単糖類：特性、機能、例 - 生物学 - 2024

単糖類は、より複雑な炭水化物の構造的基礎を形成する比較的小さな分子です。これらは、それらの構造および立体化学配置の点で異なります。

単糖の最も際立った例であり、自然界で最も豊富なものは、6つの炭素原子で構成されるd-グルコースです。グルコースは不可欠なエネルギー源であり、デンプンやセルロースなどの特定のポリマーの基本成分です。

Alejandro Porto、Wikimedia Commons経由

単糖類は、アルデヒドまたはケトンに由来する化合物であり、その構造内に少なくとも3つの炭素原子を含みます。それらは、加水分解プロセスを経て、より単純な単位に分解することはできない。

一般に、単糖類は固体の物質で、色は白色で、見た目は甘い味の結晶です。それらは極性物質であるため、水に非常に溶けやすく、非極性溶媒には溶けません。

それらはグリコシド結合を介して他の単糖類と結合でき、生物学的に非常に重要で構造的に非常に多様なさまざまな化合物を形成します。

単糖が形成できる分子の数が多いため、情報と機能の両方を豊かにすることができます。実際、炭水化物は生物の中で最も豊富な生体分子です。

単糖類の結合により、スクロース、ラクトース、マルトースなどの二糖類と、グリコーゲン、デンプン、セルロースなどの構造的機能に加えてエネルギー貯蔵機能を果たすより大きなポリマーが生成されます。

一般的な特性

単糖類は最も単純な炭水化物です。構造的にはそれらは炭水化物であり、それらの多くは経験式（CH ₂ O）_nで表すことができます。それらは細胞にとって重要なエネルギー源であり、DNAなどの生命に不可欠なさまざまな分子の一部です。

単糖類は、炭素、酸素、水素原子で構成されています。溶液の場合、主な形態の糖（リボース、グルコース、フルクトースなど）は開鎖ではなく、エネルギー的により安定した環です。

最小の単糖は3つの炭素で構成され、ジヒドロキシアセトンとd-およびl-グリセルアルデヒドです。

単糖の炭素骨格には分岐がなく、1つを除いてすべての炭素原子に水酸基（-OH）があります。残りの炭素原子には、アセタールまたはケタール結合に結合できるカルボニル酸素があります。

構造

単糖であるグルコースの化学構造。

立体異性

単糖類-ジヒドロキシアセトンを除いて-は不斉炭素原子を持っています。つまり、それらは4つの異なる元素または置換基に結合しています。これらの炭素は、キラル分子、したがって光学異性体の出現に関与しています。

たとえば、グリセルアルデヒドは単一の不斉炭素原子を所有しているため、d-およびl-グリセルアルデヒドという文字で示される2つの形態の立体異性体があります。アルドテトロスの場合、それらは2つの不斉炭素原子を持っているが、アルドペントースは3つを持っている。

アルドヘキソースは、グルコースと同様に、4つの不斉炭素原子を持っているため、16種類の立体異性体の形で存在できます。

これらの不斉炭素は光学活性を示し、単糖類の形態はこの性質によって性質が異なります。グルコースの最も一般的な形は右旋性であり、フルクトースの通常の形は左旋性です。

3つ以上の不斉炭素原子が現れる場合、接頭辞d-およびl-は、カルボニル炭素から最も遠い不斉原子を指します。

ヘミセレスとヘミセタール

単糖類は、アルコールと反応してヘミアセタールを生成するアルデヒド基の存在により、環を形成する能力を持っています。同様に、ケトンはアルコール、一般的にはヘミケタールと反応します。

たとえば、グルコースの場合、1位の炭素（直鎖状）は同じ構造の5位の炭素と反応して分子内ヘミアセタールを形成します。

各炭素原子に存在する置換基の配置に応じて、糖の環状形態は、ハワース投影式に従って表すことができます。これらの図では、リーダーとこの部分に最も近いリングの端が太い線で表されています（メイン画像を参照）。

したがって、6つの項を持つ糖はピラノースであり、5つの項を持つ環はフラノースと呼ばれます。

したがって、グルコースとフルクトースの環状型は、グルコピラノースとフルクトフラノースと呼ばれます。上記で考察したように、d-グルコピラノースは、文字αおよびβで示される2つの立体異性体の形で存在できます。

構造：椅子と船

ハワース図は、単糖の構造が平らな構造を持っていることを示唆していますが、この見方は正しくありません。

炭素原子に存在する四面体の形状により、リングはフラットではないため、椅子と船または船と呼ばれる2種類のコンフォメーションを採用できます。

サドル型のコンフォメーションは、船に比べて剛性が高く安定しているため、ヘキソースを含む溶液ではコンフォメーションが支配的です。

椅子の形では、アキシャルおよび赤道と呼ばれる2つのクラスの置換基を区別できます。ピラノースでは、赤道水酸基は軸性のものよりも容易にエステル化プロセスを受けます。

Alejandro Porto、Wikimedia Commons経由

単糖類の性質

d-グルコースの変異回転とアノマー型

水溶液の場合、一部の糖はあたかも追加の非対称中心を持つかのように振る舞います。たとえば、d-グルコースは、特定の回転が異なる2つの異性体で存在します：α-d-グルコースβ-d-グルコース。

元素組成は同じですが、どちらの種も物理的および化学的性質が異なります。これらの異性体が水溶液に入ると、時間の経過とともに旋光度が変化し、平衡状態で最終値に達します。

この現象は回転回転と呼ばれ、平均気温20°Cで、アルファ異性体の3分の1がベータ異性体の3分の2と混合されると発生します。

単糖類の修飾

単糖は、アルコールやアミンとグリコシド結合を形成して、修飾分子を形成します。

同様に、それらはリン酸化することができ、すなわち、リン酸基を単糖に付加することができる。この現象は、さまざまな代謝経路で非常に重要です。たとえば、解糖経路の最初のステップでは、グルコースのリン酸化を行って中間体のグルコース6-リン酸を生成します。

解糖が進むにつれて、リン酸化された糖であるジヒドロキシアセトンリン酸やグリセルアルデヒド3-リン酸などの他の代謝中間体が生成されます。

リン酸化プロセスは糖に負の電荷を与え、これらの分子が細胞から容易に離れることを防ぎます。また、他の分子と結合できるように反応性を与えます。

単糖類に対するpHの作用

単糖類は、高温の環境や希鉱酸で安定しています。対照的に、高濃度の酸にさらされると、糖は脱水反応を受け、フルフラールと呼ばれるフランのアルデヒド誘導体が生成されます。

たとえば、濃塩酸と一緒にd-グルコースを加熱すると、5-ヒドロキシメチルフルフラールと呼ばれる化合物が生成されます。

フルフラールがフェノールと縮合すると、糖の分析のマーカーとして使用できる着色物質が生成されます。

一方、穏やかなアルカリ環境では、アノマー炭素と隣接炭素の周りに再配列が生じます。d-グルコースを塩基性物質で処理すると、d-グルコース、d-フルーツ、d-マンノースの混合物が作成されます。これらの製品は室温で発生します。

温度やアルカリ性物質の濃度が上昇すると、単糖類は断片化、重合または転位の過程を経ます。

特徴

電源

単糖類、および一般的に炭水化物、エネルギー源としての食事の必須要素。細胞燃料およびエネルギー貯蔵として機能することに加えて、それらは酵素反応における中間代謝産物として機能します。

細胞相互作用

また、タンパク質や脂質などの他の生体分子とリンクして、細胞相互作用に関連する主要な機能を果たすこともできます。

核酸、DNAとRNAは、遺伝の原因となる分子であり、その構造には糖、特にペントースがあります。D-リボースは、RNAのバックボーンに含まれる単糖です。単糖類はまた、複雑な脂質の重要な成分です。

オリゴ糖の成分

単糖は、オリゴ糖（ギリシャ語のオリゴから、少数を意味する）および多糖の基本的な構造コンポーネントであり、単一クラスまたはさまざまな種類の単糖ユニットを多く含んでいます。

これらの2つの複雑な構造は、デンプンなどの生物学的燃料貯蔵庫として機能します。それらはまた、植物の硬い細胞壁や様々な植物器官の木質や繊維組織に見られるセルロースなどの重要な構造要素でもあります。

分類

単糖類は2つの異なる方法で分類されます。最初のものは、それがケトンまたはアルデヒドであり得るので、カルボニル基の化学的性質に依存する。2番目の分類は、糖に含まれる炭素原子の数に焦点を当てています。

例えば、ジヒドロキシアセトンは、ケトン基を含み、したがって「ケトース」と呼ばれ、アルデヒド基を含み、「アルドース」と見なされるグリセルアルデヒドとは対照的です。

単糖には、その構造に含まれる炭素の数に応じて特定の名前が割り当てられます。したがって、4、5、6、7個の炭素原子を持つ糖は、それぞれ、テトロース、ペントース、ヘキソース、ヘプトースと呼ばれます。

言及されたすべてのクラスの単糖類の中で、ヘキソースは群を抜いて最も豊富なグループです。

両方の分類を組み合わせることができ、分子に付けられた名前は、炭素数とカルボニル基のタイプの混合です。

グルコース（C ₆ H ₁₂ O ₆）の場合、6つの炭素原子を持ち、アルドースでもあるため、ヘキソースと見なされます。2つの分類によると、この分子はアルドヘキソースです。同様に、リブロースはケトペントースです。

単糖類の重要な誘導体

グリコシド

鉱酸の存在下で、アルドピラノースはアルコールと反応して配糖体を形成します。これらは、ヘミアセタールからのアノマー炭素原子とアルコールのヒドロキシル基との反応によって構成される非対称混合アセタールです。

形成される結合はグリコシド結合と呼ばれ、単糖のアノマー炭素と別の単糖のヒドロキシル基との間の反応により二糖を形成することによっても形成され得る。このようにして、オリゴ糖鎖と多糖鎖が形成されます。

それらは、グルコシダーゼなどの特定の酵素によって、または酸性と高温にさらされたときに加水分解されます。

N-グリコシルアミンまたはN-グルコシド

アルドースとケトースはアミンと反応してN-グルコシドを生成することができます。

これらの分子は、塩基の窒素原子がd-リボース（RNA中）の1位の炭素原子とN-グルコシルアミン結合を形成していることが判明している核酸やヌクレオチドで重要な役割を果たします。 2-デオキシ-d-リボース（DNA中）の。

ムラミン酸とノイラミン酸

これらのアミノ糖の2つの誘導体は、その構造内に9つの炭素原子を持ち、それぞれ細菌構造および動物細胞の外皮の重要な構造要素です。

細菌の細胞壁の構造基盤はN-アセチルムラミン酸で、乳酸に結合したアミノ糖N-アセチル-D-グルコサミンによって形成されます。

N-アセチル-ノイラミン酸の場合、N-アセチル-d-マンノサミンとピルビン酸の誘導体です。この化合物は、動物細胞の糖タンパク質と糖脂質に含まれています。

糖アルコール

単糖類では、カルボニル基は還元され、糖アルコールを形成することができます。この反応は、水素ガスと金属触媒の存在下で発生します。

d-グルコースの場合、反応は糖アルコールd-グルシトールを生じます。同様に、d-マンノースによる反応は、d-マンニトールを生成します。

当然、2つの非常に豊富な糖、グリセリンとイノシトールがあり、どちらも優れた生物学的重要性を持っています。1つ目は特定の脂質の成分で、2つ目はホスファチルイノシトールとフィチン酸に含まれています。

フィチン酸の塩はフィチンであり、植物組織に必須の支持物質です。

単糖類の例

グルコース

それは最も重要な単糖であり、すべての生物に存在しています。この炭酸塩鎖は、細胞にエネルギーを供給するため、細胞が存在するために必要です。

それは6個の炭素原子の炭酸鎖から構成され、12個の水素原子と6個の酸素原子によって補完されます。

-タワー型

この基は、カーボネート鎖の一端にあるカルボニルによって形成されます。

女神

グリコアルデヒド

トリオ

グリセルアルデヒド

この単糖は、3つの炭素原子で構成される唯一のアルドースです。トリオースとして知られています。

それは光合成で得られる最初の単糖です。解糖などの代謝経路の一部であることに加えて。

テトロサ

エリスロサとトレオサ

これらの単糖類は、4つの炭素原子と1つのアルデヒド基を持っています。エリスロースとトレオースはキラル炭素のコンフォメーションが異なります。

トレオースではDLまたはLD構造で見られますが、エリスロースでは両方の炭素の構造がDDまたはLLです。

ペントサス

このグループ内には、5つの炭素原子を持つ炭酸鎖が含まれています。カルボニルの位置に応じて、リボース、デオキシリボース、アラビノース、キシロース、リキソースの単糖を区別しています。

リボースはRNAの主要成分の1つであり、生物の細胞にエネルギーを提供するATPのようなヌクレオチドの形成を助けます。

リボースは 5個の炭素原子（式C5H10O4の経験のペントース）デオキシ糖の単糖から誘導されます

アラビノースはペクチンやヘミセルロースに含まれる単糖の一つです。この単糖は細菌の培養において炭素源として使用されます。

キシロースは一般に木糖としても知られています。その主な機能は人間の栄養に関連しており、人体にとって8つの必須糖の1つです。

リキソースは、天然ではまれな単糖であり、一部の種の細菌壁に見られます。

ヘキソース

この単糖類のグループには、6つの炭素原子があります。また、カルボニルがどこにあるかによって分類されます。

アロースは、アフリカの木の葉のみから得られた珍しい単糖です。

アルトロースは、バクテリアブチリビブリオフィブリソルベンスのいくつかの株に含まれる単糖です。

グルコースは、12個の水素原子と6個の酸素原子によって補足された、6個の炭素原子の炭酸鎖で構成されています。

マンノースはグルコースに似た組成をしており、その主な機能は細胞のエネルギーを生成することです。

グロースは、酵母で発酵されない甘味のある人工単糖です。

イドースはグルコースのエピマーであり、生物の細胞の細胞外マトリックスのエネルギー源として使用されます。

ガラクトースは、糖脂質と糖タンパク質の一部であり、主に脳のニューロンに見られる単糖です。

タロースは、水に溶け、甘みのある別の人工単糖です。

-ケッツ

炭素原子の数に応じて、3つの炭素原子で構成されるジヒドロキシアセトンと4つの炭素原子で構成されるエリスルロースを区別できます。

同様に、それらに5つの炭素原子があり、カルボニルの位置を考慮に入れると、リブロースとキシルロースが見つかります。6つの炭素原子で構成され、シコサ、フルクトース、ソルボース、タガトースがあります。

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