コア コンセプト
この記事では、単糖類、オリゴ糖類、多糖類の 3 つの主要な炭水化物クラスの炭水化物構造と特性について学びます。
炭水化物
炭水化物は、生命にとって最も重要なクラスの分子の 1 つです。具体的には、炭水化物はエネルギーの単位として機能することで知られているため、「炭水化物」は人間の食事の不可欠な部分です.実際、それらは多糖類の形でのエネルギー貯蔵、および単糖または「糖」の形でのエネルギー消費において重要な役割を果たします。さらに、炭水化物は、植物やバクテリアの細胞壁の構成要素として構造的な機能を持っています。炭水化物は細胞の識別にも役立ちます。細胞膜に結合した独自の糖鎖が細胞の種類と種の認識を可能にする「指紋」を提供するからです。
代謝、構造、および識別におけるそれらの重要な機能は、炭水化物の構造と特性によって可能になります。これから見ていくように、炭水化物には驚くべき構造的多様性があります。
単糖 構造と特性
単糖類は最も単純な炭水化物分子です。実際、単糖はより大きな炭水化物のモノマーであり、炭水化物の構造と特性の最小単位であり、より大きな分子の構成要素を形成します.すべての単糖類は、C(n)H(2n)O(n) の化学式を持ち、非分岐鎖の基本構造を持っています。線形分子 (フィッシャー投影図) として図解すると、単糖は 1 つの炭素に結合したカルボニル基を持ち、他の炭素は官能基としてアルコール基を持ちます。
生化学者は、カルボニルの位置に基づいて単糖の炭素に番号を付け、カルボニルに最も近い末端を炭素 1 とラベル付けします。
異性体
生化学者は、カルボニル基の位置に基づいて単糖類をさまざまに分類しています。炭素鎖の一端にカルボニルを持つ単糖類はアルドースと呼ばれ、カルボニルによって形成されるアルデヒド基を指します。対照的に、内部炭素にカルボニルを有する単糖類はケトースと呼ばれ、結果として生じるケトンを指します.
同じ数の炭素を持つ単糖の間で、アルドースとケトースは、化学者が互いの「構成異性体」と呼んでいるものです。これは、化学式は同じですが、原子間の接続が異なることを意味します。
さらに、多くの単糖類は、互いのエナンチオマーまたは鏡像です。生化学者は、D と L の文字を使用して、単糖のエナンチオマーを区別します。フィッシャー図法では、D と L の指定は、カルボニルから最も遠いキラル炭素のヒドロキシル基の方向に依存します。具体的には、D 糖は右向きの水酸基を持ち、L 糖は左向きの水酸基を持ちます。興味深いことに、生物学的システムは各単糖の 1 つのエナンチオマーのみを使用し、D 確認を行います。
環化
フィッシャー射影の有用性にもかかわらず、ほとんどの 5 または 6 単糖類は、独特の炭水化物構造と特性のために、一般に環状分子構造を持っています。酸触媒により、単糖は自発的に環化反応を起こし、そこでカルボニル基は炭素 4 または 5 のヒドロキシルによって攻撃されます。これはアルドースとケトースの両方で起こり、メンバーの 1 つが攻撃しているヒドロキシルからの酸素。
生化学者は、単糖類の環状形態をヘイワース図法と呼んでいます。これは、糖をさらに分類するために使用される炭水化物図です。たとえば、生化学者は 5 員環をフラノース、6 員環をピラノースと分類しています。
興味深いことに、炭水化物のユニークな特性の 1 つは、炭素数が 5 を超えるすべての単糖類がフラノースまたはピラノースのいずれかを形成できることです。ただし、一般に 6 員環は常に 5 員環よりも環の歪みが少ないため、ピラノーズはより一般的で安定しています。
さらに、単糖の環化により、カルボニルを運ぶ炭素がキラルになります。環化によって炭素の 2 つのキラル位置が可能であり、生化学者は「アノマー」という用語を使用して、これらの位置に関してのみ異なる単糖を区別します。したがって、生化学者は、カルボニルを運ぶ炭素を「アノマー炭素」と呼びます。
「アルファ」および「ベータ」という用語は、これら 2 つの異性体を表します。ベータ異性体のアノマー ヒドロキシル基は炭素 6 と同じ方向を向いていますが、アルファ異性体のアノマー ヒドロキシル基は反対方向を向いています。
他のカルボニル付加反応と同様に、環化は一般に特定のキラル位置を優先しないため、生物は一般に両方のアノマーを持っています。ただし、一部の単糖のアノマーは他のものよりも安定しています。たとえば、ベータ グルコースはアルファ グルコースよりも安定性が高い傾向があります。
単糖の例
生物学的機能を果たすいくつかの単糖を見てみましょう
リボース (α-D-リボフラノース)
グルコース (ベータ-D-グルコピラノース)
ガラクトース (ベータ-D-ガラクトピラノース)
フルクトース (ベータ-D-フルクトフラノース)
オリゴ糖 構造と特性
多くの場合、いくつかの単糖が凝集してオリゴ糖と呼ばれる構造になります。多くのオリゴ糖には、二糖類と呼ばれる 2 つの単糖しかありません。二糖類は、植物シロップ (スクロース)、牛乳 (ラクトース)、麦芽糖 (マルトース) の主要な炭水化物です。
他の一般的なオリゴ糖構造には、細胞の外側の膜タンパク質または脂質に結合する分岐鎖が含まれます。これらの炭水化物鎖の配列と化学は、各細胞タイプに固有である傾向があり、真核生物の細胞識別を可能にします.
グリコシド結合
単糖類は、グリコシド結合を使用して互いに結合します。これには、2 つの炭水化物環を結合する酸素原子が含まれます。グリコシド結合の形成は一種の縮合反応で、一方の糖の水酸基の水素と、もう一方の糖の水酸基全体が失われ、副産物として水が形成されます。環化と同様に、これにも酸触媒が関与します。
さらに、すべてのグリコシド結合には、少なくとも 1 つのアノマー炭素が含まれます。関連するアノマー炭素のキラリティーによって、グリコシド結合が「アルファ」または「ベータ」のどちらに分類されるかが決まります。たとえば、ベータ ガラクトースのアノマー炭素は常にグルコースの炭素 4 との結合を形成するため、ラクトースは常にベータ グリコシド結合を持っています。
逆に、グリコシド結合は、本質的に逆の縮合である加水分解反応を突破します。
多糖類 構造と特性
さらに、単糖類は、多糖類と呼ばれる大きなポリマー構造を形成できます。多くの場合、生物はエネルギー貯蔵や構造安定性のために多糖類を使用します。
エネルギー貯蔵のために、動物はグリコーゲンと呼ばれる多糖類を使用しますが、植物はデンプンと呼ばれる多糖類を使用します.グリコーゲンとデンプンはどちらも、炭素 1 と 4 の間にあるほとんどがアルファ 1,4 グリコシド結合で結合したアルファ グルコースで完全に構成されています。これらの結合は、グルコースのらせん鎖を形成します。時折、α-1,6 結合が鎖に現れ、鎖の分岐が生じます。
グリコーゲンは 8 ～ 10 グルコースごとに分岐する傾向がありますが、デンプンの分岐成分であるアミロペクチンは 12 ～ 20 グルコースごとに分岐します。また、デンプンにはアミラーゼと呼ばれる成分があり、単純で分岐のないヘリックスを形成します。
構造安定性のために、植物は多糖セルロースを使用します。デンプンやグリコーゲンとは異なり、セルロースはベータ-グルコースとベータ-1,4 結合を使用します。また、それぞれの交互のグルコースは反転した向きを持ち、らせんではなく直鎖になります。細胞壁を形成するために、グルコース鎖が互いに並んで配置され、水素結合によって強力に結合されたセルロース シートを形成します。
他の細胞壁形成多糖類には、真菌に見られるキチン、および細菌に見られるペプチドグリカンが含まれます。これらの多糖類はどちらも、化学的に修飾されたアルファ-グルコースとベータ-1,4 結合を使用しています。
