Основи біоорганічної хімії (навчальний посібник) - Г. О. Сирова - 2018
Тема
Полісахариди
Актуальність теми. В організмі людини й тварин вміст вуглеводів становить близько 2 %. Серед них кілька десятків моносахаридів і тисячі оліго- і полісахаридів. Основними є моносахарид глюкоза та гомополісахарид глікоген, утворений залишками глюкози. Усі інші оліго- і полісахариди утворені з різних моносахаридів і рідко зустрічаються у вільному стані. В основному вони входять до складу глікопротеїдів.
Вуглеводи виконують різні функції, серед яких найбільш важливою є енергетична. За рахунок вуглеводів забезпечується 50-60 % енергетичної потреби організму. Вони можуть окиснюватися в аеробних й анаеробних умовах. Глікоген виконує функцію енергетичного депо. Структуруючу роль в організмі виконують гетерополісахариди (глюкозаміноглікани) міжклітинної речовини. Гелеподібні речовини вуглеводної природи слугують змазкою у суглобах. Олігосахаридні компоненти глікопротеїдів і гліколіпідів мембран утворюють центри розпізнавання біомолекулами, забезпечують адгезію клітин при гістогенезі та морфогенезі, виконують роль антигенів. Пентози (рибоза й дезоксирибоза) входять до складу нуклеїнових кислот, коферментів- нуклеотидів. З вуглеводів в організмі синтезуються інші сполуки, наприклад жири, амінокислоти, стероїди.
Вуглеводи та їх похідні використовуються в практичній медицині: глюкоза 40 %, глікозиди (наприклад, дигіталіс) як серцевий засіб, а декстран як кровозамінник.
Порушення обміну вуглеводів характерне для ряду захворювань: для цукрового діабету, непереносимості лактози, фруктози, галактоземії, глікогенозів, уражень печінки й нервової системи.
Знання про будову полісахаридів та їх властивості може бути використане в практиці майбутніх лікарів і в медико-біологічних дослідженнях.
Загальна мета: вивчити відповідність структури біоорганічних сполук фізіологічним функціям, які вони виконують в організмі людини; аналізувати реакційну здатність вуглеводів, що забезпечує їх функціональні властивості й метаболічні перетворення.
Конкретні цілі:
1. Робити висновки й аналізувати взаємозв'язок між будовою, фізичними й хімічними властивостями полісахаридів;
2. Інтерпретувати особливості будови й перетворень в організмі гомополісахаридів як продуктів харчування - джерел енергії для процесів життєдіяльності;
3. Пояснювати механізми біологічної ролі гетерополісахаридів (глюкозаміногліканів) у біологічних рідинах і тканинах.
Теоретичні питання
1. Олігосахариди: будова, властивості. Дисахариди (сахароза, лактоза, мальтоза), їх біомедичне значення.
2. Полісахариди. Гомополісахариди: крохмаль, глікоген, целюлоза, декстрани: будова, гідроліз, біомедичне значення. Якісна реакція на крохмаль.
3. Гетерополісахариди: визначення, структура. Будова й біомедичне значення глікозаміногліканів (мукополісахаридів) - гіалуронової кислоти, хондроітинсульфатів, гепарину.
1. Усі полісахариди можна розглядати як ангідриди простих цукрів, які утворюються відщепленням однієї або декількох молекул води від двох і більше молекул моносахаридів. До полісахаридів належать досить різнорідні за своїми властивостями речовини, і тому їх поділяють на дві групи: олігосахариди - відносно низькомолекулярні вуглеводи (від 2 до 10 залишків), у результаті гідролізу яких утворюється невелика кількість молекул моносахаридів, і високомолекулярні полісахариди, що складаються із сотень і тисяч залишків моносахаридів.
З олігосахаридів найбільше значення мають дисахариди. Вони складаються з двох моносахаридних ланок однакової або різної природи. Серед дисахаридів, які самостійно існують у природі, найбільш важливими є мальтоза, лактоза, сахароза. Усі вони побудовані за типом О-глікозидів (друга молекула моносахариду виконує роль аглікону), тобто молекула води
виділяється з двох молекул моносахаридів з обов'язковою участю напівацетального (глікозидного) гідроксилу. Гідроксил аглікону, який бере участь в утворенні глікозидного зв'язку, може бути як спиртовим, так і напівацетальним. У першому випадку молекула дисахариду має напівацетальний гідроксил, такі речовини здатні окиснюватися. Їх називають відновлювальні дисахариди. У другому випадку молекула дисахариду утворюється за рахунок взаємодії напівацетальних гідроксилів обох моносахаридів. Такі дисахариди невідновлювальні.
Найважливішими відновлювальними дисахаридами є мальтоза й лактоза.
Мальтоза (солодовий цукор) - основний продукт розщеплення крохмалю під дією ферменту Р-амілази, що виділяється слинною залозою. Вона складається із залишків двох молекул a-D-глюкопіраноз, з'єднаних (1→4)- глікозидним зв'язком:
Лактоза (молочний цукор) міститься в жіночому молоці (близько 8 %). Лактоза складається із залишків β-D-галактопіранози і β-D-глюкопіранози, поєднаних β-(1→4)-глікозидним зв'язком:
Завдяки наявності в агліконі вільного напівацетального гідроксилу відновлювальні дисахариди здатні до таутомерних перетворень:
Тому відновлювальні дисахариди проявляють властивості, характерні для моносахаридів. Наприклад, вони окиснюються в глікобіонові кислоти.
Прикладом невідновлювальних дисахаридів є сахароза (буряковий цукор). Вона міститься в цукровій тростині, цукрових буряках, соках рослин і плодах. Молекула сахарози складається із залишків α-D-глюкопіранози і β-D-фруктофуранози, з'єднаних (1→2)-глікозидним зв'язком:
Усі дисахариди, як відновлювальні, так і невідновлювальні, здатні гідролізуватися з утворенням моносахаридних одиниць.
Наприклад:
Слід зазначити медико-біологічне значення лактози. У жіночому молоці виділено понад 10 олігосахаридів, структурним фрагментом яких служить лактоза. Їх поділяють на дві групи. До першої групи належать три-, тетра- й пентасахариди, сполучені із залишком сіалової кислоти:
До другої групи належать олігосахариди, що містять залишки фукози, приєднаної до лактози. Ці олігосахариди мають велике значення для формування флори новонароджених. Деякі з них пригнічують ріст кишкових хвороботворних бактерій. З їх дією пов'язують цілющі властивості грудного молока. Сіаловмісні олігосахариди активні проти правця і холери.
Лактоза використовується у фармацевтичній практиці як наповнювач при виготовленні порошків, таблеток, оскільки вона менш гігроскопічна, ніж цукор, а також використовується як поживний засіб для грудних дітей.
2. Більшість вуглеводів, які зустрічаються в природі, існує у формі високомолекулярних полісахаридів, що містять сотні і тисячі залишків моносахаридів. За хімічною природою їх слід розглядати як поліглікозиди. Повний гідроліз полісахаридів за присутності кислот або специфічних ферментів дає моносахариди або їхні прості похідні.
Полісахариди (інша назва глікани) відрізняються один від одного природою повторюваних моносахаридних одиниць, довжиною ланцюга й ступенем його розгалуження. Розрізняють гомополісахариди, що складаються з моносахаридних одиниць тільки одного типу, і гетерополісахариди, що містять моносахаридні одиниці двох або декількох типів. Найважливішими гомополісахаридами є рослинний крохмаль і целюлоза. Обидва ці полісахариди внаслідок повної деструкції перетворюються на глюкозу. Склад обох речовин виражається формулою (С6Н10О5)n.
Ланцюги амілози полідисперсні, у воді вона не дає істиного розчину, але утворює гідратовані міцели. У таких міцелах полісахаридні ланцюги амілози скручені у спіраль. На кожен виток спіралі припадає по 6 моносахаридних ланок. У внутрішній канал спіралі можуть входити молекули інших речовин, утворюючи комплекси, що називаються сполуками включення. Комплекс амілози з йодом має синє забарвлення. Це використовується для визначення як крохмалю, так і йоду (йодокрохмальна реакція).
Амілопектин, на відміну від амілози, має розгалужену будову. Розгалудження існують через кожні 20-25 залишків глюкози. В основному ланцюзі D-глюкопіранози пов'язані α-(1→4)-глікозидним зв'язком, а в точках розгалуження - α-(1→6)-глікозидним зв'язком:
Крохмаль складається із залишків a-D-глюкопіраноз, поєднаних глікозидним зв'язком, при цьому одна молекула своїм напівацетальним гідроксилом взаємодіє зі спиртовим гідроксилом іншої молекули. Рослинний крохмаль (продукт фотосинтезу) є сумішшю двох фракцій - амілози й амілопектину. Ланцюг амілози нерозгалужений, у якому всі D-глюкозні одиниці з'єднані α-(1→4)-глікозидними зв'язками:
Гідроліз рослинного крохмалю в травному тракті відбувається під впливом ферментів. Під впливом ферменту а-амілази відбувається розрив глікозидних зв'язків α-(1→4). У свою чергу, α-(1→6)-глікозидні зв'язки, що знаходяться в точках розгалуження, гідролізуються особливими ферментами - α-(1→6)-глюкозидазами. Кінцевими продуктами гідролізу крохмалю є глюкоза й мальтоза. Джерелом вуглеводів для живих організмів є фотосинтез, який здійснюється рослинами. У найзагальнішому вигляді фотосинтез може бути представлено як відновлення діоксиду карбону з використанням сонячної енергії:
Таким чином, вуглеводи є хімічним «депо» накопиченої енергії. Ця енергія звільняється в результаті метаболізму вуглеводів в організмі.
Джерелом енергії, резервним вуглеводом в організмі є тваринний крохмаль - глікоген. Він міститься в тканинах, особливо багато його в печінці (близько 20 %) і м'язах (до 40 %). Глікоген є структурним і функціональним аналогом амілопектину. Структурними одиницями глікогену є α-D-глюкопіранози. За будовою він подібний до амілопектину, але має більше розгалужень. Точки розгалуження знаходяться у нього в середньому через кожні 8-10 залишків D-глюкози. Така будова молекули сприяє виконанню глікогеном енергетичної функції, особливо коли необхідне швидке надходження енергії (розумове або фізичне напруження, стресові ситуації), тому що тільки за наявності великого числа кінцевих залишків можна забезпечити швидке відщеплення та потрібну кількість молекул глюкози. Молекулярна маса глікогену дуже велика (100 млн.). Така величина макромолекули сприяє виконанню ним функції резервного вуглеводу, тому що макромолекула через великий розмір не проходить через мембрану і залишається всередині клітини (у резерві) до тих пір, поки не виникне потреба в енергії. Усі процеси життєдіяльності, першою чергою робота м'язів, супроводжується розщепленням глікогену. Цей процес супроводжується виділенням енергії.
Гідроліз глікогену в кислому середовищі відбувається дуже легко з кількісним виходом глюкози. Ця властивість використовується в аналізі тканин на вміст глюкози.
До числа досить поширених у рослинному світі полісахаридів належить целюлоза (клітковина). Вона утворює стінки клітин рослин і за рахунок великої механічної міцності виконує роль опорного матеріалу рослин. Целюлоза належить до структурних полісахаридів. Целюлоза складається із залишків β-D-глюкопіраноз, поєднаних β-(1→4)-глікозидними зв'язками і має лінійну будову:
β-конфігурація аномерного атома карбону призводить до того, що макромолекула целюлози має строго лінійну будову. Це сприяє утворенню водневих зв'язків усередині ланцюга і між сусідніми ланцюгами, що обумовлює високу механічну міцність, волокнистість, хімічну інертність. При повному гідролізі целюлози (за присутності концентрованих кислот) утворюється тільки β-D-глюкопіраноза. Біозний фрагмент целюлози є целобіозою.
В організмі людини целюлоза не розщеплюється звичайними ферментами шлунково-кишкового тракту, проте вона є необхідною для нормального харчування баластною речовиною.
Декстрани - полісахариди бактеріального походження. Вони складаються з α-D-глюкопіранозних залишків. Макромолекули дуже розгалужені. Основним типом зв'язку є (1→6)-глікозидний зв'язок, у місцях розгалуження - (1→4) і (1→3)-глікозидний зв'язок.
Декстрани часто використовують як замінники плазми крові. Природні декстрани мають молярну масу в кілька мільйонів, що робить їх непридатними для приготування ін'єкційних розчинів через погану розчинність. Їх молярну масу знижують до 50-100 тис. за допомогою кислотного гідролізу і отримують «клінічні препарати», зокрема поліглюкін, який використовують як замінник крові.
3. Гетерополісахариди - високомолекулярні сполуки, що складаються із залишків різних моносахаридів. Найбільш важливими представниками гетерополісахаридів є полісахариди сполучної тканини (шкіра, хрящі, рогівка, стінки великих кровоносних судин, кістки), які обумовлюють міцність і пружність органів. Полісахариди, що входять до складу сполучної тканини, пов'язані з білками. У цих вуглевод-білкових комплексах, названих протеогліканами, переважають вуглеводи.
Серед полісахаридів сполучної тканини становлять інтерес гіалуронова кислота, хондроїтинсульфати, гепарин. Ці полісахариди мають спільні риси в будові: їх нерозгалужені ланцюги утворені з дисахаридних залишків, до складу яких входять уронова кислота і N-ацетилгексозамін. Деякі з них містять залишки сульфатної кислоти.
Полісахариди сполучної тканини називають кислими мукополісахаридами, оскільки вони містять карбоксильні і сульфогрупи, що обумовлюють їх аніонний стан. Гіалуронова кислота побудована з дисахаридних залишків, з'єднаних β-(1→ 4)-глікозидним зв'язком.
Дисахаридний фрагмент складається із залишків D-глюкуронової кислоти і N-ацетилглюкозаміну, зв'язаних β-(1→3)-глікозидним зв'язком:
Розчини гіалуронової кислоти мають високу в'язкість, з чим пов'язують її бар'єрну функцію, що забезпечує непроникність сполучної тканини для хвороботворних бактерій. Гіалуронова кислота входить до складу позаклітинної основної речовини більшості видів сполучної тканини хребетних, у великих кількостях присутня у спинномозковій рідині та склоподібному тілі ока. Застосовують гіалуронову кислоту для лікування катаракти, остеоартриту, а також в косметології.
Хондроітин - мукополісахарид, який входить до складу позаклітинної основної речовини, а також до складу клітинних оболонок, за своєю структурою майже ідентичний гіалуроновій кислоті. Єдина відмінність полягає в тому, що він містить залишки N-ацетил-В-галактозаміну. Хондроітин утворює сульфатнокислі естери (хондроітин-4-сульфат і хондроітин-6-сульфат), які є основними структурними компонентами хрящової і кісткової тканини, рогівки та деяких інших видів сполучної тканини хребетних. Фрагмент хондроітин-6-сульфату має таку будову:
У хондроітин-4-сульфаті естер сульфатної кислоти утворюється в результаті взаємодії із спиртовою групою четвертого атома карбону.
Хондроітин-сульфати у вільному стані не зустрічаються, вони завжди пов'язані з білками за допомогою тетрасахаридного фрагменту, що послідовно складається із залишків Д-глюкуронової кислоти (1), двох ланок галактози (2, 3) і однієї ланки Д-ксилози (4):
Сучасні лікарські засоби «Хондроксид», «Хондрасил» та ін. містять у своєму складі хондроітин сульфати. Вони стимулюють регенерацію хрящової тканини, мають протибольову і протизапальну активність, застосовуються при захворюваннях суглобів і хребта.
Гепарин міститься в органах і тканинах тварин і людини. Особливо багато його в печінці, легенях, серці і скелетних м'язах. Він виділений в кристалічному стані і застосовується як засіб проти зсідання крові (антикоагулянт).
Гепарин складається з дисахаридних одиниць, які повторюються. До їх складу входять залишки D-глюкозаміну і уронової кислоти. Аміногрупа у більшості глюкозамінних залишків сульфатована, а у деякої частини - ацетильована.
У гепарині виявлено дві уронові кислоти - D-глюкуронова і L-ідуронова. Усередині дисахаридного фрагменту здійснюється α-(1→4)-глікозидний зв'язок, а між дисахаридними фрагментами - α-(1→4)-зв'язок у разі, коли фрагмент закінчується залишком L-ідуронової кислоти і β-(1→4)-зв'язок, якщо фрагмент закінчується залишком D-глюкуронової кислоти:
Гентіобіоза складається з двох залишків β-глюкопіронази, поєднаних між собою β-(1→6)-глікозидними зв'язками. Гентіобіоза - цукровий фрагмент глікозиду (glyc. (лат.) - цукор) амігдалину, який міститься в кісточках абрикосів, персиків, вишень, гіркого мигдалю та ін. Агліконом амігдалину є бензальдегідціангідрин:
Виконайте завдання та перевірте правильність їх розв’язання за еталонами відповідей
Завдання № 1
1. Чому сахароза не здатна до цикло-оксо-таутомерії?
A. Виявляє властивості одноатомних спиртів.
B. Не містить напівацетального гідроксилу.
C. Є відновлюючим полісахаридом.
2. Чи буде мутаротувати свіжоприготований розчин лактози?
A. Так.
B. Ні.
C. Потрібні відповідні умови.
3. Чи дає вільна D-глюкоза позитивну реакцію на пробу Троммера?
A. Так.
B. Ні.
C. Потрібна додаткова інформація.
Еталони відповідей: 1-В; 2-А; 3-А.