Углеводы, моносахариды, полисахариды. Углеводы широко распространены в животном и растительном мире, они играют исключительную роль во многих жизненных процессах. Углеводы составляют 80% сухой массы растений и 2% от сухой массы животных организмов.

Название углеводы этим природным веществам предложено в 1844 году К.Шмидтом, т.к. элементный состав известных тгда углеводов мог быть выражен как С_n(Н₂О)_m в настоящее время понятие углеводы стало гораздо шире.

Классификация углеводов.

Углеводы обычно подразделяют на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
Моносахариды (монозы) – вещества не способные подвергаться гидролизу.
Олигосахариды – вещества, образованные из нескольких остатков молекул моносахаридов (от 2-х до 8-10). Простейшими из них являются дисахариды.
Полисахариды являются высокомолекулярными соединениями, макромолекулы которых образованы из многих молекул моносахаридов.

Моносахариды классифицируются по числу углеродных атомов в молекуле и присутствию альдегидной или кетонной группы:
Тетрозы
Пентозы
Гексозы
Моносахариды: альдозы, кетозы

По строению моносахариды являются полигидроксиальдегидами или полигидроксикетонами:

Моносахариды получают из полисахаридов путем гидролиза последних. Например, при гидролизе свекловичного или тростникового сахара получаются глюкоза и фруктоза:

Монозы хорошо растворимы вводе, большинство из них имеет сладкий вкус; растворы нейтральной реакцию При нагревании они окрашиваются в бурый цвет и обугливаются. Все природные моносахариды обладают оптической активностью.

Биологическое значение имеют главным образом сахара с 5 и 6 атомами углерода в молекуле (пентозы и гексозы). По своему строению они делятся на две большие группы: альдегидоспирты (альдозы) и кетоноспирты (кетозы):

В настоящее время считается установленным, что в растворе сахаров находятся как молекулы, строение которых приведено выше (цепная или открытая форма), так и молекулы, имеющие циклическое строение (циклическая полуацетальная форма):

Впервые циклическую форму для моноз предложил русский ученый А.А.Колли (1840-1916). Он выполнил также ряд других исследований по химии углеводов, имеющих большое значение.

Циклические формы углеводов можно рассматривать как производные двух типов циклических соединений: пирана (шестичленное кольцо) или фурана (пятичленное кольцо):

В фармации используют из моноз в основном глюкозу как лекарственное средство, фруктозу как заменитель сахара для больных сахарным диабетом; используются диозы: сахароза, лактоза, находят применение некоторые олигосахариды, напритмер в качестве инфузионных растворов, полисахариды – целлюлоза, крахмалы различного происхождения. В настоящее время широко применяются в качестве лекарственных средств производные углеводов: глюкозамин и его полимерное соединение хондроитин.

Glucosum-глюкоза.

Получение глюкозы. В свободном состоянии глюкоза находится в виноградном соке, в плодах и других органах различных растений. Основным источником получения глюкозы в промышленности является крахмал ( и реже – целлюлоза), которые гидролизуются в присутствии минеральных кислот:

Химическая структура. Глюкоза относится к альдозам, а по числу атомов углерода к гексозам:

Важная структурная особенность моносахаридов – это свойственная им изомерия. Глюкоза содержит несколько асимметричных атомов углерода, а именно – четыре, и следовательно для нее характерная пространственная изомерия (стереоизомерия).

При наличии в молекуле n асимметрических центров в общем случае число пространственных изомеров выражается формулой 2ⁿ.

2⁴ = 16. Следовательно для глюкозы возможны 16 стереоизомеров, 8 пар антипод (энатиомеров).

Для обозначения пространственного строения каждого из стереоизомеров углеводы (как и другие оптически активные вещества) по предложению М.А.Розанова разделяют на два ряда: D-ряд и L-ряд. Простейшими представителями этих радов являются оптические антиподы глицеринового альдегида:

D-глицериновым альдегидом назвали правовращающий стереоизомер, который имеет у асимметричного атома углерода группу ОН справа при написании цепи альдегидной группой кверху. L-изомер имеет в этом случае группу ОН слева. Это типичный пример оптических изомеров.

Принято следующее условие: вещества, которые можно получить из D-глицеринового альдегида путем надстройки углеродной цепи со стороны альдегидной группы, относятся к D-ряду. Аналогичное положение применимо и к L-ряду.

Для углеводов характерно равновесное состояние между линейной и циклической структурой, причем в олигосахаридах они находятся в исключительно циклической форме:

Гидроксильная группа пятого атома углерода пространственно сближается с альдегидной группой с учетом величины валентного угла, это приводит к образованию внутреннего циклического полуацеталя. Циклизация приводит к образованию устойчивого шестичленного кольца, которое называется пиранозным.

Полуацетальный гидроксил, в свою очередь, обуславливает возможность:
1. Образовывать полные ацетали с другими сахарами и соединениями, содержащими NН₂— и ОН-.
2. Образовывать полимерные структуры.

При образовании циклического полуацеталя углеродный атом карбонильной группы превращается в асимметрический. У этого вновь образованного асимметрического атома углерода атом водорода и гидроксильная группа могут располагаться двояким образом: Н-слева, ОН-справа и, наоборот, Н-справа, ОН-слева. Такие изомеры, отличающиеся расположением полуацетального гидроксила, называются аномерами. Чтобы различить аномеры, применяют условные обозначения: α- и β-; α-Аномер имеет полуацетальный гидроксил с той же стороны, где расположена группа ОН, указывающая принадлежность моносахарида к D- или L-ряду; β-аномер – наоборот.

Фармакопейным препаратом глюкозы является α- D-глюкоза:

Кристаллизационная вода глюкозы составляет 10% ее молярной массы.

Свойства. Белый мелкокристаллический порошок без запаха, сладкого вкуса. Легко растворим в воде, трудно в спирте, практически нерастворим в эфире.

Подлинность.

1. Органолептическое определение (сладкий вкус).

2. Взаимодействие с реактивом Феллинга( образование осадка закиси меди), Несслера( образование осадка ртути), реакция серебряного зеркала.

3. При нагревании с тимолом и  концентрированной серной кислотой образуется темно-красное окрашивание. За счет дегидратации сахара образуется соответствующее фурфурольное производное, реагирующее с тимолом с образованием ауринового красителя:

4. При нагревании с резорцином и разбавленной соляной кислотой образуется розовое окрашивание.

5. Образование азазонов с фенилгидразином (кристаллический осадок желтого цвета):

Чистота. Глюкоза имеет удельное вращение, является правовращающей в ФС допускается интервал удельного вращения, указывается растворитель, концентрация раствора). Прозрачность, цветность, кислотность, общедопустимые хлориды, сульфаты, кальций. Недопустимые примеси: барий, декстран.

Определение величины удельного вращения [α]_D²⁰. Присутствие нескольких асимметрических центров в молекуле глюкозы обуславливает оптическую активность с сильно выраженным вращением плоскости поляризованного света. Измерив угол, на который происходит вращение поляризованного света можно рассчитать удельное вращение. В свежеприготовленных растворах глюкозы происходит явление так называемой муторотации, которое представляет собой изменение величины вращения, достигающее через определенное время постоянной величины. Муторотацию можно объяснить тем, что при растворении глюкозы, которая в кристаллическом состоянии находится в одной циклической форме, образуется ее альдегидная форма, через которую получаются аномерные циклические формы глюкозы: α- и β- формы, отличающиеся расположением заместителей у первого углеродного атома, в связи с чем они имеют различные величины вращения. Удельное вращение – это константа оптически активного вещества. Удельное вращение определяют расчетным путем как угол поворота плоскости поляризованного монохроматического света на пути длиной 1 дм в среде, содержащей оптически активное вещество, при условном приведении концентрации этого вещества к значению, равному 1г/мл.

Величину удельного вращения рассчитывают:
[α] =  (α·100) / (l·c) (для растворов веществ)

Явление муторотации можно ускорить добавлением к раствору глюкозы аммиака.

Количественное определение. Количественное определение действующей фармакопейной статьей не предусматривается. В инъекционных формах используют рефрактометрию. Среди нефармакопейных методов, используемых для количественного определения глюкозы следует отметить:

1. Йодометрический метод способом обратного титрования, т.е. титрование избытка йода после окисления. Метод Вильштеттера. В щелочной или карбонатной среде с избыткой йода окисляется до кислоты (глюконовой). Йод оттитровывают тиосульфатом натрия.

2. Йодометрический после окисления реактивов Несслера.

3. Перманганатометрический (Метод Бертрана). Способ прямым титрованием. Метод основан на избирательном окислении альдегидной группы реактивом Феллинга с последующим прибавлением к раствору соли трехвалентного железа, которое в свою очередь оттитровывается раствором перманганата калия.

Фактор эквивалентности =1/2.

4. Рефрактометричексий метод. Исходя из коэффициента преломления раствора глюкозы.

5. Поляриметрический метод.

с =(α·100) /  ([α]_D²⁰·l)

Применение. Глюкозу используют как источник легко усваиваемых организмов углеводов. Используют в виде растворов для внутривенного введения: 5%; 10%; 20%; и 40%. В форме таблеток 0,5 г и 1,0 г., а также в сочетании с витаминами и другими веществами.
Хранение. В хорошо укупоренной таре в сухом месте.

Стабилизация растворов глюкозы.

Инъекционные растворы глюкозы широко применяются и их часто готовят в аптеках. При выборе стабилизатора для раствора глюкозы необходимо учитывать полифункциональный характер этого вещества. Глюкоза неустойчива в щелочной среде, под влиянием кислорода образуются оксикислоты: гликолевая, левулиновая, муравьиная и оксиметилфурфурол. Для предотвращения этого процесса растворы глюкозы стабилизируют 0,1 моль/л раствором НС1 до рН 3,0-4,0. Доказано, что при рН 3,0 происходит минимальное образование 5-оксиметилфурфурола, обладающего нефрогепатотоксическим действием. Глюкоза неустойчива и в кислой среде – образуется D-глюконовая кислота и ее лактоны, в результате их окисления, особенно в процессе стерилизации, образуется 5-окситметилфур-фурол, вызывая пожелтение раствора.

Растворы глюкозы в ГЛФ по ГФ Х1 стабилизируются добавлением 0,2 г NaCl на 1 л раствора и 0,1 моль/л раствором НСl до рН 3,0-4,0.

В настоящее время считают, что NaCl в сочетании с НСl создают буферную систему стабилизирующую глюкозу в нейтральных и кислых средах. В условиях аптеки стабилизатор готовят по следующей прописи:

NaCl – 5,2 г.
Кислоты соляной разведенной 4,4 мл
Воды для инъекций до 1 л.

При изготовлении растворов глюкозы, независимо от ее концентрации, добавляют 5% этого стабилизатора.

Олигосахариды. Saccharum-сахар.

Получение сахара из сахарной свеклы или сахарного тростника. Является дисахаридом, состоит из двух моносахаридов: D-(+)-глюкозы и D-(-)-фруктозы:

α-D-глюкопиранозидо-β-D-фруктофуранозид.

Описание. Белые твердые куски мелкокристаллического строения, без запаха, сладкого вкуса. Очень легко растворим в воде.

Относится к невосстанавливающим сахарам, т.к. отсутствует полуацетальная гидроксигруппа, не дает реакции с раствором Феллинга и способны только к реакциям образования простых и сложных эфиров. Препарат легко гидролизуется в присутствии даже слабых кислот.

Подлинность. Препарат смешивают с раствором Со(NО₃)₂ и раствором NаОН, появившееся фиолетовое окрашивание. С резорцином и разбавленной соляной кислотой – красное окрашивание.
Удельное вращение от +66,5 до + 66,8º (10 водный раствор). Метод количественного определения – поляриметрический.

Применение. В качестве наполнителя в таблетках и порошках, на ее основе готовят сиропы, используемые как лекарственные формы, так и для коррекции ГЛФ.

Лактоза. Saccharum lactis.

4-(β-D-галактопиранозидо)- D-глюкопираноза.

Описание. Белые кристаллы или белый кристалличексий порошок, без запаха, сладкого вкуса. Легко растворим в воде, почти нерастворим в эфире и хлороформе.

Подлинность.
1. С реактивом Феллинга желтый осадок, переходящий в буровато-красный.
2. С резорцином и соляной кислотой при повышенной температуре – желтое окрашивание.
3. Удельное вращение от +52 до +53,2 (5% водный раствор).

Количественное определение.
1. Йодометрический;
2. Поляриметрический.

Применяется в качестве наполнителя в ГЛФ.

Полисахариды.Amilum-крахмал.

Получают крахмал из зерновых культур и картофеля. Он представляет собой смесь полисахаридов с общей формулой (С₆Н₁₀О₅)_х. Молекула крахмала включает остатки α-D-глюкопиранозы, отличающиеся друг от друга степенью полимеризации и характером связей. Полисахариды, входящие в состав крахмала, можно разделить на две фракции: амилозу и амилопектин. Амилоза имеет в основном линейное ст роение с мольной массой 30000-160000. Молекула ее построена из α-D-глюкопиранозных звеньев, но соединенных в положении 1→4:

Амилопектин – полисахарид разветвленного строения. Связи в положении 1-4 и 1-6. Мольная масса от 100000 до 1000000.

Производные углеводов. Глюкозамин. Представляет собой аминопроизводное глюкозы. Природным источником служит панцирь краба, креветки и другие хитинсодержащие препараты. Получают кислым гидролизом олигосахарида – хитозана:

2-амино-2-дезокси-β-D-глюкопираноза.

Применяют как противовоспалительное средство и структурный фрагмент хрящевой ткани для ее репарации. Входит в состав многих лекарственных форм и применяется самостоятельно в виде гидрохлорида.

Хондроитин. Олигоаминосахарид, представляющий собой фрагменты хрящевой ткани. Используется в качестве лекарственного средства в виде таблеток и мазей.