Углеводы: моно-, олиго- и полисахариды

Основные вопросы лекции:
1. Участие углеводов в процессах жизнедеятельности.
2. Классификация углеводов.
3. Изомерия: структурная, стерео-, таутомерия.
4. Химические свойства:
- реакции АN (sp2);
- реакции SN (sp3);
- специфические реакции.
5. Отдельные представители. Аскорбиновая кислота.
6. Характеристика восстанавливающих и невосстанавливающих дисахаридов.
7. Характеристика гомополисахаридов. Роль крахмала, гликогена в процессах жизнедеятельности.
8. Характеристика гетерополисахаридов. Участие в обменных процессах.

Биологические функции углеводов
1. Энергетическая. При сгорании 1 моль глюкозы выделяется 3060 Дж энергии, которая расходуется в эндотермических биологических процессах, превращаясь в тепло и частично аккумулируясь в АТФ.
2. Пластическая – являются обязательным компонентом внутриклеточных структур и мембран растительного и животного происхождения. Основную субстанцию межклеточного матрикса соединительной ткани составляет протеогликаны – высокомолекулярные углеводобелковые компоненты.
3. Синтетическая – участвуют в синтезе нуклеиновых кислот, входят в состав коферментов, гликолипидов, гликопептидов, гликопротеидов.
4. Защитная – участвуют в поддержании иммунитета организма.
5. Специфическая – отдельные углеводы участвуют в проведении нервных импульсов, образовании антител, обеспечении специфичности группы крови.
6. Регуляторная – растительная пища содержит полисахарид - клетчатку, которая улучшает работу кишечника и повышает секрецию в желудке.
Для оптимального обеспечения организма углеводами в среднем, необходимо 450 г. в сутки.

Классификация углеводов

Классификация углеводов

Моносахариды
Моносахариды классифицируют с учетом природы карбонильной группы и длины углеродной цепи. Моносахариды, содержащие альдегидную группу, называют альдозами, а кетонную группу (обычно в положении 2) - кетозами (суффикс -оза применяют для названий моносахаридов: глюкоза, галактоза, фруктоза и др.).

Изомерия: структурная
Наиболее важным видом структурной изомерии моносахаридов является межклассовая: альдозы изомерны кетозам. Например, альдогексоза (глюкоза) и кетогексоза (фруктоза).

Изомерия: оптическая (стереоизомерия)
Для изображения стериоизомеров моносахаридов используют проекционные формулы Фишера.
D - и L- стериоизомеры глюкозы (энантиомеры) являются несовместимыми зеркальными отражениями друг друга и вращают плоскость поляризованного луча на один и тот же угол (52,5 градус), но в разные стороны.
энантиомеры
Формулы Фишера

Изомерия: оптическая (стереоизомерия)
D-
D-
D-
D-
Приведенные стериоизомеры D-альдогексоз имеют одинаковую природу (альдозы) и последовательность связей между атомами, но отличаются пространственным расположением заместителей у одного (эпимеры) или нескольких атомов углерода (диастереомеры).
эпимеры
диастереомеры
структурные изомеры

Циклические формы
Моносахариды по строению являются циклическими полуацеталями.
Образование циклических форм моносахаридов можно представить как результат внутримолекулярного взаимодействия карбонильной и гидроксильной групп, содержащихся в молекуле моносахарида (АN).

Циклические формы
Полуацетальную гидроксильную группу в химии углеводов называют гликозидной. По свойствам она значительно отличается от остальных (спиртовых) гидроксильных групп.

Циклические формы
В результате циклизации образуются термодинамически более устойчивые фуранозные (пятичленные) и пиранозные (шестичленные) циклы. Названия циклов происходят от названий родственных гетероциклических соединений - фурана и пирана.

Циклические формы
Формулы Колли-Толленса

Циклические формы
В циклической форме создается дополнительный центр хиральности (атом углерода, ранее входивший в состав карбонильной группы (у альдоз это С-1). Этот атом углерода называют аномерным, а два соответствующих стереоизомера - α- и β-аномерами . Положение полуацетального гидроксила у анамерного атома С определяет вид аномера моносахарида. Если полуацетальный гидроксил расположен под плоскостью цикла - ɑ-аномер, над плоскостью цикла – β-аномер.
Аномеры представляют собой частный случай эпимеров.

Циклические формы
Для изображения циклических форм приняты формулы Хеуорса.

Цикло-оксо-таутомерия
Замыкание
цикла

Химические свойства моносахаридов
В молекулах моносахаридов имеются следующие наиболее важные реакционные центры:
• полуацетальный гидроксил;
• спиртовые гидроксильные группы (все остальные, кроме полуацетальной);
• карбонильная группа ациклической формы.

Гликозиды
образование: реакционный центр - полуацетальный гидроксил,
механизм реакции - SN
Свойства полуацеталей проявляются во взаимодействии циклических форм моносахаридов со спиртами, при этом полуацетальный (гликозидный) гидроксил не проявляют свойств спиртов, а ведут себя специфически, образуя гликозиды (окончание – озид).
Гликозиды - производные циклических форм углеводов, в которых полуацетальная гидроксильная группа
заменена группой -OR.

Гликозиды
гидролиз: реакционный центр – OR-группа ,
механизм реакции - SN
Гликозиды гидролизуются кислотами, но проявляют устойчивость к гидролизу в слабощелочной среде. Гидролиз гликозидов приводит к соответствующим спиртам и моносахаридам и представляет собой реакцию, обратную их образованию. Ферментативный гидролиз гликозидов лежит в основе расщепления полисахаридов, осуществляемого
в животных организмах.

Механизмы реакций
оксониевый ион
1 стадия – присоединение протона (катализатора) к полуацетальному гидроксилу, образование оксониевого иона.
2 стадия – отщепление молекулы воды, образование гликозил-катиона.
3 стадия – нуклеофильнаая атака молекулой спирта с двух сторон плоскости цикла, образование двух аномерных алкилоксониевых ионов (α- и β-)
4 стадия – отщепление протона (катализатора), образование двух анамерных О-гликозидов (О-алкил- α,β-D-пиранозиды).
гликозил-ион
α-алкилоксониевый ион
β-алкилоксониевый ион

Сложные эфиры
образование: реакция этерификации,
реакционный центр - спиртовые гидроксилые группы, механизм реакции - AN

Сложные эфиры - фосфорные эфиры
Большое значение имеют эфиры неорганических кислот,
в частности эфиры фосфорной кислоты - фосфаты.
Они содержатся во всех растительных и животных организмах и представляют собой метаболически активные формы моносахаридов. Наиболее важную роль играют фосфаты D-глюкозы и D-фруктозы.
Образуются из гликогена по месту первого и шестого атома углерода с участием фермента фосфорилазы.

Фосфорные эфиры
Метаболизм углеводов, фотосинтез, брожение и др. метаболические процессы осуществляются с участием фосфатов моносахаридов.
Например, при гидролизе гликогена, происходящего в организме при помощи фермента фосфорилазы, глюкоза отщепляется в виде
1-фосфата. 6-фосфат глюкозы получается при фосфорилировании ее при участии АТФ.

Образование простых эфиров
реакционный центр - спиртовые гидроксилые группы,
механизм реакции - SN

Комплексообразующие свойства
Свойства многоатомных спиртов проявляются в качественной реакции взаимодействия моносахаридов со свежеосажденным гидроксидом меди (II) - Сu(OH)2. В результате происходит образование растворимого хелатного комплекса ярко-синего цвета.

Окисление в щелочной среде (рН>7) - качественные реакции альдоз
Реакция с гидроксидом меди (II) при нагревании
Реакция «серебряного зеркала»

Сахарные кислоты
Окисление (рН<7)

Сахарные кислоты
Уроновые кислоты, синтезирующиеся в печени, выполняют в организме важную функцию: они образуют с лекарственными веществами, их метаболитами, токсичными веществами водорастворимые гликозиды и выводят их из организма с мочой.
.

Уроновые кислоты взаимодействуют со всеми токсическими веществами, содержащими ОН-группу, обезвреживают их и выводят из организма.
Выведение салициловой кислоты из организма
в процессе воздействия лекарственных веществ происходит в виде О-глюкуронида, образующегося
по месту полуацетального гидроксила глюкуроновой кислоты и фенольного гидроксила салициловой кислоты.
Детоксикация

Аминосахара
Аминосахара составляют структуру БАВ, содержащихся в свободном виде в спинномозговой жидкости (нейраминовая и сиаловые кислоты), участвуют в проведении нервных импульсов.
Реакция альдольной конденсации - АN

ВИТАМИН С
Биологическая роль связана с участием в окислительно-восстановительных процессах клеточного дыхания, регулировании углеводного обмена, регенерации ткани, свертываемости крови, образовании стероидов, в синтезе коллагена.
in vivo: окисление аскорбиновой кислоты - фермент аскорбатоксидаза,
восстановление - дегидроаскорбатредуктаза.

Олигосахариды
Классификация олигосахаридов
1. По числу моносахаридных звеньев: дисахариды, трисахариды, тетрасахариды, пентасахариды и т.д
2. По восстанавливающей способности
восстанавливающие невосстанавливающие
Олигосахариды - углеводы, построенные из нескольких остатков моносахаридов (от 2 до 10), связанных между собой гликозидной связью.

Олигосахариды
Дисахариды (биозы), которые состоят из остатков двух моносахаридов и представляют собой гликозиды (полные ацетали), в которых один из остатков выполняет роль агликона.
Существуют два типа связывания моносахаридных остатков:
• за счет полуацетальной группы ОН одного моносахарида и любой спиртовой группы другого (гидроксил при С-4, α-1,4 и β-1,4-гликозидные связи); это группа восстанавливающих дисахаридов;
• с участием полуацетальных групп ОН обоих моносахаридов; это группа невосстанавливающих дисахаридов.

Восстанавливающие дисахариды
β-1,4-гликозидная связь
β-1,4-гликозидная связь

Дисахариды
Цикло-оксо-таутомерия (кольчато-цепная таутомерия)
лактоза
Восстанавливающий дисахарид

Восстанавливающие дисахариды
Анамеризация –
взаимное превращение
α- и β-анамеров
с промежуточной стадией образования открытой оксоформы.
Окисление:
Реактив Фелинга, реактив Толленса, бром
и другие окислители, окисляющие альдегиды.
Образование гликозидов, простых и сложных эфиров,
хелатных комплексных соединений с ионами меди (II).

Невосстанавливающие дисахариды
Сахароза

Углеводы: полисахариды (полиозы)
Классификация полисахаридов
1.Гомополисахариды
2. Гетерополисахариды
Гомополисахариды также называются гликанами. Гликаны могут быть гексозанами или пентозанами.

Гомополисахариды
Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов – амилозы
и амилопектина.

Амилоза
Структура комплекса амилозы и йода
Вторичная структура
Спиралевидная цепь амилозы

Амилопектин
Основная цепь
Боковая цепь

Гомополисахариды
Разветвленная макромолекула амилопектина

Переваривание крахмала в ЖКТ

Гомополисахариды
Целлюлоза

Гликоген
Это структурный и функциональный аналог амилопектина растительного крахмала с вдвое большим разветвлением макромолекул. М = 100 млн.
Благодаря этому он через мембрану клетки не проходит и остается в клетке, пока не возникнет потребность в энергии.
Сильное разветвление способствует выполнению энергетической функции быстрого обеспечение организма глюкозой.
Излишнее накопление гликогена в клетках способствует их разрушению, что приводит к различным заболеваниям печени, почек, сердечной и скелетных мышц.

Гликоген
… структурный и функциональный аналог амилопектина растительного крахмала с вдвое большим разветвлением макромолекул.
Благодаря этому он через мембрану клетки не проходит и остается там, пока не возникнет потребность в энергии. Сильное разветвление способствует выполнению энергетической функции быстрого обеспечение организма глюкозой.
Излишнее накопление гликогена в клетках способствует их разрушению, что приводит к различным заболеваниям печени, почек, сердечной и скелетных мышц.
М = 100 млн.

Гетерополисахариды
КЛАССИФИКАЦИЯ:
1. – Полисахариды соединительных тканей: гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, составляют основу протеогликанов.
2. – Протеогликаны соединительной ткани – углевод (95%) – белковые (5%) биополимеры: гепарин, гепаринсульфат.
3. – Гликопротеины - углевод (10%) – белковые (90%) биополимеры: ферменты, гормоны, иммуноглобулины, белки плазмы крови, группоспецифические белки крови.

Гиалуроновая кислота
…построена из дисахаридных фрагментов, составленных
из β,D-глюкуроновой кислоты
и 2-N-ацетил-D-глюкозамина, связанных между собой
β (1 – 3) гликозидной связью. Биозные фрагменты связаны
β (1 – 4) гликозидной связью.
Локализация: соединительные ткани.
Биороль: благодаря высокой вязкости служит барьером для патогенных микробов, связывает и удерживает воду в соединительной ткани, включают в состав косметических кремов.

Хондроитинсульфаты
….построены из дисахаридных (биозных) фрагментов, составленных
из β,D-глюкуроновой кислоты и
4(6)-сульфат- 2-N-ацетилгалактозамина, связанных между собой β (1-3) гликозидной связью. Биозные фрагменты связаны β (1 – 4)
гликозидной связью. М = 10 000.
Локализация: соединительные ткани.
Биороль: связывает «Са», способствует отложению кальция в костях.

Гепарин
построен из дисахаридных фрагментов, составленных из остатков D-глюкозамина и двух уроновых кислот –
D-глюкуроновой и L-идуроновой. Внутри дисахаридного фрагмента осуществляется α (1-4) – гликозидная связь.
М = 16000 – 20000.
Биороль: антикоагулянты, входят в противосвертывающую систему крови, т.е. регулируют процесс свертывание крови, а также обладают противовоспалительными свойствами.

Гепарин
Гепаринсульфат – структурный элемент стенок кровеносных сосудов.
Локализация: тучные клетки, располагающиеся вдоль стенок кровеносных сосудов.
Гепарансульфат состоит из остатков тех же моносахаридных производных, что и гепарин.
Однако в составе гепарина преобладающей уроновой кислотой является D-глюкуроновая, а в гепарансульфате L-идуроновая.

Группа крови
…которую надо учитывать при переливании крови, определяется гликопротеинами. Структурную основу этих веществ составляет полипептидная цепь, к которой присоединено до 55 олигосахаридных цепей, состоящих в среднем из 21 – 23 моносахаридных остатков.
Моносахаридные концевые звенья – это детерминанты. Согласно системе групп крови АВО
О (1) – содержит L – фукозу (6-дезоксигалактоза),
А (2) – содержит N-ацетилгалактозамин,
В (3) - содержит D-галактозу,
АВ (4) –содержит N-ацетилгалактозамин + D-галактозу.