Презентация на тему Биополимеры и их структурные компоненты

«жизнь – это особая форма существования биополимерных тел (систем), характеризующихся хиральной чистотой и способностью к самоорганизации и саморепликации в условиях постоянного обмена с окружающей средой веществом, энергией и информацией» (акад. В.Гольданский, 1986 г.),
Виталий Иосифович Гольданский

№ 14. Углеводы
«The Discovery of Honey» — Piero di Cosimo (1462). (Courtesy of the Worcester Art Museum)

Общая формула простых моносахаридов Cn(H2O)m гидратированные формы углерода, “углевод”.
англ. Carbohydrate carbon (углерод) и
(гидрат) – продукт присоединения воды
hydrate

Карл Эрнст Генрих
Шмидт
автор русского слова
«углеводы» (1844)
Российский химик немецко-балтийского происхождения, профессор Дерптского университета (ныне Тартуский университет), член-корреспондент Петербургской Академии наук
13.06.1822 года-
27.02.1894 года

Биологическая роль углеводов
Структурная функция
Строительный материал клетки
(целлюлоза, хитин, мурамин)
Энергетическая кладовая организма
(крахмал, гликоген)
Регулятор биохимических процессов
Транспорт в клетки биологически активных веществ
Составные элементы жизненно важных веществ (нуклеиновые кислоты, коферменты, витамины)

Химический состав клетки
Жиры - 1- 5%
Углеводы - 0,2-2,0%
Нуклеиновые кислоты - 1-2%
Низкомолекулярные органические
вещества – 0,1-0,5%
Белки - 10-20%

В растениях
реакция фотосинтеза, осуществляется за счет солнечной энергии с участием зелёного пигмента растений - хлорофилла.
6СО2 + 6Н2О 
С6Н12О6 + 6О2
Получение углеводов
Солнечная энергия

Elysia chlorotica
Sea slug species Elysia chlorotica feeding on Vaucheria litorea, a yellow-green algae.
Вид небольших морских слизней, относящийся к морским
брюхоногим моллюскам.

Животные и человек не способны синтезировать углеводы и получают их с различными продуктами растительного происхождения

Классификация углеводов
Моносахариды (простые сахара, например, глюкоза)
Олигосахариды (углеводы, содержащие 2-10 остатков моносахаридов, например сахароза).
Полисахариды (углеводы, содержащие более 10 остатков моносахаридов, но обычно – тысячи и миллионы).

Моносахариды (монозы)
простейшие углеводы, не гидролизующиеся на более простые углеводы (греч. mono – один)

Альдозы
n=1–8
Кетозы
n=1–7

Классификация моносахаридов
a) по числу атомов углерода в молекуле
Триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы, октозы, нонозы, декозы.
б) по функциональной группе
Альдозы – содержат альдегидную группу
Кетозы – содержат кетонную группу.
совмещённая классификация :
альдопентоза – альдоза и пентоза (рибоза)
кетогексоза – кетоза и гексоза (фруктоза)

Стереоизомерия моносахаридов.
23=8
24=16
23=8

Наиболее важные пентозы
Альдопентозы
Кетопентозы

Наиболее важные гексозы

Эпимеры
Эпимерами называются диастереомеры моносахаридов, различающиеся конфигурацией только одного асимметрического атома углерода, исключая последний.
Эпимером D-глюкозы по С4 является
D-галактоза, а по С2  D манноза.

Относительная конфигурация.
конфигурационный стандарт

Семейство D-адьдоз

Энантиомеры

Буквенные обозначения моноз

Экспериментальные факты, которые невозможно объяснить, исходя из формул Фишера
Количество изомеров у моносахаридов оказалось вдвое больше, чем следует из формул Фишера.
В растворах моносахаридов наблюдается явление мутаротации.
Моносахариды не проявляют некоторые типичные альдегидные реакции.
Один из гидроксилов проявляет специфические свойства.

Циклические формы
А.А. Колли (1870)
Б. Толленс (1883)
Гликозидный -ОН
AN
AN

Циклические формы
диастереомеры

Циклические формы

Уолтер Хеуорс (1927 г)

Sir Walter Norman Haworth
Уолтер Нормен Хеуорс
1883 - 1950
английский химик-органик и биохимик
Лауреат Нобелевской премии
по химии
1937

МОНОСАХАРИДЫ. Циклические формы

МОНОСАХАРИДЫ. Циклические формы

Конформации молекул моносахаридов
-Аномер
-Аномер
-Аномер
-Аномер

Изменение во времени угла оптического вращения свежеприготовленных растворов моносахаридов, за счет установления равновесия, называют мутаротацией.
Кольчато-цепной (цикло-оксо-) таутомерией называют динамическое равновесие между циклической и открытой формами моносахаридов в растворе.
α-D-глюкопираноза
+112°

-D-глюкопираноза
+19°
равновесие
+52,5°

Мутаротация

Конформации

Конформации

Свойства отдельных моносахаридов и их производных
Глюко́за («виноградный сахар», декстроза)
глюконеогенез
Гала́ктоземи́я
Левулеза, плодовый сахар
токсическое действие на центральную нервную систему, печень и хрусталик глаза

Производные моносахаридов . НЕКЛАССИЧЕСКИЕ САХАРА
Дезоксисахара
рибоза 2-дезокси-D-рибоза
2-дезокси-
-рибофураноза
-D
2
2
β

Дидезоксисахара
D-дигитоксоза
Сердечные гликозиды — группа лекарственных средств растительного происхождения, оказывающих в терапевтических дозах кардиотоническое и антиаритмическое действие.

Наперстянка пурпурная
D-дигитоксоза

Сердечный гликозид

Аминосахара
D-глюкозамин
(2-амино-2-дезокси-D-глюкопираноза)

Аминосахара
D-галактозамин
(2-амино-2-дезокси-D-галактопираноза)

Источник витамина С: лимон, капуста, сладкий перец, другие фрукты и овощи. У большинства животных может синтезироваться в организме. Суточная потребность - 25-75 мг.
Применяется для лечения цинги, геморрагических диатезов, кровотечениях, ряда инфекционных и иммунных заболеваний, для нормализации липидного обмена при атеросклерозе, при усиленном физическом и умственном напряжении, простуде.

водорастворимый витамин. Отсутствие аскорбиновой кислоты в пище человека понижает сопротивляемость к заболеваниям, вызывает цингу, заболевание, ранее уносившее десятки тысяч жизней.
Слово “аскорбиновая” происходит от а – отрицающая частица и scorbutus – цинга. То есть аскорбиновая кислота означает “противоцинготная” кислота
Витамин С.

-лактон 2-оксо-L-гулоновой кислоты

Физические свойства
Концентрированные растворы сахаров в воде называются сиропами.
Сладкий вкус

Сахарин (E954) , 500 раз
имид 2-сульфобензойной кислоты
сахарин негативно влияет на усвоение биотина
сам по себе даёт не очень приятный металлический привкус.
производные используются в качестве фунгицидов, гербицидов и антибактериальных препаратов. его кальциевые и цинковые соли входят в состав композиций, использующихся для изготовления тонеров лазерных принтеров и копировальных аппаратов.
подсластитель

Этоксифенилмочевина (дульцин), 200 раз
Цикаламаты (циклогексилсульфаматы) (E952)30-50р.
( запрещ.в США)
Ацесульфам (E950) , 200 раз
Аспартам (метиловый эфир L-аспартил-L-фенилаланина, E951), 200 раз
Метилфенхиловый эфир L-аспартиламиномалоновой кислоты, 33000 раз
Сукроновая кислота, 200000 раз.

белок монеллин из тропического растения Dioscoreophyllum cumminsii в 3000 раз слаще сахарозы
белок тауматин (E957) из тропического растения Thaumacoccus daniellii слаще сахара в 750-1000 раз, а его комплекс с ионами алюминия – талин – уже в 35000 раз слаще сахарозы

Гликопротеид миракулин из Synsepalum dulcificum не обладает сладким вкусом, но способен изменять вкус кислых продуктов на сладкий

лимоны-сладкие-как-конфеты

Название миракулин происходит от англ. miracle — чудо. Вещество было названо в честь магического фрукта японским профессором Кэндзо Курихирой , который выделил его в 1968 году.

РЕАКЦИИ НЕЦИКЛИЧЕСКИХ ФОРМ
МОНОСАХАРИДОВ.
I. РЕАКЦИИ >C=O.
1.Окисление.
Окисление в щелочной среде.
I

Слабые окислители
реактив Толленса – аммиачный раствор окиси серебра [Ag(NH3)2]OH;

“Реакция серебряного зеркала".

2) реактив Фелинга –смесь Cu(OH)2 с калий-натрий-тартратом (калийно-натриевой солью винной кислоты)

Эпимеризация моноз - "перегруппировка Лобри-де-Брюина  Ван-Экенштайна"
< 1%

Эпимеризация моноз
D -глюкоза
D -манноза
D -фруктоза

Мягкое окисление
( Гликоновая кислота )
раствор брома в воде (бромная вода).

Окисление (сильное) в кислой среде.
альдаровые кислоты

МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства.
Окисление

Гликуроновые (уроновые) кислоты
глюкуроновая галактуроновая маннуроновая
кислота кислота кислота
Окисление конц. азотной кислотой

Уроновые кислоты выполняют важную биологическую функцию – вывод из организма ксенобиотиков и токсичных веществ.
Ксенобиотики (от греч. eno — чужой и bio — жизнь), чужеродные для организмов соединения (промышленные загрязнения, пестициды, препараты бытовой химии, лекарственные средства и т. п.).

О-глюкурониды
Биосинтетический процесс конъюгации

N-глюкурониды

2.Восстановление моносахаридов. Альдиты
(64 % от калорийности сахарозы), причём сладость меньше также на 40 %.
заменитель сахара
обладает желчегонным эффектом
от кашля

Ксилоза → ксилит (E967), xylitol
Манноза → маннит, mannitol
Глюкоза → глюцит (сорбит) E420
Обладает желчегонным и послабляющим действием при употреблении около 50 г в сутки.
подсластитель, влагоудерживающий агент, стабилизатор и эмульгатор.
количество 10 г и более сорбита может вызвать желудочно-кишечную недостаточность.

МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства.
Восстановление кетоз.

3. Реакция удлинения цепи
( циангидринный синтез,
синтез Килиани-Фишера)
γ

4.Образование фенилозазонов при действии на монозы 3-х количества фенилгидразина:
3
фенилозазон
альдоза

1. Эта реакция используется для доказательства того, что исследуемые монозы отличаются только конфигурацией атома С2
фенилозазон

2. Переход от альдоз к кетозам
фенилозазон
кетоза

II. ИЗМЕНЕНИЕ УГЛЕРОДНОГО СКЕЛЕТА.
1.УДЛИНЕНИЕ ЦЕПИ (синтез Килиани-Фишера ).
2.Укорочение цепи моноз (синтез Воля)
Для укорочения цепи используют оксим монозы, получаемый при обработке альдоз гидроксиламином NH2OH.

Укорочение цепи моноз (синтез Воля)
+

РЕАКЦИИ ЦИКЛИЧЕСКИХ ФОРМ МОНОСАХАРИДОВ.
III. РЕАКЦИИ ГЛИКОЗИДНОГО ГИДРОКСИЛА.
Алкилирование моноз
Ацетали, гликозиды

IV. РЕАКЦИИ СПИРТОВЫХ ОН-ГРУПП.
1. Простые эфиры
"исчерпывающе метилированные монозы"

2. Сложные эфиры. Ацилирование моноз

Сложные эфиры

Участие фосфатов моносахаридов
в биохимических процессах

Радикал, замещающий атом водорода в гликозидном гидроксиле, называется агликоном.
Помимо О-гликозидов, существуют также
N-гликозиды и С-гликозиды:

. Большое количество О-гликозидов с агликонами, принадлежащими к различным классам органических соединений, встречается в растениях
Лигнин

.
горький вкус и специфический аромат миндаля

Наиболее распространёнными в природе
N-гликозидами являются компоненты нуклеиновых кислот  нуклеозиды.

нуклеозиды

С-Гликозиды, в которых агликонами служат остатки аденина, а также остатки гетероциклических оснований, не встречающихся в составе ДНК и РНК, являются антибиотиками.
С-гликозиды
входит в состав некоторых РНК.

Антибиотики – природные вещества микробного (позднее – растительного и животного) происхождения и продукты их химической модификации, способные в низких концентрациях (10–3–10–2 мкг/мл) подавлять развитие бактерий, низших грибов, простейших, вирусов или клеток злокачественных опухолей.