиц.

Лактоза. Содержится в молоке (4—5%) и получается в сыроваренной промышленности из молочной сыворотки после отделения творога (отсюда ее название молочный сахар). Лактоза построена из остатков D-галактопиранозы и D-глюкопиранозы, связанных бета-(1,4)—гликозидной связью. Участвующий в образовании этой связи аномерный атом углерода D-галактопиранозы имеет бета-конфигурацию. Аномерный атом глюкопиранозного фрагмента может иметь как альфа-, так и бета-конфигурацию.

Невосстанавливающие дисахариды. К этой группе принадлежит небольшое число дисахаридов, важнейшим их которых является сахароза. Сахароза. Источником этого дисахарида служат сахарный тростник, сахарная свекла (до 28% от сухого вещества), соки растений и плодов. Сахароза построена из остатков D-глюкопиранозы и D-фруктофуранозы, связанных гликозидной связью между гидроксильными группами при аномерных атомах углерода. Поскольку в молекуле сахарозы отсутствуют свободные полуацетальные гидроксильные группы, она не обладает способностью к цикло-оксо-таутомерии. Растворы сахарозы не мутаротируют.