полисахариды

ПОЛИСАХАРИДЫ (гликаны)

полимерные углеводы, молекулы которых построены из моносахаридных остатков, соединенных гликозидными связями.

Степень полимеризации П. составляет от 10–20 до неск. тысяч остатков. Каждый моносахаридный остаток в составе П. может находиться в пиранозной или фуранозной форме и иметь а- или р-конфигурацию гликозидного центра (см. моносахариды). Моносахаридный остаток способен образовывать одну гликозидную связь с соседним моносахаридом, но может предоставить неск. гидроксильных групп для присоединения др. моносахаридов. В соответствии с этим, как и в случае олигосахаридов, молекулы П. могут быть линейными или разветвленными. Линейные П. имеют один невосстанавливающий и один восстанавливающий конец; в разветвленных П. также м. б. только один восстанавливающий конец, тогда как число невосстанавливающих концевых моносахаридных остатков на 1 превышает число разветвлений. Благодаря гликозидной гидроксигруппе восстанавливающего конца молекулы П. могут присоединяться к молекулам неуглеводной природы, напр. к белкам и пептидам с образованием гликопротеинов и протеогликанов, к липидам с образованием липополисахаридов и гликолипидов и т. д.; в сравнительно редких случаях наблюдается образование циклических П.

Гидрокси-, карбокси- и аминогруппы моносахаридных остатков, входящих в П., в свою очередь могут служить местами присоединения неуглеводных группировок, таких, как остатки орг. и неорг. кислот (с образованием ацетатов, сульфатов, фосфатов и др.), пировиноградной кислоты (образующей циклич. ацетали), метанола (образующего сложные эфиры с уроновыми кислотами) и т. д.

П., построенные из остатков только одного моносахарида, наз. гомополисахаридами (гомогликанами); в соответствии с природой этого моносахарида различают глю-каны, маннаны, галактаны, ксиланы, арабинаны и др. Полное название П. должно содержать информацию об абс. конфигурации входящих в его состав моносахаридных остатков, размере циклов, положении связей и конфигурации гликозидных центров; в соответствии с этими требованиями строгим назв., напр., целлюлозы будет поли(1 : 4)-β-D-глюкопиранан.

П., построенные из остатков двух и более моносахаридов, наз. гетерополисахаридами (гетерогликанами). К ним относятся глюкоманнаны, арабиногалактаны, араби-ноксиланы и др. Строгие назв. гетерогликанов (а также и гомополисахаридов, содержащих разветвления или неск. типов связей) громоздки и неудобны в употреблении; обычно пользуются широко распространенными тривиальными назв. (напр., гепарин, гликоген, инулин, ламтаран, хитин), а для изображения структурных формул часто применяют сокращенную запись (см. также олигосахариды):

Галактоманнан; α-D-галактопирано-β-D-маннопиранан (Manp и Galp- соотв. остатки маннозы и галактозы в пиранозной форме)

4-О-Метилглюкуроноксилан; (4-О-метил)-α-D-глюкопиран-уроно-β-D-ксилопиранан (Xylp и GlcpA — соотв. остатки ксилозы и глюкуроновой кислоты в пиранозной форме, Me = CH₃)

Гиалуроновая кислота, глюкозаминоглюкуроногликан; 2-ацет-амидо-2-дезокси-β-D-глюкопирано-β-D-глюкопирануроно-гликан [Ас = CH₃C(O)]

П. в природе составляют главную массу орг. вещества, находящегося в биосфере Земли. Они выполняют в живых организмах три важнейших типа биол. функций, выступая в роли энергетич. резерва, структурных компонентов клеток и тканей или же защитных веществ.

Хорошо известными резервными П. являются крахмал, гликоген, фруктаны, галактоманнаны и некоторые р-глюканы. Эти П. способны быстро гидролизоваться имеющимися в клетках ферментами, и их содержание сильно зависит от условий существования и стадии развития организма.

Структурные П. можно разделить на два класса. К первому относят нерастворимые в воде полимеры, образующие волокнистые структуры и служащие армирующим материалом клеточной стенки (целлюлоза высших растений и некоторых водорослей, хитин грибов, β-D-ксиланы и β-D-ман-наны некоторых водорослей и высших растений). Ко второму классу относят гелеобразующие П., обеспечивающие эластичность клеточных стенок и адгезию клеток в тканях. Характерными представителями этого класса П. являются сульфатир. гликозаминогликаны (мукополисахариды) соединит. ткани животных, сульфатир. галактаны красных водорослей, альгиновые кислоты, пектины и некоторые гемицеллюлозы высших растений.

К защитным П. относят камеди высших растений (гетеро-полисахариды сложного состава и строения), образующиеся в ответ на повреждение растит. тканей, и многочисл. внеклеточные П. микроорганизмов и водорослей, образующие защитную капсулу или модифицирующие свойства среды обитания клеток.

Биосинтез П. Все разнообразие структур природных П. — результат трех типов биосинтетич. процессов. Первым из них служит последоват. перенос отдельных моносахаридных остатков от нуклеотидсахаров на растущую цепь с участием специфич. ферментов гликозилтрансфераз, обеспечивающих необходимое положение и стереохимию образующейся гли-козидной связи; таким способом синтезируются как моно тонные последовательности моносахаридных остатков в го могликанах, так и лишенные признаков регулярности гете-рополисахаридные цепи гликопротеинов.

Второй тип-сборка олигосахаридного "повторяющегося звена" по первому типу реакций и его последующая полимеризация с образованием строго регулярных полимерных молекул, характерных для полисахаридных цепей липополисахаридов грамотрицательных бактерий или для бактериальных капсульных П.

Наконец, П., построенные по первому или второму типу, могут испытывать постполимеризац. модификации (третий тип биосинтеза), которые включают замещение атомов Н гидроксильных групп на ацильные остатки (ацетилирование, сульфатирование), присоединение боковых моно- и олигосахаридных остатков и даже изменение конфигурации отдельных моносахаридных звеньев [таким путем в результате эпимеризации при атоме С-5 образуются остатки L-гулуро-новой кислоты из D-маннуроновой в составе альгинатов (см. альгиновые кислоты), а также остатки L-идуроновой кислоты из D-глюкуроновой в составе мукополисахаридов]. Последние реакции часто приводят к нарушению (маскировке) первонач. регулярности цепей П. и к образованию нерегулярных (мн. гемицеллюлозы) или блочных (альгиновые кислоты, мукополисахариды) структур.

Свойства. Большинство П. — бесцв. аморфные порошки, разлагающиеся при нагр. выше 200 °C. П., молекулы которых обладают разветвленной структурой или имеют полианионный характер благодаря карбоксильным или сульфатным группам, как правило, достаточно легко раств. в воде, несмотря на высокие мол. массы, тогда как линейные П., обладающие жесткими вытянутыми молекулами (целлюлоза, хитин), образуют прочные упорядоченные надмолекулярные ассоциаты, в результате чего практически не раств. в воде. Известны промежут. случаи блочных молекул П., в которых одни участки склонны к межмол. ассоциации, а другие-нет; водные растворы таких П. при определенных условиях переходят в гели (пектины, альгиновые кислоты, кар-рагинаны, агар).

Растворимые П. можно осадить из водных растворов смешивающимися с водой орг. растворителями (напр., этанолом, метанолом, ацетоном). Растворимость конкретного П. определяет методику выделения его из прир. объекта. Так, целлюлозу и хитин получают, отмывая подходящими реагентами все сопутствующие вещества, тогда как прочие полисахариды вначале переводят в раствор и выделяют затем фракционным осаждением растворителями, с помощью образования нерастворимых комплексов или солей, ионообменной хроматографией и т. д.

Солюбилизация сложных надмолекулярных комплексов (напр., П. клеточных стенок) требует подчас достаточно жестких условий, не исключающих расщепления некоторых хим. связей. Выделенные полисахаридные препараты обычно представляют собой смеси полимергомологичных молекул; в случае нерегулярных П. дополнит. фактором неоднородности служит т. наз. микрогетерогенность-различия отдельных молекул друг от друга по степени протекания постполимеризац. модификаций.

Из хим. реакций П. важное значение имеет гидролиз гликозидных связей под действием разб. минеральных кислот, позволяющий получить моносахариды, входящие в состав П. В отличие от олигосахаридов, восстанавливающие свойства или мутарота-ция (связанные с наличием в молекуле концевой карбонильной группы) в П. проявляются слабо из-за их больших мол. масс. Наличие множества гидроксильных групп позволяет проводить реакции алкилирования или ацилирования; некоторые из них имеют существ. значение для установления строения или практич. использования П.

Установление строения. Установление первичной структуры П. складывается из последоват. решения трех задач: определения состава, типов связей между моносахаридами и последовательности отдельных моносахаридных звеньев. Первая задача решается гидролизом и количеств. определением (одним из видов количеств. хроматографии, а в отдельных случаях — с помощью фотоколориметрии) всех входящих в состав П. моносахаридов, а также неуглеводных заместителей (если они имеются).

Для определения типов связей между моносахаридами обычно служит метод метилирования, который заключается в превращении всех своб. гидроксильных групп П. в метиловые эфиры. Поскольку эти группировки устойчивы в уcловиях кислотного гидролиза гликозидных связей, то гидролиз метилированного П. дает набор метиловых эфиров моносахаридов. Они различаются числом групп CH₃ в зависимости от положения-моносахаридного остатка в полимерной молекуле. Так, концевые невосстанавливающие остатки гексоз дают тетра-О-метилпроизводные, остатки гексоз из линейных участков цепей-три-О-метилпроизводные, из точек разветвления-ди-О-метилпроизводные и т. д. Наличие своб. гидроксильных групп в метилированных моносахаридах обусловлено тем, что в родоначальном П. эти гидроксилы участвовали в образовании либо циклич. фо'рм моносахаридов (пиранозных или фуранозных), либо гликозидных связей. Поэтому определение положения групп CH₃ (а следовательно, и гидроксильных) в каждом таком производном позволяет в принципе установить размер цикла родоначаль-ного моносахаридного остатка в полимерной цепи и место замещения его соседним моносахаридным остатком (или остатками).

Существующие методики метилирования П. (напр., метод Хакомори- действие NaH в ДМСО и затем CH₃I) обладают весьма высокой эффективностью и пригодны для микроколичеств вещества. Анализ продуктов метилирования проводится с применением хромато-масс-спектрометрии и дает надежные сведения о положении групп CH₃ в производных моносахаридов.

Сведения о конфигурации гликозидных центров и последовательности моносахаридных остатков в полимере получают, проводя частичное расщепление молекул П. и устанавливая строение образующихся при этом олигосахаридов. Универсальным методом расщепления является частичный кислотный гидролиз, однако в общем случае он дает сложные смеси олигосахаридов с небольшими выходами. Лучшие результаты получаются при более специфич. воздействии на молекулу П. хим. реагентами (ацетолиз, сольволиз безводным HF) или ферментами.

Своеобразный способ фрагментации молекул П. — расщепление по Смиту, включающее периодатное окисление, восстановление полученного полиальдегида в полиол действием NaBH₄ и мягкий кислотный гидролиз, разрушающий ацетальные группировки (но не гликозидные связи моносахаридов, не затронутых периодатным окислением). Метод Смита часто позволяет получить фрагменты молекул П., недоступные при обычном кислотном или ферментативном гидролизе (стадия образования полиальдегидов не показана):

С хим. методами установления первичной структуры П. успешно конкурирует спектроскопия ЯМР. Спектры ПМР и ЯМР¹³С содержат ценнейшую информацию о функцион. Составе П., положениях межмономерных связей, размерах циклов моносахаридных остатков, конфигурациях гликозидных центров и последовательности моносахаридов в цепи; из спектров ЯМР¹³С можно определить абс. конфигурации отдельных моносахаридных остатков (если известны абс. конфигурации соседних звеньев), а также получить данные о регулярном строении П. Если известен моносахаридный состав линейного регулярного П., построенного из повторяющихся олигосахаридных звеньев, то задача установления его полного строения по спектру ЯМР успешно решается с помощью соответствующих компьютерных программ.

Др. физ.-хим. методы исследования применяются для определения мол. масс П. (вискозиметрия, светорассеяние, ультрацентрифугирование) и конформации молекул в твердом состоянии (рентгенография напряженных волокон или пленок).

Синтез П. Синтез природных П. и их аналогов представляет интерес для установления связи их строения и биол. активности, в первую очередь иммунологич. свойств бактериальных П.

Поликонденсация моносахаридов под действием кислых катализаторов приводит к полимерным продуктам, содержащим хаотич. набор межмономерных связей, катионная полимеризация защищенных 1,6-ангидридов гексоз — к линейным 1,6-связанным П. Для общего решения задачи направленного синтеза сложных природных П. необходимы методы стереоспецифич. гликозилирования, пригодные для полимеризации или поликонденсации олигосахаридов.

Примером Такой реакции служит взаимод. цианоэтилиденовых производных углеводов с тритиловыми эфирами Сахаров, приводящее к 1,2-транс-гликозидам:

Поскольку обе группировки (тритиловую и цианоэтилидено-вую) можно ввести в одну молекулу моно- или олигосахари-да, поликонденсация такого производного приводит к П. заданного строения. Этим путем были синтезированы П., содержащие ди-, три- и тетрасахаридные повторяющиеся звенья, в т. ч. идентичные природным П. бактериального происхождения.

Др. перспективный подход к синтезу П. — химико-ферментативный метод, в котором наиб. трудные стадии получения олигосахаридных предшественников или их полимеризация проводятся с использованием соответствующих ферментов. Показано, что этим путем можно получать не только природные П., но и их аналоги; недостатком метода является сравнительно малая доступность необходимых ферментов.

Применение. Многие П. производят в крупных масштабах, они находят разнообразное практич. применение. Так, целлюлозу используют для производства бумаги и искусств. волокна, целлюлозы ацетаты — для волокон и пленок, целлюлозы нитраты — для ВВ, а водорастворимые метилцеллюлозу гидроксиэтилцеллюлозу и карбоксиметилцеллюлозу — как стабилизаторы суспензий и эмульсий.

Крахмал используют в пищ. промышленности, где находят применение в качестве текстурир. агентов также пектины, альгина-ты, каррагинаны и галактоманнаны. Перечисленные П. имеют растит. происхождение, но с ними все успешнее конкурируют бактериальные П., получаемые в результате пром. микробиол. синтеза (ксантан, образующий стабильные высоковязкие растворы, и другие П. со сходными свойствами).

Весьма перспективны разнообразные техн. применения хитозана (кагионного П., получаемого в результате дезацетилирования прир. хитина).

Многие П. применяют в медицине (агар в микробиологии, гидроксиэтилированный крахмал и декстраны в качестве плазмозамещающих растворов, гепарин как антикоагулянт, некоторые глюканы грибов как противоопухолевые и иммуностимулирующие агенты), биотехнологии (альгинаты и каррагинаны как среда для иммобилизации клеток) и лаб. технике (целлюлоза, агароза и их производные как носители при разл. способах хроматографии и электрофореза).

^{Лит.: Химия углеводов, М., 1967, с. 477–624; Прогресс химии углеводов, М., 1985; The polusaccharides, ed. by G.O. Aspinall, v. 1–3, N.Y., 1982–85.}

_{А. И. Усов}