А. Моносахариди

Загальна характеристика, будова та функції вуглеводів

Лекція № 2. Біогенні вуглеводи.

Вуглеводи – органічні сполуки, які найчастіше складаються з трьох хімічних елементів – вуглецю, водню і кисню. Відомі багато сполук, що містять, окрім цих трьох елементів, також фосфор, сірку і азот.

Вуглеводи широко поширені в природі. Вони утворюються в рослинах у результаті реакцій фотосинтезу і складають 80 – 90% їх сухої маси. В організмі тварин вуглеводи піддаються механічній і хімічній переробці. В середньому в організмі тварин міститься 1 – 2% вуглеводів в перерахунку на суху речовину.

Значення вуглеводів багатогранно. Так, вони є основою структури рослинної клітини, використовуються в енергетичних процесах і відкладаються у вигляді запасних поживних речовин (крохмаль). В організмі тварин і людини є головним джерелом хімічної енергії. Окремі органи задовольняють свої потреби в основному в результаті розщеплення глюкози: головний мозок – на 80%, серце – на 70 – 75%. Вуглеводи відкладаються в тканинах тваринного організму у вигляді запасних поживних речовин (глікоген). Деякі з них виконують опорні функції (гіалуронова кислота), беруть участь в захисних функціях, затримують розвиток мікробів (мукополісахариди слизу), служать хімічною основою для побудови молекул біополімерів, є складовими частинами макроергічних сполук і т.д.

За хімічними властивостями вуглеводи є альдегідо- і кетоспиртами. За будовою вуглеводи ділять на дві групи – прості, або моносахариди, і складні, або, полісахариди.

Моносахариди класифікують за наявністю альдегідної або кетонної групи (альдози і кетози), числом вуглецевих атомів (тріози, тетрози, пентози, гексози і т.д.) і за хімічною природою (нейтральні і кислі цукри, аміноцукри).

Моносахариди – білі кристалічні речовини, добре розчинні у воді, солодкі на смак, оптично активні, вступають у хімічні реакції, характерні для альдегідо- або кетоспиртів, легко виявляються якісними і кількісними реакціями (Троммера, Селіванова, срібного дзеркала та ін.), піддаються різним видам бродіння. Окремим з них належить важлива роль в реакціях обміну речовин.

Тріози. Загальна формула – C₃H₆O₃. За хімічними властивостями є альдегідо- і кетоспиртами:

Містяться в тканинах і біологічних рідинах у вигляді складних ефірів з ортофосфорною кислотою, як продукти проміжного обміну вуглеводів при реакціях гліколізу і бродіння.

Тетрози. Загальна формула – C₄H₈O₄. За хімічними властивостями діляться на альдози і кетози. Найбільше значення має еритроза, яка міститься в тканинах у вигляді ефіру з ортофосфорною кислотою – продукту пентозного циклу окислення вуглеводів:

Пентози. Загальна формула – C₅H₁₀O₅ (за винятком дезоксирибози, формула якої C₅H₁₀О₄). Більшість пентоз утворюється в харчовому каналі тварин у результаті гідролізу пентозанів рослин:

_nH₂O + (C₅H₈O₄)_n ® _nC₅H₁₀O₅

Частина пентоз утворюється в результаті проміжного обміну (пентозному циклі). В тканинах пентози знаходяться у вільному стані, у вигляді ефірів ортофосфорної кислоти, входять до складу макроергічних сполук (АТФ), нуклеїнових кислот, коферментів (НАДФ, ФАД) та інших біологічно важливих сполук. До них належать:

Пентози в тканинах найчастіше знаходяться в циклічній формі, яку прийнято зображати формулами Коллі-Толленса або Хеуорса:

L(+)-Aрабіноза. Входить до складу плодів, є продуктом гідролізу бурякового жому, рослинного слизу, пектинових речовин, геміцелюлози, гуміарабіку, полісахаридів деяких бактерій (туберкульозної палички). Оптично активна (+105,5°).

D(+)-Ксилоза. Утворюється в харчовому каналі при гідролізі ксиланів, полісахаридів соломи, кукурудзи, висівок та ін. Знайдена у складі полісахаридно-білкових комплексів тканин. Використовується як поживне середовище при вирощуванні кормових дріжджів. Оптично активна (+ 18,8°).

D(+)-Pибоза. Як і інші моносахариди, існує у вигляді двох оптичних антиподів (D і L) і неактивного рацемата. Особливістю рибози є високий вміст (8,5%) ациклічної форми. Обов'язкова складова частина РНК, нуклеотидів, нуклеозидів, деяких коферментів і бактерійних полісахаридів. Утворюється в травному тракті при гідролізі цих речовин, в тканинах – у результаті функціонування пентозного циклу. Оптично активна (+23,7°).

D(+)-Дезоксирибоза. Є обов'язковою складовою частиною ДНК. Утворюється в харчовому каналі при гідролізі кормів, багатих на ДНК, а також в результаті розщеплення гексоз в пентозному циклі. Оптично активна (a-D(+)-рибоза – +55°, b-D(+)-рибоза –58°).

D(+)-Ксилулоза. Утворюється в тканинах при пентозному циклі. Виявляється у вигляді ксилулозо-5-фосфата, донатора двовуглецевих груп у міжмолекулярних реакціях проміжного обміну вуглеводів. Бере участь в біосинтезі нуклеїнових кислот.

Гексози. Загальна формула гексоз – C₆H₁₂O₆. Зустрічаються у вільному стані, у складі різних полісахаридів та інших сполук. Діляться на альдо- і кетогексози. У водних розчинах існують у вигляді декількох таутомерних (ациклічних і циклічних) D- і L-форм, а також рацематів. В природі переважають D-форми:

Циклічна форма виникає в результаті таутомерії ациклічної форми моносахариду і зображається у вигляді п’ятичленних (фуранозних) або шестичленних (піранозних) кілець, а також в „перспективному вигляді”:

У результаті таутомерії утворюється глюкозидний гідроксил, який володіє високою реакційною здатністю. Альдогексози і альдопентози можуть існувати в п'яти різних ізомерних формах, наприклад:

D(+)-Глюкоза. Широко поширена в природі. Зустрічається у вільному і зв'язаному станах. Входить до складу овочів і фруктів. Виноград містить 17 – 20% глюкози (звідси назва виноградний цукор). Складова частина оліго- і полісахаридів. Глюкоза поступає в організм у складі кормів, утворюється при гідролізі складних вуглеводів і в результаті неоглікогенеза. Глюкоза – обов'язкова складова частина крові людини і тварин. Розчини глюкози використовуються в медицині і ветеринарії для внутрішньовенних ін'єкцій.

Глюкоза існує у вигляді a-D(+)- і b-D(+)-глюкози (питоме обертання +113 і +19°), а також рацемата двох правих ізомерів (питоме обертання +52,7°) у водному розчині. В організмі тварин знаходяться похідні глюкози – глюконова і глюкуронова кислоти, глюкозамін, а при окисленні глюкози азотною кислотою утворюється цукрова кислота.

Фосфорні похідні глюконової кислоти є проміжними продуктами пентозного циклу, глюкуронова кислота зустрічається у вільному стані в крові і сечі, бере участь в нейтралізації отруйних продуктів обміну речовин (фенолу, скатолу, індолу та ін.), які виводяться з сечею у вигляді парних сполук. Крім того, глюкуронова кислота входить до складу мукополісахаридів. D-Глюкозамін є складовою частиною глікопротеїдів, мукополісахаридів і хітину.

D(+)-Галактоза. Зазвичай утворюється в результаті гідролізу в харчовому каналі оліго- і полісахаридів їжі. Входить до складу лактози, галактогена, мукопротеїдів, деяких ліпідів і бактерійних полісахаридів. Оптично активна (питоме обертання a-D(+)-галактози – +80,2°). Зброджується лактозними дріжджами. Може служити сировиною для перетворення в глюкозу або у вітамін С. При окисленні галактози утворюється галактуронова кислота – складова частина камеді, слизу, пектинових речовин. При взаємодії галактози і аміаку утворюється галактозамін, з якого синтезується хондроітинсірчана кислота. Похідними галактози є галактонова і слизова кислоти:

Галактоза є поживним середовищем для деяких мікробів. Використовується в кондитерській промисловості.

D(+)-Mаноза. У вільному стані зустрічається рідко (в плодах цитрусових, анакардієвих і каринокарпових). В організмі тварин утворюється в результаті гідролізу мананів кормів. Маноза – складова частина полісахаридів деяких бактерій, дріжджів і цвілевих грибів; входить до складу слизу харчового каналу, слини, глікопротеїдів крові. В природі існує у вигляді D(+)-форми. Питоме обертання манози – +14,2°. Зброджується дріжджами. Використовується як поживне середовище для деяких мікроорганізмів.

D(–)-Фруктоза. У вільному стані зустрічається у фруктах, овочах і, особливо, в медові (40 – 42%). Є складовою частиною сахарози, стахіози і фруктозанів. В організмі тварин утворюється в результаті гідролізу складних цукрів у харчовому каналі. В тканинах може таутомеризуватися в глюкозу і інші моносахариди, необхідні для організму. Її ефіри (фруктозо-6-фосфат і фруктозо-1,6-дифосфат) є проміжними продуктами вуглеводного обміну. Обертає площину поляризованого світла вліво на –92° (тому її часто називають левулозою). Існує в ациклічній і циклічній формах:

Гептози. Загальна формула – C₇H₁₄O₇. Діляться на альдози і кетози. Є складовою частиною деяких полісахаридів, зокрема, грамнегативних мікробів. Особливий інтерес представляють кетогептози, знайдені в листі деяких рослин, в проміжних продуктах фотосинтезу і пентозного циклу:

Похідні моносахаридів. Серед похідних моносахаридів важливу групу сполук становлять аміноцукри.

Аміноцукри. Це похідні вуглеводів, які утворюються в результаті заміщення однієї або кількох гідроксильних груп аміногрупою. В організмах людини і тварин часто зустрічаються гексозамінопохідні глюкози (глюкозамін) і галактози (галактозамін) (див. вище). Аміноцукри входять до складу так званих гетеро полісахаридів – гепарину, гіалуронової кислоти, хондроітинсірчаної кислоти, а також до складу глікопротеїдів.

Аміноцукри – кристалічні речовини, добре розчинні у воді. Вони є сильними основами. При взаємодії з кислотами утворюють стійкі солі. При взаємодії з лугами і азотною кислотою вони не піддаються дезамінуванню.

Важливе значення в організмі мають похідні аміносахарів – нейрамінова і сіалові кислоти та деякі інші.

Нейрамінова кислота. Утворюється в результаті альдольної конденсації гексозаміну і піровиноградної кислоти. Оскільки нейрамінова кислота містить дев'ять вуглецевих атомів, то її ще називають нонулозаміновою кислотою. Нейрамінова кислота існує в ациклічній і циклічній формах.

Нейрамінова кислота міститься майже в усіх органах і тканинах організму людини і тварин. Вона входить до складу глікопротеїдів, гліколіпідів, білків сироватки крові.

При окремих патологічних станах вміст нейрамінової кислоти в тканинах і рідинах організму значно змінюється. Так, при інфекційних і психічних захворюваннях, захворюванні на рак вміст нейрамінової кислоти значно підвищується.

Нейрамінова кислота – нестійка сполука, її часто добувають у вигляді метилглікозиду і сіалових кислот м'яким кислотним або ферментативним гідролізом таких природних сполук, як орозомукоїди крові, овомуцин яйця, трисахарид молока – нейрамініллактоза і гангліозиди.

Сіалові кислоти – це ацильні похідні нейрамінової кислоти. Залежно від природи кислоти, кількості кислотних залишків, приєднаних до нейрамінової кислоти, місця їх приєднання розрізняють кілька видів сіалових кислот. Якщо залишок відповідної кислоти приєднується до азоту амінної групи нейрамінової кислоти, то таку сіалову кислоту називають N-ацилнейраміновою кислотою. У тих випадках, коли залишок якоїсь кислоти приєднується до азоту амінної групи і до кисню гідроксильної групи нейрамінової кислоти, тоді сіалову кислоту називають N,О-діацилнейраміновою:

В організмі найчастіше містяться N-ацетилнейрамінова, N,О-діацетилнейрамінова і N-гліколілнейрамінова кислоти. У першому і другому випадках нейрамінова кислота зв'язана з залишком оцтової кислоти, у третьому – з залишком гліколевої кислоти.

Сіалові кислоти виявлені в усіх тканинах і рідинах організму. Вони входять до складу молекул олігосахаридів, нуклеотидолігосахаридів, гліколіпідів і глікопротеїдів. Цілий ряд ферментів і гормонів є глікопротеїдами, які містять сіалові кислоти.

Біологічна роль сіалових кислот вивчена ще дуже мало. Однак одержані на сьогоднішній день дані свідчать про те, що сіалові кислоти відіграють важливу біологічну роль у багатьох процесах. Так, доведено, що сіалові кислоти беруть участь у процесах збудження нервової тканини, транспорті іонів, перетворенні фібриногену на фібрин та ін. Наявність сіалових кислот у складі біополімерів зумовлює їх фізико-хімічні властивості, а в ряді випадків і біологічну активність. Наприклад, відщеплення сіалової кислоти від гормонів гонадотропіну й еритропоетину призводить до втрати ними біологічної активності. Припускають, що сіалові кислоти відіграють важливу роль у процесі взаємодії вірусу і клітини.

Встановлено, що при деяких захворюваннях – злоякісних пухлинах, променевій хворобі, ревматизмі вміст сіалових кислот у крові помітно підвищується. Тому визначення їх кількості в крові має важливе діагностичне значення.

Дата добавления: 2014-01-11