Курс лекций по биоорганической химии. Курс лекций по биоорганической химии учебное пособие для студентов 1 курса очного обучения

• Название: Курс лекций по биоорганической химии учебное пособие для студентов 1 курса очного обучения
• Анкор: Курс лекций по биоорганической химии.doc
• Дата: 25.06.2018
• Размер: 4.37 Mb.
• Имя файла: Курс лекций по биоорганической химии.doc
• Тип: Курс лекций; #20733
• страница: 15 из 26

Н-С-ОН d Н-С-ОН d Н-С-ОН d Н-С-ОН d Н-С-ОН d

| | | | |

⁵ СН2 ОН СН2 ОН СН2 ОН СН2 ОН СН2 ОН

D-рибулоза(dd)

D - рибоза ( ddd) D- ксилоза ( dld ) D- арабиноза(ddl ) D - 2- дезоксирибоза

Две пентозы D- Рибоза ( ddd ) и D-арабиноза(ddl ) в растворе взаимно превращаются друг в друга. Промежуточным соединением является D-рибулоза. (dd). В точности также в процессе изомеризации D- рибулоза может превращаться в оба углевода- D-рибозу и D-арабинозу.

Два природных углевода, которые имеют общую кетозу, являются эпимерами, в слабо щелочном растворе превращаются друг в друга; процесс превращения называется - эпимеризацией ( в терминах стереоизомерии- эпимеры- диастереомеры)
D- Рибоза ( ddd ) <——> D-рибулоза(dd) <——> D-арабиноза(ddl )

В более широком понимании- эпимеры- диастереомеры, отличающиеся конфигурацией только одного хирального центра.


Гексозы

Состав гексозы С6(Н 2О)6 или С6 Н12 О6 .

Различают два вида гексоз : альдозы и кетозы

Альдозы содержат четыре хиральных атома , и образуют 16 стереоизомеров.( восемь принадлежат D- ряду, восемь L – ряду )

В биологическом отношении наиболее важное значение для организма человека имеют три альдозы D- стереоряда: D- глюкоза ( ddld ), D- манноза ( ddll ),

D – галактоза. ( dlld ) икетоза D – фруктоза (ddl ).
¹СНО СНО СНО СН2 ОН

| | | |

Н –С-ОН d НО –С-Н l Н –С-ОН l С=О

| | | |

НО-С-Н l НО-С-Н l Н-С-ОН d НО- С- Н l

| | | |

Н-С-ОН d Н-С-ОН d НО-С- Н l Н-С-ОН d

| | | |

Н- С-ОН d Н- С-ОН d Н- С-ОН d Н- С-ОН d

| | | |

⁶СН2 ОН СН2 ОН СН2 ОН СН2 ОН

D- глюкоза( d d l d) D- манноза ( d d l l ) D– галактоза( d l l d) D– фруктоза (d d l ).

Все перечисленные три альдогексозы- диастереомеры ( эпимеры) .
Изомеризация , эпимеризация

Две альдогексозы связаны взаимными неферментативными превращениями в растворе ( способствует слабощелочная среда ) : эпимеры глюкоза и манноза отличаются конфигурацией у второго атома углерода и превращаются друг в друга и в общую кетозу - фруктозу.

D- глюкоза ( ddld ) <——> D – фруктоза (ddl ) <——> D- манноза ( ddll)

В организме эти превращения катализируются ферментами.

Превращение двух других эпимеров : глюкозы и галактозы, которые отличаются конфигурацией третьего атома углерода, спонтанно невозможно.
галактоза ( dlld) <—Х—> глюкоза ( ddld)
Это сложный ферментативный процесс и в растворе углеводов invitro не происходит.
Аминосахара

Наибольшее значение имеют D- 2- глюкозамин и D- 2- галактозамин , которые встречаются в природе в виде аминопроизводных или N- ацильных производных и находятся в составе гетерополисахаридов. В биохимических реакциях образуются из моносахаридов с участием амида глутаминовой кислоты( глутамина)

СНО

|

H –C- NН2 d

|

НО-С-Н l

|

Н-С-ОН d

|

Н-С-ОН d

| D- 2- глюкозамин

СН2 ОН

9.4 Химические свойства моносахаридов

Знание химических свойств моносахаридов необходимо для понимания путей превращения этих важнейших биоактивных соединений в организме и участия их в метаболических процессах.

1. 
   цикло-оксотаутомерия( кольчато-цепная таутомерия) и мутаротация
   
2. 
   изомеризация , эпимеризация
   
3. 
   образование аминогруппы у атома С 2.
   
4. 
   образование гликозидов
   
5. 
   образование сложных эфиров
   
6. 
   реакции окисления
   
7. 
   реакции восстановления
   

9.4.1. Цикло-оксотаутомерия
Моносахариды существуют в форме альдегидов( кетонов) и циклических внутренних

Полуацеталей( полукеталей).

Присутствие двух групп - карбонильной и гидроксильной - в молекуле моносахарида делает возможным протекание внутримолекулярной реакции нуклеофильного присоединения А N, которая сопровождается образованием циклического полуацеталя

( полукеталя).

полуацетальный ( гликозидный)

H Н гидроксил

| |

——С= О ——— ^*С — ОН атом углерода хиральный

<———> возникают 2 зеркальных

А N изомера

————— О — Н ——— О

циклическая форма ( полуацеталь )

Два процесса приводят к образованию циклического соединения:

А) нуклеофильная атака кислорода по атому углерода карбонильной группы

Б) атом водорода присоединяется к кислороду карбонильной группы

Появляется спиртовая группа вместо карбонильной.

Возникают два зеркальных изомера, т.к. возникает новый хиральный центр. Такие зеркальные циклические изомеры называются аномерами.

Гидроксильная полуацетальная группа в аномерном центре углевода в циклической форме называется гликозидной, аномерной.

аномерные гидроксигруппы( выделены жирным шрифтом)

Н ОН НО Н

\ / \ / .

С С

/ \ / \

цикл цикл

Зеркальная изомерия циклической формы моносахарида
Устойчивыми являются пятичленные и шестичленные циклические формы.

Пятичленные формы носят название фуранозы( фуранозные циклы) ( по аналогии с пятичленным циклическим соединением фураном)

Шестичленные циклы носят название пиранозы ( пиранозные циклы )

Все альдопентозы : рибоза , дезоксирибоза и др. и кетогексоза фруктоза in vivo

присутствуют в форме фуранозы( in vitro возможно образование и пиранового цикла). Фуранозный цикл плоский.

Альдогексозы глюкоза , галактоза, манноза образуют in vivo шестичленные пирановые циклы (in vitro возможно также образование фуранового цикла )

Пиранозный цикл может быть, как и циклогексан , в двух пространственных формах : кресло и ванна. В природных соединениях пиранозные циклы имеют конформацию кресло.

Пиранозные циклы более устойчивы к размыканию по сравнению с фуранозными.

В циклической и нециклической форме число гидроксильных групп одинаковое, но в циклической форме исчезает карбонильная группа. Вместо нее образуется гидроксильная группа, которую называют полуацетальной ( гликозидный гидроксил). Два зеркальных циклических изомера по атому углерода С1 обозначают двумя символами- а- и β .

Два циклических изомера моносахарида, отличающихся только пространственным расположением полуацетального гидроксила, носят название аномеров : а-аномер и

Β- аномер.

Циклические формы моносахаридов записывают , используя два различных вида структурных формул: Колли- Толленса и Хеуорса.

Формулы Колли- Толленса образуются из проекций Фишера, в настоящее время они применяются крайне редко, но зато поясняют, как происходит циклизация. От формулы Колли-Толленса зная особые правила, легко перейти к формуле Хеуорса.
Цикло –оксотаутомерия гексоз.

Глюкоза

| |

Н О-¹С-Н Н - С = О Н - ¹С -ОН

| | |

Н -²C- ОН Н -C- ОН Н -C- ОН

| | |

НО-³С-Н О НО-С-Н НО-С-Н О

| | |

Н -⁴C- ОН Н -C- ОН Н -C- ОН

| | |

Н -⁵C Н-С-ОН Н-С | | | |

СН2 ОН СН2 ОН СН2 ОН

А Б

β- аномер схема а-аномер

β – D- глюкопираноза циклизации а- D -глюкопираноза
Атом кислорода гидроксильной группы у С5 нуклеофильно атакует атом углерода карбонильной группы, атом водорода этой гидроксильной группы переходит к атому кислорода карбонильной группы – замыкается цикл( атом кислорода атома С5 рисуют в середине цикла)

У атома С1 возникает гидроксильная группа- полуацетальный, гликозидный гидроксил. ( на схеме формулы А и Б, гидроксильная группа выделена жирным шрифтом)

В циклических формах атом С1 тетраэдрический, связан с четырьмя разными группировками , возникает новый хиральный центр , который обусловливает существование двух изомеров- а- и β-аномеров. Атом С1 принято называть «аномерным»

Аномер, в котором полуацетальный гидроксил расположен также, как гидроксильная группа, определяющая стереоряд ( справа от оси молекулы), является а-аномером ; если полуацетальный гидроксил расположен по другую сторону ( слева) - β-аномер.

Для построения формул Хеуорса следует нарисовать шестичленный цикл, поставить циклический атом кислорода в определенном месте(правый верхний угол, это положение не нумеруется), нарисовать вертикальные связи у каждого атома углерода и те группы, которые в формуле Колли-Толленса были справа( d- конфигурация) написать под плоскостью цикла, а те , что были слева ( l- конфигурация) написать над плоскостью цикла.

Упрощенное правило: что справа -то внизу, что слева – то вверху ( удобно запомнить, в каждой паре двух слов одна буква «р» ).

На рисунке изображена а –D - глюкопираноза ( формула Хеуорса )

d полуацетальный

ld гидроксил в а-форме направлен «вниз»

На следующем рисунке представлены оксоформа D-галактозы и циклоформа : а –D

глюкопираноза.( внимательно рассмотрите и сравните расположение всех гидроксигрупп в обеих формулах и гликозидного гидроксила )

d полуацетальный

D – галактоза (d l l d) l d гидроксил

а- D- галактопираноза

Цикло –оксотаутомерия пентоз и кетогексоз

Альдопентозы и кетогексозы в биологических соединениях образуют фуранозные пятичленные циклы. Все ранее отмеченные особенности и правила записи формулы Хеурса сохраняются.

β - полуацетальный

D- фруктоза ( d d l) d l гидроксил

β - D- фруктофураноза
В растворе рибоза существует в четырех формах: - пиранозных и фуранозных. Доля менее устойчивых фуранозных форм ниже 25%, но во всех природных соединениях: нуклеотидах, нуклеиновых кислотах, АТФ, рибоза и дезоксирибоза находятся только в β - аномерной фуранозной форме, что увеличивает внутренний запас энергии соединения и его реакционную способность.

Мутаротация ( изменение вращения)

В растворах устанавливается равновесие между всеми возможными формами: оксо и циклическими ( а и β ).

Кристаллическая глюкоза а-D- глюкопираноза имеет коэффициент удельного вращения

[ а ] =112⁰ , а у кристаллической β- D- глюкопиранозы [ а ] =19⁰. В растворе каждый из аномеров превращается в другой и устанавливается равновесная смесь обоих аномеров

[ а ] = 53⁰ До наступления равновесия значение [ а ] изменяется, это явление получило название мутаротации
а-аномер <—> оксоформа <—> β-аномер

около 36 % 0,02% около 64%

β-Аномерная форма более устойчива, т.к. гликозидный гидроксил может образовать водородную связь с атомом кислорода в пиранозном цикле.

Н – О β-аномерная форма

———О



Н

Альдозы в циклической форме сохраняют свойства карбонильных соединений, в том числе качественные реакции, позволяющие обнаружить присутствие альдегидной группы.

9.4. 3. Фосфорные эфиры
Все моносахариды в клетке существуют в виде фосфорных эфиров, которые образуются в ферментативных реакциях с участием АТФ
Рибоза + АТФ ———> рибозо -5- фосфат

Глюкоза + АТФ ———> глюкозо -6- фосфат

Галактоза + АТФ ———> галактозо -6- фосфат

Возможен перенос фосфатной группы из одного положения в другое в обратимой реакции изомеризации

Глюкозо-6-ф <———> Глюкозо-1-ф ( аномеры а и β )
Фосфорные эфиры гидролизуются invitro и invivo
Глюкозо-6-фосфат + Н2О ———> глюкоза + Н3 РО4


9.4.3 Образование гликозидов

Моносахариды в циклической форме образуют гликозиды.

Различают:

О-гликозиды ( атом водорода в гликозидном гидроксиле заменен на радикал,

гидрокси группа замещается на остаток спирта)

N- гликозиды ( вместо группы ОН атом С 1 связан с атомом азота . см. раздел

«Нуклеиновые кислоты»)

S - гликозиды ( вместо группы ОН атом С 1 связан с атомом серы )

Гликозиды распространены в природе. Гликозидами являются нуклеотиды, олиго- и полисахариды. Гликозиды образуются при обезвреживании эндогенных токсических веществ организма( билирубина) и экзогенных токсинов и лекарственных препаратов.

Гликозидная связь устойчива в слабощелочной среде и легко гидролизуется в кислой.



О-Н О - R

О О агликон
+ R- О- Н ——> + Н2 О



Н Н

β -Пираноза

О О-β- гликозид - ( О- β- пиранозид)
Для получения гликозида моносахарид растворяют в абсолютном( безводном) спирте и в полученный раствор пропускают сухой газ хлороводород.

Неуглеводная часть ( радикал) в гликозиде называется агликон. В природе в растениях часто в качестве агликона встречаются многоатомные фенолы. флавоноиды. Такие соединения могут обладать различными лекарственными свойствами: сердечные гликозиды, антиоксиданты, противолучевые средства, могу быть токсическими соединениями( дигиталис- гликозид, выделяемый из наперстянки)

Примеры образования названий:
* а- D- глюкопираноза + этанол ——> этил - а- D – глюкопиранозид + Н2О

* β - D – галактопираноза + метонол ——> метил - β - D – галактопиранозид + Н2О

* β – D- рибофураноза + пропанол-1 ——> пропил - β – D- рибофуранозид + Н2О
9.4.4. Реакции восстановления

При восстановлении альдоз и кетоз образуются многоатомные спирты- глициты.

В реакциях in vitro применяют соль литийалюминийгидрид LiFlH4 ( реакция восстановления карбонильной группы относится к А N ) , in vivo ферментативное восстановление происходит с участием НАДН + Н⁺.
D- Глюкоза ( ddld ) + 2Н <——> сорбит ( ddld )

( С6 Н12 О6 ) ( С6 Н14 О6 )

В организме

Гл-6-фосфат + НАДН + Н⁺ <——> 6-ф- сорбит + НАД⁺

При гидрировании кетозы получаются два эпимерных спирта ( восстановление карбонильной кетоновой группы сопровождается образованием двух энантиомерных гидроксигрупп)
D -фруктоза ( ddl) + 2Н <——> сорбит (ddld ) + маннит ( ddll)

( С6 Н12 О6 ) ⁽ С6 Н14 О6 ) ( С6 Н14 О6 )

Реакции взаимного превращения моносахаридов и глицитов протекают в организме человека. При накоплении глюкозы в крови( например, в случае диабета - тяжелого

распространенного заболевания эндокринной системы) образуется сорбит, который накапливается в тканях, камере глаза , вызывая повышение осмотического давления, что является одной из причин нарушения зрения при диабете.

Многоатомные спирты ксилит , маннит используются как лекарственные средства.

9.4.5 Реакции окисления моносахаридов
Известны три направления окисления альдоз.

А ) Гликоновые ( альдоновые ) кислоты
При окислении альдегидной группы образуются гликоновые( альдоновые ) кислоты , которые по классификации не относятся к углеводам - это полигидроксикарбоновые кислоты. Окислению подвергается не карбонильная( оксо) форма, а циклическая , в виде полуацеталя и образуется циклический эфир кислоты – лактон.

Напишем реакцию окисления в традиционном виде( в разомкнутой оксо – форме). Для окисления in vitro используют раствор бромной воды( бромноватистую кислоту)
Вг2 + Н2О ——> НВг + НОВг
СН2 – ( СН2 )4– СНО + НОВг ——> СН2 – ( СН2 )4– СООН + НВг

| | | |

ОН ОН ОН ОН

глюкоза глюконовая кислота
а- D- глюкопираноза окисляется медленнее, чем β – аномер.

Для качественного обнаружения альдоз применяют реактивы Бенедикта, Толленса, Фелинга, реакция проходит в щелочной среде. ( см. « Практикум по биоорганической химии» )

Фруктоза вследствие изомеризации в щелочной среде в альдозу также дает положительную реакцию, характерную для альдоз ( ложная реакция, не позволяет провести избирательное определение глюкозы в присутствии фруктозы)
Б) Альдаровые( гликаровые, сахарные) кислоты
При действии на альдозы азотной кислотой образуются гликаровые( сахарные) кислоты, которые являются полигидроксидикарбоновыми кислотами. Они не являются

углеводами. поскольку потеряли карбонильную группу.

Сахарные кислоты встречаются в природе , в частности, изученные в разделе «Изомерия» винные кислоты относятся к сахарным.

НNO3

СН2 – ( СН2 )4– СНО ——> НООС – ( СН2 )4– СООН

| | |

ОН ОН ОН

Гексоза гликаровая ( сахарная) кислота
К названию углевода добавляют « аровая кислота» или « сахарная кислота». Многие имеют тривиальные названия. При окислении глюкозы образуется глюкаровая кислота. Названия глюкаровая кислота и сахарная кислота однозначны.

НNO3

Галактоза ——> галактаровая кислота ( галактосахарная, слизевая.)

Слизевая кислота была выделена из виноградных улиток.
В) Альдуроновые ( гликуроновые) кислоты.
Это моносахариды: они сохраняют карбонильную группу, а последняя в углеродном скелете первичная гидроксильная группа окислена до карбоксильной. Гликуроновые кислоты склонны к цикло-оксотаутомерии и in vivo образуют гликозиды в β – аномерной форме пиранозы.

Наибольшее распространение имеет D- глюкуроновая кислота Ее биологическая роль: -участвует в обезвреживании токсических соединений, образующихся в организме или попадающих извне( ксенобиотиков)

- входит в состав гетерополисахаридов , образующих межклеточное вещество соединительной ткани.

Для получения глюкуроновой кислоты необходимо защитить альдегидную группу от окисления, с этой целью используют гликозиды β – D- глюкопиранонозы , после окисления спиртовой группы проводят гидролиз гликозидной связи.

СНО

|

Н-С-ОН d

|

НО- С-Н l

|

Н- С-ОН d

|

Н-С-ОН d

|

СООН

глюкуроновая кислота

9.5. Биологическое значение моносахаридов и их производных.

Лекарственные препараты- углеводы

Глюкоза

В организме человека свободные моносахариды образуются в кишечном тракте при переваривании дисахаридов и полисахаридов и поступают в кровь. По мере всасывания гексозы ( галактоза, фруктоза) превращаются в глюкозу. В крови поддерживается определенный уровень глюкозы, которая быстро усваивается тканями и клетками крови: нервной тканью, эритроцитами – без глюкозы все процессы жизнедеятельности в этих

клетках прекращаются. При недостатке кислорода( гипоксии) глюкоза становится единственным веществом, обеспечивающим мышечную деятельность. В крови содержится 3.3 -5,5 мМоль/л ( 80 -120 мг в 100мл крови или 4-6 г в объеме всей крови ).

Свободная глюкоза встречается в виноградном соке и соке спелых сладких фруктов, в растениях она запасается в составе олигосахарида сахарозы или полисахарида крахмала.

Глюкоза и многие гексозы, их олиго- и полисахариды подвергаются « брожению»- так называют процессы превращения углеводов с участием микроорганизмов

Спиртовое брожение

С6 Н12 О6 —— ферменты —— > 2 С2 Н5 ОН + 2 СО2

Молочнокислое брожение( в мышцах этот процесс носит название анаэробный гликолиз)

С6 Н12 О6 —— ферменты —— > 2 С3 Н6 О3 ( молочная кислота)

Препараты глюкозы( Glucosum , Dextrosum ) используются в медицине, выпускают в виде порошков, таблеток, стерильных растворов, добавляют в другие лекарственные средства..

Растворы стерилизуют при температуре от 100⁰ до 121⁰. для стабилизации добавляют 0.1Н раствор НСl. Для внутривенного введения используют изотонические растворы 4,0-4,5% ( изотонический раствор имеет осмотическое давление соответствующее осмотическому давлению крови ) и гипертонические 10—40% ( выше осмотического давления крови).

Изотонические растворы применяют при кровопотере для возмещения объема циркулирующей крови, глюкоза вызывает усиление энергетических процессов в тканях. Гипертонические растворы повышают осмотические давление, усиливают отток жидкости из тканей в кровь, способствуют выделению из органов токсических веществ и увеличивают поступление глюкозы в мозг, сердце, печень, мышцы.
Глюкуроновая кислота

Образуется в организме из уридилдифосфатглюкозы ( УДФ-глюкозы) ( см. лекцию «Нуклеиновые кислоты, нуклеотиды, азотистые основания) и присутствует в виде уридилдифосфатглюкуроновой кислоты ( УДФ-глюкуроновой кислоты). Соединение участвует в двух важнейших направлениях метаболических процессов: