3.6. Гликозиды

Среди всех производных моносахаров, безусловно, на первое место (как по степени значимости, так и по распространению в природе) следует поставить гликозиды. Гликозиды представляют собой моносахариды, в молекулах которых полуацетальный гидроксил замещен на какую-либо другую функциональную группу.

Из схемы 3.6.1 очевидно, что два атома кислорода при одном углероде как пиранозной, так и фуранозной форм моносахарида — это уже достаточное основание для создания существенного положительного заряда на этом атоме. Вследствие этого, для молекулы открываются две возможности реагирования: во-первых, облегчается диссоциация по связи с образованием соответствующего карбкатиона (кислотный катализ, термолиз), катионный центр которого стабилизирован взаимодействием с n-уровнем (неподеленной электронной парой) эндоциклического атома кислорода; во-вторых, достаточно большой положительный заряд на углероде создает благоприятную предпосылку

Схема 3.6.1

Схема 3.6.2

для непосредственной атаки его нуклеофильным реагентом. Другими словами, ожидается, что полуацетальный гидроксил пираноз и фураноз будет легко замещаться нуклеофильно как по механизму так и по механизму

В соответствии с общими закономерностями реакций нуклеофильного замещения, в случае реализации мономолекулярного механизма ожидается образование продукта реакции в виде смеси диастереомеров так как карбкатионный фрагмент переходного состояния молекулы плоский; если же процесс пойдет по синхронному бимолекулярному пути пространственная структура продукта будет зависеть от конфигурации исходного моносахарида: из a-формы образуется -гликозид, из -формы — а-гликозид, так как атака нуклеофила осуществляется в тыл связи и завершается обращением конфигурации реакционного центра. Поскольку моносахарид всегда будет существовать в растворе в виде таутомерной смеси а- и p-форм (не считая ациклической структуры), то независимо от механизма реакции мы, как правило, получим гликозид в виде изомерной смеси. Только лишь их соотношение будет варьироваться в зависимости от условий реакций и природы реагента. Но это все верно тогда, когда реакция проводится в колбе, т.е. in vitro.

Внутри живой клетки такой процесс катализируется ферментами, которые, как правило, работают стереоспецифично: это значит, что они будут избирательно вовлекать в реакцию какой-либо один из диастереомеров, а также осуществлять реакцию по какому-либо одному механизму, что в итоге приведет к продукту одной изомерной формы. Схематично такую реакцию можно представить, моделируя реагент и фермент (кофермент) в виде единой молекулы, на одном конце которой находится остаток фосфорной кислоты, катализирующий отщепление гидроксильной группы, на другом конце — нуклеофильный остаток (допустим, азотистого типа), атакующий электрофильный атом углерода. Синхронное воздействие каталитического(кислотного) и нуклеофильного фрагментов на электрофильный центр а-глюкопира-нозы приводит к соответствующему -гликозиду (схема 3.6.3).

Вполне возможно, что а-изомер большинства моносахаров более реакционноспособен хотя бы по причине стерической доступности его реакционного центра. Тогда следует ожидать, что большинство природных гликозидов будут относится к ряду -изомеров, так как их образование ферментативно катализируемо. Трудно проанализировать

Схема 3.6.3

все природные гликозиды на предмет принадлежности их к или -ряду в виду их многочисленности. Но все-таки создается впечатление, что р-диастереомеры все же более многочисленны. Так как а-изомерные формы часто также образуются исключительно стереоспецифично, следует предположить, что комплексирование каталитического сайта фермента и молекулы моносахарида чувствительно к исходной пространственной форме или пиранозы или фуранозы. Это возможно только при условии, что образование одних и тех же гликозидов различной конфигурации должно катализироваться различными ферментативными системами.

Для всех гликозидов характерно отсутствие таутомерных превращений в растворе, т.е. переход их в ациклическую форму невозможен, так как для этого процесса требуется подвижный атом водорода полуацетального гидроксила для преобразования последней в карбонильную группу. Второе общее свойство гликозидов — это достаточно легкая способность их к гидролизу в кислой среде, фактически являющемуся процессом, обратным реакции их образования.

Классификация гликозидов. Классифицируются гликозиды достаточно однозначно — согласно типу нуклеофила, заместившего полуацетальный гидроксил. Такой нуклеофил также называют агликоном. Если агликонами являются спирты или фенолы, то образующиеся гликозиды называют -гликозидами; серусодержащие нуклеофилы (меркаптаны, например) ведут к образованию -гликозидов; если нуклеофилом являлось соединение, генерирующее в ходе реакции карбанион, то полученный гликозид имеет структуру С-гликозида; и наконец, очень распространены в природе различные варианты образования -гликозидов в ходе замещения полуацетального гидроксила моносахаров азотистыми основаниями разного типа.

О-гликозиды в природных источниках представлены как довольно простыми молекулами по структуре агликона (в основном, это вещества растительного происхождения), так и очень большими и разнообразными по строению и биологическим функциям соединениями, включая целые биополимерные системы.

Т.к. О-гликозиды образуются при взаимодействии спиртов любой природы с циклической формой моносахарида, а последний сам по себе содержит вполне достаточное количество различных по состоянию гидроксильных функций (первичные, вторичные, полуацетальные), то вполне естественно, что Природа использовала возможность образования новых структур, новых связей и новых возможностей путем взаимодействий молекул моносахаридов между собой по схеме О-гликозидирования, без привлечения

Схема 3.6.4

других соединений. Такой путь всегда энергетически и материально наиболее экономичен. Результатом этих реакций являются дисахариды, олигосахариды и полисахариды, которые могут быть построены как из одинаковых моносахаридных звеньев (гомодетные), так и из различных моносахаридных звеньев (гетеродетные).

Дисахариды. Самый важный момент, который следует определить в структуре дисахарида после того как установлена природа его моносахаридных звеньев — это характер гликозидной связи: какая гидроксильная группа участвует со стороны моносахарида—агликона и какова конфигурация гликозидной связи или . Чаще всего реализуется связь 1-4, реже встречается гликозидная связь 1-6, еще реже — связь 1-3 (схема 3.6.4).

Образованные таким способом дисахариды называются восстанавливающими, так как фрагмент моносахарида— агликона содержит полуацетальный гидроксил свободным, что оставляет за ним способность к таутомерному превращению в ациклическую форму (имеется в виду раскрытие только агликонового цикла), которая и вступит в окислительно-восстановительную реакцию своей альдегидной группой.

В том случае, если дисахарид образован связью 1-1, т.е. моносахарид — агликон предоставляет для формирования гликозидной связи свой полуацетальный гидроксил — его относят к группе невосстанавливающих, так как таутомерного превращения, ведущего к ациклическому фрагменту с альдегидной группой, молекула не претерпевает и, следовательно, легких окислительно-восстановительных реакций от нее ожидать не приходится (схема 3.6.5).

Типичными представителями гетеродетных дисахаридов являются лактоза (молочный сахар) и сахароза (тростниковый сахар). Само название этих дисахаридов говорит о степени важности их для живых организмов и степени распространенности в живой системе. Лактоза представляет собой дисахарид, образованный из галактозы и глюкозы-агликона со связью , тогда как сахароза образована из глюкозы и фруктозы со связью

Схема 3.6.5

т.е. из этих данных следует, что лактоза является восстанавливающим дисахаридом, а сахароза — невосстанавливающим (схема 3.6.6).

Полисахариды также должны быть классифицированы как О-гликозиды, поскольку образуются точно по той же схеме и имеют ту же природу связывания моносахаридных звеньев между собой Само собой разумеется, что от О-гликозидов дисахаридного типа они отличаются количеством этих звеньев - многие природные полисахариды имеют весьма высокую степень полимерности (от десятков до десятков тысяч моносахаридных остатков). Поскольку полисахариды, как и все биополимеры — это все-таки больше объекты биохимии и химии высокомолекулярных соединений, мы приведем здесь лишь краткое описание основных типов макромолекул этого класса веществ.

Полисахариды в силу того, что они являются О-гликозидами, легко подвергаются кислотному гидролизу до моносахаридов Полисахариды, построенные из остатков одного моносахарида, называются гомополисахаридами (гликанами), а если они составлены из остатков различных моносахаридов — гетерополисахаридами, т.е. так же, как и в случае дисахаридов. Так же, как и в дисахаридах, связь между моносахаридными фрагментами может осуществляться по типу 1-4, 1-6, 1-3, 1-2 при конфигурациях гликозидного центра (за исключением варианта 1-11 гликозилгликозидной связи) Последнее и понятно, так как такая конденсация двух молекул моносахаридов

Схема 3.6.6

не оставляет свободного полуацетального гидроксила, способного взаимодействовать с третьей молекулой моносахарида и т.д., т.е. не оставляет возможности для реализации полимерного процесса (схема 3.6.7).

Схема 3.6.7

(см. скан)

Схема 3.6.7 (окончание)

О-гликозиды разные. Т.к. О-гликозиды образуются взаимодействием спирта (или фенола) с циклическим изомером моносахарида, то очень часто природные соединения со спиртовой группы существуют в растениях именно в такой связанной форме в виде гликозидов. Они могут быть извлечены из сырья в мягких условиях без изменения, а если в процессе обработки сырья используется кислая среда и нагревание, то естественно, что моносахариды и агликоны будут найдены в индивидуальном состоянии и о природе гликозида можно будет только рассуждать. Известны О-гликозиды стероидов: приблизительно у 11 семейств растений обнаружены такие производные, называемые сердечными гликозидами. Сердечные гликозиды образованы из моносахаридов

Схема 3.6.8

или олигосахаридов различной природы, связанных (З-гликозидной связью растительных стероидов (карденолида-ми и буфадиенолидами) через их спиртовую группу. В малых дозах они возбуждают деятельность сердечной мышцы, в больших дозах это сердечные яды.

Примером таких гликозидов может служить ланатозид А, найденный в одном из видов наперстянки (схема 3.6.8).

Другая интересная группа растительных О-гликозидов — это цианогенные гликозиды, агликоновый компонент которых образован из а-циангидринов. Их особенностью является способность выделять синильную кислоту при ферментативном гидролизе, которому они подвергаются чрезвычайно легко: появление запаха “горького миндаля" при использовании семян некоторых растений указывает на присутствие в них таких гликозидов и на начало реакции их распада (схема 3.6.9).

Схема 3.6.9

Циангидрины цианогенных гликозидов образуются из соответствующих аминокислот (нитрильная группа формируется из аминогруппы, карбоксильная группа уходит в виде в качестве сахарного остатка почти всегда фигурирует D-глюкоза, гликозидная связь которой имеет -конфигурацию (схемы 3.6.10 и 3.6.11).

S-гликозиды. S-гликозиды весьма немногочисленны, наиболее хорошо изучена группа глюкозинолетов (глю-козиды горчичного масла). Эти лечебные соединения легко расщепляются при действии ферментов, выделяя соответствующие изотиоцианаты и тио-цианаты, являющиеся причиной отравления при использовании растений,

Схема 3.6.10

Схема 3.6.11 (цианогенные гликозиды)

(см. скан)

содержащих эти гликозиды (схема 3.6.12).

Они содержатся во многих видах крестоцветных, максимум накопления тиогликозидов у большинства из них — в недозрелых семенах.

N-гликозиды. О степени важности для живых систем N-гликозидов говорить не приходится. Нуклеиновые кислоты, многие коферменты, макроэрги — вот те классы природных веществ, в основе которых лежит N-гликозидный фрагмент, играя при этом далеко не второстепенную роль. Можно утверждать, что нет живой клетки без N-гликозидов. Но при всем при этом, в структурном плане они представляют собой довольно локальный класс природных соединений, так как он ограничен сравнительно небольшим набором азотистых агликонов, а еще в большей степени — набором моносахаров, участвующих в их формировании. Поскольку основная масса N-гликозидов представлена фрагментами, составляющими базис нуклеиновых кислот, и именно эти гликозиды выделены на первичных этапах исследования состава и строения ДНК и РНК, то из них и образовали отдельную группу

Схема 3.6.12

под названием нуклеозиды. Нуклеозиды образованы всего двумя моносахаридами — D-рибозой и D-2-дезоксирибозой в своих фуранозных формах и небольшой серией азотистых гетероциклов (в качестве агликонов) с -конфигурацией гликозидного фрагмента (схема 3.6.13).

Схема 3.6.13

Азотистые агликоны нуклеозидов представлены двумя группами гетероциклов: производными пиримидина (урацил, тимин, цитозин) и производными пурина (аденин, гуанин). Пиримидин и пурин функционализированны и ОН-группами, но последний функционал претерпевает таутомерное превращение из гидроксиформы в соответствующую карбонильную функцию (лактим-лактамная таутомерия) — это равновесие в нейтральной среде сдвинуто в сторону пиридоновых форм, тогда как соли имеют гидроксипиридиновую структуру (схема 3.6.14).

Аминопиридиновый фрагмент этих нуклеиновых оснований также способен к таутомерному превращению (амин-енамин), равновесие обычно сдвинуто в сторону аминной формы.

Таким образом, нуклеозиды можно разделить на “нормальные” - те, которые содержат в гетероцикле карбонильные и аминные функции, и на “редкие” - те, которые содержат в гетероцикле гидроксильные и иминные функции (схема 3.6.14).

Схема 3.6.14

Механизм образования -гликозидов этого ряда может быть объяснен, основываясь на следующих предпосылках: как правило, моносахара в водных растворах предпочтительно существуют в -форме; во-вторых, все нуклеозиды при этом имеют -конфигурацию; и, наконец, поскольку образование -гликозида — это процесс нуклеофильного замещения, из двух таутомерных форм всех нуклеиновых оснований нуклеофильными свойствами обладают их лактимные формы. Учитывая все это, можно предположить, что реакция идет по механизму при котором электрофильный центр С атакуется атомом азота в пиридиновом валентном состоянии. А если учесть еще и то, что процесс должен реализоваться в очень мягких условиях живой клетки, можно предположить двойной катализ этой реакции — кислотный по полуацетальному гидроксилу и основной по фенольному гидроксилу. В принципе, он может быть реализован одной молекулой фермента, имеющей и кислотную, и основную функциональную группу (схема 3.6.15).

Аналогичным образом могут быть образованы -гликозиды — с участием аминокислот и других биогенных аминов. Так как аминокислоты в нейтральных условиях существуют преимущественно в цвиттер-ионной форме,

Схема 3.6.15

то катализатор-фермент двойственной природы (A-В), связывая кислотную функцию, активирует тем самым нуклеофильный реагент — а его кислотная функция будет синхронно активировать электрофильный центр (схема 3.6.16).

N-гликозиды, указанные на схеме 3.6.13 и называемые нуклеозидами, являются фрагментами, или, можно сказать, мономерными звеньями нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), которые связаны между собой фосфатными группами. Дезоксирибонуклеиновые и рибонуклеиновые кислоты, а также белки и полисахариды относятся к группе биополимеров, которые в настоящем издании мы рассматриваем очень кратко по причине вышеуказанной — это объекты физико-химии, химии ВМС и смежных областей биологии.

Схема 3.6.16

ДНК и РНК построены практически по одной схеме: полимерная цепочка представляет собой полиэфирфосфорной кислоты и моносахарида с боковыми ответвлениями в виде N-гликозидных фрагментов. Различаются они между собой природой моносахарида (в ДНК это D-2-дезоксирибоза, в РНК — D-рибоза) и набором оснований (нуклеофилов), образующих N-гликозидный фрагмент: в ДНК это тимин, цитозин, аденин, гуанин, в РНК — урацил, цитозин, аденин, гуанин (схема 3.6.17).

Эти небольшие казалось бы различия в структуре ДНК и РНК, в основном, сводятся к тому, что молекулы боковыми ответвлениями в виде N-гликозидных фрагментов. Различаются они между собой природой моносахарида (в ДНК это D-2-дезоксирибоза, в РНК — D-рибоза) и набором оснований (нуклеофилов), образующих N-гликозидный фрагмент: в ДНК это тимин, цитозин, аденин, гуанин, в РНК — урацил, цитозин, аденин, гуанин (схема 3.6.17).

Эти небольшие казалось бы различия в структуре ДНК и РНК, в основном, сводятся к тому, что молекулы ДНК являются более гидрофобными, а это, в свою очередь, приводит к тому, что в водной среде они проявляют тенденцию к агрегации, которая реализуется в виде двойной спирали. Двойная спираль ДНК построена на базе водородных связей между нуклеиновыми основаниями двух полимерных цепочек по схеме: тимин...аденин, цитозин...гуанин. Эти пары оснований представляют собой как бы “ступеньки веревочной лестницы", скрученной в виде спирали — это своего рода “винтовая лестница" (схема 3.6.18).

Схема 3.6.17

Схема 3.6.18

Водородные связи, образующие ступеньки этой “винтовой лестницы", уникальны по своей структуре — они являются кратными. Это двойная водородная связь в паре аденин-тимин и тройная связь в паре цитозин-гуанин (схема 3.6.19). Бесспорно, такие мостики прочнее ординарных водородных связей, но они по-прежнему слабее любых ковалентных связей.

Различные N-гликозиды. Различные N-гликозиды, близкие по структуре к вышеописанным нуклеозидам, выполняющие функции, отличные от функций ДНК и РНК, широко распространены в живом мире — одинаково и в растительном, и в животном. Прежде всего, укажем на аденозин-трифосфат (АТР) — основной макроэрг живой клетки, или другими словами — молекула, выполняющая роль аккумулятора энергии in vivo. Это лабильное соединение имеет одну важную особенность: первичная спиртовая группа рибозы фос-форилирована трижды и содержит вследствие этого трифосфорную группу, атомы фосфора которой имеют высокую степень электрофильности. Фосфорилированная часть молекулы АТР по своей структуре и свойствам похожа на фосфорный ангидрид , основной особенностью которого является высокоэкзотермичная реакция гидролиза. Взаимодействие АТР с нуклеофильными реагентами протекает легко и с выделением энергии (экзо-термично), которая была затрачена на его синтез — т.е. энергия уже была как бы запасена в этой молекуле (схема 3.6.20).

Схема 3.6.19

Схема 3.6.20

Аденозинтрифосфат участвует в большинстве метаболических реакций и является ключевым интермедиатом реакций in vivo, протекающих с переносом энергии запасенной им ранее. При гидролизе АТР на первом этапе

Схема 3.6.21

(см. скан)

Схема 3.6.22

(см. скан)

отщепляется концевая фосфатная группа и выделяется около 30 кДж/моль энергии. Образовавшийся аденозиндифосфат (АДР) может гидролизоваться до аденозинмонофосфата (АМР) с выделением еще некоторого количества энергии. Кроме того, фосфатные группы могут замещаться (опять же легко, т.е. экзотермично) другими нуклеофилами — например, аминокислотами с образованием ацилфосфатов, которые являются ангидридами по своей химической природе и могут, в свою очередь, легко вступать в другие биохимические реакции также с выделением энергии. Широко распространен в живых системах циклический изомер АМР, выполняющий функцию посредника в работе ряда гормонов и нервных медиаторов.

Среди N-гликозидов следует также особо отметить кофермент гликозидной структуры — его восстановленную форму), являющийся наиболее распространенным окислительно-восстановительным коферментом: он участвует в реакциях спиртокарбонильные превращения и др. Этот кофермент по химической структуре является дигликозидом (схема 3.6.21).

Другой интересный кофермент -гликозидной структуры — кофермент который участвует в биохимических реакциях переноса ацильного фрагмента in vivo и образует при биосинтезе большинства классов природных соединений интермедиат Co-S-CO-CH3. N-гликозидом является и ко-фермент S-аденозилмети-онин, осуществляющий перенос мети-леной группы в биосинтетических реакциях (схема 3.6.22).

Из всего вышесказанного о различных N-гликозидах ясно, что все они построены с участием аденина — поэтому часто их выделяют в отдельную группу.