Производные углеводов

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

Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы также широко используется в самых разных областях, включая фармацевтическую промышленность. Важную роль играют продукты этерификации целюлозы ангидридами уксусной и пропионовой кислот (они растворимы в органических растворителях), из которых получают упаковочные пленки. К сложным эфирам целлюлозы относится и ксантогенат, образующийся из натриевого производного целлюлозы и сероуглерода:

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

Сахара вступают также в реакции окисления. При этом могут быть получены три типа кислот. Если в молекуле глюкозы окисляется альдегидная группа, то это приводит к образованию глюконовой кислоты, которая в свободном виде превращается в лактон. Кальциевая соль глюконовой кислоты (глюконат) используется в фармации для покрытия дефицита по этому катиону. Окисление концевой С6-гидроксильной группы приводит к глюкуроновой кислоте. Она участвует в образовании многих биополимеров. Так, например, содержащийся наряду с гемицеллюлозой в межклеточной среде растений пектин (структурирующая основа мармелада) представляет собой полиглюкуроновую кислоту, часть карбоксильных групп которой этерифицирована метанолом. Дикарбоновая кислота на основе глюкозы называется глюкаровой. Это достаточно сильная кислота, используемая в фармации для образования солей с субстанциями основного характера. Она также образует лактон.

       Глюкуроновая           Лактон глюконовой            Глюкаровая кислота

       кислота                      кислоты

Важными структурными аналогами гексоз являются аминосахара, у которых одна из гидроксильных групп заменена аминогруппой. Так, по типу целлюлозы из N‑ацетилглюкозамина построен хитин – основа панциря членистоногих (насекомые, пауки, ракообразные).

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

Особого разговора заслуживает гепарин, состоящий в среднем из 80 сахаридных остатков, которые представлены чередующимися молекулами глюкуроновой кислоты, сульфатированной по гидроксильной группе у второго атома углерода, и глюкозамина, который сульфатирован по аминогруппе и по гидроксильной группе у шестого атома углерода. Пример фрагмента этого содинения:

Часть остатков глюкуроновой кислоты в гепарине заменена на остатки L ‑идуроновой кислоты, это эпимер глюкуроновой кислоты по пятому атому углерода, а у некоторых глюкозаминовых остатков сульфамидная группа может быть заменена ацетамидной.

Этот важный биополимер, образующийся в тучных клетках рыхлой соединительной ткани животных, выполняет ряд важных биологических функций. Более всего известна антикоагулянтная активность гепарина (препятствует свертыванию крови), и поэтому его вводят в состав средств для лечения заболеваний, связанных с тромбообразованием, но гепарин также участвует в развитии эмбриона, в процессе ангиогенеза (рост новых кровеносных сосудов), в развитии болезни Альцгеймера, кроме того, он выполняет сигнальные функции. Было установлено, что антикоагулянтная активность гепарина сохраняется при сокращении числа сахаридных остатков до 10 (пять пар приведенной выше структуры). Более того, такие олигосахаридные гепарины оказались более избирательными антикоагулянтами, лишенными некоторых побочных эффектов высокомолекулярного гепарина.

Еще одним натуральным антикоагулянтом является растворимый в воде белок гирудин, который выделяет в кровь медицинская пиявка. Гепарин и гирудин различаются по механизмам действия. Гепарин усиливает активность антикоагулянтного фактора крови III, тогда как гирудин блокирует фермент тромбин, участвующий в образовании белка фибрина. Как лекарственное средство гирудин по многим показателям превосходит гепарин, поскольку роль его ограничивается только предотвращением тромбообразования. Важно также, что в отличие от других белков гирудин не вызывает иммунной реакции. Понятно, что выделение достаточного для лекарственных целей количества гирудина из медицинских пиявок не представляется возможным. В связи с этим были проведены опыты по получению генетически модифицированных культур дрожжей и бактерий, которые продуцируют этот белок. Однако синтез белка в бактериях начинается с аминокислоты N-формилметионина, остаток которой добавляется к истинной структуре этого белка и делает его малоактивным; более активный гирудин синтезируют генетически модифицированные дрожжи. В то же время небольшой размер этого белка и хорошая растворимость в воде делает его идеальным объектом для экспрессии в системах, основанных на генетически модифицированных растительных клетках. Гирудин очень стабилен и легко определяется с помощью цветных реакций, что облегчает проведение аналитических исследований с его участием. Во всяком случае, в арсенале лекарственных средств уже появился препарат лепиридин, который полностью идентичен натуральному гирудину.

Особый интерес среди производных сахаров представляет аскорбиновая кислота (витамин С) – противоцинготный фактор и специфический регулятор многих окислительно-восстановительных реакций. В организмах многих животных, к числу которых относятся, например, морские свинки и приматы, нет биохимических систем, предназначенных для синтеза эндогенной аскорбиновой кислоты. В соответствии с этим аскорбиновая кислота обязательно должна содержаться в продуктах питания. Считается, что для человека оптимальная доза этого вещества равна 30-60 мг в сутки, хотя в организме крыс, которые не нуждаются во внешнем источнике аскорбиновой кислоты, она образуется в количестве около 7,5 мг в сутки, что в пересчете на вес человека соответствует ежедневной дозе примерно в 2000 мг. Аскорбиновая кислота представляет собой циклический лактон, кислотные свойства которого определяются енольной функциональной группой:

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

Поворот молекулы сорбита на 180° (вторая формула на схеме) показывает, что атом углерода, находившийся рядом с карбонильной группой в молекуле глюкозы, при окислении другого конца молекулы окажется в L -конфигурации. Окисление сорбита химическими способами при любом подборе известных защитных групп не дает высокого выхода продуктов, которые могут быть использованы для получения аскорбиновой кислоты. Поэтому в ее производстве на второй стадии используют биохимическое окисление. Сорбит содержится в ягодах рябины, где он служит субстратом для бактерии Acetobacter suboxydans. Ферментные системы этой бактерии избирательно дегидрируют сорбит до кетосахара L -сорбозы, которая включается в метаболизм этих бактерий:

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

Затем в щелочной среде можно окислить свободную гидроксиметильную группу, и после снятия защитных изопропилиденовых групп получить кетокислоту, для перевода которой в аскорбиновую кислоту проводят сначала реакцию этерификации, затем эфир обрабатывают метилатом натрия (идет внутримолекулярная переэтерификация и образование енольной формы) и подкисляют:

Отсутствие аскорбиновой кислоты в продуктах питания приводит к серьезным нарушениям обменных процессов, но такое тяжелое последствие этого, как цинга (другое название этой болезни скорбут), сегодня практически не встречается. Тем не менее, нельзя не принимать во внимание, что недостаток аскорбиновой кислоты приводит к снижению сопротивляемости организма по отношению к вирусным инфекциям, экстремальным нагрузкам, стрессам и др. Есть данные, свидетельствующие о положительной роли больших доз витамина С в профилактике и лечении простудных заболеваний. Так, например, известный ученый Л. Полинг рекомендовал при первых признаках простуды принимать несколько граммов витамина С.