Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

В результате этой реакции белок теряет свои нативные свой­ ства, так как происходит его необратимая денатурация.

Активные электрофильные реагенты (ЕХ): 2,4-динитрофтор- бензол, фенилизотиоцианат или дансилхлорид - используются для установления первичной структуры белков или пептидов. Они в присутствии оснований реагируют по N-концевой амино­ кислоте аниона белка и способствуют ее отщеплению в виде со­ ответствующего производного Е—NH—CRH—СООН, легко иден­ тифицируемого или хроматографически, или спектрально:

EX + H2NCRHCONH—Prot—СОСГ

—► Е—NHCRHCOOH + H3N—Prot'— СОСГ

+

Оставшаяся часть белка (HgNProt'COO- ) при этом не разруша­ ется, а операции по отщеплению следующей аминокислоты можно повторять. Эти реакции лежат в основе работы автоматического анализатора первичной структуры белков. Обычно анализируемый белок вначале подвергают частичному гидролизу с получением нескольких пептидов. Полученные пептиды разделяют, очищают, и в каждом определяется последовательность аминокислот, а затем составляется первичная структура анализируемого белка.

Окислительно-восстановительные свойства. Белки относи­ тельно устойчивы к мягкому окислению, за исключением со­ держащих аминокислоту цистеин, так как тиольная группа по­ следней легко окисляется в дисульфидную группу, причем про­ цесс может носить обратимый характер:

В результате этих превращений происходит изменение кон­ формации белка и его нативных свойств. Поэтому серосодержа­ щие белки чувствительны к свободнорадикальному окислению или восстановлению, что происходит при воздействии на организм радиации или токсичных форм кислорода (разд. 9.3.9).

Тиол-дисульфидные превращения белка кератина лежат в основе химической завивки волос, так как цистеин и цистин входят в его состав. Сначала волосы обрабатывают восстанови­ телем, чтобы разрушить связи —S—S— цистина и превратить в тиольные группы цистеина. Затем волосы укладывают в локо­ ны (завивают) и обрабатывают окислителем. При этом образу­ ются дисульфидные связи цистина, которые помогают волосам сохранить их новую форму.

566

При более жестком окислении тиольная группа белков окис­ ляется в сульфогруппу практически необратимо:

Жесткое окисление белков до СО2, Н20 и аммонийных солей используется организмом для устранения ненужных белков и по­ полнения своих энергетических ресурсов (16,5 - 17,2 кДж/г).

В организме белки, содержащие остатки лизина, пролина, фе­ нилаланина и триптофана, подвергаются ферментативному гидроксилированию (монооксигеназное окисление) при участии ки­ слорода и восстановленной формы кофермента:

В результате реакции гидроксилирования усиливаются гид­ рофильные свойства белка и его способность к образованию водо­ родных связей. Это имеет место у тропоколлагена, у которого три цепи объединяются в устойчивую суперспираль за счет водород­ ных связей, в образовании которых участвуют и гидроксипролиновые остатки.

Лизинсодержащие белки способны к ферментативному окис­ лительному дезаминированию. В результате в заместителе вместо

567

Гпава 22

УГЛЕВОДЫ И ПОЛИСАХАРИДЫ

После изучения этой главы вы должны знать:

-строение, различные виды изомерии (структурную, кольчато­ цепную таутомерию, конформационную, оптическую) моносахари­ дов и их производных;

-кислотно-основные, комплексообразующие, электрофильно­ нуклеофильные и окислительно-восстановительные свойства моно­ сахаридов и их производных;

-реакции, лежащие в основе катаболизма глюкозы - гликолиза;

-особенности строения и свойств дисахаридов и полисахаридов.

Углеводы - полифункциональные соединения, широко рас­ пространенные в животном и растительном мире; они выполняют исключительную роль во многих жизненных процессах. Углево­ ды составляют 80 % от сухой массы растений и 2 % от сухой массы животных организмов. Свое название углеводы получили потому, что их состав часто выражается формулой C^I^O)^, т. е. формально они состоят из углерода и воды. Однако не все угле­ воды соответствуют этой формуле.

В растениях углеводы образуются из оксида углерода(1У) и воды в процессе фотосинтеза, осуществляемого с участием хло­ рофилла за счет солнечной энергии (разд. 9.3.7):

569

Животные организмы не способны синтезировать углеводы, а получают их с пищей растительного происхождения и исполь­ зуют в значительной степени для выработки энергии для жиз­ недеятельности путем окисления:

Сж(Н20)у + х02 — хС02 + z/H20 + энергия

Углеводы обычно подразделяют по способности к гидролизу на моносахариды, дисахариды и полисахариды. Моносахариды не гидролизуются, а ди- и полисахариды, способные к гидролизу, можно рассматривать как продукты ди- и поликонденсации мо­ носахаридов.

22.1. СТРОЕНИЕ, ИЗОМЕРИЯ И СВОЙСТВА МОНОСАХАРИДОВ

Моносахариды - твердые вещества, легко растворимые в во­ де, их растворы имеют нейтральную среду. Большинство моноса­ харидов обладает сладким вкусом. По числу углеродных атомов в молекуле моносахариды (монозы) подразделяются на тетрозы (С4), пентозы (С5), гексозы (Cg) и т. д. Окончание -оза указыва­ ет на принадлежность вещества к классу углеводов. Моносахари­ ды являются гетерофункциональными соединениями: они содер­ жат несколько гидроксильных групп и карбонильную группу, поэтому для них характерны разнообразные виды изомерии.

Структурная изомерия (изомерия характера функциональной группы) моносахаридов заключается в том, что их карбонильная группа может входить в альдегидную, кетогруппу или участво­ вать в образовании циклических таутомеров. Цепные таутомеры моносахаридов являются или полигидроксиальдегидами (аль­ дозами), или полигидроксикетонами (кетозами).

Особенности таутомерии моносахаридов будут рассмотрены после знакомства с их пространственной изомерией.

Пространственные изомеры моносахаридов, называемые диастереомерами, различаются взаимным расположением гид­

570

роксильных групп и атомов водорода в пространстве, а также физическими и химическими свойствами. Каждый диастерео­ мер имеет свое тривиальное название. Среди альдопентоз наи­ большее значение имеют диастереомеры рибоза и ксилоза:

При гидролизе дезоксирибонуклеиновой кислоты образуется 2-дезоксирибоза - производное рибозы, у которого нет гидро­ ксильной группы при 2-м углеродном атоме.

Альдогексозы в организме в основном представлены диасте­ реомерами глюкозой, маннозой, галактозой, а кетогексозы -

фруктозой:

Каждый диастереомер может существовать в виде двух опти­ ческих изомеров, называемых D- и L-энантиомерами. В отличие от природных а-аминокислот, существующих в L-форме, природ­ ные углеводы обычно существуют в D-форме.

Кольчато-цепная таутомерия. Все перечисленные природные моносахариды, являясь многоатомными спиртами, содержащими карбонильную группу, легко вступают за счет ОН-групп у С-4 или С-5 в обратимую внутримолекулярную реакцию присоединения по карбонильной группе. В результате этой реакции из нецикли­ ческого таутомера образуются термодинамически более устойчи­ вые пяти- и шестичленные циклические таутомеры данного мо­ носахарида. Пятичленные циклические таутомеры называются

фуранозами, а шестичленные - пиранозами.

Эти термины, указывающие на размер цикла, используют в названиях циклических таутомеров моносахаридов. Например, пяти- и шестичленные циклические таутомеры глюкозы называ­ ются глюкофураноза и глюкопираноза соответственно. Для на­ глядного условного изображения циклических таутомеров ис-

571

пользуют графические формулы, предложенные Хеуорсом:

Т аутом еры альдогексозы

сн2он

Нумерацию углеродных атомов в циклических таутомерах ве­ дут по часовой стрелке, сохраняя нумерацию нециклического тау­ томера. Заместители в циклических таутомерах помещают выше или ниже плоскости цикла в зависимости от их расположения в молекуле. В циклических таутомерах моносахаридов нет карбо­ нильной группы, и по своей структуре они относятся к цикличе­ ским полуацеталям. Атом углерода С-1, ранее входивший в со­ став карбонильной группы, в циклическом таутомере называют аномерным, а связанную с ним гидроксильную группу - полуацеталъной или гликозидной. В зависимости от пространственного расположения этой гидроксильной группы у циклических тауто­ меров различают два стереоизомера - а и р , называемых а- и р- аномерами (частный случай диастереомеров). У природных моно­ сахаридов в а-аномерах гликозидная гидроксильная группа рас­ положена под плоскостью цикла, а в Р-аномерах - над плоско­ стью. Таким образом, у гексоз возможны следующие таутомеры:

Теоретически у каждой пентозы или гексозы в растворе мо­ жет быть пять таутомеров, находящихся в равновесии. При этом взаимные переходы циклических таутомеров совершаются толь­ ко через нециклический таутомер. Несмотря на это, он обычно присутствует в равновесной смеси в следовых количествах. По­ ложение таутомерного равновесия зависит от природы моносаха­ рида, его агрегатного состояния и природы растворителя.

В кристаллическом состоянии моносахариды можно полу­ чить только в виде одного циклического таутомера, или а-ано- мера, или Р-аномера в зависимости от природы растворителя, который использован для кристаллизации. Так, кристалличе­ ская глюкоза, полученная перекристаллизацией из спирта, со­

572

держит только а-глюкопиранозу, а если ее перекристаллизовывать из пиридина, то образуется Р-глюкопираноза.

При растворении моносахарида в воде образуется равновес­ ная смесь различных таутомеров. У природных моносахаридов нециклический таутомер в водных растворах присутствует в следовых количествах, в основном они находятся в виде цик­ лических таутомеров, причем преобладают таутомеры-пиранозы с шестичленным кольцом, которые термодинамически более устойчивы (табл. 22.1).

Таблица 22.1

Состав равновесной смеси таутомеров природных моносахаридов в водных растворах, %

Поскольку моносахариды существуют в виде равновесной смеси нециклических и циклических таутомеров, они прояв­ ляют свойства многоатомных спиртов, альдегидов или кето­ нов и их полуацеталей. В зависимости от условий и реагента моносахарид может проявлять свойства любого таутомера, даже того, содержание которого в смеси незначительно. Это объясня­ ется возможностью пополнения количества этого таутомера по мере его расходования за счет других таутомеров, находящихся с ним в равновесии. Так, в водных растворах альдогексозы дают реакции, характерные для альдегидной группы, хотя нецикли­ ческий таутомер, содержащий альдегидную группу, в таутомер­ ной смеси присутствует в следовых количествах.

Конформационная изомерия характерна для циклических таутомеров моносахаридов. Данные рентгеноструктурных иссле­ дований кристаллических альдоз показали, что пиранозы суще­ ствуют в виде кресловидной конформации, причем такой, в ко­ торой наибольшее число объемных заместителей расположено экваториально (разд. 15.2). Для фуранозных таутомеров наибо­ лее устойчивая конформация - конверт.

Оптическая изомерия моносахаридов обусловлена наличием в их молекулах нескольких хиральных атомов углерода. Оптиче­ ские, или зеркальные, изомеры называют энантиомерами. Энан­ тиомеры имеют идентичные физические и химические свойства и характеризуются одинаковыми по значению, но противополож­

573

ными по знаку углами [а]о° вращения плоскости поляризации све­ та. Величину и знак (+ или - ) угла оптического вращения опре­ деляют только экспериментально с помощью поляриметра*. Эти показатели нельзя предсказать исходя из молекулярной структу­ ры соединения. Каждый диастереомер моносахарида, как нецик­ лический, так и циклический, имеет два энантиомера: левовра­ щающий (-) и правовращающий (+)•

В то же время энантиомеры отличают один от другого, от­ нося их к D- или L-ряду, путем сравнения расположения замес­ тителей (Н и ОН) у их предпоследнего (/г-1) углеродного атома с расположением соответствующих заместителей у D- и L- энантиомеров глицеринового альдегида, являющегося конфигу­ рационным стандартом.

Подавляющее большинство природных моносахаридов при­ надлежит к D-ряду, однако среди них имеются как лево- (-), так и правовращающие (+) соединения. Так, D-глюкоза являет­ ся правовращающим энантиомером, а D-фруктоза - левовра­ щающим энантиомером.

В большинстве случаев биологическую активность проявляет только один из энантиомеров (в случае моносахаридов D-энантио- мер). Это связано с тем, что для многих биохимических реакций геометрическое соответствие активных центров взаимодействую­ щих оптически активных молекул чрезвычайно важно, подобно

574

тому, как на правую руку можно надеть только правую перчат­ ку, но не левую. В то же время в водных растворах моносахариды обычно существуют в виде равновесной смеси таутомеров, каж­ дый из которых, являясь энантиомером, характеризуется своей величиной и знаком вращения плоскости поляризации света. Так,

таутомер a-D-глюкопираноза имеет [а]о° = +112°, а таутомер (3- D-глюкопираноза — 1-19°.

При растворении кристаллических моносахаридов в воде, из-за достаточно медленного установления таутомерного равновесия, наблюдается постепенное изменение удельного вращения от вели­ чины, характерной для кристаллического образца, до постоянной (равновесной) величины, характерной для водного раствора данно­ го моносахарида. Для водного раствора глюкозы равновесное зна­

чение [а]о° = +52,5°. Изменение угла вращения плоскости поля­ ризации света во времени при растворении углеводов называет­ ся мутаротацией. Причина мутаротации заключается в способ­ ности углеводов к существованию в растворе в виде равновесной смеси нециклического и циклических таутомеров (табл. 22.1), для

каждого из которых характерно свое значение [ос]о°.

Достаточно медленное установление таутомерного равнове­ сия объясняется тем, что в основе этого процесса лежат реак­ ции электрофильно-нуклеофильного расщепления связи С—О в группе С—О—С и присоединения по карбонильной группе, ско­ рости которых малы.

Производные моносахаридов. В молекулах производных мо­ носахаридов, встречающихся в природе, вместо одной или не­ скольких гидроксильных групп содержатся другие заместители: Н, NH2, SH и др.

Д е з о к с и с а х а р а . Моносахариды, в которых одна или не­ сколько ОН-групп заменены на Н, называются дезоксисахарами. При гидролизе дезоксирибонуклеиновых кислот получают 2-дез- оксирибозу, являющуюся производной рибозы, у которой нет гид­ роксильной группы при атоме С-2. В кристаллическом состоянии 2-дезоксирибоза существует в виде таутомеров - а- и (3-фураноз.

575