Углеводы: состав и классификация. Моносахариды.
Глюкоза и фруктоза.
Углеводы (сахара) – органические соединения, имеющие сходное строение и свойства, состав большинства которых отражает формула Cx(H2O)y.
Общеизвестные представители: глюкоза (виноградный сахар) С6Н12О6, сахароза (тростниковый, свекловичный сахар) С12Н22О11, крахмал и целлюлоза [С6Н10О5]n.
Углеводы содержатся в клетках растительных и животных организмов и по массе составляют основную часть органического вещества на Земле. Эти соединения образуются растениями в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды при участии хлорофилла. Животные организмы не способны синтезировать углеводы и получают их с растительной пищей. Фотосинтез можно рассматривать как процесс восстановления СО2 с использованием солнечной энергии. Эта энергия освобождается в животных организмах в результате метаболизма углеводов, который заключается, с химической точки зрения, в их окислении.
Углеводы объединяют разнообразные соединения – от низкомолекулярных, состоящих из нескольких атомов (x = 3), до полимеров [Cx(H2O)y]n с молекулярной массой в несколько миллионов (n > 10000).
По числу входящих в их молекулы структурных единиц (остатков простейших углеводов) и способности к гидролизу углеводы подразделяют на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
Моносахариды не гидролизуются с образованием более простых углеводов.
Олиго - и полисахариды расщепляются при гидролизе до моносахаридов. В молекулах олигосахаридов содержится от 2 до 10 моносахаридных остатков, в полисахаридах – от 10 до .
НЕКОТОРЫЕ ВАЖНЕЙШИЕ УГЛЕВОДЫ
Моносахариды | Олигосахариды | Полисахариды |
Глюкоза С6Н12О6 Фруктоза С6Н12О6 Рибоза С5Н10О5 Дезоксирибоза С5Н10О4 | Сахароза (дисахарид) Лактоза – молочный сахар (дисахарид) | Целлюлоза Крахмал Гликоген |
Для большинства углеводов приняты тривиальные названия с суффиксом -оза (глюкоза, рибоза, сахароза, целлюлоза и т. п.).
Моносахариды
В природе наиболее распространены моносахариды, в молекулах которых содержится пять углеродных атомов (пентозы) или шесть (гексозы). Моносахариды – гетерофункциональные соединения, в состав их молекул входит одна карбонильная группа (альдегидная или кетонная) и несколько гидроксильных. Например:
Таким образом, моносахариды – это полигидроксиальдегиды (рибоза, глюкоза) или полигидроксикетоны (фруктоза).
Однако не все свойства моносахаридов согласуются с таким строением.
Дисахариды
Дисахариды – это углеводы, молекулы которых состоят из двух остатков моносахаридов, соединенных друг с другом за счет взаимодействия гидроксильных групп (двух полуацетальных или одной полуацетальной и одной спиртовой).
Примером наиболее распространенных в природе дисахаридов является сахароза (свекловичный или тростниковый сахар). Молекула сахарозы состоит из остатков глюкозы и фруктозы, соединенных друг с другом за счет взаимодействия полуацетальных гидроксилов.
Моносахариды
В природе наиболее распространены моносахариды, в молекулах которых содержится пять углеродных атомов (пентозы) или шесть (гексозы). Моносахариды – гетерофункциональные соединения, в состав их молекул входит одна карбонильная группа (альдегидная или кетонная) и несколько гидроксильных. Например:
Таким образом, моносахариды – это полигидроксиальдегиды (рибоза, глюкоза) или полигидроксикетоны (фруктоза).
Однако не все свойства моносахаридов согласуются с таким строением. Так, моносахариды не участвуют в некоторых реакциях, типичных для карбонильной группы. Одна из гидроксигрупп отличается повышенной реакционной способностью и ее замещение (например, на группу - OR) приводит к исчезновению свойств альдегида (или кетона).
Следовательно, моносахаридам, кроме приведенных формул, свойственна также иная структура, возникающая в результате внутримолекулярной реакции между карбонильной группой с одним из спиртовых гидроксилов.
Циклические α- и β-формы глюкозы представляют собой пространственные изомеры, отличающиеся положением полуацетального гидроксила относительно плоскости кольца.
В α-глюкозе этот гидроксил находится в транс-положении к гидроксиметильной группе - СН2ОН, в β-глюкозе – в цис-положении.
С учетом пространственного строения шестичленного цикла формулы этих изомеров имеют вид:
Виртуальные модели
Аналогичные процессы происходят и в растворе рибозы:
В твердом состоянии моносахариды имеют циклическое строение.
Химические свойства моносахаридов обусловлены наличием в молекуле функциональных групп трех видов (карбонила, спиртовых гидроксилов и полуацетального гидроксила). Например, глюкоза как многоатомный спирт образует простые и сложные эфиры, комплексное соединение с гидроксидом меди (II); как альдегид она окисляется аммиачным раствором оксида серебра, а также бромной водой, в глюконовую кислоту COOH-(CHOH)4-COOH и восстанавливается водородом в шестиатомный спирт – сорбит CH2OH-(CHOH)4-CH2OH; в полуацетальной форме глюкоза способна к нуклеофильному замещению полуацетального гидроксила на группу - OR (образование гликозидов, олиго- и полисахаридов). Аналогично ведут себя в таких реакциях и другие моносахариды.
Важнейшим свойством моносахаридов является их ферментативное брожение, т. е. распад молекул на осколки под действием различных ферментов. Брожению подвергаются в основном гексозы в присутствии ферментов, выделяемых дрожжевыми грибками, бактериями или плесневыми грибками. В зависимости от природы действующего фермента различают реакции следующих видов:
а) спиртовое брожение | C6H12O6 |
б) молочно-кислое брожение | C6H12O6 |
в) масляно-кислое брожение | C6H12O6 |
г) лимонно-кислое брожение | C6H12O6 + O2 |
д) ацетон-бутанольное брожение | 2C6H12O6 |
этанол
молочная кислота
масляная кислота
бутанол
ацетонВ живом организме в процессе метаболизма глюкоза окисляется с выделением большого количества энергии:
C6H12O6 + 6O2 
6CO2 + 6H2O + 2920 кДж
Дисахариды
Дисахариды – это углеводы, молекулы которых состоят из двух остатков моносахаридов, соединенных друг с другом за счет взаимодействия гидроксильных групп (двух полуацетальных или одной полуацетальной и одной спиртовой).
Примером наиболее распространенных в природе дисахаридов является сахароза (свекловичный или тростниковый сахар). Молекула сахарозы состоит из остатков глюкозы и фруктозы, соединенных друг с другом за счет взаимодействия полуацетальных гидроксилов.
Сахароза, находясь в растворе, не вступает в реакцию "серебряного зеркала", так как не способна образовывать открытую форму. Подобные дисахариды называют невосстанавливающими, т. е. не способными окисляться.
Существуют дисахариды, в молекулах которых имеется свободный полуацетальный гидроксил, в водных растворах таких сахаров существуют равновесие между открытой и циклической формами молекул. Такие дисахариды легко окисляются, т. е. являются восстанавливающими, например, мальтоза.
Для дисахаридов характерна реакция гидролиза, в результате которой образуются две молекулы моносахаридов:
C12H22O11 + H2O ® 2C6H12O6
По типу дисахаридов построены молекулы других олигосахаридов и полисахаридов.
Используемые источники:
1.http://www. chemistry. ssu. *****/chem4/index4.htm
2.http://www. chemistry. ssu. *****/