Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

стейших спиртов, однако начало направленному синтезу гликозидов и олигосахаридов было положено в 1901 г. В. Кёнигсом и Э. Кнорром, предложившими использовать в качестве гликозилирующего агента гликозилгалогеииды. Классический метод Кёнигса — Кнорра и его модифицированные варианты оставались единственными способами гликозилирования сложных спиртов до 60-х годов нашего столетия, когда в ряде стран, в том числе в СССР, были разработаны рациональные методы синтеза углеводов (ортоэфирный, оксазолиновый и др.). Несмотря на большие трудности, это направление существенно продвинулось вперед, в настоящее время осуществлен химический синтез многих сложных гетероолигосахаридов (состоящих из различных моносахаридных остатков), полисахаридов и неогликопротеинов (см. с. 490).

Биоорганическая химия углеводов достигла значительного прогресса в синтезе, изучении структуры и выяснении биосинтеза углеводов и углеводсодержащих биополимеров. На повестке дня сегодня — познание роли углеводных цепей гликоконъюгатов в процессе жизнедеятельности растительных и животных организмов.

445

Углеводы

Лелуар (Lelolr) Луис Федерико

(р. 1906), аргентинский биохимик* Окончил университет в Буэнос-Айресе (1932), с 1962 г.— заведующий кафедрой биохимии этого университета. Основные работы — по изучению биосинтезе и обмена углеводов. Выделил глкжозодифосфат (1948) и уридинди-фо фа г юкоэу (1951). Лауреат Нобелевской премии по химии (1970).

Строение углеводов и углеводсодержащих биополимеров

Первичная структура и химические свойства углеводов и углеводсодержащих биополимеров

Все известные углеводы можно подразделить на три больших класса — моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Отдельную группу составляют углеводсодержащие смешанные биополимеры.

Моносахаридами являются полигидроксикарбонильные соединения общей формулы С (Н О) , кроме гидроксильных и карбонильных групп, они могут содержать тиольиые, карбоксильные и аминогруппы. К моносахаридам принято относить также продукты их окисления или восстановления, лишенные карбонильной группы.

Полисахариды представляют собой продукты поликонденсации моносахаридов. Это типичные полимеры, часто построенные из тысяч моиосахаридных остатков, причем молекулярная масса отдельных молекул, входящих в состав образца, может существенно различаться.

Олигосахариды составляют промежуточный класс между моносахаридами и полисахаридами и содержат от двух до десяти моиосахаридных остатков.

Моносахариды

СНО

—j—он

CH.OH

D-Глмцериновый альдегид

Моносахариды представляют собой поли гидрокс на льде гиды и полигидроксикетоны, которые называются соответственно альдо-шми и кетозами. В зависимости от числа углеродных атомов в цепи моносахариды делятся на триозы, тетрозы, пентозы. гексозы и высшие сахара. Характерная особенность этих соединений состоит а наличии асимметрических атомов углерода, число которых растет по мере удлинения цепи. Простейшими альдегидоспиртами, имеющими один асимметрический атом углерода, являются триозы — стереоизомеры глицеринового альдегида, изображенные в проекциях Фишера.

НО

СНО

+

СН.ОН L Гниц рнноеыи альдегид

Построение фишеровских проекции предусматривает следующее: объемная модель соединения (я данном случае глицеринового альдегида) располагается над плоскостью чертежа так, чтобы угол, образуемый углерод-углеродными связями, был обращен к плоскости н при проецировании цепь углеродных атомов расположилась бы вертикально. При этом С-атом с наименьшим порядковым номером (у альдоз альдешдный атом углерода) должен быть вверху, а два заместителя при асимметрическом атоме yi 1ерода (атом водорода и гидроксильная группа) окажутся справа и слева. Если ОН группа находится справа, такой изомер относится

к D-ряду, если слева - к 1_-ряду. При увеличении числа асимметрических атомов 447

каждый из них рассматривается независимо от других и обладает D- или L-конфигу- -

рацией в соответствии с расположением связанной с ним i илроксишной группы. Строение углеводов

Моносахарид в целом относят к D-ряду, если наиболее удаленный от альдегидного и угпеволсолеож ш

асимметрический С-атом имеет D-кинфш урацию. ^ М М Н сч

биополимеров

Ниже изображены альдозы D-ряда, родоначальником которых является D глицериновый альдегид

СНО

сн,с

сно -он н^эн

D-Глицери ый альдегид

дно -он -он -он Сн.он

D Рибозв

Сно он он сн.он

D Эрмгрозв

Сно

он он

СН2ОН D Арабииоэа

D Треоза

СНО

он

он

Сн2он

Для перехода от моносахарида D-ряда к L-ряду необходимо изменить на противоположную конфигурацию всех асимметрических углеродных атомов.

СНО

-ОН -ОН

СНгОН

D-Арабиноэа

сно

--он

но--

но--

Ы он

L-Арабино а

448

Углеводы

Простейшей кетозой, обладающей асимметрическим С-атомом, является тетроза — D-тетрулоза. Ниже изображены кетозы D-ряда:

СН2ОН

с=о

-|—ОН СН2ОН

D-Тетрулоэа (эритрулоэа)

Хеуорс (HeworthI Уолтер Норман

(1883—1950), английский химик-органик. Образование получил в Манчестерском и Гёттингенском университетах, в 1912—1948 гг.— профессор Бирмингемского университета. Основные работы посвящены химии углеводов. Доказал, что глюкоза, галактоза и ман-ноэа содержат шестичленные циклы (формулы Хеуорса). Изучал строение витамина С и впервые синтезировал его (1933, совместно с Т. Рейхштей-ном). Лауреат Нобелевской премии по химии (1937).

снон

он он он

СН;ОН

СН2ОН

С=0 ¦он он сндэн

D-Рибулоэа (D-эритро- п.нтулозл)

сн он

-ОН

-он сн2он

D-Фруктоза

н ой

: о

—он сн2он

D-Ксилулоза (D-трео- пентулоэа)

но-но-

-он

СН2ОН

Наличие в молекуле асимметрических атомов углерода делает моносахариды оптически активными соединениями, причем величина удельного вращения является характеристическим параметром моносахарида.

Номенклатура моносахаридов основывается на соединениях с неразветвлениой цепью атомов углерода. Углеродные атомы нумеруют таким образом, чтобы карбонильный углерод имел наименьший номер. Заместители (атомы, функциональные группы) получают тот же номер, что и углеродный атом, с которым они соединены. Если в молекуле имеется более одной функциональной группы, они перечисляются в алфавитном порядке. Отсутствие ОН-группы отражается префиксом «дезокси».

449

Строение углеводов и углеводсодержащих биополимеров

2- А ми но-2-д я эокси -D глюкоза (D- г л юиозем ин ]

2, 3, 4-три-О-ацвтил-6-О-тритил D глюкоза

Нередко при написании моносахаридных звеньев (прежде всего олиго- и полисахаридах) используют буквенные обозначения:

Ага — Арабинпза Gal Галактоза

Gal N Ас — N-Ацетилгалактозамин Glc — Глюкоза

GlcNAc — N-Ацетил глюкоза мин GkA — Глюкуроновая кислота

ManNAc — N-Ацетилманноэамин Xyl — Ксилоза

MurNAc — N-Ацетилмурамовая Man — Манноза

кислота Rlia — Рамноза

NeuNAc — N Аце илпеирамин выи Rib — Рибоза

кислота Fru — Фруктоза

Flic — ф коза

Циклические формы и таутомерия моносахаридов. Приведенные структуры являются ациклическими; в действительности, моносахариды находятся главным образом в полуадетальных циклических формах, которые возникают в результате взаимодействия карбонильной группы моносахарида с одной из его гидроксильных групп.

Впервые предположение о циклической форме Сахаров было высказано А. А. Колли в (870 г., однако лишь в 20-е годы нашего века У. Хеуорсом был экспериментально определен размер лактоль-ного цикла для некоторых моносахаридов. У. Хеуорс предложил называть сахара с шестичленным циклом пиранозами, а с пяти-членным — фу ремизами. Большинство пеитоз и гексоз образуют пиранозный цикл в результате взаимодействия карбонильной группы с гидроксилом при С-5. У альдоз фуранозный цикл образуется с участием гидроксила при С-4.

Циклические формы моносахаридов принято изображать в перспективных формулах, предложенных У. Хеуорсом. Например, пиранозная форма D-глюкозы в формулах Э. Фишера и У. Хеуорса.

Кённгс [Koenlgs| Вильгельм

(1851—1906), немецкий химик-органик. Образование получил в Берлине; работал в лаборатории Ф. Кекуле, а затем А. Байера в Мюнхене. Известен работами по синтезу различны* али фатических, ароматических и гетероциклических соединений, впервые синтезировал хинолин (1879) и пиперидин (1881). Предложил (1901, совместно с Е Кнорром) способ синтеза гликозидов Сахаров.

Для перехода от первых формул ко вторым необходимо придерживаться следующего правила: сверху от плоскости молекулы располагают группы, находящиеся при углеродных атомах с I. конфигурацией (кроме С-5 в лиранозах и С-4 в фурано-зах), снизу — при углеродных атомах с D-конфигурацией: для боковой цепи, находящейся при С-5 в пиранозах и С-4 в фуранозах, правила обратное.

Легко видеть, что в результате взаимодействия карбонильной и гидроксильной групп альдозы образуется новый асимметрический центр при C-I, что влечет за собой появление еще одной пары стереомеров (аномеров) для каждого моносахарида. Стереомер, имеющий одинаковую конфигурацию при C-I и последнем асимметрическом атоме (определяющем принадлежность моносахарида к D- или L-ряду), называется сс-аиомером, стереомер с противоположной конфигурацией при этих даух атомах называется h аноме ром. В соответствии с данным правилом производное альдоз по С 1 относят к а- или р-аномерам.

Обычно в растворах одновременно присутствуют различные таутомерные формы одного и того же моносахарида, находящиеся в динамическом равновесии друг с другом; при нарушении соотношения форм система возвращается в состояние равновесия (явление мутаротации), что можно заметить по изменению величины удельного вращения раствора. В обычных условиях равновесие существенно сдвинуто в сторону а- и р" пира ноз относительное содержание а- и р1 а номеров в значительной степени определяется конформацией пиранозного кольца.

a-D-Глюкофурвнози (-О-Глюкофураноза

Гидроксил, образующийся при С-1 в результате циклизации, называется полуаиетальным а углеродный атом (С-1) —вномер-ным. Полувцетальиыи гидроксил резко отличается по свойствам от других гидроксильных групп молекулы. Он легко может замещаться на другие нуклеофильиые группировки, в результате чего образуются различные производные Сахаров по С-1: гликозиды гликозилгалогениды, I О ацильные производные и т. д.

Углеводы — полифункциональные соединения: их химические свойства обусловлены как наличием карбонильной и гидроксильных групп, так и их взаимным расположением, т. е. стереохимическими особенностями данного моносахарида.

Строение большинства моносахаридов было установлено к концу XIX в. с использованием комплекса химических методов. В настоящее время при определении строения необычных моносахаридов, нередко встречающихся в составе антибиотиков и бактериальных полисахаридов, применяются, как правило, спектральные методы анализа, однако во многих случаях химические превращения остаются необходимым этапом исследования структуры.

Ниже рассмотрены превращения Сахаров, которые могут быть использованы при установлении строения отого класса соединений.

Реакции карбонильной группы. Несмотря на то, что в таутомер ной смеси моносахаридов равновесие сдвинуто в сторону циклических (полуацетальных и полукетальных) форм, некоторое коли-

чество ациклической формы присутствует в растворе что позволяет 451

сахарам вступать в реакции, характерные для альдегидов и кетонов.---—--

Так, при реакции моносахаридов с гидроксиламином получаются Строение углеводов

смеси оксимов циклических и ациклических форм. При действии и углеводсодержащих

на них уксусного ангидрида одновременно происходят ацетилиро- биополимеров вание и де.идратация с образованием нитрила альдоновой кислоты. Обработка полученного нитрила метилатом натрия приводит к дезацетилированию и отщеплению молекулы синильной кислоты. Таким путем углеродная цепь альдозы укорачивается на один атом

АсдО

Удлинение цепи может быть достигнуто циангидриновым методом. Взаимодействие альдозы с цианидом натрия приводит к смесн двух изомерных нитрилов альдоновых кислот, легко гидролизую-щихся в альдоновые кислоты (Г. Кнлиани). Последние при восстановлении амальгамой натрия дают альдозы (Э Фишер)

СНО ОН

но-

HO-

СН2ОН

Арвбиноэи

но-но-

-он -он

С ООН

но-но-

СНгОН

L-Манноно а кнслота

СНгОН

L Глюкон а кислот.

452 Реакции моносахаридов с гидразинами обычно приводят к

- смесям таутомерных гидразонов, поэтому их, как правило, не при-

Углеводы меняют для выделения и идентификации моносахаридов. Однако

при использовании избытка арилгидразииа образуются озазоны, открытие которых Э. Фишером стимулировало быстрое развитие химии углеводов в конце прошлого века

СНО

-PhNH3;-NHa

но

=N-NH-Ph =N-NH-Ph

-ОН -ОН

3PhNHNHa -PhNHa;-NHB

CHaOH D Глюкофенилозазои

При образовании озазона расходуется 3 моля фенилгидразина полученный фенилгидразон окисляется второй молекулой фенилгидразина с превращением гидроксильной группы, находящейся рядом с альдегидной, в карбонильную. С последней взаимо действует третья молекула фенилгидразина, приводя к озазону. Вследствие того что асимметрический центр при С 2 моносахарида исчезает, изомеры, отличавшиеся лишь конфигурацией этого атома, образуют одни и те же озазоны (например, D глюкоза, D-манкоза и D фруктоза) Реакция позволяет определять родство различных моносахаридов.

При действии на моносахариды тиолов в кислой среде образуются тиоацетали, имеющие ациклическую структуру

СН2ОН

CH(SR)3 ОН

но-

-он -он сн2он

Т иоаце та ль D г л ю козы

Тиоацетали устойчивы в щелочной, нейтральной и слабокислой средах, но легко регенерируют исходный моносахарид при обработке бромом в уксусной кислоте и представляют поэтому значительный интерес для синтетической химии углеводов.

Среди реакций, обусловленных наличием как карбонильной, так и гидроксильных групп, важную роль играет катализируемая кислотами и основаниями енолизация альдозы, ведущая к превращению ее в эпимер (стереоизомер отличающийся конфигурацией при С 2) и соответствующую кетозу (реакция Лобри де Брюина — Альберда ван Экенштейна)

сно -он

-он -он сн2он

снон

II

с—он

-он -он

СНгОН Енол

453

но-но-

OH

он сн2он

Строение углеводов и углеводсодержащих биополимеров

СН2ОН

с=о

ОН ОН СН2ОН

Поскольку реакция протекает легко, ее следует принимать во внимание при работе со свободными углеводами.

При восстановлении карбонильной группы моносахаридов получаются полиолы (альднты). Альдозы образуют лишь один полиол, кетозы дают смесь двух стереоизомеров; так, из D-фруктозы образуются D-глюцит и D-маннит

Н;ОН

:=о

-ОН -ОН

СНОН D фруктоз

Сн.он он

-он

-он

но-но-

сн.он

D-Глюцит (сорбит)

-он -он Сн.он

Восстановление обычно проводится боргидридом натрия в воде или спирте, реже амальгамой натрия.

При действии мягких окислителей, например брома, свободные моносахариды окисляются до альдоновых кислот, которые обычно выделяются в виде у- и о-лактонов:

454

Углеводы

СН,ОН

.ОН

HoNLhb/ OMe

ОН

М.тил-а-О-глкжоамд

.OH

f OMe OH

Метила D-m км уронил.

Окисление углеводов. Для окисления гидроксильных групп углеводов полуаиетальна

страница 60
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (11.1Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(19.10.2017)