ю ролы с одной стороны, они облегчают диссоциацию связи С-1 — галоген, являясь таким образом катализатором реакции, с другой стороны, служвт акцептором протонов, образующихся в ходе превращения

483

Синтез углеводов и углеводсодержащих биополимеров

CHjOAc СН.ОН СКОАс ^^СН,

ОАс ОАс ОАс ОАс

Т т р *ь- О - с ц« ти л—п -D— г люноп ир ано зи л бр омн д

ОАс

1,2,3,4—тетрв-О-ацвтмл -a—D— глюкопирамозид

Онтаацвтат к— генциобиозы

Недостатками метода являются образование в ходе реакции воды, разлагающей ацилгалогенозу, и гетерогенность реакционной смеси. Лучшие результаты дает применение в качестве катализатора и акцептора протонов растворимого цианида ртути — модификация Б. Хельфериха, широко используемая в настоящее время. Даже в случае гликозилирования малореакционноспособных вторичных гидроксильных групп сахаров выходы достигают 80%, однако по сравнению с оригинальным вариантом метода Кёнигса — Кнорра модификация Хельфериха обладает пониженной стереоспеци<рич-ностью. Катализаторами реакции могут также быть перхлорат или трифторметансульфонат (трифлат) серебра.

Н- К. Кочетковым предложено использовать в роли гликозили-рующих агентов в синтезе 1,2 транс гликозидов 1,2 ортоэфиры Сахаров с применением в качестве катализатора перхлората 2 6 диме тилпнридиния. При замене катализатора (например, на п-толуол-сульфокислоту) и растворителя реакция протекает по другому направлению, в сторону переэтерификации. Ортоэфирным методом удается гликозилировать сахара с малореакципнноспособными гидроксилами.

484

Углеводы

И в случае глнкознтгалогенндов к в случае сртоэфиров Сахаров истинными гликозилирующими агентами являются образующиеся на промежуточной стадии глнкозил катион или ацилоксониевый нон

Л- Я*'J

Хорлин Анатолии Яковлевич (р. 1930), советский химик-органик. Окончил Московский государственный университет (1954), работает в Институте биоорганической химии им. М. М. Шемякина АН СССР. Исследовал химическое строение действующих начал растений дальневосточной флоры (лимонник китайский, растения семейства аралиевых), а также гликозидов три ерпеново о ряда. Автор трудов по синтезу олигосахаридов, выяснению механизма действия и специфичности икоэида

К—Me.Ph.Bu*

HOR

Г л икоэ или атион

Гликозилгалогениды ацилированных 2 амино 2 дезоксисахаро чрезвычайно неустойчивы и легко превращаются в соответствующие 1,3-оксазолиновые производные. Последние а присутствии кислых катализаторов легко реагируют с гидгюксилсодержащими соединениями с образованием 1,2-тданс-гликозидной связи. Оксазоли-новый метод был разработан А. Я. Хорлиным в конце 60-х годов на примере многих Сахаров. Возможности метода можно продемонстрировать синтезом тетрасахарида входящего в состав групповых веществ крови И

Такие реакции приводят к 1,2-грсшс-гликозидам из-за «соуча- 485

стия» ацильной группы при С-2 (взаимодействия кислородного -

атома карбоксила ацильной группы с углеродным атомом аномер- Синтез углеводов

ного центра), благодаря которой реакция протекает через стадию и углеводсодержащих

образования оксазолиниевого иона: последний вследствие стериче- Ьиополимеров ских затруднений подвергается атаке с противоположной от ацил оксониевого цикла стороны.

Значительно большие затруднения вызывает синтез 1,2-уыс-гликозидов, и их удается получить лишь с использованием производных Сахаров, имеющих при С-2 заместитель, не способный к «эффекту соучастия». В качестве гликозилирующих агентов часто используют нестабильные р'-гликозилгалогениды; в малополярных растворителях в присутствии активных катализаторов (солей серебра) реакция протекает с обращением конфигурации при С-1.

R = Bzl, CCIj, NO*

Синтез 1 2 цис гликозидов 2 амино-2 дезоксисахароа вызывает еще большие затруднения из-за сложности получения гликозил-галогенидов с иным, нежели ацил ьная группа, заместителем при С-2. Таким заместителем может служить, например, азид на я группа, которая по окончании гликозилирования легко восстанавливает-

ся в аминогруппу; азидным методом были получены многие олигосахариды, содержащие остатки амнносахаров, в частности детер мннантный тетрасахарнд группы крови А. Недостаток метода заключается в труднодоступности 2 азидогликозил алогенидов Поэтому Р. Лемье с соавторами в качестве гликозилирующих агентов были предложены 2-нитрозогликозилгалогениды, образующиеся из доступных гликалей при действии нитрозохлорида

Перечисленные выше методы требуют получения на промежуточной стадии глико 1илга Ю1 енидов, что в ряде случаев (особенно для олигосахаридов) оказывается затруднительным. Предложены перспективные методы, позволяющие использовать в качестве пикозилирующих агентов легкодоступные, устойчивые ацетаты Сахаров. Таким путем Г. Паульсеном из пентаацетата галактозы и частично защищенного сахарица в присутствии катализатора триметилсилиттрифлата был получен лиса хари д:

П. Синаи с соавторами предложили применять вместо гликозинаюгенидои в синтезе олигосахаридов с 1.2-уис-связямн нмидаты Сахаров, что иллюстрируется синтезом олиго ахари ia группы крови В

СН.ОВ/' CHzOBzl CH2OBzl 487

BzlO/(—"О. O-C—Me но J—о J-_o Bz| -;---

Синтез углеводов и углеводсодержащих биополимеров

\OBi\> И—Me Т \ОН ^ O-^QBll _/1

OBzI OBzI NHAi

^ n—Толуолсульфокмслот.

CHOBzl CHjOBzl CH2OBzl

OBzI OBzI NHAc

I

a-D-Gal-( l-#-3)-p-D-Gal-( l-#.4)-D-OlcNAc

Метод применим лишь для введения остатков глюкозы, галактозы и ф козы

Дополнительные сложности в олигосахаридном синтезе вызывают получение защищенного агликоиового (спиртового) компонента с единственной свободной гидроксильной группой — той, которая должна быть гликозилирована, а также низкая реакционная способность вторичных гидроксильных групп Сахаров. Наиболее актианой у гексопираноз является первичная спиртовая группа, далее идут гидроксильные группы при С-2, С-3 и С-4. Поэтому синтез олигосахаридов с (1 4)-гликозидными связями вызывает наибольшие затруднения. Предложен ряд методов активации гидроксила при С-4, в том числе специальный подбор заместителей при остальных гидроксильных группах, использование в качестве агликоиового компонента ациклических производных Сахаров, гли-козилирование соединений, несущих при С-4 активирующую группировку (например, 2,3-дифенил-2-циклопропенильную).

В некоторых случаях различная активность гидроксильных групп Сахаров позволяет упростить синтез целевого продукта. Так, благодаря различной реакционной способности удалось селективно гликозилировать ОН-6, не защищая ОН-4 в приведенном синтезе олигосахарида

488

Углеводы

В каждом случае задача выбора защитных групп решается индивидуально. Чаще всего используются тритильные (защита первичного гидроксила), алкилиденовые, ацетильные и бензильные группы. При работе с ацетильными защитами всегда приходится учитывать возможность их миграции.

В подавляющем большинстве случаев гликозилирование протекает нестереоселективио, т. е. практически всегда образуется смесь а- и р'-аномеров. Такая неоднозначность реакции, а также тот факт, что выходы целевых продуктов, особенно при гликозили-ровании вторичных гидроксильных групп Сахаров, редко превышают 70%, делает пока мал о перспективным синтез олигосахаридов на твердом носителе.

Синтез полисахаридов

Химический синтез полисахаридов является одной из малораз-работаниых пока областей химии углеводов. Причина, очевидно, заключается не только в сложности решения задачи, но и в отсутствии заметной потребности в синтетических полисахаридах: громадное разнообразие природных полисахаридов и их доступность делают существенно более актуальным изучение их строения и свойств.

Первые попытки направленного синтеза полисахаридов заключались в полимеризации 1,6 ангидрогексоз, в частности левоглю-козана

BzIO BzlO

OBzl OBil

1.6-Аигидро- 2,3. А -три-0-6«нэил-- р—0-глюкопмр*ном

В присутствии кислот Льюиса наблюдалось образование высокомолекулярных продуктов с регулярными о, (I —*- 6) -связями. Впоследствии этот подход— использование соответствующих ангидро-сахаров — был применен для синтеза гомополисахаридов с (1 -*- 2)-и (1 3) -гликозидиыми связями.

Очевидно, что таким путем может быть получен лишь ограниченный круг гомополимеров. В случае гетерополисахаридов единственный возможный путь синтеза состоит в поликонденсации или полимеризации производных олигосахаридов с единственной свободной (или активированной) гидроксильной группой.

Работы в этом направлении в течение ряда лет проводятся 489

а СССР (Н. К. Кочетков). В качестве гликозилирующнх агентов -1-

первоначально были использованы ортоэфиры Сахаров. Например, Синтез углеводов

из три циклического ортоэфира был получен линейный и углеводсодержащих

а(1 -*¦ 5)-связанный арабинан со степенью полимеризации, прибли- биополимеров зительно равной 60.

Ph

T^CN

Ортоэфиры как исходные соединения для синтеза полисахаридов имеют ряд недостатков, приводящих к образованию побочных продуктов, в частности изомеров с «неправильной» конфигурацией при аномерных центрах, ангидросахаров и т. д. Более перспективными оказались 1,2-О-ци а нал кил и депо вые производные, которыми удалось гликозилировать тритиловые эфиры Сахаров Катализатор реакции — перхлорат трифенилметания.

С их помощью был осуществлен синтез сложного гетерополи- | j|ciO< сахарида, структура которого соответствовала О-антигенному по- О—" лисахариду бактерии Salmonella newington.

if °~

¦1е. \ н

-П OR

ОСОМе

Несмотря на достигнутые успехи, направленный синтез сложных гетерополисахаридов остается трудной задачей, поскольку во многих случаях образуется смесь продуктов с а- и р-гликозидными связями, низкой остается степень полимеризации. Решение проблемы, по всей видимости, станет возможным лишь в результате более широкого развития методов гликозилирования.

Синтез неогликопротеинов

Неогликопротеинами называются гликопротеины, полученные химическим синтезом, а именно ковалентным присоединением моно- или олигосахаридов к белкам. Такие искусственные биополимеры могут использоваться для выяснения роли углеводных цепей гликопротеинов, получения антител к углеводным детерминантам заданной структуры, выделения и изучения специфичности лектинов.

Предложено множество методов присоединения углеводных цепей к белкам. Самый старый из них, разработанный в 192° г., основан на использовании диазопроизводных

Glyc — гликоэильный остаток

Реакция идет главным образом по остаткам тирозина, гистидина, лизина. Таким путем удается достичь высокой степени модификации белка, однако применение метода осложняется труднодоступ-ностью многих п-амннофенилгликозидов. Недостатком является также то, что в белок вводятся объемистые, гидрофобные феииль-ные группировки, которые могут существенно влиять на третичную структуру молекулы.

Широко применяется для введения углеводных цепей в белки реакция амилирования. В этом случае терминальный восстанавливающий остаток олигосахарида окисляется до альдоновой кислоты, которая и служит в дальнейшем мостиком между сахаридом и аминогруппами белка. Присоединение проводится методами, используемыми в синтезе пептидов: с помощью водорастворимого карбодиимида, методом смешанных ангидридов или активированных эфиров

сно

OGIyc [о]

(-С-ОН)„ СН,ОН

ООН OGIyc ньи-

(-C-OH)n CH2OH

О NH—белок

V

—OGIyc

:-он)п ch3oh

491

Синтез углеводов и углеводсодержащих биополимеров

Clyc—гликоэильныи остит

Простой метод иммобилизации олигосахаридных цепей на белковом коре основан на реакции альдегидной* группы углевода с аминогруппами белка и последующем восстановлении образовавшегося основания Шиффа цианоборгндридом натрия

4НО CH=N—белок СН2—NH—бе. —OGIyc H,N—балок —U-OGlyc NaCNBH, -[—OGlyc

[-C-OH)n — <-с-он)п " (-{-OH>n

сн2он CH2OH CH2OH

Clyc—гликоаильный остаток

лок

Как и при амидировании этот метод присоединения олигосахарида приводит к раскрытию цикла терминального восстанавливающего моносахаридного остатка. Недостаток метода состоит в малой скорости протекания реакции, видимо, в результате низкого содержания ациклической формы сахарида в растворе.

Для создания связи углевод — белок применяются и бифункциональные реагенты (в частности, симметричный трихлортриазнн), однако основные усилия направлены на развитие методов, при которых образующийся узел связи в минимальной степени отличается от природного. Например, предложено первоначально получать олигосахарнд с присоединенным N гликозидной связью L аспарагином, а затем вводить его в белок в виде ацилазида. Таким путем удается синтезировать полимер олигосахарнд —

N-аспарагин — белок, однако по сравнению с природными глико- Glyc-Asn(N,)

протеинами полученный неогликопротеин содержит «лишний» аспарагин.

Направленное гликози ирование белков, например, рекомби нантных, полученных в бактериях с целью создания точных копий природных белков, пока неосуществимо ни химическим, ни фер-ментативным способом. Причина заключается в сложности процесса биосинтеза углеводных цепей: его осуществляет сложный комплекс о^зерментов — гликозилтрансфераз, каждый из которых присоединяет определенный углеводный остаток. Кроме того, присоединение углеводов начинается уже в процессе биосинтеза полипептидной цепи гликопротеина, поэтому место будущей углеводной цепи оказывается помеченным еще до того, как произойдет формирование третичной структуры белка. В сформировавшейся глобуле

места потенциального глнкозилирования могут быть недоступными Glyc-Asn

ДЛЯ деЙСТВИЯ Соответствующих ферМеНТОВ. Glyc-гликозильный оста

—- Отдельные

Углеводы

представители углеводов

и углеводсодержащих биополимеров

Моносахариды

Среди моносахаридов ранее других стали известны и были изучены D-глюкоза и D-фруктоза, образующиеся при кислотном гидролизе сахарозы (тростникового сахара):

D-Глюкоза (декстроза, виноградный сахар) — самый распространенный моносахарид; в свободном виде она встречается в растениях, особенно плодах, в крови и лимфе человека и животных. Особенно велико содержание D-глюкозы в многочисленных олиго-и полисахаридах.

D-Фруктоза (плодовый сахар), подобно D-глюкозе, содержится а плодах растений, в меде.

D-Манноза и D-галактоза реже встречаются в свободном состоянии, но широко распространены в виде гликозидов, а также входят в состав полисахаридов (маннанов и галактанов) и гликопротеинов.

Среди пентоз наиболее известны D- и L-арабинозы. которые обнаружены в природе в некоторых полисахаридах, например в гуммиарабике, а также D-ксилоза, содержащаяся в полисахариде кси-лаие, и D-рибоза — компонент нуклеиновых кислот.

Широко распространены в природе аминосахара — моносахариды, в которых одна или несколько гидроксильных групп заменены на аминогруппы. Некоторые из них являются компонентами смешанных биополимеров, другие встречаются в качестве структурных единиц в антибиотиках.

Наиболее распространены прои {водные 2-амино-2-дезоксиса-харов: N-ацетилглюкозамин, N-ацетилгалактозамин и N-ацетилму-рамовая кислота.

N Ацетилг чюко.ча чип в вице гомополимера хитина формирует скелет насекомых и ракообразных; у бактерий, наряду с N-ацетилм