Көмірсуларға жалпы түсініктеме

Көмірсулар Жер бетінде ең көп кездесетін биомолекулалар. Жыл сайын фотосинтез процесі 100 млрд тоннан аса СО₂ және Н₂О-ны целлюлоза және басқа да өсімдік өнімдеріне айналдырып отырады. Кейбір көмірсулар қант пен клахмал - дүниежүзі халқының басым көпшілігінің тамағының негізгі. Көмірсулардың тотығуы фотосинтезге қабілеті жоқ көптеген организмдер үшін жалпы энергия көзі болып табылады. Суда ерімейтін көмірсу полимерлері бактериялар мен өсімдіктердің клеткаларының қабықшасының, ал жануарларда дәнекер ұлпалардың құрамына кіріп, структуралық және қорғаныс қызметтерін атқарады. Басқа көмірсу полимерлері қаңқаның буындарын майлайды, клеткалардың бірін-бірі тануы мен жабысуына қатысады.Белоктармен немесе липидтермен ковалентті байланысқан аса күрделі көмірсу полимерлері, клетка ішіндегі орналасуын анықтайтын немесе тағдырын шешетін осы гибридті молекулаларды глюкоконьюгаттар деп атайды.

Көмірсулар – көп гидроксилді альдегидтер немесе кетондар. Олардың көпшілігі үшін (CH₂O)_n эмпирикалық формула болып табылады, бірақ кейбіреулерінің құрамында азот, фосфор, немесе күкірт болады.

Мөлшері жағынан көмірсулардың үш үлкен класы бар: моносахаридтер, олигосахаридтер және полисахаридтер (“saccharide” деген гректің сөзі қантты білдіреді). Моносахаридтер немесе қарапайым қанттар жалғыз көпгидроксилді альдегид немесе кетон бірліктерінен тұрады. Табиғатта кең тараған моносахаридтер – алты көміртегілі D–глюкоза (кейде оны декстроза деп те атайды). Төрттен көп көміртегі атомдары бар моносахаридтер циклді структура құруға ыңғайлы болады.

Гетеротрофты организмдердің жасушалары энергияны тотығу реакцияларының нәтижесінде алады, олардың кезінде электрондар субстраттардан немесе донорлардан акцепторларға тасымалданады. Анаэробтық жағдайда өмір сүретін организмдерде электрон акцепторларыорганикалық қосылыстар болып табылады. Ал, аэробтардағы акцептор әрқашан – оттегі.

Сахарлар (моно-, ди- және полисахаридтер) тотығу реакцияларында субстраттар болып табылады. Сахарлардың өзгерістерінің нәтижесінде жасуша ең алдымен өмір процестеріне қажет энергия алады, екіншіден, ол реакциялардың аралық өнімдері басқа қосылыстар үшін маңызды заттар болып саналады.

Оксо- (=O)- және окси- (-OH)-топтарының бір молекуланың құрамында болуы молекулаішілік жарты-ацеталдік байланыстардың құрылуына мүмкіндік береді, және оның нәтижесінде гетероциклдар пайда болады. Циклдың табиғаты оның тұйықталуына қатысатын, яғни протонды карбонил тобына тасымалдайтын -ОН-тобының орналасу жағдайына байланысты болады. Циклдың С4-көміртегінің -ОН-тобының қатысуымен түзілуі бес мүшелі гидрирланған фуран циклының пайда болуына алып келеді.

Моносахаридтер және дисахаридтер. Ең қарапайым көмірсулар – моносахаридтер альдегид немесе кетон түрінде және құрамында екі немесе одан көп гидроксил топтары болады. Алты көміртегілі моносахаридтер – глюкоза мен фруктозаның құрамына бес ОН-топтары кіреді. Гидроксил топтарымен байланысқан көміртегі атомдары табиғатта кездесетін көптеген қант стереоизомерлерін беретін хирал орталықтары болып табылады.

Моносахаридтер – түссіз, суда жақсы еритін, бірақ полярлы емес еріткіштерде ерімейтін кристалдар. Көпшілігі тәтті дәм береді. Моносахаридтердің молекуласы - тармақталмаған, жалғыз байланыспен біріккен көміртегі тізбегі болып келеді. Оның ашық тізбек формасында көміртегінің бір атомы оттегінің атомымен қос байланысып, карбонил тобын құрады. Ал қалған көміртегілердің әрқайсысында гидроксил тобы болады. Егер карбонил тобы (альдегид тобы түрінде) көміртегі тізбегінің соңында болса – альдоза, ал ол кез келген басқа позицияда (кетон тобы түрінде) болса - кетоза деп аталады. Ең қарапайым моносахаридтер үшкөміртегілі екі триозадан тұрады: глицеральдегид пен альдотриоза және дигидроксиацетон мен кетотриоза.

Глицеральдегид Дигидроксиацетон

Қаңқасында төрт, бес, алты және жеті көміртегі атомдары бар моносахаридтерге аттары да сәйкес – тетроза, пентоза, гексоза және гептоза деп аталады.

D-глюкоза D-фруктоза D-рибоза 2-Дезокси- D-рибоза

(РНҚ-да) (ДНҚ-да)

Дигидроацетоннан басқа барлық моносахаридтердің құрамында бір немесе одан көп асимметриялы (хиралды) көміртегі атомдары болады, сондықтан олардың оптикалы изомерлік формалары бар. Ең қарапайым альдоза – глицеральдегидте бір хирал орталығы бар ортадағы көміртегі атомы, сондықтан оның екі түрлі оптикалы изомері немесе энантиомері болады. Ол изомерлер шын мәнінде айнадағы бейнелері секілді түрде кездеседі – олардың D-изомер, екіншісін L-изомер деп белгілейді. Қанттың үшөлшемді структурасын бейнелеу үшін Фишердің проекциялық формуласы жиі қолданылады.

Жалпы, саны n хирал орталығы бар молекуланың саны 2ⁿ стереоизомерлері болады. Глицеральдегидте 2¹ = 2; төрт хирал орталығы бар альдогекзозаларда 2⁴ = 16 стереоизомер бар. Егер көрсетілген көміртегідегі гидроксил тобы проекциялық формуланың оң жағында болса – онда қант D–изомер болғаны, ал сол жағында – онда ол L–изомер. Мүмкін болатын 16 альдогексозаның сегізі D–формада, келесі сегізі L–формада болады. Тірі организмдердегі гекзозалардың басым көпшілігі D–формада болады.

Көмірсу молекуласының изомерлерінің бір-бірімен ұқсастығы және өзгешелігін әлдебір заттың өз түрі мен айнадағы бейнесінің арасындағы айырмашылығымен салымтыруға болады.

Қанттың қаңқасындағы көміртегілердің қатар саны тізбектің карбонил ұшына жақын орналасқан көміртегіден бастап саналады. С-2, С-3 немесе С-4 көміртегілердің стереохимиясы жағынан бір-бірінен өзгеше сегіз атомды D-альдогексозалардың өздеріне тән аттары бар, олар - D-глюкоза, D-галактоза, D-манноза ж.т.б. Төрт және бес көміртегілі кетозалардың аты сөз ортасына «ул» әріп тіркесін кіргізу арқылы белгіленеді. Мысалы, D-рибоза альдопентозасына сәйкес кетопентоза D-рибулоза болып шығады. Кетогекзозалар басқаша жолмен, мысалы, фруктоза латынның “ fructus ” (жеміс) деген сөзінен шықса, сорбоза тауда өсетін Sorbus деген жемістен табылғандықтан солай аталған. Бір-бірінен тек бір көміртегі атомының төңірегіндегі конфигурация бойынша айырмашылығы бар екі қантты эпимерлер деп атайды. Оңай түсіну үшін альдоза мен кетозалардың структурасын түзу молекулалр түрінде берілді. Ал щын мәнінде, альдотетрозалар және қаңқасында бес және одан көп көміртегі атомдары бар барлық моносахаридтердің судағы ерітінділері негізінен циклды структура түрінде болады, оның карбонил тобы тізбектің бойындағы гидроксил тобындағы оттегімен ковалентті байланыс құрады. Осындай сақиналы структураның құрылуы ОН-тобы және альдегидтер немесе кетондардың арасындағы жалпы реакцияның нәтижесінде пайда болады. Құрамында қосымша асимметрлі көміртегі атомы бар болғандықтан екі изостереоизомериялық формада бола алатын оларды хемиацетальдар немесе хемикетальдар деп атайды. Мысалы, ерітіндіде D–глюкоза молекулаішілік хемиацеталь түрінде болады, оның құрамындағы С-5-тегі бос ОН-тобы С-1-дегі альдегидпен әрекеттесіп, соңғы көміртегіні асимметриялы күйге түсіреді, нәтижесінде екі а- және β- стереоизомерлер пайда болады.

Бір молекуланың ішіндегі С-1-альдегид тобы және С-5-гидроксил тобының арасында хемоацеталь бірігу түзіледі, оның нәтижесінде екі стереоизмерлер пайда болады. Олардың айырмашылығы тек хемоацеталь көміртегінің төңірегнде болады. а- және β -аномерлерінің бірінің екіншісіне айналуын мутаротация деп атайды.

Осы алтымүшелі сақиналы қосылыстар алты атомды сақина пиранға ұқсас болғандықтан пиранозалар деп аталады. Альдогекзозалар да бесмүшелі сақиналарға айналып, циклды формада болады. Олар да фуран сақинасына ұқсас болғандықтан фуранозалар деп аталады. Бірақ, алтымүшелі альдопиранозалы сақина альдофуранозалыға қарағанда әлдеқайда тұрақты және ерітінділерде негізіне альдогекзозалар түрінде болады. Бес немесе одан көпкөміртегі атомдары бар тек альдозалар ғана пираноза сақинасын құра алады.

Организмдерде гексозаның әртүрлі туындыларының болуы. Глюкоза, галактоза және манноза секілді қарапайым гексозаларға қосымша, аналық молекуладағы гидроксил топ басқа қосылыспен орын ауыстырады, немесе көміртегі атомы карбоксил тобына дейін тотығып, жаңа туындылар береді. Глюкозамин, галактозамин және маннозаминде аналық молекуланың С-2-дегі –ОН-тобы амин тобымен орын ауыстырған.

Амин тобы басым көпшілік жағдайда сірке қышқылын қосып алып, N-ацетилглюкозаминге айналады – бұл туынды көптеген труктуралық полимерлердің, бактерияның клетка қабықшасының құрамына кіреді. L-галактоза немесе L-маннозаның С-6-дағы сутегі атомын ОН-қа орын ауыстырғанда оларға сәйкес L–фукоза немесе L–рамноза пайда болады. Бұл деокси-қанттар өсімдік полисахаридтерінің, гликопротеиндер мен гликолипидтердің компоненті болып табылатын олигосахаридтердің құрамында табылған. Глюкоза карбониліндегі (альдегидтегі) көміртегінің карбоксилге дейін тотығуы глюкон қышқылын береді, ал басқа альдозалар альдон қышқылдарын береді. Альдон және урон қышқылдарының екеуі де лактондар деп аталатын тұрақты молекулаішілік эфирлер құрайды.

Көмірсулардың синтезі және метаболизмі кезінде пайда болатын аралық қосылыстар қанттардың өздері емес, бірақ олардың фосфорланған туындылары болып табылады. Фосфор қышқылы қанттың бір ОН-тобымен біріккенде фосфат эфирі пайда болады – мысалы, глюкоза-6-фосфат. Қант фосфаттары бейтарап рН мәнінде әлдеқайда тұрақты және оның заряды теріс. Клетка ішінде қантты фосфорлаудың бір әсері – қантты клетка ішінде ұстап қалу, себебі – клеткалардың көпшілігінің плазма мембранасында фосфорланған қанттарды тасымалдаушы болмайды. Фосфорлау қанттарды ары қарай химиялық өзгерістерге түсуі үшін активтендіреді. Фосфорланған қанттың нуклеотидтердің құрамында болатынын білеміз.

Моносахаридтер тотықсыздандыру агенттері. Моносахаридтер темір (Fe³⁺) немесе мыс (Cu²⁺) секілді жұмсақ тотықтырғыштар арқылы тотыға алады. Карбонилдегі көміртегі карбоксил тобына дейін тотығады. Глюкоза және басқа қанттар темір немесе мыс иондарын тотықсыздандыра алатындықтан оларды тотықсыздандырғыш қанттар деп атайды. Тотықсыздандырғыш қанттарды мөлшерін анықтайтын Фелин реакциясы осы қасиетке негізделген.

Мальтоза, лактоза және сахароза секілді дисахаридтер бір-бірімен ковалентті байланысқан екі моносахаридтен тұрады. Олардың арасындағы О -гликозидтік байланыс бір қанттың гидроксил тобының және екінші қанттың аномерлі көміртегісінің арасындағы реакцияның нәтижесінде түзіледі. Бұл реакция хемиацетальдан (глюкопираноза секілді) және спирттен (екінші қант молекуласындағы ОН-тобы) ацеталь түзілуінің көрнекті мысалы болып табылады. Гликозидтік байланыстар қышқылмен ыдырайды да, сілтілерге шыдамды болады. Сонымен, дисахаридтерді концентрациясы төмен қышқылмен бірге қайнатса – олар моносахаридтерге ыдырайды.

Қанттың аномерлі көміртегісінің мыс немесе темірмен тотығуы қант молекуласы ашық (яғни циклды емес) болғанда ғана жүреді. Әдетте, ерітіндіде қанттың ашық тізбекті және циклды формаларды тепе-теңдікте болады. Аномерлі көміртегі гликозидтік байланыс құрғаннан кейін тотықсыздандырғыш қант бола алмайды, себебі – оның молекуласы ашық тізбектігін жоғалтады. Дисахарид немесе полисахарид болсын – оның тізбегінің ұшында гликозидтік байланысқа қатыспаған бос аномерлік аномерлік көміртегі болады. Сондықтан оны жалпы тотықсыздандырғыш ұш деп атайды.

Дисахарид мальтозада бір глюкозаның аномерлі С-1 көміртегі және екіншісінің С-4 атомымен гликозидтік байланыс құрады. Дисахаридтегі оң жақтағы глюкозаның аномерлі С-1 көміртегісі бос болғандықтан мальтоза тотықсыздандырғыш қант болып қалады.

Галактоза мен глюкозадан тұратын дисахарид лактоза табиғатта тек сүттің құрамында болады. Оның глюкозасындағы аномерлі көміртегі оңай тотығады, сондықтан лактоза тотықсыздандырғыш дисахарид болып табылады. Сахароза, немесе шай қанты, глюкоза мен фруктозадан тұрады. Оны жануарлар синтездей алмайды, ол өсімдіктерде жүретін фотосинтез процесінде синтезделеді. Малтоза мен лактозаға керісінше, сахарозада бос аномерлі көміртегі атомы жоқ, оның құрамындағы моносахаридтердің екеуінің де аномерлі көміртегілері гликозидтік байланыс құруға қатысады. Сондықтан сахароза тотықсыздандыра алмайтын қант. Тотықсыздандыра алмайтын дисахаридтер гликозидтер деп аталады.

Полисахаридтер

Табиғатта кездесетін көмірсулардың көпшілігі жоғары молекулалы полисахаридтер болып табылады. Сонымен қатар гликандар деп аталатын полисахаридтер бір-бірінен айырмашылығы олардың қайталанатын моносахрид бірліктерінің ұқсастығымен, тізбектерінің ұзындығымен, бірліктерді біріктіретін байланыстардың түрлерімен және тармақталуының деңгейімен анықталады.

Гомополисахаридтердің құрамына мономердің тек бір түрі кіреді, ал гетерополисахаридтер екі немесе одан көп әртүрлі мономерлерден тұрады. Кейбір гомополисахаридтер моносахридтердің қоры отын ретінде пайдаланылады – крахмал және гликоген осы типтегі гомополисахридтер. Басқа целлюлоза және хитин секілді гомополисахридтер өсімдіктердің клетка қабығында және жануарлардың сыртқы қаңқасында структуралық роль атқарады.

Гетерополисахаридтер барлық организмдерде клетканың сыртқы жағында белгілі қызмет атқарады. Мысалы, бактерия клеткасын қаптайтын пептидогликан қатты қабатының белгілі бөлімдері екі түрлі моносахаридтерден құралған гетерополисахаридтерден тұрады. Жануарлардың ұлпаларында клетканың сыртқы жағына гетеросахаридтердің бірнеше түрлері орналасқан. Олар жеке клеткаларды бірге ұстап тұратын матриксты құрайды, қорғанышты қамтамасыз етеді, пішін береді, клеткаларды, ұлпаларды және мүшелерді қолдау көрсетеді. Полисахаридтердің белоктардікі секілді нақты молекулалық массалары жоқ.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: