40-41
Биомолекулы. Углеводы
Углеводы
Углеводы (сахара) —
группа природных полигидроксиальдегидов и полигидроксикетонов с общей формулой
(CH2O)n. Группа включает простые сахара (моносахариды)
и их высокомолекулярные аналоги, олигосахариды и
полисахариды.
А. Биологические функции
углеводов
Полисахариды, прежде всего крахмал и некоторые дисахариды,
являются важными (хотя и не жизненно необходимыми) компонентами питания (см.
с. 348). В кишечнике они расщепляются до моносахаридов,
которые затем всасываются слизистой кишечника (см. с. 266).
Транспортной формой углеводов в крови позвоночных является глюкоза. Глюкоза
поступает в клетки, где используется в качестве клеточного "топлива" (гликолиз)
или превращается в другие метаболиты (см. сс. 152-161).
Гликоген откладывается в некоторых органах (печень, мышцы) в качестве резервного
полисахарида (см. с. 158). Полисахариды служат строительным
материалом для многих организмов. Так, в клеточных стенках бактерий в качестве
стабилизирующего структурного компонента присутствует муреин (см. с.
46). В растениях эту функцию выполняют целлюлоза и
другие полисахариды (см. с. 48). Олигомерные и полимерные
углеводы часто встречаются в ковалентно связанном виде с липидами (гликолипиды)
или белками (гликопротеины), входящими в состав клеточных мембран.
Растворимые гликопротеины присутствуют в плазме крови (см. с. 270),
а также входят в состав протеогликанов, которые являются важными структурными
компонентами межклеточного матрикса (см. с. 336).
Б. Структура
моносахаридов
Важнейший природный моносахарид,
D-глюкоза, является алифатическим альдегидом, содержащим шесть углеродных
атомов, пять из которых имеют гидроксильные группы (1). Поскольку атомы С-2 —
С-5 являются хиральными центрами (см. с. 16), кроме D-глюкозы существует 15 изомерных
альдогексоз, лишь немногие из которых встречаются в природе (см. с. 44).
У большинства природных моносахаридов С-5 имеет конфигурацию D-глицеринового
альдегида.
В нейтральном растворе менее 0,1% молекул
глюкозы находятся в ациклической форме (1), Подавляющая часть глюкозы
присутствует в форме циклического полуацеталя (2)
(см. с. 18),
образованного в результате взаимодействия карбонильной группы с одной из
гидроксильных групп. В альдогексозах реакция идет главным образом по
гидроксильной группе С-5 с образованием шестичленного пиранового цикла. Сахара с
шестичленным циклом называются пиранозами. Замыкание кольца с участием
гидроксильной группы С-4 дает фурановый цикл, а сахара с таким циклом называются
фуранозами. В растворе все три формы, пиранозная, фуранозная и
ациклическая находятся в динамическом равновесии.
Циклические формы моносахаридов принято
изображать в виде проекционных формул (2), где цикл представлен в
перспективе (проекции Хеуорса) Заместители при хиральных атомах углерода
располагаются над или под плоскостью кольца в зависимости от их конфигурации.
ОН-Группы, которые в фишеровской проекции (1) находятся справа, в проекции
Хеуорса располагаются под плоскостью кольца, а группы, находящиеся слева,
— над плоскостью кольца.
При образовании полуацеталей в молекуле
появляется дополнительный асимметрический центр С-1, что делает возможным
существование двух стерео изомеров (см. с. 16). Соответствующие связи на схеме
указаны волнистыми линиями.
В проекциях Хеуорса не учитывается тот факт, что в действительности
пиранозный цикл не плоский, а имеет форму кресла . В представленной на
схеме конформации D-глюкопиранозы (1С4-конформация, 3)
большинство OH-гpyпп (как и в проекции Хеуорса) располагаются перпендикулярно
плоскости кольца (аксиально, а-положение). Единственное исключение составляет
полуацетальная ОН-группа при С-1, которая занимает экваториальное (е)
положение.