Лекция № 17. Углеводы

1. Моносахариды.
2. Дисахариды.
3. Полисахариды.

Углеводы – это природные соединения, имеющие в
подавляющем большинстве состав
C_n(H₂O)_m.
Их подразделяют на низкомолекулярные углеводы и продукты их
поликонденсации.

Моносахариды – мономеры, из остатков
которых состоят углеводы более сложного строения.

Олигосахариды – олигомеры, содержащие от
2 до 10 моносахаридных остатков.

Полисахариды – полимеры, включающие до
нескольких тысяч моносахаридных звеньев.
 
 

Моносахариды – это полигидроксикарбонильные соединения, в которых каждый атом
углерода (кроме карбонильного) связан с группой ОН. Общая формула моносахаридов
– С_n(H₂O)_n, где n
=3-9.

По химическому строению различают:

• альдозы – моносахариды, содержащие
  альдегидную группу;
• кетозы – моносахариды, содержащие
  кетонную группу (как правило, в положении 2).

В зависимости от длины углеродной цепи моносахариды
делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д. Обычно моносахариды
классифицируют с учетом сразу двух этих признаков, например:

В природе встречаются производные моносахаридов,
содержащие аминогруппу (аминосахара), карбоксильную группу (сиаловые
кислоты, аскорбиновая кислота), а также атом Н вместо одной или нескольких
групп ОН (дезоксисахара).
 
 

Все моносахариды (кроме дигидроксиацетона) содержат хиральные атомы углерода
и имеют стереоизомеры. Простейшая альдоза, глицериновый альдегид, содержит один хиральный атом С и существует в виде двух оптических изомеров
– D и L:

По мере увеличения длины цепи количество
стереоизомеров у альдогексоз растет. В соответствии с числом хиральных центров
существует 4 стереоизомерных альдотетрозы, 8 альдопентоз, 16 альдогексоз и т.д.
В зависимости от конфигурации наиболее удаленного от карбонильной группы
хирального атома С все моносахариды делят на два стереохимических ряда –
D-моносахариды и L-моносахариды:

Подавляющее большинство природных моносахаридов
принадлежит к D-ряду.

Родоначальником ряда D-альдоз является
D-глицериновый альдегид. Остальные D-альдозы могут быть построены на основе
D-глицеральдегида путем последовательной вставки фрагмента СНОН сразу после
карбонильной группы. Стереоизомерные альдозы имеют тривиальные названия.

Уточним стереоизомерные отношения в ряду
D-альдоз. Между собой D-альдозы с одинаковым числом атомов углерода
(D-альдотетрозы, D-альдопентозы, D-альдогексозы и т.д.) являются
диастереомерами. Среди них выделяют особый тип диастереомеров, который называют эпимерами.

Эпимеры – это диастереомеры, которые
отличаются по конфигурации только одного хирального центра.

Например, D-рибоза и D-арабиноза являются эпимерами, так как отличаются
конфигурацией только хирального атома углерода в положении 2. D-глюкоза имеет
несколько эпимеров: D- маннозу по С-2, D-аллозу по С-3, D-галактозу по С-4,
L-иодозу по С-5.

Каждая из D-альдоз имеет энантиомер, относящийся к L-ряду, который может быть
построен аналогично D-ряду на основе L-глицеральдегида. Энантиомером D-глюкозы
является L-глюкоза, D-маннозы – L-манноза и т.д.

Ряд D-кетоз может быть построен на основе
простейшей кетозы – дигидроксиацетона. Названия кетоз образуются из названий
соответствующих альдоз путем введения суффикса “ул”. Для некоторых кетоз
утвердились тривиальные названия.

Дигидроксиацетон не содержит хирального атома С
и не имеет стереоизомеров. Остальные кетозы являются хиральными
соединениями.

В природе широко распространены гексозы
(D-глюкоза, D-галактоза, D-манноза, D-фруктоза) и пентозы (D-рибоза, D-ксилоза,
D-арабиноза). Среди производных моносахаридов наиболее распространенными
являются аминосахара D-глюкозамин и D-галактозамин и дезоксисахар
2-дезокси-D-рибоза.

Известно, что альдегиды способны присоединять спирты с образованием
полуацеталей:

Карбонильная и гидроксильная группы
моносахаридов взаимодействуют внутримолекулярно с образованием циклического
полуацеталя:

При этом возникает новый хиральный центр –
бывший карбонильный, а теперь аномерный атом углерода. Наиболее устойчивы
циклические полуацетали, содержащие шестичленный (пиранозный) или
пятичленный (фуранозный) циклы. Они образуются при взаимодействии
альдегидной группы с гидроксильной группой в положении 5 или 4 моносахарида
соответственно. На рисунке представлена схема образования циклических форм
D-глюкозы:

Возникновение нового хирального центра приводит
к появлению 2-х стереоизомеров для каждой из циклической форм — a— и  b—аномеров.

Аномеры – это эпимеры, которые различаются по
конфигурации аномерного атома углерода.

У a-аномера
конфигурация аномерного центра совпадает с конфигурацией концевого хирального
атома С, у b-аномера она противоположна.

Циклические формы моносахаридов изображают с
помощью формул Хеуорса. Молекулу представляют в виде плоского цикла,
перпендикулярного плоскости рисунка. Заместители, находившиеся в формуле Фишера
слева, располагают над плоскостью цикла, справа – под плоскостью. Для
определения положения группы СН₂ОН в формуле Фишера предварительно делают две
перестановки.

В кристаллическом состоянии моносахариды
находятся в одной из циклических форм. При растворении образуется равновесная
смесь линейной и циклических форм. Их относительное содержание определяется
термодинамической стабильностью. Циклические, особенно пиранозные формы,
энергетически более выгодны для большинства моносахаридов. Например, в растворе
D-глюкозы преобладает  b-D-глюкопираноза:

Существование равновесия между линейной и
циклическими формами моносахаридов получило название цикло-оксо-таутомерии.

Растворение кристаллического моносахарида
сопровождается постепенным таутомерным превращением, которое заканчивается
установлением таутомерного равновесия. Каждая таутомерная форма оптически
активна и имеет свою величину удельного вращения. Поэтому за таутомерным
превращением можно следить по изменению удельного вращения раствора, которое
заканчивается с установлением равновесия. Явление изменения удельного вращения
свежеприготовленного раствора моносахарида называют мутаротацией. Явление
мутаротации – одно из доказательств существования цикло-оксо-таутомерии у
моносахаридов.

Формулы Фишера и Хеуорса являются условным
изображением пространственного строения моносахаридов. Близкое к действительному
расположение атомов в пространстве отражают конформационные
формулы.

Шестичленный цикл, в котором атомы находятся в
состоянии sp³-гибридизации, не
может иметь плоскую конформацию, так как это означало бы слишком сильное
искажение валентных углов (120⁰ вместо 109⁰) и заслоненное
положение заместителей. Наиболее выгодной конформацией для большинства
шестичленных циклов является конформация “кресла”, в которой все валентные углы
равны 109⁰ и нет заслоненных
положений заместителей. Так, у циклогексана есть две энергетически равноценные
конформации “кресла”, которые находятся в равновесии. Взаимопревращения между
ними называют инверсией цикла.

Заместители у каждого атома цикла могут
находиться в аксиальном (а) или экваториальном (е) положениях. Аксиальные связи расположены параллельно оси симметрии цикла и направлены
попеременно вверх и вниз. Экваториальные связи ориентированы под углом
109⁰ к оси симметрии цикла также
попеременно вверх и вниз. При инверсии цикла экваториальные связи становятся
аксиальными и наоборот.

При введении в циклогексан заместителей две
конформации кресла становятся энергетически неравноценными. Меньшей энергией,
как правило, обладает та конформация, в которой объемистые заместители занимают
экваториальное положение. Например, для циклогексанола наиболее выгодной
является конформация с экваториальным положением ОН группы:

Основой строения пиранозных форм моносахаридов
является тетрагидропиран, для которого возможны две энергетически
неравноценные конформации кресла.

Более стабильной является конформация с
наименьшим числом объемистых заместителей в аксиальном положении. Для
большинства D-альдогексоз это конформация ⁴С₁, в
которой группа CH₂OH занимает
экваториальное положение.

Рассмотрим конформационное строение  b-D-глюкопиранозы.
Более выгодной для этой формы D-глюкозы является конформация ⁴С₁, в которой все заместители находятся в экваториальном
положении.

У a-аномера гликозидный гидроксил в этой конформации будет
занимать аксиальное положение. Поэтому в равновесной смеси таутомеров D-глюкозы
преобладает b-аномер.
b-D-глюкопираноза – единственная D-гексоза с
экваториальным положением всех заместителей. Как следствие этого, D-глюкоза —
наиболее распространенный в природе моносахарид. Из всего семейства
D-альдогексоз в природе встречаются только эпимеры D-глюкозы – D-галактоза и
D-манноза, у которых число заместителей, занимающих аксиальное положение
минимально.

Химические свойства моносахаридов определяются
наличием карбонильной группы (в ациклической форме), полуацетального гидроксила
(в циклических формах) и спиртовых ОН групп.

Восстановление

При восстановлении карбонильной группы альдоз
образуются многоатомные спирты – глициты.

В лабораторных условиях для восcтановления
используют NaBH₄. В
промышленности применяют каталитическое гидрирование. Таким образом получают
заменители сахара: из D-глюкозы — сорбит (D-глюцит), из D-ксилозы –
ксилит.

Восстановление альдоз приводит к “уравниванию”
функциональных групп на концах цепи. В результате из некоторых альдоз (эритрозы,
рибозы, ксилозы, аллозы, галактозы) образуются оптически неактивные
мезо-соединения, например:

Разные альдозы при восстановлении могут дать
один и тот же спирт.

Такая конфигурационная взаимосвязь между
глицитами использовалась для установления стереохимической конфигурации
моносахаридов.

При восстановлении кетоз из карбонильной группы
возникает новый хиральный центр и образуется смесь неравных количеств
диастереомерных спиртов (эпимеров по С-2).

Эта реакция доказывает, что D-фруктоза,
D-глюкоза и D-манноза имеют одинаковые конфигурации хиральных центров С-2, С-3,
и С-4.

Окисление

Вследствие своей полифункциональности альдозы
окисляются по-разному при действии различных окислителей. При этом может быть
окислена карбонильная группа, оба конца углеродной цепи или расщеплена связь
С-С.

Получение гликоновых кислот

При мягком окислении альдоз, например, под
действием бромной воды, затрагивается только карбонильная группа и образуются гликоновые кислоты, которые очень легко образуют пяти- и шестичленные
лактоны.

Кетозы в этих условиях не окисляются и могут
быть таким образом выделены из смесей с альдозами..

Альдозы и кетозы дают реакции, характерные
только для соединений, содержащих альдегидную группу: они восстанавливают в
щелочной среде катионы металлов Ag⁺ (Ag(NH₃)₂OH – реактив
Толенса) и Cu²⁺ (комплекс
Cu²⁺ с тартрат-ионом – реактив
Фелинга). При этом гликоновые кислоты образуются в незначительном
количестве, так как в щелочной среде протекает деградация углеродного скелета
моносахаридов.

Альдоза +
Ag(NH₃)₂⁺              —->         гликоновая кислота + Ag
+ продукты деструктивного окисления

Альдоза +
Cu²⁺         —->     гликоновая кислота +
Cu₂O    + продукты деструктивного окисления

Сахара, способные восстанавливать реактивы
Толенса и Фелинга, называют восстанавливающими. Кетозы проявляют
восстанавливающие свойства за счет изомеризации в щелочной среде в альдозы,
которые и взаимодействуют далее с окислителем. Процесс превращения кетозы в
альдозу происходит в результате енолизации. Образующийся из кетозы енол является
общим для нее и 2-х альдоз (эпимеров по С-2). Так, в слабощелочном растворе в
равновесии с D-фруктозой находятся ендиол, D-глюкоза и D-манноза.

Взаимопревращения в щелочном растворе между
альдозами, эпимерами по С-2, называют эпимеризацией.

Получение гликаровых кислот

При действии разбавленной азотной кислоты
окисляется оба конца углеродного скелета альдоз и образуются гликаровые
кислоты.

При образовании гликаровых кислот, как и в
случае глицитов, происходит “уравнивание” функциональных групп на концах цепи и
из некоторых альдоз образуются мезо-соединения.

Окисление кетоз азотной кислотой протекает с
расщеплением С-С связей.

В природе широко распространены гликуроновые
кислоты.

В лабораторных условиях они могут быть получены
только многостадийным синтезом, так как окисление спиртовой группы в присутствии
альдегидной требует предварительной защиты последней. Гликуроновые кислоты
входят в состав полисахаридов (пектиновые вещества, гепарин). Важная
биологическая роль D-глюкуроновой кислоты состоит в том, что многие токсичные
вещества выводятся из организма с мочой в виде растворимых глюкуронидов.
 
 

Получение гликозидов

Циклические формы моносахаридов содержат несколько групп ОН, одна из которых
– гликозидный (полуацетальный) гидроксил, отличается повышенной
склонностью к реакциям нуклеофильного замещения.

Известно, что в присутствии кислотных катализаторов полуацетали реагируют со
спиртами. При этом происходит нуклеофильное замещение полуацетального гидроксила
и образуются полные ацетали.

Аналогично реагирует гликозидный гидроксил в
альдозах и кетозах. Спиртовые ОН группы при этом не затрагиваются. Продукты
замещения гликозидного гидроксила называют гликозидами (гликопиранозидами или гликофуранозидами в
зависимости от размера цикла). Например, при пропускании через раствор D-глюкозы
в метаноле газообразного HCl образуется смесь метилглюкозидов, соответствующих
разным таутомерным формам D-глюкозы (двум пиранозным и двум фуранозным). В
условиях термодинамического контроля в реакционной смеси преобладают более
стабильные метилпиранозиды.

Метил-a-D-глюкопиранозид большей термодинамической
стабильностью, чем b-аномер и поэтому образуется в большем количестве.
Гликозиды существуют только в циклической форме, поэтому a— и b-аномеры гликозидов не могут
спонтанно переходить друг в друга в результате таутомерных превращений.
Гликозиды не имеют свободной альдегидной группы и являются невосстанавливающими сахарами.

Как полные ацетали гликозиды гидролизуются в
условиях кислотного катализа и устойчивы в разбавленных растворах щелочей.
Механизм кислотного гидролиза включает протонирование гликозидного кислорода,
расщепление гликозидной С-О связи с образованием гликозил-катиона, который затем
атакуется молекулой воды.

Расщепление гликозидной связи важно с
биологической точки зрения, поскольку многие природные соединения являются
гликозидами. Широко используется ферментативный гидролиз гликозидов,
преимущество которого заключается в его специфичности. Определенные ферменты
гидролизуют только a— или только b-гликозидные связи., что может быть использовано для
установления конфигурации гликозидной связи.

Молекулу гликозида рассматривают как состоящую
из двух частей – сахарной части и агликона:

В качестве агликона в природных гликозидах могут
выступать спирты, фенолы, стероиды, сами моносахариды. Перечисленные агликоны
связаны с сахарной частью через атом кислорода, поэтому такие гликозиды называют О-гликозидами. В природе широко распространены N-гликозиды, в
которых агликонами являются азотистые основания. К ним относятся нуклеозиды – структурные единицы нуклеиновых кислот.

Получение простых эфиров

Метиловые эфиры по спиртовым группам ОН получают
действием на моносахариды диметилсульфата в водном растворе щелочи или
метилиодида в присутствии оксида серебра. Эти методы являются модификациями
синтеза Вильямсона. При этом в реакцию вступает и гликозидный гидроксил. Простые
эфиры по спиртовым группа устойчивы к гидролизу, в то время как гликозидная
связь легко расщепляется в кислой среде.

Приведенная последовательность реакций
(метилирование, затем гидролиз) используется для определения размера цикла в
моносахаридах. Неметилированной остается группа ОН, которая участвовала в
образовании циклического полуацеталя.

Получение сложных эфиров

Гидроксильные группы моносахаридов легко
этерифицируются действием ангидриридов и хлорангидридов карбоновых кислот. Чаще
всего используют ацетилирование уксусным ангидридом в присутствии кислотного
(H₂SO₄, ZnCl₂) или основного (пиридин, СH₃COONa) катализатора.

Соотношение a— и b-аномеров зависит от условий
проведения реакции. В условиях термодинамического контроля (высокая температура,
кислотный катализатор) преобладает более стабильный a-аномер. В условиях
кинетического контроля (температура ниже 0⁰С, основной катализатор) преимущественно образуется b-аномер, поскольку
экваториальная группа ОН ацилируется с большей скоростью, чем аксиальная.

Для удаления ацетильных групп используют
переэтерификацию действием метилата натрия в метаноле.

Получение производных по карбонильной
группе. Образование озазонов

Моносахариды вступают во многие реакции нуклеофильного присоединения по
карбонильной группе, характерные для альдегидов и кетонов: присоединяют HCN,
NH₂OH, фенилгидразин. При действии
избытка фенилгидразина образуются озазоны.

Эпимеры по С-2, например, D-глюкоза и D-манноза,
дают один и тот же озазон, что используется для установления стереохимической
конфигурации моносахаридов. Кетозы также образуют озазоны. D-фруктоза дает такой
же озазон, что и D-глюкоза.

Озазоны – желтые кристаллические вещества,
используются для идентификации сахаров.
 
 

Дисахариды состоят из двух моносахаридных остатков, связанных гликозидной
связью. Их можно рассматривать как О-гликозиды, в которых агликоном является
остаток моносахарида.

Возможно два варианта образования гликозидной связи:

1) за счет гликозидного гидроксила одного моносахарида и спиртового
гидроксила другого моносахарида;

2) за счет гликозидных гидроксилов обоих моносахаридов.

Дисахарид, образованный первым способом, содержит свободный гликозидный
гидроксил, сохраняет способность к цикло-оксо-таутомерии и обладает восстанавливающими свойствами.

В дисахариде, образованном вторым способом, нет
свободного гликозидного гидроксила. Такой дисахарид не способен к
цикло-оксо-таутомерии и является невосстанавливающим.

В природе в свободном виде встречается
незначительное число дисахаридов. Важнейшими из них являются мальтоза,
целлобиоза, лактоза и сахароза.

Мальтоза содержится в
солоде и образуется при неполном гидролизе крахмала. Молекула мальтозы состоит
из двух остатков D-глюкозы в пиранозной форме. Гликозидная связь между ними
образована за счет гликозидного гидроксила в a-конфигурации одного моносахарида и гидроксильной группы
в положении 4 другого моносахарида.

Мальтоза – это восстанавливающий дисахарид. Она способна к таутомерии и имеет a— и  b-аномеры.

Целлобиоза – продукт
неполного гидролиза целлюлозы. Молекула целлобиозы состоит из двух остатков
D-глюкозы, связанных b-1,4-гликозидной связью. Целлобиоза – восстанавливающий
дисахарид.

Различие между мальтозой и целлобиозой состоит в
конфигурации гликозидной связи, что отражается на их конформационном строении.
Гликозидная связь в мальтозе имеет аксиальное, в целлобиозе – экваториальное
положение. Конформационное строение этих дисахаридов служит первопричиной
линейного строения макромолекул целлюлозы и спиралеобразного строения амилозы
(крахмал), структурными элементами которых они являются.

Лактоза содержится в молоке
(4-5%). Молекула лактозы состоит из остатков D-галактозы и D-глюкозы, связанных b-1,4-гликозидной связью.
Лактоза – восстанавливающий дисахарид.

Сахароза содержится в
сахарном тростнике, сахарной свекле, соках растений и плодах. Она состоит из
остатков D-глюкозы и D-фруктозы, которые связаны за счет гликозидных
гидроксилов. В составе сахарозы D-глюкоза находится в пиранозной, а D-фруктоза –
в фуранозной форме. Сахароза – невосстанавливающий дисахарид.

Дисахариды вступают в большинство реакций, характерных для моносахаридов:
образуют простые и сложные эфиры, гликозиды, производные по карбонильной группе.
Восстанавливающие дисахариды окисляются до гликобионовых кислот. Гликозидная
связь в дисахаридах расщепляется под действием водных растворов кислот и
ферментов. В разбавленных растворах щелочей дисахариды устойчивы. Ферменты
действуют селективно, расщепляя только a— или только b-гликозидную связь.

Последовательность реакций – окисление,
метилирование, гидролиз, позволяет установить строение дисахарида.

Окисление дает возможность определить, остаток
какого моносахарида находится на восстанавливающем конце. Метилирование и
гидролиз дают информацию о положении гликозидной связи и размерах цикла
моносахаридных звеньев. Конфигурация гликозидной связи ( a или b) может быть определена с
помощью ферментативного гидролиза.
 
 

Полисахариды – полимеры, построенные из
моносахаридных остатков, связанных гликозидными связями. Полисахариды могут
иметь линейное или разветвленное строение. Полисахариды, состоящие
их одинаковых моносахаридных остатков, называют гомополисахаридами, из
остатков разных моносахаридов – гетерополисахаридами.

Крахмал – полисахарид
растительного происхождения. Его основная биологическая функция – запасное
вещество растений. Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов – амилозы (10-20%) и амилопектина (80-90%)

Амилоза – линейный гомополисахарид, состоящий из
остатков D-глюкопиранозы, связанных  a-1,4-гликозидными связями. Структурным элементом амилозы
является дисахарид мальтоза.

Цепь амилозы включает от 200 до 1000
моносахаридных единиц. Вследствие аксиального положения гликозидной связи
макромолекула амилозы свернута в спираль.

Амилопектин – разветвленный гомополисахарид,
построенный из остатков D-глюкопиранозы, которые связаны в основной цепи  a-1,4-гликозидными,
а в местах разветвлений —  a-1,6-гликозидными связями. Разветвления расположены через
каждые 20-25 моносахаридных остатков.

Крахмал набухает и растворяется в воде, образуя
вязкие растворы (гели). Химические свойства крахмала аналогичны свойствам моно-
и дисахаридов. Крахмал гидролизуется под действием кислот (но не щелочей) и
фермента амилазы. Конечным продуктом гидролиза крахмала является
D-глюкоза.

За счет спиралеобразной конформации амилоза
способна образовывать соединения включения с молекулярным иодом. Комплексы
крахмала с иодом имеют интенсивную синюю окраску. Реакция используется как
качественная на иод и крахмал.

Целлюлоза – самый распространенный
растительный полисахарид. Выполняет функцию опорного материала растений. Это
линейный гомополисахарид, построенный из остатков D-глюкопиранозы, связанных b-1,4-гликозидными
связями. Структурным элементом целлюлозы является целлобиоза.

Гликозидная связь в целлюлозе имеет
экваториальное положение. Это определяет линейную конформацию целлюлозы, которая
стабилизирована водородными связями.

Макромолекулы целлюлозы образуют волокна. В
отличие от крахмала целлюлоза в воде не набухает и не растворяется. Для перевода
целлюлозы в растворимую форму необходима её химическая модификация.

Среди других гомополисахаридов стоит отметить
следующие.

Декстраны – полисахариды бактериального
происхождения, построенные из остатков  a-D-глюкопиранозы. Молекулы
декстранов сильно разветвлены. Основным типом связи является a -1,6-, а в местах
разветвлений  a-1,4-, a-1,3-, реже a-1,2-гликозидные связи.
Декстраны используют как заменители плазмы крови.

Хитин – основной полисахарид роговых
оболочек насекомых и ракообразных, встречается в грибах. Хитин — неразветвленный
полисахарид, построенный их остатков N-ацетил-D-глюкозамина, связанных b-1,4-гликозидными
связями.

Пектиновые вещества содержатся в ягодах,
фруктах и овощах, способствуют желеобразованию Основной компонент пектиновых
веществ – пектовая кислота – линейный полисахарид, построенный их остатков
D-галактуроновой кислоты, связанных  a-1,4-гликозидными связями.

Гетерополисахариды имеют в основном животное или
бактериальное происхождение. Важное значение имеют гетерополисахариды, входящие
в состав соединительной ткани. Полисахариды соединительной ткани находятся в
виде углевод-белковых комплексов — протеогликанов. Наиболее важные из
них: хондроитинсульфаты (кожа, хрящи, сухожилия), гиалуроновая
кислота (хрящи, стекловидное тело глаза, суставная жидкость), гепарин (печень, кровеносные сосуды). Для этих полисахаридов характерны общие черты в
строении. Они имеют неразветвленную структуру и содержат биозные фрагменты,
включающие гликуроновые кислоты и ацетилированные аминосахара. Например,
гиалуроновая кислота состоит из дисахаридных фрагментов, включающих D-глюкуроновую кислоту и
N-ацетил-D-глюкозамин, которые связан внутри биозного фрагмента b-1,3-гликозидной связью, между
биозными фрагментами — b-1,4-гликозидной связью.