prosdo.ru 1 2 ... 14 15




Академия наук СССР

Серия "Наука и технический прогресс"

А.Н.Бочков

В.А.Афанасьев

Г.Е.Заиков


Углеводы

Издательство "Наука"

Москва, 1980

Предисловие
Углеводы, или сахара, представляют собой обширный класс природных органических соединений, составляющих основную массу органического вещества нашей планеты. С представителями углеводов человек сталкивается в самых различных областях своей деятельности и при изучении самых различных живых объектов. Только по химии углеводов (не считая биохимии) сейчас публикуется в среднем полторы-две тысячи работ в год. Охватить этот материал в рамках небольшой книги, разумеется, невозможно. Мы сконцентрируем внимание на фундаментальных вопросах структуры углеродных молекул и лишь очень кратко остановимся на синтетических проблемах этой области, так как синтезу будет посвящена специальная книга. Наша задача - кратко описать современное состояние исследований в области углеводов. В понятие "современное состояние" мы вкладываем не только и не столько самоновейшие сведения и методы исследования, а в первую очередь сегодняшнее понимание этой области, ее, так сказать, современную идеологию. А она весьма нетривиальна и во многом отличается, например, от идеологии химии белка. Как мы дальше увидим, даже такое фундаментальное химическое понятие, как понятие об индивидуальном веществе, имеет различный смысл для белков и полисахаридов. Мы попытаемся дать читателю почувствовать современную логику мышления исследователей в этой очень своеобразной и увлекательной области биоорганической химии.

Эта книга написана с химиками. Поэтому весь материал рассматривается в ней с органо-химических позиций, т.е. представлен в терминах молекулярных структур и конформаций. Иными словами, здесь преимущественно описана химия углеводов. С другой стороны, углеводы - это прежде всего компоненты живых систем, и рассматривать


их структуры и свойства, а также логику развития исследований в этой области в отрыве от их биологической роли, было бы глубоко неправильно. Поэтому авторы все-таки попытались выборочно и в основном иллюстративно охарактеризовать роль углеводных структур в живых системах.

Авторы выражают глубокую признательность А.И.Усову и Т.Н.Дружининой, прочитавшим книгу в рукописи и сделавшим ряд ценных замечаний, а также М.И.Арцис и С.Н.Сенчековой за помощь при подготовке рукописи к печати.

Глава 1

Струтуры
Что это такое?
Как известно, полноценная пища для человека должна включать белки, жиры, углеводы, витамины и микроэлементы. Главные углеводные компоненты пищи - это крахмал, сахароза, глюкоза, фруктоза. Целлюлозная промышленность со всеми ее многочисленными ответвлениями производит и утилизирует другой представитель класса углеводов: высокомолекулярный полисахарид - целлюлозу. Что общего между несъедобной целлюлозой и крахмалом?

Наша звездная система называется Галактикой. Есть ли что-либо общее этим названием и моносахаридом галактозой? Вспомним: Галактика - Млечный путь - молоко - молочный сахар - лактоза - галактоза. Пустыня сахара и сахар. Древний Египет - тростник в долине Нила - тростниковый сахар, впервые попавший в Европу из Африки - Сахара.

Морской прибой непрерывно бьет о камни водоросли литорали. Они изгибаются, сплетаются друг с другом, завязываются в узлы, трутся взмытым песком - и все же сохраняют свою целостность. Что придает им форму и эластичность?

Микробиологи выращивают культуру микроорганизмов на агаровых средах. Практически это застывшая при комнатной температуре вода – твердый агаровый гель можно получить из 1л воды и всего 1 г агара. При всей гигантской всеядности микроорганизмов в целом (некоторые из них разрушают бетон и резину, утилизируют молекулярный водород, живут в серной кислоте и т.д.), лишь немногие из них способны переваривать агар. Агар – тоже полисахарид. Его выделяют из морских водорослей, которым он и подобные ему полисахариды обеспечивают чрезвычайно прихотливый набор физико-механических и физико-химических характеристик, необходимых растению для выживания в столь своеобразной среде, как прибойная зона Мирового океана.


По ошибке больному перелили кровь другой группы. Наступает бурная, чрезвычайно опасная реакция. Чем она вызвана? Оказывается, полисахаридные цепи биополимеров крови донора и реципиента различались по структуре всего на одно-два моносахаридных звена.

В технике борьба с трением и износоустойчивость – проблема фундаментального значения. В живых системах, где механическое движение распространено универсально, та же проблема решается не менее универсально – при помощи гликопротеиновой смазки. Гликопротеины – биополимеры, включающие белковую и пептидную компоненты, ковалентно связанные с углеводной. Она выстилает в животных организмах все трущиеся поверхности: кости в суставах, кровеносные сосуды, мочеполовые пути, поверхность тела рыб и т.л. А у антарктических рыб определенные гликопротеины играют роль антифризов, препятствующих замерзанию крови и других биологических жидкостей при отрицательных температурах.

А вот другой гликопротеин – хитин. Из него построены жесткие панцыри разнообразных низших животных – ракообразных, насекомых и т.д. Иная функция – иной набор механических и химических характеристик, во многом уникальных. Большой кусок крабьего панцыря, например, хрупок, и, казалось бы, измельчить его не составляет труда. Но попробуйте растереть его более мелкие кусочки в ступке. Материал пружинит, выскальзывает из-под пестика, но растиранию упорно не поддается. Он «ухитряется» быть одновременно и твердым, и вязким, и хрупким, и эластичным.

В организм попали болезнетворные микроорганизмы. Резко повышается температура, энергично вырабатывается иммунный ответ организма. На что в первую очередь реагирует организм-хозяин? На то, с чем соприкасается прежде всего: на материал, выстилающий внешнюю поверхность клеток-паразитов.У одного из классов возбудителей инфекционных болезней это липополисахариды – высокомолекулярные структуры, включающие липидную и полисахаридную части. У каждого вида – свои липополисахариды, и ответ на них строго индивидуален и специфичен (так, иммунитет от брюшного тифа не спасает от возвратного).


Кто в наше время не знает о нуклеиновых кислотах. Три структурных элемента обязательно входят в состав их каждого мономерного звена: гетероциклическое основание, фосфат и моносахаридный остаток: рибоза или 2-дезокси-рибоза. Таким образом, и это – производные углеводов.

Можно, наконец, вспомнить и о том, что углеводы составляют основную часть всего органического вещества на планете Земля.

Итак, углеводы – это глюкоза, крахмал, целлюлоза, лактоза, сахароза, агар, гликопротеины, липополисахариды, хитин, нуклеиновые кислоты, ацетатная пленка, шпательное волокно и т.д. и т.п. Так что же это все-таки такое,- углеводы? Как почти любому классу органических соединений с развитой химией, им трудно дать вполне строгое определение, т.е. такое, которое включало бы все представители и ислключало все, не входящее в этот класс. Поэтому поступим иначе: попытаемся описать основные структурные черты углеводов и показать на конкретных примерах их типичных представителей, какими они бывают.

Можно начать с семантики. «Угле-воды», уголь и вода, Cn(H2O)n. Так их называли в прошлом веке, когда элементный состав органических соединений служил одной из важнейших доступных характеристик. Действительно, элементарная формула глюкозы, C6H12O6 – отвечает схеме «уголь+вода». Но понятно, что разбор одного элементного состава дает немного. Даже уксусная кислота в соответствии с таким определением есть углевод [CH3COOH = C2(H2O)2]. Так что оставим семантику и обсудим вопрос в более современных терминах.
Структура моносахаридов

Элементарным звеном всех высших углеводов, так же как и низкомолекулярных производных этого класса, являются моносахариды. В типичных случаях их молекулы содержат прямую насыщенную цепь из пяти или шести углеродных атомов, каждый из которых несет гидроксильный заместитель, а один окислен до альдегидное или кетонной группы. Таковы, например, альдопентозы 1 (т.е. С5-сахара с альдегидной группой), альдогексозы 2 (т.е. С6-сахара с альдегидной группой), кетогексозы (C6-сахара с кетогруппой) и др. Кроме наиболее распространенных пентоз и гексоз, существуют еще C3-, C4-, C7-, C8- и даже C9-моносахариды, называемые соответственно триозами, тетрозами, пентозами, октозами и нонозами.






Концевое CH2OH-звено цепи (кстати, нумеруют углеродные атомы в моносахаридах всегда начиная с карбонильной группы или с ближайшего к ней конца цепи) может быть окислено до карбонила. При этом возникает другой распространенный подкласс моносахаридов – уроновые кислоты, например альдопентуроновые кислоты 4 или альдогексуроновые кислоты 5. В других случаях наоборот, у углеродного атома отсутствует гидроксил. Возникает так называемое дезоксизвено и соответственно дезоксисахара, например, 2-дезокси-альдопентозы (в частности, 2-дезокси-D-рибоза, комнонент ДНК) или 6-дезокси-альдогексозы 7. Одна из гидроксильных групп (а иногда и две или даже три) может быть заменена аминогруппой. Это аминосахара, как, например, 2-амино-2-дезокси-альдогексозы 8, часто, но нестрого называемые гексозаминами. Бывают, наконец, и моносахариды с разветвлением углеродного скелета а также с несколькими видами отклонений от классических структур типа 1-3 одновременно.

Не следует думать, что названные типы соединений – некие искусственные «монстры». Наоборот, все это типичные и достаточно распространенные структурные элементы более сложных природных углеводов (другое дело, что все они могут быть получены и синтетически). Более того, существуют в природе и нередко играют весьма важную роль в жизнедеятельности клетки и более сложные моносахариды, еще более отдаляющиеся по структуре и составу от классических «угле-водов». Здесь мы хотели указать на наиболее распространенные типы структурных вариаций, встречающихся в этом классе.

В каждой из рассмотренных структур имеется по нескольку ассиметричных центров и, следовательно, для каждой возможно существование 2n стереоизомеров, где n – число ассиметрических центров. В альдогексозах (2), например, их 4. В классификационных целях из них выделяют один: тот, который максимально удален от карбонильной группы (для гексоз это С-5), и по его конфигурации (D или L) относят моносахарид соответственно к D- или L-ряду.


А как описать конфигурацию остальных центров? Для этого применяют серию тривиальных названий для всех возможных комбинаций относительных конфигураций. Так возникают такие названия, как D-глюкоза (9), D-галактоза (10), D-арабиноза (11), L-арабиноза (12), D-рибоза (13) и др.



Структуры 9-13 написаны в проекции Фишера. Напомним, что по правилам фишеровской проекции, тетраэдрический углеродный атом располагают так, чтобы его четыре связи проектировались на плоскость в виде креста, причем связи, смотрящие на наблюдателя (над плоскостью бумаги), образуют горизонтальную линию, а уходящие под плоскость бумаги (от наблюдателя) – вертикальную, как это показано на примере формул 14 и 15. Чаще всего символ центрального атома опускают, заменяя его точкой пересечения прямых (формула 16). Это показано на схеме, составленной в проекции Фишера



где 1-4 – заместители при центральном углеродном атоме, атом углерода в плоскости бумаги, заместители 1 и 3 – над плоскостью, заместители 2 и 4 – под плоскостью.

Итак, главные источники структурного и функционального многообразия моносахаридов лежат в различном наборе функциональных групп (карбонильные, гидроксильные, карбоксильные, аминогруппы и т.д.) и в не меньшей степени в различиях стереохимии. Последнее надо особо подчеркнуть. В обычном курсе органической химии рассматривают свойства и различия отдельных классов соединений, основанные в первую очередь на различиях бутлеровских структур, и отдельно в виде некоего экзотического приложения – вопросы стереохимии. В химии сахаров такого разделения не может быть. В принципе вся эта область есть органическая стереохимия par excellence*, и все многообразие свойств углеводов проистекает прежде всего из их стереохимических различий. Так, например, кардинальные различия свойств и биологической функции целлюлозы и одного из двух компонентов крахмала – амилозы – обусловлены различием конфигурации лишь одного ассиметричного центра элементарного звена этих стереоизомерных полисахаридов.


Целый ряд классических деструктивных методов установления строения органических веществ привел исследователей прошлого века к структурам типа 1-13 для моносахаридов.И в смысле справедливости строения углеродного скелета и положения заместителей эти структуры отражают непреложную, добытую экспериментом истину. Тем не менее они не соответствуют действительному строению моносахаридов, хотя и удобны в дидактическом плане: для описания и запоминания относительных конфигураций ассиметрических центров (чем мы в дальнейшем еще воспользуемся).

Чтобы продвинуться дальше (ближе к реальности)

нам нужно вспомнить некоторые свойства карбонильных соединений. Альдегиды и кетоны (по крайней мере обычные) в присутствии кислот легко реагируют со спиртами, образуя ацетали и кетали. Как и многие другие реакции конденсации, образование ацеталей и кеталей резко ускоряется в том случае, когда реагирующие группы пространственно сближены, например расположены на подходящем расстоянии внутри одной молекулы*. Моносахарижы представлены полиоксиальдегидами или полиоксикетонами, в которых карбонильная группа может на выбор вступать в конденсацию с любым гидроксилом той же молекулы. Естественно, что такая реакция осуществляется с наиболее «удобно» расположенным гидроксилом. Вследствие ряда причин, на которых мы сейчас не будем останавливаться, оптимальное расположение карбонильной и спиртовой групп отвечает замыканию пяти- и шестичленных циклов.

Действительно, одна из спиртовых гидроксильных групп моносахарида, например D-глюкозы (9), самопроизвольно вступает в конденсацию с альдегидной группой той же молекулы с образованием ацетальной связи. При этом возникает циклическое производное, но не ацеталь, а полуацеталь, т.е. такое, в котором один из заместителей при бывшем карбонильном атоме углерода – спиртовый остаток, а другой – гидроксильная группа. Так образуются пятичленные, так называемые фуранозные циклы (17), если в реакции участвует гидроксил при С-4 или шестичленные – пиранозные циклы (18), если в реакцию вступает гидроксил при С-5.




Подведем предварительные итоги. Моносахариды – это полиоксиальдегиды или полиоксикетоны с прямой (в типичных случаях) насыщенной углеродной цепью. Часть гидроксильных групп может отсутствовать или быть заменена на другие функциональные группы. Обычное состояние моносахаридов (и, как мы увидим в дальнейшем, всех их важнейших природных и синтетических производных) циклическое, включающее образование пяти- и шестичленного гетероцикла с одним атомом кислорода в цикле.

Теперь возникает технический, но немаловажный вопрос: Как их изобразить на бумаге?
Изображение молекул углеводов на плоскости
Хотя уже пещерные художники умели несколькими штрихами создавать адекватные образы явлений внешнего мира, проблема двухмерного изображения трехмерных объектов актуальная и по сей день. Вот, например, как столкнулся с ней шестилетний Антуан Сент-Экзюпери: «Я много раздумывал о полной приключений жизни джунглей и тоже нарисовал цветным карандашом свою первую картинку… Я показал свое творение взрослым и спросил, не страшно ли им. – Разве шляпа страшная? – возразили мне. А это была совсем не шляпа. Это был удав, который проглотил слона. Тогда я написовал удава изнутри, чтобы взрослым было понятнее. Им ведь всегда все нужно объяснять».

Из опыта автора «Маленького принца» мы видим, что есть два пути изображения объекта: подробное и схематическое. Первое технически сложно и мало годится для повседневности, второе удобно, но для его понимания требуется некоторое воображение. Для самого художника последнее ограничение не было существенным – он ведь много размышлял о своем предмете, прежде чем взялся за карандаш.

Молекулы сахаров – существенно трехмерные объекты. Но это еще не все. Гораздо важнее и менее тривиально, что у них нет никаких элементов симметрии, которые позволили бы изобразить их на бумаге в двух измерениях, без существенной потери информации. Это не бензол, имеющий плоскость симметрии и позволяющий без большого ущерба забыть об одной из пространственных координат и уверенно манипулировать на бумаге с плоским шестиугольником.


Выше мы пользовались проекцией Фишера. Она точно отражает относительную конфигурацию ассиметрических центров, но ничего не говорит (хуже того, говорит весьма искаженно) об истинном расположении атомов в пространстве. И уж совсем неудобной становится при изображении циклических структур. Отнюдь не случайно, формулы 17 и 18 имеют такой уродливый вид. Поэтому Хеуорс, один из классиков химии углеводов (который явно много размышлял о своем предмете), предложил повсеместно применяемые и по сей день так называемые перспективные формулы сахаров.

Если вы хотите подробно рассмотреть кольцо с камнем, вы вряд ли станете смотреть на него сбоку – исчезнет ощущение объемности и формы кольца. И не будете смотреть вдоль его оси – плохо виден камень. Скорее всего, вы посмотрите на него под некоторым углом – тогда и форма не ускользнет, и камень хорошо виден. Точно так же поступают (мысленно, разумеется) с циклической молекулой сахара при ее изображении по Хеуорсу.

Правило простое: обращенную к наблюдателю часть цикла на рисунке помещают снизу, а от наблюдателя – наверху. При этом заместители автоматически расположатся над или под линиями, очерчивающими цикл. Обычно (хотя и не всегда) атом кислорода, входящий в цикл, помещают в правом верхнем углу (для пираноз) или наверху (для фураноз). Так, например, D-глюкопираноза описывается формулой 19, а D-глюкофураноза – формулой 20. Все ясно и наглядно. Нужно только помнить, что связи заместителей при каждом из углеродных атомов цикла, например H-C и C-OH, не лежат на самом деле на одной прямой, как изображается на рисунке, а составляют часть тетраэдрической системы связей центрального углеродноо атома, т.е. угол H-C-OH не равен 180, а близок к 109,5

Формулы Хеуорса ясны и удобны, но еще достаточно сложны и мало годятся для скорописи. Поэтому их обычно упрощают и схематизируют. Прежде всего отказываются от символов углеродных атомов цикла. Так получаются формулы 21 и 22. Затем убирают жирные линии, выделяющие приближенную к наблюдателю часть цикла. И, наконец, не изображают атомы водорода и их связи. Так приходят к формулам 23 и 24 – уже не «популярным», а тем самым, которые встречаются в любой вполне профессиональной статье или книге по химии сахаров.



следующая страница >>