Підручник - БІОЛОГІЧНА ХІМІЯ - Губський Ю.І. - 2000

Розділ I. БІОМОЛЕКУЛИ ТА КЛІТИННІ СТРУКТУРИ

ГЛАВА 4. ВУГЛЕВОДИ ТА ЇХ ПОХІДНІ

Вуглеводи (глюциди, цукри) — біоорганічні сполуки, що за своєю хімічною будовою є альдегідо- та кетопохідними багатоатомних спиртів, або поліоксіальдегідами та поліоксикетонами.

Вуглеводи, що відповідають зазначеним хімічним структурам і не підлягають гідролізу (тобто розщепленню водою на більш прості сполуки), є простими вуглеводами, або моносахаридами. Вуглеводи, що гідролізуються до моносахаридів, мають назву складних вуглеводів — олігосахаридів та полісахаридів.

Вуглеводи утворюються в природі з діоксиду вуглецю та води за рахунок фотосинтезу, що протікає в рослинах та деяких мікроорганізмах, і складають основну масу органічного вуглецю біосфери; їх вміст у тканинах рослин становить близько 80 % маси. У свою чергу, рослинні вуглеводи є одним із основних джерел вуглецю для тваринних організмів.

У тваринних організмах вміст вуглеводів відносно невисокий, становлячи в середньому 1-2 % сухої маси, в основному у вигляді резервного полісахариду глікогену. Втім, вуглеводи відіграють життєво важливі енергетичні (моносахариди глюкоза, фруктоза, гомополісахарид глікоген) та структурні (гетерополісахариди) функції.

4.1. МОНОСАХАРИДИ ТА ІХ ПОХІДНІ

Залежно від кількості вуглецевих атомів, моносахариди (монози) поділяються на тріози, тетрози, пентози, гексози, гептози т. і. Найбільш поширеними в тваринних організмах моносахаридами є гексози та пентози, які знаходяться в клітинах як учасники обміну речовин — метаболіти та виконують певні структурні функції, входячи до складу інших біомолекул.

Гексози

Гексози поділяються на:

- альдогексози, до яких належать D-глюкоза і її епімери D-галактоза, D-маноза, D-фукоза тощо;

- кетогексози, представником яких є D-фруктоза.

D-Глюкоза (виноградний цукор, декстроза) — моносахарид, широко поширений у природі: у вільному стані глюкоза знаходиться в рослинах, крові людини (4,44-6,66 ммоль/л) та інших біологічних рідинах. Глюкоза є структурним компонентом дисахаридів сахарози, лактози та гомополісахаридів крохмалю, клітковини та глікогену. Рослинний полісахарид крохмаль є основним джерелом надходження глюкози в організм людини. В організмі людини за рахунок аеробного окислення глюкози вивільняється в середньому 60-70 % хімічної енергії, необхідної для енергозабезпечення процесів життєдіяльності.

D-Галактоза (молочний цукор) — входить до складу дисахариду лактози, що міститься в молоці, а також у гетерополісахаридах (глікозамінгліканах, або мукополісахаридах) тваринних тканин. Головним джерелом галактози для організму людини є лактоза, яка після гідролізу звільнює галактозу, здатну перетворюватися на глюкозу.

D-Маноза — є структурним компонентом полісахариду манану, що є компонентом рослинних та бактеріальних глікопротеїнів; у вільному стані міститься в шкурці цитрусових. У тваринному організмі входить до складу олігосахаридної частини гліколіпідів та глікопротеїнів мембран та біологічних рідин. Продукт відновлення манози — шестиатомний спирт манітол (маніт) застосовують у медицині як осмотичний діуретик і як замінник сахарози в дієті хворих на цукровий діабет.

Пентози

Біологічно важливими представниками пентоз є:

- альдопентози: D-рибоза, 2-дезокси-D-рибоза, L-арабіноза, D-ксилоза;

- кетопентози: D-рибулоза і D-ксилулоза.

D-Рибоза — альдопентоза, що в β-фуранозній формі входить до складу нуклеотидів рибонуклеїнових кислот та вільних рибонуклеотидів, ряду коферментів (НАД, НАДФ, ФАД, ФМН), глікозидів і антибіотиків.

2-Дезокси-D-рибоза (дезоксирибоза) — пентоза, що відрізняється від D-рибози відсутністю атома кисню в 2-му положенні. Входить до складу нуклеотидів дезоксирибонуклеїнових кислот.

L-арабіноза — альдопентоза, що входить до складу полісахаридів рослин арабінанів, рослинних камедів, зокрема, гуміарабіку (див. нижче), полісахаридів туберкульозної палички. У вільному стані міститься в хвойних деревах.

D-ксилоза — зустрічається у складі рослинних ксиланів. Використовується в кондитерському виробництві як поживна речовина для росту кормових дріжджів, а також для синтезу спирту ксиліту, що застосовується як лікарський засіб.

D-рибулоза, D-ксилулоза — кетопентози, які у вигляді фосфорних ефірів утворюються в організмі людини і тварин як метаболіти пентозофосфатного шляху обміну глюкози.

Амінопохідні моносахаридів (аміноцукри)

До найбільш поширених аміноцукрів належать 2-амінопохідні гексоз D-глюкози та D-галактози — гексозаміни:

N-ацетильовані похідні гексозамінів найчастіше зустрічаються у складі гетерополісахаридів (див. нижче) — глікозамінгліканів (компонентів протеогліканів), олігосахаридних ланцюгів глікопротеїнів та гліколіпідів.

Нейрамінова та сіалова кислоти

Біологічно важливим амінопохідним моносахаридів є нейрамінова кислота. Із хімічної точки зору нейрамінова кислота є похідним моносахариду кетононози (нонулози). В біологічних об’єктах нейрамінова кислота присутня у вигляді N- та O-ацильних похідних, що відомі під назвою сіалові кислоти.

Нейрамінова та сіалові кислоти є структурними компонентами гліколіпідів біомембран (гангліозидів), глікопротеїнів та протеогліканів біологічних рідин, слизу, сполучної тканини, виконуючи важливі механічні, імунохімічні функції.

Глікарові (цукрові) кислоти

При окисленні моносахаридів утворюються глікарові (цукрові) кислоти, які поділяються на окремі хімічні групи, залежно від того, яка функціональна група (альдегідна або первинноспиртова) підлягає окисленню.

Альдонові кислоти — продукти окислення альдоз за альдегідним атомом вуглецю. Прикладом альдонових кислот є глюконова кислота, яка у вигляді фосфорного ефіру (6-фосфоглюконової кислоти) утворюється в реакціях пентозо-фосфатного шляху окислення глюкози.

Уронові кислоти — продукти окислення первинної гідроксильної групи альдоз. Важливе біологічне значення мають уронові кислоти, що утворюються при окисленні глюкози та галактози — D-глюкуронова та D-галактуронова кислоти, що, поряд з аміноцукрами, зустрічаються в організмі переважно як структурні елементи гетерополісахаридів. Похідне гексози L-ідози L-ідуронова кислота є структурним компонентом гетерополісахариду гепарину, дерматансульфатів сполучної тканини.

Вільна глюкуронова кислота виконує важливі функції в реакціях детоксикації в тваринних організмах, утворюючи продукти кон’югації — глюкуроніди з метаболітами катаболізму білків, порфіринів, чужорідними хімічними сполуками.

Аскорбінова кислота — цукровою кислотою є також L-аскорбінова кислота (γ-лактон 2-кето-L-гулонової кислоти). Аскорбінова кислота синтезується в тканинах рослин та більшості вищих тварин із глюкози. Організм людини, інших приматів та морських свинок не має ферментних систем, необхідних для утворення аскорбінової кислоти, у зв’язку з чим дана сполука є необхідним харчовим фактором — вітаміном С.

Глікозиди

Глікозиди — сполуки, що є продуктом конденсації моносахаридів (або моносахаридних залишків у складі більш складного цукру) із спиртами або фенолами.

Глікозиди формуються за рахунок взаємодії напівацетальної ОН-групи вуглеводу з ОН-групою спирту (фенолу). Назви глікозидів утворюються із назв відповідних моносахаридів за рахунок зміни суфікса -оза на -озид (наприклад: глюкозид, галактозид, фруктозид, рибозид тощо).

Глікозидні зв’язки, що виникають між залишками окремих цукрів, є основою будови складних вуглеводів (див. нижче). При взаємодії ацетального гідроксилу моносахариду з гідроксилвмісними невуглеводними молекулами виникають численні глікозиди, що є фізіологічно активними сполуками; невуглеводний компонент глікозиду називають агліконом. Агліконами можуть бути залишки метанолу, гліцеролу, фенолу, стеролу.

Рослинні стероїдвмісні глікозиди мають кардіотонічну дію і набули широкого застосування в медичній практиці — серцеві глікозиди. Серцеві глікозиди, які використовують для стимуляції діяльності міокарда при серцевій недостатності, виділяють із різних видів наперстянки (наперстянки пурпурової — Digitalis purpurea, наперстянки шерстистої — Digitalis lanata), строфанту (строфанту гладкого — Strophanthus gratus, строфанту Комбе — Strophanthus Kombe) та конвалії (Convallaria).

Крім розглянутих глікозидів, що утворюються при взаємодії вуглеводів із гідроксилвмісними сполуками (О-глікозидів), в живій природі широко представлені N-глікозиди. N-глікозиди є продуктами взаємодії моносахаридів з агліконами через атом азоту NH-групи, яка входить до складу аліфатичних, ароматичних, гетероциклічних амінів. Біологічно важливими прикладами N-глікозидів є нуклеозиди, що є структурними компонентами нуклеотидів нуклеїнових кислот та багатьох коферментів.