Фармацевтическая химия углеводов
Характеристика углеводов, природные источники и биологическая роль, номенклатура и классификация. Структура и стереохимия моносахаридов, олигосахаридов, полисахаридов; физические свойства и физико-химические методы исследования; углеводы в питании.
| Рубрика | Медицина |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 21.08.2011 |
| Размер файла | 1,4 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Пока не установлено какой-либо зависимости между температурой плавления и структурой моносахаридов. Такая зависимость подмечена только для продуктов восстановления моносахаридов -- полиолов: увеличение размера и степени симметрии молекулы ведет к повышению температуры плавления, а уменьшение числа межмолекулярных водородных связей, например за счет образования внутримолекулярных связей, -- к понижению температуры плавления.
Изучению структуры моносахаридов, находящихся в кристаллическом состоянии, посвящен ряд работ, в которых применялся метод рентге- ноструктурного анализа. Этими работами было показано, что в изученных случаях кристаллы моносахаридов состояли из молекул в пиранозной форме, имеющих наиболее устойчивую кресловидную конформацию (С1 для D-глюкозы и D-ксилозы, 1С для D-арабинозы и L-рамнозы). Таким образом, рентгеноструктурный анализ пригоден для исследования структуры, конфигурации и конформации моносахаридов в кристаллическом состоянии.
3.2 Оптическая активность
Все моносахариды являются оптически активными соединениями, и долгое время поляриметрия была единственным физическим методом, успешно применявшимся при исследовании cахаров. Этот метод и сейчас сохранил большое значение.
Мерой оптической активности вещества служит его удельное вращение [а], величина удельного вращения вещества зависит от длины световой волны; поэтому обычно применяют монохроматический источник света, чаще всего натриевую лампу, дающую свет с длиной волны 589 ммк.
Измерение удельного вращения моносахаридов и их производных является одним из наиболее простых и надежных методов контроля их чистоты, а также, как это будет видно из дальнейшего, дает ценные сведения о структуре, стереохимии и конформации вещества в растворах.
Для измерения удельного вращения пригодны любые растворители, в которых изучаемый моносахарид достаточно растворим. Обычно применяют растворы с концентрацией 0,1--1,0%, а в качестве растворителя чаще всего используют воду; для малополярных производных моносахаридов применяют также хлороформ, метанол, пиридин и т. д. Поскольку величина удельного вращения зависит от растворителя, концентрации вещества в растворе и температуры, вместе с величиной удельного вращения для данного вещества всегда приводятся данные об условиях, в которых производились измерения.
Известны многочисленные попытки связать величину оптической активности со структурой вещества. Так, Вант-Гоффом был сформулирован «принцип оптической суперпозиции», согласно которому молекулярное вращение вещества является алгебраической суммой оптических активностей всех его асимметрических атомов. Применительно к сахарам этот принцип был модифицирован Хадсоном в форме его широко известных правил -- изоротации, лактонного и амидного.
В соответствии с первым правилом «изоротации» разность молекулярных вращений; Двух аномеров для всех альдоз должна была бы быть постоянной. Однако на сампм деле это не вполне так, имеются две различные константы: большая соответствует альдозам, имеющим в своей наиболее стабильной конформации экваториальный гидроксил при С2, а меньшая -- альдозам, содержащим аксиальный гидроксил при С2. Таким образом, существенно сказывается влияние конфигурации у соседнего с аномерным центром углеродного атома.
Сходные заключения можно сделать и для метилгликозидов. И в этом случае на величину 2А не влияет ни размер цикла, ни замена гидроксильных групп метоксильными, ни изменение конфигурации у Сз или С4. Но конфигурация у С2 и здесь оказывает существенное влияние.
Согласно второму правилу изоротации, изменение заместителей у С1 оказывает незначительное влияние на величину константы 2В, т. е. сумма молекулярных вращений обеих аномерных альдоз должна быть равна сумме молекулярных вращений для соответствующих метил-, этил- и прочих алкилгликозидов, что и подтверждается экспериментальными данными.
Второе правило изоротации позволяет решить вопрос о размере цикла в данной паре аномеров. Однако известны значительные отклонения и от второго правила изоротации. Величина 2В изменяется в широких пределах для гликозидов с непредельными, ароматическими или другими сильно поляризуемыми агликонами. Так, например, это правило неприменимо к нуклеозидам.
Лактонное правило Хадсона связывает конфигурацию у С4 или С5 с вращением альдоновых кислот и их лактонов. Если лактон обладает более положительным вращением, чем исходная альдоновая кислота, то углеродный атом, участвующий в образовании лактона (С4 для г- и С5 для д-лактонов), имеет D-конфигурацию. Если же вращение лактона более отрицательно, соответствующий углеродный атом должен иметь L-конфигурацию. Лактонное правило применялось для определения конфигурации у С4 и С5 или для установления размера лактонного кольца. Однако использование этого правила может порой приводить к ошибкам, как, например, при определении конфигурации у С4 в нейраминовой кислоте.
Согласно амидному правилу Хадсона, амид альдоновой кислоты, имеющей D-конфигурацию у С2, обладает более положительным вращением, чем исходная кислота, а соответствующий амид с L-конфигурацией у С2 имеет более отрицательное вращение, чем исходная кислота.
Более детальный анализ связи строения и стереохимии моносахаридов с величиной их молекулярного вращения проведен Уиффеном. Согласно Уиффену, молекулярное вращение вещества может быть представлено суммой вращений, отвечающих всем возможным сочетаниям атомов в нем.
Подход, предложенный Уиффеном, нашел дальнейшее развитие в работах Брюстера, который разработал более общий метод расчета, позволивший ему на основании имеющихся экспериментальных данных вычислить значения молекулярного вращения для многих ациклических, циклических, насыщенных и непредельных соединений, включая терпены, стероиды, аминокислоты и т. д. Для моносахаридов Брюстер ввел несколько иную систему констант, чем у Уиффена, и частично объяснил их физический смысл. Результаты расчетов по Брюстеру совпадают с найденными экспериментально значениями молекулярного вращения так же хорошо, как и результаты, полученные по методу Уиффена. Были предложены и другие системы расчета молекулярных вращений моносахаридов, также дающие удовлетворительные результаты, но не имеющие больших практических преимуществ перед относительно простой и наглядной системой Уиффена.
Расчет величины молекулярного вращения по Уиффену или Брюстеру может оказаться чрезвычайно полезным, когда нужно сделать выбор между несколькими альтернативными структурами. Он применим также для суждения о конформации моносахарида в растворе.
Подводя итог, следует отметить, что методы, основанные на измерении удельного вращения вещества (поляриметрия и дисперсия оптического вращения), могут применяться для установления конфигурации отдельных углеродных атомов и решения некоторых структурных вопросов (например, для определения размера цикла). Существенным ограничением этих методов является наличие исключений из эмпирических правил, которые невозможно предвидеть. Однако расчетные методы Уиффена и Брюстера открывают новые перспективы для использования поляриметрии, которая выгодно отличается от других физических методов простотой измерений и доступностью необходимого оборудования. По мере дальнейшего развития техники и накопления соответствующих экспериментальных данных поляриметрия в ультрафиолетовой области спектра и метод дисперсии оптического вращения также найдут, по-видимому, более широкое применение при изучении структуры и стереохимии моносахаридов.
3.3 Инфракрасные и ультрафиолетовые спектры моносахаридов и их производных
Несмотря на то, что ИК-спектроскопии моносахаридов и их производных посвящено весьма значительное число работ, результаты, полученные с помощью этого метода, остаются достаточно скромными. Это объясняется сложностью интерпретации ИК-спектров моносахаридов и многочисленными экспериментальными трудностями, обусловленными особенностями моносахаридов.
В химии сахаров, так же как и в других областях органической химии, ИК-спектроскопию применяют прежде всего для функционального анализа соединения -- для характеристики функциональных групп и их взаимного расположения. Кроме того, с помощью ИК-спектра можно иногда получить некоторые сведения о структуре и стереохимии моносахаридной молекулы в целом. Наконец, ИК-спектроскопия может использоваться для установления идентичности или неидентичности двух образцов. Для решения каждой из этих задач приходится выбирать соответствующие экспериментальные условия.
Так как моносахариды нерастворимы в растворителях, применяемых в ИК-спектроскопии (СС14, СНС13, CS2), а использование воды в качестве растворителя требует специальной сложной техники, снятие ИК-спектров в растворе производится только для изучения замещенных производных моносахаридов. Для самих моносахаридов, а также для их производных снятие спектров обычно проводится в вазелиновом масле или в таблетках, состоящих из образца и бромида калия. Каждый из этих методов не свободен от принципиальных недостатков, а их применение связано с некоторыми техническими трудностями.
Полос поглощения, характерных для какого-то определенного моносахарида и присущих только ему, не существует. Поэтому для идентификации путем сравнения со спектром известного соединения приходится снимать ИК-спектр в широком интервале частот, обычно от 4000 до 650 см-1, причем особенно характерной является область 1250--650 слг1, так называемая область «отпечатков пальцев» (fingerprint).
Надо особо подчеркнуть, что оба образца -- исследуемый и заведомо известный -- должны быть приготовлены одним и тем же методом, а сравниваемые соединения должны находиться в одном и том же агрегатном состоянии. Известно несколько примеров, когда в ИК-спектрах моносахарида, снятых в аморфном и кристаллическом состоянии, отдельные полосы оказывались смещенными друг относительно друга, причем смещение достигало 20 см-1. Нужно также учитывать возможность образования полиморфных модификаций и кристаллосольватов с различным количеством связанного растворителя, что очень характерно для углеводов.
Хотя применение ИК-спектроскопии в химии моносахаридов и дало некоторые важные результаты, область применения этого метода остается довольно ограниченной. Наиболее плодотворным оказалось исследование с помощью ИК-спектроскопии внутримолекулярных водородных связей, но их обнаружение возможно только в соединениях, достаточно хорошо растворимых в четыреххлористом углероде, что исключает распространение метода на свободные моносахариды. Определение размера цикла надежнее проводить другими методами, например при помощи масс-спектрометрии. Для определения конфигурации у С1 в ряде случаев более удобна поляриметрия или ЯМР-спектроскопия.
Моносахариды и большая часть их производных не содержат хромофоров, поглощающих в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, поэтому УФ-спектроскопия находит в химии моносахаридов весьма ограниченное применение для решения некоторых частных вопросов, например для исследования строения и таутомерии фенилгидразонов сахаров.
3.4 ЯМР-спектры моносахаридов и их производных
При исследовании моносахаридов ЯМР-спектроскопия, без сомнения, является наиболее мощным из доступных в настоящее время физико-химических методов, этот метод может оказаться весьма ценным для установления конфигурации и конформации моносахаридов.
Информация о структуре и стереохимии вещества из ЯМР-спектра может быть получена путем рассмотрения интенсивности сигнала, его относительного положения в спектре, называемого химическим сдвигом, и анализа спин-спинового взаимодействия, но чаще всего из комбинации всех этих характеристик.
ЯМР-Спектры высокого разрешения позволяют, в принципе, получить сведения о месте и пространственном расположении всех водородных атомов в молекуле и способны отражать весьма тонкие различия между этими атомами. Это делает применение ЯМР-спектроскопии особенно плодотворным в случае углеводов, для которых так характерно наличие разнообразных типов С--Н-связей, различающихся чаще всего лишь ориентацией в пространстве или очень небольшими изменениями в химическом окружении.
ЯМР-Спектры могут быть получены для самих моносахаридов и для их разнообразных производных.
ЯМР-спектроскопия обладает целым рядом преимуществ при исследовании Сахаров: применение метода не ограничено растворимостью изучаемых соединений; он дает точную информацию о функциональном составе, строении, конфигурации и конформации изучаемых веществ. Трактовка спектра относительно проста. В настоящее время имеется уже множество работ, посвященных применению ЯМР-спектроскопии для исследования сахаров. Надо полагать, что ЯМР-спектроскопия сахаров будет развиваться дальше и по мере усовершенствования приборов найдет еще более широкое применение.
3.5 Масс-спектры моносахаридов и их производных
Масс-спектрометрический метод принципиально отличается от Других физико-химических методов. ЯМР-, ИК- или УФ-спектроскопия основаны на анализе такого поглощения энергии внешнего электромагнитного поля веществом, которое вызывает переход молекулы на более высокие энергетические уровни, но не ведет к разрыву ковалентных связей. Однако в масс-спектрометрии применяются воздействия (ускоренные электроны с энергией 20--70 эв, УФ-свет), вызывающие ионизацию молекулы с потерей одного из электронов и ее дальнейший распад, сопровождающийся разрывом ковалентных связей. Следовательно, масс-спектрометрия основана на изучении химических изменений вещества и с этой точки зрения близка к обычным деструктивным методам органической химии.
В масс-спектрометре происходит разделение ионизированных молекул и возникающих из них заряженных осколков по их массам. Масс-спектр вещества представляет собой ряд пиков, каждый из которых соответствует ионам с данным отношением массы к заряду (т/е), причем последний обычно равен единице. Поэтому величина т/е чаще всего равна массе данного иона. Интенсивность пика зависит, в первую очередь, от стабильности соответствующего ему иона, а последняя определяется законами, хорошо известными из органической химии. Анализируя масс-спектр, можно получить ценные сведения о структуре исследуемой молекулы.
Имеются два серьезных ограничения в применении масс-спектрометрического метода. Во-первых, для получения масс-спектра вещества необходимо, чтобы оно обладало некоторой минимальной летучестью. Современные масс-спектрометры устроены таким образом, что для измерения масс-спектра нужно перевести образец вещества в парообразное состояние. Хотя описаны масс-спектры столь сильнополярных и малолетучих веществ, как метилгликозиды, обычно предпочитают работать с производными Сахаров, в которых для увеличения летучести большая часть гидроксильных групп заменена на ацетокси- или метоксигруппы. Необходимость работы с летучими производными является самым важным техническим ограничением метода.
Имеются два серьезных ограничения в применении масс-спектрометрического метода. Во-первых, для получения масс-спектра вещества необходимо, чтобы оно обладало некоторой минимальной летучестью. Современные масс-спектрометры устроены таким образом, что для измерения масс-спектра нужно перевести образец вещества в парообразное состояние. Хотя описаны масс-спектры столь сильнополярных и малолетучих веществ, как метилгликозиды, обычно предпочитают работать с производными сахаров, в которых для увеличения летучести большая часть гидроксильных групп заменена на ацетокси- или метоксигруппы. Необходимость работы с летучими производными является самым важным техническим ограничением метода.
Другое, уже принципиальное ограничение применения масс-спектрометрии связано с относительно низкой чувствительностью этого метода к стереохимическим особенностям: обычно масс-спектры стереоизомерных сахаров практически одинаковы, хотя иногда имеются некоторые небольшие различия в интенсквностях отдельных пиков. Анализ масс-спектра -- сложная задача и состоит в выяснении структур получающихся фрагментов и возможных путей их образования, знание которых дает возможность воссоздать строение исходной молекулы или ее частей.
Общих закономерностей распада для всех изученных производных моносахаридов не существует. Для каждой группы имеются свои характерные особенности, и даже внутри группы механизм распада определяется природой заместителей, связанных с кислородными атомами, а также другими деталями структуры.
По характеру распада производные моносахаридов можно разделить на три большие группы: ациклические производные, моноциклические производные и производные, содержащие несколько циклов. Наиболее просто протекает распад ациклических производных.
Так, в масс-спектре пентаацетата арабита есть четыре фрагмента, отвечающие всем принципиально возможным первичным разрывам углеродной цепи.
Другие фрагменты возникают за счет отщепления молекулы кетена (т/е=42) или молекулы уксусной кислоты (т/е=60) от указанных выше четырех первичных фрагментов. Более сложно протекает распад ациклических производных, имеющих функциональные группы, например ацетатов аль-форм, тиоацеталей или их ацетатов; в этом случае разрывы происходят по соседству с функциональной группой.
Распад циклических производных сахаров -- пираноз или фураноз -- начинается с разрыва связей, находящихся поблизости от гликозидного центра, причем распад ацетатов существенно отличается от распада метиловых эфиров, а фрагментация фураноз от фрагментации пираноз. Для фураноз очень характерен разрыв связи С4 -- С5. Аналогичный разрыв связи С5 -- С6 в гексопиранозах происходит в гораздо меньшей степени.
Хотя использование масс-спектрометрии для установления строения частично метилированных моносахаридов и является очень важным, область применения масс-спектрометрического метода этим не ограничивается. Есть немало примеров использования масспектрометрии для определения структуры моносахаридов. Метод бурно развивается, и, без сомнения, в ближайшем будущем будут найдены новые области для его дальнейшего применения.
углевод моносахарид олигосахарид полисахарид
Глава 4. Олигосахариды
4.1 Строение олигосахаридов
Класс олигосахаридов составляет промежуточную между моносахаридами и полисахаридами группу углеводов, которые еще сохраняют многие свойства мономерных сахаров и в то же время обладают рядом особенностей, характерных для полисахаридов. Хотя эти соединения по своей структуре и свойствам вплотную примыкают к упомянутым выше двум большим классам природных сахаров, они имеют немаловажное самостоятельное значение.
К олиго- и полисахаридам относятся соединения, молекулы которых построены из остатков моносахаридов, соединенных О-гликозидными связями. Разграничение олигосахаридов и полисахаридов не может быть сделано строго, поскольку природные углеводы представлены почти непрерывным рядом соединений от моносахаридов до высших полисахаридов. Однако с методической точки зрения целесообразно считать олигосахаридами соединения, содержащие до 8 -- 10 моносахаридных звеньев, а к полисахаридам относить более высокомолекулярные сахара. Внутри класса олигосахаридов различают в зависимости от числа моносахаридных звеньев дисахариды, трисахариды, тетрасахариды и т. д. Олигосахаридами в принятой выше несколько условной классификации можно считать соединения, при изучении которых могут быть применены обычные логические подходы и методические приемы органической химии. Так, олигосахариды, как правило, можно выделить в индивидуальном состоянии и для них возможно установление однозначной структурной формулы, в том смысле, как это принято в органической химии. Для полисахаридов, напротив, понятие индивидуального вещества заменяется понятием смеси полимергомологов с однотипной структурой макромолекул. Поэтому и структурные формулы полисахаридов носят несколько условный характер, отвечающий условности соответствующего понятия в химии высокомолекулярных соединений. Отсюда вытекает и ряд различий в методах исследования обоих классов углеводов: для олигосахаридов характерны методы классической органической химии, для полисахаридов -- методы химии высокомолекулярных соединений.
В молекуле олигосахарида, в котором все гликозидные связи образованы полуацетальным гидроксилом одного моносахарида и спиртовым гидроксилом другого, в конце цепи остается один незамещенный полуацетальный гидроксил. Такие олигосахариды, обладающие рядом характерных свойств карбонильных соединений, носят название восстанавливающих (редуцирующих) олигосахаридов. Примерами восстанавливающих олигосахаридов могут служить лактоза I и мальтотриоза II:
Олигосахариды, в которых один из гликозильных остатков связан гликозидной связью с полуацетальным гидроксилом другого моносахарида, не содержат ни одного свободного полуацетального гидроксила. Такие соединения не проявляют характерных альдегидных реакций и называются невосстанавливающими (нередуцирующими) олигосахаридами. Типичными представителями невосстанавливающих олигосахаридов являются сахароза III, трегалоза IV и мелецитоза V:
Олигосахариды, в которых к спиртовым гидроксилам каждого моно- сахаридного звена присоединено не более одного гликозильного остатка, называются неразветвленными; в разветвленных олигосахаридах содержатся моносахаридные звенья, несущие более одного гликозильного остатка на спиртовых гидроксилах. Такие звенья называются точками разветвления олигосахаридной цепи.
Соединения II и V могут служить примерами неразветвленных олигосахаридов, а трисахарид солатриоза VI и тетрасахариды ликотетраоза VII и бифуркоза VIII -- примерами разветвленных олигосахаридов.
Моносахариды, находящиеся на концах олигосахаридных цепей, называются концевыми (терминальными). В восстанавливающих олигосахаридах отличают восстанавливающий конец, или восстанавливающее звено, содержащее свободный полуацетальный гидроксил, от прочих концевых звеньев, которые часто называют просто концевыми моносахаридами. Так, в формуле VII остатки, отмеченные цифрами 1 и 2, являются концевыми, цифрой 3 обозначено звено, являющееся точкой разветвления, а цифрой 4 -- восстанавливающее звено. Олигосахариды, построенные из остатков одного моносахарида, называют гомоолигосахаридами, в отличие от гетероолигосахаридов, в состав которых входят остатки различных моносахаридов. Так, например, мальтотриоза II является гомотрисахаридом в то время, как бифуркоза VIII представляет собой гетеротетрасахарид.
4.2 Номенклатура олигосахаридов
Существует две системы номенклатуры олигосахаридов. Первая из них аналогична номенклатуре О-замещенных производных моносахаридов, причем корневым словом в названии является наименование восстанавливающего звена, а вся остальная олигосахаридная цепь рассматривается как заместитель при этом моносахариде. Так, например, лактоза I по этой системе должна быть названа 4-O-(в-D-галактопиранозил)-D-глюкозой, мальтотриоза II -- 4-O-[4-O-(б-D-глюкопиранозил)-б-D-глюкопиранозил]-D-глюкозой, а ликотетраоза VII -- 4-O-[2-O-(в-D-глюкопиранозил)-3-O-(в-D-ксилопиранозил)-в-D-глюкопир-анозил]-D-глюкозой. Невосстанавливающие олигосахариды называют аналогичным образом, с той разницей, что корневым словом служит наименование двух моносахаридных остатков, связанных гликозидной связью через полуацетальные гидроксилы; один из этих моносахаридных остатков входит в название с суффиксом «ил», а другой с суффиксом «ид». Так, например, бифуркоза VIII по такой номенклатуре называется 1,6-бис-O-(в-D-фруктофуранозил)-в-D-фруктофуранозил-б-D-глюкопиракозид.
Другая система номенклатуры, удобная главным образом для неразветвленных олигосахаридов, предусматривает написание названий гликозильных остатков подряд, начиная с невосстанавливающего конца. Между ними в скобках помещают цифры, указывающие номера гидроксильных групп, связанных гликозидной связью. Эти цифры соединяют стрелкой, направленной от полуацетального гидроксила к спиртовому. Корневым словом при этом служит название восстанавливающего звена. По этой системе мальтотриозу II называют б-D-глюкопиранозил-(1>4)-б-D-глюкопиранозил-(1>4)-D-глюкозой.
Иногда встречаются также названия олигосахаридов, в которых использованы элементы обеих систем номенклатуры. Кроме того, многие олигосахариды имеют тривиальные названия.
4.3 Природные источники олигосахаридов
В свободном состоянии олигосахариды наиболее широко представлены в растительном мире, где они, по-видимому, в первую очередь играют роль резервных углеводов. Характерными и наиболее распространенными представителями растительных олигосахаридов являются олигосахариды группы сахарозы: мелецитоза V, бифуркоза VIII, раффиноза IX, генцианоза X, стахиоза XI и др.
В основе молекул этих соединений лежит фрагмент сахарозы, спиртовые гидроксилы которой замещены остатками других моносахаридов, чаще всего D-фруктозы, D-глюкозы и D-галактозы. По-видимому, эти олигосахариды тесно связаны биогенетически с некоторыми классами растительных полисахаридов, например с фруктанами, так как углеводные цепи последних также часто оканчиваются фрагментом сахарозы. К группе олигомергомологов сахарозы примыкают некоторые важные дисахариды, образующиеся при частичном гидролизе этих олигомеров. К ним относятся генциобиоза XII, получаемая при гидролизе генцианозы и ряда природных гликозидов, мелибиоза XIII (из раффинозы), тураноза XIV (из мелецитозы) и некоторые другие. Большинство из них найдено также в растениях в свободном состоянии.
В женском и коровьем молоке кроме широко известной лактозы X найдена группа родственных олигосахаридов, содержащих остаток лактозы. В состав этих соединений обычно входят D-глюкоза, D-галактоза, N-ацетил-D-глюкозамин и L-фукоза. Некоторые олигосахариды этой группы содержат также остаток D-мaннoзы и D-нейраминовой кислоты. Одним из наиболее сложных представителей этой группы, строение которого установлено полностью, является лакто-N-дифукогексаоза II (XV), выделенная из женского молока:
развития млекопитающих, так как участвуют в формировании кишечной флоры новорожденных, необходимой для нормального пищеварения.
Помимо этих двух ясно очерченных групп природных олигосахаридов из живых организмов выделен и ряд других представителей этого класса, которые в настоящее время не удается объединить в какие-либо характерные группы по химическим или биогенетическим признакам.
Важнейшим источником олигосахаридов являются продукты частичного гидролиза полисахаридов, состоящего в расщеплении полисахаридов на олигомерные фрагменты. Установление строения этих фрагментов дает важную информацию о структуре исходного полимера. При расщеплении регулярных гомополисахаридов получают набор олигомергомологов с повторяющейся структурой моносахаридного звена. Продукты частичного гидролиза важнейших неразветвленных полисахаридов образуют семейства неразветвленных гомоолигосахаридов (декстринов). Эти соединения сыграли большую роль в развитии химии олигосахаридов, так как их регулярное строение и доступность достаточно полных наборов олигомергомологов позволили проследить закономерности изменения многих физических и химических свойств олигосахаридов в зависимости от степени полимеризации. Наиболее важными группами таких олигосахаридов являются олигомергомологи мальтозы (мальтодекстрины XVI, целлобиозы (целлодекстрины XVII), ламинаридекстрины XVIII, ксилодекстрины XIX, маннодекстрины XX, инулодекстрины XXI и др. Названия этих групп олигосахаридов обычно производят от названия исходного полисахарида (ламииаридекстрииы -- от ламинарина, инулодекстрины -- от инулина и т. д.)
Характерно, что низшие представители большинства перечисленных групп олигомергомологов найдены в природе в свободном состоянии.
При частичном гидролизе разветвленных полисахаридов и гетерополисахаридов, как правило, образуются сложные смеси олигосахаридов, весьма разнообразных по структуре и молекулярному весу. Из таких гидролизатов выделено большинство известных в настоящее время олигосахаридов. Несомненно, что и в дальнейшем частичный гидролиз сложных полисахаридов будет служить неисчерпаемым источником новых олигосахаридов. Закономерности строения получаемых этим путем олигосахаридов тесно связаны со строением исходных полисахаридов, определяющим предпочтительные места расщепления полисахаридной цепи. В качестве примера приведем здесь только весьма характерную группу таких соединений, как альдобиоуроновые кислоты. Гликуроиозидные связи значительно более устойчивы к кислотному гидролизу, чем гликозидные связи нейтральных альдоз. Поэтому при исследовании полисахаридов, содержащих уроновые кислоты, удается подобрать условия, при которых происходит гидролиз всех гликозидных связей, кроме гликуронозидных. Продуктами такого гидролиза наряду с моносахаридами оказываются дисахариды, на невосстанавливающем конце которых находятся остатки уроновых кислот (альдобиоуроновые кислоты).
Помимо выделения из природного материала и частичного гидролиза полисахаридов олигосахариды получают также путем ферментативного или микробиологического синтеза. Наиболее интересными и своеобразными представителями этой группы являются так называемые декстрины Шардингера, которые образуются при гидролизе крахмала ферментами, продуцируемыми микроорганизмами Bacillus macerans. Это циклические олигосахариды, имеющие общую формулу XXIV:
Таким образом, большинство известных в настоящее время олигосахаридов имеет, прямо или косвенно, природное происхождение. Химический синтез олигосахаридов как источник новых соединений этого класса играет пока подчиненную роль.
4.4 Свойства олигосахаридов
Физические свойства. Большинство олигосахаридов растворимо в воде, мало растворимо в низших спиртах и практически нерастворимо в других обычных растворителях, за исключением диметилформамида, формамида и диметилсульфоксида. При повышенных температурах низшие олигосахариды растворимы в уксусной кислоте и пиридине. Некоторые высшие неразветвленные регулярные олигосахариды типа целлодекстринов с трудом растворяются в воде, причем с ростом молекулярного веса их растворимость быстро падает.
Олигосахариды представляют собой твердые вещества или некристаллизующиеся сиропы. Получение восстанавливающих олигосахаридов в кристаллическом состоянии часто является трудной задачей, поскольку в растворе эти соединения представляют равновесную смесь таутомеров. Излюбленными растворителями для кристаллизации олигосахаридов являются вода, низшие спирты и уксусная кислота. Последний растворитель особенно эффективен для низших восстанавливающих олигосахаридов, поскольку в среде уксусной кислоты мутаротационное равновесие устанавливается быстро, что сильно ускоряет и облегчает кристаллизацию. Так же как и моносахариды, восстанавливающие олигосахариды обычно кристаллизуются в виде одного определенного аномера.
Как аморфные, так и кристаллические олигосахариды нередко плавятся в некотором интервале температур и, как правило, с разложением.
Химические свойства и производные. Наиболее важные реакции олигосахаридов, такие как гидролиз, алкилирование, отношение к специфическим окислителям и восстановителям или к ферментам, изучаются и используются в процессе установления строения этих соединений и их синтеза. Эти вопросы освещаются в двух последующих главах, поэтому здесь мы остановимся лишь на самой общей характеристике химического поведения олигосахаридов.
Химическое поведение олигосахаридов складывается из свойств восстанавливающего звена (если оно имеется), содержащего заместители в определенных положениях, и свойств соответствующих гликозильных остатков, связанных гликозидными связями. Поведение последних в общем сходно с соответствующими низшими алкилгликозидами. Наиболее характерной реакцией, свойственной всем олигосахаридам, является их кислотный гидролиз, в результате которого происходит расщепление гли- козидных связей и образование моносахаридов. В целом механизм этой реакции и ее закономерности аналогичны гидролизу О-алкилгликозидов. Тонкие различия в скоростях гидролиза различных типов гликозидных связей в олигосахаридах имеют большое значение для установления строения этих соединений.
Восстанавливающие олигосахариды проявляют характерные реакции карбонильной функции в такой же степени, как это свойственно соответствующим моносахаридам: они мутаротируют в растворах, окисляются до альдоновых кислот и восстанавливаются до полиолов, образуют озазоны и другие типичные производные по карбонильной группе; их производным по гликозидному центру свойственна стереоизомерия, характерная для аналогичных производных моносахаридов и т. д. Однако наличие гликозидной связи в молекуле восстанавливающих олигосахаридов накладывает определенные ограничения на возможность проведения некоторых реакций этих соединений. Так, прямой синтез меркапталей олигосахаридов сопряжен с значительными трудностями, поскольку эта реакция протекает в сильнокислых средах, вызывающих расщепление гликозидных связей. Аналогичные осложнения возникают при синтезе гликозидов по Фишеру из восстанавливающих олигосахаридов, хотя производные фуранозных форм восстанавливающих олигосахаридов таким путем удается получить.
Существенные различия в поведении восстанавливающих олигосахаридов и соответствующих моносахаридов проявляются в тех случаях, когда заместитель (олигосахаридная цепь) при восстанавливающем звене олигосахарида препятствует образованию той или иной циклической формы вссстанавливающего звена. Так, например, лактоза I или целлобиоза XXV не могут давать производных с фуранозной формой глюкозы, в то время как в леукозе XXVI и ее производных остаток фруктозы может находиться только в пиранозной форме, в общем мало характерной для этого моносахарида.
Химический облик невосстанавливающих олигосахаридов складывается из поведения соответствующих гликозильных остатков и в целом не обладает какими-либо специфическими особенностями, за исключением способности к гидролизу.
Для олигосахаридов были синтезированы основные типы производных, характерных для моносахаридов, хотя в целом число этих производных довольно ограничено. Это главным образом полные ацетаты, ацетогалогенозы, метил- и бензилгликозиды и их полные ацетаты. Для многих восстанавливающих олигосахаридов получены озазоны и другие производные, обычно применяемые для идентификации сахаров, а также продукты окисления и восстановления альдегидной функции. Особую группу составляют производные, образующиеся при химическом синтезе олигосахаридов. Такие соединения часто характеризуются весьма своеобразной комбинацией защищающих групп, которая не может быть получена каким-либо иным путем.
Относительно малая изученность производных олигосахаридов объясняется как малой доступностью большинства соединений этого класса, так и тем, что в этом разделе химии углеводов синтетические исследования играют лишь подчиненную роль.
Глава 5. Полисахариды
5.1 Номенклатура и классификация
Полисахаридами называются высокомолекулярные продукты поликонденсации моносахаридов, связанных друг с другом гликозидными связями и образующих линейные или разветвленные цепи. Молекулярный вес полисахаридов относительно высок и может быть измерен существующими методами лишь с известной степенью приближения; это отличает полисахариды от олигосахаридов, степень полимеризации которых может быть точно определена классическими химическими и физико-химическими методами.
Теоретически возможное количество разнообразных полисахаридов необычайно велико: каждый моносахарид, входящий в состав полимерной молекулы, может находиться в пиранозной или фуранозной форме, может быть присоединен к любой из свободных гидроксильных групп следующего моносахаридного остатка б- или в-гликозидной связью и сам может нести один или несколько моносахаридных заместителей. Правда, молекулы природных полисахаридов не содержат хаотического набора всевозможных связей и обычно построены по определенному плану, что объясняется особенностями биосинтеза полисахаридов. В то же время однотипно построенные молекулы химически однородного полисахарида, как правило, отличаются величиной, так что выделяемые в настоящее время индивидуальные полисахариды являются смесями полимергомологов.
Полисахариды могут состоять из одного или нескольких типов моносахаридов, и в зависимости от этого различают гомо- и гетерополисахариды. По-видимому, даже самые сложные полисахариды редко содержат больше пяти -- шести различных моносахаридов. К самым распространенным из них относятся гексозы -- глюкоза, галактоза, манноза, пентозы -- арабиноза, ксилоза. Кетозы в полисахаридах встречаются значительно реже альдоз. Широко распространены 6-дезоксигексозы -- рамноза, фукоза, 2-аминосахара -- глюкозамин, галактозамин, а также уроновые кислоты и нейраминовая кислота. Кроме того, многие полисахариды содержат заместители неуглеводной природы -- остатки серной или фосфорной кислот, органических кислот, обычно уксусной. Смешанные биополимеры кроме углеводной части содержат белковую или липидную компоненты.
Сложность строения полисахаридов и многообразие известных структур не позволяют создать для них систематическую химическую номенклатуру. Первые названия полисахаридов были произведены от источника выделения или в связи с каким-либо характерным свойством полученного вещества. Таковы прочно укоренившиеся названия наиболее широко распространенных полисахаридов: целлюлоза, крахмал, амилоза, амилопектин, гликоген, инулин, пектин, хитин, гепарин, хондроитин или термины, обозначающие целые классы этих соединений, например - гемицеллюлозы (полисахариды, сопутствующие целлюлозе в клеточной стенке растений), полиурониды (полисахариды с преобладанием уроновых кислот в молекуле), мукополисахариды (полисахариды, содержащие аминосахара) и т. д.
Впоследствии было предложено обозначать полисахариды, заменяя суффикс «оза» в названии соответствующих моносахаридов на «ан» (но не «озан», который обозначает ангидриды сахаров). Таким образом, термины «полисахарид» и «гликан» являются синонимами. В основу номенклатуры положен моносахаридный состав полисахаридов. Так, различают гомо- и гетерогликаны, причем D-глюкан -- это полимер, построенный только из остатков D-глюкозы, D-галактo-D-манногликан -- полисахарид (дигликан), содержащий остатки D-галактозы и D-маннозы, и т. д. Дальнейшая детализация номенклатуры возможна, если более подробно исследовано строение полисахаридов, например различают линейные и разветвленные гомогликаны, б- и в-глюканы и т. д.
Для описания большого количества известных в настоящее время полисахаридов необходимо выбрать ту или иную систему классификации. Поскольку строгая классификация по химическому строению или по биологической роли из-за отсутствия для многих полисахаридов исчерпывающих данных невозможна, чаще всего классифицируют полисахариды по источникам выделения, несмотря на то, что один и тот же полисахарид может быть получен из совершенно разных источников. Такая классификация позволяет разделить природные полисахариды на три большие группы: фитополисахариды, полисахариды микроорганизмов и зоополисахариды, внутри которых дальнейшее подразделение проводят частично по источникам выделения, а частично по химическому строению полисахаридов.
5.2 Полисахариды в природе
Полисахариды составляют основную массу органического вещества на Земле. Большая часть сухого веса высших наземных растений и водорослей приходится на полисахариды; несколько меньшее, хотя и очень значительное количество полисахаридов выполняет скелетные функции, обеспечивая жесткость клеток или их агрегатов. К таким полисахаридам относятся целлюлоза и хитин -- два наиболее распространенных в природе органических вещества. Целлюлоза является основным структурным материалом растений, хотя синтезировать ее способны также некоторые бактерии и беспозвоночные. Хитин служит главным компонентом скелета членистоногих, а также входит в состав клеточных стенок грибов. В построении растительных клеточных стенок принимает участие и ряд других полисахаридов: маннаны грибов, гемицеллюлозы и пектиновые вещества высших растений. Морские водоросли значительно отличаются от наземных растений полисахаридным составом клеточных стенок, что, несомненно, связано со специфическими условиями их обитания. Характерными компонентами морских водорослей являются полисахариды, этерифицированные серной кислотой, -- агар, каррагинин, фукан, галактаны и ряд более сложных сульфатов гетерополисахаридов. В организме позвоночных опорные функции выполняют хондроитинсульфаты и родственные мукополисахариды соединительной ткани. Клеточные стенки бактерий построены из сложных гликопротеинов.
Другой важнейшей функцией полисахаридов является использование их живыми клетками в, качестве энергетических запасов, при необходимости легко превращаемых в моносахариды, служащие непосредственным источником энергии. К запасным питательным веществам относятся крахмалоподобные полисахариды -- амилоза и амилопектин, составляющие крахмал высших растений, и гликоген животных и ряда низших растений. Несколько менее распространены фруктаны, синтезируемые высшими растениями и бактериями. Запасными веществами морских водорослей являются кроме крахмалоподобных полисахаридов ламинарин и, возможно, маннан. Принято считать, что слизи, содержащиеся в семенах высших растений, также являются энергетическим резервом.
К сожалению, биологическая роль большинства полисахаридов до настоящего времени не установлена. Хотя образование камедей связывают обычно с повреждением растительной ткани, детальное выяснение функции камедей и слизей в растениях является еще делом будущего. Внеклеточные (капсулярные) полисахариды бактерий, по-видимому, защищают клетки от неблагоприятных внешних воздействий; известно, что некапсулированные формы бактерий значительно легче подвергаются фагоцитозу. Мукополисахариды животных не только образуют стенки клеток или соединяют клетки друг с другом, они теснейшим образом связаны со всеми видами движения частей тела, где они служат «смазочным материалом». Таковы функции мукоидов плазмы крови, мочи, синовиальной жидкости, муцинов пищеварительного тракта и т. д.
Гликопротеины весьма сложного строения, так называемые групповые вещества крови, содержатся в оболочках эритроцитов, а также в других клетках и секреторных жидкостях организмов и определяют их групповую принадлежность. Гликопротеины в организме животных непосредственно связаны с явлениями оплодотворения, иммунитета, тканевой специфичности. Есть все основания предполагать участие гликопротеинов в образовании клеточных мембран. Ряд патологических состояний сопровождается изменением содержания или свойств гликопротеинов .
В последнее время все в большем количестве белков, в том числе ферментов, находят углеводные компоненты. Все это объясняет огромный интерес, проявляемый химиками и биохимиками к этим сложнейшим биополимерам.
5.3 Свойства полисахаридов
Молекулярные веса природных полисахаридов находятся в интервале от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Макромолекулярный характер этих соединений накладывает весьма существенный отпечаток на их физические и химические свойства.
Благодаря большой величине молекул и гибкости молекулярных цепей растворы полимеров по своим свойствам резко отличаются от растворов низкомолекулярных соединений. В общем случае молекулу растворенного полимера можно представить как беспорядочно свернутый рыхлый клубок, связывающий большое количество растворителя. Объем такого клубка может во много раз превышать собственный объем макромолекулы. Поэтому уже в относительно разбавленных растворах полимеров молекулы находятся в радиусе взаимодействия друг с другом, что влечет за собой большие отклонения от свойств идеальных растворов, высокие значения вязкости и т. д.
Растворимость полисахаридов определяется химической природой их молекул, высокополярных из-за большого количества свободных гидроксильных групп. Этим объясняется тот факт, что полисахариды, как правило, растворимы в воде, значительно хуже растворяются в диметилсульфоксиде, формамиде, диметилформамиде и практически нерастворимы даже в метаноле и этаноле, не говоря о менее полярных органических растворителях.
Для полисахаридов самым распространенным типом межмолекулярного взаимодействия является образование межмолекулярных водородных связей, и в этом случае огромное влияние на свойства полисахаридов оказывает степень упорядоченности их строения. Так, целлюлоза и хитин, обладающие стереорегулярной структурой и линейной конформацией молекул, нерастворимы в воде и лишь слабо набухают в ней, так как энергия межмолекулярного взаимодействия для этих соединений значительно превосходит энергию гидратации. Даже целлодекстрины сравнительно низкого молекулярного веса плохо растворимы в воде, тогда как полисахариды разветвленного строения, не имеющие квазикристаллической структуры, обычно легко растворяются при молекулярных весах порядка нескольких миллионов. Ассоциация полисахаридов в растворах также чаще всего обусловлена межмолекулярными водородными связями; иногда она происходит во времени и приводит к структурированию и образованию нерастворимых форм, которые выпадают из раствора в осадок. Это явление называется ретроградацией растворов.
На растворимость полисахаридов сильное влияние оказывают неорганические соли, рН среды и т. д. Соли, присутствующие в растворе, часто вызывают разрушение водородных связей и повышение растворимости полисахаридов; высокие концентрации солей, напротив, уменьшают гидратацию полисахаридных молекул и приводят к выпадению полисахаридов из растворов. Для полисахаридов, являющихся полиэлектролитами (полиуроновые кислоты, сульфаты полисахаридов), имеются дополнительные возможности межмолекулярного взаимодействия за счет электростатических сил; этим объясняется» по-видимому, нерастворимость в воде их солей с многовалентными катионами. Аналогичную межмолекулярную сшивку в случае нейтральных полисахаридов могут вызывать комплексообразователи, например ионы двухвалентной меди. В кислой среде такие соли и комплексы разрушаются и полисахариды переходят в раствор. В общем случае, однако, полисахариды лучше растворяются в щелочной, чем в нейтральной или кислой среде, поскольку действие щелочи сводится к частичной ионизации и, как следствие, к лучшей гидратации молекул полисахаридов.
Аналогичные представления о межмолекулярных взаимодействиях помогают объяснить механические свойства как самих полисахаридов (склонность к образованию пленок или нитей, их прочность), так и их растворов (вязкость, склонность к образованию гелей).
Как правило, полисахариды могут быть получены в твердом состоянии в виде аморфных порошков. Единственная физическая константа, применяемая в повседневной практике для характеристики полисахаридов, -- это удельное вращение плоскости поляризации растворами полисахаридов, определение которого в ряде случаев позволяет сделать важные выводы о стереохимии гликозидных связей в полисахариде.
Макромолекулярный характер полисахаридов оказывает сильное влияние и на их химические свойства. Хотя в общем случае молекулы полисахаридов содержат одну концевую альдегидную группу, «удельный вес» этой функции в полимерной молекуле очень мал, и восстанавливающие свойства удается обнаружить только у полисахаридов со сравнительно низким молекулярным весом.
Гликозидные связи, соединяющие моносахаридные звенья друг с другом, чувствительны к действию кислот, поэтому обработка полисахаридов кислотами вызывает их деполимеризацию. Основной функциональной группировкой полисахаридов является гидроксильная группа, и превращения этой группы -- в первую очередь, получение простых и сложных эфиров и окисление -- играют очень большую роль и при установлении строения, и в практическом использовании полисахаридов. Интересно отметить, насколько резко отличаются простые и сложные эфиры полисахаридов от свободных полисахаридов по физическим свойствам. Эти эфиры плохо растворимы в воде, легко растворяются в органических растворителях, причем в производных такого типа отсутствует сильное межмолекулярное взаимодействие, так как нет возможностей для образования водородных связей. Другие функциональные группы, встречающиеся в полисахаридах, также могут участвовать в обычных превращениях. Так, карбоксильные группы уроновых кислот могут быть этерифицированы, восстановлены, аминогруппы аминосахаров -- ацилированы и т. д. Общими особенностями реакций полисахаридов, связанными с их полимерным характером, являются трудность достижения полноты реакции по всем функциональным группам макромолекулы, и трудность проведения избирательных реакций, если только реагирующие группы не отличаются очень сильно по реакционной способности.
Глава 6. Идентификация, анализ чистоты и количественное определение препаратов углеводов
6.1 Определение подлинности
Подлинность глюкозы и лактозы устанавливают, нагревая до кипения растворы препаратов с реактивом Фелинга. При этом глюкоза образует кирпично-красный осадок оксида меди (I). Лактоза в тех же условиях дает желтый осадок, переходящий в буровато-красный. При действии на глюкозу, сахарозу и лактозу аммиачным раствором нитрата серебра выделяется черный осадок серебра. Сахароза в отличие от глюкозы и лактозы не восстанавливает реактив Фелинга. Для испытания подлинности к раствору сахарозы (1:2) последовательно прибавляют растворы нитрата кобальта и гидроксида натрия. Появляется фиолетовое окрашивание.
Подобные документы
Общая характеристика полезных свойств правильного рационального питания. Химические элементы, входящие в состав пищевых веществ. Биологическая ценность белков и углеводов для организма человека, их состав и классификация. Состав и полезные свойства жиров.
реферат [20,6 K], добавлен 09.07.2010Понятие природных флавоноидов, их классификация и типы: окисленные и восстановленные. Физико-химические свойства, методы выделения и идентификации, направления исследования данных соединений. Заготовка сырья, его сушка, хранение, растительные источники.
курсовая работа [54,5 K], добавлен 09.10.2014Нарушение расщепления и всасывания углеводов. Врожденная недостаточность лактазы. Основные типы регуляции углеводного обмена. Этиопатогенез, основные причины и признаки сахарного диабета, хронические осложнения. Гипергликемические состояния у человека.
лекция [24,7 K], добавлен 13.04.2009Углеводы, их роль в биологических процессах живых организмов и человека. Характерные признаки фруктоземии. Мальтазная и изомальтазная недостаточность. Болезни, связанные с нарушением выработки ферментов. Наследственная непереносимость фруктозы, лактозы.
презентация [13,3 M], добавлен 03.12.2014Общая характеристика парацетамола. Применение парацетамола, его лекарственные формы и степень токсичности. Особенности синтеза парацетамола, его фармацевтическая химия. Установление подлинности парацетамола. Количественное определение препарата.
курсовая работа [496,6 K], добавлен 30.11.2014Физические свойства глюкозы. Основные пищевые продукты, насыщенные углеводами. Правильное соотношение углеводов, жиров и белков как основа здорового питания. Поддержание уровня глюкозы в крови, иммунной функции. Повышение содержания инсулина в крови.
презентация [2,1 M], добавлен 15.02.2014Классификация и распространение углеводов, их значение для жизнедеятельности человека. Использование рефрактометрии в анализе глюкозы. Анализ глюкозы как альдегидоспирта, влияние щелочей, окислителей и кислот на препараты. Стабилизация растворов глюкозы.
курсовая работа [690,1 K], добавлен 13.02.2010Стероидные гормоны - группа физиологически активных веществ, регулирующих процессы жизнедеятельности у животных и человека: группы, физико-химические свойства, функции, синтез. Определение подлинности препаратов, их использование в медицинской практике.
дипломная работа [9,1 M], добавлен 25.03.2011Предмет и объект фармацевтической химии, ее связь с другими дисциплинами. Современные наименования и классификация лекарственных средств. Структура управления и основные направления фармацевтической науки. Современные проблемы фармацевтической химии.
реферат [54,6 K], добавлен 19.09.2010Понятие и история открытия барбитуратов. Применение барбитуратов в медицине, их физиологические эффекты. Фармацевтическая химия производных барбитуровой кислоты. Особенности хранения барбитуратов. Описание и фармакологические свойства таблетки Барбамил.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 19.05.2012
