1.3. Производные углеводов

Целлюлозу можно растворить в концентрированном растворе хлорида цинка, в медно-аммиачном растворе, в концентрированной серной кисло-те, что используется для получения пергаментной бумаги и искусствен-ного волокна. Вовлечённость гидроксильных групп в образование водо-родных связей определяет способность целлюлозы взаимодействовать с щёлочами с образованием солей, которые могут быть использованы для проведения реакций алкилирования. Так, например, действием на натрие-вое производное целлюлозы метилхлорида получают метилцеллюлозу, которая, несмотря на замену части гидрофильных гидроксильных групп на гидрофобные метоксильные, лучше растворяется в воде, чем целлюлоза: система водородных связей нарушается, и молекулы расходятся. Другими растворимыми в воде производными целлюлозы являются гидроксиалкил-целлюлозы, образующиеся по реакции целлюлозы с алкиленоксидами, а также карбоксиметилцеллюлоза – продукт алкилирования её натриевого производного хлорацетатом натрия:

Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) также широко ис-пользуется в самых разных областях, включая фармацевтическую про-мышленность. Важную роль играют продукты этерификации целюлозы ангидридами уксусной и пропионовой кислот (они растворимы в органи-ческих растворителях), из которых получают упаковочные плёнки. К сложным эфирам целлюлозы относится и ксантогенат, образующийся из натриевого производного целлюлозы и сероуглерода:

Его вязкий раствор, называемый вискозой, используется для получе-ния искусственного волокна и упаковочных пленок (целлофан). Раствори-мые в органических растворителях эфиры целлюлозы и азотной кислоты служили основой для получения пластмасс (целлулоид), волокон (нитрат-ный шелк) и плёнок, но из-за горючести нитраты целлюлозы сейчас ис-пользуют только для производства пороха.

Сахара вступают также в реакции окисления. При этом могут быть получены три типа кислот. Если в молекуле глюкозы окисляется аль-дегидная группа, то это приводит к образованию глюконовой кислоты, ко-торая в свободном виде превращается в лактон. Кальциевая соль глюконо-вой кислоты (глюконат) используется в фармации для покрытия дефицита по этому катиону. Окисление концевой С6-гидроксильной группы приво-дит к глюкуроновой кислоте. Она участвует в образовании многих биопо-лимеров. Так, например, содержащийся наряду с гемицеллюлозой в меж-клеточной среде растений пектин (структурирующая основа мармелада) представляет собой полиглюкуроновую кислоту, часть карбоксильных групп которой этерифицирована метанолом. Дикарбоновая кислота на основе глюкозы называется глюкаровой. Это достаточно сильная кислота, используемая в фармации для образования солей с субстанциями основ-ного характера. Она также образует лактон.

Глюкуроновая Лактон глюконовой Глюкаровая кислота

кислота кислоты

Важными структурными аналогами гексоз являются аминосахара, у которых одна из гидроксильных групп заменена аминогруппой. Так, по типу целлюлозы из N-ацетилглюкозамина построен хитин – основа пан-циря членистоногих (насекомые, пауки, ракообразные).

Хитозан – это деацетилированный хитин. Гиалуроновая кислота, со-держащаяся в тканях кожи, в хрящах, в синовиальной жидкости, играю-щей роль смазки в суставах, представляет собой продукт поликонденсации с чередованием фрагментов глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкоз-амина. Гель, структурированный гиалуроновой кислотой, образует стекло-видное тело глаза. В нём всего лишь 1% гиалуроновой кислоты связывает 99% водной составляющей.

Особого разговора заслуживает гепарин, состоящий в среднем из 80 сахаридных остатков, которые представлены чередующимися молекулами глюкуроновой кислоты, сульфатированной по гидроксильной группе у второго атома углерода, и глюкозамина, который сульфатирован по аминогруппе и по гидроксильной группе у шестого атома углерода, например, это фрагмент формулы:

Часть остатков глюкуроновой кислоты в гепарине заменена на остат-ки L‑идуроновой кислоты, это эпимер глюкуроновой кислоты по пятому атому углерода, а у некоторых глюкозаминовых остатков сульфамидная группа может быть заменена ацетамидной.

Этот важный биополимер, образующийся в тучных клетках рыхлой соединительной ткани животных, выполняет ряд важных биологических функций. Более всего известна антикоагулянтная активность гепарина, т.е. он препятствует свёртыванию крови, и поэтому его вводят в состав средств для лечения заболеваний, связанных с тромбообразованием, но гепарин также участвует в развитии эмбриона, в процессе ангиогенеза (рост новых кровеносных сосудов), в развитии болезни Альцгеймера, кроме того, он выполняет сигнальные функции. Было установлено, что антикоагулянтная активность гепарина сохраняется при сокращении числа сахаридных остатков до 10 (пять пар приведённой выше структуры). Более того, такие олигосахаридные гепарины оказались более избирательными антикоагу-лянтами, лишенными некоторых побочных эффектов высокомолекуляр-ного гепарина.

Ещё одним натуральным антикоагулянтом является растворимый в воде белок гирудин, который выделяет в кровь медицинская пиявка. Гепа-рин и гирудин различаются по механизмам действия. Гепарин усиливает активность антикоагулянтного фактора крови III, тогда как гирудин блоки-рует фермент тромбин, участвующий в образовании белка фибрина. Как лекарственное средство, гирудин по многим показателям превосходит гепарин, поскольку его роль ограничивается только предотвращением тромбообразования. Важно также, что в отличие от других белков гирудин не вызывает иммунной реакции. Понятно, что выделение достаточного для лекарственных целей количества гирудина из медицинских пиявок не представляется возможным. В связи с этим были проведены опыты по получению генетически модифицированных культур дрожжей и бактерий, которые продуцируют этот белок. Однако синтез белка в бактериях начи-нается с аминокислоты N-формилметионина, остаток которой добавляется к истинной структуре этого белка и делает его малоактивным; более актив-ный гирудин синтезируют генетически модифицированные дрожжи. В то же время небольшой размер этого белка и хорошая растворимость в воде делает его идеальным объектом для экспрессии в системах, основанных на генетически модифицированных растительных клетках. Гирудин очень стабилен и легко определяется с помощью цветных реакций, что облегчает проведение аналитических исследований с его участием. Во всяком слу-чае, в арсенале лекарственных средств уже появился препарат лепиридин, который полностью идентичен натуральному гирудину.

Особый интерес среди производных сахаров представляет аскорбино-вая кислота (витамин С) – противоцинготный фактор и специфический регулятор многих окислительно-восстановительных реакций. В организ-мах многих животных, к числу которых относятся, например, морские свинки и приматы, нет биохимических систем, предназначенных для син-теза эндогенной аскорбиновой кислоты. В соответствии с этим аскорби-новая кислота обязательно должна содержаться в продуктах питания. Считается, что для человека оптимальная доза этого вещества равна 30 мг в сутки, хотя в организме крыс, которые не нуждаются во внешнем источ-нике аскорбиновой кислоты, она образуется в количестве около 7,5 мг в сутки, что в пересчёте на вес человека соответствует ежедневной дозе примерно в 2000 мг. Аскорбиновая кислота представляет собой цикличес-кий лактон, кислотные свойства которого определяются енольной функциональной группой:

Из представленной формулы следует, что аскорбиновая кислота явля-ется продуктом окисления сахара в L-форме. Для её получения были раз-работаны многочисленные методики, использующие в качестве исходного продукта глюкозу. При гидрировании глюкозы на нейтральном медно-хромитном катализаторе с выходом до 97% образуется сорбит:

Поворот молекулы сорбита на 180 показывает, что атом углерода, находившийся рядом с карбонильной группой в молекуле глюкозы, при окислении другого конца молекулы окажется в L-конфигурации. Избира-тельное окисление сорбита химическими способами при любом подборе известных защитных групп не даёт высокого выхода продуктов, которые могут быть использованы для получения аскорбиновой кислоты. Поэтому в её производстве на второй стадии используют биохимическое окисление. Сорбит содержится в ягодах рябины, где он служит субстратом для бак-терии Acetobacter suboxydans. Ферментные системы этой бактерии избира-тельно дегидрируют сорбит до кетосахара L‑сорбозы, которая включается в метаболизм этих бактерий:

При нагревании L-сорбозы с ацетоном в присутствии кислого катали-затора защищаются гидроксильные группы (образуются кетали в виде диоксоланового и 1,3-диоксанового циклов):

Теперь в щелочной среде можно окислить свободную гидроксиме-тильную группу и после снятия защитных изопропилиденовых групп получить кетокислоту, для перевода которой в аскорбиновую кислоту проводят сначала реакцию этерификации, затем эфир обрабатывают метилатом натрия (идёт внутримолекулярная переэтерификация и образо-вание енольной формы) и подкисляют:

Отсутствие аскорбиновой кислоты в продуктах питания приводит к серьёзным нарушениям обменных процессов, но такое тяжёлое последст-вие этого, как цинга (другое название этой болезни скорбут), сегодня прак-тически не встречается. Тем не менее, нельзя не принимать во внимание, что недостаток аскорбиновой кислоты приводит к снижению сопротивля-емости организма по отношению, например, к вирусным инфекциям, к экстремальным нагрузкам и к стрессам. Есть данные, свидетельствующие о положительной роли больших доз витамина С в профилактике и лечении простудных заболеваний. Так, например, известный ученый Л. Полинг ре-комендовал при первых признаках простуды принимать несколько граммов витамина С.