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

В водных растворах 2-дезоксирибозы устанавливается тау­ томерное равновесие между а- и p-фуранозами, нециклическим таутомером и а- и Р-пиранозами. Химические свойства дезоксисахаров подобны свойствам моносахаридов.

А м и н о с а х а р а (гликозамины) - моносахариды, содержа­ щие NH2~rpynnbi вместо одной или нескольких ОН-групп. В за­ висимости от положения аминогруппы различают 2-амино-, 4-амино-, 2,6-диаминосахара. В природе наиболее распространены 2-аминоглюкоза и 2-аминогалактоза. Они встречаются в живот­ ных организмах и растениях в виде N-ацетилпроизводных, яв­ ляющихся структурными компонентами гетерополисахаридов -

хитина, гепарина, гиалуроновой кислоты и других.

Для аминосахаров характерны свойства как моносахаридов, так и аминов.

22.1.1. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОНОСАХАРИДОВ И ИХ ПРОИЗВОДНЫ Х

Моносахариды, из-за склонности к кольчато-цепной тауто­ мерии, могут реагировать как любой таутомер или как сово­ купность разных таутомеров.

Кислотно-основные свойства. Моносахариды, являясь мно­ гоатомными спиртами, подобно глицерину (рКа « 14,0), в вод­ ных растворах не проявляют кислотные свойства, о чем свиде­ тельствует нейтральность среды этих растворов. В то же время в спиртовой среде при действии алкоголятов щелочных метал­ лов они образуют соли - сахараты, которые в водной среде полностью гидролизуются:

Под действием даже водных щелочей в моносахаридах доно­ ром протона может выступать также СН-группа, расположенная рядом с карбонильной группой. Поэтому в щелочной среде моно­ сахариды подвергаются изомеризации, называемой эпимеризацией и сопровождаемой внутримолекулярной окислительно-восста­ новительной дисмутацией. Эти превращения рассмотрены далее при описании окислительно-восстановительных свойств.

В отличие от самих моносахаридов, их сложные эфиры с фосфорной или серной кислотой являются сильными кислота­

576

ми. Так, монофосфаты любых моносахаридов R —0Р0(0Н )2 за счет фосфатной группировки являются двухосновными кисло­ тами с рКа1 « 0,6 ч- 1,6, а рК а1 « 5,5 4-6,5. Поэтому в любых био­ логических средах они полностью ионизованы по первой ступе­ ни, а при pH = 7 в значительной степени - по второй ступени. Моносульфаты моносахаридов R —0S 03H проявляют еще более сильные кислотные свойства (рКа < 0,4), и, следовательно, в биологических средах их сульфогруппа всегда ионизована пол­ ностью. Анионы фосфатов и сульфатов моносахаридов сосредо­ точены во внутриклеточных жидкостях, и они, в отличие от самих моносахаридов, не проходят сквозь клеточные мембраны.

Аминосахара R —NH2 за счет аминогруппы проявляют зна­ чительные основные свойства (р2Га(ВН+) « 6 т 8).

Комплексообразующие свойства. Моносахариды, подобно глицерину, в водных растворах взаимодействуют со свежеобра­ зованным гидроксидом меди с образованием сахаратов ярко­ синего цвета, которые устойчивы, так как являются хелатными комплексами катиона меди:

сахарат меди ярко-синяя окраска

+ Na2S04 + 4Н20

Эта качественная реакция используется для обнаружения моносахаридов и для демонстрации того, что моносахариды и другие углеводы - многоатомные спирты.

Склонность к комплексообразованию у фосфатов и сульфа­ тов моно- и полисахаридов резко возрастает. При этом из-за не­ высокой поляризуемости фосфатных и сульфатных групп они могут образовывать малоустойчивые комплексы с очень жестки­ ми катионами К+ и Na+ и более устойчивые комплексы с менее жесткими катионами Mg2+ и Са2+. В результате комплексообразования, с одной стороны, происходит активация биосубстратов, содержащих фосфатные и сульфатные группы, под действием перечисленных катионов металлов, а с другой стороны - такие биосубстраты могут участвовать в минерально-солевом обмене и регулировать его.

Электрофильно-нуклеофильные свойства лежат в основе уже рассмотренной кольчато-цепной таутомерии моносахаридов (разд. 22.1). Образующиеся при этом циклические полуацетали содержат у аномерного углеродного атома гликозидную гидро­ ксильную группу, проявляющую повышенную реакционную спо­ собность в реакциях с алкилирующими и ацилирующими реа­ гентами. Гликозидная связь С—О легко расщепляется, и ее аномерный углеродный атом становится активным электрофилом. Так, при взаимодействии со спиртами или фенолами в присутст-

вии безводного НС1 происходит активация электрофильного цен­ тра на аномерном углеродном атоме и образуются циклические ацетали, называемые гликозидами (в действительности образу­ ется смесь аномеров а- и Р-метилгликозидов):

С целью упрощения в формулах циклических таутомеров моносахаридов по Хеуорсу часто не изображают символы ато­ мов водорода и их связей с атомами углерода цикла. Если речь идет о смеси а- и Р-аномеров, то гликозидную связь обозначают волнистой линией. Гликозиды, в отличие от простых эфиров, легко гидролизуются в кислой водной среде. Поскольку в гликозидах нет полуацетального гидроксила, то они не способны к кольчато-цепной таутомерии и, следовательно, к мутаротации.

В гликозиде моносахарида остальные гидроксильные груп­ пы выступают как нуклеофильные центры, и их водородные атомы замещаются при действии сильных алкилирующих реа­ гентов с образованием полных простых эфиров моносахарида:

0СН3 2,3,4,6-тетра-0-метил-

а-глюкопиранозид

Вназвании полученного продукта гликозидная метильная группа специально выделена, чтобы подчеркнуть различие в химических свойствах ее и остальных четырех метоксигрупп. При действии воды, особенно в присутствии кислот, гликозид­ ная группа легко гидролизуется, а простые эфирные группы сохраняются.

При обработке глюкозы уксусной кислотой происходит аци­ лирование только ее гликозидной ОН-группы, а при обработке уксусным ангидридом получается продукт полного ацилирова-

578

ния - ацет илт ет раацет илглюкозид - полный сложный эфир глюкозы:

В живых организмах под действием аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) с участием ферментов происходит избиратель­ ное фосфорилирование только по гидроксильной группе при ато­ ме С-6 глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата:

Окислительно-восстановительные свойства. В моносахари­ дах значения степеней окисления углеродных атомов изменяют­ ся от -1 до +2, поэтому они способны к окислительно-восста­ новительным реакциям, включая внутримолекулярную дисмутацию. Окислительно-восстановительные превращения моносаха­ ридов для наглядности будем рассматривать на примере нецик­ лического таутомера.

Э п и м е р и з а ц и я м о н о с а х а р и д о в . Обработка D-глю- козы основаниями способствует ее превращению в другие гексозы - D-маннозу и D-фруктозу. Молекулы D-глюкозы и D-ман- нозы различаются конфигурацией только углеродного атома в положении 2, и поэтому они являются эпимерами.

Эпимерами называются диастереомеры, различающиеся конфигурацией только одного углеродного атома в моле­ куле. Химический процесс их взаимного превращения на­ зывает ся эпимеризацией.

В основе процесса эпимеризации находится кето-енольная тау­ томерия моносахаридов в щелочной среде, сопровождаемая внут­ римолекулярной окислительно-восстановительной дисмутацией атомов С-1 и С-2. Наличие в моносахаридах карбонильной груп­ пы увеличивает подвижность водородного атома при а-угле- родном атоме, что приводит к появлению кето-енольной таутоме­ рии у этих соединений. В данном случае в результате переноса протона от Са к кислородному атому карбонильной группы воз­ никает промежуточный ендиол, который в результате различных таутомерных превращений образует три продукта: D-глюкозу, D-маннозу и D-фруктозу. Их соотношение зависит от условий проведения процесса: применение вместо Са(ОН)2 более слабых оснований повышает содержание D-маннозы и уменьшает ко­ личество D-фруктозы, а использование сильных оснований, на­ оборот, способствует образованию D-фруктозы.

Эпимеризация в щелочной среде

\ / н

+1?

D-манноза

Ворганизме под действием фермента фосфоглюкоизомеразы

врезультате эпимеризации из глюкозо-6-фосфата образуется фрук- тозо-6-фосфат, что является II стадией катаболизма глюкозы (разд. 22.1.2).

А л ь д о л ь н о е р а с щ е п л е н и е м е ж у г л е р о д н о й с в я ­ зи. В организмах животных под действием фермента алъдолазы

580

Б-фруктозо-1 ,6 -дифосфат расщепляется с образованием дигидроксиацетонфосфата и D-глицеринового альдегида-З-фосфата:

сн2 о ©

Расщепление межуглеродной связи С3-С 4 сопровождается внутримолекулярной дисмутацией, причем соседний с электро­ ноакцепторной карбонильной группой атом С-3 выступает как окислитель, принимая электрон от атома С-4 - восстановителя. Эта реакция альдольного расщепления является III стадией ка­ таболизма глюкозы в организме (разд. 22.1.2). Интересно, что в растениях данная реакция протекает на одной из стадий фото­ синтеза, но в обратном направлении, и служит для получения Б-глюкозо-1 ,6 -дифосфата.

П р и с о е д и н е н и е ц и а н о в о д о р о д а . И альдозы, и ке­ тозы легко вступают в реакцию присоединения циановодорода, образуя оксинитрилы, которые легко гидролизуются в глико­

новые кислоты:

В данных реакциях дисмутации углеродный атом карбониль­ ной группы выступает окислителем, а углеродный атом цианово­ дорода - восстановителем. Благодаря этим реакциям моносаха­ риды способны нейтрализовать вредное действие цианидов на организм животных.

Окисление моносахаридов. Для альдоз характерны реакции окисления альдегидной и первичной спиртовой групп, при этом в зависимости от условий образуются кислоты двух типов. Так, при окислении глюкозы бромной водой окисляется альдегидная груп­ па и образуется глюконовая кислота. Кальциевая соль глюконо­ вой кислоты (глюконат кальция) применяется в фармакотерапии

581

в тех же случаях, что и хлорид кальция. При окислении глюко­ зы более сильным окислителем, например HNO3 или К2СГ2О7, окисляется не только углеродный атом альдегидной группы, но и углеродный атом первичной спиртовой группы. В результате образуется дикарбоновая кислота - глюкаровая кислота:

сн 2— сн — сн — сн —сн — с.

При действии сильных окислителей не на глюкозу, а на ее гликозид (в нем нет карбонильной группы) окисляется первич­ ная спиртовая группа, и после гидролиза гликозидной группы образуется глюкуроновая кислота:

Глюкуроновая кислота проявляет все характерные свойства моносахаридов: кольчато-цепная таутомерия, мутаротация, эпимеризация. В организме глюкуроновая кислота в форме цикли­ ческого таутомера - полуацеталя - участвует в процессе связыва­ ния и удаления ксенобиотиков, вступая в реакции нуклеофильно­ го замещения своего гликозидного гидроксила на остаток —OR или —NHR ксенобиотика.

Реакции мягкого окисления углеродного атома альдегидной группы катионами Ag+ и Си2+ лежат в основе таких качествен­ ных реакций на альдозы, как реакция серебряного зеркала (ре­ актив Толленса - аммиачный комплекс Ag+) или реакция обра­ зования С112О красно-коричневого цвета (реактив Феллинга - тартратный комплекс Си2+ или реактив Бенедикта - цитратный комплекс Си2+).

582

В эти качественные реакции, проводимые в щелочной среде (реактивы Толленса или Феллинга), вступают и кетозы, которые в присутствии ионов ОН“ вследствие эпимеризации изомеризуются в альдозы. Углеводы, вступающие в эти реакции с указанны­ ми реагентами, называются восстанавливающими. Гликозиды не дают положительной пробы с этими реагентами, так как не мо­ гут самопроизвольно образовать альдозу.

Восстановление моносахаридов. При восстановлении в мо­ носахаридах легко гидрируется их карбонильная группа, при этом образуются многоатомные спирты. Причем из альдоз по­ лучается лишь один спирт, а из кетоз ~ эквимолярная смесь спиртов-эпимеров:

л

Получающиеся в результате восстановления многоатомные спирты, например сорбит и ксилит, используются как замените­ ли сахара при сахарном диабете. Многоатомные спирты образуют сложные эфиры, которые имеют практическое применение. На­ пример, D-глюцит-гексанитрат (нитросорбит) и D-маннит-гекса- нитрат применяются как сосудорасширяющие средства.

Сильные восстановительные свойства проявляет аскорбино­ вая кислота (витамин С). Она содержится во фруктах, особенно цитрусовых, ягодах (шиповник, черная смородина), овощах и молоке. В промышленности ее получают из глюкозы. Особенно­ сти строения молекулы аскорбиновой кислоты заключаются в наличии у-лактонного кольца, содержащего ендиольный фраг­ мент, в котором два углеродных атома имеют степень окисле­ ния +1. Благодаря этим особенностям аскорбиновая кислота - довольно сильная кислота (рК1а = 4,2) и сильный восстанови-

583

тель. При ее окислении образуется дегидроаскорбиновая кисло­ та, которая в мягких условиях легко восстанавливается опять в аскорбиновую кислоту:

В организме в водной среде сопряженная восстановительно­ окислительная пара - аскорбиновая кислота и дегидроаскорбино­ вая кислота - является активным антидотом свободнорадикаль­ ных окислительно-восстановительных процессов, протекание ко­ торых усиливается при различных патологических состояниях организма (разд. 9.3.9). Именно поэтому витамин С полезен и эффективен при многих заболеваниях.

22 .1 .2 . КАТАБОЛИЗМ ГЛЮКОЗЫ - ГЛИКОЛИЗ

Большинство углеводов, используемых в пищу, под действи­ ем ферментов пищеварительного тракта гидролизуются до глю­ козы и фруктозы, которые поступают в клетки. Дальнейшие пре­ вращения моносахаридов в пировиноградную кислоту происхо­ дят в результате процесса гликолиза, включающего 10 реакций. Эти реакции протекают в цитозоле и катализируются гликолитическим ансамблем ферментов. Реакции гликолиза являются электрофильно-нуклеофильными и окислительно-восстановитель­ ными. Некоторые из них эндэргонические и идут за счет АТФ, другие - экзэргонические и сопровождаются образованием АТФ.

С учетом химической природы метаболитов в процессе гликоли­ за выделяют три основных этапа. Превращение гексоз - I этап, пре­ вращение триоз - II этап и превращение оксокарбоновых кислот - III этап. Поскольку в водных растворах нециклические таутомеры присутствуют в следовых количествах, то реакции первого этапа рассмотрены на циклических таутомерах глюкозы и фруктозы.

Iэ т а п

1.Фосфорилирование (активация) глюкозы:

глюкозо-6-фосфат

Реакция электрофильно-нуклеофильная, эндэргоническая и не обратимая.

584

2.Изомеризация глюкозо-6-фосфата:

Реакция внутримолекулярной дисмутации за счет углеродных атомов.

Реакция электрофильно-нуклеофильная, необратимая и самая медленная во всем гликолизе.

4. Альдольное расщепление фруктозо-1,6-дифосфата:

Реакция внутримолекулярной дисмутации за счет углеродных атомов.

IIэ т а п

5.Изомеризация (эпимеризация) дигидроксиацетонфосфата:

Реакция внутримолекулярной дисмутации за счет углеродных атомов.

6.Окисление, сопряженное с фосфорилированием:

глицеральдегид-3 -фосфат

585