Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии

о-D -Фруктопираиоза

Кольчато-цепная таутомерия моносахаридов является причиной любопыт­

ного свойства простых углеводов. В кристаллическом состоянии моносахари­ ды находятся только в циклической форме. В зависимости от условий кристал­

лизуется либо а-, либо ~-форма. Так, при кристаллизации из воды глюкоза

получается в а-форме, а из пиридина-в ~-форме. После растворения a-D- глюкозы в воде вначале наблюдается характерное для нее значение удельного

вращения, равное + 112,2°. Однако при стоянии раствора эта величина посте­

пенно снижается и наконец достигает устойчивого значения +52,5°. Аналогич­ но этому исходное удельное вращение раствора ~-D-глюкозы (+ 17,5°) при

стоянии также изменяется, повышаясь до +52,5°. Так как в течение некоторого

времени после растворения кристаллических препаратов глюкозы в растворе

удается наблюдать много значений удельного вращения, пока не установится

его равновесное значение, это явление получило название мультиротации или

мутаротации (от лат. mu[tum-много, rоtаtiо-круговращение). Оно связано

с тем, что в растворе устанавливается равновесие между всеми возможными

кольчатыми и цепной модификациями глюкозы, каждая из которых обладает

своим удельным вращением, а их смесь-средним значением удельного вра­

щения ( + 52,5°).

Конформации углеводов крайне разнообразны. Известно, что шестичлен­ ные, алициклические соединения (циклогексап) существуют в геометрически

различных формах, которые принимает молекула, без нарушения ДЛИНЫ вален­

тных связей и углов между ними. Указанные формы назьmаются конформаци­ онными изомерами. Для моносахаридов, которым присуща в основном пира­ нозная структура, конформационная изомерия также характерна. Однако если для циклогексана известно всего две конформации-типа кресла и типа лодки:

то для моносахаридов в пиранозной форме известно 8 конформаций-2 типа

кресла и 6 типа лодки ввиду присутствия в шестичленном цикле гетеро­

атома -кислорода:

ЗlQ

Из перечисленных 8 конформаций пиранозного цикла наиболее устойчивы креслообразные. В свою очередь, из них Сl-изомер более предпочтителен, так как подавляющее число заместителей в нем ориентировано в экваториальном, совпадающем с плоскостью цикла, направлении. Именно в виде Сl-конфор­

мации существует большинство моносахаридов, например:

Естественно, что ~-aHaMep D-глюкозы преобладает в равновесной смеси над сх-анамером, так как гликозидный гидроксил в конформации Cl у первого

расположен экваториально:

н

11- о- ГJlЮКО.В

Так обстоит дело не только у анамеров глюкозы, но и у анамеров ряда

других моносахаридов.

Кольчато-цепная таутомерия моносахаридов является свойством, которое

зависит от одновременного присутствия в их молекулах СО-группы и спир­

товых радикалов. Поведение гликозидного гидроксила, возникающего при

образовании циклической формы моносахарида, своеобразно: он гораздо

активнее вступает в химические реакции, чем остальные гидроксильные

группы. Производные цикЛических моносахаридов, полученные в результате

311

замещения атома Н гликозидного гидроксила на какой-либо радикал, получи­ ли название ГJIИКозидов, а сам этот радикал именуют агJIИКOНОМ. Примером могут служить (1- И ~-метилгликозиды (см. с. 109).

В качестве агликона в природных гликозидах, отличающихся, как правило,

сильным физиологическим действием, встречаются многие, часто весьма слож­

ные радикалы. Так, например, в растениях много гликозидов со стероидными

агликонами; они являются сильными ядами и защищают растения от вирусов

и патогенов. Высоким содержанием гликозидов с разнообразными агликонами отличаются морские беспозвоночные. Многие из этих гликозидов применяют

в медицине. Сложные углеводы являются тоже типичными гликозидами.

Моносахариды дают все типичные реакции по альдегидной группе и по спиртовым радикалам. Так, по альдегидной группе для них характерны реакции окисления и восстацовления, замещения карбонильного кислорода, поликон­

денсации (осмоления) и др., по спиртовым-образование простых и сложных эфиров и другие взаимодействия, хорошо известные из курса органической химии. В биохимии же особое значение придают окислительно-восстанови­

тельным реакциям моносахаридов и реакциям образования их фосфорных

эфиров.

Так, при окислении или восстановлении, например, глюкозы. протекающем

Из фосфорных эфиров особо важное значение имеют глюкозо-l-фосфат,

глюкозо-б-фосфат, фруктозо-l,б-дифосфат, рибулозо-5-фосфат и др.:

Эти соединения принимают самое активное участие в биохимических про­ цессах, протекающих в живых объектах. Фосфорилирование (т. е. введение

в молекулу моносахарида остатка фосфорной кислоты)-это первый, подго­

товительный этап как к распаду простых углеводов, так и к биосинтезу из них более сложных углеводов. По мнению А. Е. Чичибабина (1932), фосфорилиро-

312

вание моносахаридов способствует их переходу из циклической формы в от­

крытую цепную форму.

Важнейшими представителями моноз являются рибоза, глюкоза, манноза, галактоза и фруктоза. D-Рибоза входит в состав нуклеиновых кислот в качест­ ве структурного элемента нуклеотидных остатков, где она находится в ~-o­

фуранозной форме. Кристаллическая рибоза плавится при 87° С, удельное вращение в водном растворе равно 23,7°. При восстановлении рибозы получа­

ется пятиатомный спирт-рибит, принимающий участие в построении многих

Впервые кристаллический сахар из сиропа, полученного после обработки крахмала кислотой, выделил К. Киргоф (1811); четверть века спустя Жан

Батист Андре Дюма назвал его глюкозой. В организмах она содержится в свободном состоянии или в связанной форме, являясь в последнем случае

основой таких важнейших природных соединений, как тростниковый (свекло­

вичный) сахар, крахмал, клетчатка и др. Образует кристаллы с tпл= 146° С

у сх-глюкопиранозы и 148-150° С-у ~-глюкопиранозы. При нагревании

в пиридине сх-форма (удельное вращение + 112,2°) превращается в ~-форму

(удельное вращение + 17,5°). Поэтому из водных и спиртоводных растворов

кристаллизуется сх-D-:-глюкопираноза, а из растворов в пиридине- ~-D-глюко­

пираноза. При восстановлении глюкозы образуется D-сорбит, а при окисле­ нии- D-глюконовая и далее сахарная кислота.

D-l8лaктоза входит в состав ряда сложных углеводов, в том числе молоч­

ного сахара. Кристаллизуется в виде MOHoгnдpaTa. Безводные криста,ллы

плавятся при 164° С; удельное вращение (конечное значение) +81°.

D-Манноза образует природные сложные углеводы-маннаны, часто явля­

ющиеся углеводными компонентами гликопротеинов и слизей, а также оболо­ чек растительных клеток. Маннопираноза плавится при 132° С, а ее сх- и ~

формы имеют разное значение угла вращения (+30 и -17° соответственно);

конечный угол вращения, устанавливающийся в результате мутаротации,

равен + 14,5°.

D-Фруктоза встречается как в свободном (например, в составе меда), так и в связанном (например, в составе тростникового сахара и некоторых высо­

комолекулярных природных углеводов-фруктозанов) виде. Она в 2,5 раза

слаще глюкозы и в 1,7 раза-тростникового сахара. Безводная фруктоза плавится при 102-104° С. Значение удельного угла вращения в равновесном

(после достижения постоянного значения при мутаротации) состоянии равно

-92°, благодаря чему фруктозу называют левулозой.

. В течение последнего времени накопились данные о существовании новой

группы моносахаридов, которая Н. К. Кочетковым и сотр. (1975) названа

гликолактRловыми кислотами. Моносахариды этой группы составлены из

остатков обычных моносахаридов и молочной кислоты, связанных между собой простой эфирной связью (от лат. acidum /асticum-молочная кислота, происхо­

ДИТ вторая половина названия этой новой группымоносахаридов). Важнейшим

представителем гликолактиловых кислот является мурамовая кислота:

313

н

NH

НООС- H-СНз 2

Она представлена кристаллами с tпл= 150-1550 С; удельное вращение (равно­

весное) ее растворов составляет 103-1230 в зависимости от значения рН.

N-ацетилмурамовая кислота входит в состав пептидогликанов клеточных сте­

иок бактерий; полисахаридные фрагменты -пептидогликанов атакуются лизо­

цимом- (см. с. 110-111).

Сложные углеводы. К категории сложных относят углеводы, молекулы которых распадаются при гидролизе с образованием простых углеводов. Состав

сложных углеводов выражается общей формулой Cm H 2n On , где m>n. Среди

сложных углеводов вьщеляют две группы:

1. Олигосахариды-сахароподобные сложные углеводы, характеризующи­ еся сравнительно невысокой (несколько сотен) молекулярной массой, хорошей

растворимостью в воде, легкой кристаллизацией и, как правило, сладким

вкусом. молекулыI олигосахаридов составлены из небольшого числа (от греч.

олuгос-малый, немногочисленный) остатков простых углеводов.

2. Полисахариды-высокомолекулярные сложные углеводы, образован­

ные из многих сотен остатков простых углеводов. Их молекулярная масса

составляет обычно сотни тысяч. Они не дают ясно оформленных кристаллов,

и лишь некоторые из них обладают псевдокристаллическим строением.

Полисахариды либо не растворимы в воде, либо дают растворы, напомина­ ющие по свойствам коллоидные, что можно объяснить большой молекуляр­

ной массой растворенных частиц. Для полисахаридов сладкий вкус не харак­

терен.

О лиг о с а х а р и Ды. В зависимости от количества остатков моносахари­

Дов, входящих в молекулы олигосахаридов, последние делят на дисахариды,

трисахариды и т. Д. Наибольший интерес из олигосахаридов представляет группа дисахаридов-соединений, которые широко распространены в приро­

де; многие из них имеют огромное практическое значение.

По химическому строению дисахариды являются гликозидами моносаха­ ридов, агликонами которых служат также остатки моносахаридов. Дисахари­

ДЫ, у которых остаток моносахарида, служащий агликоном, присоединяется

к ГЛИКОЗИДному радикалу основного моносахарида по месту своего гликозид­

ного гидроксила, называют гликозидо-гликозидами. Если же связь между

агликоном и основным моносахаридом осуществляется за счет спиртового

гидроксила агликона, то дисахариды называют гликозидо-глюкозами. Это

иллюстрируют формулы трегалозы и мальтозы:

н

314

Мальтоза относитсякдисахаридамтипаГJПIКозидо-гmoкоз и составлена издвух

остатков &-D-глюкопиранозы, соединенных ГJIИКозиднойсвязью в положениях 1,4 (см. с. 314). Связь такого типа называют cx-l,4-гликозИДной связью. Мальтозу

получают при гидролитическом расщеплениикрахмала с помощью специфическо­ го фермента (см. с. 329), которым о'{ень богаты прорастающие зерна ячменя. Так

как проросшие, а затем высушенные и измельченные семена ячменя называют

солодом, а английское название солода-таlt, то образуюIЦИЙСЯизкрахмала при

участии фермента солода дисахарид и получил наименование мальтозы. Мальтоза кристаллизуется из водных растворов в виде моногидрата, не

имеющего резко выраженной точки плавления. Водные растворы мальтозы

(она очень хорошо растворима в воде) мутаротируют, так как за счет коль­

чатоцепной таутомерии постепенно идет превращение исходной формы снача­

ла в полуциклическую, а затем в другие таутомеры мальтозы, содержащие

вместо сх-D-глюкопиранозы ее ~-модификацию или сх- и ~-глюкофуранозные

циклы. Равновесный угол удельного вращения мальтозы равен + 1360. Мальтоза образуется в растительных ~ животных организмах как проме­

жуточный продукт при гидролизе крахмала и может быть обнаружена в сво­

бодном виде. При гидролизе мальтоза распадается на две молекулыI глюкозы.

Целлобиоза, как и мальтоза, состоит из двух остатков D-глюкозы и от­

носится к дисахаридам типа гликозидо-rлюкоз. Строение ее молекулы отлича­

ется от строения мальтозы только тем, что гликозидная связь между остатка­

ми моносахаридов начинается от гликозидного гидроксила, находящегося в ~­ положении. Следовательно, молекула целлобиозы характеризуется наличием ~-1,4-гликозидной связи:

liеллобиоза

(р- й- глюкопираиозидо- 4- й­

глюкопираноза)

Целлобиоза отлично кристаллизуется, хорошо растворима в воде и мало

растворима в спирте, мутаротирует: [CX]D= +34,60, легко окисляется и являет­

ся хорошим восстановителем, образует характерный озазон, при гиДролизе

дает исключительно D-глюкозу.

Целлобиоза широко распространена в растительном мире; она найдена в прорастающих семенах, косточках абрикосов, пасоке деревьев. Целлобиоза

образуется при ферментативном гидролизе целлюлозы (клетчатки), составля­

ющей оболочки растительных клеток.

Лактоза является ~-D-галактопиранозидо-4-П-глюкопиранозой:

J/1lктоза

316

Она содержится в значительном количестве в молоке (5-8%) и назьmается

поэтому молочным сахаром. Однако лактоза присуща не только млекопита­

ющим (хотя ее роль в их питании бесспорна), так как она найдена, например,

в пыльцевых трубочках ряда растений. Лактоза плохо растворима в воде, может быть получена путем упаривания молочной сыворотки. Кристаллизует­

ся в виде моногидрата с tпл= 2020 с. Ввиду того что остаток глюкозы облада­ ет свободным гликозидным гидроксилом, возможна мутаротация, и лактоза, следовательно, может существовать в двух формах. Равновесная смесь ее (Х­

+52,20.

кристаллы лактозы не гигроскопичны.

П о Л ис а х а ри Ды. К полисахаридам относятся вещества, построенные из большого числа остатков моносахаридов или их производных. Если полисаха­

рид содержит остатки моносахарида одного вида, его называют гомополи­

сахаридом. В том случае, когда полисахарид составлен из моносахаридов двух

видов или более, регулярно или нерегулярно чередующихся в молекуле, его

относят к гетерополисахаридам.

К числу наиболее важных природных гомополисахаридов принадлежат

крахмал, гликоген (животный крахмал), клетчатка, декстран и хитин. Первые четыре полисахарида при гидролизе дают только D-глюкозу, последний­

высвобождает производное D-глюкозы-N-ацетил-глюкозамин. Кроме того,

известно много других гомополисахаридов. Так, полисахарид инулив при

гидролизе дает только фруктозу, маннан-маннозу, галактан-галактозу,

арабан- арабинозу и т. п. Названия этим полисахаридам даны по конечным

продуктам их расщепления.

К числу важнейших природных гетерополисахаридов относят гиалуроио­

вую и хондроитинсерную кислоты, гепарнн, капсулярные полисахариды бакте­ рий, агарозу, порфираны и каррагиианы красных водорослей, альгиновые КИС­

лоты бурых водорослей, структурные полисахариды простеЙших. Биологическое значение полисахаридов разнообразно. Многие из них (крах­

мал, гликоген, инулин и др.) являются в растительных и животных организмах

запасными питательными веществами. Некоторые полисахариды (например, хондроитинсерная кислота, капсулярные полисахариды и клетчатка) несут исключительно опорные и защитные функции. Ряд полисахаридов (маннаны, галактаны и др.) используется и как строительный, и как питательный матери­

ал. Гиалуроновая кислота, составляющая межклеточное вещество тканей жи­

вотных, наряду со структурной функцией регулирует распределе...,ние жизненно

необходимых веществ в тканях. Гепарин предотвращает свертъmание крови

ворганизме человека и животных. Во многих случаях полисахариды дают очень прочные комплексы с белками, образуя гликопротеииы, вьmолняющие

ворганизме ряд ответственных функций.

Химическое строение полисахаридов однообразно. все они являются поли­

гликозидами, в молекулах которых за счет кислородных мостиков объединя­

ются сотни, тысячи, а иногда и десятки тысяч остатков моносахаридов и их

производных. При этом непременным партнером в образовании кислородных мостиков служит гликозидный гидроксил моносахаридов, а другим партнером

оказывается один из спиртовых гидроксилов моносахарида, чаще всего в по­

ложении 4 (у линейных полисахаридов) или 4 и 6 (у разветвленных форм). Полисахариды сравнительно легко гидролизуются при кипячении с разбав­

ленными растворами кислот или при инкубации с соответствующими фермен­

тами. Щелочи не гидролизуют полисахаридов. Так, гликоген можно нагревать

в течение нескольких часов с 30%-ным раствором щелочи без какого-либо

разложения его. На этом основан метод количественного определения глико­

гена. Характерно, что в ряде случаев при ферментативном гидролизе таких

317

распространенных полисахаридов, как крахмал и клетчатка, образуются дис3.­

хариды (мальтоза и целлобиоза соответственно), тогда как при неспецифиче­ ском кислотном гидролизе образуется моносахарид (D-глюкоза).

Крахмал-один из наиболее распространенных запасных полисахаридов

растений. Он интенсивно накапливается в результате фотосинтеза и отклады­

вается в семенах, клубнях и других частях растений. Семена и клубни содержат 40-70% крахмала, другие части растений-от 4 до 25%. При кислотном

гидролизе крахмал распадается с образованием D-глюкозы, являющейся его

структурным элементом, и небольшого количества глюкозо-6-фосфата, так как все виды крахмала содержат немного (0,02-0,16%) фосфора. Установле­

но, что глюкоза в составе крахмала находится в виде сх-D-глюкопиранозы.

Природный крахмал состоит из двух различных фракций, отличающихся по своему строению и свойствам. Примерно 20% крахмала составляет амилоза (от греч. амuлон-крахмал). Остальное приходится на вторую фракцию, получи­

вшую название амилопектина (от греч. nekmoc-студнеобразныЙ). Такая терми­

нология отражает некоторые свойства этих двух видов крахмала. Амилопектин с трудом растворяется в горячей воде, причем раствор получается вязкий

(крахмальный клейстер) и при охлаждении застьmает в студневидную массу. Амилоза же хорошо· растворима в теплой воде и не образует клейстера.

Пользуясь этим обстоятельством, амилозу отделяют от амилопектина, много­

кратно извлекая ее теплой водой. С этой же целью используют способность амилозы осаждаться под действием бутилового спирта при насыщении послед­

ним горячего раствора, содержащего смесь амилозыи амилопектина. Применя­ ют и хроматографические методы. Например, после пропусканиядиспергирован­

ного крахмала через колонку с фосфатом кальция и последующего промывания фосфатным буфером амилоза элюируется, а амилопектин остается на сОрбенте.

Молекулярная масса амилозы и амилопектина различна: у не деградирова­

вших в процессе выделения препаратов амилозы она составляет от 100000 до

400000, а у амилопектина превышает, как правило, 20· 106. Эти данные

получены методом гельфильтрации через сефадекс G-200 и сефарозу 2В. При

этом картофельный крахмал, например, разделен на 9 фракций с молекуляр­

ными массами от 7 ·106 до 73 ·106. Видимо, значения молекулярных масс

рассматриваемых здесь и ниже полисахаридов зависят от примененного спо­

соба выделения. В тех случаях, когда нативность препарата не утрачена, молекулярные массы очень высоки. Соответственно коэффициент поликонден­

сации сх-D-глюкопиранозы в молекулах амилозы оценивается в несколько

сотен, а у амилопектина-в несколько десятков и даже сотен тысяч.

Различна и химическая структура амилозы и амилопектина. молекулыI первой, как правило, строго линейны. В них остатки сх-D-глюкопиранозы связаны друг с другом-исключительно сх-l,4-глюкозидными связями, т.е.

кислородные мостики возникают за счет гликозидного гидроксила l-го угле­

родного атома одной молекулы сх-D-глюкопиранозы и спиртового гидроксила

при 4-м углеродном атоме другой:

Амилоза

318

В соответствии с таким строением амилозу можно характеризовать как

Ct-l,4-глюкан. Таким образом, амилоза представляет линейный полиса­

харид, молекулы КОТОРОГО имеют нитевидную структуру (рис. 103 и 104). Остатки Ct-D-глюкопиранозы в составе амилозы имеют конформацию типа лодки. В этом случае структурная формула амилозы принимает

следующий вид:

Н

... о·· .... ·-он

н

х

Амилоза

Лодкообразная конформация Ct-D-глюкопиранозных остатков в молекуле амилозы способствует спирализации полигликозидной цепи. При этом один

виток спирали включает 6-7 остатков глюкозы. При длине каЖдОГО остатка глюкозы, равной 0,5 ИМ, возникает спираль диаметром около 1 нм (рис. 103).

Допуска~т, что молекулы амилозы, как и других линейных полисахаридов,

I

Рис. 103. Спиральная конформация молекулы амилозы (А), точки прнложения действия

а-амилазы при гидролизе (Б) и структура адсорбционного комплекса между спирализо­

. ванными участками крахмала и молекулами иода (В)

319