Нередуцирующие дисахариды

В клетках животных и растений присутствуют углеводы, которые образуются в результате соединения мономерных звеньев моносахаридов.

Олиго- и полисахара отличаются количеством мономерных звеньев:

олигосахара содержат до 10-12 моносахаридов, углеводы с большим числом звеньев относят к полисахаридам. Соединение моносахаридов происходит путем реакции поликонденсации, выделяется вода, образуются гликозидные связи.

Дисахариды- наиболее распространенные и важные в биологическом плане представители олигосахаридов.

Дисахариды классифицируют по составу и способности к реакции окисления (редуцирующие свойства)

В растениях в составе сока присутствует дисахарид сахароза, его добывают для пищевой промышленности из сахарного тростника или сахарной свеклы (тростниковый или свекловичный сахар). В молоке животных и женском молоке находится дисахарид лактоза.

При переваривании полисахаридов в качестве промежуточных соединений образуются дисахариды: из крахмала - мальтоза, из целлюлозы - целлобиоза.

Состав сахарозы, лактозы, маннозы, целлобиозы С12 Н22 О11. В кислой среде они гидролизуются с образованием моносахаридов.

Наиболее важные дисахариды, их состав, типы гликозидных связей. Способность к окислению представлены в нижеприыеденной таблице.

Дисахарид	Продукты гидролиза	Тип гликозидной связи	Способность к дисахарида окислению
сахароза	а -глюкоза и β- фруктоза	1 -а, 2- β	нередуцирующий
а-лактоза	а- галактоза и глюкоза	а –(1,4)	редуцирующий
β- лактоза	β –галактоза и глюкоза	β -(1,4)	редуцирующий
мальтоза	а-глюкоза и а- глюкоза	а –(1,4)	редуцирующий

Сахароза. Систематическое название О- а- D-глюкопиранозил-(1,2) - β – D – фруктофуранозид.

Твердое кристаллическое вещество, хорошо растворимо в воде, не растворимое в спирте, растворяется в водно-спиртовой смеси. Это основной пищевой углевод, относится к так называемым «легкоусвояемым углеводам», которые быстро и легко всасываются, Сахароза гидролизуется в полости рта и желудочно -кишечном тракте, образуются моносахариды глюкоза и фруктоза, которые всасываются в кровь и вызывают быструю ответную реакцию выделения гормона инсулина. В полости рта сахароза способствует развитию микрофлоры, способствующей возникновению кариеса. Гидролиз сахарозы не происходит в щелочной среде, но достаточно растворенного в воде углекислого газа, чтобы вызвать гидролитический распад на моносахариды.

Сахароза не относится к восстанавливающим (редуцирующим) дисахаридам, так как полуацетальный (аномерный) гидроксил глюкозы участвует в образовании гликозидной связи с фруктозой, у которой, в свою очередь, также участвует гликозидная гидроксильная группа.

Сахарозане реагирует ни с реактивом Фелинга, ни с реактивом Толленса.

При гидролизе сахарозы образуется смесь двух моносахаридов и изменяется направление плоскости поляризованного луча света раствором. Сахароза вращает вправо

[ а ] = + 66,5⁰, при гидролизе образуется равная смесь глюкозы [ а ] = + 59,7⁰ и фруктозы

[ а ] = -92,3^0., направление вращения становится левым(-92,3⁰+ 59,7⁰ = -32,6⁰)

Смесь D-глюкозы и D-фруктозы, образующаяся при гидролизе сахарозы, носит название «инвертный сахар». Процесс гидролиза можно зафиксировать появлением качественной реакции на свободную глюкозу.

Сахароза широко применяется в пищевой промышленности, производстве спиртов (сорбита, маннита), пищевого этанола, искусственного меда, подсластитель в составе лекарственных препаратов.

Невосстанавливающие дисахариды, построенные из остатков D-глюкозы, связанных между собой гликозидной связью, которая образована из полуацетальных гидроксилов обеих молекул глюкопиранозы. Возможно образование трех различных трегалоз: а,а; β,β; а, β. В природе существует только а,а -изомер (грибной сахар). Систематическое название: а -D –глюкопиранозил- а -D-глюкопиранозид. Встречается в низших и высших грибах (шампиньоны), дрожжах, водорослях, лишайниках, насекомых(саранча).

Трегалоза – кристаллическое соединение, хорошо растворима в воде, плохо- в большинстве органических растворителях, Водные растворы не мутаротируют. Медленно и трудно переваривается в кишечнике человека в составе пищи.

Лактоза – кристаллическое соединение, по сравнению с сахарозой значительно хуже растворима в воде и в 4-5 раз менее сладкая В природе известны два вида лактозы: а- лактоза и β – лактоза. В женском грудном молоке содержится β – лактоза, а в коровьем и других домашних животных, чье молоко применяют в пищу, а- лактоза

Систематическое название а- лактозы: 4-О- а –D-галактопиранозил- D-глюкопираноза.

а -Лактоза(связь а -1,4)

Систематическое название β - лактозы: 4-О-β –D-галактопиранозил- D-глюкопираноза

Из названия следует, что галактоза предоставляет для связи гликозидный гидроксил, а глюкоза сохраняет его и способность окисляться или восстанавливаться. Лактоза- редуцирующий дисахарид. При окислении лактозы, как и других дисахаридов, образуется бионовая кислота. В даннм случае она носит название - лактобионовая.

β-Лактоза (связь β-1, 4)

Лактоза гидролизуется в тонком кишечнике под влиянием фермента лактазы. Существует два вида лактаз, которые избирательно действуют каждая на свой изомер лактозы – а-лактаза гидролизует только а-лактозу, β- лактаза гидролизует β-лактозу.

У новорожденного синтезируется только β- лактаза, поэтому легко усваивается лактоза материнского молока, а коровьего - значительно медленнее. Примерно к году жизни в соответствии с генетической программой развития организма продукция фермента β- лактазы прекращается.. У потребление в пищу коровьего молока стимулирует синтез нового белка-фермента - – а-лактазы, и ребенка можно полностью отлучать от груди.

(этот пример подтверждает теорию Жакоба и Моно лактозного оперона, которую изучают в курсе биологии).

Систематическое название О- а –D-глюкопиранозил-(1-4)-D-глюкопираноза. Твердое кристаллическое вещество, сладкое, хорошо растворимо в воде, нерастворимо в этаноле. В свободном состоянии содержится в соке некоторых растений.

Является основным продуктом гидролиза крахмала под действием фермента амилазы, который выделяется в составе сока поджелудочной железы. Амилаза слюны осуществляет гидролиз крахмала несколько иначе: образуются, в основном, молекулы олигосахаридов с большим числом звеньев - декстраны.

Мальтоза хорошо растворима в воде и нерастворима в этаноле. Гликозидная связь

(а - 1,4) - быстро гидролизуется в кислой среде и особыми ферментами мальтазми, которые имеются у микроорганизмов, растений, животных; у человека находятся в тонком кишечнике (пристеночное пищеварение).

эта глюкоза может быть в а-, β- аномерных формах,-и оксо-форме на рисунке изображен а-аномер Мальтоза (гликозидная связь α-1,4)

Мальтоза дает качественные реакции с реактивами Фелинга и Толленса, при окислении бромной водой превращается в мальтобионовую кислоту. Используется мальтоза в микробиологии для приготовления сред при идентификации микроорганизмов, в пищевой и винной промышленности.и особыми ферментами- мальтазами.ся, в основном, крупные мол

3.3. Полисахариды Полимеры, которые образованы моносахаридами и содержат до тысячи и более мономерных остатков. Полисахариды принято классифицировать на две группы: - гомополисахариды - гетерополисахариды. 3.3.1 Гомополисахариды Гомополисахариды состоят из одинаковых моносахаридных единиц (Х) n В природе наиболее распространены полимеры состава (С6 Н10О 5) n: * крахмал, гликоген, целлюлоза (клетчатка), которые построены из мономерных звеньев глюкопиранозы * инулин, построенный из мономерных звеньев фруктопиранозы Крахмал (С6 Н10О 5) n Кристаллическое вещество, хрустящий при растирании порошок (крахмальные гранулы). Основной резервный полисахарид растений. Обычно при обсуждении крахмала указывают его биологический источник: картофельный, рисовый, маисовый (кукурузный) крахмал. Это связано с тем, что разные виды крахмала отличаются степенью поликонденсации, соотношением фракций. Крахмал содержится в корнях, клубнях, листьях, семенах растений. В составе крахмалов могут присутствовать две различные фракции: амилоза и амилопектин. Амилоза - линейный полимер, ее макромолекулы состоят из 200-1000 молекул а - D -глюкопиранозы, которые соединены между собой а -1,4- гликозидными связями. Редуцирующий полуацетальный гидроксил находится в составе той молекулы глюкопиранозы, которая является последней в полисахаридной цепи крахмала. Поэтому амилоза не обладает редуцирующими свойствами- на длинную полисахаридную цепь приходится лишь одна концевая альдегидная(полуацетальная) группа. Молекулярная масса амилозы от 32 000 до 160 000. Макромолекула амилозы свернута в спираль, на одном витке спирали размещается 6 пиранозных циклов.

Фрагмент амилозы Макромолекулы амилопектина сильно разветвлены, они содержат от 600 -6000 остатков а - D -глюкопиранозы, которые соединены между собой а -1,4- гликозидными связями в длинную цепь, от которой отходят ветвления более коротких цепочек, прикрепленных гликозидными связями а -1,6 (образуется нередуцирующий конец). Частично веточки также сворачиваются в спираль. Молекулярная масса амилопектина от 10³ до 10⁶.Соотношение амилозы и амилопектина в разных видах крахмала различны. В среднем крахмал содержит 25% амилозы и 75% амилопектина. В восковидной кукурузе содержание амилопектина выше 95%. При добавлении раствора йода к крахмалу возникает синяя окраска, качественная реакция обладает высокой чувствительностью: амилоза образует синий раствор с максимальной длиной поглощения при 620-650 нм, а амилопектин- красно-фиолетовый с максимальной длиной поглощения при 520 -580 нм Молекулы йода внедряются внутрь спиралей, возникают дополнительные связи с гидроксигруппами пиранозных циклов: окраска связана с возбужденным состоянием атомов йода. Также могут внедряться молекулы мочевины, создавая соединения включения- клатраты Фрагмент амилопектина

Есть простое доказательство роли спиральных структур: если окрашенный йодно-крахмальный раствор нагреть, то синяя окраска исчезает(спираль разворачивается при нагревании вследствие увеличения вращательной кинетической энергии молекул)- раствор обесцвечивается. При охлаждении окраска восстанавливается. Крахмал разделяют на фракции путем растворения в воде. Обе фракции нерастворимы в холодной воде, а в горячей образуют растворы- клейстеры(клеящее свойство).(Kleister - нем. -клей, приготовленный из крахмала или муки). Через некоторое время при хранении из раствора выпадает осадок амилозы (процесс ретроградации). Процесс ускоряется добавлением солей (сульфата магния, сульфата натрия) и бутанола. Амилопектин образует более устойчивый клейстер вследствие гидратации разветвленных макромолекул и увеличения их объема и возникновении сетчатой структуры. Амилоза выделяется из раствора при 70⁰ С, амилопектин при 20 ⁰С. Крахмал гидролизуется в присутствии кислоты при нагревании: макромолекулярные продукты промежуточного гидролиза носят название декстрины. В живых организмах гидролиз осуществляет фермент амилаза, которая может гидролизовать только 1,4- а -гликозидные связи. У человека амилаза содержится в слюне, выделяется подчелюстной слюнной железой, и в соке панкреатической железы. Последовательность превращений в процессе гидролиза: (С6 Н10О 5) n ——> декстрины ——> n/2 С12 Н10О 11——> n С6 Н10О 5 Крахмал мальтоза а-D- глюкопираноза В процессе гидролиза исчезает цветная окраска с йодом, но постепенно появляется положительная качественная реакция с реактивом Фелинга на редуцирующие сахара (мальтоза и глюкоза) Крахмал – основной пищевой источник глюкозы. Содержатся в крупах, хлебе и других мучных изделиях.. Его медленный гидролиз в кишечнике сопровождается постепенным поступлением глюкозы в кровь, уровень глюкозы в крови повышается достаточно умеренно в течение 1,5- 2 часов,. что не вызывает резкого выделения инсулина. Крахмал поэтому относится к трудноусвояемым углеводам, употребление которых в пищу считается более физиологичным по сравнению с употреблением сахарозы. Но в тоже время продукты с высоким содержанием крахмала противопоказаны при диабете. Крахмал используют в пищевой, текстильной, бумажной, меховой промышленности, в производстве красок. В фармацевтической промышленности применяют в качестве добавок к порошкам, присыпок, обволакивающих средств. Применяют модифицированные крахмалы и декстрины. Гликоген (С6 Н10О5) n Гликоген- запасной полисахарид животных тканей, обнаружен в грибах. Он содержится в клетках любых тканей организма: печени, почек, мышц, костей и других. Содержание в печени может достигать 5% (от сухой массы ткани). Строение и состав гликогена аналогичны амилопектину- основная цепь образована гликозидными связями(а- 1,4), а в местах ветвления- гликозидные связи(а – 1,6). Образует в цитозоле клетки гранулы размером 10- 40 нм. Молекулярная масса соответствует общему количеству остатков глюкозы около 50 000. С йодом образует коричнево- бурые растворы. Определение интенсивности окраски оптическими регистрирующими приборами используют для количественного определения гликогена в тканях. Следует отметить некоторые особенности в строении гликогена: - точки ветвления расположены часто, примерно у каждого десятого атома углерода в основной цепи - в боковых цепях содержится примерно до 16-18 моносахаридных остатков - количество ветвлений значительно больше по сравнению с амилопектином Распад гликогена в тканях печени, почек, мышц осуществляется особым ферментом фосфорилазой гликогена, а в костной ткани и одонтобластах – амилазой. Рисунок условно изображает строение и порядок соединения ветвей гликогена. Целлюлоза (С6 Н10О5) n Природный полисахарид растительного происхождения, который содержит мономерные звенья β – D-глюкопиранозы, которые связаны между собой β-1,4- гликозидной связью. Целлюлоза- главная составная часть клеточных стенок высших растений, где она связана со многими другими полисахаридами. Примером чистой целлюлозы может служить хлопковая вата, тополиный пух, зонтики семян, например, одуванчика также образованы целлюлозой. Для целлюлозы характерна полидисперсность по молекулярной массе, которая может быть выше 10⁶. Целлюлоза относится к кристаллическим полимерам и имеет сложную надмолекулярную структуру. Длинные линейные цепи располагаются параллельно друг другу, гидроксильные группы пиранозных циклов образуют межмолекулярные водородные связи, получаются волокна с плотной упаковкой «нитей» целлюлозы. β-1,4- Гликозидная связь располагает пиранозные циклы двух параллельных цепей так, что атомы кислорода циклов располагаются не друг над другом, а в противоположных углах цикла.. Поэтому в нативном виде целлюлоза воде не растворима и плохо смачивается водой, медленно гидролизуется в кислой среде. Вступает в реакцию этерификации. Сложные эфиры - карбоксиметилцеллюлоза, оксиэтилцеллюлоза - используются при изготовлении косметических, парфюмерных средств, простой эфир метилцеллюлоза в пищевой промышленности(например, в производстве мороженого как эмульгатор и низкокалорийная добавка). целлюлоза Целлюлоза и ее производные не перевариваются в организме человека и животных собственными ферментами: фермент целлюлаза вырабатывается микрофолорой нижнего отдела кишечника человека и желудка у жвачных животных. Продукты частичного гидролиза целлюлозы называются гидроцеллюлозой, конечным продуктом является глюкоза. В медицинских целях целлюлозу используют как низкокалорийную добавку к пище и хороший адсорбент. Обработанная целлюлоза набухает в желудке и кишечнике. создает давление на стенки желудочно-кишечного тракта, формируется чувство насыщения. Целлюлоза адсорбирует пищевой холестерин, пуриновые соединения(кофеин, мочевую кислоту и другие), уменьшает их всасывание из пищевых продуктов. Высокое содержание целлюлозы в составе отрубей, которые используют как добавки для лечебного и диетического низкокалорийного питания. 3.4 Биоактивные соединения, образующиеся в реакциях обмена углеводов 3.4.1 Гликолиз Пировиноградная кислота (2-оксопропановая). Свое название получила от винной и виноградной кислот, из которых образуется при их разложении(перегонке). Пировиноградная кислота (в биохимии принято сокращение ПВК) – жидкость, обладает резким запахом, смешивается с водой. Проявляет свойства карбоновой кислоты и оксосоединения, склонна к кето-енольной таутомерии, т.к. метильная группа представляет собой α – СН- кислотный центр, в котором находятся подвижные атомы водорода. СН₃ –С –СООН / | | \ СН-кислотный О реакции карбоксильной группы центр ↓ -сложные эфиры свойства карбонильной группы - восстановление - реакции A_Nu Взаимное влияние двух акцепторных группировок: карбонильной и карбоксильной проявляется в реакции декарбоксилирования. Восстановление (гидрирование) пировиноградной кислоты приводит к образованию молочной кислоты, реакция обратима. В условиях in vitro образуется рацемическая смесь двух стереоизомеров, а в условиях in vivo c участием фермента только один L(+) стереоизомер. фермент СН₃ - С(О) –СООН + НАДН + Н ⁺<————> СН –СН (ОН) – СООН + НАД⁺ пировиноградная кислота молочная кислота Реакция декарбоксилирования возможна in vitro и in vivo. СН₃ - С(О) –СООН ————> СН₃ – СНО + СО ₂ уксусный альдегид Кето-енольная таутомерия пировиноградной кислоты изучена в теме «Изомерия». Напомним биологическую роль фосфоенолпирувата- макроэргической соединения, который образуется в процессе гликолиза. СН ₂= С - СООН | ←макроэргическая связь ОРО₃ Н₂ Реакция карбоксилирования in vivo с участием СН- кислотного центра (аналогична реакции карбоксилирования уксусной кислоты)

фермент

СО ₂ + СН₃ - С(О) –СООН ————> НООС – СН₂ –С (О) -СООН

щавелевоуксусная кислота

Пировиноградная кислота образуется в клетках растений, животных и человека при обмене глюкозы в процессе гликолиза и из аминокислоты аланина и является одним из важнейших метаболитов, участвующих в обмене веществ.

Из пировиноградной кислоты in vivo вновь могут образоваться глюкоза и аминокислота аланин

Молочная кислота

2-гидроксипропановая кислота (молочная, лактат) - важнейший природный метаболит, образуется из углеводов (глюкозы, крахмала, гликогена) в условиях анаэробного обмена (в отсутствии кислорода).

Содержит асимметрический (*) атом углерода, существует в виде двух изомеров: L-лактата и D –лактата.

энантиомеры-зеркальные изомеры

СООН СООН

СН₃ - ^*СН - СООН | |

‌| НО- С - Н Н- С - ОН

ОН | |

СН ₃ СН ₃

(+) L-лактат (-) D –лактат

Впервые открыта химиком Шееле в кислом молоке. D –лактат образуется в мышцах и других органах человека и животных в процессе анаэробного превращения глюкозы

(анаэробного гликолиза)

Напоминаем, что физические свойства энантиомеров одинаковы(Т⁰ плавл. = 26 -28⁰) Отличия только в знаке вращения плоскополяризованного луча. Обратите внимание, что в данном случае изомер L – ряда является правовращающим, а D – ряда – левовращающим. Соли молочной кислоты носят название лактаты, в медицине молочную кислоту используют для пилинга, для оценки функции печени. В пищевой промышленности ее добавляют к сокам, эссенциям.

В биохимических реакциях важную роль играет обратимая реакция окисления молочной кислоты в пировиноградную, которая протекает в печени, миокарде и других органах и тканях организма в присутствии кислорода.

фермент лактатдегидрогеназа

СН₃ – СН- СООН + НАД⁺ <—————> СН ₃ -С - СООН + НАДН + Н⁺

| ||

ОН О

молочная кислота пировиноградная кислота

Кетоновые тела

Два биоактивных соединения в норме входят в понятие физиологические кетоновые тела: 3-гидроксибутановая кислота (ß -гидроксимасляная), 3- оксобутановая (ацетоуксусная), которые образуются при нарушении обмена глюкозы (инсулинзависимом сахарном диабете, голодании). Третье кетоновое тело ацетон свидетельствует о развитии патологических процессов.

3-гидроксибутановая кислота (ß-оксимасляная) – образуется в связанном состоянии с белком-ферментом в процессе биосинтеза высших карбоновых кислот, L –стереоизомер образуется в печени и в свободном виде выделяется в кровь, поступает в мышцы и выполняет энергетические функции, участвуя в реакциях цикла Кребса. Эта биологическая функция обозначается как «кетоновое тел».

СН₃ – СН –СН₂- СООН СООН

| |

ОН СН₂

3-гидроксибутановая кислота | L -3-гидроксибутановая кислота

(ß-оксимасляная) НО –^*С – Н (β -гидроксимасляная)

|

СН₃

В биохимических реакциях in vivo два превращения имеют важное значение для протекания обмена веществ:

- реакция окисления (образуется 3 –оксобутановая кислота)

- реакция дегидратации (образуется 2-бутеновая – кротоновая- кислота)

Окисление фермент

СН₃ – СН –СН₂- СООН + НАД ⁺ < —————> СН₃ – С –СН₂- СООН + НАДН + Н⁺

| | |

ОН О

3-оксобутановая кислота

(ацетоуксусная)

Дегидратация

4 3 2 1 фермент

СН₃ – СН – СН₂ - СООН <—————> СН₃ – СН = СН - СООН + Н₂О

| более сильный

ОН кислотный центр 2-бутеновая(кротоновая) кислота

В таком же направлении проходит реакция in vitro (по правилу Попова-Зайцева)

Дегидратация 3-гидроксибутановой кислоты относится к реакциям элиминирования. Из двух возможных изомеров образуется только один, поскольку атомы водорода, связанные с атомом углерода С-2 являются более подвижными. Вследствие акцепторного действия карбоксильной группы у атома С-2 образуется более сильный кислотный центр, чем у С-4. Реакция обратима, при гидратации кротоновой кислоты вновь образуется 3-гидроксибутановая кислота.

Ацетоуксусная кислота (3-оксобутановая, ß – кетомасляная), сироп, смешивается с водой в любых отношениях. Все ß – кетокислоты чрезвычайно неустойчивы и легко декарбоксилируются при малейшем нагревании, in vivo – происходит при снижении рН крови (повышении кислотности среды). При этом образуется нейротоксичное соединение- ацетон.

СН₃ – С – СН ₂ – СООН СН₃ – С – СН ₃ + СО ₂

| | ———> | |

О О