Полисахариды

Это высокомолекулярные углеводы, содержащие сотни и даже тысячи моносахаридных остатков.

Из полисахаридов широко известны целлюлоза, крахмал и гликоген. Они построены из одного и того же моносахарида – D-глюкозы. Общая формула (С₆Н₁₀О₅)n.

Целлюлоза (клетчатка) – самый распространенный не только полисахарид, но и органическое вещество в природе. Древесина примерно на 50% состоит из целлюлозы, а хлопок и лен представляют практически чистую целлюлозу.

В целлюлозе остатки D–глюкопиранозы связаны между собой b–(1®4) – гликозидной связью:

Цепь, построенная из тысячи остатков D–глюкозы, имеет линейное строение. Линейные цепи закреплены Н–связями между моносахаридными звеньями внутри одной цепи. Между параллельно уложенными цепями полисахарида также возникают Н-связи, придающие жесткость всей структуре. Отсюда высокая механическая прочность целлюлозы.

С химической позиции целлюлоза – многоатомный спирт, содержащий три гидроксильные группы в каждом моносахаридном звене, и способный образовывать с участием этих групп простые и сложные эфиры:

В эфирные группы могут быть превращены либо все, либо часть гидроксильных групп фрагмента полисахарида, где R–алкил или остаток органической или неоранической кислоты (в сложных эфирах). Целлюлоза не проявляет восстанавливающих свойств.

Простые эфиры целлюлозы – метилцеллюлоза R=CH₃ и натрийкарбоксиметилцеллюлоза R=СН₂ СООNa – образуют вязкие водные р-ры или гели и применяются в фармации в качестве загустителей, эмульгаторов и стабилизаторов мазей и эмульсий. Карбоксиметилцеллюлоза R=СН₂СООН и диэтиламиноэтилцеллюлоза (сокращенно ДЭАЭ-целлюлоза) R=СН₂СН₂N (C₂H₅)₂ обладают способностью ионитов и применяются в биохимических исследованиях.

Эфир уксусной к-ты (триацетат) применяют в производстве кинопленки и электроизоляционной пленки. Из этого полиэфира вырабатывают также ацетатное волокно. Из целлюлозы получают и другие искусственные волокна: вискозное и медноаммиачное.

Широко применяются эфиры целлюлозы с азотной к-той. Тринитрат целлюлозы – взрывчатое вещество, применяется в производстве пороха. Смесь моно-и динитратов целлюлозы используют в производстве целлулоида, лаков, взрывчатых вещ-в.

Гидролизом целлюлозы в промышленности вырабатывают глюкозу, брожением которой получают этиловый спирт. Другие области применения целлюлозы: строительный материал, производство бумаги, картона.

Крахмал – другой распространенный растительный полисахарид, состоящий из двух фракций: амилопектина (основной компонент – 80-90%) и амилозы. Амилоза, как и целлюлоза, построена из (1®4) – связанных остатков D–глюкопиранозы.

Однако в отличие от целлюлозы, гликозидная связь в амилозе имеет
a-конфигурацию, в результате чего полисахаридная цепь приобретает иное пространственное строение, напоминающее спираль.

Фрагмент цепи амилозы

Амилопектин имеет разветвленное строение. В основной цепи остатки D-глюкопиранозы связаны a-(1®4) – гликозидной связью, а в местах ветвления – a-(1®6)-связью:

Амилопектин +I₂ ® фиолетовое окрашивание

В организме крахмал подвергается гидролизу:

Амилаза слюны Желудочный сок

Крахмал Декстрины крупные

Амилаза панкреотического сока Мальтаза кишечника

Декстрины мелкие Мальтоза α -D-глюкоза

a–D-Глюкоза поглощается ворсинками кишечника, попадает в кровеносное русло и используется как источник энергии. Избыток глюкозы полимеризуется в гликоген и откладывается в печени про запас.

Проблема ожирения возникает потому, что количество гликогена в тканях ограничено. После синтеза 50-60г гликогена на 1кг ткани из глюкозы начинает вырабатываться жир.

Гликоген (животный крахмал) имеет сходное строение с амилопектином, однако разветвленность его больше, чем амилопектина.

Гетерополисахариды – это углеводы, при гидролизе которых образуются молекулы различных моносахаридов и их производных. К последним относятся гепарин, гиалуроновая к-та, хондроитинсерная к-та. В их состав входят аминосахара, уроновые кислоты и остатки серной и уксусной кислот.

Соединительная ткань распределена по всему организму (кожа, хрящи, сухожилия, суставная жидкость, роговица, стенки крупных кровеносных сосудов, кости) и обусловливает прочность и упругость органов, эластичность их соединения, стойкость к проникновению инфекции. Полисахариды соединительной ткани связаны с белками.

Полисахариды соединительной ткани иногда называют кислыми мукополисахаридами, т.к. они содержат уроновые к-ты, остатки серной и уксусной кислот.

Функции углеводов: 1) энергетическая; 2) строительная; 3) наследственная; 4) защитная; 5) поддержание постоянного осмотического давления и свертываемости крови; 6) лекарственные препараты и компоненты к ним.

Энергетическая функция. Потребность человеческого организма удовлетворяется за счет углеводов. При нормальной трудовой деятельности энергетические затраты человека покрываются за счет углеводов на 55-60%, жиров на 20-25%, белков на 15-20%.

Калорийность углеводов, то есть энергия, выделяемая в процессе их диссимиляции с образованием СО₂ и Н₂О, составляет 16-17 кДж/г. Источником глюкозы является гликоген и крахмал, поступающий с пищей. Глюкоза – обязательный компонент крови (3, 3 –3, 5 ммоль/л цельной крови).

Особенно чувствительны к снабжению глюкозой нервные клетки. При недостатке глюкозы возникают судороги, потеря сознания. Постоянная концентрация глюкозы зависит от двух гормонов адреналина (гормон надпочечников), регулирующего расщепление глюкозы, и инсулина (гормон поджелудочной железы), регулирующего синтез гликогена из глюкозы. При уменьшении инсулина уровень глюкозы повышается примерно в 2 раза, увеличивается давление, образуется большое количество " ацетоновых тел", изменяется рН крови. Это наблюдается при сахарном диабете.

Контрольные вопросы к теме: «Углеводы»

1. Какие соединения называются моносахаридами.

2. Классификация моносахаридов.

3. Оптическая изомерия. По какому хиральному атому углерода идет отнесение к D- и L- изомерам.

4. Что такое мутаротация.

5. Какие соединения относятся к дисахаридам.

6. Какие дисахариды называются восстанавливающими, а какие невосстанавливающими. Объясните почему?

7. Какие углеводы называются полисахаридами.

8. Перечислите функции углеводов в организме.

Упражнения:

1. Напишите с помощью проекционных формул Фишера энантиомеры глюкозы, галактозы и маннозы. Укажите диастереомеры и эпимеры. Какие формы моносахаридов входят в организм?

2. Напишите циклические формы D- глюкопиранозы.

3. Напишите реакции глюкозы по альдегидной группе.

4. Напишите реакции «серебряного и медного зеркала» для глюкозы.

5. Напишите реакции для глюкозы по группам ОН.

6. Напишите реакции брожения глюкозы.

7. Напишите реакции образования мальтозы и лактозы. Какими дисахаридами они являются?

8. Напишите схему образования невосстанавливающего дисахарида.

9. Напишите компоненты, содержащиеся в крахмале.

10. Напишите формулы целлюлозы и гликогена

Лекция

Аминокислоты (АК)

Это гетерофункциональные соединения, содержащие амино- и карбоксильную группы:

Номенклатура

Обычно АК имеют тривиальное название.

По рациональной номенклатуре их названия составляются путем прибавления к тривиальному названию приставки амино- и буквы греческого алфавита, указывающей положения – NH₂ группы по отношению к – СООН.

МН в названии АК используется редко.

Изомерия

1. Изомерия цепи:

Лейцин, a-аминоизокапроновая к-та, a-амино-g-метилвалериановая к-та

Изолейцин, a-амино-b-метил- валериановая к-та

2. Изомерия положения гр. – NH₂:

a-Аланин

b-Аланин

3. Оптическая изометрия (обладают все АК, кроме глицина). Отнесение к D- и L-ряду проводят по аналогии с глицериновым альдегидом по расположению Н и –NH₂ гр.

Во всех случаях, когда a-АК содержит два и более асимметрических атомов углерода, конфигурацию ее определяют, исходя из a-углеродного атома.

D- L- Аланин

D-Треонин Алло-L-треонин

В организме обычно имеются L-, a- и алло-формы. В составе белков АК находятся только в L-форме. D-АК встречаются в антибиотиках (грамицидин).

Классификация

По числу –NH₂, –COOH групп, а также в зависимости от R- АК подразделяют на: моноаминокарбоновые, моноаминодикарбоновые, диаминокарбоновые, ароматические и гетероциклические.

3/*0з-

Аланин	Лизин, a, e-диаминокапроновая к-та
a-Аминоглутаровая к-та, Глутаминовая к-та	Тирозин, n-оксифенилаланин

Триптофан,

b-индолилаланин,

3-индолил-2-аминопропановая к-та

Кроме вышесказанного выделяют также окси- и серусодержащие АК:

Серин a-амино-b-оксипропионовая к-та

Цистеин, a-амино-b-тиопропионовая к-та

Живые организмы различаются по своей способности синтезировать АК. АК, не синтезируемые в организме, наз-ся незаменимыми. Это гетероциклические и разветвленные АК.

Химические свойства

I. Кислотно-оснó вные

АК за счет –I группы –NH₂ являются более сильными к-тами, чем соответствующие им карбоновые к-ты и более слабыми основаниями, чем амины.

a-АК являются амфотерными соединениями, т.к. содержат в одной молекуле –NH₂ гр., обусловливающую оснó вные св-ва и –СOOH – кислотные. Поэтому в зависимости от среды АК могут существовать в р-ре в виде катионов или анионов. В кислой среде протонируется –NH₂ гр., в щелочной – –COOH гр. превращается в анион –СОО^- . В среде близкой к нейтральной АК существует в виде диполярного иона:

Значение рН р-ра, при котором АК имеет равное количество положительных и отрицательных зарядов, наз-ся изоэлектрической точкой (ИЭТ). Заряд белковой молекулы определяется суммой ионогенных групп –NH₃⁺ и –COO^–.

Изображение АК в неионизированной форме является упрощенным.

АК, как амфотерные соединения, образуют соли как с к-тами, так и с основаниями:

II. Р-ции по –СООН группе

АК могут диссоциировать, образовывать соли, сложные эфиры, ангидриды, амиды, хлорангидриды.

Эта р-ция используется как “защитная” в синтезе белков и пептидов.

III. Р-ции по –NH₂ группе

а) Р-ция солеобразования (см. выше)

б) Р-ция с HNO₂

Эта р-ция дезаминирования in vitro. По количеству выделившегося азота определяют кол-во АК (метод Ван-Слайка).

в) Хлорангидриды и ангидриды к-т образуют с АК ацилпроизводные (подобно аминам и мочевине):

Эта р-ция используется для “защиты” –NH₂ гр. в синтезе белков и пептидов.

г) Р-ция с формальдегидом

При взаимодействии с альдегидами a-АК, подобно первичным аминам, образуют основания Шиффа.

IV. Отношение АК к нагреванию

а) a-АК при нагревании могут отщеплять одну или две молекулы воды. При отщеплении одной молекулы воды образуются дипептиды:

Дипептид обладает способностью взаимодействовать с новой молекулой АК с образованием трипептида, тетрапептида и полипептида. Последний является основой белковых молекул. Название ди– и полипептидов строится по названиям тех к-т, из которых они образуются. Поэтому АК, участвующая в образовании пептида имеет окончание –ИЛ, а концевая АК, сохранившая гр. –СООН – полное название:

Аланин Серин АланИЛсерин

Используется сокращенная запись полипептида с указанием концевых групп и названий АК первыми тремя буквами русского или латинского алфавита:

Н₂N – Ала – Тир – Гли – Глу – СООН

Аla Tyr Gly Glu

При отщеплении двух молекул воды от двух молекул АК образуется дикетопиперазин (циклический амид):

+

Глицин Дикетопиперазин

б) b-АК выделяют при нагревании NH₃ и образуют непредельную к-ту, т.е. идет р-ция дезаминирования:

b-Аминомасляная к-та

в) g-аминокислоты образуют лактамы:

Лактамная

(пептидная) группа

g-Аминомасляная к-та

V. Р-ции дезаминирования:

В организме человека и животных под действием различных ферментов происходят процессы дезаминирования. Во всех случаях гр. -NH₂ освобождается в виде NH₃, а продуктами дезаминирования могут быть жирные к-ты, окси- и кеток-ты. При этом окислительное дезаминирование преобладает:

а) Окислительное дезаминирование

Оксок-та

б) Восстановительное

в) Гидролитическое

Оксик-та

г) Внутримолекулярное

VI. Р-ции декарбоксилирования

Карбоновые к-ты in vitro декарбоксилируются в очень жестких условиях. Введение в a-положение ЭА групп -NH₂, , –ОН способствует стабилизации карбоаниона и поэтому такие замещеные к-ты очень легко декарбоксилируются:

В лабораторных условиях аминокислоты легко декарбоксилируются в щелочной среде. В организме a-аминокислоты декарбоксилируются под действием фермента декарбоксилазы:

Глутаминовая к-та g-Аминомасляная к-та, ГАМК

Гистидин, Гистамин,

a-амино-b-[4(5)-имидазолил]- 2-имидозолиламиноэтан,

пропионовая к-та 4(5)-аминоэтилимидазол

Образующиеся амины имеют большое физиологическое значение и наз-ся биогенными аминами. Они участвуют в ряде р-ций обмена нервной и сердечно-сосудистой систем. Нарушение обмена биогенных аминов влечет за собой возникновение патологических состояний, в частности, некоторых психозов, аллергических заболеваний, воспалительной и болевой реакций. Так, гистамин является сосудорасширяющим соединением, понижает кровяное давление. ГАМК играет большую роль в жизнедеятельности нервной системы, где не только обезвреживает NH₃, но и влияет на дыхание, проведение нервных импульсов.

К биогенным аминам, образующимся из тирозина в процессе обмена веществ, относится группа катехоламинов: адреналин, норадреналин и дофамин:

Тирозин Дофамин

Норадреналин Адреналин

Дофамин, норадреналин и адреналин выполняют роль нейромедиаторов. Адреналин (5мг) является гормоном мозгового вещества надпочечников, а норадреналин и дофамин – его предшественниками. Адреналин участвует в регуляции сердечной деятельности, обмена углеводов. При физиологических стрессах он выделяется в кровь (“гормон страха”). Активность адреналина связана с конфигурацией хирального центра, определяющей взаимодествие с рецептором. Подобно 1, 2-дигидроксибензолу, катехоламины с р-ром FeC1₃ дают изумрудно-зеленое окрашивание, переходящее в вишнево-красное при добавлении р-ра аммиака, что может служить качественной р-цией на эти соединения.

Из тирозина синтезируются также пигменты кожи, глаз, волос.

Кроме р-ций декарбоксилирования в организме протекают под влиянием ферментов много строго специфических р-ций: переаминирования, трансаминирования и др.

VII. Р-ции по радикалу

Все циклические АК, содержищие бензольное кольцо – триптофан, тирозин, фенилаланин – легко вступают в р-ции замещения по бензольному кольцу с На1₂, НО–NO₂, HO–SO₃H.

Путем йодирования тирозина в организме образуется гормон щитовидной железы тироксин:

Тирозин Дийодтирозин

Качественная р-ция на ароматические АК – ксантопротеиновая – обусловлена нитрованием бензольного кольца с образованием нитросоединений желтого цвета. При добавлении к ним щелочи возникает оранжевое окрашивание:

VIII. Качественная р-ция на a-АК

Это р-ция с нингидрином:

+ CO₂ + R–CHO

Альдегид

IX. Р-ция на присутствие серусодержащих АК

Цистин

Цистеин и цистин легко превращаются друг в друга за счет р-ции окисления-восстановления:

Цистеин Цистин + Н₂О

Обмен серы в организме идет, в основном, за счет цистина и цистеина. Они обусловливают структуру белка, реактивность многих ферментов и гормонов. За счет ферментативного окисления серы образуется H₂SO₄, которая вступает во взаимодействие с ядовитыми веществами, обезвреживая их.

Качественной р-цией на серусодержащие АК является р-ция Фоля:

Коричневый

Метионин играет большую роль в обмене сложных липидов, препятствуя синтезу нейтральных жиров и холестерина, т.к. является донором метильных групп, содержится в большом количестве в сыре, твороге.

По оценкам американских врачей повышенный уровень цистеина, всегда присутствующего в крови, ассоциируется с 10–15% инфарктов и 30–40% инсультов. Избыток цистеина обычно обусловлен нехваткой фолиевой к-ты и витаминов группы В.