Моносахариды - гексозы и их производные: гексозамины и гексофосфорные эфиры

1. Моносахариды - гексозы и их производные: гексозамины и гексофосфорные эфиры.

 

Введение. Биологическая  роль

 

Важной составной частью всех живых организмов являются углеводы. На долю углеводов приходится 80-90%, считая на сухой вес в растительных объектах  ≈ 2% ,считая на сухой вес) – в тканях животного происхождения. Термин углеводы был предложен в 1844 году К. Шмидтом, что обусловлено тем, что первым соединением этого ряда приписывали формулу С_n(Н₂О)_m (гидраты угля). Хотя впоследствии было установлено, что некоторые соединения, относящиеся к этому классу не отвечают данной формуле (в частности дезоксирибоза). И, в то же время, состав некоторых веществ, не относящихся к классу углеводов, имеет такую формулу (уксусная, молочная кислота). 

Углеводы являются самыми распространенными органическими  веществами в природе.

Углеводы образуются в  результате процесса фотосинтеза.

 

Биологическая роль.

 

1. Энергическая функция.  При окислении 1 г углеводов  выделяется 16,9 кДж энергии, т.е.  столько, сколько выделяется энергии  при окислении белков.

2. Углеводы являются запасным  питательным материалом, который  накапливается в растениях в  виде крахмала, а в животных  тканях, в виде гликогена.

3. Углеводы входят в  состав опорных тканей растений (клетчатка), также служат защитным  материалом. В комплексе с белками  углеводы входят в состав хрящевых  тканей (хондроитинсульфат). Полисахарид хитин служит многим беспозвоночным в качестве внешнего скелета.

4. Углеводы выполняют  структурную, пластическую функцию,  участвуют в синтезе многих  важнейших для организма веществ  – жирных кислот, нуклеиновых  кислот, липидов, белков.

5. Участвуют в регуляции  осмотических процессов, способствуют  нормальной перистальтике ЖКТ.

6. Выполняют специфические  функции: в виде мукополисахаридов входят в состав разнообразных слизистых веществ, входят в состав группоспецифических веществ крови, выполняют роль антикоагулянтов (гепарин) и др.

7. Углеводы необходимы  для нормального окисления жиров  и белков. Так, при нарушении  углеводного обмена окисление  жиров идет не до конца и  останавливается на стадии образования  недоокисленных продуктов.

Стереоизомеря моносахаридов

 

Многообразие форм молекул  моносахаридов предполагает различные  способы их изображения.

Для изображения ациклических форм моносахаридов приняты проекционные формулы Фишера. Циклические формы изображают формулами Колли-Толенса и Хеуорса.

Относительная конфикурация моносахаридов, т.е. принадлежность к D-и L-стереохимическим рядам определяется путем сравнения конфигурации хирального атома углерода, наиболее удаленного от альдегидной или кетогруппы с конфигурацией хирального атома углерода глицеринового альдегида – конфигурационного стандарта.

 

 

Знак вращения (+) или (–) определяется экспериментально.

Подавляющее большинство  природных моносахаридов относится  к D-ряду, но могут быть и моносахариды L-ряда (L-арабиноза).

Эпимеры – диастереомеры, различающиеся конфигурацией только одного хирального атома.

Фруктоза – плодовый сахар, встречается обычно вместе с глюкозой. В свободном виде находится в  плодах, нектаре, меде. В связанном  виде входит в состав сахарозы, полисахарида – инулина (содержится в растениях).

Галактоза в свободном  виде не встречается, входит в состав дисахаридов – лактозы и мелибиозы, входит в состав цереброзидов и ганглиозидов.

 

Манноза образует сложные природные углеводы – маннаны, входит в состав гликопротеидов. Встречается в растениях, в составе слизей, гемицеллюлоз, содержится в ячмене, корках апельсина.

Химические свойства моносахаридов

Для моносахаридов характерны как  реакции, свойственные спиртам, так  и альдегидам.

I. Реакции, обусловленные спиртовыми группами.

1. Образование простых  эфиров.

В реакции с алкилгалогенидами участвуют все гидроксильные группы, включая гликозидный гидроксил.

2. Образование сложных эфиров.

Сложные эфиры легко образуются при ацилировании ангидридами.

 

 

Из сложноэфирных производных  наибольшее значение имеют эфиры  фосфорной кислоты (фосфаты), они  содержатся во всех растительных и  животных организмах, наибольшее значение имеют 6-фосфат и 1-фосфат глюкозы и 1,6-дифосфат фруктозы.

 

 

II. Реакции, обусловленные наличием альдегидной или кето-группы.

 

1. Восстановление приводит  к образованию многоатомных спиртов.

 

 

III. Реакции окисления.

1. Окисление в щелочной  среде.

а) Окисление реактивом  Толленса (реакция серебряного зеркала).

 

б) окисление реактивом  Фелинга (тартратный комплекс с Сu²⁺), реактивом Бенедикта (цитратный комплекс с Сu²⁺).

Сахара, которые дают положительные  реакции окисления в щелочной среде, называются восстанавливающими.

2. Окисление в нейтральной  и кислой среде протекает без  разрушения молекул, при этом  образуются разнообразные кислоты.

 

 

Мягкие окислители окисляют только альдегидную группу, не затрачивая первичную спиртовую.

 

Широкое применение в медицине получил глюконат кальция, как общеукрепляющее средство.

При окислении только первичной  спиртовой группы получают гликуроновые кислоты. Предварительно необходимо «защитить» гликозидный гидроксил.

D-глюкуроновая кислота входит в состав полисахаридов (гепарин).

 

IV. Специфические свойства гликозидного гидроксила. О-гликозиды

 

Гликозидный гидроксил может легко взаимодействовать со спиртами, образуя полный ацеталь, который называют О-гликозид.

О-гликозиды легко гидролизуются в кислой среде с образованием соответствующих моносахаридов, но устойчивы к гидролизу в щелочной среде.

Большой интерес представляют аминопроизводные, аминосахара, они входят в состав мукополисахаридов, в организме человека и животных.

 

Производные нейраминовой кислоты – сиаловые кислоты содержатся в спинно-мозговой жидкости.

Взаимные превращения  альдоз и кетоз в щелочной среде

Вследствие наличия СН-кислотного центра у α-углеродного атома в щелочной среде возможны взаимные превращения альдоз и кетоз.

Способность альдоз и кетоз к взаимному переходу в щелочной среде позволяет объяснить положительные реакции с реактивом Толленса и Фелинга.

 

2. Витамины, входящие  в состав ферментов. Привести  примеры

 

Витамины поступают в  организм животных и человека с пищей, через стенку желудочно-кишечного  тракта, и образуют многочисленные производные (например, эфирные, амидные, нуклеотидные и др.), которые, как  правило, соединяются со специфическими белками и образуют многие ферменты, принимающие участие в обмене веществ.

При отсутствии витаминов  в организме нарушается деятельность ферментных систем, в которых они  участвуют, а следовательно, — и обмен веществ. Известно несколько сот ферментов, в состав которых входят витамины, и огромное количество катализируемых ими реакций.

Витамин К принимает участие в синтезе протромбина в печени, вероятнее всего, через ферментную систему. Получены доказательства, что витамин К необходим как стимулятор биосинтеза в печени минимум 4 белков-ферментов, участвующих в сложном процессе свертывания крови: факторов II, VII, IX, X. В частности, имеются данные, что в молекуле указанных факторов обязательно присутствуют остатки карбоксиглутаминовой кислоты; в молекуле активного протромбина таких остатков оказалось 10. Протромбин, являясь протеолитическим ферментом, расщепляет специфические пептидные связи растворимого белка крови фибриногена с образованием нерастворимого фибрина.

Экспериментально доказано, что витамин B1 в форме ТПФ является составной часть минимум 5 ферментов, участвующих в промежуточном обмене веществ. ТПФ входит в состав двух сложных ферментных систем – пируват- и α-кетоглутаратдегидрогеназных комплексов, катализирующих окислительное декарбоксилирование пировиноградной и α-кетоглутаровой кислот. В составе транскетолазы ТПФ участвует в переносе гликоальдегидного радикала от кетосахаров на альдосахара . ТПФ является коферментом пируватдекарбоксилазы клеток дрожжей (при алкогольной ферментации) и дегидрогеназы γ-оксикетоглутаровой кислоты.

Рибофлавин входит в состав флавиновых коферментов, в частности ФМН и ФАД *, являющихся в свою очередь простетическими группами ферментов ряда других сложных белков – флавопротеинов. Некоторые флавопротеины в дополнение к ФМН или ФАД содержат еще прочно связанные неорганические ионы, в частности железо или молибден, наделенные способностью катализировать транспорт электронов. Различают 2 типа химических реакций, катализируемых этими ферментами. К первому относятся реакции, в которых фермент осуществляет прямое окисление с участием кислорода, т.е. дегидрирование (отщепление электронов и протонов) исходного субстрата или промежуточного метаболита. К ферментам этой группы относятся оксидазы L- и D-аминокислот, глициноксидаза, альдегидоксидаза, ксантиноксидаза и др. Вторая группа реакций, катализируемых флавопротеинами, характеризуется переносом электронов и протонов не от исходного субстрата, а от восстановленных пиридиновых коферментов. Ферменты этой группы играют главную роль в биологическом окислении. В каталитическом цикле изоаллоксазиновый остаток ФАД или ФМН подвергается обратимому восстановлению с присоединением электронов и атомов водорода к N1 и N10. ФМН и ФАД прочно связываются с белковым компонентом, иногда даже ковалентно, как, например, в молекуле сукцинатдегидрогеназы.

ФМН синтезируется в организме  животных из свободного рибофлавина и АТФ при участии специфического фермента рибофлавинкиназы:

Образование ФАД в тканях также протекает при участии  специфического АТФ-зависимого фермента ФМН-аденилилтрансферазы. Исходным веществом для синтеза является ФМН:

Витамин РР входит в состав НАД или НАДФ, являющихся коферментами большого числа обратимо действующих в окислительно-восстановительных реакциях дегидрогеназ.

Показано, что ряд дегидрогеназ использует только НАД и НАДФ (соответственно малатдегидрогеназа и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа), другие могут катализировать окислительно-восстановительные реакции в присутствии любого из них (например, глутаматдегидрогеназа) . В процессе биологического окисления НАД и НАДФ выполняют роль промежуточных переносчиков электронов и протонов между окисляемым субстратом и флавиновыми ферментами.

Фосфорилирование пиридоксаля и пиридоксамина является ферментативной реакцией, протекающей при участии специфических киназ. Синтез пиридоксальфосфата, например, катализирует пиридоксалькиназа, которая наиболее активна в ткани мозга. Эту реакцию можно представить следующим уравнением:

Пиридоксаль + АТФ –> Пиридоксальфосфат + АДФ

К настоящему времени биотиновые ферменты (т.е. ферменты, содержащие в качестве кофермента биотин) катализируют два типа реакций:

1) реакции карбоксилирования (с участием СО2 или НСО3–), сопряженные с распадом АТФ:

RH + HCO3– + АТФ <=> R-COOH + АДФ + Н3РО4;

2) реакции транскарбоксилирования (протекающие без участия АТФ),

при которых субстраты обмениваются карбоксильной группой

R1-COOH + R2H <=> R1H + R2-COOH.