Галактаны Классификация галактанов

Галактаны – сложные гетерополисахариды, представляют собой уникальный класс природных полисахаридов. Распространены в растениях (красные морские водоросли, семена люпина, кожура цитрусовых и др.), найдены также в животных и микроорганизмах. Классификация галактанов приведена на рис.1.

Рис.1. Классификация галактанов.

Общие представления о строении галактанов

В основе молекул большинства галактанов лежит углеводная цепь, построенная из чередующихся остатков -D-галактопиранозы и -галактопиранозы, связанных -(1 → 3)- и -(1 → 4)-гликозидными связями. Остатки -галактопиранозы могут частично или полностью находиться в форме 3,6-ангидропроизводного и принадлежать либо к L-ряду (в полисахаридах группы агара), либо к D-ряду (в полисахаридах группы каррагинана). Таким образом, в основе молекул галактанов лежат четыре типа дисахаридных повторяющихся звеньев (рис.2).

Рис.2. Повторяющиеся дисахаридные звенья четырех базовых структур галактанов.

Гидроксильные группы линейных цепей галактанов могут быть замещены на разнообразные заместители. Для полисахаридов группы агара наиболее характерно наличие О-метильных и сульфатных групп, единичных остатков моносахаридов, таких как 4-О-метил--L-галактопираноза или -D-ксилопираноза, и ацеталей пировиноградной кислоты в положении С₄ и С₆ остатков -D-галактозы (рис.3).

Рис.3. Структурные особенности полисахаридов группы агара.

При этом только в сравнительно редких случаях молекула галактана представляет собой строго регулярный полимер, построенный из одинаковых повторяющихся звеньев (примером является агароза). Гораздо чаще в составе галактана можно обнаружить несколько повторяющихся звеньев, различающихся наличием или отсутствием 3,6-ангидрогалактозы и природой заместителей, как в случае порфирана (рис.3).

В полисахаридах группы каррагинана главными заместителями являются сульфатные группы, и отдельные представители этих полисахаридов, обладающие регулярной структурой и различающиеся числом и расположением сульфатных групп в повторяющихся звеньях, принято обозначать буквами греческого алфавита (рис.4).

Рис.4. Повторяющиеся звенья некоторых распространенных каррагинанов.

Химические методы структурного анализа галактанов

Классическая последовательность операций при установлении строения галактанов состоит в выделении полисахарида из исходного сырья, расщеплении его на моно- и олигомеры, идентификации и количественном определении продуктов расщепления и использовании полученных данных для воссоздания структуры исходного полимера (рис.5 a, b, c). Процедура выделения индивидуальных полисахаридов довольно трудоемкая и весьма нестандартная, поскольку свойства выделяемого вещества определяются его строением, которое в момент выделения может быть неизвестно и его еще только предстоит установить. Химические методы структурного анализа также требуют больших затрат труда и времени. Тем не менее, именно таким путем было установлено строение первых представителей рассматриваемого класса полисахаридов. По сравнению с другими природными полисахаридами использование химических методов в галактанах имеет ряд особенностей, связанных с наличием 3,6-ангидрогалактозы и сульфатных групп.

Рис.5. Последовательность операций при установлении строения галактана.

Важный компонент галактанов, 3,6-ангидрогалактоза, – это единственная 3,6-ангидрогексоза, найденная в природе (она не встречается нигде, кроме красных водорослей). Этот моносахарид отличается большой склонностью к деградации в кислой среде, так что в условиях кислотного гидролиза гликозидных связей, применяемого для определения моносахаридного состава полисахаридов, 3,6-ангидрогалактоза разрушается полностью. Такая легкая деструкция позволяет избирательно определять 3,6-ангидрогалактозу в присутствии других сахаров по цветной реакции с резорцином. Необходимо иметь в виду, что одновременно в эту реакцию вступает и 2-О-метил-3,6-ангидрогалактоза, остатки которой часто присутствуют в агароподобных полисахаридах. Естественно, колориметрическая методика не дает информации об абсолютной конфигурации ангидросахара.

Необходимость определять абсолютную конфигурацию 3,6-ангидрогалактозы заставила разработать несколько новых приемов химического расщепления галактанов, при которых удавалось избежать разрушения этого моносахарида и выделять соответствующие защищенные производные 3,6-ангидрогалактозы в препаративных количествах. К таким приемам относятся кислотный меркаптолиз, кислотный метанолиз и окислительный гидролиз (рис.6). Они в свое время сыграли важную роль при изучении как агаров, так и каррагинанов, но сейчас заменены более удобным в практическом отношении восстановительным гидролизом (рис.5 е).

Этот последний вариант расщепления галактанов удалось разработать после того, как был найден достаточно эффективный и относительно устойчивый в кислой среде восстановитель – 4-метил-морфолин-боран. Несмотря на то, что 4-метил-морфолин-боран разрушается при нагревании с кислотой, гидролиз в его среде гликозидных связей остатков 3,6-ангидрогалактозы происходит быстрее, и освобождающиеся альдегидные группы успевают восстановиться, давая вполне устойчивый к кислотам 3,6-ангидродульцит. Остатки 2-О-метил-3,6-ангидрогалактозы превращаются в этих условиях в остатки 2-О-метил-3,6-ангидродульцита.

Рис.6. Различные варианты расщепления каппа-каррагинана, предохраняющие остатки 3,6-ангидрогалактозы от кислотной деградации.

Гидролиз прочих гликозидных связей происходит много медленнее и приводит к образованию альдоз, которые можно либо дополнительно восстановить (для анализа методом ГЖХ в виде ацетатов полиолов), действуя на гидролизат новой порцией 4-метилморфолин-борана или более привычным боргидридом натрия, а можно превратить в ацетаты альдононитрилов и также проанализировать методом ГЖХ. В обоих случаях 3,6-ангидродульцит и 2-О-метил-3,6-ангидродульцит превращаются в ацетаты, которые в условиях ГЖХ легко отделяются друг от друга и от производных других сахаров. Таким образом, восстановительный гидролиз позволяет в одной пробе и одним методом количественно определить полный моносахаридный состав образца полисахарида (рис.7).

Рис.7. Полный восстановительный гидролиз агароподобного полисахарида.

Гликозидные связи остатков 3,6-ангидрогалактозы расщепляются в кислой среде на 2-3 порядка быстрее галактозидных связей, и это явление удобно использовать для частичного расщепления молекул галактанов. В частности, кислотный метанолиз, приводящий к диметилацеталям диастереомерных дисахаридов (агаробиозы – из агаров или каррабиозы – из каррагинанов, рис.6), применялся как для определения абсолютной конфигурации остатков 3,6-ангидрогалактозы, так и для оценки распределения остатков 3,6-ангидрогалактозы вдоль цепи галактана (по выходу дисахарида) в тех случаях, когда моносахаридные остатки -галактопиранозы лишь частично представлены 3,6-ангидрогалактозой. После введения в практику 4-метил-морфолин-борана было показано, что для частичного расщепления галактанов, содержащих остатки 3,6-ангидрогалактозы, удобнее всего использовать восстановительное расщепление. При этом могут образоваться диастереомерные восстановленные дисахариды – агаробиит или каррабиит (рис.8). Ацетаты этих дисахаридов хорошо разделяются методом ГЖХ, что позволяет определять абсолютную конфигурацию 3,6-ангидрогалактозы, а следовательно, относить неизвестный полисахарид к группе агара или каррагинана, на хроматографическом уровне с минимальными затратами времени и вещества.

Рис.8. Частичный восстановительный гидролиз агаров и каррагинанов.

При невысоком содержании 3,6-ангидрогалактозы в полисахариде результатом частичного восстановительного гидролиза будут высшие олигосахариды, содержащие остаток 3,6-ангидродульцита на восстановленном конце. В мягких условиях частичного гидролиза в таких олигосахаридах удается сохранить сульфатные группы и ответвления от главной цепи. Этим способом удалось, например, выделить сульфатированный пентасахаридный фрагмент агарановой цепи с боковым остатком ксилозы и впервые непосредственно определить положение этого ответвления.

Частичный восстановительный гидролиз полезен и при изучении галактанов методом метилирования, поскольку позволяет получать восстановленные и частично метилированные дисахаридные фрагменты. В этом случае также удается разделять методом ГЖХ диастереомеры, различающиеся только абсолютной конфигурацией остатка 3,6-ангидродульцита.

Помимо 3,6-ангидрогалактозы, не менее важным структурным элементом галактанов, определяющим их свойства и химическое поведение, являются сульфатные группы. Эти группы отщепляются в кислой среде со скоростями, сравнимыми со скоростью гидролиза галактозидных связей, так что при полном кислотном гидролизе полисахарида происходит и полное десульфатирование. В щелочной среде, включая условия метилирования полисахаридов, сульфатные группы обычно устойчивы, за одним исключением: сульфогруппа в положении С₆ остатка галактозы, связанного -(1 → 4)-гликозидными связями, легко претерпевает внутримолекулярное замещение свободным гидроксилом при С₃ с образованием 3,6-ангидрогалактозы. Считается, что именно такая последовательность реакций (ферментативное сульфатирование по С₆ с последующим ферментативным элиминированием серной кислоты, приводящим к образованию 3,6-ангидроцикла) лежит в основе биосинтеза остатков 3,6-ангидрогалактозы в составе галактанов красных водорослей, а в промышленности щелочная обработка водорослей часто применяется для увеличения содержания 3,6-ангидрогалактозы (т.е. для улучшения гелеобразующих свойств выделяемых полисахаридов). В структурном анализе обычным приемом для локализации устойчивых к щелочи сульфатных групп служит сравнение результатов метилирования нативного полисахарида и его десульфатированного производного, однако для этого нужны эффективные методы десульфатирования.

Варианты кислотной обработки (чаще всего кислотный метанолиз) иногда удается использовать для полисахаридов, не содержащих 3,6-ангидрогалактозы, но в общем случае такая обработка приводит к слишком сильной деградации полимера. Более мягким способом является так называемое сольволитическое десульфатирование, при котором прямое действие кислоты на полисахарид исключено: сульфатированный галактан, обычно в виде пиридиниевой соли, нагревают в растворителе, способном образовать комплекс с серным ангидридом, чаще всего в диметилсульфоксиде. Недавно предложена важная модификация этого метода, согласно которой в реакционную смесь дополнительно вводят реагент (например, As₂O₃), образующий прочные комплексы с серным ангидридом.

В остальном, для структурного анализа галактанов используют весь арсенал химических методов установления строения, применяемый при изучении других классов природных полисахаридов.