КНОРРЕ_3227
.pdf290 |
Глава 13. Биоорганическая химия углеводов |
н-с=о
I
н о -с -н н -сI -о н
I
н о -с -н н -сI -о н
I
СН2ОН
D-идоза |
1C |
Рис. 90. Конформация 1C a-D-идозы
§ 13.2. Окисленные и восстановленные формы моносахаридов
Наряду с альдозами в природе встречаются их окисленные и восстанов ленные формы. Окисленные формы альдоз представлены производными, у которых альдегидная или концевая СН2ОН-группы превращены в карбок сильные. Первые называют алъдоновыми, а вторые - уроновыми кислотами.
Названия их обычно производят от соответствующих альдоз введением соот ветственно суффиксов «он» и «урон». Альдоновые кислоты лучше всего об разуются при окислении альдоз бромом. Уроновые кислоты получаются пу тем каталитического окисления кислородом альдоз, защищенных по 'С.
Дикарбоновые кислоты, образующиеся в результате окисления обеих групп при атомах 'С и 6С, называются сахарными кислотами, и их названия производятся от соответствующих альдоз введением суффикса «ар». Сахар ные кислоты получаются при окислении альдоз азотной кислотой. Ниже в качестве примеров приведены структурные формулы глюконовой, глюкуро-
новой и глюкаровой кислот.
Одним из типов восстановленных форм альдоз являются производные, у которых альдегидная группа восстановлена до гидроксигруппы, т. е. они являются полиолами. Название полиолов обычно происходит от названия соответствующей апьдозы с изменением окончания «оза» на «ит». Ниже в качестве примеров приведены структурные формулы D-изомеров глюцита,
маннита, рибита и ксилита.
Для глюцита используется второе название - сорбит, которое происходит от кетозы сорбозы.
§ 13.2. Окисленные и восстановленные формы моносахаридов |
291 |
СНО
I
н — с — ОН
I
но—с—н
I
н—с -о н
I
н—с—он
СН2ОН
глюкоза
СН2ОН
н— с — ОН
но - с —н
н—с -о н
I
н—с—он сн2он
глюцит (сорбит)
соон
I
н—с—он
I
но—с—н
I
н—с -о н
I
н—с—он
СН2ОН
глюконовая
кислота
СН2ОН
НО—С—Н
Н О - С — Н
Н— С -О Н
I
н—с —он
СН2ОН
СНО |
соон |
I |
I |
н—с—он |
н—с—он |
н о -сI —н |
н о -сI —н |
I |
I |
Н—(j)—он |
н—с -о н |
н—с—он |
I |
н—с—он |
|
I |
I |
соон |
соон |
глюкуроновая |
глюкаровая |
кислота |
кислота |
СН2ОН |
СН2ОН |
Н— С— ОН |
н—с—ОН |
Н— С— ОН |
но—с—н |
Н— С — ОН |
н—с -о н |
сн2он |
сн2он |
маннит |
рибит |
ксилит |
Некоторые полиолы входят в состав более сложных структур, например, рибит входит в состав флавиновых коферментов. В состав важного регулято ра обмена веществ 1,4,5-трифосфоинозита входит циклический полиол миои-
нозит:
ОН
Миоинозит не является сахаром, так как не содержит в своей структуре карбонильной группы. Он представлен в своей предпочтительной конформа-
292 |
Глава 13. Биоорганическая химия углеводов |
ции кресла с экваториальными заместителями во всех положениях, кроме второго углеродного атома, у которого гидроксил занимает аксиальное по ложение. Миоинозит оптически неактивен в связи с наличием плоскости симметрии, проходящей через второй и пятый углеродные атомы, однако асимметрично замещенные производные миоинозита обладают оптической активностью.
Полиолы получаются при мягком восстановлении карбонильных групп соответствующих моносахаридов, например, в водном растворе при реакции с боргидридами щелочных металлов. При восстановлении кетоз образуется два диастереоизомерных полиола. Например, при восстановлении D-фрук- тозы образуются D-глюцит и D-маннит:
?Н2ОН |
СН2ОН |
сн2он |
I |
I |
I |
с=о |
н— с - о н |
но —с — н |
н о - сI — н |
но—Iс — н |
н о - с — нI |
н— с - о н |
н— с - о н |
н— с - о н |
I |
I |
I |
н— с —он |
н— с —он |
н—с — он |
I |
I |
I |
сн2он |
СН2ОН |
СН2ОН |
D-фруктоза |
D-глюцит |
D-маннит |
Второй тип восстановленных |
моносахаридов - |
дезоксимоносахариды, |
в которых восстановлена одна ОН-группа. Важнейшим их представителем является дезоксирибоза, входящая в состав дезоксирибонуклеотидов и ДНК.
В состав ряда полисахаридов входят некоторые гексозы с восстановлен ной 6-гидроксигруппой, такие как D-хиновоза (6-дезоксиглюкоза), Ь-рамноза (6-дезоксиманноза) и L-фукоза (6-дезоксигалактоза).
НС=0 |
НС=0 |
н— сI- о н |
н—сI—он |
I |
I |
н о - с — н |
н—с - о н |
н— сI— он |
н о - сI— н |
н— сI - о н |
н о - сI— н |
I |
I |
СНз |
сн. |
D-хиновоза |
L-рамноза |
нс=о но—сI—н
I
н— с - о н н— сI- о н
но—сI—н
I
СНз
L-фукоза
§ 13.3. Другие превращения сахаров |
293 |
Два последних в природе преимущественно встречаются в виде L- изомеров.
§ 13.3. Другие превращения сахаров
Основными реакционными центрами сахаров являются карбонильная и гидроксигруппы. В линейных моносахаридах и их фрагментах гидроксигруппы не сильно отличаются по своей реакционной способности. В цикли ческих моносахаридах резко выделяется по своим химическим свойствам ацетальная ОН-группа.
Одной из широко используемых реакций по ОН-группам сахаров, иг рающих, в частности, важную роль при установлении структуры олиго- и по лисахаридов, является метилирование, которое может быть легко проведено с помощью йодистого метила или диметилсульфата в присутствии основа ния. Аналогичным путем могут быть получены другие простые эфиры, среди которых широкое применение в химии сахаров нашли бензиловые эфиры. В § 5.1 говорилось об использовании для защиты 5’-ОН-группы п- диметокситрифенилметильной защиты при синтезе олигонуклеотидов. В хи мии углеводов трифенилметильная группа (Тг) нашла широкое применение для селективной защиты первичных спиртовых групп. По ОН-группам легко проходит ацилирование ангидридами карбоновых кислот и галогенангидридами с образованием соответствующих сложных эфиров.
Благодаря наличию нескольких, в том числе соседних, ОН-групп для са харов характерны реакции с одновременным участием двух гидроксигрупп. Одна из таких реакций уже была описана при рассмотрении реакций рибозного фрагмента рибонуклеозидов, рибонуклеотидов и олигорибонуклеотидов - окисление i/мс-диолов перйодатом с расщеплением связи С-С и образова нием двух альдегидных групп. Эта реакция наряду с метилированием широко используется при изучении структуры сахаров. При проведении реакции в органических растворителях в качестве окислителя используется тетрааце тат свинца
с-он |
с—о. |
+ РЬ(ОАс)4 |
^РЬ(ОА с)2 + 2СН3СООН |
+РЬ(ОАс)2
294 |
Глава 13. Биоорганическая химия углеводов |
Второй важной реакцией является взаимодействие диолов с карбониль ной группой альдегидов и кетонов с образованием циклических ацеталей или кеталей. Ее наиболее широко используют для реакции с ацетоном и бензальдегидом.
Реакция с ацетоном проводится в ацетоновом растворе в присутствии сильной кислоты (серной или фосфорной) или хлористого цинка в качестве кислоты Льюиса, что приводит к циклическому кеталю - изопропилиденовому производному соответствующего диола. Как правило, при этом образуется пятичленный 1,3-диоксолановый цикл, реже - шестичленный л<-диоксановый цикл. В качестве примера ниже приведена структура 1,2,3,5-ди-О- изопропилиден-Б-ксилозы. Изопропилиденовый фрагмент, образованный 1,2-ОН-группами, содержит 1,3-диоксолановый цикл, а образованный 3,5- ОН-группами - лг-диоксановый цикл.
Изопропилиденовый фрагмент легко подвергается кислотному гидролизу (кратковременный гидролиз в 1 %-ой минеральной кислоте или в разбавлен ной уксусной кислоте), и поэтому образование изопропилиденовых произ водных является удобной защитой при получении производных, в том числе при синтезе олигоили полисахаридов.
Вреакции с бензальдегидом образуется циклический ацеталь, обычно
сшестичленным .м-диоксановым циклом. Как и в случае реакции с ацетоном, процесс катализируется сильными кислотами и кислотами Льюиса. Обра зующиеся бензилиденовые производные легко гидролизуются в слабокислой среде. Поэтому бензилиденовая группа является удобной защитной группой для различных реакций полиолов, в том числе для синтеза олиго- и полиса харидов.
При получении циклических ацеталей и кеталей важную роль играет вза
имное пространственное расположение ОН-групп, формирующих цикл. В реакции с ацетоном, при которой получается 1,3-диоксолановый цикл, уча ствуют практически только а-гликольные группы. При реакции с бензальде гидом, приводящей к образованию диоксанового цикла, предпочтительно реагируют гидроксигруппы в p-положении относительно друг друга.
При рассмотрении реакций по двум ОН-группам при двух соседних ато
§ 13.3. Другие превращения сахаров |
295 |
мах С следует помнить, что взаимное пространственное расположение этих групп не всегда правильно передается проекциями моносахаридов по Фише ру. В качестве примера можно привести структуру D-идозы в виде проекции по Фишеру и в виде конформации 1C (см. рис. 90).
При рассмотрении проекции по Фишеру может создаться впечатление, что ОН-группы при атомах 3С и 4С удалены один от другого, в то время как в виде 1С-конформации эти группы оптимально сближены.
Как и по любым ОН-группам, по гидроксигруппам сахаридов проходит образование сложных эфиров с неорганическими и органическими кислота ми. Из них в первую очередь следует сказать об эфирах с фосфорной кисло той, так как именно в этом виде в живой природе существуют многие моно сахариды. Среди них центральное значение в метаболизме имеют глюкозо-1-, глюкозо-6-, фруктозо-1-фосфаты и фруктозо-1,6-дифосфат, являющиеся про межуточными соединениями в окислительной деструкции гликогена, обеспе чивающей в итоге превращение ADP в АТР.
Ключевую роль в фиксации СОг при фотосинтезе играет рибулозо-1,5- дифосфат. Многостадийный процесс, приводящий к образованию новых мо лекул фруктозы, проходит с участием ряда промежуточных пентозофосфатов.
С двух- и многоосновными кислотами могут получаться циклические структуры с участием двух ОН-групп. Примером таких структур являются приведенные в § 2.1 нуклеозид-2’,3’-циклофосфаты. Образование циклов ха рактерно также для эфиров угольной кислоты. В качестве примера ниже при ведена структура дициклокарбоната D-галактозы. При образовании цикличе ских сложных эфиров важную роль играет взаимное расположение двух ОНгрупп, участвующих в формировании цикла.
W
С
О
В открытой форме моносахариды содержат карбонильную группу и спо собны к различным реакциям, характерным для этих групп: с гидроксиламином они образуют оксимы, с гидразином и его монозамещенными производ ными - гидразоны. Наличие рядом с карбонилом ОН-группы придает им спо собность образовывать бис-гидразоны, которые называются озазонами. При этом одна молекула замещенного гидразина играет роль окислителя этой ОНгруппы и восстанавливается до амина и аммиака, например:
296 |
Глава 13. Биоорганическая химия углеводов |
|
|||
СНО |
|
|
HC= N - NH -P h |
|
|
I |
|
|
| |
|
|
Н— 'С— ° н |
|
|
С— N—NH- Ph |
|
|
н о —с —н |
+ 3 Ph-NH—МН2 — |
н о —с —н |
|
||
| |
НО |
С |
Н |
2 |
|
н - с - о н |
|
н - с - о н |
|||
и __л __о н |
|
н— С— он |
NH, |
||
Н С ° н |
|
3 |
|||
снг он |
|
|
сн^-он |
|
В циклической форме моносахариды обладают ОН-группой при атоме 'С альдоз, которая по своим свойствам существенно отличается от остальных ОН-групп. В частности, атом О цикла в результате индукционного эффекта сообщает дополнительную электронную плотность ОН-группе и облегчает реакции ее замещения. При этом образуются гликозиды соответствующих сахаров. Это большой класс как природных, так и получаемых синтетически соединений. Гликозидами являются нуклеозиды - основные компоненты нуклеиновых кислот, рассмотренные в § 1.3. Они относятся к N-гликозидам. Важнейшими представителями гликозидов являются О-гликозиды, у которых ОН-группа при аномерном атоме С замещена каким-либо гидроксилом саха ра, что лежит в основе соединения остатков моносахаридов в олиго- и поли сахаридах, рассматриваемых в следующем § 13.4.
Многочисленные применения в химии углеводов нашли гликозшгалогениды, у которых атом галогена (Br, Cl, I) связан с гликозидным атомом С. В силу высокой реакционной способности гапогенидов по отношению к нук леофильным, в том числе к ОН-группам на практике преимущественно при меняются гликозилгалогениды с полностью закрытыми (обычно с полностью ацилированными) гидроксилами. В природе гликозилгалогениды не обнару жены. В химии углеводов они широко используются для синтеза различных производных. Для их получения можно применять насыщенные растворы соответствующих галогеноводородов в уксусной кислоте или ее смеси с ук сусным ангидридом при комнатной температуре.
Гликозилгалогениды реагируют со спиртами с образованием О- алкилгликозидов. Это превращение известно как реакция Кенигса - Кнорра. Оно, в частности, нашло применение при синтезе олигосахаридов, который рассматривается в § 13.6.
§ 13.4. Олигосахариды и полисахариды
Олигосахариды получаются из моносахаридов в результате образования кислородного мостика между аномерным атомом С одного звена и одного из атомов С соседнего звена. Если это звено является конечным и его связь об
§ 13.4. Олигосахариды и полисахариды |
297 |
разована одним из внутренних атомов С, то на конце олигосахарида оказыва ется полуацетальный гидроксил, который может восстанавливать некоторые ионы металлов переменной валентности, например, Си2+ и Ag+ Такие олиго сахариды называют восстанавливающими. Полуацетальная группа при этом превращается в карбоксильную.
В природе из олигосахаридов в свободном виде в основном встречаются дисахариды. Два из них - мальтоза и лактоза - представляют собой О-а- глюкопиранозил-(1—►4)-0-глюкопиранозу и 0-Р-0-галактопиранозил-( 1—>4)- D-глюкопиранозу и являются восстанавливающими дисахаридами. Как видно из приведенных названий, в скобках в них указаны соединенные стрелкой номера атомов С, связанных кислородным мостиком, конфигурация аномерного центра и форма стереоизомера. Лактоза в основном встречается в моло ке и поэтому часто называется молочным сахаром. Ниже в качестве примера для дисахаридов представлена ее структурная формула.
Два других дисахарида, сахароза - 0-а-0-глюкопиранозил-(1—»2)-P-D- фруктофуранозид
и трегалоза - 0-а-0-глюкопиранозил-( 1—►1 )-а-0-глюкопираноза, являются невосстанавливающими дисахаридами. Сахароза - это обычный пищевой тростниковый сахар. Трегалоза входит в состав лимфы насекомых.
Для сокращенной записи формул олиго- и полисахаридов используются трехбуквенные обозначения, приведенные в табл. 18.
При использовании сокращенной записи для моносахаридов обычно симво лами р или/ отмечают, в какой форме - пиранозной или фуранозной - нахо дятся моносахаридные фрагменты. Необходимо также отразить, какую стереохимическую конфигурацию имеет фрагмент, L- или D-, и в какой конфи гурации, а или р, находится аномерный центр. В этой записи, например, лак
298 |
Глава 13. Биоорганическая химия углеводов |
тоза запишется как |}-D-Gal/?-(l—>4)-D-Glcp.
Таблица 18 Сокращенные символы для некоторых моносахаридов и их производных
Полное |
Трехбукв. |
Полное |
Трехбукв. |
название |
сокращение |
название |
сокращение |
Глюкоза |
Glu |
Фукоза |
Fuc |
Галактоза |
Gal |
Рамноза |
Rha |
Манноза |
Man |
Глюкозамин |
GlcN |
Идоза |
Ido |
N-ацетилглюкозамин |
GlcNAc |
Фруктоза |
Fru |
Галактозамин |
GalN |
Рибоза |
Rib |
Глюкуроновая к-та |
GlcUA |
Ксилоза |
Xyl |
Галактуроновая к-та |
GalUA |
Арабиноза |
Ara |
Нейраминовая к-та |
Neu |
Сложные олигосахариды, состоящие каждый из нескольких различных моносахаридов, часто с разветвленной структурой, входят в состав гликопро теинов, рассматриваемых в § 13.5. Синтез этих олигосахаридов проходит на мембране эндоплазматического ретикулума (ЭПР). Процесс связан с мембра ной ЭПР благодаря тому, что на протяжении всего синтеза строящийся оли госахарид ковалентно связан с гидрофобным долихолфосфатом
9 ?Н3 ?Нз ?Нз
'0-fj> -0-C H 2 -CH2 -CH-CH2 -(CH2 -CH=C-CH2 )n-CH2 -CH=C-CH3
0-
п = 9 - 22
На рис. 91 представлена схема синтеза тетрадекасахарида, который пере носится на остаток аспарагина гликозилируемого белка. Этот олигосахарид содержит остатки глюкозы, N-ацетилглюкозамина и маннозы. Он образуется в виде производного долихолпирофосфата, который является донором олиго сахарида при образовании гликопротеина (см. следующий § 13.5).
9 9 |
Тн> . . . . fl* |
GICgMangGlcNAc
n = 9 - 22
3 UDP |
3 UDP-Glc |
Рис. |
91. Схема синтеза |
тетрадекасахарида |
на мембране |
эндоплазматическиго регикулума и его |
перено |
|||||
са на |
белок. Волнистой |
чертой обозначены |
остатки долихола, стрелками - стадии |
транслокации доли- |
||||||
холпирофосфата |
(77), |
его |
моносахаридов |
(5, 8) и промежуточного гептасахарида |
(3), |
присоединения |
||||
моносахаридов |
(/, 2, 4, |
6, |
7), |
транслокации |
с переносом |
моносахарида (Р), переноса на |
белок |
(10), гид |
||
ролиза пирофосфатной |
связи |
(72) |
|
|
|
|
|
полисахариды и Олигосахариды .4.13 §
299