ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 27.03.2024
Просмотров: 9
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Углеводы
Углеводы — обширный класс природных соединений, которые играют важную роль в жизни человека, животных и растений.
Название ≪углеводы≫ эти соединения получили потому, что состав многих из них выражается общей формулой Сn(Н2O )m , т. е. они формально являются соединениями углерода и воды.
Биологическая роль
Углеводы относятся к числу наиболее распространенных в природе органических соединений: они являются компонентами клеток всех растительных и животных организмов. Углеводы образуются растениями в процессе фотосинтеза:
Животные не способны сами синтезировать углеводы и используют углеводы,- синтезируемые растениями. Углеводы составляют значительную долю пищи млекопитающих.
В процессах дыхания происходит окисление углеводов, в результате чего выделяется энергия, необходимая для функционирования живых организмов:
При полном окислении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии. Некоторое количество выделяющейся энергии превращается в тепло, а большая часть ее аккумулируется в АТФ и затем расходуется в процессах жизнедеятельности.
Функции углеводов в живых организмах разнообразны.
Они служат источником запасной энергии (в растениях — крахмал, в животных организмах — гликоген). В растительных организмах углеводы являются основой клеточных мембран. В качестве одного из структурных компонентов остатки углеводов входят в состав нуклеиновых кислот.
Классификация углеводов
Все углеводы можно разделить на две группы: простые углеводы, или моносахариды, и сложные углеводы.
Простые углеводы (моносахариды) — это простейшие углеводы, не гидролизующиеся с образованием более простых углеводов.
Сложные углеводы — это углеводы, молекулы которых состоят из двух или большего числа остатков моносахаридов и разлагаются на эти моносахариды при гидролизе.
МОНОСАХАРИДЫ
Моносахариды представляют собой соединения со смешанными функциями. Они содержат альдегидную или кетогруппу и несколько гидроксильных групп, т. е. являются альдегидоспиртами или кетоноспиртами. Следовательно, углеводы являются полигидроксикарбонильными соединениями.
Моносахариды с альдегидной группой называются альдозами, с кетогруппой — кетозами. По числу углеродных атомов в молекуле моносахариды делятся на тетрозы, пентозы, гексозы и т. д.
Классификация моносахаридов
Альдозы и кетозы с одинаковым числом атомов углерода изомерны между собой. Наибольшее значение среди моносахаридов имеют гексозы и пентозы.
Структура моносахаридов
Для изображения строения моносахаридов используют проекционные формулы Фишера. В формулах Фишера цепь углеродных атомов располагается в одну линию. Нумерация цепи начинается с атома углерода альдегидной группы (в случае альдоз) или с крайнего атома углерода, к которому ближе располагается кетогруппа (в случае кетоз). Атомы водорода и группы -ОН у асимметрических атомов «С» располагаются слева и справа от углеродной цепи.
В зависимости от пространственного расположения атомов «Н» и ОН-групп у 4-го атома углерода у пентоз и 5-го атома углерода у гексоз моносахариды относят к D- или L-ряду.
Моносахарид относят к D-ряду, если ОН-группа у этих атомов располагается справа от цепи:
Почти все встречающиеся в природе моносахариды относятся к D-ряду.
Для перехода от моносахарида D-ряда к моносахариду L-ряда нужно изменить конфигурацию всех асимметрических углеродных атомов на противоположную:
Рассмотренные выше структуры моносахаридов являются ациклическими. Однако моносахариды могут существовать также в циклических формах. Циклические формы образуются в результате взаимодействия карбонильной группы и одной из гидроксильных групп с образованием внутренних полуацеталей.
Образование циклической формы глюкозы из альдегидной – это своеобразный химический акт, обусловленный наличием различных функциональных групп, которые могут взаимодействовать между собой.
Альдегидная группа может приблизиться к спиртовой группе, так как атом кислорода карбонильной группы несет на себе частичный отрицательный заряд, а атом водорода спиртовой группы – частичный положительный заряд. При сближении этих двух функциональных групп происходит разрыв π-связи карбонильной группы, к атому кислорода присоединяется атом водорода (образовалась новая гидроксильная группа), а атом кислорода спиртовой группы с атомом углерода замыкают цикл.
В растворах моносахаридов происходит миграция атома водорода между гидроксо- и карбонильной группой, при этом устанавливается подвижное равновесие между ациклической и циклической формами.
Подвижное равновесие между взаимопревращающимися структурными изомерами (таутомерами) называется таутомерией.
Циклические формы принято изображать перспективными формулами Хеуорса.
Молекула стремится к минимуму энергии. В молекуле глюкозы этот минимум достигается, когда ОН-группы находятся по разные стороны от плоскости кольца, чтобы не было их взаимного отталкивания
В том случае, когда новая ОН-группа находится под плоскостью цикла, образуется α-форма глюкозы, если над плоскостью – β-форма
Биологически важной альдогексозой является также D-галактоза. Структурным отличием молекулы D-галактозы от молекулы D-глюкозы является положение ОН-группы у 4-го атома углерода: в молекуле галактозы она располагается слева от углерод-углеродной цепи.
Как и глюкоза, галактоза существует в виде нескольких таутомерных форм:
Важнейшей кетогексозой является D-фруктоза (изомер D-глюкозы). Для циклических форм фруктозы характерны фуранозные структуры. Фуранозный цикл образуется в результате взаимодействия карбонильной (кетонной) группы со спиртовой группой при 5-м углеродном атоме.
Среди пентоз наиболее известны D-рибоза и ее производное 2-дезокси-D-рибоза, у которой нет гидроксильной группы при втором углеродном атоме. Эти моносахариды входят в состав рибо- и дезоксирибонуклеиновых кислот (РНК и ДНК) в фуранозной форме.
Физические свойства
Моносахариды представляют собой бесцветные кристаллические вещества, сладкие на вкус, хорошо растворимые в воде, нерастворимые в эфире, плохо растворимые в спирте. Сладость моносахаридов различна. Например, фруктоза слаще глюкозы в три раза.
Химические свойства
Моносахариды — это соединения со смешанными функциями.
В растворах существует динамическое равновесие между несколькими таутомерными формами моносахаридов, поэтому в зависимости от условий и реагентов они могут реагировать в открытой или циклической форме.
При этом равновесие смещается в сторону образования той формы, которая вступает во взаимодействие.
Химические свойства моносахаридов обусловлены наличием:
а) карбонильной группы в открытых формах моносахаридов;
б) спиртовых гидроксильных групп как в открытых, так и в циклических формах моносахаридов;
в) полуацетальной гидроксильной группы в циклических формах моносахаридов.
Рассмотрим химические свойства моносахаридов на примере важнейшего из них — глюкозы.
/. Реакции с участием альдегидной группы глюкозы (т.е. свойства глюкозы как альдегида)
1. Восстановление (гидрирование) с образованием многоатомного спирта:
В ходе этой реакции карбонильная группа восстанавливается и образуется новая спиртовая группа
2. Окисление
Глюкоза легко окисляется. В зависимости от характера окислителей получаются различные продукты.
1) Окисление под действием слабых (мягких) окислителей с образованием глюконовой кислоты.
К числу таких реакций относятся качественные реакции на глюкозу как альдегид: реакция с аммиачным
раствором оксида серебра (I) Ag2O (реакция «серебряного зеркала») и реакция с гидроксидом меди (II) Сu(ОН)2 в щелочной среде при нагревании:
В ходе этих реакций альдегидная группа -СНО окисляется до карбоксильной группы -СООН.
2) Окисление под действием сильных окислителей (например, азотной кислоты) с образованием двухосновной глюкаровой кислоты:
В ходе этой реакции и альдегидная группа -СНО и первичная спиртовая группа -СН2ОН окисляются до карбоксильных групп -СООН.
II. Реакции глюкозы с участием гидроксильных групп(т. е. свойства глюкозы как многоатомного спирта)
1. Взаимодействие с Си(ОН)2на холоду с образованием глюконата меди (II) (качественная реакция на глюкозу как многоатомный спирт):
2. Взаимодействие с ангидридами или галогенангидридами кислот с образованием сложных эфиров:
3. Взаимодействие с галогеналканами с образованием простых эфиров:
Реакция происходит в присутствии Аg2O для связывания выделяющегося при реакции НI.
4. Взаимодействие со спиртами с образованием гликозидов.
Гликозиды — это производные углеводов, у которых гликозидный гидроксил замещен на остаток какого-либо органического соединения. В случае глюкозы гликозиды называются глюкозидами. Связь между углеводным остатком и остатком другого компонента называется гликозидной.
В данных условиях в реакцию вступает только гликозидный гидроксил, спиртовые гидроксильные группы в реакции не участвуют.
Гликозиды играют чрезвычайно важную роль в растительном и животном мире. Существует огромное число природных гликозидов, в молекулах которых с атомом С (1) глюкозы связаны остатки самых различных соединений.
III. Брожение (ферментация) моносахаридов
Брожение — это расщепление моносахаридов под влиянием биологических катализаторов — ферментов, вырабатываемых микроорганизмами. Разные микроорганизмы вызывают различные виды брожения. Название вида брожения определяется названием образующихся продуктов брожения.
Брожение — сложный многостадийный биохимический процесс. Ниже приводятся лишь суммарные уравнения различных типов брожения глюкозы.
Получение и применение глюкозы
В промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала и целлюлозы.
СЛОЖНЫЕ УГЛЕВОДЫ
Олигосахариды — низкомолекулярные сахароподобные углеводы, содержащие от двух до десяти остатков моносахаридов (обычно гексоз), соединенных гликозидными связями.
Простейшими из них являются дисахариды.
Дисахариды
