Слесарев. Основы Химии живого

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:

Нумерацию углеродных атомов в циклических таутомерах ве­ дут по часовой стрелке, сохраняя нумерацию нециклического таутомера. 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 - полуацетальной или гликозидной. В зависимости от пространственного расположения этой гидроксильной группы у циклических таутомеров различают два стереоизомера - а и р , называемых а- и (3- 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-глюкопираыозу, 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. Энантиомеры имеют идентичные физические и химические свойства и характеризуются одинаковыми по значению, но противополож­

573

ными по знаку углами [а]в° 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 (я-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

* [alD° “ угол, на который поворачивает плоскость поляризации света раствор оптически активного вещества с концентрацией 1 г/мл при толщине слоя 1 0 см.

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 [a]o° в +112°, а таутомер Р-

D-глюкопираноза - +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]$° - +62,6°. 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 [a]f>°.

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 р-фураноз.

575

В водных растворах 2-дезоксирибозы устанавливается таутомерное равновесие между а- и Р-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-диамиыосахара. 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 ПРОИЗВОДНЫХ

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—0 Р0 (0 Н) 2 за счет фосфатной группировки являются двухосновными кисло­ тами с рК\ * 0,6 -г- 1,6, а рК1а « 5,5 -i-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—OSO3 H 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 (р^Га(ВН+) ® 6 * 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. 2 2 .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):

сн2он сн2он сн2он

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:

С Н з О Н С Н з О С Н *

О С Н 3

2,3,4,6 -тетра-О-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 - ацетпилтетраацетилглюкозид - 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 зывается эпимеризацией.

579

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

< Ч / Н

с

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).

Ал ьд о ль но е расщепление ме жу г л е р о д но й с в я ­ зи. В организмах животных под действием фермента альдолазы

580