КНОРРЕ_3227

290	Глава 13. Биоорганическая химия углеводов

н-с=о

I

н о -с -н н -сI -о н

I

н о -с -н н -сI -о н

I

СН2ОН

D-идоза

1C

Рис. 90. Конформация 1C a-D-идозы

§ 13.2. Окисленные и восстановленные формы моносахаридов

Наряду с альдозами в природе встречаются их окисленные и восстанов­ ленные формы. Окисленные формы альдоз представлены производными, у которых альдегидная или концевая СН2ОН-группы превращены в карбок­ сильные. Первые называют алъдоновыми, а вторые - уроновыми кислотами.

Названия их обычно производят от соответствующих альдоз введением соот­ ветственно суффиксов «он» и «урон». Альдоновые кислоты лучше всего об­ разуются при окислении альдоз бромом. Уроновые кислоты получаются пу­ тем каталитического окисления кислородом альдоз, защищенных по 'С.

Дикарбоновые кислоты, образующиеся в результате окисления обеих групп при атомах 'С и 6С, называются сахарными кислотами, и их названия производятся от соответствующих альдоз введением суффикса «ар». Сахар­ ные кислоты получаются при окислении альдоз азотной кислотой. Ниже в качестве примеров приведены структурные формулы глюконовой, глюкуро-

новой и глюкаровой кислот.

Одним из типов восстановленных форм альдоз являются производные, у которых альдегидная группа восстановлена до гидроксигруппы, т. е. они являются полиолами. Название полиолов обычно происходит от названия соответствующей апьдозы с изменением окончания «оза» на «ит». Ниже в качестве примеров приведены структурные формулы D-изомеров глюцита,

маннита, рибита и ксилита.

Для глюцита используется второе название - сорбит, которое происходит от кетозы сорбозы.

§ 13.2. Окисленные и восстановленные формы моносахаридов

291

СНО

I

н — с — ОН

I

но—с—н

I

н—с -о н

I

н—с—он

СН2ОН

глюкоза

СН2ОН

н— с — ОН

но - с —н

н—с -о н

I

н—с—он сн2он

глюцит (сорбит)

соон

I

н—с—он

I

но—с—н

I

н—с -о н

I

н—с—он

СН2ОН

глюконовая

кислота

СН2ОН

НО—С—Н

Н О - С — Н

Н— С -О Н

I

н—с —он

СН2ОН

СНО	соон
I	I
н—с—он	н—с—он
н о -сI —н	н о -сI —н
I	I
Н—(j)—он	н—с -о н
н—с—он	I
	н—с—он
I	I
соон	соон
глюкуроновая	глюкаровая
кислота	кислота
СН2ОН	СН2ОН
Н— С— ОН	н—с—ОН
Н— С— ОН	но—с—н
Н— С — ОН	н—с -о н
сн2он	сн2он

маннит

рибит

ксилит

Некоторые полиолы входят в состав более сложных структур, например, рибит входит в состав флавиновых коферментов. В состав важного регулято­ ра обмена веществ 1,4,5-трифосфоинозита входит циклический полиол миои-

нозит:

ОН

Миоинозит не является сахаром, так как не содержит в своей структуре карбонильной группы. Он представлен в своей предпочтительной конформа-

292	Глава 13. Биоорганическая химия углеводов

ции кресла с экваториальными заместителями во всех положениях, кроме второго углеродного атома, у которого гидроксил занимает аксиальное по­ ложение. Миоинозит оптически неактивен в связи с наличием плоскости симметрии, проходящей через второй и пятый углеродные атомы, однако асимметрично замещенные производные миоинозита обладают оптической активностью.

Полиолы получаются при мягком восстановлении карбонильных групп соответствующих моносахаридов, например, в водном растворе при реакции с боргидридами щелочных металлов. При восстановлении кетоз образуется два диастереоизомерных полиола. Например, при восстановлении D-фрук- тозы образуются D-глюцит и D-маннит:

?Н2ОН	СН2ОН	сн2он
I	I	I
с=о	н— с - о н	но —с — н
н о - сI — н	но—Iс — н	н о - с — нI
н— с - о н	н— с - о н	н— с - о н
I	I	I
н— с —он	н— с —он	н—с — он
I	I	I
сн2он	СН2ОН	СН2ОН
D-фруктоза	D-глюцит	D-маннит
Второй тип восстановленных	моносахаридов -	дезоксимоносахариды,

в которых восстановлена одна ОН-группа. Важнейшим их представителем является дезоксирибоза, входящая в состав дезоксирибонуклеотидов и ДНК.

В состав ряда полисахаридов входят некоторые гексозы с восстановлен­ ной 6-гидроксигруппой, такие как D-хиновоза (6-дезоксиглюкоза), Ь-рамноза (6-дезоксиманноза) и L-фукоза (6-дезоксигалактоза).

НС=0	НС=0
н— сI- о н	н—сI—он
I	I
н о - с — н	н—с - о н
н— сI— он	н о - сI— н
н— сI - о н	н о - сI— н
I	I
СНз	сн.
D-хиновоза	L-рамноза

нс=о но—сI—н

I

н— с - о н н— сI- о н

но—сI—н

I

СНз

L-фукоза

§ 13.3. Другие превращения сахаров

293

Два последних в природе преимущественно встречаются в виде L- изомеров.

§ 13.3. Другие превращения сахаров

Основными реакционными центрами сахаров являются карбонильная и гидроксигруппы. В линейных моносахаридах и их фрагментах гидроксигруппы не сильно отличаются по своей реакционной способности. В цикли­ ческих моносахаридах резко выделяется по своим химическим свойствам ацетальная ОН-группа.

Одной из широко используемых реакций по ОН-группам сахаров, иг­ рающих, в частности, важную роль при установлении структуры олиго- и по­ лисахаридов, является метилирование, которое может быть легко проведено с помощью йодистого метила или диметилсульфата в присутствии основа­ ния. Аналогичным путем могут быть получены другие простые эфиры, среди которых широкое применение в химии сахаров нашли бензиловые эфиры. В § 5.1 говорилось об использовании для защиты 5’-ОН-группы п- диметокситрифенилметильной защиты при синтезе олигонуклеотидов. В хи­ мии углеводов трифенилметильная группа (Тг) нашла широкое применение для селективной защиты первичных спиртовых групп. По ОН-группам легко проходит ацилирование ангидридами карбоновых кислот и галогенангидридами с образованием соответствующих сложных эфиров.

Благодаря наличию нескольких, в том числе соседних, ОН-групп для са­ харов характерны реакции с одновременным участием двух гидроксигрупп. Одна из таких реакций уже была описана при рассмотрении реакций рибозного фрагмента рибонуклеозидов, рибонуклеотидов и олигорибонуклеотидов - окисление i/мс-диолов перйодатом с расщеплением связи С-С и образова­ нием двух альдегидных групп. Эта реакция наряду с метилированием широко используется при изучении структуры сахаров. При проведении реакции в органических растворителях в качестве окислителя используется тетрааце­ тат свинца

с-он	с—о.
+ РЬ(ОАс)4	^РЬ(ОА с)2 + 2СН3СООН

+РЬ(ОАс)2

294	Глава 13. Биоорганическая химия углеводов

Второй важной реакцией является взаимодействие диолов с карбониль­ ной группой альдегидов и кетонов с образованием циклических ацеталей или кеталей. Ее наиболее широко используют для реакции с ацетоном и бензальдегидом.

Реакция с ацетоном проводится в ацетоновом растворе в присутствии сильной кислоты (серной или фосфорной) или хлористого цинка в качестве кислоты Льюиса, что приводит к циклическому кеталю - изопропилиденовому производному соответствующего диола. Как правило, при этом образуется пятичленный 1,3-диоксолановый цикл, реже - шестичленный л<-диоксановый цикл. В качестве примера ниже приведена структура 1,2,3,5-ди-О- изопропилиден-Б-ксилозы. Изопропилиденовый фрагмент, образованный 1,2-ОН-группами, содержит 1,3-диоксолановый цикл, а образованный 3,5- ОН-группами - лг-диоксановый цикл.

Изопропилиденовый фрагмент легко подвергается кислотному гидролизу (кратковременный гидролиз в 1 %-ой минеральной кислоте или в разбавлен­ ной уксусной кислоте), и поэтому образование изопропилиденовых произ­ водных является удобной защитой при получении производных, в том числе при синтезе олигоили полисахаридов.

Вреакции с бензальдегидом образуется циклический ацеталь, обычно

сшестичленным .м-диоксановым циклом. Как и в случае реакции с ацетоном, процесс катализируется сильными кислотами и кислотами Льюиса. Обра­ зующиеся бензилиденовые производные легко гидролизуются в слабокислой среде. Поэтому бензилиденовая группа является удобной защитной группой для различных реакций полиолов, в том числе для синтеза олиго- и полиса­ харидов.

При получении циклических ацеталей и кеталей важную роль играет вза­

имное пространственное расположение ОН-групп, формирующих цикл. В реакции с ацетоном, при которой получается 1,3-диоксолановый цикл, уча­ ствуют практически только а-гликольные группы. При реакции с бензальде­ гидом, приводящей к образованию диоксанового цикла, предпочтительно реагируют гидроксигруппы в p-положении относительно друг друга.

При рассмотрении реакций по двум ОН-группам при двух соседних ато­

§ 13.3. Другие превращения сахаров

295

мах С следует помнить, что взаимное пространственное расположение этих групп не всегда правильно передается проекциями моносахаридов по Фише­ ру. В качестве примера можно привести структуру D-идозы в виде проекции по Фишеру и в виде конформации 1C (см. рис. 90).

При рассмотрении проекции по Фишеру может создаться впечатление, что ОН-группы при атомах 3С и 4С удалены один от другого, в то время как в виде 1С-конформации эти группы оптимально сближены.

Как и по любым ОН-группам, по гидроксигруппам сахаридов проходит образование сложных эфиров с неорганическими и органическими кислота­ ми. Из них в первую очередь следует сказать об эфирах с фосфорной кисло­ той, так как именно в этом виде в живой природе существуют многие моно­ сахариды. Среди них центральное значение в метаболизме имеют глюкозо-1-, глюкозо-6-, фруктозо-1-фосфаты и фруктозо-1,6-дифосфат, являющиеся про­ межуточными соединениями в окислительной деструкции гликогена, обеспе­ чивающей в итоге превращение ADP в АТР.

Ключевую роль в фиксации СОг при фотосинтезе играет рибулозо-1,5- дифосфат. Многостадийный процесс, приводящий к образованию новых мо­ лекул фруктозы, проходит с участием ряда промежуточных пентозофосфатов.

С двух- и многоосновными кислотами могут получаться циклические структуры с участием двух ОН-групп. Примером таких структур являются приведенные в § 2.1 нуклеозид-2’,3’-циклофосфаты. Образование циклов ха­ рактерно также для эфиров угольной кислоты. В качестве примера ниже при­ ведена структура дициклокарбоната D-галактозы. При образовании цикличе­ ских сложных эфиров важную роль играет взаимное расположение двух ОНгрупп, участвующих в формировании цикла.

W

С

О

В открытой форме моносахариды содержат карбонильную группу и спо­ собны к различным реакциям, характерным для этих групп: с гидроксиламином они образуют оксимы, с гидразином и его монозамещенными производ­ ными - гидразоны. Наличие рядом с карбонилом ОН-группы придает им спо­ собность образовывать бис-гидразоны, которые называются озазонами. При этом одна молекула замещенного гидразина играет роль окислителя этой ОНгруппы и восстанавливается до амина и аммиака, например:

296	Глава 13. Биоорганическая химия углеводов
СНО			HC= N - NH -P h
I			|
Н— 'С— ° н			С— N—NH- Ph
н о —с —н	+ 3 Ph-NH—МН2 —	н о —с —н
|		НО	С	Н	2
н - с - о н		н - с - о н
и __л __о н		н— С— он			NH,
Н С ° н					3
снг он			сн^-он

В циклической форме моносахариды обладают ОН-группой при атоме 'С альдоз, которая по своим свойствам существенно отличается от остальных ОН-групп. В частности, атом О цикла в результате индукционного эффекта сообщает дополнительную электронную плотность ОН-группе и облегчает реакции ее замещения. При этом образуются гликозиды соответствующих сахаров. Это большой класс как природных, так и получаемых синтетически соединений. Гликозидами являются нуклеозиды - основные компоненты нуклеиновых кислот, рассмотренные в § 1.3. Они относятся к N-гликозидам. Важнейшими представителями гликозидов являются О-гликозиды, у которых ОН-группа при аномерном атоме С замещена каким-либо гидроксилом саха­ ра, что лежит в основе соединения остатков моносахаридов в олиго- и поли­ сахаридах, рассматриваемых в следующем § 13.4.

Многочисленные применения в химии углеводов нашли гликозшгалогениды, у которых атом галогена (Br, Cl, I) связан с гликозидным атомом С. В силу высокой реакционной способности гапогенидов по отношению к нук­ леофильным, в том числе к ОН-группам на практике преимущественно при­ меняются гликозилгалогениды с полностью закрытыми (обычно с полностью ацилированными) гидроксилами. В природе гликозилгалогениды не обнару­ жены. В химии углеводов они широко используются для синтеза различных производных. Для их получения можно применять насыщенные растворы соответствующих галогеноводородов в уксусной кислоте или ее смеси с ук­ сусным ангидридом при комнатной температуре.

Гликозилгалогениды реагируют со спиртами с образованием О- алкилгликозидов. Это превращение известно как реакция Кенигса - Кнорра. Оно, в частности, нашло применение при синтезе олигосахаридов, который рассматривается в § 13.6.

§ 13.4. Олигосахариды и полисахариды

Олигосахариды получаются из моносахаридов в результате образования кислородного мостика между аномерным атомом С одного звена и одного из атомов С соседнего звена. Если это звено является конечным и его связь об­

§ 13.4. Олигосахариды и полисахариды

297

разована одним из внутренних атомов С, то на конце олигосахарида оказыва­ ется полуацетальный гидроксил, который может восстанавливать некоторые ионы металлов переменной валентности, например, Си2+ и Ag+ Такие олиго­ сахариды называют восстанавливающими. Полуацетальная группа при этом превращается в карбоксильную.

В природе из олигосахаридов в свободном виде в основном встречаются дисахариды. Два из них - мальтоза и лактоза - представляют собой О-а- глюкопиранозил-(1—►4)-0-глюкопиранозу и 0-Р-0-галактопиранозил-( 1—>4)- D-глюкопиранозу и являются восстанавливающими дисахаридами. Как видно из приведенных названий, в скобках в них указаны соединенные стрелкой номера атомов С, связанных кислородным мостиком, конфигурация аномерного центра и форма стереоизомера. Лактоза в основном встречается в моло­ ке и поэтому часто называется молочным сахаром. Ниже в качестве примера для дисахаридов представлена ее структурная формула.

Два других дисахарида, сахароза - 0-а-0-глюкопиранозил-(1—»2)-P-D- фруктофуранозид

и трегалоза - 0-а-0-глюкопиранозил-( 1—►1 )-а-0-глюкопираноза, являются невосстанавливающими дисахаридами. Сахароза - это обычный пищевой тростниковый сахар. Трегалоза входит в состав лимфы насекомых.

Для сокращенной записи формул олиго- и полисахаридов используются трехбуквенные обозначения, приведенные в табл. 18.

При использовании сокращенной записи для моносахаридов обычно симво­ лами р или/ отмечают, в какой форме - пиранозной или фуранозной - нахо­ дятся моносахаридные фрагменты. Необходимо также отразить, какую стереохимическую конфигурацию имеет фрагмент, L- или D-, и в какой конфи­ гурации, а или р, находится аномерный центр. В этой записи, например, лак­

298	Глава 13. Биоорганическая химия углеводов

тоза запишется как |}-D-Gal/?-(l—>4)-D-Glcp.

Таблица 18 Сокращенные символы для некоторых моносахаридов и их производных

Полное	Трехбукв.	Полное	Трехбукв.
название	сокращение	название	сокращение
Глюкоза	Glu	Фукоза	Fuc
Галактоза	Gal	Рамноза	Rha
Манноза	Man	Глюкозамин	GlcN
Идоза	Ido	N-ацетилглюкозамин	GlcNAc
Фруктоза	Fru	Галактозамин	GalN
Рибоза	Rib	Глюкуроновая к-та	GlcUA
Ксилоза	Xyl	Галактуроновая к-та	GalUA
Арабиноза	Ara	Нейраминовая к-та	Neu

Сложные олигосахариды, состоящие каждый из нескольких различных моносахаридов, часто с разветвленной структурой, входят в состав гликопро­ теинов, рассматриваемых в § 13.5. Синтез этих олигосахаридов проходит на мембране эндоплазматического ретикулума (ЭПР). Процесс связан с мембра­ ной ЭПР благодаря тому, что на протяжении всего синтеза строящийся оли­ госахарид ковалентно связан с гидрофобным долихолфосфатом

9 ?Н3 ?Нз ?Нз

'0-fj> -0-C H 2 -CH2 -CH-CH2 -(CH2 -CH=C-CH2 )n-CH2 -CH=C-CH3

0-

п = 9 - 22

На рис. 91 представлена схема синтеза тетрадекасахарида, который пере­ носится на остаток аспарагина гликозилируемого белка. Этот олигосахарид содержит остатки глюкозы, N-ацетилглюкозамина и маннозы. Он образуется в виде производного долихолпирофосфата, который является донором олиго­ сахарида при образовании гликопротеина (см. следующий § 13.5).

9 9	Тн> . . . . fl*

GICgMangGlcNAc

n = 9 - 22

3 UDP

3 UDP-Glc

Рис.	91. Схема синтеза		тетрадекасахарида			на мембране	эндоплазматическиго регикулума и его			перено­
са на	белок. Волнистой		чертой обозначены			остатки долихола, стрелками - стадии		транслокации доли-
холпирофосфата		(77),	его	моносахаридов		(5, 8) и промежуточного гептасахарида		(3),	присоединения
моносахаридов		(/, 2, 4,	6,	7),	транслокации	с переносом	моносахарида (Р), переноса на		белок	(10), гид­
ролиза пирофосфатной			связи		(72)

полисахариды и Олигосахариды .4.13 §

299