2. Дисахариды

2.1. Строение

Дисахариды состоят из двух моносахаридных остатков, связанных гликозидной связью. Их можно рассматривать как О-гликозиды, в которых агликоном является остаток моносахарида.

Возможно два варианта образования гликозидной связи:

1) за счет гликозидного гидроксила одного моносахарида и спиртового гидроксила другого моносахарида;

2) за счет гликозидных гидроксилов обоих моносахаридов.

Дисахарид, образованный первым способом, содержит свободный гликозидный гидроксил, сохраняет способность к цикло-оксо-таутомерии и обладает восстанавливающими свойствами.

В дисахариде, образованном вторым способом, нет свободного гликозидного гидроксила. Такой дисахарид не способен к цикло-оксо-таутомерии и является невосстанавливающим.

В природе в свободном виде встречается незначительное число дисахаридов. Важнейшими из них являются мальтоза, целлобиоза, лактоза и сахароза.

Мальтоза содержится в солоде и образуется при неполном гидролизе крахмала. Молекула мальтозы состоит из двух остатков D-глюкозы в пиранозной форме. Гликозидная связь между ними образована за счет гликозидного гидроксила в a-конфигурации одного моносахарида и гидроксильной группы в положении 4 другого моносахарида.

Мальтоза – это восстанавливающий дисахарид. Она способна к таутомерии и имеет a— и  b-аномеры.

Целлобиоза – продукт неполного гидролиза целлюлозы. Молекула целлобиозы состоит из двух остатков D-глюкозы, связанных b-1,4-гликозидной связью. Целлобиоза – восстанавливающий дисахарид.

Различие между мальтозой и целлобиозой состоит в конфигурации гликозидной связи, что отражается на их конформационном строении. Гликозидная связь в мальтозе имеет аксиальное, в целлобиозе – экваториальное положение. Конформационное строение этих дисахаридов служит первопричиной линейного строения макромолекул целлюлозы и спиралеобразного строения амилозы (крахмал), структурными элементами которых они являются.

Лактоза содержится в молоке (4-5%). Молекула лактозы состоит из остатков D-галактозы и D-глюкозы, связанных b-1,4-гликозидной связью. Лактоза – восстанавливающий дисахарид.

Сахароза содержится в сахарном тростнике, сахарной свекле, соках растений и плодах. Она состоит из остатков D-глюкозы и D-фруктозы, которые связаны за счет гликозидных гидроксилов. В составе сахарозы D-глюкоза находится в пиранозной, а D-фруктоза – в фуранозной форме. Сахароза – невосстанавливающий дисахарид.

      

2.2. Химические свойства

Дисахариды вступают в большинство реакций, характерных для моносахаридов: образуют простые и сложные эфиры, гликозиды, производные по карбонильной группе. Восстанавливающие дисахариды окисляются до гликобионовых кислот. Гликозидная связь в дисахаридах расщепляется под действием водных растворов кислот и ферментов. В разбавленных растворах щелочей дисахариды устойчивы. Ферменты действуют селективно, расщепляя только a— или только b-гликозидную связь.

Последовательность реакций – окисление, метилирование, гидролиз, позволяет установить строение дисахарида.

Окисление дает возможность определить, остаток какого моносахарида находится на восстанавливающем конце. Метилирование и гидролиз дают информацию о положении гликозидной связи и размерах цикла моносахаридных звеньев. Конфигурация гликозидной связи ( a или b) может быть определена с помощью ферментативного гидролиза.    

81. Полисахариды: целлюлоза, крахмал, хитин, гиалуроновая кислота, агароза, гелирующие полисахариды для буровых растворов. Биологическая роль углеводов.

Полисахариды

Полисахариды (гомогликозиды) — это высокомолекулярные продукты конденсации более пяти моносахаридов и их производных, связанных друг с другом О-гликозидными связями, образующие линейные или разветвленные цепи. Молекулярная масса полисахаридов колеблется от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

В состав полисахаридов входят около 20 моносахаридов:

• гексозы — глюкоза, галактоза, фруктоза;

• пентозы — ксилоза, арабиноза;

• уроновые кислоты — глюкуроновая, галактуроновая, маннуроновая.

Моносахариды входят в состав полисахаридов в пиранозной или фуранозной форме. Гликозидная связь образуется за счет полуацетального гидроксила одного моносахарида и водорода одной из спиртовых групп другого моносахарида. Присоединение их идет по связям 1→4, 1→6, 1→3 в зависимости от положения спиртового гидроксила, который участвует в образовании связи. Полисахариды могут образовывать линейные или разветвленные цепи.

Гидроксильные группы могут быть метилированы, этерифицированы уксусной, азотной, серной (агар-агар) кислотами, могут замещаться металлами – Mg²⁺, Са²⁺.

Отдельные группы полисахаридов имеют тривиальные названия — крахмал, целлюлоза, слизи и т.д. По химической номенклатуре дают название по входящим в их состав моносахаридам: глюкан, галактан, галактоманнан и т.д.

Классификация полисахаридов

Полисахариды делятся на два типа:

1. гомополисахариды (гомополимеры)

   1. крахмал

   2. клетчатка

2. гетерополисахариды (гетерополимеры).

   1. инулин

   2. пектиновые вещества

   3. камеди

   4. слизи

Гомополисахариды построены из моносахаридных единиц (мономеров) одного типа, гетерополисахариды – из остатков различных моносахаридов и их производных. В медицинской практике из числа гомополисахаридов используют крахмал и клетчатку (целлюлозу); из числа гетерополисахаридов — инулин, пектиновые вещества, камеди и слизи.

Клетчатка (целлюлоза)

Целлюлоза является наиболее распространенным в природе полисахаридом, она составляет основную массу клеточных стенок растений. Молекула целлюлозы у разных растений содержит от 1400 до 10 000 остатков глюкозы, которые соединены между собой бета-1,4-гликозидными связями в линейные цепи.

Целлюлоза подвергается кислотному гидролизу и при кипячении с концентрированной кислотой серной превращается в глюкозу.

В медицине используется вата – Gossypium (волоски семян видов рода хлопчатник – Gossypium L. из сем.мальвовых – Malvaceae), более чем на 95 % состоящая из клетчатки. Вата является исходным материалом для получения коллодия и различных производных целлюлозы (метилцеллюлоза и др.), находящих широкое применение в качестве вспомогательных веществ при изготовлении разных лекарственных форм. В технике из целлюлозы производят бумагу, целлофан, сорбенты, взрывчатые вещества и др.

Крахмал – Amylum

Крахмал не является химически индивидуальным веществом. Полисахариды крахмала представлены двумя веществами — амилозой и амилопектином. Оба полисахарида являются глюканами и образованы из альфа-глюкопиранозных остатков.

Амилоза представляет собой линейный глюкан, в котором 60-300 (до 1500) остатков глюкозы связаны альфа-гликозидными связями между первым и четвертым углеродными атомами. Амилоза имеет молекулярную массу 32 000-160 000, легко растворима в воде и дает растворы со сравнительно невысокой вязкостью.

Амилопектин — разветвленный глюкан, в котором 3000-6000 (до 20 000) остатков глюкозы соединены альфа-гликозидными связями не только между первым и четвертым углеродными атомами, но также между первым и шестым. Амилопектин растворяется в воде при нагревании и дает стойкие вязкие растворы. Его молекулярная масса достигает сотен миллионов.

Крахмал образуется и запасается в пластидах в виде зерен. Форма и размер крахмальных зерен специфичны для данного вида растения. Крахмальные зерна на 96-98 % состоят из полисахаридов, которые сопровождаются минеральными веществами (кислота фосфорная) и твердыми жирными кислотами.

В медицинской практике используют:

• крахмал картофельный — Amylum Solani (Solanum tuberosum L.);

• крахмал пшеничный — Amylum Tritici (Triticum vulgare L.);

• крахмал кукурузный (маисовый) — Amylum Maydis (Zea mays L.);

• крахмал рисовый — Amylum Oryzae (Oryza sativa L.).

Применяют крахмал как наполнитель, а в хирургии – для приготовления неподвижных повязок. Он широко используется в присыпках, мазях, пастах вместе с цинка оксидом, тальком. Внутрь крахмал применяют как обволакивающее средство при желудочно-кишечных заболеваниях.

Применяются также продукты частичного гидролиза крахмала — декстрины (Dextrinum).

Картофельный и кукурузный крахмал — основные источники промышленного получения глюкозы.

Инулин

Молекула инулина построена из остатков бета-фруктофуранозы, связанных гликозидными связями между первым и вторым углеродными атомами. Молекулы инулина линейны и оканчиваются остатком альфа-глюкопиранозы.

Инулин в больших количествах содержится в подземных органах растений семейств сложноцветных (Asteraceae) и колокольчиковых (Campanulaceae), у которых он заменяет крахмал.

В медицинской практике используют инулинсодержащее сырье:

• корниодуванчика — Radices Taraxaci (Taraxacum officinale Wigg.);

• корневищаикорнидевясила — Rhizomata et radices Inulae (Inula helenium L.);

• листьямать-и-мачехи – Folia Farfarae (Tussilago farfara L.);

• корнилопуха – Radices Arctii (Arctium lappa L., A. tomentosum Mill., A. minus (Mill.)Bernh.).

Растения, содержащие инулин, используются для получения фруктозы. В настоящее время сырье, богатое инулином (корни цикория, клубни топинамбура (земляной груши)), широко используются в составе различных пищевых добавок, применяемых при заболевании диабетом.

Пектиновые вещества

Открыты в 1825 г.; название происходит от «pectos» — (греч.) — застывший, свернувшийся. Основным мономером пектиновых веществ является альфа-галактуроновая кислота. Полигалактуроновая кислота сопровождается галактаном и арабаном, которые связаны ковалентными связями с кислыми фрагментами пектинов. Карбоксильная группа каждого остатка галактуроновой кислоты может быть метоксилирована или образовывать соли с ионами Са²⁺ и Mg²⁺.

Пектиновые вещества классифицируют в зависимости от строения мономеров и степени полимеризации. Различают:

1. пектовые кислоты (простейшие представители пектиновых веществ, содержащие до 100 мономеров, карбоксильные группы не модифицированы, R = Н);

2. пектаты (соли пектовых кислот, R = Ме⁺ и Н);

3. пектиновые кислоты (пектины) (более высокомолекулярные соединения, содержащие 100-200 мономеров, карбоксильные группы частично метоксилированы, R=Н и СН₃);

4. пектинаты (соли пектиновых кислот, R = Ме⁺ и СН₃);

5. протопектины (нерастворимые в воде высокомолекулярные полимеры, в которых метоксилированная полигалактуроновая кислота связана с полисахаридами клеточной стенки).

Пектиновые вещества содержатся в больших количествах в плодах, клубнях и стеблях растений в виде нерастворимого протопектина. При созревании плодов и их хранении протопектин переходит в растворимые формы, при этом улучшаются вкусовые качества плодов. Растворимые пектины присутствуют в соках растений. Наличие пектиновых веществ необходимо учитывать при переработке лекарственного растительного сырья.

Пектиновые вещества составляют межклеточное вещество и первичные стенки молодых растительных клеток. В бурых водорослях эту роль выполняют альгиновые кислоты. Мономерами альгиновых кислот являются бета-маннуроновая и альфа-гулуроновая кислоты, связанные 1→4 гликозидными связями. Карбоксильные группы маннуроновой и гулуроновой кислот часто образуют соли с ионами Na⁺, Ca²⁺ и Mg²⁺.

В медицинской практике используют сырье:

• листьяподорожникабольшого — Folia Plantaginis majoris (Plantago major L.);

• листьяподорожникабольшогосвежие — Folia Plantaginis majoris recentia (P. major L.);

• траваподорожникаблошногосвежая — Herba Plantaginis psyllii recens (Plantago psyllium L.);

• слоевищаламинарии — Thalli Laminariae (Laminaria saccharina (L.) Lam., L. japonica Aresch.).

Использование пектиновых веществ в медицине связано с их способностью снижать гастротоксичность салицилатов; пектиновые кислоты могут использоваться в качестве носителя лекарственных веществ. Пектины оказывают противоязвенное действие и являются легким слабительным, а с различными металлами образуют комплексные соединения – хелаты, которые легко выводятся из организма. По этой причине продукты, содержащие пектины, особенно показаны людям, проживающим на радиоактивно зараженной территории.

Промышленным сырьем для получения пектинов являются свекловичный жом, яблочные выжимки, кожура плодов цитрусовых, вымолоченные корзинки подсолнечника и др. Пектиновые вещества широко используются в текстильной и пищевой промышленности, в косметике.

Альгиновая кислота является природным «ионообменником» и обладает способностью селективно адсорбировать катионы тяжелых металлов и радиоизотопов. Применение альгиновой кислоты предотвращает отложение радиоактивного стронция в организме человека и животных.

На основе солей альгиновой кислоты – альгинатов – разработаны препараты для лечения ран и ожогов, гемостатические препараты для гастроэнтерологии, которые создают на пораженном участке защитное и лечебное покрытие. Кроме того, альгинаты используются для получения перевязочных материалов с пролонгированным лечебным действием.

Камеди и слизи

Камеди (гумми) и слизи — смеси гомо- и гетерополисахаридов и полиуронидов. По химическому строению они близки между собой.

Камеди обычно образуются у растений засушливого климата в результате перерождения клеточных стенок, содержимого клеток сердцевины, сердцевинных лучей. Они выделяются в виде вязких натеков из надрезов и трещин растений при их повреждении или заболевании. Эти мягкие натеки на воздухе затвердевают.

В состав камедей входят гексозы (галактоза и манноза), пентозы (арабиноза и ксилоза), метилпентозы (рамноза и фукоза), уроновые кислоты (глюкуроновая и галактуроновая). Уроновые кислоты образуют соли с ионами К⁺, Ca²⁺, Mg²⁺.

В медицинской практике используют камедь трагакантовую, абрикосовую, сливовую, вишневую и др. Они используются при приготовлении эмульсий, таблеток и пилюль. Камеди также находят применение в пищевой, текстильной, кожевенной, лакокрасочной промышленности.

Слизи присутствуют в неповрежденных растениях и образуются в результате нормального слизистого перерождения клеточных стенок и клеточного содержимого. Накапливаются слизи в межклетниках, в клетках и специальных вместилищах. Различают слизи нейтральные (слизь салепа) и кислые (слизь алтея, льна, подорожника блошного). Кислая реакция обусловлена наличием в составе слизей уроновых кислот.

Слизи отличаются значительным преобладанием пентоз. В отличие от камедей они могут быть нейтральными, т.е. не содержать уроновых кислот.

Слизесодержащее сырье, используемое в медицинской практике:

• корниалтея — Radices Althaeae (Althaea officinalis L., A. armeniaca Ten.);

• траваалтеялекарственного — Herba Althaeae officinalis (A. officinalis L.);

• листьямать-и-мачехи — Folia Farfarae (Tussilago farfara L.);

• листьяподорожникабольшого — Folia Plantaginis majoris (Plantago major L.);

• листьяподорожникабольшогосвежие — Folia Plantaginis majoris recentia (P. major L.);

• траваподорожникаблошногосвежая — Herba Plantaginis psyllii recens (Plantago psyllium L.);

• семенаподорожникаблошного — Semina Plantaginis psyllii (P. psyllium L.);

• семенальна — Semina Lini (Linum usitatissimum L.);

цветкилипы — Flores Tiliae (Tilia cordata Mill., T. platyphyllos Scop.).

В медицине слизи используют как противовоспалительные и обволакивающие средства. Кроме того, слизи обладают радиопротекторными и иммунозащитными свойствами.

ХИТИН, высокомол. линейный полисахарид, построенный из остатков N-ацетил- -D-глюкозамина с 1 4-связями между ними (см. ф-лу). Деацетилированные (частично или полностью) полимеры, встречающиеся в природе или получаемые хим. обработкой X., носят назв. хитозанов.

X. широко распространен в природе, являясь опорным компонентом клеточной стенки большинства грибов и нек-рых водорослей, наружной оболочки членистоногих и червей, нек-рых органов моллюсков.  Аналогия в хим. строении X. и целлюлозы приводит к близости их физ.-хим. св-в, что позволяет им выполнять сходные ф-ции в живых системах. Как и молекулы целлюлозы, молекулы X. обладают большой жесткостью и выраженной склонностью к межмол. ассоциации с образованием высокоупорядоченных надмол. структур. Известно неск. типов таких кристаллич. образований (  -хитины), к-рые различаются степенью упорядоченности и взаимной ориентацией отдельных полимерных цепей. X. не раств. в воде, и его удается растворить только в присут. агентов, эффективно разрывающих водородные связи (насыщенный водный р-р LiSCN, 5-10%-ный р-р LiCl в ДМСО или N,N-диметилацетамиде).  Биосинтез хитина происходит в особых клеточных органеллах (хитосомах) с участием фермента хитинсинтетазы путем последоват. переноса остатков N-ацетил-D-глюкозамина из уридиндифосфат-N-ацетил-D-глюкозамина на растущую полимерную цепь. Хитозан, наличие к-рого особенно характерно для клеточных стенок нек-рых грибов, образуется путем ферментативного N-деацетилирования X.  В природе X. находится в комплексе с др. полисахаридами и минер.в-вами и ковалентно связан с белком. Для выделения X. пользуются его нерастворимостью и большой хим. стойкостью, переводя в р-р сопутствующие компоненты сырья. Так, панцири крабов или омаров, содержащие до 25% X., деминерализуют соляной к-той, белки раств. в горячей щелочи, отбеливание X. проводят Н₂О₂. Более мягкие условия выделения заключаются в деминерализации комплексонами и обработке окислителями при нейтральных рН. Получаемый таким способом X. имеет мол.массу порядка неск. миллионов.  X. медленно раств. в конц. НС1 и H₂SO₄ с деструкцией полимерных цепей. Для прспаративного получения хитоолигосахаридов разработаны условия частичного кислотного гидролиза, сольволиза жидким HF и ферментативного расщепления. При продолжит.нагревании с сильными минер. к-тами образуется D-глюкозамин. При нагр. с сильными щелочами происходит N-деацетилирование с образованием хитозана; практически получаемые образцы хитозанов обычно имеют мол.массу порядка (1-5) х 10⁵ и могут различаться остаточным содержанием ацетильных групп.  X. является вторым после целлюлозы по распространенности природным биополимером. Его ежегодное образование составляет неск. десятков миллиардов тонн. Наиб.доступными источниками X. служат отходы промысла морских беспозвоночных и мицелий низших грибов. Практич. использование немодифицированного X. сдерживается его плохой р-римостью. Хотя волокна и пленки из X. обладают ценными св-вами, до сих пор отсутствует экономичный и удобный с технол. точки зрения метод их получения. Более перспективен хитозан, к-рый раств. в к-тах с образованием солей, дающих высоковязкие р-ры. Хитозан дает прочные соед. с белками, анионными полисахаридами, образует хелатные комплексы с металлами и т. д., на чем основано его применение для удаления белка из сточных вод в произ-ве пищ. продуктов (мясная, рыбная, молочная пром-сть, сыроделие), создания хелатирующих ионообменников, иммобилизации живых клеток в биотехнологии, при изготовлении мед.препаратов, отделке бумаги и текстильных волокон. Нек-рые N-ацилпроизводные хитозана - хорошие гелеобразователи; при ацилировании хитозана производными дикарооновых к-т получают поперечносшитые гели, удобные для иммобилизации ферментов. Алкилирование аминогрупп хитозана можно проводить действием альдегидов или кетонов с последующим восстановлением оснований Шиффа. Получаемый по этой схеме из хитозана и глиоксиловой кислоты N-карбоксиметилхитозан обладает высоким сродством к переходным металлам за счет хелатирования.  X., подобно многим растит.полисахаридам, активирует макрофаги и способствует увеличению продукции антител В-клетками. X. и хитозан стимулируют животные клетки, участвующие в иммунологич. защите против раковых клеток и патогенов. Хитозан обладает выраженной гипохолестеринемич. и гиполипидемич. активностью. X. и хитозан ускоряют заживление ран, разл. сульфатированные производные хитозана, особенно сульфат N-карбоксиметилхитозана, обладают св-вами антикоагулянтов крови.

82. Нуклеиновые кислоты. .ДНК, РНК, нуклеотиды и нуклеозиды, нуклеиновые основания, рибоза и дезоксирибоза, первичная структура, вторичная структура, комплементарные пары нуклеиновых оснований и комплементарные цепи, двойная спираль по Уотерсу-Крику, структура side-by-side. Биологическая функция ДНК. Виды РНК и ее роль в синтезе белка, кодон, репликация, транскрипция, трансляция, митоз, мейоз.