Химические свойства углеводов

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

ПРЕДИСЛОВИЕ ОТ САРКИСОВА

 

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

 

CОХ – циклооксигеназа

СоА-SH – кофермент А

FAD – флавинадениндинуклеотид

FMN – флавинмононуклеотид

Hb – гемоглобин

metHb – метгемоглобин

NAD⁺ – никотинамидадениндинуклеотид

NADP⁺ – никотинамидадениндинуклеотидфосфат

NADPH – никотинамидадениндинуклеотид фосфат в восстановленной форме

IF – белковый фактор инициации

QSAR – количественная зависимость активности веществ от их строения (Quantitative Structure-Activity Relationship)

CAMM – компьютерное моделирование молекулярных структур (Computer Assisted Molecular Modeling)

P_i и PР_i – анионы фосфорной и пирофосфорной кислот (i – inorganic)

АДФ, ADP – аденозиндифосфат

АПБ – ацилпереносящий белок

АКТГ – адренокортикотропный гормон

AMФ, AMP – аденозинмонофосфат

АТФ, AТP – аденозинтрифосфат

БАВ – биологически активное вещество

ГЛБ, HLB – гидрофильно-липофильный баланс

ГМФ – гуанозинмонофосфат

ГДФ – гуанозиндифосфат

ГТФ, GTP – гуанозинтрифосфат

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота

МКЦ – микрокристаллическая целлюлоза

мяРНК – малая ядерная РНК

ПАСК – п -аминосалициловая кислота

РНК – рибонуклеиновая кислота

мРНК – матричная РНК

ПАВ – поверхностно-активное вещество

рРНК – рибосомальная рибонуклеиновая кислота

ТПП, ТPP – тиаминпирофосфат

тРНК – транспортная РНК

тРНК^Met – транспортная РНК, предназначенная для связывания с метионином

цАМФ, сАМР – циклический аденозинмонофосфат

ЦНС – центральная нервная система

Фп – фосфопантетеил

Я состою из действующей силы и телесной материи. Ни одно из них не обращается в ничто, так как они не возникают из ничего. Каждая часть моего существа через превращение входит в какую-нибудь часть мира и эта в свою очередь опять в другую часть его, и так бесконечно совершаются его превращения. В силу подобных превращений возник и я, как и мои родители, и так назад до бесконечности.

Марк Аврелий Антонин, 121–180 гг.

ВВЕДЕНИЕ

Биохимия, или химия живого, представляет собой самостоятельную естественнонаучную дисциплину, которая включается в учебные планы не только для подготовки специалистов в области молекулярной биологии или других биологических наук, но и для подготовки химиков самых разных направлений, поскольку любые их разработки так или иначе будут взаимодействовать с живой природой. При этом понятно, что освоение всего материала, накопленного за многие годы развития этой области естествознания, даже для специалистов в области химии и технологии биологически активных веществ не представляется возможным. Задача предлагаемого курса состоит в том, чтобы в рамках целостного курса биохимии создать основы для понимания механизмов действия и биотрансформации лекарственных средств, агрохимических препаратов и других ксенобиотиков, тем более что классификация биологически активных веществ все чаще и чаще основывается на механизмах их биологической активности.

В одном из номеров журнала «Химия и жизнь» было предложено оценить возможность проявления токсических свойств у ряда химических соединений, представленных только их химическими формулами. Хорошо зная неорганическую химию, можно было на основании различия в химических свойствах тетрафторида серы и гексафторида серы предположить безвредность второго и высокую токсичность первого, но думаю, что ни один читатель этого журнала, даже из тех, кто подробно изучил обычные учебники по биохимии, не сможет правильно оценить токсичность химически инертного 2,3,4,6-тетрахлордибенздиоксина, если, конечно, он не занимался проблемой метаболизма ксенобиотиков специально.

Курс биохимии, преподаваемый будущим специалистам в области синтеза и применения биологически активных веществ (БАВ), во-первых, дает полное представление об этой области естественных наук, а во-вторых, закладывает основы, небходимые для изучения курсов медицинской химии (Mеdicinal chemistry), токсикологии, химии агрохимических препаратов и молекулярной патофизиологии (Medical chemistry). В 1997 г. Комиссия ИЮПАК дала определение медицинской химии: «Медицинская химия является химической дисциплиной, включающей также аспекты биологии, медицины и фармацевтики. Она заключается в изобретении, открытии, дизайне, идентификации и получении БАВ, в изучении их метаболизма и интерпретации их механизма действия на молекулярном уровне, а также в установлении взаимосвязей структура–активность». Из этого определения следует, что медицинская химия представляет собой область знаний, которая непосредственно контактирует с органической химией и с биохимией.

Возможны два подхода к проблеме направленного поиска новых биологически активных веществ и изучения отклика объектов живой природы на химические соединения естественного или искусственного происхождения – статистический и биорациональный. Первый из них представлен накоплением информации о биологической активности в отдельных классах органических соединений и предсказанием свойств новых веществ на основании анализа зависимости активности от строения для известных соединений. Для этого в определенном классе веществ синтезируют несколько десятков структурных аналогов и проводят детальное изучение их биологической активности и физико-химических характеристик. Затем соединения разбивают на две группы, составляющие обучающую и проверяющую матрицы. Основная задача состоит в том, чтобы представить строение молекулы и ее свойства в виде числовых характеристик – дескрипторов. Потом на соединениях, входящих в обучающую матрицу, составляют математическое описание зависимости свойств веществ от их строения, и валидность этого описания проверяют на второй контрольной группе соединений (10–20% от общего числа). Если математическое описание верно (валидно), то его можно использовать для предсказания свойств аналогичных соединений на основании их структурных формул.

Первые закономерности, соответствующие современным представлениям о количественных зависимостях активности веществ от их строения (Quantitative Structure-Activity Relationship – QSAR), были получены еще в 1863 г., когда французский исследователь Крос показал, что с увеличением молекулярной массы токсичность простейших алифатических спиртов сначала возрастает до определенного максимального значения по мере уменьшения их растворимостей в воде и затем снова снижается. В 30-е гг. ХХ в. Л. Гаммет в США предложил известное уравнение, которое связывает электронные свойства ароматических соединений с их реакционной способностью, и разработал концепцию линейных зависимостей свободных энергий, с помощью которых химические свойства веществ могут быть представлены аддитивными комбинациями корреляционных факторов. Следующим этапом в развитии техники QSAR стали стерические параметры Тафта, распространившего идеи Л. Гаммета на алифатические соединения. Но основоположником современной техники QSAR стал калифорниец Ханш (Ганч, Hansch), дополнивший электронные параметры Гаммета и стерические параметры Тафта показателями растворимости веществ в полярных и неполярных средах, поскольку гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ, HLB) вещества характеризует его транспорт в многоклеточных организмах.

Сейчас в уравнениях QSAR используются топологические дескрипторы, описывающие связанность атомов в молекуле, ее разветвленность, электронные дескрипторы, включающие константы Гаммета, дипольные моменты, значения рК _а, молекулярные рефракции, потенциалы ионизации, а также коэффициент распределения в системе октанол–вода (показатель ГЛБ), показатели стерических эффектов, константы Тафта, ван-дер-ваальсовы радиусы, общую поверхность молекулы и т.д. Несмотря на то, что сам Ханш оценивает современное состояние техники QSAR очень критично («Мне кажется, что даже начало еще не положено»), этот подход уже широко используется в исследовательской практике.

Особенность статистического подхода к проблеме биологической активности состоит в том, что при этом живая система остается «черным ящиком» – молекулярные механизмы взаимодействия биохимических систем с изучаемым классом соединений в этом случае не рассматриваются. При всех достоинствах техники QSAR ее недостатки очевидны: такой подход к оценке биологической активности применим только для соединений, входящих в большой ряд тщательно изученных и охарактеризованных по многим параметрам (число дескрипторов может быть более тысячи) структурных аналогов. В таких рядах с помощью методологии QSAR можно, не синтезируя соединение, по его химической формуле оценить токсичность, выбрать структуру, которая обеспечит максимальную фотостабильность, или получить другую информацию о свойствах вещества. У известных соединений можно выявить структурные элементы, отвечающие за тот или иной вид биологической активности. И все же поиск новых классов БАВ с помощью техники QSAR пока невозможен, поскольку статистические методы анализа, соединяющие экспериментальные физико-химические и биологические параметры, анализируют структуры только в определенной узкой группе близких по строению соединений. В будущем, когда удастся преодолеть ограниченность современных приемов QSAR, области применения этой методологии, конечно, расширятся.

Чисто химический подход к синтезу новых биологически активных соединений сейчас стал малопродуктивным, хотя использование комбинаторного синтеза значительно расширило возможности получения большого числа микроколичеств новых веществ, направляемых на выявление у них биологической активности. Если в начале 1950-х гг. до практического использования доводилось одно из 8–10 тысяч полученных новых соединений, то сейчас из-за ужесточения требований к эффективности и безопасности, а также из-за широкого внедрения комбинаторного синтеза эту цифру даже трудно оценить. Абсурдность чисто химического подхода к поиску новых БАВ легко продемонстрировать таким примером: число всех возможных соединений с молекулярной массой до 800 Да превышает 10¹⁸⁰, но число атомов в видимой Вселенной менее 10¹⁰⁰ (это самое большое число – гугол). Это означает, что для синтеза всех возможных веществ с такими молекулярными массами даже всего лишь по одной молекуле не хватит атомов во Вселенной. Ограничившись синтезом структурных аналогов уже известных биологически активных соединений, надо будет синтезировать 10⁸⁰ образцов. Это, конечно, меньше чем гугол, но тогда можно привести еще одно ограничение: масса видимой Вселенной равна 10⁵³ мг.

Наработанный за многие десятилетия экспериментальный материал позволяет более разумно подходить к поиску новых биологически активных веществ, особенно, если при этом у экспериментатора есть четкие представления о протекании метаболических и регуляторных процессов в живых организмах. До 40% веществ, претендующих на роль лекарств, отбраковываются на основании плохих фармако-кинетических характеристик, то есть эти соединения не проходят по таким показателям, как абсорбция, распределение в тканях организма, метаболические превращения и выведение их из организма (Absorbtion, Distribution, Metabolism, Excretion – ADME). Еще до 11% оказываются токсичными в опытах на животных. Однако самые большие проблемы представляют вещества, у которых токсичность выявляется уже после их выпуска на рынок лекарственных средств. Не менее катастрофична и ошибка при отбраковке препаратов, поскольку она может свести на нет многолетний труд больших исследовательских коллективов.

В рамках совершенствования биорационального подхода к синтезу новых БАВ большое внимание уделяется изучению механизмов взаимодействия природных и синтетических соединений с биологическими мишенями, а также исследованию путей трансформации ксенобиотиков в живой природе. В 80-е гг. ХХ в. благодаря прогрессу в технике рентгеноструктурного анализа, в вычислительной технике и в компьютерной графике в исследовательских центрах стали использовать методику компьютерного молекулярного моделирования (Computer Assisted Molecular Modeling – CAMM), которую по праву можно отнести к самым современным методам изучения и конструирования биоактивных соединений. В рамках техники CAMM постоянно совершенствующиеся программы, основанные на точном знании строения рецепторных участков и активных центров биомолекул, позволяют проводить проверку гипотетических структур на совместимость с белками-мишенями. Только биорациональный подход, дополняемый техникой CAMM, позволяет направленно модифицировать первоначальные структуры с перспективной биологической активностью, значительно сокращая усилия по синтезу и многофакторным биологическим испытаниям новых соединений.

Изучаемые биохимией механизмы функционирования клеток на молекулярном уровне уже послужили отправной точкой при поиске новых средств воздействия на живую природу, но возможности использования синтетиками представляемых биохимией знаний неисчерпаемы.

Что же является объектом изучения биохимии, история которой насчитывает уже более 100 лет? Традиционно изучение химии живого (термин «биохимия» используется с 1903 г.) начинается с простейших структурных элементов биомолекул – углеводов, аминокислот, простейших липидов. Большой вклад в эту область биохимии внес немецкий исследователь Э. Фишер классическими работами по химии сахаров. Им были также разработаны способы выделения аминокислот из продуктов гидролиза белков. Работы по поиску новых простых биомолекул продолжаются до сих пор, в ходе изучения обмена веществ (метаболизма) и его регуляции постоянно открывают новые соединения, которые могут лечь в основу направленного синтеза новых БАВ. Многие регуляторные соединения и продукты метаболизма встречаются в самых разных видах живого, то есть существует качественное сходство на клеточном уровне, и часто речь идет лишь о количественных расхождениях.

Важнейший вопрос биохимии – как построены макромолекулы живой природы? В опытах по изучению молекулярного состава клеток первые биохимики обнаруживали высокомолекулярные вещества: полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты, сложные липиды. Их качественный состав был установлен достаточно быстро, но казалось, что последовательность соединения сотен аминокислотных составляющих в белковых молекулах или тысяч нуклеозидов в нуклеиновых кислотах не удастся установить никогда. Однако современные методы выделения и анализа макромолекул биологического происхождения позволили определить не только первичное строение, но и пространственное расположение свернутых в компактные образования биополимеров.

В 1800 г. Французская академия предлагала премию в 1 кг золота тому, кто сможет вразумительно ответить на вопрос о различии между ферментом и субстратом. Еще в XIX в. считалось, что дрожжи (первый объект биохимии) представляют собой неживые образования, а сама биохимия начиналась с работ по сбраживанию глюкозы бесклеточными гомолизатами дрожжей. Отсюда и появился термин «энзим» (от греч. en zimes – в дрожжах), используемый иногда для обозначения ферментов, действующих вне клетки. Ответ на вопрос о принципах функционирования этих избирательных и эффективных биокатализаторов имеет значение не только для биохимии, но и для теории и практики органической химии.

Что требуется для существования живого организма? На этот вопрос уже можно ответить достаточно однозначно как на уровне всего организма, так и на уровне отдельной клетки. Нарушения обмена веществ, связанные с отсутствием незаменимых компонент пищи, легли в основу расшифровки основных метаболических путей.

Что обеспечивает превращение молекул в необходимые клеткам организма вещества? Растения поглощают только воду, минеральные соли и диоксид углерода, синтезируя из них огромное богатство органических соединений. Взрослый человек ежедневно потребляет около 400 г пищевых продуктов, их компоненты меняются день ото дня, но в норме тело человека сохраняет постоянный состав и вес.

Как потенциальная энергия поступающих с пищей веществ используется живыми организмами? Тепловые машины работают на разнице температур, тогда как живые клетки изотермичны. И в то же время потенциальная энергия, заключенная в пище, утилизируется живыми организмами гораздо эффективнее, чем в тепловых машинах, а использование энергии света для синтеза всего разнообразия веществ, участвующих в развитии растений, вообще не имеет аналогий в неживой природе. В живых клетках все энергетические процессы так или иначе протекают через аденозинтрифосфат АТФ (в уравнениях реакций далее будет использоваться сокращение ATP, соответствующее его названию в латинской транскрипции) – универсальный источник свободной химической энергии, используемый клетками для генерирования теплоты, биосинтеза, совершения механической работы, создания градиентов концентраций и для других энергозатратных процессов.

Важнейший объект изучения биохимии – синхронизация биохимических превращений. Клетки нуждаются в определенных количествах источника свободной химической энергии АТФ и строительных блоков, и их всегда ровно столько, сколько требуется. Регуляция обменных процессов и ее принципы – одна из ключевых проблем биохимии. На уровне многоклеточных организмов объектом изучения становится и согласованная работа различных органов, регулируемая нервной системой с помощью таких веществ, как гормоны, нейромедиаторы и цитокины.

И, наконец, биохимия изучает взаимодействие биомолекул с ксенобиотиками, необратимую и обратимую блокировку ферментов и рецепторных белков, ферментативные превращения ксенобиотиков, реакции продуктов превращений ксенобиотиков.

Еще до формирования биохимии как самостоятельной науки произошло разделение химии на органическую и неорганическую. Некоторое время существовала теория «жизненной силы», сторонники которой считали, что синтез органических соединений из неорганических может проходить только с участием живых организмов, а уделом химиков остается лишь изучение превращений органических веществ, выделенных из живой природы. Несостоятельность виталистов достаточно быстро была показана в многочисленных экспериментах, но углубление философского спора о происхождении органической материи и живой природы имеет принципиальное значение. Ограниченный фактический материал по клеточному строению живых организмов и глубокий анализ данных палеонтологии позволили Ч. Дарвину сформулировать концепцию непрерывной биологической эволюции. После этого осталось решить основной вопрос о возникновении простейших форм жизни.

Первичный состав земной атмосферы и климатические условия могут быть смоделированы на основе данных, полученных при изучении других планет Солнечной системы и космогонических теорий. Воздействия жесткой радиации, искровых и тлеющих разрядов на искусственные смеси воды, метана, аммиака и водорода (а именно такой и представляется первичная атмосфера Земли) приводят к образованию широкого спектра органических соединений, среди которых есть аминокислоты, углеводы, гетероциклические соединения и другие вещества, являющиеся простейшими строительными элементами живой природы.

Вот примеры химизма таких превращений: из метана и воды, а также из метана и аммиака в условиях ионизирующего излучения образуются формальдегид и циановодород. Аммиак, синильная кислота и формальдегид реагируют по реакции Штрекера с образованием аминоацетонитрила:

Аминоацетонитрил – это нитрил простейшей аминокислоты глицина. Его гидролиз приводит к образованию глицина, а в аналогичных превращениях других альдегидов могут быть получены и более сложные по строению аминокислоты (например, по цепочке: этан ® ацетальдегид ® аланин). Интересно, что на основе аминонитрилов могут быть получены и пептиды: аминогруппы реагируют с нитрильными функциями с образованием амидинов, которые гидролизуются в мягких условиях до амидов (пептидов):

При конденсации с формальдегидом производные глицина в пептидных цепях могут быть преобразованы в производные другой аминокислоты – серина:

Важнейшим структурным элементом нуклеиновых кислот и многих ферментных систем является гетероциклическое соединение 6-аминопурин, или аденин, который также может быть получен в абиотических условиях. Например, в газовой фазе циановодород тримеризуется в динитрил аминомалоновой кислоты:

Циановодород реагирует с аммиаком с образованием формамидина:

Точно также реагируют с аммиаком и нитрильные группы тримера циановодорода:

Образующийся при этом диамидин аминомалоновой кислоты может реагировать с двумя молекулами формамидина с образованием аденина:

В запаянной ампуле аденин образуется из циановодорода и аммиака с выходом около 40%. Возможны, конечно, и другие пути образования аденина на основе этих исходных продуктов.

В 20-е гг. ХХ в. появилась гипотеза о происхождении жизни абиотическим путем (А.И. Опарин), основанная на первичности белков, которые собирались из аминокислот и простейших пептидов в результате реакций переамидирования. Большие белковые молекулы могли образовывать сложные трехмерные структуры, некоторые из которых проявляли каталитическую активность. Последующая ассоциация разных белков приводила к формированию так называемых коацерватов, то есть фаз с повышенной концентрацией полимера. Коацерваты могли сорбировать на поверхности прототипы современных мембранных липидов и превращаться в клетки, отделенные от маточного раствора слоем этих липидов. Однако у этой гипотезы есть слабые места. Первое из них – это более низкая вероятность протекания реакции переамидирования по сравнению с реакцией гидролиза: самосборка пептидов в белки с увеличением молекулярной массы по кинетическим соображениям невозможна, поскольку реакция их гидролиза идет с более высокой скоростью. Второе слабое место в гипотезе Опарина – это полное отсутствие каких-либо предположений о путях перехода от белков к нуклеиновым кислотам, определяющим последовательность расположения аминокислот в белках при их биосинтезе. Сюда же можно отнести и до сих пор не решенную проблему однородности белков по стерической характеристике входящих в их состав аминокислот (все белковые аминокислоты имеют L -конфигурацию по асимметрическому атому углерода).

Более логичной на сегодняшний день представляется гипотеза о первичности в процессе зарождения жизни прототипов рибонуклеиновых кислот (РНК). Надо сказать, что у этих молекулярных структур гораздо больше возможностей самосовершенствования за счет модификации составляющих компонент, чем у белков, да и наращивание молекулярной массы при переэтерификации полиэфиров фосфорной кислоты более вероятно, чем переамидирование пептидов. Диэфиры фосфорной кислоты, составляющие основу полимерной цепи нуклеиновых кислот, легко образуются в кислой среде и достаточно стабильны в нейтральной и слабо щелочной средах. После обнаружения в клетках рибонуклеиновых кислот с каталитической активностью (рибозимов) РНК стали полноправными претендентами на первенство в роли зачинателей жизни. Они состоят из молекул, которые также получаются абиотическим путем и имеют только одну компоненту с асимметрическими атомами углерода (рибозу), но первичные РНК могли быть построены на основе более простого связующего между фосфатной и гетероциклической составляющими. Сворачиваясь в спирали, РНК создают хиральную матрицу, в которой главную роль играют ахиральные компоненты. Образуя комплексы с простейшими пептидами и аминокислотами, РНК могли катализировать их поликонденсацию в белки селективно с использованием для этого только одного типа пространственных изомеров из рацемической смеси аминокислот. Главное же состоит в том, что и сейчас биосинтез белков идет при непосредственном участии РНК в рибосомах. В принципе, прототипом живого можно считать вирусы – комплексы ДНК или РНК и белков, которые на начальном этапе эволюции воспроизводили себе подобных из абиотических органических веществ в первичном «бульоне». Сегодня они используют для этого компоненты живых клеток.

Не очень сложно объяснить, почему составляющие биомолекул в природе присутствуют только в одной стереоизомерной форме: биомолекулы и так слишком сложны, и протекающие с их участием процессы высоко специфичны. На молекулярном уровне взаимодействие субстратов с биокатализаторами (ферментами) не может идти одинаково с различными стереоизомерами из-за сложной пространственной конфигурации каталитического центра фермента. Исходя из первичности белков трудно объяснить то, что все двадцать аминокислот, из которых построены белки, имеют L -конфигурацию. Для разгадки этого феномена привлекались самые разные гипотезы, например, катализ образования или поликонденсации аминокислот такими оптически активными неорганическими материалами, как кристаллы кварца. В то же время не исключено, что наша Вселенная асимметрична и с ее асимметричностью лучше всего согласуются L -изомеры аминокислот. Так, например, в рацемической аминокислоте тирозине в присутствии радиоактивного стронция более интенсивно идет радиолиз D -изомера и повышается относительное содержание L -изомера. Если же принять за основу первичность РНК, то, как отмечалось выше, эта проблема может быть сведена к тому, что отбор пространственных изомеров аминокислот для построения белков осуществлялся с участием РНК с определенным направлением закручивания спирали (опять асимметричность Вселенной).

Одним из признаков жизни является способность живых систем обмениваться веществами и энергией (метаболизм) с окружающей средой. Предполагается, что полипептидные молекулы и нуклеиновые кислоты самоорганизовались в первые простейшие клеточные образования. Правда, вопрос о природе соединений, которые эти клетки могли использовать для построения клеточных мембран с избирательной проницаемостью для внутри- и внеклеточных веществ, пока даже не ставится. Любые химические структуры изменчивы, и для сохранения жизни каждая клетка должна воспроизвести себе подобную до того, как накопление случайных изменений сделает ее неспособной к воспроизводству.

Первые живые клетки использовали накопленные в природе за пребиотический период органические вещества для получения своих биомолекул, воспроизводства себе подобных структур и их совершенствования, а это уже второй признак живого. Понятно, что уже на этом уровне шел процесс эволюции одноклеточных организмов, их специализация и усложнение. Изменчивость – это также обязательный признак живого, так как именно благодаря ей опасные изменения в окружающей среде не обязательно приводят к гибели всех копий начальной клетки: какие-то, отличные от исходной, могут сохраниться. Очевидно, что еще до исчерпания в природе абиотических органических веществ появились микроорганизмы, использовавшие в своей жизнедеятельности энергию солнечного света, а также микроорганизмы-хищники, которые не довольствовались разбавленными растворами остатков органических веществ, а активно поглощали другие клетки. После полного исчерпания внеклеточных органических веществ некоторые использовавшие свет бактерии приспособились к синтезу углеводов за счет энергии света из диоксида углерода и воды. Этот процесс сопровождается выделением кислорода, который некоторые клетки включали в свой метаболизм для более эффективного использования заложенной в органических соединениях энергии. Другие клетки не могли приспособиться к присутствию кислорода и погибали от вызванных им окислительных превращений или останавливали течение метаболизма, превращаясь в споры. Так, до сих пор существуют анаэробные бактерии, жизнь которых возможна только в отсутствии кислорода. Появление в атмосфере Земли кислорода вызвало, очевидно, первую глобальную экологическую катастрофу.

Главной особенностью живого можно считать не просто изменчивость живых систем, а их усложнение и самосовершенствование. Многоклеточные организмы развиваются из одной клетки в невероятные с точки зрения неживой природы образования с огромным числом клеток, в которых лишь на молекулярном уровне можно найти идентичные исходной клетке структуры. Растения используют энергию света для получения восстановительного потенциала и носителя свободной химической энергии аденозинтрифосфата (АТФ), с помощью которых образуется все многообразие органических молекул не только в клетках растений, но и в клетках животных, так или иначе использующих заложенную в органических соединениях отрицательную энтропию для своего существования. В книге «Что такое жизнь с точки зрения физика» Э. Шредингер сравнивал энтропийные процессы в живых системах с часами. Они получают отрицательную энтропию с заводом пружины, а живые системы – из света или в виде высокоорганизованной материи, полученной с помощью света. И все же сложность и организация жизни не может не восхищать не только на макроуровне, но и на наноуровне. В качестве примера можно привести образование АТФ из аденозиндифосфата (АДФ) и фосфата в результате транспорта протонов через встроенную в клеточную мембрану многокомпонентную систему белков – АТФ‑синтетазу, которая, как оказалось, работает по аналогии с турбиной и генератором гидроэлектростанции (используя протоны вместо воды), и по аналогии с турбиной процесс образования АТФ обратим: его избыток может быть использован АТФ‑синтетазой для транспорта протонов против градиента их концентрации по разные стороны клеточной мембраны.

Специфика живого была выявлена человечеством на самой ранней стадии изучения окружающего мира:

Живым считается все, что проходит определенный цикл развития, обмениваясь с окружающей средой веществом и энергией, отвечая на определенные воздействия извне и воспроизводя себе подобное.

В биохимии на современном уровне ее развития господствует механистическая точка зрения на жизнь, то есть считается, что все законы живого, как и неживого, могут быть описаны с позиций химии и физики. В философии, но не в естествознании, сохранилась и виталистическая точка зрения, которая просто считает, что нельзя свести понятие жизни к простому сочетанию явлений неживой природы. Такой подход опровергнуть экспериментом нельзя; мы сами, являясь элементом жизни, никогда не сможем моделировать ее возникновение из неживого. Как отмечалось выше, синтез основных строительных блоков живых клеток, аминокислот, простейших пептидов и нуклеиновых кислот можно воспроизвести в условиях, которые предположительно существовали на ранних этапах формирования облика нашей планеты. Но далее для формирования клетки эти вещества должны были собраться в полимеры, сгруппироваться в сложнейший набор, состоящий хотя бы из всего лишь нескольких каталитических, структурных и транспортных белков, закодировать их структуру в ДНК, в РНК или в их первоначальных аналогах, окружить себя мембраной из веществ, синтез которых не удается воспроизвести так же легко, как синтез аминокислот и нуклеотидов, встроить в эту мембрану транспортные белки для избирательного обмена веществами с окружающей средой и начать воспроизводиться, усложняясь при этом до существ, которые пытаются все это осмыслить. Можно повторить, что принцип развития с усложнением присущ всему живому, но на какой стадии развития клетка была неживой и стала живой и что обусловило этот переход?

Вероятность всех этих событий настолько ничтожна, что в вопросе возникновения жизни на земле трудно обойтись без креационизма, то есть акта творения. Существует еще теория панспермии, которая полагает, что споры жизни разносятся небесными телами по всей Вселенной, но эта теория лишь отодвигает проблему возникновения жизни за временные и пространственные пределы нашей планеты.

В основе биохимимических превращений лежат достаточно простые молекулы, из которых строится все многообразие веществ, участвующих в образовании живых клеток и в их функционировании. Взаимные превращения аминокислот, углеводов, липидов, гетероциклических компонент нуклеиновых кислот катализируются ферментами с участием богатых энергией веществ, главным из которых является аденозинтрифосфат с двумя ангидридными макроэргическими связями. Последовательность изложения основ биохимии по строительным блокам биомолекул учитывает их включение в более сложные структуры, поэтому, например, при изучении строения нуклеиновых кислот надо знать строение и химические свойства сахаров. И все же в отдельных случаях на начальном этапе изучения биохимии не удается избежать обращения к материалу, который станет объектом более детального изучения в дальнейшем. Предполагается, что первичные знания по биохимии уже получены в курсе органической химии.

 ГЛАВА 1. УГЛЕВОДЫ

Этот класс природных соединений носит такое название потому, что первым изученным его представителям соответствовала общая формула C _n (H₂O) _m, то есть формально их можно было рассматривать как гидраты углерода. Позже были найдены близкие по свойствам и по роли в живой природе соединения, также относящиеся к углеводам, но такой простой общей формуле уже не соответствующие – это аминосахара и ациламиносахара, дезоксисахара, продукты окисления сахаров и другие их производные.

В живых клетках углеводы выполняют важные функции: полисахариды используются в качестве источников свободной химической энергии, они являются структурными элементами растительных и животных клеток, углеводы участвуют в построении более сложных молекул – различных гликозидов, гликопротеинов, протеогликанов, гликолипидов (в том числе антигенных ганглиозидов) и нуклеиновых кислот. Из углеводов образуется витамин С, фактор роста бактерий инозит и так называемые заменимые белковые аминокислоты. Важнейшую функцию выполняют углеводы в биоэнергетических процессах, поставляя клеткам энергию, как в анаэробных, так и в окислительных превращениях, и поэтому продукты поликонденсации самого распространенного углевода глюкозы  (крахмал, гликоген) используются всеми видами живого как запас легко мобилизуемой энергии и строительного материала для других молекул. Углеводные остатки входят в состав многих ферментов. С участием сахара с пятью атомами углерода – рибозы – построены молекулы рибонуклеиновых кислот, а дезоксирибоза входит в состав вещества наследственности – дезоксирибонуклеиновой кислоты. Гликопротеины (белки с углеводными составляющими) обеспечивают смазку в суставах и покрывают стенки кровеносных сосудов. В заключение можно сказать, что основная масса органических соединений на Земле представлена углеводами.

Строение углеводов

Кристаллические, растворимые в воде и имеющие чаще всего сладкий вкус низкомолекулярные углеводы называют сахарами. Высокомолекулярные углеводы в воде нерастворимы. Строение сахаров изучалось многими исследователями ХIХ в., например, А. Байер установил, что функциональные группы сахаров представлены одной карбонильной группой и несколькими гидроксильными. Но наибольший вклад в эту область химии внес Э. Фишер. Им, в частности, была разработана методика установления пространственного строения этих соединений, поскольку одной только изомерией положений функциональных групп нельзя было объяснить разнообразие углеводов, полученных синтетическим путем и выделенных из живой природы. Для сахаров, содержащих одну неразветвленную и неразделенную гетероатомами цепочку атомов углерода (такие сахара называют моносахаридами), общая формула C _n (H₂O) _m может быть уточнена, так как при n > 9 их молекулы разлагаются на моносахариды с меньшим числом атомов углерода по реакции, обратной реакции альдольной конденсации. Соответствующий брутто-формуле C₂H₄O₂ гликолевый альдегид HOCH₂CHO не имеет асимметрического атома углерода и к углеводам не относится. В последние годы перестали относить к углеводам и называвшиеся ранее триозами глицериновый альдегид с диоксиацетоном (n = 3), поскольку у диоксиацетона нет асимметрического центра и, кроме того, эти соединения не образуют циклических внутренних полуацеталей, которые определяют биохимическую специфику углеводов. В соответствии с этим в общей формуле углеводов n для моносахаридов принимает значения от 4 до 9.

Тем не менее, асимметрический атом углерода глицеринового альдегида, из которого могут быть получены все другие сахара, используется в качестве отправной точки при установлении пространственного строения всех моносахаридов. В проекциях Фишера молекулы сахаров изображают на плоскости с гидроксильными группами справа или слева от атомов углерода. Фишер предложил считать, что у левовращающего глицеринового альдегида при его изображении с карбонильной группой вверху молекулы гидроксильная группа направлена влево (L от laevo) у левовращающего и вправо (D от dextro) у правовращающего:

                                         

                L (-)-Глицериновый                    D (+)-Глицериновый

    альдегид                                    альдегид

В более сложных сахарах с несколькими асимметрическими атомами углерода обозначение L или D не говорит о направлении вращения плоскости поляризованного света их растворами, а только об абсолютной конфигурации наиболее удаленного от карбонильной группы асимметрического атома углерода с гидроксильной группой. Если в названии сахара надо отразить и показатель оптической активности, то его дополняют значками (−) для левовращающих и (+) для правовращающих веществ. Оказалось, что практически все природные сахара могут быть получены из D ‑глицеринового альдегида и поэтому они относятся к D -ряду. Реакции наращивания цепи, начинающиеся с альдегидной группы D -глицеринового альдегида, не затрагивают гидроксильную группу у асимметрического атома углерода, поэтому и было принято брать за основу систематизации конфигурацию у наиболее удаленного от карбонильной группы атома углерода. Кроме того, именно эта гидроксильная группа чаще всего участвует в образовании циклических полуацеталей и определяет их истинное пространственное строение. Нумерация атомов углерода у сахаров начинается с альдегидной функции у альдоз или с наиболее близкого к карбонильному углероду концевого атома углерода у кетоз. Тогда генеалогическое древо альдоз будет выглядеть следующим образом:

Наиболее распространенные природные гексозы в таком упрощенном варианте представления формул выглядят следующим образом:

                   D -Манноза      D -Глюкоза         D -Фруктоза        D -Галактоза

Химические свойства углеводов

Проекции Фишера удобны для формального рассмотрения и классификации сахаров, но они не отражают истинное строение этих веществ. Глюкоза не образует бисульфитное соединение и не дает цветной реакции с фуксинсернистой кислотой, которая характерна для функциональных групп —СНО, но она взаимодействует с производными гидразина и с некоторыми другими реагентами подобно альдегидам более простого строения. При растворении глюкозы в воде образуется раствор с удельным вращением [a]²² _D = +122°, однако со временем его удельное вращение снижается до +53°. Это явление, называемое мутаротацией, свидетельствует о том, что кристаллизовавшаяся из воды D -глюкоза после растворения переходит в другую форму с меньшим удельным вращением. В обычных условиях из воды кристаллизуется форма с меньшей растворимостью и с большим удельным вращением, получившая обозначение a, но кристаллизацией из пиридина удалось получить в чистом виде и b‑ D -глюкозу, удельное вращение которой оказалось равным +18,7°; при растворении ее в воде удельное вращение раствора растет до того же значения +53°.

В основе мутаротации лежит реакция гидроксильных групп с карбонильными функциональными группами, протекающая с образованием полуацеталей из альдегидов (R¹ = H) и полукеталей из кетонов по схеме:

При нагревании с избытком спирта в присутствии кислоты с удалением из реакционной массы воды могут быть получены и полные ацетали (кетали):

Экспериментально показано, что в молекуле глюкозы есть пять гидроксильных групп, однако одна из них заметно отличается по реакционной способности от четырех остальных. Так, например, при нагревании с метиловым спиртом в присутствии кислоты образуется монометиловый эфир глюкозы, тогда как остальные четыре гидроксильные группы метилируются только метилиодидом в присутствии оксида серебра.

Пентаметилглюкоза гидролизуется водным раствором кислоты по одной эфирной группе, а остальные четыре метоксильных группы устойчивы к гидролизу. Кроме того, полученная гидролизом пентаметилглюкозы в кислой среде тетраметилглюкоза мутаротирует, то есть при растворении ее кристаллов в воде удельное вращение плоскости поляризованного света изменяется во времени, выходя на равновесное значение.

Для всего этого есть только одно объяснение: молекулы углеводов имеют как карбонильную, так и спиртовые функции, и поэтому они легко образуют стабильные циклические внутримолекулярные полуацетали, представляемые в проекциях Фишера следующим образом:

 a- D -Глюкоза       D -Глюкоза b- D -Глюкоза

С переходом атома углерода карбонильной группы из sp ²- в sp ³-гибридизованное состояние появляется новый асимметрический центр, а два соответствующих оптических изомера Фишер предложил обозначать символами a и b: a – в том случае, когда новая гидроксильная группа расположена с той же стороны, что и кислород гетероцикла, b – если она на другой от него стороне, правда, так просто это выглядит только в плоской проекции.

Полуацетальная (аномерная) гидроксильная группа значительно отличается по реакционной способности от других гидроксигрупп сахаров, и при замещении ее на другие функции образуются производные, называемые в общем случае гликозидами  (глюкозиды, фруктозиды, галактозиды, рибозиды и т.д.). Так, при нагревании глюкозы с метанолом в присутствии кислоты образуются метил-a- D -глюкозид и метил-b- D -глюкозид.

У глюкозы образование внутреннего полуацеталя протекает с участием гидроксильной группы у пятого атома углерода и поэтому ее можно рассматривать как производное шестичленного гетероцикла тетрагидропирана. Часто также реализуется пятичленный цикл, и тогда сахар является производным тетрагидрофурана. В более приближенных к реальным структурам формулах Хэйуорта глюкоза и фруктоза, например, изображаются так:

 a- D -Глюкопираноза           b- D -Фруктофураноза

Такие циклические полуацетальные структуры могут образовываться только из сахаров с числом атомов углерода больше трех. Поскольку глицериновый альдегид такие структуры не образует, его, как отмечалось выше, сейчас исключают из числа сахаров, хотя в биохимии диоксиацетон и глицериновый альдегид достаточно значимы.

Уже говорилось о том, что сахара могут быть получены из глицеринового альдегида. Для этого используется реакция карбонильных групп с синильной кислотой, протекающая с образованием циангидрина. После омыления нитрильной группы образуется лактон, который легко восстанавливается амальгамой натрия в спирте до полуацетальной формы соответствующего сахара, число атомов углерода в молекуле которого увеличилось до четырех:

Представленная схема увеличения длины углеродной цепочки рассматривает образование и превращения только одного из двух возможных пространственных изомеров циангидрина глицеринового альдегида, приводящие к эритрозе; с другим изомером образуется треоза. Есть и обратный путь, по которому из сахара получают оксим, затем действием ацетангидрида в присутствии пиридина превращают оксимную группу в нитрильную и ацетилируют гидроксильные группы. Затем действием основания укорачивают цепочку на один атом углерода, отщепляя синильную кислоту, и снимают ацетатные группы в результате реакции переэтерификации:

Аномерная гидроксильная группа легче чем спиртовая вступает в различные реакции замещения. Так, например, именно по этой группе идет реакция глюкозы с метанолом в присутствии сильной кислоты с образованием метилглюкозида, а нагревание пентаацетата глюкозы с концентрированной фосфорной кислотой приводит к образованию тетраацетата a‑ D -глюкозо-1-фосфата, из которого a- D -глюкозо-1-фосфат получают действием раствора аммиака в абсолютном спирте; эфирная связь неполных эфиров фосфорной кислоты устойчива в щелочных средах:

В присутствии концентрированных щелочей из сахаров образуются окрашенные в коричневый цвет продукты поликонденсации. Очевидно, что это связано с превращениями по типу альдольной и кротоновой конденсации. Однако разбавленные щелочи и гидроксиды щелочно-земельных металлов вызывают перегруппировку Лобри-де-Брюйна–ван‑Экенштейна, затрагивающую асимметрический атом углерода. Впервые с таким превращеним встретился Фишер, обнаруживший, что при восстановлении глюкозы амальгамой натрия в воде наряду с сорбитом образуется также маннит:

Не найдя объяснения этому экспериментальному факту, Фишер только отметил его в своей публикации (1889 г.), посвященной реакциям восстановления сахаров. Позже было установлено, что в присутствии оснований идет взаимное превращение сахаров, связанное с образованием енолов. Так, из глюкозы образуется енольная форма, которая может снова превратиться как в глюкозу, так и в маннозу или фруктозу (на схемах этих превращений сахара показаны в формулах Фишера для более наглядного представления химизма превращений):

Живая природа использует молекулы сахаров для получения растворимых в воде производных, которые участвуют в обменных процессах, переносятся жидкими средами в многоклеточных организмах или выводятся из организма. Биосинтетические пути получения таких соединений основаны на высокоизбирательных ферментативных реакциях. Химический синтез соединений, в состав которых входят молекулы сахаров, основан на использовании ряда защитных групп, позволяющих проводить избирательные превращения по отдельным функциональным группам в их молекулах. Так, например, в водном растворе не удается обнаружить фуранозные формы глюкозы, но при нагревании ее с ацетоном в присутствии кислоты образуется 1,2,5,6-диизопропилиден- D -глюкофураноза со свободной гидроксильной группой в 3‑положении:

Сахароза легко образуется в растениях в результате ферментативной конденсации глюкозы и фруктозы, тогда как для ее синтеза приходится использовать различные защитные группы. В одной из самых успешных методик используют реакцию пентабензил-a-глюкозы с защищенным тиопроизводным фруктозы формулы (Bn = С₆H₅CH₂):

При нагревании глюкозы с уксусным ангидридом при катализе хлоридом цинка образуется пентаацетил-a-глюкоза, а при действии на это соединение раствора бромистого водорода в ледяной уксусной кислоте ацетоксигруппа аномерного атома углерода заменяется на атом брома:

Это соединение, отличающееся высокой реакционной способностью по атому брома, используют для синтеза глюкозидов. Например, фенилглюкозид получают при взаимодействии этого вещества с фенолятом натрия с последующим снятием ацетильных защитных групп омылением в присутствии оснований (гликозидная связь в этих условиях устойчива) или действием спиртового раствора аммиака:

В качестве примеров некоторых природных глюкозидов можно привести арбутин, салицин, синигрин и содержащий два сахаридных остатка амигдалин из плодов косточковых (вишня, горький миндаль):

  

Связанные с сахарами несахаридные фрагменты гликозидов называют агликонами. В соответствии с этим, агликоном арбутина является гидрохинон, агликоном салицина – салициловый спирт, агликоном амигдалина – циангидрин бензальдегида. Синигрин, представляющий собой тиоглюкозид, в присутствии фермента мирозиназы разлагается с образованием аллилизотиоцианата (хрен, горчица, лук).

При действии на альдозы меркаптанов очень легко образуются тиоацетали, например:

Продуктом этой реакции является полный тиоацеталь, что подразумевает возможность участия в реакции альдегидной формы глюкозы, содержание которой в водном растворе глюкозы оценивается в 0,0026%.

При образовании гликозидных связей между молекулами моносахаридов образуются дисахариды, трисахариды, олигосахариды и полисахариды. Именно эти соединения оправдывают общий вид формулы углеводов С _n (H₂О) _m, поскольку, как отмечалось выше, для моносахаридов n принимает значения от 4 до 9. Самые известные дисахариды – это сахароза, лактоза и мальтоза, а также целлобиоза, образующаяся при частичном гидролизе целлюлозы:

Сахароза                                                 Лактоза

Мальтоза                                     Целлобиоза

В этом ряду выделяется сахароза, у которой в образовании одной гликозидной связи принимают участие две аномерных гидроксильных группы: из молекулы глюкозы и из молекулы фруктозы. В результате образуется эфирная связь, которая достаточно устойчива к гидролизу. Это означает, что карбонильные группы фрагментов глюкозы и фруктозы не могут проявлять характерные для других сахаров свойства. Сахароза не мутаротирует и не восстанавливает обычные реагенты, используемые для выявления карбонильных групп. Сахароза, в отличие от других производных сахаров, сравнительно устойчива к действию ферментных систем многих микроорганизмов. Поэтому растения часто используют ее в качестве запасного углевода. Гидролитическое расщепление сахарозы на глюкозу и фруктозу протекает под действием фермента сахаразы (инвертазы). В организме человека он локализован в стенках тонкого кишечника. Пчелы с помощью этого фермента переводят сахарозу нектара в мед. Смесь глюкозы и фруктозы (инвертный сахар) плохо кристаллизуется, и густая консистенция концентрированного раствора этой смеси облегчает использование его пчелами в зимнее время. Название продукта гидролиза сахарозы – инвертный сахар – основано на том, что это превращение сопровождается инверсией (изменением направления вращения плоскости поляризованного света): сахароза вращает вправо, а эквимолярная смесь глюкозы (+53°) и фруктозы (−92°) – влево.

Лактоза  – это сахар, который содержится в молоке. Она состоит из молекулы галактозы и молекулы глюкозы, причем в образовании гликозидной связи принимает участие b- D -галактоза. Для сохранения привычной формы представления молекул сахаров для таких случаев используются разные способы условного изображения этой связи, один из которых показан на структурных формулах лактозы и целлобиозы. В кишечнике младенцев есть фермент лактаза, разлагающий лактозу на гексозы, но с возрастом его активность снижается. Кроме того, у взрослых перестает вырабатываться сычужный фермент, вызывающий коагуляцию казеина. Поэтому многие испытывают неприятные ощущения в кишечнике от молока, поскольку оно становится средой для развития гнилостных бактерий.

Соединение в одну молекулу большого числа моносахаридов приводит к образованию три-, тетра- и других олигосахаридов. Два основных полисахарида – это крахмал  и его разновидности, а также целлюлоза. Различие между этими продуктами поликонденсации глюкозы состоит в том, что крахмал, гликоген и другие запасные полисахариды построены из остатков a-глюкопиранозы, а целлюлоза – из b‑глюкопиранозы. Различие в геометрии гликозидных связей определяет и различие в свойствах этих изомерных полисахаридов. Молекула крахмала сворачивается в спираль, тогда как молекула целлюлозы стабилизируется водородными связями в линейном виде другими молекулами целлюлозы и образует очень плотно упакованные молекулярные пучки с высокой прочностью взаимного связывания, что и определяет роль этого полисахарида как конструкционного элемента клеточных стенок (не путать с мембранами) и внутреннего скелета растений. Степень поликонденсации целлюлозы зависит от локализации ее в растениях. В межклеточной среде, окружающей растительные клетки, содержится гемицеллюлоза, ее молекулы включают нескольких сот молекул глюкозы. Целлюлоза волокон хлопчатника построена из 2000–6000 молекул глюкозы, но есть и образцы целлюлозы с более высокими значениями молекулярных масс.

При гидролизе в присутствии кислот в жестких условиях целлюлоза превращается в глюкозу, правда, чистота этой глюкозы недостаточна для использования ее в пищевых целях. Тем не менее, она может служить сырьем для получения технического спирта при сбраживании ее дрожжами. В мягких условиях разбавленная соляная кислота (1,0–2,5 н.) гидролизует только нерегулярные участки в пучках ассоциированных молекул целлюлозы. При этом образуется так называемая микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ). В воде она сильно разбухает, и поэтому ее используют в пищевой промышленности в качестве загустителя соков и мороженного, а в производстве лекарственных средств МКЦ используют как наполнитель и для образования покрытий для таблетированных лекарств. Кроме того, ее можно принимать внутрь для создания эффекта насыщения и выведения из организма токсинов и ионов тяжелых металлов (набухшая МКЦ – это хороший сорбент).