Химия Углеводы

Химия
Лекция 4
Углеводы
Общая характеристика и классификация углеводов
– входят в состав клеток и тканей всех растительных и
животных организмов;
– по массе составляют основную часть органического вещества
на земле (80% сухого вещества растений)
•
•
•
•
Основные функции углеводов
Источник энергии в метаболических процессах
(в растениях — крахмал; в животных организмах — гликоген).
Структурные компоненты клеточных стенок растений
(целлюлоза), бактерий (мурамин), грибов (хитин).
Составные элементы жизненно важных веществ
(нуклеиновые кислоты, коферменты, витамины).
Лекарственные средства.
Фотосинтез
xCO2 + yH2O + солнечная энергия
Сx(H2O)y + xO2
углеводы
Метаболизм Сx(H2O)y + xO2
углеводы
xCO2 + yH2O + энергия
(запасается в виде АТФ)
2
Углеводы
Cn(H2O)m
моносахариды
H2O/H+
олигосахариды
H2O/H+
полисахариды
H2O/H+
гидролиз
3
моносахариды
кетозы
альдозы
C
O
CH2OH
H
C O
(CHOH)n
(CHOH) n
CH2OH
CH2OH
триозы
С3
тетрозы
С4
пентозы
гексозы
С5
С6
……..
триозы
альдотриозы
C
H
O
O
H
OH
кетотриоза
C
HO
H
H
CH2OH
CH2OH
D-глицериновый
альдегид
L-глицериновый
альдегид
CH2OH
C O
CH2OH
дигидроксиацетон
Глицериновый альдегид — конфигурационный стандарт
Отнесение моносахарида к D- или L-стереохимическому ряду
проводится по конфигурации хирального центра наиболее
удаленного от оксогруппы.
Почти все природные моносахариды принадлежат к D-ряду.
пентозы
альдопентозы
1
C
O
H
H 3 OH
HO 4 H
H OH
5
CH2OH
D-ксилоза
2
используется
в синтезе
ксилита
O
C
H
H OH
H OH
H
OH
CH2OH
D-рибоза
структурный
фрагмент
РНК
эпимеры по С2
O
C
H
HO
H
H OH
H OH
CH2OH
O
C
H
H OH
H
HO
HO
H
CH2OH
D-арабиноза
L-арабиноза
входит в состав
некоторых
антибиотиковнуклеозидов
входит в состав
некоторых
природных
полисахаридов
энантиомеры
Эпимеры — σ-диастереомеры, отличающиеся конфигурацией
только одного из нескольких асимметрических атомов углерода.
кетопентозы
2OH
CH2OH
C O
3
H OH
H 4 OH
5
CH2OH
C O
HO
H
H
OH
CH2OH
1CH
2
D-рибулоза
D-ксилулоза
эпимеры по С-3
важные участники метаболических процессов
Наиболее важные гексозы
альдогексозы
1
C
O
C
H
OH
H
OH
OH
CH2OH
H
2
HO 3 H
HO4 H
H 5 OH
H 6 OH
CH2OH
H
HO
H
H
D-манноза
D-глюкоза
эпимеры по С2
O
O
C
H
HO
HO
H
H
OH
H
H
OH
CH2OH
D-галактоза
кетогексоза
CH2OH
C O
HO
H
OH
H
OH
H
CH2OH
D-фруктоза
эпимеры по С4
структурный
один из
наиболее
фрагмент лактозы
известный и
продуктов
и некоторых
метаболизма распространенный
сложных липидов
глюкозы
моносахарид
Входит в состав
ряда сложных
сахаров
(в частности,
сахарозы)
D-Глюкоза — субстрат окислительных реакций в клетке;
– относится к первичным биомолекулам, предшественник других
моносахаридов в организме, структурный фрагмент
полисахаридов;
– в норме в крови человека 0.1% глюкозы, при сахарном диабете
до 10%;
– медицинский препарат общеукрепляющего действия.
Галактоземия — наследственное заболевание у детей, связанное с
недостатком фермента, отвечающего за превращение галактозы в
глюкозу
(помутнение хрусталика, нарушение умственного развития и т.п.).
D-Фруктоза — промежуточный продукт гликолиза (распада глюкозы
при ее использовании для выработки энергии) и неоглюкогенеза
(биосинтеза глюкозы)
Дезокси- и аминосахара
C
O
O
C
C
C
H
H
H
H
OH
H
OH
CH2OH
H
H
NH2
HO
H
H
OH
H
OH
CH2OH
H
H
NH2
HO
H
HO
H
H
OH
CH2OH
D-2-дезоксирибоза (дезоксирибоза)
D-2-дезокси-2аминоглюкоза
(глюкозамин)
D-2-дезокси-2аминогалактоза
(галактозамин)
Компонент
ДНК
O
O
H2N
HO
H
H
H
H
H
OH
OH
CH2OH
D-2-дезокси2-аминоманноза
(маннозамин)
Компоненты многих сложных углеводов и
полисахаридов
Взаимные превращения
моносахаридов
эпимеризация
O
H
OH
H
OH
OH
CH2OH
δ+ C
α
H
HO
H
H
ендиол
δ−
CH OH
_
OH
OH
C OH
HO
H
H
OH
H
OH
CH2OH
D-глюкоза
C
_
_
OH
CH2OH
C O
HO
H
H
OH
H
OH
CH2OH
OH
D-фруктоза
HO
HO
H
H
O
H
H
H
OH
OH
CH2OH
D-манноза
Циклооксотаутомерия моносахаридов
Образование обычных полуацеталей (межмолекулярная реакция)
H
O
'
R
+
O
OR'
Полуацетальный
гидроксил
R C OH
R C
H
H
альдегид спирт
полуацеталь
Образование циклических полуацеталей (внутримолекулярный процесс)
1 O
4
3
2
Полуацетальный
CH2 CH2 CH2 C
H
гидроксил
OH
OH
..
O
γ-гидроксимасляный альдегид
5
4
3
2
1-гидрокситетрагидрофуран
Полуацетальный
гидроксил
1 O
CH2 CH2 CH2 CH2 C
H
OH
O
OH
δ-гидроксивалериановый альдегид 1-гидрокситетрагидропиран
гидроксиальдегиды
циклические полуацетали
α-D-галактофураноза
H
O H
HO
OH
OH
H
H
H OH
CH2OH
α-D-галактопираноза
Полуацетальный
гидроксил
1
H
H
HO
HO
H
O
OH
OH
H O
H
CH2OH
C
H
H OH
3
HO
.. 4 H
HO 5 H
..
H OH
6
CH2OH
2
аномеры
HO
O H
HO
H
OH
H
H
H OH
CH2OH
β-D-галактофураноза
D-галактоза
аномеры
HO
H
HO
HO
H
H
OH
O
H
H
CH2OH
β-D-галактопираноза
Аномеры — стереоизомеры циклических форм моносахаридов, различающиеся конфигурацией аномерного атома углерода, т.е. атома, у
которого имеется полуацетальная (гликозидная) гидроксильная группа
(-ОН).
У α-аномера конфигурация аномерного центра одинакова с конфигурацией «концевого» хирального центра, определяющего
принадлежность к D- или L-ряду; у β-аномера – противоположна.
Проекционные формулы Фишера открытых форм моносахаридов не
полностью отражают их свойства.
– отсутствие для альдоз ряда свойственных альдегидам реакций;
– повышенная реакционная способность одной ОН-группы
( гликозидный гидроксил);
– наличие большего числа стереоизомеров, указывающее на
присутствие дополнительного хирального центра;
– мутаротация — изменение во времени угла вращения
плоскости поляризации света свежеприготовленными растворами
углеводов за счет установления равновесия между изомерами.
(В кристаллическом состоянии моносахариды существуют в виде
одной из циклических форм)
Формулы Хеуорса
O
фуран
O
5
O
4
3
1
2
3
O
H
OH
H
OH
OH
CH2OH
H
HO
H
H
D-глюкоза
пиран
1
4
2
пиранозы
фуранозы
C
O
1
H 2 OH
H
OH O
3
HO 4 H
H
OH
5
H
6 CH2OH
H
H
HO
6 H
HOCH2
1
2
3
4
5
OH
OH
H O
OH
H
6
CH2OH
5
O H
H H
H 1
OH
HO 3
OH
2
H
OH
4
поворот на 120о
или две перестановки
α-D-глюкопираноза
16
O
H
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
C
D-рибоза
O
C
H
H
OH
H
OH
H
CH2OH
OH
O
H
H
OH
H
OH
НОСН2 H
OH
C
HO C
H
H
НОСН2
две перестановки
2OH
2 C=O
HO
H
H
5
OH
O
OH
H
HOCH2
4
H
H
OH
O
3
1
H
H
2
OH
OH
β-D-рибофураноза
Открытая форма
1CH
H
Циклическая форма
1CH
2OH
2 C=O
H
OH
5
OH
6
CH2OH
HO
H
H
OH
6
5
HOCH2
H
O-H
D-фруктоза
(после двух
перестановок
при С-5)
HO
HO
H
6
HOCH2
2
5
1
CH2OH
H
OH
H
CH2OH
OH
O
5 H HO 2
H
CH2OH
OH H
O
(преобразованная
проекция Фишера)
1
(формула Хеуорса)
β-D-фруктофураноза
Упрощение формул Хеуорса
D-Глюкопираноза
CH2OH
O OH
OH
CH2OH
O
OH
HO
OH
OH
HO
OH
β-аномер
CH2OH
HO
HO
OH
α-D-глюкофураноза
(<0,1%)
CH2OH
HO
4
CH2OH
5
O
OH
OH
OH
1
OH
H
1
OH
HO
(без уточнения конфигурации
аномерного центра)
1
OH
β-D-глюкофураноза
(<0,1%)
OH
HO
OH
α-аномер
4
CH2OH
O
OH
H
HO
H
H
C
4
5
O
OH
H
OH
OH
CH2OH
D-глюкоза,
открытая форма
(0,02%)
1
OH
OH
HO
α-D-глюкопираноза
(36%)
CH2OH
5
O OH
OH
1
HO
OH
β-D-глюкопираноза
(64%)
Гликозиды
агликон
аномерный центр
OH
+
OH
полуацетальный
(гликозидный) гидроксил
O
HX
H2O
X
гликозид
O-, N-, S-, C-гликозиды
Гликозиды — производные циклических форм углеводов, в которых
гликозидный гидроксил замещен на остаток спирта, тиола, нуклеинового
основания, моносахарида или др..
Агликон — неуглеводный компонент гликозида.
CH2OH
CH2OH
O
OH
O
1
OC2H5
HO
OH
1
SC2H5
HO
OH
О-гликозид
OH
S-гликозид
О-гликозиды
HOCH2
OH
H
+ CH3OH
H OH H
OH
HO
H OH
α-D-глюкопираноза
H
HOCH2
H+
OH
HO
_H O
2
HOCH2
OH
OH
CH 3 HO
OH
HO
HO
+
О H
H
ион оксония
_ H+
_ H+
+
OH
H
OH
OCH3 HO
О-метил-α-D-глюко- О-метил-β-D-глюкопиранозид
пиранозид
HOCH2
HOCH2
OH
+
OH
O OCH3
H2O
HOCH2
OH
HO
O
O
H
+
C H
OH
гликозил-катион
Образование гликозида
Гидролиз гликозида
Н
HOCH2
O H
+
HO O
+
OH
СH3 HO
H
ионы оксония
O
HO
+
О
H
СН3
α-D-галактофураноза
H
O H
HO
OH
OH
H
H
H OH
CH2OH
α-D-галактопираноза
Полуацетальный
гидроксил
1
H
H
HO
HO
H
O
OH
OH
H O
H
CH2OH
C
H
H OH
3
HO
.. 4 H
HO 5 H
..
H OH
6
CH2OH
2
аномеры
HO
O H
HO
H
OH
H
H
H OH
CH2OH
β-D-галактофураноза
D-галактоза
аномеры
HO
H
HO
HO
H
H
OH
O
H
H
CH2OH
β-D-галактопираноза
Аномеры — стереоизомеры циклических форм моносахаридов, различающиеся конфигурацией аномерного атома углерода, т.е. атома, у
которого имеется полуацетальная (гликозидная) гидроксильная группа
(-ОН).
У α-аномера конфигурация аномерного центра одинакова с конфигурацией «концевого» хирального центра, определяющего
принадлежность к D- или L-ряду; у β-аномера – противоположна.
Проекционные формулы Фишера открытых форм моносахаридов не
полностью отражают их свойства.
– отсутствие для альдоз ряда свойственных альдегидам реакций;
– повышенная реакционная способность одной ОН-группы
( гликозидный гидроксил);
– наличие большего числа стереоизомеров, указывающее на
присутствие дополнительного хирального центра;
– мутаротация — изменение во времени угла вращения
плоскости поляризации света свежеприготовленными растворами
углеводов за счет установления равновесия между изомерами.
(В кристаллическом состоянии моносахариды существуют в виде
одной из циклических форм)
Формулы Хеуорса
O
фуран
O
5
O
4
3
1
2
3
O
H
OH
H
OH
OH
CH2OH
H
HO
H
H
D-глюкоза
пиран
1
4
2
пиранозы
фуранозы
C
O
1
H 2 OH
H
OH O
3
HO 4 H
H
OH
5
H
6 CH2OH
H
H
HO
6 H
HOCH2
1
2
3
4
5
OH
OH
H O
OH
H
6
CH2OH
5
O H
H H
H 1
OH
HO 3
OH
2
H
OH
4
поворот на 120о
или две перестановки
α-D-глюкопираноза
23
O
H
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
C
D-рибоза
O
C
H
H
OH
H
OH
H
CH2OH
OH
O
H
H
OH
H
OH
НОСН2 H
OH
C
HO C
H
H
НОСН2
две перестановки
2OH
2 C=O
HO
H
H
5
OH
O
OH
H
HOCH2
4
H
H
OH
O
3
1
H
H
2
OH OH
β-D-рибофураноза
Открытая форма
1CH
H
Циклическая форма
1CH
2OH
2 C=O
H
OH
5
OH
6
CH2OH
HO
H
H
OH
6
5
HOCH2
H
O-H
D-фруктоза
(после двух
перестановок
при С-5)
HO
HO
H
6
HOCH2
2
5
1
CH2OH
H
OH
H
CH2OH
OH
O
5 H HO 2
H
CH2OH
OH H
O
(преобразованная
проекция Фишера)
1
(формула Хеуорса)
β-D-фруктофураноза
Упрощение формул Хеуорса
D-Глюкопираноза
CH2OH
O OH
OH
CH2OH
O
OH
HO
OH
OH
HO
OH
β-аномер
CH2OH
HO
HO
OH
α-D-глюкофураноза
(<0,1%)
CH2OH
HO
4
CH2OH
5
O
OH
OH
OH
1
OH
H
1
OH
HO
(без уточнения конфигурации
аномерного центра)
1
OH
β-D-глюкофураноза
(<0,1%)
OH
HO
OH
α-аномер
4
CH2OH
O
OH
H
HO
H
H
C
4
5
O
OH
H
OH
OH
CH2OH
D-глюкоза,
открытая форма
(0,02%)
1
OH
OH
HO
α-D-глюкопираноза
(36%)
CH2OH
5
O OH
OH
1
HO
OH
β-D-глюкопираноза
(64%)
Гликозиды
агликон
аномерный центр
OH
+
OH
полуацетальный
(гликозидный) гидроксил
O
HX
H2O
X
гликозид
O-, N-, S-, C-гликозиды
Гликозиды — производные циклических форм углеводов, в которых
гликозидный гидроксил замещен на остаток спирта, тиола, нуклеинового
основания, моносахарида или др..
Агликон — неуглеводный компонент гликозида.
CH2OH
CH2OH
O
OH
O
1
OC2H5
HO
OH
1
SC2H5
HO
OH
О-гликозид
OH
S-гликозид
О-гликозиды
HOCH2
OH
H
+ CH3OH
H OH H
OH
HO
H OH
α-D-глюкопираноза
H
HOCH2
H+
OH
HO
_H O
2
HOCH2
OH
OH
CH 3 HO
OH
HO
HO
+
О H
H
ион оксония
_ H+
_ H+
+
OH
H
OH
OCH3 HO
О-метил-α-D-глюко- О-метил-β-D-глюкопиранозид
пиранозид
HOCH2
HOCH2
OH
+
OH
O OCH3
H2O
HOCH2
OH
HO
O
O
H
+
C H
OH
гликозил-катион
Образование гликозида
Гидролиз гликозида
Н
HOCH2
O H
+
HO O
+
OH
СH3 HO
H
ионы оксония
O
HO
+
О
H
СН3
Химические свойства моносахаридов
Наиболее важные реакционные центры моносахаридов
CH2OH
CH2OH
OH
O
OH H
HO
1
2
HO
2
OH
OH
циклические α- и β-формы
1
OH H CH= O
OH
ациклическая форма
– полуацетальный гидроксил;
– спиртовые гидроксильные группы;
– карбонильная группа ациклической формы;
– СН-кислотный центр — атом С-2 в альдозах.
28
Образование простых эфиров
Алкилирование
• Взаимодействие спиртовых ОН-групп с алкилгалогенидами.
– в реакцию также вступает гликозидная ОН-группа
CH2OH
HO
O
OH
OH
CH2OCH3
CH3O
O
OCH3
OCH3
CH3I (KOH)
избыток
OH
OCH3
α-D-галактопираноза
H3O+
гидролиз
пентаметилгалактоза
HOCH2
O
CH2OCH3
CH3O
O
OCH3
OH
OCH3
тетраметилгалактоза
HOCH2
O
~ OH
~ OH + СН3СНСООН
в микроHO
HO
ОН
организмах
O
NHССН3
NHССН3
молочная
СН3СНСООН О
О
кислота
N-ацетилглюкозамин
N-ацетилмурамовая кислота
OH
входит в состав
клеточной стенки бактерий
29
Образование сложных эфиров и амидов
Ацилирование
CH2−OAc
O
OAc
OAc
CH2OH
OH
O
OH
(CH3CO)2O
избыток
AcO
HO
OH
D-глюкопираноза
OAc
пентаацетилглюкоза
Сложные эфиры моносахаридов гидролизуются и в кислой
и в щелочной среде.
HOCH2
в условиях
организма
НО
O
O
OH
~ OH
NH2
глюкозамин
CH3 C
HOCH2
SCoA
HSCoA
HO
OH
O
~ OH
NHССН3
О
N-ацетилглюкозамин
30
Восстановление моносахаридов в глициты
CH2OH
C O
HO H
OH
H
H
OH
CH2OH
[H]
CH2OH
CH2OH
H
HO
H
H
D-фруктоза
OH
H
OH
OH
CH2OH
HO
HO
H
H
+
глюцит
(сорбит)
H
H
OH
OH
CH2OH
маннит
Окисление моносахаридов
C
O
OH
( CHOH) n
CH2OH
гликоновые кислоты
O
C OH
(CHOH) n
O
C
OH
гликаровые кислоты
C
O
H
(CHOH) n
O
C
OH
гликуроновые кислоты
Мягкие условия
C
H
HO
H
H
O
OH
OH
H
OH
OH
Br2 / H2O
(НАД+)
CH2OH
D-глюконовая кислота
Жесткие условия
O
C
H
H
OH
HO
H
H
OH
H
OH
CH2OH
D-глюкоза
C
HNO3
разб.
H
HO
H
H
O
OH
OH
H
OH
OH
O
C
OH
D-глюкаровая кислота
Образование гликуроновых кислот
HOCH2
OH
O
HO
+ ROH
~OН
OH
_
H 2O
HOCH2
OH
HO
образование О-гликозида
O
~ OR
OH
О-гликозид
D-глюкоза
2 НАД+
окисление
декарбоксилирование
- СО2
СООН
O
OH
~ OН
+ Н2О
OH
гидролиз
HO
OH
HO
O
~ OН
_
D-глюкуроновая
кислота
OH
L-арабинофураноза
ROH
СООН
O
OH
~ OR
HO
OH
глюкуронид
СООН
НО
O
+
OH
~ OН
OH
D-галактуроновая
кислота
HOCH2
H OH
O
_
НО
COOH
салициловая
кислота
H2O
COOH
HO
O O
OH
H
OH
COOH
галактуронид
салициловой
кислоты
HOCH2
O
H
НО OH
L-аскорбиновая
кислота (витамин С)
восстановленная форма
_
+_
H
OHO
2H , 2 e
O
Н
O O
дегидроаскорбиновая
кислота
окисленная форма
Дисахариды
Мальтоза (солодовый сахар)
α мальтоза
HOCH2
HOCH2
OH
O H
4 OH
OH 1
O
OH
HO
OH
OH
α(1
4) - гликозидная связь
HOCH2
HOCH2
OН О
OH
OH
OH
С
O
Н
HO
OH
OH
нециклическая форма
[O]
β мальтоза
HOCH2
HOCH2
OH
O ОН
OH
OH
O
H
HO
OH
OH
полуацетальный гидроксил
HOCH2
HOCH2
OH
OН О
OH
OH
С
O
HO
ОН
OH
OH
мальтобионовая кислота
Способна к циклооксотаутомерии, восстанавливающий
дисахарид
целлобиоза
HOCH2
HOCH2
O
OH
OH
OH
O
H
OH
HO
OH
OH
β(1
4) - гликозидная связь
промежуточный продукт
гидролиза целлюлозы
лактоза
HOCH2
НО
O
OH
HOCH2
H
O
OH
O
H
OH
OH
OH
полуацетальный гидроксил
молочный сахар, при гидролизе
образует глюкозу и галактозу
Оба дисахарида способны к циклооксотаутомерии и
относятся к восстанавливающим дисахаридам
Сахароза (тростниковый и свекловичный сахар)
HOCH 2
HOCH2
OH
HO
HOCH2
O Н
1
гликозид-гликозидная связь
α
НO О
O
2 β
НО
CH2ОН
OH
O
OH
HO
гидролиз
1
~OH
НO
глюкоза
HOCH2
O
НО
~OH(CH2ОН)
OH
фруктоза
Сахароза не способна к циклооксотаутомерии и относится к
невосстанавливающим дисахаридам
Полисахариды
гомополисахариды
При гидролизе образуют
один моносахарид
гетерополисахариды
При гидролизе образуют
несколько моносахаридов
Гомополисахариды
целлюлоза
HO
CH2OH
O
OH
O
OH
CH2OH
O
OH
O
OH
CH2OH
O
... O
OH
CH2OH
O
OH
~ OH
OH
OH
β(1→4)-гликозидная связь
Целлюлоза или клетчатка – основной структурный компонент клеточных стенок растений, в организме человека не расщепляется.
амилоза
CH2OH
OH O
HO
OH
CH2OH
O
OH
O
O
CH2OH
O
OH
... O
OH
OH
α(1→4)-гликозидная связь
CH2OH
O
OH
~ OH
OH
Один из компонентов крахмала – линейный полимер, в
организме человека расщепляется до глюкозы
Неполный гидролиз крахмала
(C6H10O5)n
крахмал
гидролиз
(C6H10O5)m , m < n
декстрины
Декстрины лучше крахмала растворимы в воде
Амилопектин и гликоген
Полисахариды с разветвленной структурой
CH2OH
O
OH
HO
α(1→4)-гликозидная связь
OH
O
CH2OH
O
OH
OH
OCH2
...
OH O
OH
O
... O
CH2OH
O
OH
OH
CH2OH
O
OH
HO O
CH2
O
n
OH
α(1→6)-гликозидная связь
O
...
OH
Амилопектин (n= 20-25) основной компонент крахмала
Гликоген (животный крахмал) (n ≈ 10) резервный углевод.
Гетерополисахариды
хондроитин-4-сульфат
O
CH2OH
COOH
O
O HO3SO
OH
O
OH
O
NH
COCH3 n
CH2OH
COOH
HO3SO
O
O
OH
O
OH
NH
COCH3
– кожа, хрящи, сухожилия;
– состоят из дисахаридных остатков N-ацетилхондрозина,
связанных β(1→4)-гликозидными связями.
N-ацетилхондрозин состоит из остатков глюкуроновой кислоты и
сульфатированного N-ацетилгалактозамина
гепарин
O
COOH
OH
O
OSO3H
CH3OSO3H
O
OH
O
NHSO3H
COOH
O
OH
OH
O
CH2SO3H
O
OH
O
NHSO3H
n
– локализован в печени;
– повторяющиеся дисахаридные фрагменты гепарина включают
остатки D-глюкозамина и уроновой кислоты (D-глюкуроновой
или L-идуроновой;
– в дисахаридном фрагменте реализуется α(1→4)- гликозидная
связь, а между дисахаридами или α(1→4)- или β(1→4)-гликозидная связь;
– аминогруппа часто сульфатирована или ацетилирована.