Моносахариды_глюкоза_фруктоза_состав

2. Классификация углеводов

В зависимости от сложности строения все углеводы классифицируются на три основных класса : моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

2.1. Моносахариды

К моносахаридам относятся простые углеводы, которые при гидролизе не распадаются на более простые молекулы. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле моносахариды делятся на триозы (С₃Н₆О₃), тетрозы (С₄Н₈О₄), пентозы (С₅Н₁₀О₅), гексозы (С₆Н₁₂О₆) и гептозы (С₇Н₁₄О₇). Другие моносахариды в природе не встречаются, но могут быть получены синтетически. Моносахариды — белые, кристаллические вещества, сладкие на вкус, легко растворимые в воде.

Наиболее важную роль в организме человека выполняют представители гексоз — глюкоза и фруктоза,пентоз — рибоза и дезоксирибоза и триоз — глицериновый альдегид и диоксиацетон.

2.1.1. Глюкоза и фруктоза

Это основные энергетические субстраты организма человека. Они имеют одинаковый молекулярный состав (С₆Н₁₂О₆), но разную структуру молекул, так как различаются функциональными группами. Глюкоза содержит альдегидную группу и относится к альдегидоспиртам (альдозам), а фруктоза содержит в своем составе кетогруппу и относится к кетоспиртам (кетозам).

Они являются изомерами по положению карбонильной группы.

Для моносахаридов характерна также пространственная изомерия или стереоизомерия, поскольку они содержат асимметрические атомы углерода , которые связаны с четырьмя различными атомами или группами атомов. Выделяют D — форму и L -форму изомеров моносахаридов. Принадлежность к D — или L — ряду определяется ориентацией Н и ОН — групп при атоме углерода, соседнем с концевым углеродом, содержащим спиртовую (гидроксильную ) группу. Если ОН- группа расположена справа — сахар принадлежит к D — ряду, если ОН- группа слева , то сахар принадлежит к L — ряду.

Большинство моносахаридов у млекопитающих имеет D — конфигурацию — именно к ней специфичны ферменты, ответственные за их метаболизм и поэтому, организм человека может усваивать только D-форму моносахаридов.

2.1.2. Циклическая форма фруктозы и глюкозы

В водной среде глюкоза и фруктоза находятся в основном в циклической форме. Циклизация молекулы происходит за счет внутримолекулярного взаимодействия альдегидной группы в молекуле глюкозы и кетогруппы в молекуле фруктозы с одной гидроксильной группой этого же моносахарида.

Рассмотрим в качестве примера образование циклической формы молекулы фруктозы:

На первом этапе происходит разрыв двойной связи между углеродом и кислородом в карбонильной (кето-)группе, в результате чего у второго атома углерода ( С₂) и у атома кислорода появляется по одному неспаренному электрону.

На втором этапе атом водорода со своим электроном отщепляется от гидроксильной группы, принадлежащей пятому атому углерода (С₅) начинает взаимодействовать с неспаренным электроном кислорода в карбонильной группе с образованием гидроксильной (спиртовой) группы -ОН.

На третьем этапе происходит образование связи между свободным электроном второго атома углерода (С₂) и свободным электроном атома кислорода, связанного с пятым атомом углерода (С₅). В результате чего образуется полуацетальная (кольцевая) структура фруктозы за счет взаимодействия карбонильной и спиртовой групп.

Для более удобного изображения циклической формы фруктозы используем правило Хеуорза: атомы водорода и гидроксильные группы, которые располагаются справа от цепочки атомов углерода, пишутся под плоскостью; атомы водорода и гидроксильные группы, которые располагаются слева от цепочки атомов углерода, пишутся над плоскостью:

Изображение молекулы фруктозы по правилу Хеуорза.

Аналогично происходит образование циклической формы молекулы глюкозы :

Изображение молекулы глюкозы по правилу Хеуорза.

Кольцевая структура глюкозы является полуацетальной, так как образована в результате взаимодействия альдегидной и спиртовой групп.

Таким образом, циклические формы моносахаридов приобретают биологически реактивную гидроксильную группу при С₁ или С₂ атоме углерода, которая называется гликозидным гидроксилом. Она играет важную роль в химических превращениях этих моносахаридов, в частности, участвует в образовании ди- и полисахаридов, фосфорных эфиров, например:

Источник

Углеводы

Углеводы – важнейшая составляющая растительных организмов. Углеводы также являются элементом биосистемы. Они входят в пищевой рацион людей и многих животных. Углеводы, или сахариды – органические соединения, общая формула которых C_n(H₂O)_n. В них может присутствовать гидроксильная группа – ОН, либо карбонильная группа –С=О, либо альдегидная группа – СНО. Углеводы составляют около 80 % сухого вещества растений и около 2 % сухого вещества животных. Углеводы синтезируются в растительных организмах в результате процесса фотосинтеза. Реакция получения углеводов протекает в присутствии света. 6 СО₂ + 6 Н₂О →С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂

Виды углеводов

Номенклатура углеводов

Для большинства углеводов характерны тривиальные названия с суффиксом «-оза». Нумерация начинается с атома углерода функциональной группы.

Примеры названий

Моносахариды

Моносахариды, или монозы – гетерофункциональные соединения, которые включают одну альдегидную или кетонную группу и гидроксильные группы. Моносахариды классифицируются на альдегидоспирты и кетоспирты.

Классификация моносахаридов

Кристаллические монозы при растворении в воде показывают свою оптическую активность. Если в течение первого часа они будут показывать себя как левовращающие, то к концу часа они могут поменять сторону вращения.

Изомерия моносахаридов

Для молекул углеводов моносахаридов характерно несколько видов изомерии.

Например, глюкоза изомерна фруктозе.

Оптическая изомерия углеводов связана с различным положением гидроксильной группы при наличии ассиметричного центра. Число оптических изомеров можно определить по формуле:

N=2 n , где n – количество ассиметричных атомов углерода.

Оптические изомеры глюкозы

В кольчато-цепной таутомерии отражается динамическое равновесие между циклической и открытой формой моносахаридов в растворе.

Конформационная изомерия характерна для тех углеводов, которые в своем составе имеют шесть центров – шесть углеродных атомов. Существует две конфигурации – «ванна» (или «лодка») и «кресло». Первая структура менее устойчива, по сравнению со второй.

Конформационная изомерия

Физические свойства моносахаридов

Моносахариды – прозрачные кристаллы со сладким вкусом. Они хорошо растворимы в воде, но не растворимы в эфирах. У углеводов моносахаридов небольшая температура кипения.

У моносахаридов разные степени сладости. Например, фруктоза в три раза слаще глюкозы.

Химические свойства моносахаридов

В зависимости от характера реагента в реакцию вступают линейная или циклическая форма.

Взаимодействие с бромной водой:

Взаимодействие с аммиачным раствором оксида серебра (качественная реакция на альдегиды):

Взаимодействие с гидроксидом меди:

Взаимодействие с реактивом Фелинга:

Взаимодействие с сильным окислителем – концентрированной азотной кислотой:

Щелочи с высокой концентрацией вызывают осмоление сахаров. При взаимодействии с разбавленным раствором щелочи образуется ендиол.

В растворе глюкозы, хранящемся в стеклянной склянке, через 5 суток хранения будет 66,5 % глюкозы, 31 % фруктозы и 2,5 % монозы. Такой же процесс происходи и в живых организмах, но под действием ферментов.

• Реакции циклических формы моносахаридов
• Образование ярко-синего комплекса сахарата меди (II)

В мягких условиях алкилирование протекает только у той гидроксильной группы, где связь самая непрочная (при полуацетальном гидроксиле).

Спиртовое брожение протекает в присутствии дрожжей:

Молочнокислое брожение протекает в присутствии молочнокислых бактерий:

В результате маслянокислого брожения образуется масляная кислота.

Биологическая роль моносахаридов

Моносахариды – источник энергии. Человеческий мозг в день требует не менее 160 г углеводов. Фруктоза применяется в метаболических процессах, а галактоза находится в эритроцитах у людей с третьей группой крови. Рибоза – часть ДНК.

Применение моносахаридов

Процессы брожения моносахаридов используют при производстве спиртов, кисломолочных продуктов, сыров, при квашении овощей и т.д. Моносахариды применяются не только в пищевой, но и в медицинской промышленности. Производные глюкозы используются в качестве инъекций. Глюкозу применяют для получения аскорбиновой кислоты (витамина С).

Дисахариды

Дисахариды – вещества, которые включают остатки двух моносахаридов, между которыми гликозидная связь.

Важнейшие дисахариды

Строение углеводов – дисахаридов

Для дисахаридов характерно наличие гликозидной связи. Она формируется при взаимодействии полуацетального (гликозидного) гидроксила и полуацетального или спиртового гидроксила.

• Связь между полуацетальным гидроксилам одного моносахарида и спиртовым гидроксилом другого моносахарида

Классификация дисахаридов

Дисахариды можно поделить на две группы.

Они характеризуются одним полуацетальным гидроксилом. Этот гидроксил при таутомерном превращении формирует альдегидную группу. Поэтому сахариды мальтоза и лактоза обладают восстановительными свойствами.

У них нетполуацетального гидроксида, поэтому им не характерны восстановительные свойства.

Физические свойства дисахаридов

Дисахариды – твердые кристаллические вещества со сладким вкусом. Они хорошо растворяются в воде.

Химические реакции углеводов – дисахаридов

Гидролиз дисахаридов проходит в присутствии кислот или ферментов. В ходе реакции дисахарид расщепляется на моносахариды. При этом происходит процесс инверсии (обращения). Смесь с равными молярных количествах компонентов включает вещества с разными вращениями.

Природный инвертный сахар – мед.

Восстанавливающие дисахариды вступают в реакцию «серебряного зеркала».

Применение дисахаридов

Дисахариды – один из источников энергии. Лактоза – необходимый компонент питания детей. Мальтоза входит в состав проросших зерен злаков, меде, патоке и других продуктах. Она также синтезируется при гидролизе крахмала в присутствии ферментов.

Полисахариды

Полисахариды – природные углеводы, которые состоят из множества остатков моносахаридов. Для полисахаридов характерна высокая молекулярная масса. Они содержат тысячи остатков моносахаридов, между которыми располагаются гликозидные связи.

Крахмал и целлюлоза

Также в число полисахаридов входит гликоген, который синтезируется в человеческих или животных организмах с помощью биохимических превращений из углеводов растений.Его строение схоже с крахмалом, т.к. он тоже состоит из остатков α-глюкозы.

Физические свойства полисахаридов

Полисахариды – аморфные соединения. Они не растворимы в спирте и неполярных растворителях, но некоторые представители полисахаридов растворимы в воде. Например, амилоза при взаимодействии с водой образует коллоидные растворы, а пектин формирует гели. Такие макромолекулы как клетчатка и хитин совсем не растворяются с водой.

Химические свойства полисахаридов

Гидролиз полисахаридов протекает в разбавленных минеральных кислотах. Эта реакция характеризуется разрывом гликозидных связей.

Гидролиз крахмала и целлюлозы до глюкозы («осахаривание») и ее брожение используются в производстве этанола, некоторых кислот и других продуктов.

Применение полисахаридов

Сложные углеводы широко применяются в промышленности и медицине. Например, крахмал используют при добывании глюкозы и спирта, а также при изготовлении клея пластмасс. Из целлюлозы изготавливают картон, бумагу и вискозу.

Клеточная стенка растений состоит из целлюлозы, а грибов – из хитина. Полисахариды выполняют в организме человека и животных защитную, структурную, запасающую и другие функции.

Сравнительная характеристика крахмала и целлюлозы

Источник