Углеводы «The Discovery of Honey» — Piero di Cosimo (1462). (Courtesy of the Worcester Art Museum) Классификация ФОТОСИНТЕЗ xCO2 + yH2O + hv Cx(H2O)y + xO2 МЕТАБОЛИЗМ Cx(H2O)y + xO2 xCO2 + yH2O + hv 2 Классификация УГЛЕВОДЫ Моносахариды Олигосахариды Полисахариды 3 МОНОСАХАРИДЫ. Строение и стереоизомерия H O C (CHOH)n CH2OH CH2OH C O (CHOH)n CH2OH Альдозы n=1–8 Кетозы n=1–7 4 МОНОСАХАРИДЫ. Строение и стереоизомерия CH2 CH CH CH C OH OH OH OH O альдопентоза H альдегидная CH2 CH CH CH CH C OH OH OH OH OH O альдогексоза H Оксогруппа CH2 CH CH C CH2 кетопентоза OH OH OH O OH кетонная CH2 CH CH CH C CH2 OH OH OH OH O OH кетогексоза 5 МОНОСАХАРИДЫ. Строение и стереоизомерия Пентозы Альдопентозы 1 CHO CHO 2 OH 3 OH 4 OH 5 Кетопентозы OH HO OH CH2OH CH2OH D-рибоза D-ксилоза Эпимеры 1 CH2OH CH2OH 2 C C O 3 OH 4 OH 5 O HO OH CH2OH CH2OH D-ðèáóëî çà D-êñèëóëî çà Ýï è ì åðû 6 МОНОСАХАРИДЫ. Строение и стереоизомерия Гексозы Альдогексозы 1 CHO 2 HO 3 HO CHO CHO OH HO OH 5 OH OH D-манноза OH O HO OH CH2OH CH2OH C 4 6 Кетогексозы HO HO OH CH2OH CH2OH D-глюкоза D-галактоза Эпимеры Эпимеры Диастереомеры OH OH CH2OH D-фруктоза 7 МОНОСАХАРИДЫ. Строение и стереоизомерия CHO CHO OH HO HO OH OH HO OH HO CH2OH D-ãëþ êî çà CH2OH L-глюкоза 8 ГЕКСОЗЫ ПЕНТОЗЫ ТЕТРОЗЫ ТРИОЗЫ МОНОСАХАРИДЫ. Строение и стереоизомерия CHO OH Семейство D-адьдоз CH2OH D-глицериновый альдегид CHO CHO OH HO OH OH CH2OH CH2OH D-эритроза D-треоза CHO OH CHO OH HO HO OH OH OH OH OH OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH D-арабиноза D-ксилоза D-рибоза CHO OH CHO CHO CHO CHO HO HO HO CHO CHO D-ликсоза CHO CHO OH HO OH HO OH CHO HO OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH D-манноза D-гулоза D-идоза D-галактоза D-аллоза D-альтроза HO OH HO D-глюкоза HO OH HO HO HO HO HO D-талоза 9 МОНОСАХАРИДЫ. Циклические формы А.А. Колли (1870) Б. Толленс (1883) OH O R H+ + R'OH C R C OR' H H Полуацеталь Альдегид Полуацетальный гидроксил OH O C(CHOH)nC C(CHOH)nC H H OH O Полигидроксиальдегид Циклический полуацеталь 10 МОНОСАХАРИДЫ. Циклические формы Гликозидная OH-группа H + O 1C 1 C OH OH HO 1 HO C OH OH O HO HO OH 5 CH2OH -D-глюкопираноза (циклическая форма) O OH OH 5 5 O H CH2OH D-глюкоза (открытая форма) CH2OH -D-глюкопираноза (циклическая форма) 11 МОНОСАХАРИДЫ. Циклические формы Ãë è ê î çè äí àÿ OH-ãðóï ï à 1 C H OH OH + 1C HO 4 OH CH2OH -D-ãëþ êî ô óðàí î çà (öèêëè÷åñêàÿ ô î ðì à) C OH O HO HO 4 1 OH O HO O 4 O H OH CH2OH D-ãëþ êî çà (î òêðû òàÿ ô î ðì à) OH CH2OH -D-ãëþ êî ï èðàí î çà (öèêëè÷åñêàÿ ô î ðì à) 12 МОНОСАХАРИДЫ. Циклические формы R-конфигурация C-1 Нуклеофильная атака 6 6 CH2OH O 5 4 CH2OH H H 2 3 OH 4 1 OH O 5 O 1 OH OH 2 3 -аномер D-альдопиранозы D-альдоза Вращение вокруг связи С1-С2 4 OH Аномерные атомы имеют противоположную конфигурацию Нуклеофильная атака 6 6 CH2OH CH2OH H O 1 2 4 OH D-альдоза O O 5 H OH 3 H OH OH 5 OH OH 1 OH 3 2 OH OH -аномер D-альдопиранозы S-конфигурация C-1 13 МОНОСАХАРИДЫ. Циклические формы 6 CH2OH H H HO H H 1 C 2 3 4 OH H OH O H OH 4 OH 5 5 H OH 3 H O H H 1 2 OH OH 6CH2OH -D-Глюкопираноза 14 МОНОСАХАРИДЫ. Циклические формы HO H HO H H 1 C 2 3 6 H OH O H CH2OH 5 HOCH 4 4 H 5 6 OH O OH 3 H OH H 2 1 H OH CH2OH -D-глюкофураноза 15 МОНОСАХАРИДЫ. Циклические формы H H CH2OH H O CH2OH H O HO HO OH HO H H -Аномер H HO H OH H OH H OH -Аномер Конформации кресла D-глюкопиранозы 16 МОНОСАХАРИДЫ. Таутомерия CH2OH CH2OH O HOCH OH O H OH H H H H OH H O C H CH2OH OH H H OH H OH D-Ãëþ êî çà (î òêðû òàÿ ô î ðì à) OH -D-ãëþ êî ô óðàí î çà H OH -D-Ãëþ êî ï èðàí î çà (64%) CH2OH O H H OH OH H H Çàì û êàí èå öèêëà H H H OH CH2OH O HOCH H OH -D-ãëþ êî ô óðàí î çà HO H OH OH H H OH OH H OH -D-Ãëþ êî ï èðàí î çà (36%) 17 МОНОСАХАРИДЫ. Конформации H H CH2OH HO HO H O CH2OH H H H H OH HO HO -D-глюкопираноза (36%) CH2OH O H OH OH H OH H D-глюкоза H HO HO H O OH H H OH H -D-глюкопираноза (64%) 18 МОНОСАХАРИДЫ. Конформации OH OH CH2OH H HO H O CH2OH H H OH H OH H OH OH H -D-галактопираноза (30%) H -D-галактопираноза (70%) H HO HO H HO H O H CH2OH O HO H H H H OH -D-маннопираноза (69%) HO HO CH2OH O HO OH H H H H -D-маннопираноза (31%) 19 МОНОСАХАРИДЫ. Конформации Электронное отталкивание CH2OH CH2OH O H H O O H R O R H Анномерный эффект в -аномере Отсутствие анномерного эффекта в -аномере 20 МОНОСАХАРИДЫ. Производные моносахаридов Дезоксисахара 1 HOH2C 2 CH2 H H 4 1 2 2 CHO CHO 3 1 HO O OH OH H 3 5 OH CH2OH 2-дезоксиD-рибоза H CH2 OH H 4 HO OH CHO 2-дезоксиD-рибофураноза HO H 5 H HO HO 3 OH 4 H 5 H 6 6 CH3 CH3 L-фукоза D-дигитоксоза 21 МОНОСАХАРИДЫ. Производные моносахаридов Аминосахара 1 CH2OH CHO H HO 2 3 H OH 5 OH H 4 H O NH2 OH OH HO NH2 6 CH2OH D-глюкозамин (2-амино-2-дезокси-D-глюкопираноза) 22 МОНОСАХАРИДЫ. Производные моносахаридов Аминосахара 1 CH2OH CHO H HO 2 NH2 3 H HO O OH OH 4 HO H H 5 OH NH2 6 CH2OH D-галактозамин (2-амино-2-дезокси-D-галактопираноза) 23 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Гликозиды CH2OH O OH OCH3 OH CH2OH OH метил--D-глюкопираноза O OH OH CH3OH, сухой HCl + CH2OH OH OH O D-глюкопираноза OCH3 OH OH OH метил--D-глюкопираноза 24 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Простые эфиры CH2OCH3 CH2OH O HO O CH3O OH +CH3I (KOH) OH OCH3 OCH3 OH -D-галактопираноза OCH3 метил-2,3,4,6-тетра-О-метилD-галактопираноза H2O (H+) CH2OCH3 O CH3O OCH3 OH OCH3 2,3,4,6-тетра-О-метилD-галактопираноза 25 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Сложные эфиры O CH2O CH2OH CH3 O O OH C Ac OH (CH3CO)2O O Ac O Ac Ac O HO OH D-глюкопираноза O Ac 1,2,3,4,6-пента-О-ацетил-D-глюкопираноза (пентаацетилглюкоза) 26 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Сложные эфиры CH2OPO3H2 CH2OH O OH O OH HO OH OPO3H2 HO OH 6-фосфат D-глюкопираноза OH 1-фосфат -D-глюкопираноза 27 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Сложные эфиры H2O3POH2C O OH CH2OPO3H2 OH OH 1,6-дифосфат -D-фруктопиранозы 28 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Участие фосфатов моносахаридов в биохимических процессах H OCH2 O O OH OH HO + HO O O P OP OP HO HO HO фермент OCH2 Ade OH D-глюкопираноза АТФ HO OH 29 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Участие фосфатов моносахаридов в биохимических процессах H2O3POCH2 O OH OH HO + HO O O P OP HO HO OCH2 Ade OH 6-фосфатD-глюкопираноза АДФ HO OH 30 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Участие фосфатов моносахаридов в биохимических процессах O HO P O OCH2 - - O O O P OCH2 - O O OH OH HO HO OH Моноанион (10% при pH 7) OH Дианион (90% при pH 7) 31 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Участие фосфатов моносахаридов в биохимических процессах CH2OPO3H2 CH2OPO3H2 C C O O CH2OH HO H H OH H OH CH2OPO3H2 (1) Альдолаза (2) CHO H OH CH2OPO3H2 (3) 32 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Участие фосфатов моносахаридов в биохимических процессах CH2OPO3H2 C H O CH2OPO3H2 (2) C O CHOH HO + H H C H H OH H OH O OH CH2OPO3H2 (3) CH2OPO3H2 (1) 33 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Восстановление CHO H HO H CH2OH OH H OH CH2OH D -ксилоза H [H ] OH HO H H OH CH2OH ксилит 34 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Восстановление CH2OH C HO CH2OH O H H NaBH4 HO CH2OH OH HO H H HO H H OH H OH H OH H OH + H OH H OH CH2OH CH2OH CH2OH D-фруктоза D-глюцит D-маннит 35 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Окисление O O R + Ag(NH3)2+ C Ag + R C OH H Реактив Толленса альдоза O O R + Cu+2 C H альдоза Реактив Фелинга Cu2O + R C OH 36 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Окисление CHO (CHOH)n CH2OH Альдоза COOH HNO3 (разб.) (CHOH)n COOH Гликаровая кислота (общее название) 37 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Окисление CHO H HO COOH OH H H HNO3 (разб.) HO OH H H OH H OH H OH H OH CH2OH D-глюкоза COOH D-глюкаровая кислота 38 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Окисление CHO (CHOH)n CH2OH Альдоза COOH Br2 / H2O (CHOH)n CH2OH Гликоковая (альдоновая) кислота 39 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Окисление CH2OH HO H O H HO H OH H O COOH CHO Br2 / H2O HO OH H H OH H OH H OH H OH CH2OH D-глюкоза HO OH -лактон -H2O CH2OH O CH2OH D-глюконовая кислота OH O HO OH 40 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Окисление COOH O OH O OH HO OH -CO2 OH HO OH D-глюкуроновая кислота OH D-ксилопираноза 41 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Окисление О-глюкурониды COOH COOH Гидролиз -CH3COOH OCOCH3 Ацетилсалициловая кислота (аспирин) OH Салициловая кислота 42 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Окисление О-глюкурониды COOH O O COOH OH HO OH Выведение салициловой кислоты в форме О-глюкуронида 43 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Окисление N-глюкурониды C COOH CH2 CH3 OCONH2 O CH3 C3H7 OCH2 C NH O C C3H7 OH CH2OCONH2 CH2 OCONH2 Мепротан (транквилизатор) HO OH Выведение мепротана в форме N-глюкуронида 44 МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Взаимные превращения альдоз и кетоз H O C H H O C C H HO OH C OH HO H H OH H OH CH2OH a б HO H HO H H OH H OH OH CH2OH H H OH H OH CH2OH CH2OH a C HO O H H OH H OH 45 CH2OH МОНОСАХАРИДЫ. Химические свойства. Дегидратация HO HC H CH CH HC OH CH CHO -3H2O HC C HO HOCH2 HC HC CH OH CH OH HO Àëüäî ï èðàí î çà CHO O OH HO Альдопираноза CH Фурфурол HC HOH2C C CHO -3H2O CH C CHO O 5-ãèäðî êñèì åòèëô óðô óðî ë 46 ДИСАХАРИДЫ Мальтоза + H2O D-глюкоза + D-глюкоза Целлобиоза + H2O D-глюкоза + D-глюкоза C12H22O11 Лактоза + H2O D-глюкоза + D-галактоза Сахароза + H2O D-глюкоза + D-фруктоза 47 ДИСАХАРИДЫ. Восстанавливающие дисахариды Восстановительные свойства Полуацеталь: место раскрытия цикла O O 4 1 OH OH OH OH OH OH OH Открытая форма -(14)-Гликозидная связь -D-глюкопиранозил-(14)-D-глюкопираноза CH2OH CH2OH O O OH OH МАЛЬТОЗА CHO O HO OH OH O OH O HO CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH OH O HO OH -D-глюкопиранозил-(14)-D-глюкопираноза OH 48 ДИСАХАРИДЫ. Восстанавливающие дисахариды Восстановительные свойства Полуацеталь: место раскрытия цикла O O 1 O OH 4 CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH OH OH O OH OH O OH CHO HO HO OH OH OH OH Открытая форма -(14)-Гликозидная связь -D-глюкопиранозил-(14)-D-глюкопираноза CH2OH CH2OH O O OH ЦЕЛЛОБИОЗА O OH OH HO OH -D-глюкопиранозил-(14)-D-глюкопираноза OH 49 ДИСАХАРИДЫ. Восстанавливающие дисахариды H CH2OH H HO HO H O H OH H Аксиальная связь H CH2OH O HO H O H H -МАЛЬТОЗА OH OH H 50 ДИСАХАРИДЫ. Восстанавливающие дисахариды H H CH2OH H H H O OH HO HO HO H H OH O OH CH2OH H H O H Экваториальная связь -ЦЕЛЛОБИОЗА 51 ДИСАХАРИДЫ. Восстанавливающие дисахариды Восстановительные свойства Полуацеталь: место раскрытия цикла O HO O 1 O OH 4 OH OH O HO OH OH O OH CHO OH OH OH OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH Открытая форма -(14)-Гликозидная связь -D-глюкопиранозил-(14)-D-глюкопираноза CH2OH CH2OH O O HO OH O OH OH ЛАКТОЗА OH -D-глюкопиранозил-(14)-D-глюкопираноза OH 52 ДИСАХАРИДЫ. Восстанавливающие дисахариды CH3COHN O COOH CH2OH CH2 R O O O HO OH O OH Остаток сиаловой кислоты R = CHOH CHOH CH2OH OH OH OH OH Остаток лактозы 53 ДИСАХАРИДЫ. Восстанавливающие дисахариды OH HO CH3 HO O O Остаток L-фукозы CH2OH O OH OH HO O OH O CH2OH OH Остаток лактозы 54 ДИСАХАРИДЫ. Невосстанавливающие дисахариды CH2OH O 1 OH -конфигурация HO OH O HOH2C (12) или (21) гликозидные связи O HO 2 -конфигурация 1 CH2OH OH -D-глюкопиранозил-(1)--D-фруктофуранозид 55 САХАРОЗА ДИСАХАРИДЫ. Невосстанавливающие дисахариды Биозные фрагменты природных гликозидов O CH2OH 6 CH2 O OH OCH O 1 OH C6H5 CN OH OH OH OH Остаток циангидрина бензальдегида Генциобиозный остаток АМИГДАЛИН 56 ДИСАХАРИДЫ. Аминогликозиды-антибиотики CHO H 2 OH C 3 OH HO 4 O H H 5 CH3 4 O CHO 3 2 OH OH OH H3C L-ряд Стрептоза 57 ДИСАХАРИДЫ. Аминогликозиды-антибиотики CHO CH3HN H H OH HO H HO H CH2OH L-ряд HO O CH2OH NHCH3 OH OH N-метил-L-глюкозамин 58 ДИСАХАРИДЫ. Аминогликозиды-антибиотики NH NH C NH NH2 NH O OH CHO H3C C NH2 HO O OH OH O Остаток стрептидина O HO CH2OH OH NHCH3 СТРЕПТОМИЦИН 59 ПОЛИСАХАРИДЫ. Гомополисахариды (C6H10O5)n гидролиз (C6H10O5)m , где m < n крахмал декстрины CH2OH CH2OH O O OH O OH OH OH OH O HO O O O OH OH CH2OH CH2OH CH2OH O O OH OH OH OH Восстанавливающий конец Невосстанавливающий конец (14)-Глюкозидная связь АМИЛОЗА 60 ПОЛИСАХАРИДЫ. Гомополисахариды Боковые цепь CH2OH CH2OH CH2OH 4 1 OH O O O 4 1 OH O O HO 1 OH (16)-гликозидная связь OH OH OH O Разветвление 4 OH OH OH OH OH OH OH O O O O HO O O O O O CH2OH CH2 CH2OH CH2OH CH2OH OH OH OH n (14) n=20-25 Основная цепь АМИЛОПЕКТИН 61 ПОЛИСАХАРИДЫ. Гомополисахариды Спиралевидная цепь амилозы 62 ПОЛИСАХАРИДЫ. Гомополисахариды Структура комплекса амилозы и иода 63 ПОЛИСАХАРИДЫ. Гомополисахариды Разветвленная макромолекула амилопектина 64 ПОЛИСАХАРИДЫ. Гомополисахариды 6 CH2 CH2 O 6 CH2 O 1 OH O 6 CH2 O HO HO (16) OH 6 CH2 O 1 O 1 OH O 3 6 CH2 OH O 1 OH O HO Основная цепь HO OH OH (14) Разветвление (13) O O 1 OH OH O 6 CH2 O O O 1 OH HO 1 OH O HO OH OH ДЕКСТРАН 65 ПОЛИСАХАРИДЫ. Гомополисахариды CH2OH CH2OH CH2OH O OH O O 1 O 4 OH CH2OH 1 O 4 OH O 1 O 4 OH OH HO OH OH OH OH (14)-гликозидными связями Целлюлоза 66 ПОЛИСАХАРИДЫ. Гомополисахариды CH2OH O OH CH2OH CH2OH O O 1 O 4 OH CH2OH 1 O 4 OH O 1 O 4 OH O NHCOCH3 NHCOCH3 NHCOCH3 NHCOCH3 ХИТИН 67 ПОЛИСАХАРИДЫ. Гомополисахариды COOH O COOH COOH O OH O O 1 OH O 4 1 OH OH COOH O 4 O 1 OH O 4 OH OH OH ПОЛИГАЛАКТУРОНОВАЯ (ПЕКТОВАЯ) КИСЛОТА 68 ПОЛИСАХАРИДЫ. Гетерополисахариды Полисахариды соединительной ткани Хондроитинсульфаты COOH CH2OH O O HO OH 1 HO OH O 3 OH NHCOOCH3 D-глюкуроновая кислота N-ацетил-D-галактозамин N-АЦЕТИЛХОНДРОЗИН 69 ПОЛИСАХАРИДЫ. Гетерополисахариды Полисахариды соединительной ткани Хондроитинсульфаты COOH COOH CH2OH O OH (14) OH (13) O O HO3SO OH O O O O O HO3SO CH2OH Тетрасахаридный фрагмент O (13) OH NHCOOCH3 NHCOOCH3 ХОНДРОИТИН-4-СУЛЬФАТ COOH COOH CH2OH O OH (14) O O O O O CH2OH OH (13) O O HO OH O HO NHCOOCH3 OH (13) NHCOOCH3 ГИАЛУРОВАЯ КИСЛОТА 70 ПОЛИСАХАРИДЫ. Гетерополисахариды Протеогликаны O 3 2 (14) 1 (14) OH OH 4 CO + HOCH2 NH Ser (1) CH OH (1) D-ксилозный остаток CO 4 3 2 (14) 1 O CH2 CH NH (14) (1) (1) Глюкозидная связь Хондроитинсульфат Тетрасахаридный фрагмент Полипептидная цепь 71 ПОЛИСАХАРИДЫ. Гетерополисахариды Протеогликаны CH2OSO3H O O OH (14) O O NHSO3H COOH OH (14) O COOH CH2OSO3H (14) CH2OSO3H O O OH OH O COOH OH OH O O OSO3H NHSO3H O O OH NHSO3H OSO3H 72 ПОЛИСАХАРИДЫ. Гетерополисахариды Полисахариды клеточной стенки бактерий CH2OH CH2OH CH2OH O O OH O O O OH O HO NHCOCH3 NHCOCH3 OCHCOOH CH3 Б А NH2 OCHCOOH Лактильный остаток CH3 Б Мурамин Мурамовая кислота 73 ПОЛИСАХАРИДЫ. Гетерополисахариды Пептидогликаны А Б NH CH CH3 В L-Lys D-Gln L-Ala CO NH CH CO NH CH CH2 CH2 CH2 CH2 CONH2 CH2 CO NH CH CH3 CH2 NH Gly D-Ala CO CH2 NH CO NH CH2 CO К остатку L-лизина другой тетрапептидной цепи К концевому остатку D-аланина другой тетрапептидной цепи Gly Строение тетрапептидной цепи муреина 74 ПОЛИСАХАРИДЫ. Гетерополисахариды Пептидогликаны Пептидогликан муреин и его сетчатая структура 75 ПОЛИСАХАРИДЫ. Гетерополисахариды Гликопротеины Остаток аспарагина CH2OH O NHCO OH CH2CH COOH NH2 HO NHCOCH3 Остаток N-ацетилглюкозамина 76