Слесарев. Основы Химии живого

Б-фруктозо-1 ,6 -дифосфат расщепляется с образованием дигид-

роксиацетонфосфата и D-глицеринового алъдегида-3-фосфата:

СНгО®

Расщепление межуглеродной связи С3 -С4 сопровождается внутримолекулярной дисмутацией, причем соседний с электроноакцепторной 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 D-глюкозо-! ,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 огссинитрилы, которые легко гидролизуются в гликоновые кислоты:

сн 2он

+:

но—с— СООН

R

кетозы

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 К2 О 2 О7 , окисляется не только углеродный атом альдегидной группы, но и углеродный атом первичной спиртовой группы. В результате образуется дикарбоновая кислота - глюкаровая кислота:

сн2— 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 Си20 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:

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:

аскорбиновая кислота

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.

Iэтап

1.Фосфорилирование (активация) глюкозы:

Реакция электрофильно-нуклеофильная, эндэргоническая и не­ обратимая.

584

2. Изомеризация глюкозо-6-фосфата:

он

глюкозо-6 -фосфат

Реакция внутримолекулярной дисмутации за счет углеродных атомов.

3. Фосфорилирование фруктозо-6-фосфата:

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

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

Реакция внутримолекулярной дисмутации за счет углеродных атомов.

IIэтап

5.Изомеризация (эпимеризация) дигидроксиацетонфосфата:

Реакция внутримолекулярной дисмутации за счет углеродных атомов.

6. Окисление, сопряженное с фосфорилированием:

585

^ 2 ^ C -C H -C H 20 @ + 2НАД(Н) + 2Н+ + 2Н20 @Vb0 I

^он

3-фосфоглицероилфосфат

На первой стадии этой сложной реакции происходит межмолекулярная дисмутация. Вторая стадия - реакция фосфорилиро­ вания образовавшейся карбоксильной группы. В 3-фосфоглице- роилфосфате ангидридная связь - макроэргическая.

7. Гидролиз 3-фосфоглицероилфосфата:

8-фосфоглицерат

Реакция электрофильно-нуклеофильная и экзэргоническая. 8. Изомеризация 3-фосфоглицерата:

Реакция электрофильно-нуклеофильная.

IIIэтап

9.Дегидратация 2-фосфоглицерата:

Реакция внутримолекулярной дисмутации за счет углеродных атомов с возникновением макроэргической связи.

10. Кислотный гидролиз фосфоенолпирувата в пируват:

586

Реакция внутримолекулярной дисмутации за счет углеродных атомов - необратимая и сопровождаемая превращением енола в кетон. Кроме того, эта реакция экзэргоническая, причем на каж­ дую молекулу глюкозы образуются две молекулы АТФ. Таким образом, в двух реакциях I этапа АТФ расходуется, а на III эта­ пе АТФ синтезируется вдвое больше, чем было израсходовано. В итоге гликолиза клетка получает энергетический выигрыш. Считают, что процесс гликолиза сформировался в период, когда

ватмосфере Земли не было кислорода, т. е. в полностью ана­ эробных условиях.

Дальнейшие превращения пирувата в организме зависят от условий, в которых они происходят. В анаэробных условиях в мышцах и тканях пируват под действием лактатдегидрогеназы и восстановленной формы кофермента НАД(Н), образовавшегося

вреакции гликолиза, восстанавливается в лактат (анион мо­

лочной кислоты):

Накопление молочной кислоты в клетке приводит к умень­ шению pH и, как следствие, к уменьшению активности гликолитического ансамбля ферментов. В дальнейшем молочная ки­ слота из клетки ткани выродится и кровью транспортируется в печень, где окисляется обратно в пируват.

Полученный пируват под действием пируватдегидрогеназного комплекса, включающего окисленную форму кофермента НАД+ и кофермент HSKoA, окислительно декарбоксилируется с образованием ацетилкофермента А:

Образовавшийся ацетилкофермент А поступает в митохонд­ рии и вступает в цикл Кребса, где ацетильный остаток полно­ стью окисляется в С02 и Н20 (разд. 19.4.3). При таком оконча­ нии гликолиза на каждую вступившую молекулу глюкозы об­ разуется 38 молекул АТФ, почему углеводы и рассматривают как один из основных источников энергии в клетке.

Для катаболизма моносахаридов характерны реакции фер­ ментативного разложения - брожения, обусловленного жизне­ деятельностью микроорганизмов в анаэробных и аэробных ус­ ловиях. Подобно гликолизу брожение - многостадийный про­ цесс, в результате которого образуется много промежуточных

587

продуктов, состав которых определяется видом участвующих микроорганизмов, их ферментативными системами и условия­ ми. Для основных видов брожения гексоз приведем уравнения реакций, отражающие лишь конечный результат.

Спиртовое брожение (анаэробный процесс):

СвН12Ов ферменты» 2С2Н50Н + 2С02

Маслянокислое брожение (анаэробный процесс):

СвН12Ов фе-р-е” ы» С8Н7СООН + 2С02 + 2Н20

Молочнокислое брожение (анаэробный процесс):

свн 12ов -~ М— -*• 2СН3—сн—соон

ОН

Лимоннокислое брожение (аэробный процесс):

НООС .СН2СООН

НООС ОН

Все эти виды брожения имеют большое значение в произ­ водстве различных продуктов питания.

2 2 .2 . СТРОЕНИЕ И СВОЙ СТВА ДИ САХАРИ ДОВ

Природные дисахариды построены из двух одинаковых или разных моносахаридных остатков, связанных гликозидной связью, т. е. представляют собой 0-гликозиды циклических таутомеров соответствующих моносахаридов. Простейшими природными ди­ сахаридами являются: обычный свекловичный или тростниковый сахар - сахароза; солодовый сахар - мальтоза; молочный сахар - лактоза; продукт неполного гидролиза целлюлозы - целлобиоза. Все эти дисахариды имеют брутто-формулу С12Н220ц.

Состав дисахаридов определяется по продуктам их кислот­ ного или ферментативного гидролиза:

С1 2 Н2 2 О11 + Н20 ► С6Н1206 + С6Н1206 Сахароза + Н20 —► D-глюкоза + D-фруктоза Мальтоза + Н20 —► D-глюкоза + D-глюкоза Лактоза + Н20 —► D-глюкоза + D-глюкоза

Целлобиоза + Н20 —► D-глюкоза + D-глюкоза

В зависимости от характера связывания моносахаридных остатков различают две группы дисахаридов: восстанавливаю­ щие и невосстанавливающие.

Восстанавливающие дисахариды. Моносахаридные остатки в восстанавливающих дисахаридах связаны за счет полуацеталь-

588

ного гидроксила одного моносахарида и спиртового гидроксила (чаще в положениях 4 или 6) другого моносахарида. Благодаря сохранению у второго моносахарида свободного гликозидного гидроксила такие дисахариды способны к раскрытию цикла с воссозданием открытого таутомера с альдегидной группой, за счет чего они могут быть восстановителями. Как альдозы они дают качественные реакции «серебряного зеркала» и образования красно-бурого осадка CU2 O. Восстанавливающие дисахариды со­ гласно их строению называют гликозид-гликозами, к ним отно­ сятся; мальтоза, лактоза и целлобиоза.

Моносахаридные звенья в дисахаридах могут быть связаны между собой а- или р-гликозидной связью в зависимости от кон­ фигурации аномерного атома углерода. Если дисахарид образу­ ется за счет гликозидного гидроксила в a-положении, то возни­ кает а-гликозидная связь.

Мальтоза построена из двух молекул глюкозы, одна из кото­ рых в виде пиранозного таутомера за счет а-гликозидного гидро­ ксила связана с гидроксилом у С-4 второй молекулы глюкозы. Следовательно, в мальтозе остатки двух молекул D-глюкозы свя­ заны а-(1->4)-гликозидной связью:

мальтоза (открытый таутомер)

Мальтоза полностью усваивается человеческим организмом. В отличие от мальтозы в целлобиозе, также являющейся ди­ мером глюкозы, аномерный атом углерода, участвующий в обра­

зовании гликозидной связи, имеет Р-(1->4)-гликозидную связь:

целлобиоза (открытый таутомер)

580

Целлобиоза совсем не переваривается человеком, но легко гидролизуется в желудке травоядных животных благодаря при­ сутствию у них в пищеварительном тракте микроорганизмов, способных гидролизовать р-(1-*4)-гликозидную связь.

Молоко млекопитающих содержит лактозу. В этом дисахари­ де р-гликозидный гидроксил D-лактозы связан с гидроксилом у С-4 D-глюкозы с образованием р-(1->4)-гликозидной связи:

Некоторыми людьми лактоза не усваивается из-за недостат­ ка у них фермента лактазыу т. е. из-за лактазной недостаточ­ ности. Детей, страдающих лактазной недостаточностью, нельзя вскармливать искусственными молочными смесями.

Все восстанавливающие дисахариды в растворах мутаротируют и восстанавливают реактив Толленса до Ag, а реактив Феллинга - до Си20. По аналогии с моносахаридами для этих дисахаридов характерны реакции алкилирования и ацилирова­ ния в мягких условиях по полуацетальному гидроксилу с обра­ зованием соответствующих 0-гликозидов, а также присоедине­ ния синильной кислоты по карбонильной группе.

Невосстанавливающие дисахариды. Примером невосста­ навливающих дисахаридов является сахароза. Сахароза состоит из остатков D-глюкозы (таутомер а-пираноза) и D-фруктозы (таутомер p-фураноза), которые связаны за счет полуацетальных гидроксилов этих моносахаридов. Поэтому сахарозу назы­ вают гликозид-гликозидом с а-(1-*2)-гликозидной связью:

В молекуле сахарозы отсутствуют свободные полуацетальные ОН-группы, поэтому невозможно раскрытие ее циклов, из-за чего ее растворы не мутаротируют, не проявляют восстановительной способности и не реагируют с синильной кислотой. Спиртовые группы сахарозы можно в жестких условиях алкилировать и

590