7. Окисление моносахаридов до гликоновых, гликаровых, гликуроновых кислот.

Реакции окисления используют для обнаружения моносахаридов, в частности глюкозы, в биологических жидкостях (моча, кровь).

В молекуле моносахарида окислению может подвергаться любой атом углерода, но легче всего окисляется альдегидная группа альдоз в открытой форме.

Мягкими окислителями (бромная вода) можно окислить альдегидную группу в карбоксильную, не затрагивая других групп. При этом образуются альдоновые кислоты. Так, при окислении D-глюкозы бромной водой получается D-глюконовая кислота. В медицине используется ее кальциевая соль - глюконат кальция.

Действие более сильных окислителей, таких, как азотная кислота, перманганат калия, и даже ионов Cu²⁺ или Ag⁺ приводит к глубокому распаду моносахаридов с разрывом углерод-углеродных связей. Углеродная цепь сохраняется только в отдельных случаях, например при окислении D-глюкозы в D-глюкаровую кислоту или D-галактозы в галактаровую (слизевую) кислоту.

Получающаяся галактаровая кислота трудно растворима в воде и выпадает в осадок, что используется для обнаружения галактозы указанным методом.

Альдозы легко окисляются комплексными соединениями меди (II) и серебра - соответственно реактивами Фелинга и Толленса. Такие реакции возможны в связи с присутствием альдегидной (открытой) формы в таутомерной смеси.

Благодаря способности восстанавливать ионы Cu²⁺ или Ag⁺ моносахариды и их производные, содержащие потенциальную альдегидную группу, называют восстанавливающими.

Гликозиды не проявляют восстановительной способности и не дают положительной пробы с этими реактивами. Однако кетозы способны восстанавливать катионы металлов, так как в щелочной среде они изомеризуются в альдозы.

Прямое окисление звена СН₂ОН моносахаридов в карбоксильную группу невозможно из-за присутствия более склонной к окислению альдегидной группы, поэтому для превращения моносахарида в уроновую кислоту окислению подвергают моносахарид с защищенной альдегидной группой, например, в виде гликозида.

Образование гликозидов глюкуроновой кислоты - глюкуронидов - является примером биосинтетического процесса конъюгации, т. е. процесса связывания лекарственных средств или их метаболитов с биогенными веществами, а также с токсичными веществами с последующим выведением из организма с мочой.

8. Восстановление моносахаридов в глициты (ксилит, сорбит, маннит).

При восстановлении моносахаридов (их альдегидной или кетонной группы) образуются альдиты.

Шестиатомные спирты - D-глюцит (сорбит) и D-маннит - получаются при восстановлении соответственно глюкозы и маннозы.

При восстановлении альдоз получается лишь один полиол, при восстановлении кетоз - смесь двух полиолов; например, из D-фруктозы образуются D-сорбит и D-маннит.

Продукты реакций восстановления сахаров называют сахароспиртами. Простейшим примером таких веществ является трехатомный спирт - глицерин. Глюкоза при восстановлении дает шестиатомный сахароспирт сорбит, галактоза - дульцит, манноза - маннит. Они обладают сладким вкусом. Это хорошо растворимые в воде твердые бесцветные вещества. Усваиваются организмом человека, безвредны, рекомендуются вместо сахара больным сахарным диабетом и страдающим нарушением сахарного обмена. Ксилит, например, по сладости близок к свекловичному сахару, а сорбит вдвое менее сладок, но по калорийности оба почти не уступают сахару. Их используют непосредственно в пищу, а также в составе кондитерских и других продуктов питания. Глицерин - важный компонент липидов, сорбит часто встречается в разных фруктах и ягодах (сливы, яблоки, вишни, абрикосы, персики). Дульцит содержится во многих растениях и выделяется на поверхности коры деревьев. Маннит также выделяется на поверхности коры деревьев, а кроме того, находится в водорослях, плодах (ананасе), овощах (морковь, лук).

9. Общая характеристика и классификация полисахаридов.

Полисахариды составляют основную массу органической материи в биосфере Земли. Они выполняют три важные биологические функции, выступая в роли структурных компонентов клеток и тканей, энергетического резерва и защитных веществ.

Полисахариды (гликаны) - высокомолекулярные углеводы. По химической природе они являются полигликозидами (полиацеталями).

По принципу строения полисахариды не отличаются от восстанавливающих олигосахаридов. Каждое звено моносахарида связано гликозидными связями с предыдущим и последующим звеньями. При этом для связи с последующим звеном предоставляется полуацетальная гидроксильная группа, а с предыдущим - спиртовая группа. Различие заключается лишь в количестве моносахаридных остатков: полисахариды могут содержать их сотни и даже тысячи.

В полисахаридах растительного происхождения наиболее часто встречаются (1-4)-гликозидные связи, а в полисахаридах животного и бактериального происхождения имеются связи и других типов. На одном конце полимерной цепи находится остаток восстанавливающего моносахарида. Поскольку его доля во всей макромолекуле очень мала, полисахариды практически не проявляют восстановительных свойств.

Гликозидная природа полисахаридов обусловливает их гидролиз в кислой и устойчивость в щелочной средах. Полный гидролиз приводит к образованию моносахаридов или их производных, неполный - к ряду промежуточных олигосахаридов, в том числе и дисахаридов.

Полисахариды имеют большую молекулярную массу. Им присущ типичный для высокомолекулярных веществ более высокий уровень структурной организации макромолекул. Наряду с первичной структурой, т.е. с определенной последовательностью мономерных остатков, важную роль играет вторичная структура, определяемая пространственным расположением макромолекулярной цепи.

Полисахаридные цепи могут быть разветвленными или неразветвленными (линейными).

Полисахариды делят на группы:

•  гомополисахаридов, состоящих из остатков одного моносахарида;

•  гетерополисахаридов, состоящих из остатков разных моносахаридов.

К гомополисахаридам относятся многие полисахариды растительного (крахмал, целлюлоза, пектиновые вещества), животного (гликоген, хитин) и бактериального (декстраны) происхождения.

Гетерополисахариды, к числу которых относятся многие животные и бактериальные полисахариды, изучены меньше, но играют важную биологическую роль. Гетерополисахариды в организме связаны с белками и образуют сложные надмолекулярные комплексы.

10. Дисахариды (мальтоза, лактоза, лактулоза, сахароза, целлобиоза): строение, классификация (восстанавливающие и невосстанавливающие), цикло-оксо-таутомерия и их химические свойства: гидролиз, окисление редуцирующих сахаров.

Дисахариды (биозы) состоят из остатков двух моносахаридов и представляют собой гликозиды (полные ацетали), в которых один из остатков выполняет роль агликона. С ацетальной природой связана способность дисахаридов гидролизоваться в кислой среде с образованием моносахаридов.

Существуют два типа связывания моносахаридных остатков:

•  за счет полуацетальной группы ОН одного моносахарида и любой спиртовой группы другого (в примере ниже - гидроксил при С-4); это группа восстанавливающих дисахаридов;

•  с участием полуацетальных групп ОН обоих моносахаридов; это группа невосстанавливающих дисахаридов.

Восстанавливающие дисахариды

В этих дисахаридах один из моносахаридных остатков участвует в образовании гликозидной связи за счет гидроксильной группы (чаще всего при С-4). В дисахариде имеется свободная полуацетальная гидроксильная группа, вследствие чего сохраняется способность к раскрытию цикла.

Восстановительные свойства таких дисахаридов и мутаротация их растворов обусловлены цикло-оксо-таутомерией.

Представителями восстанавливающих дисахаридов являются мальтоза, целлобиоза, лактоза.

Мальтоза. Этот дисахарид называют еще солодовым сахаром (от лат. maltum - солод). Он является основным продуктом расщепления крахмала под действием фермента β-амилазы, выделяемого слюнной железой, а также содержащегося в солоде (проросших, а затем высушенных и измельченных зернах хлебных злаков). Мальтоза имеет менее сладкий вкус, чем сахароза.

Мальтоза - дисахарид, в котором остатки двух молекул D-глюко-пиранозы связаны α(1,4)-гликозидной связью.

Аномерный атом углерода, участвующий в образовании этой связи, имеет α-конфигурацию, а аномерный атом с полуацетальной гидроксильной группой может иметь как α-, так и β-конфигурацию (соответственно α- и β-мальтоза).

В систематическом названии дисахарида «первая» молекула приобретает суффикс -озил, а у «второй» сохраняется суффикс -оза. Кроме того, в полном названии указывают конфигурации обоих аномерных атомов углерода.

Целлобиоза. Этот дисахарид образуется при неполном гидролизе полисахарида целлюлозы.

Целлобиоза - дисахарид, в котором остатки двух молекул D-глюкопиранозы связаны β(1,4)-гликозидной связью.

Отличие целлобиозы от мальтозы состоит в том, что аномерный атом углерода, участвующий в образовании гликозидной связи, имеет β-конфигурацию.

Мальтоза расщепляется ферментом α-глюкозидазой, который не активен по отношению к целлобиозе. Целлобиоза способна расщепляться ферментом β-глюкозидазой, но этот фермент в человеческом организме отсутствует, поэтому целлобиоза и соответствующий полисахарид целлюлоза не могут перерабатываться в организме человека. Жвачные животные могут питаться целлюлозой (клетчаткой) трав, поскольку находящиеся в их желудочно-кишечном тракте бактерии обладают β-глюкозидазой.

Конфигурационное различие между мальтозой и целлобиозой влечет за собой и конформационное различие: α-гликозидная связь в мальтозе расположена аксиально, а β-гликозидная связь в целлобиозе - экваториально. Конформационное состояние дисахаридов служит первопричиной линейного строения целлюлозы, в состав которой входит целлобиоза, и клубкообразного строения амилозы (крахмал), построенной из мальтозных единиц.

Лактоза содержится в молоке (4-5%) и получается из молочной сыворотки после отделения творога (отсюда и ее название «молочный сахар»).

Лактоза - дисахарид, в котором остатки D-галактопиранозы и D-глюкопиранозы связаны β(1,4)-гликозидной связью.

Участвующий в образовании этой связи аномерный атом углерода D-галактопиранозы имеет β-конфигурацию. Аномерный атом глюкопиранозного фрагмента может иметь как α-, так и β-конфигурацию (соответственно α- и β-лактоза).

Лактулоза

Лактуло́за (4-О-β-D-галактопиранозил-D-фруктоза) - дисахарид, состоящий из остатков молекул галактозы и фруктозы, синтетический стереоизомер молочного сахара - лактозы. В природе не встречается.

Лактулоза используется в качестве осмотического слабительного лекарственного средства, стимулирующего перистальтику кишечника, и применяется при запорах, печёночной энцефалопатии, а также при диагностике нарушений желудочно-кишечного тракта.

По физическим свойствам - белый порошок, хорошо растворимый в воде.

Лактулозу в промышленных количествах синтезируют из лактозы, которую, в свою очередь, вырабатывают из подсырной сыворотки, отходов при производстве молока и молочных продуктов. Продукт производства в качестве примесей может содержать галактозу (не более 16%), лактозу (12 %), эпилактозу (8 %), фруктозу (1 %).

Лактулоза оказывает гиперосмотическое слабительное действие, стимулирует перистальтику кишечника, улучшает всасывание фосфатов и солей кальция и магния, способствует выведению ионов аммония.

Лактулоза, в отличие от лактозы (также дисахарида, содержащегося в молоке), совершенно не всасывается в кишечнике человека, поскольку у человека нет ферментов, способных гидролизовать лактулозу. Благодаря этому лактулоза повышает осмотическое давление в кишечнике и вызывает переход воды в просвет кишки, разжижение и увеличение объёма стула и, тем самым, послабляющий эффект. Лактулоза также увеличивает секрецию желчи в просвет тонкой кишки, подобно другим осмотическим слабительным, таким, как магния сульфат.

Кроме того, лактулоза, доходя в неизменённом виде до толстой кишки, захватывается и метаболизируется бактериями толстой кишки, способными усваивать лактулозу. При этом продукты бактериального метаболизма лактулозы сдвигают pH среды в толстой кишке в кислую сторону, угнетая тем самым рост и размножение патогенных микроорганизмов и создавая более благоприятную среду для размножения «полезных» сапрофитных бактерий в толстой кишке. Этот эффект лактулозы широко используется в лечении дисбактериозов толстой кишки.

Кислая среда, создающаяся в толстой кишке при бактериальном метаболизме лактулозы, также угнетает процессы гниения в толстой кишке, сдвигает баланс гниения и брожения в сторону преобладания бродильных процессов и снижает образование токсичных продуктов гниения белков, в частности, аммиака.

В кислой среде большая часть аммиака находится в ионизированной форме (NH₄⁺) и плохо всасывается в кровь, а щелочная среда повышает образование неионизированной, более липофильной и лучше всасываемой формы аммиака NH₃. Тем самым действие лактулозы приводит к снижению уровня аммиака и других токсичных продуктов гниения белков в крови. Этот эффект лактулозы широко используется при лечении печёночной энцефалопатии, острой и хронической печёночной недостаточности, алкогольной болезни печени, когда нарушена способность печени обезвреживать аммиак.

Невосстанавливающие дисахариды

Важнейшим из невосстанавливающих дисахаридов является сахароза. Ее источником служат сахарный тростник, сахарная свекла (до 28% от сухого вещества), соки растений и плодов.

Сахароза - дисахарид, в котором остатки α-D-глюкопиранозы и β-D-фруктофуранозы связаны гликозидными связями за счет полуацетальных гидроксильных групп каждого моносахарида.

Поскольку в молекуле сахарозы отсутствуют полуацетальные гидроксильные группы, она неспособна к цикло-оксо-таутомерии. Растворы сахарозы не мутаротируют.

Химические свойства

По химической сути дисахариды являются гликозидами, а восстанавливающие дигосахариды обладают еще и признаками моносахаридов, так как содержат потенциальную альдегидную группу (в открытой форме) и полуацетальный гидроксил. Этим и определяется их химическое поведение. Они вступают во многие реакции, свойственные моносахаридам: образуют сложные эфиры, способны окисляться и восстанавливаться под действием тех же реагентов.

Наиболее характерной реакцией дисахаридов является кислотный гидролиз, приводящий к расщеплению гликозидной связи с образованием моносахаридов (во всех таутомерных формах).