Биохимия человека Том 1 - Марри Р. 1993

Биоэнергетика и метаболизм углеводов и липидов
Физиологически важные углеводы
Моносахариды

Структура глюкозы

Линейная формула глюкозы (альдогексоза, рис. 14.1, А) может объяснить ряд ее свойств, но в термодинамическом отношении более предпочтительна циклическая формула, которая полностью объясняет химические свойства глюкозы. Для большинства целей структурную формулу глюкозы можно изображать в виде простого кольца с передачей перспективы, как это предложил Хеуорс (рис. 14.1, Б). По данным рентгеноструктурного анализа шестичленное кольцо, содержащее один атом кислорода, в действительности имеет конформацию кресла (рис. 14.1, В).

Изомерия сахаров

Соединения, имеющие одну и ту же структурную формулу, но различающиеся по пространственной конфигурации, называются стереоизомерами. Образование таких изомеров оказывается возможным при вхождении в состав молекулы асимметрических атомов углерода (к которым присоединены четыре различных атома или группы). Число возможных изомеров данного соединения зависит от числа асимметрических атомов углерода (n) и равно 2n. Глюкоза с четырьмя асимметрическими атомами углерода имеет, следовательно, 16 изомеров. Ниже указаны наиболее важные типы изомеров глюкозы.

Рис. 14.1. a-D-глюкоза.

Рис. 14.2. D- и L-изомеры глицерозы и глюкозы.

1. D и L: обозначение изомера как D-формы или как L-формы, являющейся ее зеркальным отображением, основано на сравнении пространственной конфигурации изомера с конфигурацией «родительского» соединения углеводного семейства — трехуглеродного сахара глицеральдегида (глицерозы). L- и D-формы этого сахара изображены на рис. 14.2 вместе с соответствующими изомерами глюкозы. Принадлежность к D- или L-ряду определяется ориентацией групп —Н и —ОН при атоме углерода, соседнем с концевым атомом углерода, содержащим первичную спиртовую группу (в молекуле глюкозы — ориентацией групп —Н и —ОН при атоме углерода 5). Если группа — ОН при этом углероде находится справа (как показано на рис. 14.2), сахар принадлежит к D-ряду, если же она стоит слева, сахар относится к L-ряду. Большинство моносахаридов в организме млекопитающих имеют D-конфигурацию — именно к этой конфигурации специфичны ферменты, ответственные за их метаболизм.

Присутствие асимметрических атомов углерода является причиной оптической активности соединения. Если пучок плоскополяризованного света проходит через раствор оптического изомера, плоскость поляризации света поворачивается либо вправо (правовращающий изомер, +), либо влево (левовращающий изомер, -). Соединение обозначают D(—), D(+), L(—) или L(+); это обозначение показывает наличие структурного родства с D- или L-глицеральдегидом, но не обязательно тот же знак оптического вращения. Например, природной формой фруктозы является D(—)-изомер.

Если D- и L-изомеры присутствуют в равных количествах, их смесь не проявляет оптической активности — активности изомеров компенсируют одна другую. Такие смеси называют рацемическими (или DL-смесями). Соединения, получаемые синтетическим путем, оказываются рацемическими, поскольку в этом случае вероятности образования каждого из изомеров одинаковы.

2. Пиранозные и фуранозные кольцевые структуры. Эта терминология основана на существовании двух устойчивых кольцевых структур моносахаридов, сходных со структурами пирана или фурана (рис. 14.3). Кольцевую структуру могут принимать и кетозы (например, D-фруктофураноза или D-фруктопираноза; рис. 14.4). В растворе глюкозы более 99% молекул находится в пиранозной форме и менее 1 % — в фуранозной форме.

3. а- и ß-аномеры. Кольцевая структура альдозы — полуацетальная, так как она образуется в результате взаимодействия альдегидной и спиртовой групп (рис. 14.5), кольцевая структура кетозы — полукетальная. Кристаллическая глюкоза является глюкопиранозой. Циклическая структура сохраняется и в растворе, но при этом происходит образование изомеров относительно положения 1, которое занимает карбонильный или аномерный атом углерода, что приводит к образованию смеси а-глюкопиранозы (36%) и ß-глюкопиранозы (63%); оставшийся 1% представлен в основном а- и ß-аномерами глюкофуранозы. Описанное выше установление равновесия сопровождается так называемой мутаротацией: полуацетальное кольцо раскрывается и вновь замыкается, при этом может изменяться положение групп —Н и —ОН при углероде 1. Предполагают, что в ходе этого процесса образуется промежуточная гидратированная линейная (ациклическая) молекула, хотя по данным полярографии на долю ациклической формы глюкозы приходится всего 0,0025%. В растворе глюкоза является правовращающей; этим объясняется еще одно ее название — декстроза (декстро — правый), часто употребляемое в клинической практике.

Рис. 14.3. Пиранозная и фуранозная формы глюкозы.

Рис. 14.4. Пиранозная и фуранозная формы фруктозы.

4. Эпимеры. Изомеры, различающиеся по конфигурации положением групп —Н и —ОН при втором, третьем и четвертом атомах углерода, называются эпимерами. Биологически наиболее важными эпимерами глюкозы являются манноза и галактоза, образующиеся путем эпимеризации при атомах углерода 2 и 4 соответственно (рис. 14.6).

5. Альдо-кето-изомеризация. Фруктоза имеет ту же химическую формулу, что и глюкоза, но отличается по структурной формуле, поскольку фруктоза содержит потенциальную кетонную группу в положении 2, а глюкоза — потенциальную альдегидную группу в положении 1 (рис. 14.3 и 14.4).

Рис. 14.5. Мутаротация глюкозы.

Физиологически важные моносахариды

В ходе метаболической деградации глюкозы при гликолизе образуются производные различных триоз. Метаболические превращения глюкозы по пентозофосфатному пути приводят к образованию производных триоз, тетроз и пентоз, а также к образованию семиуглеродного сахара (седогептулозы). Пятиуглеродные моносахариды, пентозы, являются важными компонентами нуклеотидов, нуклеиновых кислот и многих коферментов (табл. 14.1). Из гексоз наиболее важное физиологическое значение имеют глюкоза, галактоза, фруктоза и манноза (табл. 14.2).

Структура биологически важных альдосахаров показана на рис. 14.7. Пять кетосахаров, играющих важную роль в метаболизме, представлены на рис. 14.8.

Самостоятельное значение имеют производные глюкозы, содержащие карбоксильную группу: а-D-глюкуронат (компонент глюкуронидов и гликозаминогликанов) и его метаболические производные ß- L-идуронат (компонент гликозаминогликанов, рис. 14.9) и L-гулонат (участвует в метаболизме уроновой кислоты, см. рис. 21.1).

Гликозиды

Гликозиды — это соединения, образующиеся путем конденсации моносахарида (или моносахаридного остатка в составе более сложного сахара) с гидроксильной группой другого соединения, которым может быть другой моносахарид или вещество неуглеводной природы (тогда его называют агликоном). Гликозидную связь называют ацетальной, так как она образуется в результате реакции между полуацетальной группой (образующейся при взаимодействии альдегида с—ОН-группой) и другой — ОН-группой. Если полуацетальная группа принадлежит глюкозе, образующееся соединение называют глюкозидом, если галактозе — галактозидом и т.д.

Рис. 14.6. Эпимеризация глюкозы.

Таблица 14.1. Физиологически важные пентозы

Гликозиды найдены в составе многих лекарств и пряностей, они являются также компонентами животных тканей. Агликонами могут быть метанол, глицерол, какой-либо стерол или фенол. Гликозиды, имеющие важное медицинское значение, а именно влияющие на работу сердца (сердечные гликозиды), содержат в качестве агликонового компонента стероиды; так, из наперстянки и строфанта выделен гликозид уабаин — ингибитор Na⁺/K⁺-ATPaзы клеточных мембран. К числу гликозидов относится ряд антибиотиков, в частности стрептомицин (рис. 14.10).

Дезоксисахара

У дезоксисахаров одна из гидроксильных групп, присоединенных к кольцевой структуре, замещена на атом водорода. Они образуются при гидролизе ряда соединений, играющих важную роль в биологических процессах. Примером служит дезоксирибоза (рис. 14.11), входящая в состав нуклеиновых кислот (ДНК).

Другими примерами дезоксисахаров являются L-фукоза (рис. 14.17) — компонент ряда гликопротеинов и 2-дезоксиглюкоза — ингибитор метаболизма глюкозы.

Таблица 14.2. Физиологически важные гексозы

Рис. 14.7. Структурные соотношения между альдозами D-ряда. D-Треоза физиологической ценности не представляет. Построение ряда основано на добавлении СН₂О-единиц к -СНО-группе сахара.

Рис. 14.8. Кетозы (ряд примеров).

Рис. 14.9. a-D-Глюкуронат (слева) и ß-L-идуронат (справа)

Аминосахара (гексозамины)

Примерами аминосахаров служат D-глюкозамин (рис. 14.12), D-галактозамин и D-маннозамин — все эти вещества обнаружены в природе. Глюкозамин является компонентом гиалуроновой кислоты. Галактозамин (хондрозамин) входит в состав хондроитина (см. гл. 54).

Ряд антибиотиков (эритромицин, карбомицин) содержит в своем составе аминосахара. Считается, что аминосахара вносят существенный вклад в биологическую активность этих антибиотиков.