СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БИОМОЛЕКУЛ - А. Е. Земляков - 2017

11. УГЛЕВОДЫ: ОЛИГО- И ПОЛИСАХАРИДЫ

Олиго- и полисахариды можно рассматривать как продукты поликонденсации моносахаридов. Основным типом связи, соединяющей моносахаридные остатки, является О-гликозидная связь. К олигосахаридам обычно относят углеводы, содержащие от 2 до 10 сахарных остатков. Граница между олиго- и полисахаридами достаточно условна. Свойства высших олигосахаридов сходны со свойствами полисахаридов. Важной особенностью полисахаридов является их гетерогенность. Природные полисахариды представляют собой набор схожих по строению полимеров с различной степенью полимеризации.

Классификация и номенклатура

❖ Классификация олигосахаридов.

✵ По количеству моносахаридных остатков:

♦ дисахариды - в состав входит два моносахаридных остатка;

♦ трисахариды - в состав входит три моносахаридных остатка и т.д.

✵ По наличию свободного полуацетального гидроксила:

♦ восстанавливающие олигосахариды - один из моносахаридных остатков имеет свободный полуацетальный гидроксил, благодаря чему сахар может переходить в альдегидную таутомерную форму и выступать в качестве восстановителя в реакции «серебряного зеркала», например, целлобиоза;

♦ невосстанавливающие олигосахариды - не имеют свободных полуацетальных гидроксилов, так как гликозидная связь образовывалась при взаимодействии гликозидных гидроксилов двух моносахаридов, например, трегалоза.

✵ По построению цепи:

♦ линейные олигосахариды - моносахаридные остатки соединены последовательно друг с другом, например, мальтотриоза (трисахарид А);

♦ разветвленные олигосахариды - присутствуют моносахаридные остатки, в которых два и более спиртовых гидроксила связаны с соседними моносахаридами, например, трисахарид В.

❖ Номенклатура олигосахаридов. Наиболее общий способ построения названий олигосахаридов включает в себя перечисление О- гликозидных остатков, начиная с невосстанавливающего конца. Между названиями гликозил-радикалов помещают круглые скобки, в которых локанты атомов углерода, образующих гликозидную связь, соединены стрелкой. Записываемое в конце название восстанавливающего моносахаридного остатка имеет окончание -оза. Аналогично строятся названия невосстанавливающих олигосахаридов, записываемое в конце название моносахаридного остатка имеет окончание -озид.

Для описания структуры олигосахаридов наряду со структурными формулами часто используют сокращенные трехбуквенные обозначения моносахаридов. При необходимости размер полуацетального цикла обозначают в конце сочетания курсивной буквой f (для фураноз) и p (для пираноз). Для обозначения уроновых кислот добавляют четвертую заглавную букву А (acid - кислота), а в случае 2-амино-2-дезоксисахаров - букву N.

❖ Классификация полисахаридов.

✵ По источнику выделения:

♦ фитополисахариды - полисахариды из растительного сырья;

♦ зоополисахариды - полисахариды животного происхождения;

♦ полисахариды микроорганизмов.

✵ По составу:

♦ гомополисахариды - в составе один моносахарид;

♦ гетерополисахариды - в составе несколько моносахаридов.

✵ По построению цепи:

♦ линейные - моносахаридные остатки соединены не более чем с двумя соседними моносахаридами;

♦ разветвленные - присутствуют моносахариды с тремя и более связями с соседними моносахаридами.

✵ По регулярности строения цепи:

♦ регулярные - моносахариды и типы связей регулярно повторяются;

♦ блочные - участки цепи имеют регулярное строение;

♦ хаотичные - нет регулярности в строении.

❖ Номенклатура полисахаридов. Ряд полисахаридов имеет тривиальные названия: целлюлоза, гликоген, хитин, гепарин и т. д. Систематические названия полисахаридов составляют из названий образующих его моносахаридов с заменой окончания -оза на -ан, например, D-глюкоманнан, α-В- глюкан, β1 —> 4-ксилан.

Природные олигосахариды

❖ Олигосахариды группы сахарозы. Сахароза («свекловичный сахар», «тростниковый сахар») - белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. Относится к невосстанавливающим дисахаридам.

Сахароза присутствует практически во всех растениях. В сахарной свекле и сахарном тростнике ее содержание достигает 20%, поэтому они служат основными источниками получения сахара.

Также широко распространены родственные сахара: раффиноза (α-В- Gal-(1 —> 6)-α-D-Glc-(1 —> 2)-β-D-Fкга) и стахиоза (α-D-Gal-(1 —> 6)-α-D-Gal-(1 —> 6)-α- D-Glc-(1 ⇄ 2)-β-D-Frut), в которых наращивание углеводной цепи остатками галактозы идет по глюкозному фрагменту.

К этой группе олигосахаридов относится и мелецитоза (α-D-Glс-(1 —> 3)-β- D-Fruf-(2 ⇄ 1)-α-D-Glc) - компонент сладких выделений лип и тополей. В этом трисахариде дополнительный остаток глюкозы присоединен по фруктозному компоненту сахарозы. Также этот олигосахарид обнаружен и в пчелином меде.

❖ Олигосахариды молока.

Главный компонент олигосахаридов молока - лактоза («молочный сахар»), содержание которого в коровьем молоке достигает 50 г/л, а в женском молоке - 70 г/л.

В составе молока также содержится 12-14 г/л других олигосахаридов, в состав которых входят D-глюкоза, D-галактоза, L-фукоза, N ацетилглюкозамин, сиаловые кислоты (например, N-ацетилнейраминовая кислота) и другие сахара. Еще недавно считалось, что существует около 100 олигосахаридов молока, но специальные исследования показали, что их количество приближается к 900.

Выделяют группы нейтральных олигосахаридов (около 90% от общей массы, в том числе около 70% фукозилсодержащих олигосахаридов) и сиалированных олигосахаридов (около 10%).

Очень важную роль играют азотсодержащие олигосахариды, в состав которых входят 2-аминосахара и нейраминовая кислота. Их содержание в женском молоке ~3 г/л, что в 100 раз больше по сравнению с коровьим молоком. В частности, присутствие лакто-N-тетраозы в кишечнике грудных детей способствует размножению бактерий Lactobacillus bifidus, которые препятствует развитию патогенных и гнилостных бактерий.

✵ Гиполактозия - патологическое состояние, вызванное снижением уровня фермента лактазы, расщепляющего лактозу. Это явление распространено у значительной части населения Земли, в первую очередь у индейцев США, у жителей Юго-Восточной Азии и Южной Америки. Низкий уровень лактазы наблюдается у ~15% русских и украинцев, что может приводить к аллергии на лекарства, содержащего этот дисахарид в качестве вспомогательного вещества. Непереносимость лактозы увеличивается с возрастом.

❖ Циклодекстрины. Под действием фермента циклодекстринглюканотрансферазы ряда бактерий амилоза превращается в циклические гекса-, гепта- и октасахариды, состоящие из α1 —> 4 связанных остатков глюкозы. Такие олигосахариды называют α-, β- и y-циклодекстринами.

В пространстве эти молекулы представляют собой тор высотой 0,78 нм с гидрофильной внешней поверхностью и гидрофобной внутренней полостью диаметром 0,52, 0,66 и 0,84 нм соответственно. Благодаря этой полости циклодекстрины легко образуют соединения включения (клатраты).

Это свойство позволяет использовать такие олигосахариды как носители лекарственных средств. Также циклодекстрины применяют в качестве хиральных сорбентов и матриц для иммобилизации ферментов. Мировое производство циклодекстринов превышает 10 тыс. т.

Природные полисахариды

❖ Целлюлоза («клетчатка») - белое твердое вещество, нерастворимое в воде и большинстве растворителей. В природе выполняет функцию скелета растительных клеток. Древесина наполовину состоит из целлюлозы, хлопок - почти на 100%.

Целлюлоза состоит из остатков D-глюкозы, соединенных β1 —> 4 связью. Число моносахаридных остатков может достигать 10 тыс., а молекулярная масса - более миллиона Да. За счет внутримолекулярных связей молекула имеет линейную, вытянутую структуру.

Такие линейные молекулы могут плотно прилегать друг к другу, соединяясь межмолекулярными связями, и образовывать нитевидные структуры (микрофибриллы).

Целлюлоза широко используется в промышленности для изготовления бумаги, пороха, искусственных волокон.

❖ Гемицеллюлозы - полисахариды клеточных стенок растений. В составе древесины хвойных пород в среднем содержится 30% гемицеллюлоз, в древесине лиственных деревьев вклад этих полисахаридов в 1,5 раза выше. Полисахаридные цепи гемицеллюлоз невелики - 50-300 моносахаридных остатков. В древесине хвойных пород преобладают полисахариды, состоящие из гексоз (глюкоманнаны и галактоглюкоманнаны). В лиственных породах и стеблях злаков преимущественно встречаются пентозаны (ксиланы и арабиноксиланы).

Глюкоманан состоит из остатков D-глюкозы и D-маннозы, соединенных β1 —> 4 связью. Во многих растениях этот полисахарид дополнительно содержит остатки D-галактозы, присоединенные α1 —> 6-связью к фрагментам D- маннозы. Также выявлено частичное ацетилирование полисахарида, в основном по С2 и С3-маннозы.

В состав полисахарида ксилана наряду с D-ксилозой входят присоединенные α1 —> 2 связью остатки 4-О-метил-D-глюкуроновой кислоты (соотношение 10:1), что придает ему кислые свойства.

В арабиноксиланах к ксилановому кору хаотически присоединены α1 —> 2 и/или α1 —> 3 связями L-aрaбинофурaнозильные группы.

Из пентозансодержащего сырья в промышленности производят ксилозу, ксилит, фурфурол и его производные, а также этанол.

❖ Крахмал - белое твердое вещество, без вкуса и запаха, нерастворимо в холодной воде, набухает в горячей воде, образуя клейстер. В природе выполняет функцию резерва энергии. Избыток энергии позволяет наращивать полисахаридные цепи, а их гидролиз и дальнейшее биохимическое расщепление сопровождается выделением энергии в виде молекул АТР. Особенно много крахмала в зернах и клубнях растений. Традиционно крахмал получают из картофеля, риса и кукурузы.

Крахмал является смесью двух полисахаридов: амилозы (15-35%) и амилопектина (65-85%). Оба они состоят из остатков D-глюкозы.

✵ Амилоза. Фрагменты глюкозы соединены друг с другом α1 —> 4 связью. Этот полисахарид имеет неразветвленное строение и состоит из 200-1000 моносахаридных остатков и его молекулярная масса достигает 150 - 600 тыс. Да.

В растворах полисахаридная цепь амилозы может быть свернута в спираль, один виток которой состоит из 6 глюкозных звеньев. Во внутреннее пространство этой спирали могут входить соответствующие по размеру молекулы, образуя соединения включения. Например, известная реакция посинения крахмала в присутствии йода заключается в образовании подобного комплекса амилозы с йодом.

✵ Амилопектин имеет разветвленное строение. Полимерная цепь с α1 —> 4 связями сочетается с разветвлениями, имеющими α1 —> 6 связь.

Точки разветвления располагаются приблизительно на каждом двадцатом - двадцать пятом остатке глюкозы. В результате получается сильно разветвленная структура. Молекулярная масса амилопектина достигает нескольких десятков миллионов Да.

✵ Гликоген - крахмал животного происхождения, составляет до 10% массы клеток печени и до 2% скелетных мышц. В клетках печени он образует гранулы диаметром до 0,1 мкм, что значительно меньше крахмальных гранул в хлоропластах (~1 мкм). По строению он близок к амилопектину, но отличается большей молекулярной массой (более-10⁸Да) и более плотной упаковкой - разветвление цепи происходит каждые 8-12 остатков глюкозы.

❖ Инулин. В корнях ряда растений, например, одуванчика, георгины, топинамбура или земляной груши - функцию резервного полисахарида наряду с крахмалом выполняют фруктаны, из которых наиболее известен инулин. Данный линейный полисахарид состоит из 15-40 остатков β-D-фруктофуранозы, соединенных (2 —> 1) связями, и концевого остатка глюкозы. Данный полисахарид имеет относительно небольшую молекулярную массу (~8 кДа). Инулин используется как заменитель крахмала и сахара при сахарном диабете.

❖ Пектиновые вещества. Пектины в наибольшем количестве содержатся в кожуре сахарной свеклы, яблок (~15%), цитрусовых (до 30%).

В основе полисахарида лежит поли-D- галактуроновая (пектовая) кислота, содержащая от 400 до 1000 моносахаридных остатков. Часть карбоксильных групп полимера метилирована. К этой цепи случайным образом могут быть присоединены малые количества цепей α-L- арабинофурананов и β1 —> 4-D-галактанов. Благодаря желирующим свойствам пектины широко используются в пищевой промышленности.

❖ Агар («агар-агар») - желирующий полисахарид, извлекаемый из красных водорослей, например, грацилярия, гелидиум, и в меньшей степени из бурых морских водорослей. Используется в пищевой промышленности, в микробиологии для приготовления бактериальных сред, а также как носитель в электрофорезе.

Аналогично крахмалу агар состоит из двух компонентов: агарозы и агаропектина.

✵ Агароза (50-80% от общего количества) - полимер, в состав которого входит D-галактоза и 3,6-ангидро-L-галактоза. Часть последних моносахаридных звеньев сульфатирована по С2. Общее число моносахаридных остатков достигает 600750, а молекулярная масса - 120 кДа.

В растворе агароза образует двойные спирали.

✵ Агаропектин - смесь нерегулярных полисахаридов, отличающихся от агарозы наличием остатков D-галактозы, образовавшей ацеталь с пировиноградной кислотой («пируватированная» D-галактоза, Руr-D-Gal), случайным образом присоединенных остатков серной кислоты и заменой части остатков 3,6-ангидро-L-галактозы остатками 6-сульфата-L-галактозы.

❖ Альгиновые кислоты. В состав морских бурых водорослей, в т. ч. ламинарии (Laminaria) или иначе морской капусты, входит до 40% от сухого веса полисахаридов. Основным полисахаридом этих растений является альгиновая кислота, представляющая собой блоки, поли-β1 —> 4-D-маннуроновой кислоты и поли-α1 —> 4-L-гулуроновой кислоты с общим числом моносахаридных остатков 200-1000.

Альгинат натрия широко используется в промышленности и фармацевтике как стабилизатор и клеящее средство.

❖ Хитин (от греч. chiton - одежда, кожа, оболочка) - скелетный полисахарид ракообразных и насекомых. Так, панцири крабов или омаров содержат до 25% хитина. Он входит также в состав клеточной стенки грибов. Хитин - второй после целлюлозы по распространенности в природе полисахарид.

Структура этого полимера близка к целлюлозе и отличается заменой остатков D-глюкозы N-ацетил-D-глюкозамином. Имеет молекулярную массу порядка нескольких миллионов Да. Обладает высокой механической и химической устойчивостью. Примерно пятая часть аминогрупп в хитине находится в свободном неацилированном состоянии, что позволяет ему образовывать прочные комплексы с белками.

При длительном нагревании с сильными минеральными кислотами гидролизуется до N-ацетил-D-глюкозамина. При обработке концентрированной щелочью хитин дезацетилируется и образует полисахарид хитозан, широко используемый в качестве сорбента, мягкого катионита и полимерной матрицы для иммобилизации различных объектов.