Marri_i_dr_-_Biokhimia_cheloveka_tom_1

БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Знания о структуре и свойствах физиологически

важных углеводов необходимы для понимания их

фундаментальной роли в материальном и энергети­

ческом обеспечении жизни млекопитающих. Наибо­

лее важным углеводом является шестиуглеродный

сахар глюкоза. Именно в форме глюкозы поступает

в кровь основная масса углеводов из пищи; в глю­

козу же превращаются углеводы в печени и из

клюкозы могут образовываться все остальные углеводы в организме. Глюкоза используется как основной вид топлива в тканях млекопи­

тающих (исключение составляют жвачные живот­

ные) и служит универсальным топливом в период эмбрионального развития. Она превращается в

другие углеводы, выполняющие высокоспеци­

фичные функции-в гликоген, являющийся формой

хранения энергии, в рибозу, содержащуюся в нуклеи­

новых кислотах, в галактозу, которая входит в со­

став лактозы молока. Некоторые углеводы входят

в состав сложных липидов и образуют вместе с бел­ ками гликопротеины и протеогликаны. С наруше­

нием обмена углеводов тесно связан ряд заболева­

ний-сахарный диабет, галактоземия, нарушения

в системе запасания гликогена, нетолерантность

к молоку.

группы. Примерами могут служить

2) Дисахариды при гидролизе дают две молеку­ лы моносахарида (одинаковых или различных).

Примерами служат сахароза, лактоза и мальтоза.

3) Олигосахариды при гидролизе щtют 3--6 мо­ носахаридов. Примером может служить мальто­

триоза 1.

4) Полисахариды дают при гидролизе более

6 молекул моносахаридов. Они могут быть линей­ ными или разветвленными. Примерами служат крахмал и декстрины. Иногда их называют гексоза­

нами или пентозанами, а также гомополисахарида­ ми или гетерополисахаридами - в зависимости от

I Это не триоза, а трисахарид, содержащий три остат­

ка а-глюкозы.

141

о

11

С-Н

I

Н-С -он

1

СН2ОН

DГлицеРОЗ8 (~Гпицеральдегид)

о

11

С-Н

I

Н-С -ОН

I

НО-С -Н

I

Н-С -ОН

1·

Н-С -он

Изомерия сахаров

Соединения. имеющие одну и ту же структурную

формулу. но различающиеся по пространственной конфигурации, называются стереоизомерами. Обра­

зование таких изомеров оказывается возможным

А

Б

~---o

в Н ОН

Рис. 14.2. D- и L-изомеры Г.lицерозы и ГЛЮКОЗЫ.

при вхождении в состав молекулы асимметрических

атомов углерода (к которым присоединены четыре различных атома или группы). Число возможных

изомеров данного соединения зависит от числа

асимметрических атомов углерода (п) и равно 2".

Глюкоза с четырьмя асимметрическими атомами

углерода имеет. следовательно. 16 изомеров. Ниже

указаны наиболее важные типы изомеров глюкозы.

1. D и L: обозначение изомера как D-формы или как L-формы. являющейся ее зеркальным отображе­

нием. основано на сравнении пространственной кон­

фигурации изомера с конфигурацией «родительско­

го» соединения углеводного семейства -

трехуглеродного сахара глицеральдегида (глицеро­

зы). L- и D-формы этого сахара изображены на рис. 14.2 вместе с соответствующими изомерами глюко­ зы. Принадлежность к D- или L-ряду определяется

ориентацией групп -Н и -ОН при атоме углерода,

соседнем с концевым атомом углерода, содержащим

первичную спиртовую группу (в молекуле глюко­

двух устойчивых кольцевых структур моносахари­

дов, сходных со структурами пирана или фурана

(рис. 14.3). Кольцевую структуру могут принимать

икетозы (например, D-фруктофураноза или D- фруктопираноза; рис. 14.4). В растворе глюкозы бо­

лее 99% молекул находится в пиранозной форме

именее 1% - в фуранозной форме.

3.а- И Р-аномеры. Кольцевая структура альдо­ зы - полуацетальная. так как она образуется в резу­ льтате взаимодействия альдегидной и спиртовой

групп (рис. 14.5), кольцевая структура кетозы­ полукетальная. Кристаллическая глюкоза является

нон

a-D1пюt<опираНОЗ8 a-[)..ФРУt<ТОфураноза

Рис. 14.3. Пиранозная и фуранозная формы глюкозы.

. Рис. 14.4. Пиранозная и фуранозная формы фруктозы.

глюкопиранозоЙ. Циклическая структура сохраняе­ тся и в растворе, но при этом происходит образова­ ние изомеров относительн~ положения 1, которое занимает карбонильный или аномерный атом углеро­ да, что приводит к образованию смеси а­ глюкопиранозы (36%) и ~-глюкопиранозы (63%);

~оставшийся 1% представлен в основном а- и ~­ аномерами глюкофу~анозы. Описанное выше уста­

новление равновесия сопровождается так называе­

мой мутаротацией: полуацетальное кольцо раскры­

вается и вновь замыкается, при этом может изменя­

ться положение групп --Н и -ОН при углероде 1. Предполагают, что в ходе этого процесса образуется

промежуточная гидратированная линейная (ацикли­

ческая) молекула, хотя по данным полярографии на

долю ациклической формы глЮкозы приходится все­

го 0.0025%. В растворе глюкоза является правовра­ щающей; этим объясняется еще одно ее название-­

декстроза (декстро - правый), част() употребляемое

вклинической практике.

4.Эпимеры. Изомеры. различающиеся по конфи­ гурации положением групп -Н и --он при втором.

третьем и четвертом атомах углерода. на·Jываются

эпимерами. Биологически наиболее важными 1пиме­ рами глюкозы являются манноза и галактоза, обра­

зующиеся путем эпимеризации при атомах углерода

2 и 4 соответственно (рис. 14.6).

5. Альдо-кето-изомеризация. Фруктоза имеет ту же химическую формулу, что и глюкоза, но отличае­

тся по структурной формуле, поскольку фруктоза со­

держит потенциальную кетонную группу в положе­

нии 2. а глюкоза - потенциальную альдегидную группу в положении 1 (рис. 14.3 и 14.4).

производных триоз, тетроз и пентоз, а также к обра­

зованию семиуглеродного сахара (седогептулозы).

Пятиуглеродные моносахариды, пентозы, являются

важными компонентами нуклеотидов, нуклеиновых

кислот и многих коферментов (табл. 14.1). Из гексоз наиболее важное физиологическое значение имеют глюкоза, галактоза, фрукт<)за и манноза (табл. 14.2).

Структура биологически важных альдосахаров показана на рис. 14.7. Пять кетосахаров, играющих важную роль в метаболизме, представлены на рис.

. Самостоятельное значение имеют производные

глюкозы, содержащие карбоксильную группу: а-

HOCH~

Гликозиды

Гликозиды- это соединения, образующиеся пу­ тем конденсации моносахарида (или моносахарид­ ного остатка в составе более сложного сахара) с гид­ роксильной группой другого соединения, которым может быть другой моносахарид или вещество не­ углеводной природы (тогда его называют aг~нкo­ ном). Гликозидную связь называют ацетальнои, так

как она образуется в результате реакции между по­

луацетальной группой (образующейся при взаимо­ действии альдегида с -ОН-группой) и другой -

ОН-группой. Если полуацетальная группа принадле-

Гликозиды найдены в составе многих лекарств и пряностей, они являются также компонентами жи­

вотных тканей. Агликонами могут быть метанол,

глицерол, какой-либо стерол или фенол. Гликозиды,

имеющие важное медицинское значение, а именно

влияющие на работу сердца (сердечные гликозиды),

содержат в качестве агликонового компонента сте­

роиды; так, из наперстянки и строфанта выделен гликозид уабаинингибитор Na+ /К+-АТРазы кле­

точных мембран. К числу гликозидов относится ряд антибиотиков, в частности стрептомицин (рис. 14.10).

Таблица 14.2. Физиологически важные rексозы

у дезоксисахаров одна из гидроксильных групп,

присоединенных к кольцевой структуре, замещена на атом Boд~poдa. Они образуются при гидролизе ряда

соединений, играющих важную роль в биологиче­ ских процессах. Примером служит дезокснрибоза

(рис. 14.11), входящая в состав нуклеиновых кислот

(ДИК).

Другими примерами дезоксисахаров являются L-

фукоза (рис. 14.17) - компонент ряда гликопротеи­

нов и 2-дезоксиглюкоза- инrибитор ме:rаболизма

глюкозы.

Аминосахара (гексозамииы)

Примерами аминосахаров служат D-глюкозамин

(рис. 14.(2), D-галактозамин и D-маннозамин-все

эти вещества обнаружены в природе. Глюкозамин является компонентом гиалуроновой кислоты. Га­ лактозамин (хондрозамин) входит в состав хондрои­ тина (см. гл. 54).

Ряд антибиотиков (эритромицин, карбомицин)

содержит в своем составе аминосахара. Считается,

что аминосахара вносят существенный вклад в био­ логическую активность этих антибиотиков.

ДИСАХАРИДЫ

Дисахариды представляют собой сахара, состоя­

щие из двух моносахаридных остатков, соединенных

гликозидной связью (рис. 14.13). Их химическое на­

звание отражает название составляющих их моноса­

харидов. Физиологически важными дисахаридами

являются мальтоза. сахароза. лактоза и трегалоза

(табл. 14.3).

Гидролиз сахарозы приводит к образованию

смеси, которую называют <<инвертированным саха­

ром)): в ней преобладает сильно левовращающая фруктоза, которая инвертирует (меняет на обрат­ ный) знак врашения правовращающего раствора

исходной сахарозы.

NH

ОН

J ----- O

н+ t1

Рис. 14.12. Глюкозамин (2-амино-D-ГЛЮJCопираноза) (а­

форма). Галактозамин - 2-амино-D-галаJCтопираноза.

И глюкозамин. и галактозами" в виде N-ацетильных про­

изводных входят в состав более сложных углеводов, в част-

ности, в составе гликопротеинов.

ПОЛИСАХАРИДЫ

К полисахаридам относятся следующие физио­

логически важные углеводы.

Крахмал. Моносахаридные остатки соединены в крахмале Q-ГЛЮКОЗИДНЫМИ связями. Соединение такой структуры, образованное только остатками

глюкозы, является гомополимером, его. называют

глюкозаном или глюканом. Это наиболее важный

""--0

оон

ОН он

ФllЗllОllО?UЧt'СКll ва.ЖIlЫС уг.lевоОЫ

картофеле, бобовых и в других растениях. Двумя

Г:1аВНЫМИ компонентами крахмала являются амило­

за (15-20%), имеющая неразветвленную спираль­ ную структуру (рис. 14.14), и амилопектин (80-85%),

149

n

~Дцетилглюкозамин

ными связями.

Инулин - полисахарид, содержащийся в клубнях и корнях георгинов, артишоков и одуванчиков. При его гидролизе образуется фруктоза, следовательно он представляет собой фруктозан. Этот полисахарид в отличие от картофельного крахмала легко раство­

ряется в теплой воде; его используют в физиологиче­

ских исследованиях для определения скорости клу­

бочковой фильтрации в почках.

Декстринами называют вещества, образующиеся при гидролизе крахмала. Название «остаточные дек­ стрины» получили продукты, образующиеся на

определенной стадии гидролиза.

Целлюлоза- главный компонент структурной основы растений. Она нерастворима в обычных ра­ створителях и состоит из а-О-глюкопиранозных зве­

ньев, соединенных 13(1 - 4)-связями и образующих

длинные вытянутые цепи, стабилизированные попе­ речными водородными связями. Многие млекопи­

нон

I3-Глюкуроновая ~Дцетилглюкозамин

кислота

Хондроитин-4-сульфат

(встречается также 6-сулЬфат)

n

I3-Глюкуроновая I"+Дцетилгалактоз

кислота аминеульфат

тающие, в том числе человек, не способны перевари­

вать целлюлозу, так как их пищеварительная систе­

ма не содержит гидролаз, расщепляющих Р-связи. Поэтому целлюлозу можно рассматривать как зна­ чительный неиспользуемый пищевой резерв. В ки­

шечнике жвачных и других травоядных животных

имеются микроорганизмы, способные к фермента­ тивному расщеплению J3-связей, и для этих живот­

ных целлюлоза является важным источником пище­ вых калорий.

Хитин- важный структурный полисахарид бес­ позвоночных. Из него, в частности, построен нару­ жный скелет ракообразных и насекомых. Структуру хитина составляют N-ацетил-О-глюкозаминовые

звенья, соединенные В (1 - 4)-гликозидными связями

(рис. 14.16).

Глнкозаминоглнканы (мукополисахариды) состо­

ят из цепей сложных углеводов, содержащих амино­

сахара и уроновые кислоты. Если эти цепи присоеди­

нены к белковой молекуле, соответствующее соедине-

Гепарин

Н

'о

нNH.SO:J-

Сульфатированный СулЬфатированная n

Рис. 14.16. Структура некоторых СЛОЖНblХ полисах<tРJЩОR

ние называю,{ протеогликаном. Гликозамино­

гликаны как основное скрепляющее вещество свя­

заны со структурными компонентами, входящими в

состав костей, а также с эластином и коллагеном. Их функция состоит в удержании большой массы

воды и в заполнении межклеточного пространства.

Они служат смягчающим и смазочным материалом

для разного рода тканевых структур; выполнению