WĘGLOWODANY I ICH PRZEMIANY

Rozdział 8
WĘGLOWODANY I ICH PRZEMIANY
Węglowodany są związkami organicznymi, zawierającymi w swoim składzie
grupę aldehydową lub ketonową oraz grupy hydroksylowe. Termin „węglowodany” jako pierwszy zaproponował w roku 1844 K. Schmidt, uznając ich cząsteczki
za „wodziany węgla”. Określenie to odnoszące się faktycznie do podstawowego
wzoru sumarycznego, CnH2nOn, nie odzwierciedla jednak pełnej różnorodności
budowy i funkcji węglowodanów, do których zaliczane są związki o zróżnicowanej
budowie i właściwościach chemicznych. Wśród nich są nisko- i wysokocząsteczkowe substancje krystaliczne i amorficzne, charakteryzujące się odmienną rozpuszczalnością w wodzie, różną podatnością na utlenianie oraz ograniczoną zdolnością do hydrolizy. Właściwości te, warunkowane chemiczną budową ich cząsteczek, decydują o udziale węglowodanów w procesach fizjologicznych oraz w budowie tkanek zwierząt i roślin.
Dla większości organizmów produkty przemian związków węglowodanowych
są źródłem energii niezbędnej do realizacji reakcji chemicznych zabezpieczających
ich podstawowe procesy życiowe. Takie cząsteczki węglowodanów określa się
jako zapasowe, podczas gdy przejściowe produkty ich utleniania, zużywane do
syntezy innych związków organicznych, stanowią formy czynne cząsteczek węglowodanów.
Prócz wymienionych podstawowych funkcji strukturalnych, energetycznych
i metabolicznych, przypisywanych cukrom prostym i ich polimerom, węglowodany zawierające reszty niecukrowe charakteryzuje dodatkowa specyficzność funkcjonalna. Na przykład grupowe substancje krwi są glikoproteinami, w których 80%
całej cząsteczki stanowi reszta cukrowa. Asymetryczna budowa cząsteczki, stereoizomery, tautomery i konformery decydują o ich specyficzności antygenowej. Oligocukrowe fragmenty glikoprotein i glikolipidów wysunięte na zewnątrz błon komórkowych pełnią funkcje receptorów, pośrednicząc w oddziaływaniu komórki
z toksynami białkowymi (np. cholery, tężca, błonicy, shygatoksyny), bakteriami
(np. pełzaczka jelitowa z oligosacharydami zawierającymi reszty mannozy) i wirusami (np. grypy). Struktury oligosacharydowych fragmentów immunoglobulin są
umiarkowanie konserwatywne, a ich powtarzające się jednostki determinują specyficzne oddziaływania węglowodorowo-białkowe między domenami cząsteczki
białka. Fragmenty oligosacharydowe zidentyfikowano u ponad 250 enzymów
współdziałających wybiórczo z lektynami, tj. białkami dającymi związki sprzężone
z węglowodanami. Z obecnego punktu widzenia węglowodany są cząsteczkami,
Rozdział 8. Węglowodany i ich przemiany
253
podobnie do kwasów nukleinowych i białek, zawierającymi informację biologiczną, tj. „zakodowanymi słowami w molekularnym języku życia”, co jest podstawą wyodrębnienia nowych kierunków w biochemii węglowodanów, czyli glikobiologii i glikotechnologii.
8.1. Budowa węglowodanów
W zależności od składu, budowy i właściwości, takich jak np. zachowanie się
podczas ogrzewania z rozcieńczonymi wodnymi roztworami kwasów, tzn. podatność na hydrolizę, węglowodany dzieli się na proste i złożone. Węglowodany proste nie ulegają hydrolizie, natomiast węglowodany złożone ulegają rozpadowi hydrolitycznemu dając cząsteczki cukrów prostych.
Węglowodany proste, monosacharydy, o wzorze CnH2nOn, nie ulegają hydrolizie
do form prostszych. Są kryształami o słodkim smaku, dobrze rozpuszczalnymi w wodzie. W zależności od położenia w cząsteczce grupy karbonylowej monosacharydy
mogą być scharakteryzowane jako polihydroksyaldehydy, zawierające grupę aldehydową, lub polihydroksyketony, zawierające grupę ketonową, oraz w przypadku każdej z nich – kilka grup alkoholowych (hydroksylowych). W zależności od liczby
atomów tlenu w cząsteczce dzieli się je na kilka grup, których nazwy utworzone są
od greckich liczebników z dodaniem końcówki -oza, charakterystycznej dla węglowodanów. Szereg węglowodanów prostych na ogół nazywamy monozami. Obecnie
znanych jest ponad 200 naturalnie występujących monoz.
Obecność asymetrycznych atomów węgla cząsteczek monosacharydów, decydująca o ich chiralności, nadaje tej grupie związków właściwości optyczne, przejawiające się różnym stopniem skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego.
Podobnie jak w przypadku innych związków aktywnych optycznie formy lustrzane
monosacharadów noszą nazwę antypodów optycznych, a ich równocząsteczkowe
mieszaniny nazywane są racematami. Stereoizomery monosacharydów odróżniające się przestrzennym rozmieszczeniem wodoru i grupy OH sąsiedniego z aldehydową grupą atomu węgla noszą nazwę epimerów. Większość monosacharydów
występuje naturalnie w konfiguracji D, skręcając płaszczyznę polaryzacji światła
spolaryzowanego w prawo, co związane jest ze specyficznym rodzajem ich biosyntezy w roślinach.
Do aldoz szeroko rozpowszechnionych w przyrodzie należą D-ryboza,
D-glukoza, D-mannoza, D-galaktoza:
Podstawy biochemii
254
O
O
C
C
O
C
H
OH
HO
H
H
H
HO
H
HO
H
OH
HO
H
OH
H
H
H
OH
H
H
OH
HO
H
OH
H
OH
H
CH2OH
H
OH
H
CH2OH
D(-)- Ryboza
O
C
H
CH2OH
D(+)-Glukoza
H
OH
OH
CH2OH
D(+)-Mannoza
D(+)-Galaktoza
Najczęściej występującymi ketozami są D-rybuloza i D-fruktoza, podczas gdy
z heptoz najszerzej rozpowszechniona jest D-sedoheptuloza:
H
O
O
O
H
CH2OH
CH2OH
CH2OH
H
HO
H
OH
HO
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
H
OH
H
OH
CH2OH
H
OH
CH2OH
D-Rybuloza
D-Fruktoza
D-Sedoheptuloza
Wszystkie wyżej wymienione ketozy, biorąc udział w licznych procesach metabolicznych w organizmie, szczególnie łatwo ulegają przemianom tautomerycznym.
Wyróżnia się dwa typy tautomerii monocukrów: ketoenolową i pierścieniowołańcuchową.
Tautomeria ketoenolowa monosacharydów polega na przejściu formy z tlenem
karbonylowym w grupie aldehydowej lub ketonowej w formę enolową z grupą OH
związaną z atomem węgla połączonym wiązaniem podwójnym. Taki rodzaj reakcji
nosi nazwę epimeryzacji, a uczestniczące w niej cząsteczki monosacharów, ulegające wzajemnym przekształceniom, określane są jako epimery.
Dla monosacharydów istotne znaczenie ma równowaga między formami pierścieniowymi (cyklicznymi) oraz łańcuchowymi (z otwartym łańcuchem atomów
węgla). Na obecność form cyklicznych monosacharydów po raz pierwszy zwrócił
uwagę A.A. Kolli (1870). Zamknięcie pierścienia spowodowane jest zbliżeniem się
do siebie grupy CO monosacharydu i grupy hydroksylowej atomu węgla oddalonego od niej o 3-4 miejsca. W wyniku połączenia atomu tlenu grupy karbonylowej
z atomem wodoru grupy alkoholowej powstaje nowa grupa hydroksylowa, tzw.
glukozydowa lub półacetalowa, z jednoczesnym utworzeniem mostka tlenowego
dającego początek 5- lub 6-członowemu heterocyklicznemu pierścieniowi furanowemu lub piranowemu:
Rozdział 8. Węglowodany i ich przemiany
255
6
CH2OH
CH2OH
H
6
HOH2C
5
H
OH H
4
3
2
OH OH H
O
H
H
HO
1
4
C
OH
Otwarta (aldehydowa)
forma glukozy
5
OH O
O OH
H
H
OH
H
1
3
2
H
H
OH
H
OH
H
H
OH
H
HO
Otwarta forma glukozy
z grupą ketonową i rodnikiem
alkoholowym u 5-go atomu węgla
Pierścieniowa (tlenowa)
forma glukozy
Atomy węgla pięcio- lub sześcioczłonowego pierścienia w cyklicznych formach
monosacharydu, mogą być przedstawiane z pominięciem grup bocznych w następujący sposób:
C
6
CH2OH
CH2OH
O OH
H
H
OH
H
H
OH
O
5CHOH
H
4
H
HO
H
Glukopiranoza
Glukopiranoza
OH
O
H
1
3
2
H
H
OH
OH
Glukofuranoza
Liniami pogrubionymi oznaczone są wiązania znajdujące się w pierścieniu pomiędzy atomami węgla skierowanymi na zewnątrz jego płaszczyzny, a cieńszymi
pozostałe, znajdujące się po jej odwrotnej stronie. Atomy wodoru i grupy OH rozmieszczone są w górę i w dół od płaszczyzny pierścienia.
Zamknięcie pierścienia powoduje utworzenie dodatkowego asymetrycznego atomu węgla powstającego z grupy karbonylowej, co prowadzi do pojawienia się dwóch
nowych izomerów optycznych. W przypadku gdy grupa hydroksylowa przy CH2OH
skierowana jest w tę samą stronę co grupa hydroksylowa CHO przy przedostatnim
atomie węgla monosacharydu określającym jego przynależność do szeregu D lub L
odmiana izomeryczna nosi nazwę formy α. Przeciwległe ułożenie grup karboksylowych prowadzi do utworzenia formy β. Formy izomeryczne α- i β-, przykłady których przedstawiono poniżej określane są jako anomery (z grec. ana – do góry, od
zwyczajowego ułożenia rodników przy pierwszym atomie węgla):
6
CH2OH
5
CH2OH O
4
H
H
H
3
2
HO
OH
1
H
OH
α-D-Rybofuranoza
CH2OH O
H
H
H
HO
OH
H
4
H
OH
β-D-Rybofuranoza
HO
CH2OH
O H
5
H
OH
H
1
3
2
OH
H
OH
α-D-Glukopiranoza
H
O OH
H
OH
H
H
OH
HO
H
β-D-Glukopiranoza
Podstawy biochemii
256
Zarówno ketozy, jak i aldozy tworzą formy pierścieniowe. Przykładem może
być pierścieniowo-łańcuchowa przemiana fruktozy, cząsteczka której może występować w postaci czterech form pierścieniowych pozostających w dynamicznej
równowadze z formą łańcuchową (rys. 8.1).
H
HO
O OH
6
H
5
H
H
H
OH
4
3
OH
H
H
H
2
1CH
CH2OH
O
β-D-Fruktopiranoza
HO
H
4
3
OH
H
1CH
β-D-Fruktofuranoza
H
OH
H
OH
D-Fruktoza
2OH
OH
OH
OH
H
α-D-Fruktofuranoza
H
CH2OH
6
O CH OH
2
HO
2OH
CH2OH O
OH
5
H
OH 2
H
CH2OH O
CH2OH
H
OH
H
OH
OH
H
α-D-Fruktopiranoza
Rys. 8.1. Schemat dynamicznej równowagi czterech cyklicznych form fruktozy
Zazwyczaj formy cykliczne monosacharydów znajdujących się w roztworach
występują w przewadze w porównaniu z formą łańcuchową, przy czym jedna
z nich zawsze w ilości większej od pozostałych. Spośród czterech cyklicznych
form D-glukozy zdecydowaną przewagę wykazuje β-D-glukopiranoza (64%), podczas gdy zawartość jej formy aldehydowej w równowagowej mieszaninie wynosi
tylko 0,024%. Podobnie znikoma jest w mieszaninie ilość α- i β-glukofuranozy,
tak że pozostałą ilość reprezentuje anomer α. Na ogół formy piranozowe przeważają nad formami furanozowymi.
Równowaga pierścieniowo-łańcuchowa monosacharydów warunkuje ich interesującą właściwość. Monosacharydy w stanie krystalicznym mogą mieć tylko formę
cykliczną. W zależności od warunków przebiegu procesu krystalizacji ulega tylko
forma α lub β. Krystalizacja glukozy z wodnego roztworu prowadzi do formy α,
natomiast z roztworu pirydynowego do formy β. Po rozpuszczeniu α-D-glukozy
w wodzie początkowa wielkość kąta skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego wynosi +112,2o i z czasem zmniejsza się, osiągając wartość +52,5o. Analogiczna wielkość początkowa roztworu β-D-glukozy wynosząca +17,5o z czasem
ulega podwyższeniu do +52,5o. Zmiany stopnia skręcalności właściwej obu form
Rozdział 8. Węglowodany i ich przemiany
257
izomerycznych prowadzące do ustalenia pomiędzy nimi stanu równowagi określane są terminem multirotacji (od łac. multum – wiele, rotatio – obrót) lub mutarotacji. Skręcalność właściwa roztworu cukrów w stanie równowagi jest wartością stałą
dla danej cząsteczki i w przypadku glukozy wynosi +52,5o.
Formy konformacyjne węglowodanów charakteryzuje duża różnorodność. Wiadomo, że sześcioczłonowe związki alicykliczne, takie jak cykloheksan, mogą
przyjmować różne formy geometryczne bez naruszenia długości wiązań walencyjnych i kątów między nimi, czyli mogą występować jako izomery konformacyjne.
Podobnie monosacharydy o strukturze piranowej charakteryzuje obecność izomerów konformacyjnych, podczas gdy cząsteczka cykloheksanu może tworzyć tylko
dwie formy konformacyjne, typu krzesła i typu łódki:
Krzesło (w skrócie C –
od ang. Chair – krzesło)
Łódka (w skrócie BOd ang. Boat – łódź)
Piranozowe formy monosacharydów dzięki obecności w pierścieniu sześcioczłonowym heteroatomu tlenu, występują w ośmiu odmianach konformacyjnych,
dwóch typu krzesła i sześciu typu łódki (rys. 8.2).
Z przedstawionych ośmiu form konformacyjnych pierścienia piranozowego
najbardziej stabilne są odmiany krzesłopodobne. Z kolei energetycznie korzystniejszą formą jest izomer C1, w którym wszystkie podstawniki zorientowane są równikowo w odniesieniu do płaszczyzny pierścienia. Właśnie dlatego większość monosacharydów przyjmuje formę C1, np.:
H
H
HO
HO
CH2OH
H
HO
H
H
CH2OH
O
H
HO
H
OH
OH
α-D-Glukoza
(36% w mieszaninie równowagowej)
H
H
O
OH
OH
H
β-D-Glukoza
(64% w mieszaninie równowagowej)
Równowaga pierścieniowo-łańcuchowa monosacharydów uwarunkowana jest
jednoczesną obecnością w ich cząsteczkach grupy CO oraz rodników alkoholowych i zależy od reaktywności chemicznej grupy hydroksylowej powstającej podczas tworzenia cyklicznych form cząsteczek. W porównaniu z innymi grupami
hydroksylowymi, grupa hydroksylowa C1 bierze aktywny udział w reakcjach chemicznych dając pochodne cyklicznych monosacharydów, tzw. glikozydy, otrzyma-
Podstawy biochemii
258
ne w wyniku podstawienia atomu wodoru rodnikiem, tzw. aglikonem. Przykładami
takich związków są α- i β-metyloglikozydy.
1
4
O
5
3
3
O
3
2
2
4
1
C1
1C
Konformacja typu krzesła
1
4
2
4
1
3
O
3
5
2
O
3
O
O
O
4
1
B2
3
3
2
4
1
1B
5
4
5
2
5
B1
2
O
3
5
5
1
4
2
1
2B
B3
3B
Konformacja typu łódki
Rys. 8.2. Konformacje cząsteczki monosacharydu
Przykładem aglikonu w naturalnych glikozydach, charakteryzujących się zazwyczaj dużą aktywnością fizjologiczną, mogą być pochodne steroidowe glikozydów roślinnych. Są to zazwyczaj mocne trucizny chroniące rośliny przed niekorzystnym działaniem wirusów i patogenów. Zastosowanie w medycynie znalazła
większość z dużej ilości glikozydów morskich bezkręgowców charakteryzujących
się różnorodnością składnika aglikonowego. Złożone węglowodany są również
typowymi glikozydami.
Monosacharydy wchodzą we wszystkie typowe reakcje z udziałem grupy aldehydowej i rodników alkoholowych. Charakterystycznymi reakcjami grupy aldehydowej są utlenianie i redukcja, podstawienia tlenu grupy karbonylowej oraz reakcja
polikondensacji. Grupy hydroksylowe uczestniczą w tworzeniu eterów i estrów
oraz w innych reakcjach znanych z kursu chemii organicznej. W biochemii szczególnie znaczenie mają reakcje utleniania-redukcji monosacharydów oraz reakcje
tworzenia ich estrów fosforanowych.
Podczas łatwo zachodzących reakcji utleniania lub redukcji glukozy można
otrzymać kwas lub alkohol:
Rozdział 8. Węglowodany i ich przemiany
O
CH2OH
H
C
OH
HO
H
+[H]
H
HO
259
O
C
H
OH
H
OH
OH
HO
+[O]
H
O
C
H
OH
OH
OH
+[O]
HO
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
H
H
OH
O
CH2OH
CH2OH
D-Glukoza
Kwas D-glukonowy
CH2OH
D-Sorbit
C
OH
Kwas D-cykrowy
Z estrów kwasu fosforowego bardzo ważne znaczenie mają glukozo-1-fosforan,
glukozo-6-fosforan, fruktozo-1,6-difosforan i rybulozo-5-fosforan:
OH
OH
CH2 O
P
CH2OH
H
H
OH
OH
O H
O
H
OH
H
OH
OH
H
HO
H
P
OH
Glukozo-1-fosforan
O
O H
HO
CH2OH
P
CH2
OH
Glukozo-6-fosforan
OH
O
H
OH
O
O
O
H
HO
H
O
H
CH2 O
OH
H
P
OH
H
OH
CH2 O
OH
HO
H
O
OH
P
O
OH
OH
Fruktozo-1,6-difosforan
Rybulozo-5-fosforan
Związki te biorą aktywny udział w procesach biochemicznych przebiegających
w żywych organizmach. Fosforylowanie, polegające na wprowadzeniu do cząsteczki monosacharydu reszty kwasu fosforowego, stanowi etap przygotowawczy
zarówno do rozpadu węglowodanów prostych, jak i do biosyntezy węglowodanów
złożonych. Fosforylowanie monosacharydów sprzyja ich przejściu z formy cyklicznej w formę łańcuchową.
Ważnymi przedstawicielami monosacharydów ze względu na pełnione funkcje
są ryboza, glukoza, mannoza, galaktoza i fruktoza. D-ryboza w postaci β-Dfuranozy wchodzi w skład kwasów nukleinowych jako strukturalny element nukleotydów. Temperatura topnienia krystalicznej rybozy wynosi 87oC, a skręcalność
właściwa 23,7o. W wyniku redukcji rybozy powstaje pięcioatomowy alkohol –
rybitol, biorący udział w budowie wielu związków bioaktywnych:
Podstawy biochemii
260
CH2OH O
H
H
H
HO
OH
H
+2H
H
H
HOH2C
H
CH2OH
OH OH OH
OH
β-D-Rybofuranoza
D-Rybitol
D-glukoza jest jednym z najszerzej rozpowszechnionych monosacharydów.
W stanie krystalicznym po raz pierwszy otrzymano ją na drodze chemicznej w wyniku hydrolizy ekstraktów skrobiowych (K. Kirchgoff, 1811), a około ćwierć wieku później Jean-Baptiste-André Dumas nazwał go glukozą. W organizmach występuje w stanie wolnym lub w związanym, stanowiąc podstawową jednostkę budulcową, m.in. dla sacharozy, skrobi i celulozy. Tworzy kryształy o Ttop = 146oC dla
α-glukopiranozy, i 148-150oC dla β-glukopiranozy. Podczas ogrzewania roztworu
D-glukozy w pirydynie forma α (skręcalność właściwa +112,2o) przekształca się
w formę β (skręcalność właściwa +17,5o). W związku z tym z roztworów wodnych
i alkoholowych wykrystalizowuje się α-D-glukopiranoza, natomiast z roztworów
pirydyny – β-D-glukopiranoza. Podczas redukcji glukozy powstaje D-sorbitol,
a w wyniku utleniania kwas D-glukonowy, a następnie kwas cukrowy.
D-galaktoza wchodzi w skład szeregu węglowodanów złożonych, w tym
w skład cukru mlecznego. Krystalizuje w postaci monohydratu. Bezwodne kryształy ulegają topnieniu w temperaturze 164oC a skręcalność właściwa wynosi +81o.
D-mannoza jest składnikiem węglowodanów złożonych, tzw. mannanów
wchodzących w skład glikoprotein i śluzów błon komórek roślinnych. Temperatura
topnienia mannopiranozy wynosi 132oC. Stopień skręcalności właściwej form α i β
wynosi odpowiednio, +30o i – 17o, a jego wartość końcowa w stanie równowagi
+14,5o.
D-fruktoza występuje w stanie wolnym, np. jako składnik miodu oraz jako
składnik węglowodanów złożonych (sacharoza i niektóre makrocząsteczkowe fruktozany). Jest 2,5-krotnie słodsza od glukozy i 1,7 od sacharozy. Bezwodna, ulega
topnieniu w temperaturze 102-104oC. Ponieważ lewoskrętność kąta skręcania
płaszczyzny światła spolaryzowanego w stanie równowagi obu izomerów sięga aż
-92o początkowo cukier ten nazywano lewulozą.
Ostatnio pojawiają się informacje na temat nowej grupy monosacharydów, którą określa się jako kwasy glikolaktylowe. Związki te składają się z reszt monosacharydów i kwasu mleczkowego połączonych wiązaniem eterowym (od łac. acidum lacticum – kwas mleczkowy, pochodzi drugi człon nazwy). Najważniejszym
przedstawicielem kwasów glikolaktylowych jest kwas muramowy:
Rozdział 8. Węglowodany i ich przemiany
261
CH2OH
H
O
H
O H
H
OH
HO
H
HOOC
CH
NH2
CH3
Występuje w postaci kryształów o Ttop = 150-155oC, a w zależności od pH środowiska skręcalność właściwa wodnego roztworu wynosi 103-123o. Kwas
N-acylomuramowy jest składnikiem peptydoglikanów ścian komórkowych bakterii.
Węglowodany złożone. Do kategorii złożonych należą węglowodany, które
w wyniku hydrolizy dają cząsteczki cukrów prostych. Ich ogólny wzór można
przedstawić jako CmH2nOn, gdzie m > n. Ze względu na ilość reszt cukrów prostych
wchodzących w skład ich cząsteczek węglowodany złożone można podzielić na
dwie grupy:
1. Oligosacharydy – charakteryzujące się stosunkowo niewielką masą molekularną, sięgającą kilkaset Da, dobrą rozpuszczalnością w wodzie oraz szybką krystalizacją, mają zazwyczaj słodki smak. Ich cząsteczki składają się z niewielkiej ilości
reszt cukrów prostych, dlatego też od greckiego słowa oligos (mały, nieliczny)
nazywane są oligosacharydami.
2. Polisacharydy – to związki wielkocząsteczkowe, utworzone z reszt węglowodanów prostych o masie molekularnej wynoszącej około sto tysięcy Da. Poza
nielicznymi wyjątkami o budowie krystalicznopodobnej nie tworzą prawidłowych
struktur kryształów. Polisacharydy albo nie rozpuszczają się w wodzie, albo tworzą
roztwory, które swoimi właściwościami przypominają układy koloidalne, co można tłumaczyć dużą masą molekularną ich cząsteczek. Z reguły nie charakteryzuje
ich słodki smak.
Oligosacharydy. W zależności od ilości reszt monosacharydów wchodzących
w skład ich cząsteczki wyróżnia się disacharydy, trisacharydy itd. Najistotniejsze
znaczenie w związku z szerokim rozpowszechnieniem w przyrodzie oraz ze względu na pełnione funkcje przypisuje się disacharydom.
Disacharydy są gikozydami powstającymi poprzez połączenie dwóch reszt monosacharydów. W przypadku, gdy reszty monosacharydów zostają połączone przez
swoje półacetalowe grupy hydroksylowe, powstające związki nazywamy glukozydo-glukozydami. Jeżeli wiązanie glikozydowe zostaje utworzone pomiędzy innymi
niż wymienione grupy karboksylowe, powstają glukozydo-glukozy. Cząsteczki
cukrów utworzone w ten sposób określa się jako typ trehalozy i maltozy:
Podstawy biochemii
262
6
CH2OH
H
4
HO
H
O H
5
H
OH
H
3
2
H
OH
O
1
CH2OH
4
O
6 OH
HOH2C
1 OH
4
H
H
H
2
3
H
OH
H
H
OH
CH2OH
O H
H
H
O H
H
OH
H
H
OH
OH
O
HO
H
Trehaloza
(α-D-glukopiranozydo-αD-glukopiranozyd) - disacharyd
typu glukozydo-glukozyd
OH
Maltoza
(α-D-glukopiranozydo-4-αD-glukopiranoza) - disacharyd
typu glukozydo-glukoza
Odpowiednio do swojej budowy chemicznej disacharydy typu trehalozy (glukozydo-glukozydy) i typu maltozy (glukozydo-glukozy) charakteryzują się odmiennymi właściwościami. Pierwsze z nich nie uczestniczą w reakcjach, z udziałem grupy aldehydowej i ketonowej, czyli nie ulegają utlenieniu, redukcji, nie tworzą osazonów, nie biorą udziału w reakcji polikondensacji oraz nie ulegają mutarotacji. Wszystkie wymienione reakcje są natomiast charakterystyczne dla disacharydów typu maltozy. Przyczyną tej odmienności jest wspomniana wyżej różnica
struktur cząsteczek obu typów disacharydów oraz właściwości wchodzących w ich
skład reszt monosacharydów. Tylko dwucukry typu maltozy istnieją w równowadze pierścieniowo-łańcuchowej prowadzącej do utworzenia wolnej grupy aldehydowej lub ketonowej charakteryzującej się specyficznymi właściwościami:
CH2OH
H
H
OH
CH2OH
CH2OH
O H
H
H
HO
H
OH
O H
H
OH
O
H
OH
H
H
OH
H
OH
CH2OH
O H
H
H
HO
OH
H
OH
H
H
OH
O
H
OH
C
O
H
W przypadku disacharydów typu trehalozy, u których dwie glukozydowe grupy
hydroksylowe biorą udział w utworzeniu wiązania pomiędzy resztami monosacharydów, nie jest możliwe otwarcie cząsteczki.
Z udziałem grup OH obydwa typy disacharydów dają jednakowe reakcje. Tworzą estry i etery oraz oddziałują z hydratami tlenków metali (np. rozpuszczając
Cu(OH)2).
Spośród wielu naturalnie występujących disacharydów istotną rolę odgrywają
trehaloza, maltoza, sacharoza, celobioza i laktoza.
Sacharoza jest disacharydem typu glukozydo-glukozyd składającym się z reszt
α-D-glukopiranozy i β-fruktofuranozy. Podczas hydrolizy ulega rozpadowi na
α-D-glukozę i β-D-fruktozę. Sacharoza jest jednym z disacharydów najbardziej
rozpowszechnionych w przyrodzie, a w związku z występowaniem w trzcinie cukrowej i w burakach cukrowych znana też pod nazwą cukru trzcinowego lub bura-
Rozdział 8. Węglowodany i ich przemiany
263
czanego. W porównywalnie mniejszych ilościach spotykana jest w sokach wielu
roślin, m.in. klonu, brzozy i palmy.
Sacharoza ulega krystalizacji (Ttop = 184oC), dobrze rozpuszcza się w wodzie,
a słabo w alkoholu etylowym. Jej roztwory nie mutarotują, chociaż wykazują zdolność skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego w prawo, osiągając skręcalność właściwą [α]D = 66,5o, gdzie [α]D oznacza wartość kąta skręcania [α], mierzonego w świetle spolaryzowanym przy długości fali λD = 588 nm, odpowiadającej długości fali widma atomu sodu. Stężenie cukru w roztworze mierzy się za
pomocą polarymetru skalowanego wielkościami wskazującymi procentową zawartość cukru w roztworze.
Ponieważ produkty hydrolizy sacharozy posiadają odmienne kierunki skręcania
płaszczyzny światła spolaryzowanego (w stanie równowagi +52,5o dla glukozy
i -92o dla fruktozy) końcowa skręcalność właściwa po hydrolizie jest ujemna.
W związku z tym zhydrolizowaną sacharozę nazwano cukrem inwersyjnym, a sam
proces hydrolizy – inwersją (od łac. inversio – przewrócenie, przestawienie).
Maltoza jest disacharydem typu glukozydo-glukoz i składa się z dwóch reszt
α-D-glukopiranozy, połączonych wiązaniem glikozydowym w pozycjach 1,4. Wiązanie tego typu nazwano wiązaniem α-1,4-glikozydowym. Maltozę otrzymuje się
w wyniku hydrolitycznego rozpadu skrobi, wykorzystując aktywność enzymu zawartego w dużych ilościach w przerośniętych ziarnach jęczmienia, które następnie
wysuszone i rozdrobnione stanowią słód. Od jego nazwy przyjętej z języka angielskiego (malt), utworzono określenie maltoza.
Maltoza krystalizuje z wodnych roztworów w postaci monohydratu, który nie ma
określonego punktu topienia. Bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie, a jej roztwory
wykazują mutarotację, ponieważ dzięki tautomerii pierścieniowo-łańcuchowej stopniowo zachodzi przekształcanie się wyjściowej cząsteczki, początkowo w formę policykliczną, a następnie w inne formy tautomeryczne zawierające β-modyfikację lub
α- i β-glukafuranozowe formy cykliczne zamiast α-D-glukopiranozy. W stanie równowagi skręcalność właściwa wynosi +136o.
W organizmach roślinnych i zwierzęcych maltoza powstaje jako produkt hydrolizy, odpowiednio skrobi lub glikogenu, i może występować w stanie wolnym.
Podczas hydrolizy ulega rozpadowi się na dwie cząsteczki glukozy.
Celobioza, podobnie jak maltoza, składa się z dwóch reszt D-glukozy i należy
do disacharydów typu glukozydo-glukoz. Budowa jej cząsteczki różni się od budowy cząsteczki maltozy tylko tym, że wiązanie glikozydowe między resztami
monosacharydów utworzone jest przy udziale grupy karboksylowej w pozycji β,
w związku z czym cząsteczka celobiozy charakteryzuje się obecnością wiązania
β-1,4-glikozydowego:
Podstawy biochemii
264
CH2OH
H
CH2OH
O
H
OH
H
O
H
O OH
H
OH
H
H
OH
H
H
HO
OH
H
Celebioza
(β-D-glukopiranozydo4-D-glukopiranoza)
Celobioza dobrze krystalizuje i rozpuszcza się w wodzie, natomiast słabo w alkoholu etylowym. Wykazuje mutarotację ([α]D = +34,6o), utlenia się i jest dobrym
reduktorem. Tworzy charakterystyczny osazon, a w wyniku hydrolizy daje cząsteczki D-glukozy.
Celobioza jest szeroko rozpowszechniona w świecie roślinnym i spotykana
w przerośniętych nasionach, pestkach moreli, w oskolu drzew. Powstaje podczas fermentacyjnej hydrolizie celulozy, z której zbudowane są błony komórek roślinnych.
Laktoza jest β-D-galaktopiranozydo-4-D-glukopiranozą:
CH2OH
O
OH
H
OH
CH2OH
H
O
H
H
OH
O H
H
OH
H
H
H
OH
H
OH
Laktoza
Zawarta jest w ilości 5-8% w mleku wszystkich ssaków, w związku z czym nazywa się ją cukrem mlecznym i przypisuje znaczącą rolę w procesach odżywiania.
Występuje także w organach roślin, gdzie odnaleziono ją m.in. jako składnik komórek pręcikowych. Laktoza słabo rozpuszcza się w wodzie, można ją otrzymać
drogą odparowania serwatki mleka. Krystalizuje w postaci monohydratu o temperaturze topnienia 202oC, dając – w odróżnieniu od innych disacharydów – kryształy niehigroskopijne. W związku z tym, że reszty glukozy wchodzące w skład jej
cząsteczki posiadają wolne glikozydowe grupy karboksylowe, laktoza występuje
w odmianach izomerycznych α i β, które w wyniku mutarotacji tworzą mieszaninę
równowagową o skręcalności właściwej +52,2o.
Polisacharydy. Do polisacharydów należą substancje zbudowane z dużej liczby
reszt monosacharydów lub ich pochodnych. Jeżeli polisacharyd zbudowany jest
z reszt jednego rodzaju monosacharydu, nazwany jest homopolisacharydem.
W przypadku, gdy składa się z dwóch lub więcej rodzajów monosacharydów rozmieszczonych w cząsteczce z różną regularnością nazywany jest heteropolisacharydem.
Rozdział 8. Węglowodany i ich przemiany
265
Do najważniejszych naturalnie występujących homopolisacharydów należy
skrobia (krochmal), glikogen (krochmal zwierzęcy), celuloza, dekstran i chityna.
Pierwsze cztery polisacharydy dają w wyniku hydrolizy tylko D-glukozę, natomiast ostatni uwalnia jej pochodne – N-acetyloglukozaminy. Oprócz wymienionych do homopolisacharydów zalicza się także, m.in. inulinę hydrolizującą do
fruktozy, mannon do mannozy, galakton do gaklaktozy, araban do arabinozy. Nazwy tych polisacharydów pochodzą od końcowych produktów rozszczepienia ich
cząsteczek.
Do najważniejszych naturalnych heteropolisacharydów zalicza się kwasy hialuronowy i chondroitynosiarkowy, heparynę, otoczkowe polisacharydy bakterii,
agarozę, porfirany oraz karaginany czerwonych wodorostów, a ponadto kwasy
alginowe wodorostów brunatnych i strukturalne polisacharydy pierwotniaków.
Różnorodność budowy chemicznej polisacharydów decyduje o ich zróżnicowanym znaczeniu biologicznym. Większość z nich, jak np. skrobia, glikogen czy
inulina, pełni funkcje zapasowych substancji odżywczych w organizmach roślin
i zwierząt. Takie jak kwas chondroitynosiarkowy, polisacharydy otoczkowe i celuloza budują substancje podporowe oraz pełnią funkcje ochronne. Mannany i galaktany stanowią materiał budulcowy i odżywczy. Kwas hialuronowy jest ważnym
składnikiem substancji międzykomórkowej tkanki łącznej, a oprócz funkcji strukturalnej odgrywa ważną rolę w przebiegu procesów fizjologicznych związanych
m.in. z zapłodnieniem. Funkcja heparyny polega na zapobieganiu krzepnięcia krwi.
W wielu przypadkach polisacharydy tworzą z białkami trwałe i silne kompleksy
glikoproteinowe o istotnym znaczeniu dla prawidłowego przebiegu wielu procesów fizjologicznych organizmów.
Budowa chemiczna polisacharydów charakteryzuje się jednolitym typem układu różnej liczby (od stu do dziesięciu tysięcy) reszt monosacharydów i ich pochodnych połączonych za pomocą mostków tlenowych utworzonych pomiędzy
glikozydową grupą hydroksylową jednego monosacharydu i grupą alkoholową
drugiego, najczęściej w pozycji 4 (w cząsteczkach liniowych) lub 4 i 6 (w cząsteczkach rozgałęzionych).
Polisacharydy porównywalnie łatwo hydrolizują podczas gotowania w rozcieńczonych roztworach kwasów lub w trakcie inkubacji z odpowiednimi enzymami.
Zasady nie hydrolizują polisacharydów, w związku z czym glikogen ogrzewany
w ciągu kilku godzin w 30-procentowym roztworze zasady nie ulega rozkładowi.
Zjawisko to stanowi podstawę metod ilościowego oznaczania tego związku. Charakterystyczne są przypadki hydrolizy fermentacyjnej polisacharydów, takich jak
skrobia czy celuloza, z których w wyniku tego procesu tworzą się disacharydy
(odpowiednio maltoza i celobioza), podczas gdy w trakcie niespecyficznej hydrolizy w środowisku kwaśnym powstają monosacharydy (D-glukoza).
Skrobia (krochmal) – jeden z najbardziej rozpowszechnionych polisacharydów
zapasowych organizmów roślinnych. Intensywnie gromadzony w wyniku fotosyntezy jest następnie odkładany w nasionach, bulwach i innych częściach roślin. Na-
266
Podstawy biochemii
siona i bulwy zawierają 40-70% skrobi, inne części roślin 4-25%. Podczas hydrolizy w środowisku kwaśnym skrobia ulega rozkładowi z utworzeniem
D-glukozy, która jest jej elementem strukturalnym oraz niewielkiej ilości glukozo6-fosforanu, w związku z tym, że wszystkie rodzaje skrobi zawierają 0,02-0,16%
fosforu. Glukoza wchodzi w skład cząsteczek skrobi w postaci α-D-glukopiranozy.
Skrobia składa się z dwóch frakcji, różniących się budową i właściwościami.
Około 20% całości cząsteczki stanowi amyloza (od grec. amilon – krochmal), natomiast pozostała część przypada na drugą frakcję, tzw. amylopektynę (od grec.
pektos – galaretopodobny). Stosowana w tym przypadku terminologia odzwierciedla niektóre właściwości obu frakcji. Amylopektyna słabo rozpuszcza się w gorącej wodzie, dając gęsty roztwór, zwany kleikiem skrobiowym, który podczas
ochładzania tężeje utrzymując galaretowatą konsystencję. Amyloza dobrze rozpuszcza się w ciepłej wodzie nie tworząc kleiku. Wykorzystując tę właściwość
amylozę oddziela się od amylopektyny, poprzez wypłukiwanie ciepłą wodą. Mieszaninę amylozy i amylopektyny rozdziela się także wykorzystując zdolność amylozy do osadzania się pod wpływem alkoholu butylowego w gorących roztworach
etanolu. Metodami chromatograficznymi można wymywać amylozę ze skrobi przy
użyciu kolumn wypełnionych fosforanem wapnia i buforów fosforanowych, pozostawiając amylopektynę na nośniku.
Różne są masy molekularne obu frakcji. Metodą fitracji na żelach Sephadex
G-200 i Sepharose 2B w preparatach nie ulegających degradacji podczas rozdziału
stwierdzono, że masa molekularna amylozy wynosi od 100.000 do 400.000 Da, podczas gdy amylopektyny przewyższa zazwyczaj 20⋅106 Da. Przy czym skrobia ziemniaczana rozdzielana jest na dziewięć frakcji o masach molekularnych wynoszących
od 7 ⋅106 do 73⋅106 Da. Prawdopodobnie wielkości mas molekularnych przypisywanych poszczególnym polisacharydom zależne są od stosowanej metody izolowania
i posiadają wysokie wartości w przypadku preparatów natywnych. Odpowiednio
różne są też współczynniki polikondensacji α-D-glukopiranozy w cząsteczkach amylozy (kilkaset) i amylopektyny (kilkadziesiąt, a nawet setki tysięcy).
Odmienna jest także struktura chemiczna amylozy i amylopektyny. Cząsteczki
pierwszej są zazwyczaj liniowe z resztami α-D-glukopiranozy połączonymi wyłącznie wiązaniami α-1,4-glukozydowymi z mostkami tlenowymi utworzonymi
poprzez glukozydową grupę hydroksylową pierwszego atomu węgla jednej cząsteczki α-D-glukopiranozy i grupę hydroksylową czwartego atomu węgla drugiej
cząsteczki:
Rozdział 8. Węglowodany i ich przemiany
6
6
CH2OH
H
4
HO
5
6
CH2OH
O H
H
1
4
H
OH
H
3
2
H
OH
O
5
267
CH2OH
O H
H
1
4
H
OH
H
3
2
H
OH
O
O H
5
H
OH
H
1
3
2
OH
x H
OH
Amyloza
Zgodnie z taką budową amylozę można określić jako α-1,4-glukan, czyli liniowy polisacharyd o cząsteczkach posiadających nitkowatą strukturę (rys. 8.3).
Rys. 8.3. Spiralna konformacja cząsteczki amylozy (A); wiązania C-O, które ulegają
rozkładowi podczas hydrolizy (B), oraz struktura adsorbcyjnego kompleksu pomiędzy
spiralnymi fragmentami cząsteczki skrobi i I2 (C)
Reszty α-D-glukopiranozy wchodzące w skład amylozy mają konformację typu
wanny. W tym przypadku wzór strukturalny amylozy przyjmuje postać:
Podstawy biochemii
268
CH2OH
HO
HO
CH2OH
O
O
H
H
HO
OH
H
CH2OH
O
O
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HO
OH
H
O
H
x
OH
OH
H
Amyloza
Konformacja wanny α-D-glukapiranozowych reszt cząsteczki amylozy sprzyja
spiralizacji łańcucha poliglukonozydowego z 6-7 resztami glukozy przypadającymi
na jeden skręt spirali. Przy długości każdej reszty glukozy wynoszącej 0,5 nm powstaje spirala o średnicy około 1 nm (rys. 8.2). Przypuszcza się, że cząsteczki amylozy oraz innych liniowych polisacharydów, mogą oddziaływać ze sobą na różnej
długości tworząc drugorzędowe bispiralne struktury z wzajemnie zakręconymi
łańcuchami polisacharydowymi.
Amylopektyna zbudowana jest z charakterystycznych cząstek, których promień
obrotu wynosi 82-255 nm, składających się z kilkuset krótkich poliglukozydowych
łańcuchów, z których każdy zawiera średnio 20 reszt α-D-glukopiranozy. W granicach każdego krótkiego łańcucha reszty glukozy połączone są wiązaniami glukozydowymi α-1,4. Łańcuchy łączą się ze sobą za pomocą wiązań glukozydowych
typu α-1,6. Budowa rozgałęzionej części molekuły amylopektyny jest taka:
CH2OH
H
O
CH2OH
H
O
CH2OH
O H
H
OH
H
H
OH
O
O
CH2OH
O H
H
OH
H
H
OH
H
OCH2
O H
H
OH
H
H
OH
O
O
H
H
H
H
OH
O
CH2OH
O H
H
OH
H
H
OH
O
x
O H
H
OH
H
OCH2
O H
H
OH
H
H
OH
O
H
CH2OH
O H
H
OH
H
H
OH
O
y
H
O H
H
OH
H
H
OH
O
O
O
Amylopektyna
Aktualny model cząsteczki amylopektyny utworzony na podstawie badania
produktów jej hydrolizy enzymatycznej oraz analizy rentgenograficznej otrzymał
nazwę gronopodobny, w związku z kształtem łańcuchów poliglukozydowych
przypominających kiść winogron.
Uważa się, że α-D-glukopiranoza, wchodząca w skład amylopektyny, przyjmuje konfomację wanny, wskutek czego oddzielne części łańcuchów poliglikozydowych budujących cząsteczki amylopektyny układane są prawdopodobnie w sposób
charakterystyczny dla amylozy (rys. 8.4).
Rozdział 8. Węglowodany i ich przemiany
OH
HO
O
OH
O
O
HO
NO
O
O
OH
O
4
1
1
O
O
O
O
1
6
O
4
O
NO
269
1
4
OH
O
O
O
O
OH
RO
OH
O
O
O
4
OH
1
O
OH
O
O
1
O
O
O
O
6
O
OH
OH
1
HO
O
O
OH
O
O
O
N
O
O
Rys. 8.4. Objętościowy model fragmentu cząsteczki amylopektyny (R – redukujący
koniec łańcucha; N – nieredukujący koniec łańcucha)
Obie frakcje skrobi wchodzą w reakcje z jodem w roztworze KI, przy czym
amyloza barwi się na kolor błękitny, a amylopektyna na fioletowy. Reakcja skrobi
z jodem nie ma charakteru oddziaływania chemicznego, a polega na tworzeniu
kompleksów typu adsorbcyjnego. Ponieważ wiodącą rolę w tworzeniu tych kompleksów odgrywają zespiralizowane fragmenty obu frakcji cząsteczki skrobi, to
różnica zabarwienia wydaje się naturalna. Przypuszcza się, że cząsteczki jodu wnikają do wnętrza spirali poliglikozydowej, gdzie powstają odpowiednie wiązania
dające początek barwnym kompleksom.
Pod wpływem krótkotrwałego ogrzewania sproszkowanej skrobi następuje rozpad jej cząsteczki do dekstryn, tj. polisacharydów o mniejszej masie molekularnej.
Procesowi dekstrynizacji towarzyszy zwiększenie rozpuszczalności skrobi w wodzie, co prowadzi do uzyskania tzw. skrobi rozpuszczalnej. Rozpad cząsteczki
skrobi do dekstryn zachodzi szczególnie intensywnie przy ogrzewaniu kleiku skrobiowego z 10-procentowym roztworem H2SO4. W trakcie dalszego ogrzewania
molekularna masa dekstryn ulega obniżeniu, prowadząc do uzyskania końcowego
produktu rozpadu, którym jest D-glukoza. Wielocząsteczkowe dekstryny barwią
się jodem na kolor czerwony, podczas gdy małocząsteczkowe nie dają zabarwienia.
Hydroliza skrobi przebiega w kilku etapach według przedstawionego poniżej
schematu:
+ H 2O
+H 2O
+ H 2O
HO[C6H10O5]xH → nHO[C6H10O5]yH → nHO[C6H10O5]zH → xC6H12O6
Krochmal
Erytrodekstryny
Achrodekstryny
Glukoza
gdzie x > y > z.
270
Podstawy biochemii
Dekstrynizacja i scukrzanie skrobi znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle
spirytusowym oraz przy produkcji kleju. Ponieważ cząsteczka skrobi składa się
z optycznie aktywnych reszt α-D-glukopiranozy, jej roztwory mają zdolność skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego w prawo ([α]D = +195o).
Glikogen stanowi podstawową substancję zapasową tkanek i narządów, dlatego
nazywany jest także „skrobią zwierzęcą”. Wykrywany jest ponadto u grzybów
i drożdży oraz w ziarnach kukurydzy. Zawartość glikogenu w wątrobie zwierząt
sięga 20%, a w mięśniach – 4%. Rozkładany jest do prostszych produktów w procesie, który nazywa się glikogenolizą, dostarczając reszt glukozy niezbędnych do
przebiegu procesów energetycznych i metabolicznych.
Poza niektórymi rodzajami cząsteczek, glikogen stosunkowo dobrze rozpuszcza
się w gorącej wodzie i podobnie jak skrobia daje barwne reakcje z jodem, przy
czym charakter zabarwienia (czerwonofioletowy lub czerwonobrunatny) świadczyć
może o bliższym podobieństwie do amylopektyny niż do amylozy. W rzeczywistości przy dużym stopniu niejednorodności cząsteczki glikogenu masa molekularna
jego niektórych frakcji zbliżona jest do masy molekularnej amylopektyny. W preparatach glikogenu wątroby zwierząt odnajdywana jest frakcja o masie cząsteczkowej (M) od 10 milionów do 3 miliardów, zawierająca w większości cząsteczki
o M = 2⋅108 – 6⋅108. Ograniczona hydroliza glikogenu prowadzi do powstania dekstryn, podczas gdy produktem całkowitej jest D-glukoza. Podobnie jak amylopektyna glikogen jest związkiem optycznie czynnym, o skręcalności właściwej zbliżonej do skręcalności cząsteczki skrobi wynoszącej +196o.
Podobne właściwości glikogenu i amylopektyny warunkuje zbliżona budowa
ich cząsteczek. Różnica polega na tym, że w cząsteczce glikogenu średnia długość
krótkich łańcuchów połączonych za pomocą wiązań glikozydowych α-1,6 równa
jest dwunastu resztom α-D-glukopiranozy. W związku z tym cząsteczkę glikogenu
charakteryzuje wyższy stopień upakowania. Różnice budowy glikogenu i amylopektyny wyraźnie wskazują na większą symetryczność cząsteczki glikogenu, wynikającą z występowania dużej liczby ogniw poliglikozydowych skierowanych
wewnętrznie, przyczyniających się do stabilizowania jej struktury. Ponadto glikogen ma zdolność tworzenia struktur makrocząsteczkowych Tak zwany cząstkowy
glikogen, otrzymany po raz pierwszy metodą ultrawirowania różnicowego, zbudowany jest z α-cząstek o średnicy do 200 nm, przypominających swoim wyglądem
owoc jagody morwy lub maliny. Struktury te budują cząstki β, które z kolei utworzone są z cząstek γ o średnicy 20-40 nm.
Błonnik (celuloza) – to podstawowy strukturalny polisacharyd roślinny obecny
w liściach (15-30%), drewnie (50-70%), w większej ilości w łodygach roślin włóknistych, takich jak len, lub nawet jak w przypadku włókien bawełny, budujący
nieomal całe organy roślin. Sama nazwa tego polisacharydu wskazuje na jego znaczącą rolę w budowie ścian komórkowych, chociaż określa się go także terminem
Rozdział 8. Węglowodany i ich przemiany
271
celuloza (od łac. cellule – komórka). Oblicza się, że po całkowitym spaleniu celulozy, jaką zawierają rośliny, ilość CO2 w atmosferze wzrosłaby o połowę.
Celuloza wykazuje ograniczoną rozpuszczalność w większości rozpuszczalników
poza gorącym roztworem amonowym Cu(OH)2 i stężonym roztworem Ca(SCN)2
w wodzie. Jej odporność na działanie rozpuszczalników tłumaczy się wzajemnym
oddziaływaniem długich nitkowatych cząsteczek tworzących trwałe struktury rozmieszczone wzdłuż osi włókna. Podstawowe włókno bawełny o średnicy 20 nm
składa się z dużej liczby szczelnie ułożonych cząsteczek błonnika, z których każda
ma średnicę 0,6-0,7 nm. Oderwanie się pojedynczych cząsteczek celulozy od stabilnych agregatów utrudniają wiązania międzycząsteczkowe i tylko nieliczne substancje
rozpuszczające celulozę są zdolne do naruszenia takiej struktury.
Podczas hydrolizy celulozy w obecności enzymu produkowanego przez liczne
bakterie, niektóre gatunki owadów, pleśniaki, a obecnego również w kiełkujących
nasionach, wytwarza się celobioza. Produktem hydrolizy kwasowej jest natomiast
podstawowy element strukturalny cząsteczki błonnika, tzn. β-D-gikopiranoza, powstająca w ilości porównywalnej z celobiozą:
CH2OH
H
CH2OH
O
H
OH
H
H
OH
H
O
CH2OH
O
H
OH
O
H
H
OH
O OH
H
OH
H
HO
H
H
OH
H
x H
OH
Celuloza
Typ wiązań reszt cukrowych w cząsteczce celulozy jest analogiczny jak w cząsteczkach amylozy, ale w odróżnieniu od niej celuloza jest β-poliglikozydem
o resztach glukozy połączonych wiązaniami β-1,4. Podobnie jak amyloza, cząsteczka celulozy ma układ liniowy bez rozgałęzień, przy czym jej cząsteczki zawierają więcej reszt glukozy. Liczba reszt D-glukozy w cząsteczce celulozy osiąga
kilka tysięcy, co odpowiada masie cząsteczkowej 10-20 milionów Da. Pozornie
niewielka różnica w budowie amylozy i celulozy nie jest jednak odzwierciedleniem
podobieństwa ich właściwości.
Różnice dotyczące obu polisacharydów ujawniają się w trakcie porównania ich
budowy uwzględniającego skład reszt D-glukozy. Ustalono, że β-D-glukopiranoza
celulozy przybiera konformację krzesła:
CH2OH
H
HO
O
H
HO
OH
H
HO
O
H
OH
H
O
H
H
H
CH2OH
H
O
H
H
CH2OH
O
O
H
H
HO
OH
H
O
H
OH
272
Podstawy biochemii
co wyklucza możliwość zwijania łańcucha poliglikozydowego i sprzyja zachowaniu formy liniowej.
W odczynniku miedziano-amoniakalnym roztwór celulozy wykazuje aktywność
optyczną rzędu [α]D = 3,21o.
Podobnie jak w przypadku innych polisacharydów, w cząsteczkach celulozy
występują wolne grupy hydroksylowe przy 2, 3 i 6 atomie węgla każdej reszty
β-D-glukopiranozy. Biorą one udział w reakcjach chemicznych, wśród których
szczególne znaczenie mają reakcje prowadzące do otrzymania pochodnych szeroko
stosowanych w chromatografii jonowymiennej, pozwalającej na rozdzielanie aminokwasów, peptydów, białek, nukleotydów i kwasów nukleinowych. Należą do
nich karboksymetyloceluloza (KM-błonnik) i dwuetyloaminoetyloceluloza
(DEAE-błonnik).
Celuloza jest podstawowym budulcem tkanki roślinnej, np. bawełna zawiera
91%, len i konopie ok. 80%, drewno świerkowe i sosnowe ok. 55%, a słoma prawie 50% celulozy. Z surowców tych wydobywa się celulozę na skalę przemysłową. Celuloza nie rozpuszcza się w wodzie, jest bardzo odporna na działanie mikroorganizmów i warunki atmosferyczne, co ma duże znaczenie praktyczne. Pod działaniem stężonego roztworu NaOH przechodzi w alkalicelulozę. W wyniku tej reakcji z CS2 powstaje ksantogenian celulozy, potocznie zwany wiskozą, z której po
regeneracji powstaje sztuczne włókno i folia (celofan). Celuloza w postaci chemicznie niezmienionej stosowana jest do produkcji włókien, papieru, waty itp.
Głównymi pochodnymi celulozy są estry: azotan celulozy (nieprawidłowo, choć
powszechnie zwany nitrocelulozą), oktany celulozy (tworzywa sztuczne półsyntetyczne). Mniejsze znaczenie mają etery, jak metyloceluloza (tyloza), etylo- i benzyloceluloza.
Dekstran – polisacharyd produkowany przez niektóre gatunki bakterii. Na podstawie analiz różnych preparatów dekstranu ustalono, że jego masa cząsteczkowa
może wynosić od 12 milionów do 1 miliarda Da. Cząsteczka dekstranu składa się
ze stosunkowo krótkich poliglikozydowych łańcuchów utworzonych z 10-12 reszt
α-D-glukopiranozy. Reszty α-D-glukozy są w nich połączone za pomocą wiązań
glikozydowych α-1,6, a łańcuchy dodatkowymi wiązaniami 1,4. Efektem działania
na dekstran epichlorohydryny są sephadexy, związki o konsystencji żeli i usieciowanej strukturze stosowane w biochemii jako sita molekularne.
Chityna – główna część składowa tkanki okrywającej owadów i skorupiaków.
Ten szeroko rozpowszechniony w przyrodzie polisacharyd syntetyzowany jest przez
kraby w ilości około miliona ton w ciągu roku. Chityna, uwolniona z kompleksów
budujących tkanki okrywające poprzez oddzielenie białek lub CaCO3, jest białą
substancją przypominającą masę papierową. Praktycznie nie jest rozpuszczalna,
a tylko kwas mrówkowy i nasycone roztwory niektórych soli mają zdolność przeprowadzania jej w stan o ograniczonej rozpuszczalności. Prawdopodobnie w związku z tym nie istnieją żadne precyzyjne dane na temat jej masy cząsteczkowej.
Rozdział 8. Węglowodany i ich przemiany
273
Podstawową jednostką strukturalną chityny jest N-acetylo-β-D-glukozoamina
połączona w cząsteczkę liniową wiązaniami β-1,4:
CH2OH
H
CH2OH
O
H
OH
H
O
H
HO
CH2OH
O
H
OH
O
H
O OH
H
OH
H
H
NH
OH
H
NH
H
H
H
H
NH
COCH3
COCH3
COCH3
x
Chityna
Analiza zdjęć rentgenowskich wskazuje na podobieństwo struktury cząsteczki
chityny i celulozy.
Kwas hialuronowy – ważny element wchodzący w skład międzykomórkowej
substancji tkanki łącznej występujący w skórze, w ciałku szklistym oka oraz
w ścięgnach. Można go wyizolować drogą ekstrakcji roztworami rozcieńczonych
zasad, kwasu trójchlorooctowego lub fenolu i po odbiałczeniu ekstraktu etanolem
poddawać hydrolizie enzymatycznej.
Masa molekularna kompleksu kwas hialuronowy-białko sięga kilka milionów
Da. Jednak preparaty oczyszczonego kwasu hialuronowego posiadają niższe masy
molekularne, rzędu 270.000-500.000 Da. Prawdopodobnie podczas izolowania
dochodzi do jego częściowej degradacji.
Jako heteropolisacharyd, kwas hialuronowy składa się z dwóch różnych strukturalne jednostek, tj. N-acetylo-β-D-glikozaminy i kwasu β-D-glukuronowego, występujących w stosunku 1:1, które połączone są ułożonymi na przemian wiązaniami β-1,3- i β-1,4.
CH2OH
H
COOH
O
H
OH
H
H
NH
H
O
CH2OH
O
H
OH
H
H
OH
H
HO
O
H
COOH
O
H
H
H
O
H
O OH
H
OH
H
H
OH
H
HO
H
COCH3
H
NH
COCH3
x
Kwas hialuronowy
Kwas hialuronowy pewni w tkankach zwierzęcych nie tyko funkcje strukturalne. Wnikając do tkanek jako substancja międzykomórkowa reguluje transport
związków niezbędnych dla funkcjonowania komórki lub dostarcza jej produktów
swojego rozpadu. Funkcja ta realizowana jest przede wszystkim przy udziale enzymu – hialuronidazy, którego właściwości są przedmiotem intensywnych badań.
Podstawy biochemii
274
Siarczan chondroityny to stały składnik chrząstki, tkanki kostnej, ścięgien, zastawek serca oraz innych tkanek zwierzęcych. Na przykład jego zawartość
w chrząstce przegrody nosowej wynosi 20-40%. Siarczan chondroityny trudno
uzyskać w postaci homogennej ze względu na to, że występuje związany w kompleksy białkowe z kolagenem. Przypuszczalnie podczas izolowania dochodzi do
degradacji jego cząsteczek, gdyż masa molekularna siarczanu chondroityny nie
przekracza 50.000 Da, podczas gdy masa kompleksów białkowych, z których jest
izolowany, wynosi 4-50 milionów.
Oczyszczony preparat siarczanu chondriotyny jest białą substancją rozpadającą
się podczas hydrolizy na kwas glukuronowy i siarczan N-acetylogalaktozoaminy,
które połączone są wiązaniami β-1,3- i β-1,4, analogicznie jak w cząsteczce kwasu
hialuronowego.
W przypadku, gdy grupa siarczanowa związana z resztą N-acetylogalaktozoaminy
i znajduje się w pozycji C4, związek taki określa się jako siarczan chandroityny A,
w przeciwieństwie do odmian siarczanu chandroityny różniących się od przedstawionych powyżej innymi szczegółami budowy:
CH2OSO3H
H
OH
COOH
O
OH
H
O
H
CH2OSO3H
O
H
OH
H
NH
H
H
OH
H
H
H
O
OH
COOH
O
H
H
O
H
O OH
H
OH
H
H
OH
H
H
H
COCH3
H
NH
COCH3
x
Siarczan chondroityny
Heparyna jest heteropolisacharydem, którego zasadnicza funkcja polega na zapobieganiu krzepnięciu krwi. Posiada także właściwości przeciwlipemiczne, przeciwmitotyczne oraz regulatorowe w odniesieniu do szeregu enzymów. Heparyna występuje
w wątrobie (do 100 mg/kg tkanki), w płucach, w śledzionie, gruczole tarczycy, krwi
i prawdopodobnie w innych tkankach i organach. Można ją otrzymać w postaci krystalicznej. Masa cząsteczkowa heparyny izolowanej z różnych tkanek wynosi 4.00020.000 Da. Ustalenie masy cząsteczkowej heparyny otrzymanej z różnych źródeł
metodami grawimetrycznymi, wiskozometrycznymi i poprzez filtrację żelową wykazało, że zawiera się ona w granicach 11.000-12.900 Da. Cząsteczka heparyny składa
się z reszt kwasu glukuronowego i α-glukozaminy, do których przyłączone są reszty
kwasu siarkowego:
Rozdział 8. Węglowodany i ich przemiany
COOH
H
H
OH
CH2OSO3H
O H
H
H
H
OH
COOH
O H
H
OH
H
H
O
H
H
OH
CH2OSO3H
O H
NHSO3H
H
H
O
H
275
O H
H
OH
H
H
NHSO3H
O
H
OSO3H
OH
x
Heparyna
Pod wpływem enzymów, takich jak: heparynaza, disacharydosulfoesteraza, sulfamidaza i sulfoesteraza, heparyna ulega rozkładowi poprzez budujące ją elementy
strukturalne i produkty ich degradacji do kwasu glukunorowego i glukozoaminy.
Okres połowicznego rozpadu heparyny w tkankach królika wynosi 17,5 ± 6,5 minuty, a w tkankach psa 34 ± 13,5.
Rozwijające się w ostatnich latach na szeroką skalę prace związane z izolowaniem, oczyszczeniem i badaniem budowy i funkcji wielu innych homo- i heteropolisacharydów pozwoliły na charakterystykę hemiceluloz, substancji pektynowych,
glukomannanów i galaktomannanów roślin wyższych, polisacharydów wodorostów (agar, karaginany, kwasy alginowe, galaktany, mannany, laminaryna) i polisacharydów pozakomórkowych (ksantan, pullulan) oraz otoczkowych polisacharydów bakterii i pierwotniaków (paramylon), dostarczając wielu interesujących informacji na temat ich procesów biochemicznych.
8.2. Przemiana węglowodanów
Udział węglowodanów w procesach przemiany materii polega na dostarczaniu
energii niezbędnej do realizacji reakcji chemicznych. Wraz z rozpadem węglowodanów uwalniana jest energia magazynowana w wysokoenergetycznych wiązaniach ATP, wykorzystywana następnie w różnych procesach metabolicznych organizmu. Węglowodany są ponadto źródłem związków organicznych stanowiących
produkty wyjściowe biosyntezy lipidów, białek i kwasów nukleinowych. W cząsteczkach węglowodanów, które powstają jako produkty pierwotnej biosyntezy
substancji organicznej, związany zostaje węgiel i zmagazynowana energia.
Rozpad węglowodanów. Disacharydy i polisacharydy ulegają rozkładowi do
związków prostych w reakcjach hydrolizy i fosforolizy. Klasycznym przykładem
reakcji pierwszego typu jest hydroliza skrobi (krochmalu), natomiast drugiego –
fosforoliza glikogenu.
Proces stopniowej hydrolizy skrobi został omówiony w poprzednim rozdziale.
Reakcję tę katalizują amylazy z klasy hydrolaz, zaliczane do podklasy hydrolaz glikozydowych. W zależności od specyficzności enzymu do rozerwania wiązań glikozydowych między resztami α-D-glukopiranozy może dochodzić przy różnych atomach węgla, w związku z czym końcowymi produktami hydrolizy skrobi mogą być
glukoza, maltoza albo oligosacharydy. W trakcie hydrolitycznego odszczepiania reszt