1.3. Производные углеводов

Целлюлозу можно растворить в концентрированном растворе хлорида цинка, в медно-аммиачном растворе, в концентрированной серной кислоте, что используется для получения пергаментной бумаги и искусственного волокна. Вовлеченность гидроксильных групп в образование водородных связей определяет способность целлюлозы взаимодействовать с щелочами с образованием солей, которые могут быть использованы для проведения реакций алкилирования. Так, например, действием на натриевое производ-ное целлюлозы метилхлорида получают метилцеллюлозу, которая несмот-ря на замену части гидрофильных гидроксильных групп на гидрофобные метоксильные лучше растворяется в воде, чем целлюлоза, нарушается сис-тема водородных связей и молекулы расходятся. Другими продуктами такого рода являются гидроксиалкилцеллюлозы, образующиеся по реакции целлюлозы с алкиленоксидами, и карбоксиметилцеллюлоза – продукт ал-килирования ее натриевого производного хлорацетатом натрия.

Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) также широко использу-ется в самых разных областях, включая фармацевтическую промышлен-ность. Важную роль играют также продукты этерификации целлюлозы ан-гидридами уксусной и пропионовой кислот (они растворимы в органичес-ких растворителях), используемые для производства упаковочных пленок. К сложным эфирам целлюлозы относится и ксантогенат, образующийся из натриевого производного целлюлозы и сероуглерода.

Его вязкий раствор, называемый вискозой, используется для получения искусственного волокна и упаковочных пленок (целлофан). Растворимые в органических растворителях эфиры целлюлозы и азотной кислоты служили основой для получения пластмасс (целлулоид), волокон (нитратный шелк) и пленок, но из-за горючести нитраты целлюлозы сейчас используют толь-ко для производства пороха.

Кроме реакций конденсации с участием аномерных гидроксильных групп сахара могут также вступать в реакции окисления. При этом могут быть получены три типа кислот. Если в молекуле глюкозы окисляется альде-гидная группа, то это приводит к образованию глюконовой кислоты, кото-рая в свободном виде превращается в лактон. Кальциевая соль глюконовой кислоты (глюконат) используется в фармации для покрытия дефицита по этому катиону. Окисление концевой (С6)-гидроксильной группы приводит к глюкуроновой кислоте. Она участвует в образовании многих биополиме-ров. Так, например, содержащийся наряду с гемицеллюлозой в межклеточ-ной среде растений пектин (основа мармелада) представляет собой поли-глюкуроновую кислоту, часть карбоксильных групп которой этерифици-рована метанолом. Дикарбоновая кислота на основе глюкозы называется глюкаровой. Это достаточно сильная кислота, используемая в фармации для образования солей с субстанциями основного характера. Она также образует лактон.

глюкуроновая лактон глюконовой глюкаровая кислота

кислота кислоты

Важными структурными аналогами гексоз являются аминосахара, у кото-рых одна из гидроксильных групп заменена на аминогруппу. Так, по типу целлюлозы из N-ацетилглюкозамина построен хитин – основа панциря членистоногих (насекомые, пауки, ракообразные).

Хитозан – это деацетилированный хитин. Гиалуроновая кислота, содержа-щаяся в тканях кожи, в хрящах, в синовиальной жидкости, играющей роль смазки в суставах, представляет собой продукт поликонденсации с чередо-ванием фрагментов глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина. Гель, структурированный гиалуроновой кислотой, образует стекловидное тело глаза. В нем всего лишь 1 % гиалуроновой кислоты связывает 99 % водной составляющей.

Особого разговора заслуживает гепарин, состоящий в среднем из восьми-десяти сахаридных остатков, которые представлены чередующимися моле-кулами глюкуроновой кислоты, сульфатированной по гидроксильной груп-пе у второго атома углерода, и глюкозамина, который сульфатирован по аминогруппе и по концевой (С6) гидроксильной группе, например, это фрагмент формулы

Часть остатков глюкуроновой кислоты в гепарине заменена на остатки L‑идуроновой кислоты, это эпимер глюкуроновой кислоты по пятому ато-му углерода, а у некоторых глюкозаминовых остатков сульфамидная груп-па может быть заменена ацетамидной,

Этот важный биополимер, образующийся в тучных клетках рыхлой соеди-нительной ткани животных, выполняет ряд важных биологических функ-ций. Более всего известна его антикоагулянтная активность, то есть он пре-пятствует свертыванию 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 крове-носных сосудов), в развитии болезни Альцгеймера и в передаче сигналов. Было установлено, что антикоагулянтная активность гепарина сохраняется при сокращении числа сахаридных фрагментов до 10 (пять пар приведен-ной выше структуры). Более того, такие олигосахаридные гепарины ока-зались более избирательными антикоагулянтами, лишенными некоторых отрицательных побочных эффектов высокомолекулярного гепарина.

Еще одним натуральным антикоагулянтом является растворимый в воде белок гирудин, который выделяет в кровь медицинская пиявка. Гепарин и гирудин различаются по механизмам действия. Гепарин усиливает актив-ность антикоагулянтного фактора крови III, тогда как гирудин блокирует фермент тромбин, участвующий в образовании белка фибрина. Как лекар-ственное средство, гирудин по многим показателям превосходит гепарин, поскольку его роль ограничивается только предотвращением тромбо-образования. Важно также, что в отличие от других белков он не вызывает иммунной реакции. Понятно, что выделение достаточного для лекарствен-ных целей количества гирудина из медицинских пиявок не представляется возможным. В связи с этим были проведены опыты по получению генети-чески модифицированных культур дрожжей и бактерий, которые проду-цируют этот белок. Однако, синтез белка в бактериях начинается с амино-кислоты метионина, остаток которой добавляется к истинной структуре этого белка и делает его малоактивным, более активный белок синтези-руют 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 случае, в арсенале лекарственных средств уже по-явился препарат лепиридин, который полностью идентичен натуральному гирудину.

Особый интерес среди производных сахаров представляет аскорбиновая кислота – противоцинготный фактор и специфический регулятор многих окислительно-восстановительных реакций. В организмах многих живот-ных, к числу которых относятся, например, морские свинки и приматы, нет биохимических систем, предназначенных для синтеза эндогенной аскорби-новой кислоты. В соответствии с этим аскорбиновая кислота обязательно должно входить в состав пищи. Считается, что для человека оптимальная доза этого вещества равна 30 мг в сутки, хотя в организме крыс, которые не нуждаются во внешнем источнике аскорбиновой кислоты, она образу-ется в количестве около 7,5 мг, что в пересчете на вес человека соответ-ствует ежедневной дозе примерно в 2000 мг. Аскорбиновая кислота пред-ставляет собой циклический лактон, кислотные свойства которого опре-деляются енольной функциональной группой:

Из представленной формулы следует, что аскорбиновая кислота является продуктом окисления сахара в L-форме. Для ее получения были разрабо-таны многочисленные методики, использующие в качестве исходного про-дукта глюкозу. При гидрировании глюкозы на нейтральном меднохро-митном катализаторе с выходом до 97 % образуется сорбит:

Поворот молекулы сорбита на 180показывает, что атом углерода, нахо-дившийся рядом с карбонильной группой в молекуле глюкозы, при окисле-нии другого конца молекулы окажется вL-конфигурации. Избирательное окисление сорбита химическими способами, при любом подборе извест-ных защитных групп, не дает высокого выхода продуктов, которые могут быть использованы для получения аскорбиновой кислоты. Поэтому при производстве аскорбиновой кислоты на второй стадии используют биохи-мическое окисление. Сорбит содержится в ягодах рябины, где он служит субстратом для бактерииAcetobactersuboxydans. Ферментные системы этой бактерии избирательно дегидрируют сорбит до кетосахараL-сорбозы, которая включается в метаболизм этих бактерий:

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

Теперь в щелочной среде можно окислить свободную гидроксиметильную группу и после снятия защитных изопропилиденовых групп получить кето-кислоту, для перевода которой в аскорбиновую кислоту ее сначала этери-фицируют, затем обрабатывают метилатом натрия и подкисляют:

При действии метилата натрия образуется енольная форма и протекает циклизация лактона по схеме переэтерификации.

Отсутствие аскорбиновой кислоты в продуктах питания приводит к серьез-ным нарушениям обменных процессов, но такое тяжелое последствие это-го, как цинга (другое название этой болезни скорбут), сегодня практически не встречается. Тем не менее, нельзя не принимать во внимание, что недо-статок аскорбиновой кислоты приводит к снижению сопротивляемости организма по отношению, например, к вирусным инфекциям, к экстре-мальным нагрузкам и к стрессам. Есть данные, свидетельствующие о поло-жительной роли больших доз витамина С в профилактике и лечении про-студных заболеваний. Так, например, известный ученый Л.Полинг реко-мендовал при первых признаках простуды принимать несколько граммов витамина С.