Название углеводов: Углеводы – классификация и свойства в таблице, общая формула (химия, 10 класс)

Сказанное с примерами наиболее распространенных представителей каждой группы углеводов можно представить в виде следующей схемы:

Функции углеводов

Биологические функции полисахаридов весьма разнообразны.

Энергетическая и запасающая функция

В углеводах заключено основное количество калорий, потребляемых человеком с пищей. Основным углеводом, поступающим  с пищей, является крахмал. Он содержится  в хлебобулочных изделиях, картофеле, в составе круп. В рационе человека присутствуют также гликоген (в печени и мясе), сахароза (в качестве добавок к различным блюдам), фруктоза (во фруктах и меде), лактоза (в молоке). Полисахариды, прежде чем усвоиться организмом, должны быть гидролизованы с помощью пищеварительных ферментов до моносахаридов. Только в таком виде они всасываются в кровь. С током крови моносахариды поступают к органам и тканям, где используются для синтеза своих собственных углеводов или других веществ, либо подвергаются  расщеплению с целью извлечения из них энергии.

Освобождающаяся в результате расщепления глюкозы энергия накапливается в виде АТФ. Различают два процесса распада глюкозы: анаэробный (в отсутствие кислорода) и аэробный (в присутствии кислорода). В результате анаэробного процесса образуется молочная кислота

,

которая при тяжелых физических нагрузках накапливается в мышцах и вызывает боль.

В результате же аэробного процесса глюкоза окисляется до оксида углерода (IV) и воды:

В результате аэробного распада глюкозы освобождается значительно больше энергии, чем в результате анаэробного. В целом при окислении 1 г углеводов выделяется 16,9 кДж энергии.

Глюкоза может подвергаться спиртовому брожению. Этот процесс осуществляется дрожжами в анаэробных условиях: 

Спиртовое брожение широко используется в промышленности для производства вин и этилового спирта.

Человек научился использовать не только спиртовое брожение, но и нашел применение молочнокислому брожению, например, для получения молочнокислых продуктов и квашения овощей.

В организме человека и животных нет ферментов, способных гидролизовать целлюлозу, тем не менее целлюлоза является основным компонентом пищи для многих животных, в частности, для жвачных. В желудке этих животных в больших количествах содержатся бактерии и простейшие, продуцирующие фермент целлюлазу, катализирующий гидролиз целлюлозы до глюкозы. Последняя может подвергаться дальнейшим превращениям, в результате которых образуются масляная, уксусная, пропионовая кислоты, способные всасываться в кровь жвачных.

Углеводы выполняют и запасную функцию. Так, крахмал, сахароза, глюкоза у растений и гликоген у животных являются энергетическим резервом их клеток.

Структурная, опорная и защитная функции

Целлюлоза у растений и хитин у беспозвоночных и в грибах выполняют опорную и защитную функции. Полисахариды образуют капсулу у микроорганизмов, укрепляя тем самым  мембрану. Липополисахариды бактерий и гликопротеины поверхности животных клеток обеспечивают избирательность межклеточного взаимодействия и иммунологических реакций организма. Рибоза служит строительным материалом для РНК, а дезоксирибоза – для ДНК.

Защитную функцию выполняет гепарин. Этот углевод, являясь ингибитором свертывания крови, предотвращает образование тромбов. Он содержится в крови и соединительной ткани млекопитающих. Клеточные стенки бактерий, образованные полисахаридами, скреплены короткими аминокислотными цепочками, защищают  бактериальные клетки от неблагоприятных воздействий. Углеводы участвуют у ракообразных и насекомых в построение наружного скелета, выполняющего защитную функцию.

Регуляторная функция

Клетчатка усиливает перистальтику кишечника, улучшая этим пищеварение.

Интересна возможность использования углеводов в качестве источника жидкого топлива – этанола. С давних пор использовали древесину для обогрева жилищ и приготовления пищи. В современном обществе этот вид топлива вытесняется другими видами – нефтью и углем, более дешевыми и удобными в использовании. Однако растительное сырье, несмотря на некоторые неудобства в использовании, в отличие от нефти и угля является возобновляемым источником энергии. Но его применение в двигателях внутреннего сгорания затруднено. Для этих целей предпочтительнее использовать жидкое топливо или газ. Из низкосортной древесины, соломы или другого растительного сырья, содержащих целлюлозу или крахмал, можно получить жидкое топливо – этиловый спирт. Для этого необходимо вначале гидролизовать целлюлозу или крахмал и получить глюкозу:

,

а затем полученную глюкозу подвергнуть спиртовому брожению и получить этиловый спирт. После очистки его можно использовать в виде топлива в двигателях внутреннего сгорания. Надо отметить, что в Бразилии с этой целью ежегодно из сахарного тростника, сорго и маниока получают миллиарды литров спирта и используют его в двигателях внутреннего сгорания.

Тест на тему «Углеводы» с ответами

Углеводы

1.Фруктозу иначе называют:

а) молочным сахаром  б) фруктовым сахаром 

в) инвертным сахаром г) тростниковым сахаром.

2.Общая формула углеводов условно принята:

а) С_nH_2nO_n  б) С_nH_2nO_m  в) С_nH_2mO_m  г) С_n (H₂O)_m

3.На какие группы подразделяются углеводы?

а) моносахариды и полисахариды б) дисахариды и полисахариды

в) мукополисахариды г) моносахариды, дисахариды, полисахариды

4.Название углеводов имеют окончание:

а) — аза б)- ол в) – окси г) — оза

5.Какой фермент выступает в роли катализатора в процессе фотосинтеза?

а) Гемоглобин б) амилаза в) хлорофилл г) уреаза

6.Что образуется в результате брожения глюкозы?

а) 1-пропанол б) этанол в) 2-пропанол г) ацетон

 7. Установите соответствие между названием вещества и его молекулярной формулой.

8.Глюкоза вступает в реакции:
А. гидрирования Б. гидратации В. Гидролиза
Г. «серебряного зеркала» Д. брожения
Е. нейтрализации Ж. этерификации

9. Глюкоза не реагирует с
а) Cu(OH)₂  б) NaOH в) H₂  г) HCN

10. Моносахариды, содержащие пять атомов углерода называются

а) гексозы б) пентозы в) тетрозы г) триозы

11. Наиболее распространенный моносахарид гексоза

а) глюкоза б) фруктоза в) рибоза г) сахароза

12. Основная функция глюкозы в клетках животных и человека

а) запас питательных веществ б) передача наследственной информации

в) строительный материал г) источник энергии

13.Бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, получившее

название «виноградный сахар», — это

а) сахароза б) глюкоза в) фруктоза г) крахмал

14.По своему химическому строению глюкоза является

а) кислотой б) сложным эфиром в) альдегидоспиртом г) кетоспиртом

15.Конечными продуктами окисления глюкозы в организме человека являются

а) СО₂ и Н₂О б) СО₂ и Н₂ в) СО₂ и Н₂О₂ г) СО и Н₂О

16.При спиртовом брожении глюкозы образуется

а) CH₃COOH б) C₂H₅OH в) CH₃CHOHCOOH г) CH₃CH₂CH₂COOH

17. Определите вещество В в следующей схеме превращений:

глюкозаАБВ

а) сорбит б) этанол в) этаналь г) уксусная кислота

18. Продуктами взаимодействия глюкозы с гидроксидом меди(II) при нагревании

являются

а) сорбит и Сu₂О б) молочная кислота и Сu₂О

в) глюконовая кислота и Cu₂О г) фруктоза и Сu

19. Энергетическая потребность живых организмов в значительной степени

обеспечивается за счет окисления

а) сахарозы б) глюкозы в) фруктозы г) рибозы

20. Изомер глюкозы — фруктоза — является

а) кислотой б) сложным эфиром в) альдегидоспиртом г) кетоспиртом

Ответы

1-б

2-г

3-г

4-г

5-в

6-б

7-1-б, 2-д, 3-б, 4-г, 5-е

8-а,г,д,ж

9-б

10-б

11-а

12-г

13-б

14-в

15-а

16-б

17-г

18-в

19-б

20-г

1 Классификация и номенклатура

1.1 Классификация углеводов.

Углеводами (или сахарами) называют группу природных веществ, которые в соответствии с химической классификацией являются полигидроксиальдегидами или полигидроксикетонами либо продуктами их поликонденсации . Впервые термин “ углеводы “ был предложен профессором Дерптского (Тартуского) университета К.Шмидтом в 1884 году, в связи с тем, что первые из известных их представителей имели состав С_n(Н₂О)_m, т. е. их рассматривали как соединения углевода с водой . Например, глюкоза и фруктоза имеют формулу С₆Н₁₂О₆ = 6С6Н₂О, сахароза (тростниковый сахар) — С₁₂Н₂₂О₁₁= 12С11Н₂О, крахмал целлюлоза — (С₆Н₁₀О₅)_n= (6С5Н₂О)_nи т.д.

В настоящее время известно множество углеводов, по составу не соответствующих этой формуле. Однако термин «углеводы» сохранился, хотя не отражает ни состава, ни химической природы этого класса соединений. Втрое название углеводов — (сахара) связано с тем, что многие представители этого класса соединений обладают сладким вкусом, обычный сахар С₁₂Н₂₂О₁₁входит в их состав .

Углеводы подразделяются на три основные группы : моносахариды, олигосахариды и полисахариды .

Моносахариды (простые сахара) — углеводы, которые не способны гидролизоваться до более простых соединений.

Олигосахариды (низкомолекулярные сахара) — углеводы, которые при гидролизе распадаются на 2-8 моносахарида (“олигос” – по-гречески немногий).

Полисахариды (сложные сахара) — продукты конденсации моносахаридов, они способны гидролизоваться с образованием простых углеводов (от десятков до сотен тысяч молекул моносахаридов) .

По химической природе простые сахара делят на а) нейтральные сахара, содержащие только карбонильную и спиртовые группы; б) аминосахара, содержащие кроме этих групп аминогруппу, которая придает этим соединениям основные свойства ; в) кислые сахара, содержащие кроме карбонильной и спиртовых групп карбоксильные группы.

Моносахариды, относящиеся к нейтральным сахарам, в большинстве своем имеют состав, соответствующий общей формуле С_nН_2nО_n, т. е. число атомов углерода равно числу атомов кислорода. Однако известны такие моносахариды, у которых число атомов кислорода меньше (например, С_nН_2nО_n-1), чем число атомов углерода в молекуле, т. е. вместо гидроксильной группы в молекуле моносахарида присутствует атом водорода. Такие сахара называют дезоксисахарами.

Моносахариды (монозы) классифицируют по количеству атомов углерода и по характеру карбонильной группы.

По количеству атомов углерода различают триозы — сахара с тремя атомами углерода, тетрозы — с четырьмя, пентозы — с пятью, гексозы — с шестью и т. д. Сахара, содержащие семь и более атомов углерода, называют высшими сахарами.

Моносахариды, содержащие альдегидную группу, называют альдозами, кетонную — кетозами. Часто эти названия объединяют, чтобы одновременно показать и число углеродных атомов, и характер карбонильной группы. Например : глюкоза является альдогексозой, а фруктоза — кетогексозой, простейшей альдотриозой является глицериновый альдегид, а простейшей кетотриозой – дигидроксиацетон:

глицериновый альдегид	дигидроксиацетон

1.2 Номенклатура моносахаридов и их производных

Названия моносахаридов строят в соответствии с их классификацией с окончанием “оза” : альдопентоза, кетогексоза и т. д. Наиболее часто встречающиеся в природе моносахариды имеют тривиальные названия, например, альдопентозы — рибоза, ксилоза, арабиноза, дезоксирибоза, ликсоза; альдогексозы — глюкоза, манноза, галактоза, гулоза, иодоза; кетогексоза – фруктоза.

По номенклатуре ИЮПАК любая альдопентоза имеет название 2,3,4,5 — тетрогидроксипентаналь; альдогексоза — 2,3,4,5,6 — пентагидроксигексаналь; кетопентоза -1,3,4,5 — тетрагидроксипентанон-2; кетогексоза (фруктоза) — 1,3,4,5,6 — пентагидроксигексанон — 2 и т. д. Однако заместительная номенклатура в химии углеводов практически не употребляется и обычно пользуются тривиальными названиями.

От тривиальных названий производят названия дезоксисахаров, аминосахаров, карбоксилсодержащих сахаров. При образовании названий производных сахаров атомы углерода нумеруют, начиная с того конца, к которому ближе карбонильная группа; цифрами указывают положения заместителей; если заместитель связан не с углеродным атомом, то указывают атом, с которым заместитель связан непосредственно. Например :

При окислении альдоз в мягких условиях, например, при действии аммиачного раствора гидроксида серебра [Аg(NH₃)₂OH], образуются кислоты, содержащие карбоксильную группу в первом положении. Их называют альдоновые (гликоновые) кислоты. Окончание “оза” в названии монозы меняют на “оновая кислота”. Окисление концевой первичноспиртовой — СН₂ОН- группы переводит альдозы в уроновые кислоты. Их названия образуют, заменяя окончание “оза” на “уроновая кислота”, при нумерации отсчет ведут от альдегидной, а не от карбоксильной группы.

Кислоты, образующиеся при энергичном окислении альдоз и содержащие две карбоксильные группы в первом и последнем положениях углеродной цепи, называют альдаровыми ( окончание “оза” заменяют на “аровая кислота” ).

Галактоновая кислота

Галактуроновая Кислота

Галактаровая кислота

Оксиальдегиды и оксикетоны. Углеводы (сахара)

Оксиальдегиды и оксикетоны, которые могут быть названы также альдегидоспиртами (альдегидоалкоголями) и кетоноспиртами (кетоноалкоголями), содержат одновременно гидроксильные и карбонильные группы. Этот класс соединений представляет особенный интерес, так как в близком отношении к нему находятся вещества, объединяемые под общим названием углеводов.

Представителями углеводов являются простейшие сахаристые вещества: виноградный сахар, фруктовый сахар, а также их ангидридные производные — тростниковый сахар, крахмал, целлюлоза и др.

Название «углеводы» возникло потому, что раньше были известны только те представители этих соединений, которые по своему составу как бы являются соединением углерода с водой, например: С₆Н₁₂О₆(6С + 6Н₂О), С₁₂Н₂₂О₁₁, (12C + 11Н₂О) и др. В дальнейшем стало известно много углеводов, не отвечающих этому условию, например С₆Н₁₂О₅.

В 1927 г. Международная комиссия по реформе химической номенклатуры предложила заменить термин «углеводы», как не отражающий ни химической природы, ни состава этого класса соединений, термином «глюциды», происходящим от названия самого распространенного сахара — глюкозы. Однако этот термин не получил широкого распространения и названия «углеводы» и «сахара» до сих пор остаются общепринятыми.

Углеводы являются весьма широко распространенными веществами, особенно в растительном мире, — до 80% сухого вещества растений приходится на углеводы. Содержание их в животных организмах много ниже — около 2% сухого веса.

Успехи, достигнутые в последние годы в выяснении хода фотосинтеза, показали, что углеводы образуются на весьма ранних стадиях фотосинтеза и что вещество, присоединяющее СО₂, относится к классу производных углеводов. К важнейшим углеводам, образующимся в результате фотосинтеза, относятся крахмал и свекловичный (тростниковый) сахар.

Углеводы, синтезируемые растениями, служат важными пищевыми веществами для животных организмов. Оболочки растительных клеток состоят главным образом из углеводов (целлюлоза). Эти углеводы после соответствующей обработки используются для изготовления тканей, бумаги, искусственного волокна и т. д.

Однако значение углеводов далеко не исчерпывается их ролью как главных веществ при создании органических соединений в процессе фотосинтеза, как важных пищевых веществ и сырья для многих видов промышленности. Как было показано в последние годы, передача наследственных признаков, а также биосинтез белка — химической основы жизни — происходят при участии так называемых нуклеиновых кислот.

Структурными компонентами последних являются мононуклеотиды — производные углеводов. Лабильность углеводных компонентов как раз и создает большие трудности при выделении и синтезе нуклеотидов.

Далее, ряд коэнзимов (низкомолекулярных органических веществ, необходимых для осуществления энзиматических реакций), таких, как аденозинтрифосфорная кислота и многие недавно открытые неадениновые нуклеотиды, представляют собой также производные углеводов (N-гликозиды). Нормальная жизнь человека и высших животных не может протекать в отсутствие гепарина (препятствующего свертыванию крови), гиалуроновой кислоты (препятствующей проникновению в ткани микроорганизмов), витамина С, являющихся углеводами или их производными. Многие явления иммунитета связаны со сложными углеводами, содержащимися в макро- и микроорганизмах; специфичность групп крови (и специфичность тканей) человека связана также с особыми полисахаридами. В медицине в настоящее время широко пользуются антибиотиками, представляющими собой производные углеводов — гликозиды. Таким образом, углеводы имеют значение в широчайшей области: от их промышленного применения до тончайших биохимических процессов, обеспечивающих ряд важнейших функций организма.

Согласно принятой в настоящее время классификации углеводы подразделяются на две основные подгруппы:

1.  Простые углеводы (простые сахара) — моносахариды, или монозы, не способные гидролизоваться.

2.  Сложные углеводы — полисахариды, или полиозы, составленные из различного числа остатков простых углеводов и способные к гидролизу до моносахаридов.

Общее название простых углеводов. Сложные углеводы в природе. Основные группы углеводов

В зависимости от типа группы в составе молекулы различают альдозы и кетозы.

Углеводы очень широко распространенны в природе, особенно в растительном мире, где составляют 70 – 80 % массы сухого вещества клеток. В животном организме на их долю приходится всего около 2 % массы тела, однако и здесь их роль не менее важна.

Углеводы способны откладываться в виде крахмала в растениях и гликогена в организме животных и человека. Эти запасы расходуются по мере надобности. В организме человека углеводы откладываются в основном в печени и мышцах, которые являются его депо.

Среди других компонентов организма высших животных и человека на долю углеводов приходится 0,5% массы тела. Однако углеводы имеют большое значение для организма. Эти вещества вместе с белками в форме протеогликанов лежат в основе соединительной ткани. Углеводосодержащие белки (гликопротеины и мукопротеины) – составная часть слизей организма (защитная, обволакивающая функции), транспортных белков плазмы и иммунологически активных соединений (группоспецифические вещества крови). Часть углеводов выполняет функции «запасного топлива» для получения организмов энергии.

• Энергетическая – углеводы являются одним из основных источников энергии для организма, обеспечивая не менее 60% энергозатрат. Для деятельности мозга, клеток крови, мозгового вещества почек практически вся энергия поставляется за счет окисления глюкозы. При полном распаде 1 г углеводов выделяется 4,1 ккал/моль (17,15 кДж/моль) энергии.

• Пластическая – углеводы или их производные обнаруживаются во всех клетках организма. Они входят в состав биологических мембран и органоидов клеток, участвуют в образовании ферментов, нуклеопротеидов и т.д. В растениях углеводы служат в основном опорным материалом.

• Защитная – вязкие секреты (слизь), выделяемая различными железами, богаты углеводами или их производными (мукополисахаридами и др.). Они защищают внутренние стенки полых органов желудочно-кишечного тракта, воздухоносных путей от механических и химических воздействий, проникновения патогенных микробов.

• Регуляторная – пища человека содержит значительное количество клетчатки, грубая структура которой вызывает механическое раздражение слизистой оболочки желудка и кишечника, участвуя, таким образом, в регуляции акта перистальтики.

• Специфическая – отдельные углеводы выполняют в организме особые функции: участвуют в проведении нервных импульсов, образовании антител, обеспечении специфичности групп крови и т.д.

Функциональная значимость углеводов определяет необходимость обеспечения организма этими питательными веществами. Суточная потребность в углеводах для человека составляет в среднем 400 – 450 г с учетом возраста, рода трудовой деятельности, пола и некоторых других факторов.

Элементарный состав. Углеводы состоят из следующих химических элементов: углерода, водорода и кислорода. Большая часть углеводов имеет общую формулу С n (H 2 O ) n .Углеводы представляют собой соединения, состоящие из углерода и воды, что послужило основанием для их названия. Однако среди углеводов встречаются вещества, не соответствующие приведенной формуле, например рамноза С 6 Н 12 О 5 и др. В то же время известны вещества, состав которых соответствует общей формуле углеводов, но по свойствам они не относятся к ним (уксусная кислота С 2 Н 12 О 2). Поэтому название «углеводы» достаточно условно и не всегда соответствует химической структуре этих веществ.

Моносахариды представляют собой твердые, кристаллические вещества, растворимые в воде и сладкие на вкус. В определенных условиях они легко окисляются, в результате чего альдегидоспирты превращаются в кислоты, в результате чего альдегидоспирты превращаются в кислоты, а при восстановлении – в соответствующие спирты.

• Окисление до моно-, дикарбоновых и гликуроновых кислот;

• Восстановление до спиртов;

• Образование сложных эфиров;

• Образование гликозидов;

• Брожение: спиртовое, молочнокислое, лимоннокислое и маслянокислое.

Моносахариды, которые не могут быть гидролизованы на более простые сахара. Тип моносахарида зависит от длины уг­леводородной цепи. В зависимости от числа атомов углерода их подразделяют на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы.

Глюкоза (виноградный сахар) . Является основ­ным углеводом растений и животных. Важная роль глюкозы объясняется тем, что она является основным источником энергии, составляет основу многих олиго- и полисахаридов, участвует в поддержании осмоти­ческого давления. Транспорт глюкозы в клетки регулируется во многих тканях гормоном поджелудочной железы — инсулином. В клетке в ходе многостадийных химических реакций глюкоза превращаются в другие вещества (образующиеся при распаде глю­козы промежуточные продукты используются для синтеза аминокислот и жиров), которые в конечном итоге окисляются до углекислого газа и воды, при этом выделяется энергия, используемая организмом для обеспечения жизнедеятельности. По уровню глюкозы в крови обычно судят о состоянии углеводного обмена в организме. При снижении уровня глюкозы в крови или ее высокой концентрации и невозможности использования, как это происходит при диабете, наступает сонливость, может наступить потеря сознания (гипогликемическая кома). Скорость поступления глюкозы в ткани мозга и печени не зависит от инсулина и определяется только концентрацией ее в крови. Эти ткани называются инсулинонезависимыми. Без присутствия инсулина глюкоза не поступит в клетку и не будет использована в качестве топлива .

Фруктоза (плодовый сахар). В больших количест­вах находится в растениях, особенно в плодах. Много ее во фруктах, сахарной свекле, меде. Легко изомеризуется в глюкозу. Путь распада фруктозы более короткий и энергетически выгодный, чем глюкозы. В отличие от глюкозы она может без участия инсулина проникать из крови в клетки тканей. По этой причине фруктоза рекомендуется в качестве наиболее безопасного источника углеводов для больных диабетом. Часть фруктозы попадает в клетки печени, которые превращают ее в более универсальное «топливо» — глюкозу, поэтому фруктоза тоже способна повышать уровень сахара в крови, хотя и в значительно меньшей степени, чем другие простые сахара.

По химическому строению глюкоза и галактоза являются альдегидоспиртами, фруктоза — кетоноспиртом. Различия в структуре глюкозы и фруктозы характеризуют и различии и некоторых их свойствах. Глюкоза восстанавливает металлы из их окислов, фруктоза таким свойством не обладает. Фруктоза примерно в 2 раза медленнее всасывается из кишеч­ника по сравнению с глюкозой.

При окислении шестого углеродного атома в мо­лекуле гексоз образуются

Глюкуроновая кислота принимает активное участие в обменных процессах в организме, например в обезвреживании токсических продуктов, входит в состав мукополисахаридов и т. д. Функция ее заключается в том, что она соединяется в орга­низме с веществами, плохо растворимыми в воде. В результате связываемое вещество становится водорастворимым и выводит­ся с мочой. Такой путь выведения особенно важен для водоне растворимых стероидных гормонов, продуктов их распада, а также для выделения продуктов распада лекарственных веществ. Без взаимодействия с глюкуроновой кислотой нарушаются дальнейший распад и выделение из организма желчных пиг­ментов.

При замене в молекуле гексоз ОН-группы второ­го углеродного атома на аминогруппу образуются аминосахара — гексозамины: из глюкозы синтезиру­етсяглюкозамин,изгалактозы — галактозамин, которые входят в состав клеточных оболочек и муко- полисахаридов как в свободном виде, так и в соеди­нении с уксусной кислотой.

Аминосахара являются важнейшей составной частью

Моносахариды образуют эфиры . ОН-группа молекулы моносахарида; как всякая спиртовая группа, может взаимодействовать с кислотой. В промежуточном обмене эфиры сахаров имеют большое значение. Чтобы вклю­ читься в обмен веществ, сахар должен стать фосфорным эфиром . При этом фосфорилируются концевые углеродные ато­мы. У гексоз — это С-1 и С-6, у пентоз — С-1 и С-5 и т.д. Боль­ ше двух ОН-групп фосфорилированию не подвергается. Поэтому основную роль играют моно- и дифосфаты сахаров. В названии фосфорного эфира обычно указывают позицию эфирной связи.

Олигосахариды имеют в своем составе два и более моносахарида. Они встречаются в клетках и биоло­гических жидкостях, как в свободном виде, так и в соединении с белками. Для организма имеют большое значение дисахариды: сахароза, мальтоза, лактоза и др. Эти углеводы выполняют энергетическую функ­цию. Предполагается, что, входя в состав клеток, они участвуют в процессе «узнавания» клеток.

Содержание сахарозы в сахаре составляет 95%. Сахар быстро расщепляется в желудочно-кишечном тракте, глюкоза и фруктоза всасываются в кровь и служат источником энергии и наиболее важным предшественником гликогена и жиров. Его часто называют «носителем пустых калорий», так как сахар — это чистый углевод, он не содержит других питательных веществ, таких как, например, витамины, минеральные соли.

Лактоза (молочный сахар) состоитиз глюко­зы и галактозы, синтезируется в молочных железах в период лактации. В желудочно-кишечном тракте расщепляется под действием фермента лактазы. Дефицит этого фермента у некоторых людей приводит к непереносимости молока. Дефицит этого фермента наблюдается примерно у 40% взрослого населения. Нерасщепленная лактоза служит хорошим питательным веществом для кишечной микрофлоры. При этом возможно обильное газообразование, живот «пучит». В кисломолочных продуктах большая часть лактозы сброжена до молочной кислоты, поэтому люди с лактазной недостаточностью могут переносить кисломолочные продукты без неприятных последствий. Кроме того, молочнокислые бактерии в кисломолочных продуктах подавляют деятельность кишечной микрофлоры и снижают неблагоприятные действия лактозы.

Полисахариды подразделяются на гомо- и гете рополисахариды.

Гомополисахариды. Имеют в составе моносахари­ды только одного вида. Гак, крахмал и гликоген пост­ роены только из молекул глюкозы, инулин — фрук­тозы. Гомополисахариды имеют весьма разветвлен­ную структуру и представляют собой смесь двух по­ лимеров — амилозы и амилопектина. Амилоза состо­ит из 60-300 остатков глюкозы, соединенных в ли­нейную цепь при помощи кислородного мостика, образованного между первым углеродным атомом одной молекулы и четвертым углеродным атомом дру­гой (связь 1,4).

Крахмал (полисахарид растений) – состоит из нескольких тысяч остатков глюкозы, 10-20% ко­торых представлено амилозой, а 80-90% амилопектином. Крахмал нерастворим в холодной воде, а в горячей образует коллоидный раствор, называемый в быту крахмальным клейстером. На долю крахмала приходится до 80% потребляемых с пищей углеводов. Источником крахмала служат растительные продукты, в основном злаковые: крупы, мука, хлеб, а также картофель. Больше всего крахмала содержаткрупы (от 60% в гречневой крупе (ядрице) идо 70% — в рисовой).

Клетчатка , или целлюлоза, — самый распрост­раненный на земле углевод растений, образующий­ся в количестве примерно 50 кг на каждого жителя Земли. Клетчатка представляет собой линейный по­лисахарид, состоящий из 1000 и более остатков глю­козы. В организме клетчатка участвует в активации моторики желудка и кишечника, стимулирует выде­ление пищеварительных соков, создает ощущение сы­тости.

Гликоген (животный крахмал) является основ­нымзапаснымуглеводоморганизмачеловека.Он состоит примерно из 30 000 остатков глюкозы, кото­рые образуют разветвленную структуру. В наиболее значительном количестве гликоген накап­ливается в печени и мышечной ткани, в том числе в мышце сердца. Функция мышечного гликогена состоит в том, что он является легкодоступным источником глюкозы, используемой в энергетических процессах в самой мышце. Гликоген печени используется для поддержания физиологических концентраций глюкозы в крови, прежде всего в промежутках между приемами пищи. Через 12-18 ч после приема пищи запас гликогена в печени почти полностью истощается. Содержание мышечного гликогена заметно снижается только после продолжительной и напряженной физической работы. При недостатке глюкозы он быстро расщепляется и восстанавливает ее нормальный уровень в крови. В клетках гликоген связан с белком цитоплазмы и частично — с внутриклеточными мем­бранами.

Гетерополисахариды (гликозамингликаны или мукополисахариды) (приставка «муко-» указывает, что они впервые были получены из муцина). Состоят из различного вида моносахаридов (глюкозы, галак­тозы) и их производных (аминосахаров, гексуроновых кислот). В их составе обнаружены и другие вещества: азотистые основания, органические кислоты и неко­торые другие.

Гликозамингликаны представляют собой желеподобные, липкие вещества. Они выполняют различные функции,в томчисле структурную,защитную,регуляторную и др. Гликозамингликаны, например, сос­тавляют основную массу межклеточного вещества тканей, входят в состав кожи, хрящей, синовиальной жидкости, стекловидного тела глаза. В организме они встречаются в комплексе с белками (протеогликаны и гликопротсиды) и жирами (гликолипиды), в которых на долю полисахаридов приходится основ­ная часть молекулы (до 90% и более). Для орга­низма имеют значение следующие из них.

Гиалуро новая кислота — основная часть межклеточного вещества, своего рода «биологический цемент», который соединяет клетки, заполняя все межклеточное пространство. Она также выполняет роль биологического фильтра, который задерживает микробы и препятствует их проникновению в клетку, участвует в обмене воды в организме.

Следует отметить, что гиалуроновая кислота рас­падается под действием специфического фермента гиалуронидазы. При этом нарушается структура меж­клеточного вещества, в его составе образуются «тре­щины», что приводит к увеличению его проницаемос­ти для воды и других веществ. Это имеет важное значение в процессе оплодотворения яйцеклетки сперматозоидами, которые богаты этим ферментом. Гиалуронидазу содержат также и некоторые бакте­рии, что существенно облегчает их проникновение в клетку.

X ондроитинсульфаты — хондроитинсерные кислоты, служат структурными компонентами хрящей, связок, клапанов сердца, пупочного канатика и др. Они способствуют отложению кальция в костях.

Гепарин образуется в тучных клетках, которые встречаются в легких, печени и других органах, и вы­деляется ими в кровь и межклеточную среду. В крови он связывается с белками и препятствует свертыва­нию крови, выполняя функцию антикоагулянта. Кроме того, гепарин обладает противовоспалитель­ным действием, влияет на обмен калия и натрия, вы­полняет антигипоксическую функцию.

Особую группу гликозамингликанов представляют соединения, имеющие в своем составе нейраминовые кислоты и производные углеводов. Соединения нейраминовой кислоты с уксусной называются опало­ выми кислотами. Они обнаружены в клеточных оболочках, слюне и других биологических жидкостях.

Углеводы

Переходя к рассмотрению органических веществ, нельзя не отметить значение углерода для жизни. Вступая в химические реакции, углерод образует прочные ковалентные связи, обобществляя четыре электрона. Атомы углерода, соединяясь между собой, способны образовывать стабильные цепи и кольца, служащие скелетами макромолекул. Углерод также может образовывать кратные ковалентные связи с другими углеродными атомами, а также с азотом и кислородом. Все эти свойства обеспечивают уникальное разнообразие органических молекул.

Макромолекулы , составляющие около 90 % массы обезвоженной клетки, синтезируются из более простых молекул, называемых мономерами . Существуют три основных типа макромолекул: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты ; мономерами для них являются, соответственно, моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды.

Углеводами называют вещества с общей формулой C x (H 2 O) y , где x и y – натуральные числа. Название «углеводы» говорит о том, что в их молекулах водород и кислород находятся в том же отношении, что и в воде.

В животных клетках содержится небольшое количество углеводов, а в растительных – почти 70 % от общего количества органических веществ.

Моносахариды играют роль промежуточных продуктов в процессах дыхания и фотосинтеза , участвуют в синтезе нуклеиновых кислот, коферментов, АТФ и полисахаридов, служат , высвобождаемой при окислении в процессе дыхания. Производные моносахаридов – сахарные спирты, сахарные кислоты, дезоксисахара и аминосахара – имеют важное значение в процессе дыхания, а также используются при синтезе липидов, ДНК и других макромолекул.

Дисахариды образуются в результате реакции конденсации между двумя моносахаридами. Иногда они используются в качестве запасных питательных веществ. Наиболее распространенными из них являются мальтоза (глюкоза + глюкоза), лактоза (глюкоза + галактоза) и сахароза (глюкоза + фруктоза). содержится только в молоке. (тростниковый сахар) наиболее распространена в растениях; это и есть тот самый «сахар», который мы обычно употребляем в пищу.

Целлюлоза также является полимером глюкозы. В ней заключено около 50 % углерода, содержащегося в растениях. По общей массе на Земле целлюлоза занимает первое место среди органических соединений. Форма молекулы (длинные цепи с выступающими наружу –OH-группами) обеспечивает прочное сцепление между соседними цепями. При всей своей прочности, макрофибриллы, состоящие из таких цепей, легко пропускают воду и растворённые в ней вещества и потому служат идеальным строительным материалом для стенок растительной клетки. Целлюлоза – ценный источник глюкозы, однако для её расщепления необходим фермент целлюлаза, сравнительно редко встречающийся в природе. Поэтому в пищу целлюлозу употребляют только некоторые животные (например, жвачные). Велико и промышленное значение целлюлозы – из этого вещества изготовляют хлопчатобумажные ткани и бумагу.

§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ

Еще в древние времена человечество познакомилось с углеводами и научилось использовать их в своей повседневной жизни. Хлопок, лен, древесина, крахмал, мед, тростниковый сахар – это всего лишь некоторые из углеводов, сыгравшие важную роль в развитие цивилизации. Углеводы относятся к числу наиболее распространенных в природе органических соединений. Они являются неотъемлемыми компонентами клеток любых организмов, в том числе бактерий, растений и животных. В растениях на долю углеводов приходится 80 – 90 % сухой массы, у животных – около 2 % массы тела. Их синтез из углекислого газа и воды осуществляется зелеными растениями с использованием энергии солнечного света (фотосинтез ). Суммарное стехиометрическое уравнение этого процесса имеет вид:

Затем глюкоза и другие простейшие углеводы превращаются в более сложные углеводы, например, крахмал и целлюлозу. Растения используют эти углеводы для высвобождения энергии в процессе дыхания. Этот процесс в сущности обратен процессу фотосинтеза:

Интересно знать! Зеленые растения и бактерии в процессе фотосинтеза ежегодно поглощают из атмосферы приблизительно 200 млрд. т углекислого газа. При этом происходит высвобождение в атмосферу около 130 млрд. т кислорода и синтезируется 50 млрд. т органических соединений углерода, в основном углеводов.

Животные не способны из углекислого газа и воды синтезировать углеводы. Потребляя углеводы с пищей, животные расходуют накопленную в них энергию для поддержания процессов жизнедеятельности. Высоким содержанием углеводов характеризуются такие виды нашей пищи, как хлебобулочные изделия, картофель, крупы и др.

Название «углеводы» является историческим. Первые представители этих веществ описывались суммарной формулой С m H 2 n O n или C m (H 2 O) n . Другое название углеводов – сахара – объясняется сладким вкусом простейших углеводов. По своей химической структуре углеводы – сложная и многообразная группа соединений. Среди них встречаются как достаточно простые соединения с молекулярной массой около 200, так и гигантские полимеры, молекулярная масса которых достигает нескольких миллионов. Наряду с атомами углерода, водорода и кислорода в состав углеводов могут входить атомы фосфора, азота, серы и, реже, других элементов.

Классификация углеводов

Все известные углеводы можно подразделить на две большие группы – простые углеводы и сложные углеводы . Отдельную группу составляют углеводсодержащие смешанные полимеры, например, гликопротеины – комплекс с молекулой белка, гликолипиды – комплекс с липидом, и др.

Простые углеводы (моносахариды, или монозы) являются полигидроксикарбонильными соединениями, не способными при гидролизе образовывать более простые углеводные молекулы. Если моносахариды содержат альдегидную группу, то они относятся к классу альдоз (альдегидоспиртов), если кетонную – к классу кетоз (кетоспиртов). В зависимости от числа углеродных атомов в молекуле моносахаридов различают триозы (С 3), тетрозы (С 4), пентозы (С 5), гексозы (С 6) и т.д.:

Наиболее часто в природе встречаются пентозы и гексозы.

Сложные углеводы (полисахариды , или полиозы ) представляют собой полимеры, построенные из остатков моносахаридов. Они при гидролизе образуют простые углеводы. В зависимости от степени полимеризации их подразделяют на низкомолекулярные (олигосахариды , степень полимеризации которых, как правило, меньше 10) и высокомолекулярные . Олигосахариды – сахароподобные углеводы, растворимые в воде и сладкие на вкус. Их по способности восстанавливать ионы металлов (Cu 2+ , Ag +) делят на восстанавливающие и невосстанавливающие . Полисахариды в зависимости от состава можно также разделить на две группы: гомополисахариды и гетерополисахариды . Гомополисахариды построены из моносахаридных остатков одного типа, а гетерополисахариды – из остатков разных моносахаридов.

Сказанное с примерами наиболее распространенных представителей каждой группы углеводов можно представить в виде следующей схемы:

Функции углеводов

Биологические функции полисахаридов весьма разнообразны.

Энергетическая и запасающая функция

В углеводах заключено основное количество калорий, потребляемых человеком с пищей. Основным углеводом, поступающим с пищей, является крахмал. Он содержится в хлебобулочных изделиях, картофеле, в составе круп. В рационе человека присутствуют также гликоген (в печени и мясе), сахароза (в качестве добавок к различным блюдам), фруктоза (во фруктах и меде), лактоза (в молоке). Полисахариды, прежде чем усвоиться организмом, должны быть гидролизованы с помощью пищеварительных ферментов до моносахаридов. Только в таком виде они всасываются в кровь. С током крови моносахариды поступают к органам и тканям, где используются для синтеза своих собственных углеводов или других веществ, либо подвергаются расщеплению с целью извлечения из них энергии.

Освобождающаяся в результате расщепления глюкозы энергия накапливается в виде АТФ. Различают два процесса распада глюкозы: анаэробный (в отсутствие кислорода) и аэробный (в присутствии кислорода). В результате анаэробного процесса образуется молочная кислота

которая при тяжелых физических нагрузках накапливается в мышцах и вызывает боль.

В результате же аэробного процесса глюкоза окисляется до оксида углерода (IV) и воды:

В результате аэробного распада глюкозы освобождается значительно больше энергии, чем в результате анаэробного. В целом при окислении 1 г углеводов выделяется 16,9 кДж энергии.

Глюкоза может подвергаться спиртовому брожению. Этот процесс осуществляется дрожжами в анаэробных условиях:

Спиртовое брожение широко используется в промышленности для производства вин и этилового спирта.

Человек научился использовать не только спиртовое брожение, но и нашел применение молочнокислому брожению, например, для получения молочнокислых продуктов и квашения овощей.

В организме человека и животных нет ферментов, способных гидролизовать целлюлозу, тем не менее целлюлоза является основным компонентом пищи для многих животных, в частности, для жвачных. В желудке этих животных в больших количествах содержатся бактерии и простейшие, продуцирующие фермент целлюлазу , катализирующий гидролиз целлюлозы до глюкозы. Последняя может подвергаться дальнейшим превращениям, в результате которых образуются масляная, уксусная, пропионовая кислоты, способные всасываться в кровь жвачных.

Углеводы выполняют и запасную функцию. Так, крахмал, сахароза, глюкоза у растений и гликоген у животных являются энергетическим резервом их клеток.

Структурная, опорная и защитная функции

Целлюлоза у растений и хитин у беспозвоночных и в грибах выполняют опорную и защитную функции. Полисахариды образуют капсулу у микроорганизмов, укрепляя тем самым мембрану. Липополисахариды бактерий и гликопротеины поверхности животных клеток обеспечивают избирательность межклеточного взаимодействия и иммунологических реакций организма. Рибоза служит строительным материалом для РНК, а дезоксирибоза – для ДНК.

Защитную функцию выполняет гепарин . Этот углевод, являясь ингибитором свертывания крови, предотвращает образование тромбов. Он содержится в крови и соединительной ткани млекопитающих. Клеточные стенки бактерий, образованные полисахаридами, скреплены короткими аминокислотными цепочками, защищают бактериальные клетки от неблагоприятных воздействий. Углеводы участвуют у ракообразных и насекомых в построение наружного скелета, выполняющего защитную функцию.

Регуляторная функция

Клетчатка усиливает перистальтику кишечника, улучшая этим пищеварение.

Интересна возможность использования углеводов в качестве источника жидкого топлива – этанола. С давних пор использовали древесину для обогрева жилищ и приготовления пищи. В современном обществе этот вид топлива вытесняется другими видами – нефтью и углем, более дешевыми и удобными в использовании. Однако растительное сырье, несмотря на некоторые неудобства в использовании, в отличие от нефти и угля является возобновляемым источником энергии. Но его применение в двигателях внутреннего сгорания затруднено. Для этих целей предпочтительнее использовать жидкое топливо или газ. Из низкосортной древесины, соломы или другого растительного сырья, содержащих целлюлозу или крахмал, можно получить жидкое топливо – этиловый спирт. Для этого необходимо вначале гидролизовать целлюлозу или крахмал и получить глюкозу:

а затем полученную глюкозу подвергнуть спиртовому брожению и получить этиловый спирт. После очистки его можно использовать в виде топлива в двигателях внутреннего сгорания. Надо отметить, что в Бразилии с этой целью ежегодно из сахарного тростника, сорго и маниока получают миллиарды литров спирта и используют его в двигателях внутреннего сгорания.

УГЛЕВОДЫ

Углеводы входят в состав клеток и тканей всех растительных и животных организмов и по массе составляют основную часть органического вещества на Земле. На долю углеводов приходится около 80% сухого вещества растений и около 20% животных. Растения синтезируют углеводы из неорганических соединений — углекислого газа и воды (СО 2 и Н 2 О ).

Углеводы делятся на две группы: моносахариды (монозы) и полисахариды (полиозы).

Для подробного изучения материала, связанного с классификацией углеводов, изомерией, номенклатурой, строением и др., необходимо просмотреть анимационные фильмы » Углеводы. Генетический D — ряд сахаров» и «Построение формул Хеуорса для D — галактозы» (данный видеоматериал доступен только на CD — ROM ). Тексты, сопровождающие эти фильмы, в полном объеме перенесены в данный подраздел и ниже следуют.

Углеводы. Генетический D- ряд сахаров

«Углеводы широко распространены в природе и выполняют в живых организмах различные важные функции. Они поставляют энергию для биологических процессов, а также являются исходным материалом для синтеза в организме других промежуточных или конечных метаболитов. Углеводы имеют общую формулу C n (H 2 O ) m , откуда и возникло название этих природных соединений.

Углеводы делятся на простые сахара или моносахариды и полимеры этих простых сахаров или полисахариды. Среди полисахаридов следует выделить группу олигосахаридов, содержащих в молекуле от 2 до 10 моносахаридных остатков. К ним относятся, в частности, дисахариды.

Моносахариды являются гетерофункциональными соединениями. В их молекулах одновременно содержатся и карбонильная (альдегидная или кетонная), и несколько гидроксильных групп, т.е. моносахариды представляют собой полигидроксикарбонильные соединения — полигидроксиальдегиды и полигидроксикетоны. В зависимости от этого моносахариды подразделяются на альдозы (в моносахариде содержится альдегидная группа) и кетозы (содержится кетогруппа). Например , глюкоза – это альдоза, а фруктоза – это кетоза.

(глюкоза (альдоза)) (фруктоза (кетоза))

В зависимости от числа атомов углерода в молекуле моносахарид называется тетрозой, пентозой, гексозой и т.д. Если объединить последние два типа классификации, то глюкоза – это альдогексоза, а фруктоза – кетогексоза. Большинство встречающихся в природе моносахаридов – это пентозы и гексозы.

Моносахариды изображаются в виде проекционных формул Фишера, т.е. в виде проекции тетраэдрической модели атомов углерода на плоскость чертежа. Углеродная цепь в них записывается вертикально. У альдоз наверху помещают альдегидную группу, у кетоз – соседнюю с карбонильной первичноспиртовую группу. Атом водорода и гидроксильную группу при асимметрическом атоме углерода располагают на горизонтальной прямой. Асимметрический атом углерода находится в образующемся перекрестье двух прямых и не обозначается символом. С групп, расположенных вверху, начинают нумерацию углеродной цепи. (Дадим определение асимметрическому атому углерода: это атом углерода, связанный с четырьмя различными атомами или группами).

Установление абсолютной конфигурации, т.е. истинного расположения в пространстве заместителей у асимметрического атома углерода является весьма трудоемкой, а до некоторого времени было даже невыполнимой задачей. Существует возможность характеризовать соединения путем сравнения их конфигураций с конфигурациями эталонных соединений, т.е. определять относительные конфигурации.

Относительная конфигурация моносахаридов определяется по конфигурационному стандарту – глицериновому альдегиду, которому еще в конце прошлого столетия произвольно были приписаны определенные конфигурации, обозначенные как D — и L — глицериновые альдегиды. С конфигурацией их асимметрических атомов углерода сравнивается конфигурация наиболее удаленного от карбонильной группы асимметрического атома углерода моносахарида. В пентозах таким атомом является четвертый атом углерода (С 4 ), в гексозах – пятый (С 5 ), т.е. предпоследние в цепи углеродных атомов. При совпадении конфигурации этих атомов углерода с конфигурацией D — глицеринового альдегида моносахарид относят к D — ряду. И, наоборот, при совпадении с конфигурацией L — глицеринового альдегида считают, что моносахарид принадлежит к L — ряду. Символ D означает, что гидроксильная группа при соответствующем асимметрическом атоме углерода в проекции Фишера располагается справа от вертикальной линии, а символ L — что гидроксильная группа расположена слева.

Генетический D- ряд сахаров

Родоначальником альдоз является глицериновый альдегид. Рассмотрим генетическое родство сахаров D — ряда с D — глицериновым альдегидом.

В органической химии существует метод увеличения углеродной цепи моносахаридов путем последовательного введения группы

между карбонильной группой и соседним атомом углерода. Введение этой группы в молекулу D — глицеринового альдегида приводит к двум диастереомерным тетрозам – D — эритрозе и D — треозе. Это объясняется тем, что введенный в цепь моносахарида новый атом углерода становится асимметрическим. По этой же причине каждая полученная тетроза, а далее и пентоза при введении в их молекулу еще одного углеродного атома тоже дают два диастереомерных сахара. Диастереомеры – это стереоизомеры, отличающиеся конфигурацией одного или нескольких асимметрических атомов углерода.

Так получен D — ряд сахаров из D — глицеринового альдегида. Как видно, все члены приведенного ряда, будучи полученными из D — глицеринового альдегида, сохранили его асимметрический атом углерода. Это – последний асимметрический атом углерода в цепи углеродных атомов представленных моносахаридов.

Каждой альдозе D -ряда соответствует стереоизомер L — ряда, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение. Такие стереоизомеры называются энантиомерами.

Следует отметить в заключение, что приведенный ряд альдогексоз не исчерпывается четырьмя изображенными. Представленным выше образом из D — рибозы и D — ксилозы можно получить еще две пары диастереомерных сахаров. Однако мы остановились лишь на альдогексозах, имеющих наибольшее распространение в природе.»

Построение формул Хеуорса для D- галактозы

«Одновременно с введением в органическую химию представлений о строении глюкозы и других моносахаридов как о полигидроксиальдегидах или полигидроксикетонах, описываемых открытоцепными формулами, в химии углеводов стали накапливаться факты, которые трудно было объяснить с позиций таких структур. Оказалось, что глюкоза и другие моносахариды существуют в виде циклических полуацеталей, образующихся в результате внутримолекулярной реакции соответствующих функциональных групп.

Обычные полуацетали образуются при взаимодействии молекул двух соединений – альдегида и спирта. В процессе реакции разрывается двойная связь карбонильной группы, по месту разрыва к которой присоединяются атом водорода гидроксила и остаток спирта. Циклические полуацетали образуются за счет взаимодействия аналогичных функциональных групп, принадлежащих молекуле одного соединения – моносахарида. Реакция протекает в том же направлении: разрывается двойная связь карбонильной группы, к карбонильному кислороду присоединяется атом водорода гидроксила и образуется цикл за счет связывания атомов углерода карбонильной и кислорода гидроксильной групп.

Наиболее устойчивые полуацетали образуются за счет гидроксильных групп при четвертом и пятом углеродных атомах. Возникающие при этом пятичленные и шестичленные кольца называют соответственно фуранозной и пиранозной формами моносахаридов. Эти названия происходят от названий пяти- и шестичленных гетероциклических соединений с атомом кислорода в цикле – фурана и пирана.

Моносахариды, имеющие циклическую форму, удобно изображать перспективными формулами Хеуорса. Они представляют собой идеализированные плоские пяти- и шестичленные циклы с атомом кислорода в цикле, дающие возможность видеть взаимное расположение всех заместителей относительно плоскости кольца.

Рассмотрим построение формул Хеуорса на примере D — галактозы.

Для построения формул Хеуорса необходимо в первую очередь пронумеровать углеродные атомы моносахарида в проекции Фишера и повернуть ее направо так, чтоб цепь углеродных атомов заняла горизонтальное положение. Тогда атомы и группы, расположенные в проекционной формуле слева, будут находиться вверху, а расположенные справа – внизу от горизонтальной прямой, а при дальнейшем переходе к циклическим формулам – соответственно над и под плоскостью цикла. В действительности же углеродная цепь моносахарида не расположена на прямой линии, а принимает в пространстве изогнутую форму. Как видно, гидроксил при пятом углеродном атоме значительно удален от альдегидной группы, т.е. занимает положение, неблагоприятное для замыкания кольца. Для сближения функциональных групп осуществляется поворот части молекулы вокруг валентной оси, соединяющей четвертый и пятый углеродный атомы, против часовой стрелки на один валентный угол. В результате такого поворота гидроксил пятого атома углерода приближается к альдегидной группе, при этом два других заместителя также меняют свое положение – в частности, группировка – СН 2 ОН располагается над цепью углеродных атомов. Одновременно с этим и альдегидная группа за счет поворота вокруг s — связи между первым и вторым углеродными атомами сближается с гидроксилом. Сблизившиеся функциональные группы взаимодействуют между собой по указанной выше схеме, приводя к образованию полуацеталя с шестичленным пиранозным циклом.

Возникающую в результате реакции гидроксильную группу называют гликозидной. Образование циклического полуацеталя приводит к появлению нового асимметрического атома углерода, называемого аномерным. В результате возникают два диастереомера – a — и b — аномеры, различающиеся конфигурацией только первого углеродного атома.

Различные конфигурации аномерного атома углерода возникают вследствии того, что альдегидная группа, имеющая плоскую конфигурацию, из-за поворота вокруг s — связи между первым и вторым углеродными атомами обращается к атакующему реагенту (гидроксильной группе) как одной, так и противоположной сторонами плоскости. Гидроксильная группа при этом атакует карбонильную группу с любой стороны двойной связи, приводя к полуацеталям с различными конфигурациями первого атома углерода. Другими словами, основная причина одновременного образования a — и b -аномеров состоит в нестереоселективности обсуждаемой реакции.

У a — аномера конфигурация аномерного центра одинакова с конфигурацией последнего асимметрического атома углерода, опеределяющего принадлежность к D — и L — ряду, а у b — аномера – противоположна. У альдопентоз и альдогексоз D — ряда в формулах Хеуорса гликозидная гидроксильная группа у a — аномеров расположена под плоскостью, а у b — аномеров – над плоскостью цикла.

По аналогичным правилам осуществляется переход и к фуранозным формам Хеуорса. Разница лишь в том, что в реакции участвует гидроксил четвертого углеродного атома, а для сближения функциональных групп необходим поворот части молекулы вокруг s — связи между третьим и четвертым атомами углерода и по часовой стрелке, в результате чего пятый и шестой углеродный атомы расположатся под плоскостью цикла.

Названия циклических форм моносахаридов включают в себя указания на конфигурацию аномерного центра (a — или b -), на название моносахарида и его ряда (D — или L -) и размер цикла (фураноза или пираноза). Например , a , D — галактопираноза или b , D — галактофураноза.»

Получение

В свободном виде в природе встречается преимущественно глюкоза. Она же является структурной единицей многих полисахаридов. Другие моносахариды в свободном состоянии встречаются редко и в основном известны как компоненты олиго- и полисахаридов. В природе глюкоза получается в результате реакции фотосинтеза:

6CO 2 + 6H 2 O ® C 6 H 12 O 6 (глюкоза ) + 6O 2

Впервые глюкоза получена в 1811 году русским химиком Г.Э.Кирхгофом при гидролизе крахмала. Позже синтез моносахаридов из формальдегида в щелочной среде предложен А.М.Бутлеровым.

В промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала в присутствии серной кислоты.

(C 6 H 10 O 5) n (крахмал) + nH 2 O –– H 2 SO 4 ,t ° ® nC 6 H 12 O 6 (глюкоза )

Физические свойства

Моносахариды – твердые вещества, легко растворимые в воде, плохо – в спирте и совсем нерастворимые в эфире. Водные растворы имеют нейтральную реакцию на лакмус. Большинство моносахаридов обладают сладким вкусом, однако меньшим, чем свекловичный сахар.

Химические свойства

Моносахариды проявляют свойства спиртов и карбонильных соединений.

I. Реакции по карбонильной группе

1. Окисление.

a) Как и у всех альдегидов, окисление моносахаридов приводит к соответствующим кислотам. Так, при окислении глюкозы аммиачным раствором гидрата окиси серебра образуется глюконовая кислота (реакция «серебряного зеркала»).

b) Реакция моносахаридов с гидроксидом меди при нагревании так же приводит к альдоновым кислотам.

c) Более сильные окислительные средства окисляют в карбоксильную группу не только альдегидную, но и первичную спиртовую группы, приводя к двухосновным сахарным (альдаровым) кислотам. Обычно для такого окисления используют концентрированную азотную кислоту.

2. Восстановление.

Восстановление сахаров приводит к многоатомным спиртам. В качестве восстановителя используют водород в присутствии никеля, алюмогидрид лития и др.

3. Несмотря на схожесть химических свойств моносахаридов с альдегидами, глюкоза не вступает в реакцию с гидросульфитом натрия (NaHSO 3 ).

II. Реакции по гидроксильным группам

Реакции по гидроксильным группам моносахаридов осуществляются, как правило, в полуацетальной (циклической) форме.

1. Алкилирование (образование простых эфиров).

При действии метилового спирта в присутствии газообразного хлористого водорода атом водорода гликозидного гидроксила замещается на метильную группу.

При использовании более сильных алкилирующих средств, каковыми являются, например , йодистый метил или диметилсульфат, подобное превращение затрагивает все гидроксильные группы моносахарида.

2. Ацилирование (образование сложных эфиров).

При действии на глюкозу уксусного ангидрида образуется сложный эфир – пентаацетилглюкоза.

3. Как и все многоатомные спирты, глюкоза с гидроксидом меди (II ) дает интенсивное синее окрашивание (качественная реакция).

III. Специфические реакции

Кроме приведенных выше, глюкоза характеризуется и некоторыми специфическими свойствами — процессами брожения. Брожением называется расщепление молекул сахаров под воздействием ферментов (энзимов). Брожению подвергаются сахара с числом углеродных атомов, кратным трем. Существует много видов брожения, среди которых наиболее известны следующие:

a) спиртовое брожение

C 6 H 12 O 6 ® 2CH 3 –CH 2 OH (этиловый спирт ) + 2CO 2 ­

b) молочнокислое брожение

c) маслянокислое брожение

C 6 H 12 O 6 ® CH 3 –CH 2 –СН 2 –СОOH (масляная кислота ) + 2 Н 2 ­ + 2CO 2 ­

Упомянутые виды брожения, вызываемые микроорганизмами, имеют широкое практическое значение. Например , спиртовое – для получения этилового спирта, в виноделии, пивоварении и т.д., а молочнокислое – для получения молочной кислоты и кисломолочных продуктов.

Дисахариды

Дисахариды (биозы) при гидролизе образуют два одинаковых или разных моносахарида. Для установления строения дисахаридов необходимо знать: из каких моносахаридов он построен, какова конфигурация аномерных центров у этих моносахаридов (a — или b -), каковы размеры цикла (фураноза или пираноза) и с участием каких гидроксилов связаны две молекулы моносахарида.

Дисахариды подразделяются на две группы: восстанавливающие и невосстанавливающие.

К восстанавливающим дисахаридам относится, в часности, мальтоза (солодовый сахар), содержащаяся в солоде, т.е. проросших, а затем высушенных и измельченных зернах хлебных злаков.

(мальтоза )

Мальтоза составлена из двух остатков D — глюкопиранозы, которые связаны (1–4) -гликозидной связью, т.е. в образовании простой эфирной связи участвуют гликозидный гидроксил одной молекулы и спиртовой гидроксил при четвертом атоме углерода другой молекулы моносахарида. Аномерный атом углерода (С 1 ), участвующий в образовании этой связи, имеет a — конфигурацию, а аномерный атом со свободным гликозидным гидроксилом (обозначен красным цветом) может иметь как a — (a — мальтоза), так и b — конфигурацию (b — мальтоза).

Мальтоза представляет собой белые кристаллы, хорошо растворимые в воде, сладкие на вкус, однако значительно меньше, чем у сахара (сахарозы).

Как видно, в мальтозе имеется свободный гликозидный гидроксил, вследствие чего сохраняется способность к раскрытию цикла и переходу в альдегидную форму. В связи с этим, мальтоза способна вступать в реакции, характерные для альдегидов, и, в частности, давать реакцию «серебряного зеркала», поэтому ее называют восстанавливающим дисахаридом. Кроме того, мальтоза вступает во многие реакции, характерные для моносахаридов, например , образует простые и сложные эфиры (см. химические свойства моносахаридов).

К невосстанавливающим дисахаридам относится сахароза (свекловичный или тростниковый сахар). Она содержится в сахарном тростнике, сахарной свекле (до 28% от сухого вещества), соках растений и плодах. Молекула сахарозы построена из a , D — глюкопиранозы и b , D — фруктофуранозы.

(сахароза)

В противоположность мальтозе гликозидная связь (1–2) между моносахаридами образуется за счет гликозидных гидроксилов обеих молекул, то есть свободный гликозидный гидроксил отсутствует. Вследствие этого отсутствует восстанавливающая способность сахарозы, она не дает реакции «серебряного зеркала», поэтому ее относят к невосстанавливающим дисахаридам.

Сахароза – белое кристаллическое вещество, сладкое на вкус, хорошо растворимое в воде.

Для сахарозы характерны реакции по гидроксильным группам. Как и все дисахариды, сахароза при кислотном или ферментативном гидролизе превращается в моносахариды, из которых она составлена.

Полисахариды

Важнейшие из полисахаридов – это крахмал и целлюлоза (клетчатка). Они построены из остатков глюкозы. Общая формула этих полисахаридов ( C 6 H 10 O 5 ) n . В образовании молекул полисахаридов обычно принимает участие гликозидный (при С 1 -атоме) и спиртовой (при С 4 -атоме) гидроксилы, т.е. образуется (1–4) -гликозидная связь.

Крахмал

Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов, построенных из a , D — глюкопиранозных звеньев: амилозы (10-20%) и амилопектина (80-90%). Крахмал образуется в растениях при фотосинтезе и откладывается в виде «резервного» углевода в корнях, клубнях и семенах. Например , зерна риса, пшеницы, ржы и других злаков содержат 60-80% крахмала, клубни картофеля – 15-20%. Родственную роль в животном мире выполняет полисахарид гликоген, «запасающийся», в основном, в печени.

Крахмал – это белый порошок, состоящий из мелких зерен, не растворимый в холодной воде. При обработке крахмала теплой водой удается выделить две фракции: фракцию, растворимую в теплой воде и состоящую из полисахарида амилозы , и фракцию, лишь набухающую в теплой воде с образованием клейстера и состоящую из полисахарида амилопектина .

Амилоза имеет линейное строение, a , D — глюкопиранозные остатки связаны (1–4) -гликозидными связями. Элементная ячейка амилозы (и крахмала вообще) представляется следующим образом:

Молекула амилопектина построена подобным образом, однако имеет в цепи разветвления, что создает пространственную структуру. В точках разветвления остатки моносахаридов связаны (1–6) -гликозидными связями. Между точками разветвления располагаются обычно 20-25 глюкозных остатков.

(амилопектин)

Крахмал легко подвергается гидролизу: при нагревании в присутствии серной кислоты образуется глюкоза.

(C 6 H 10 O 5 ) n (крахмал) + nH 2 O –– H 2 SO 4 , t ° ® nC 6 H 12 O 6 (глюкоза)

В зависимости от условий проведения реакции гидролиз может осуществляться ступенчато с образованием промежуточных продуктов.

(C 6 H 10 O 5 ) n (крахмал) ® (C 6 H 10 O 5 ) m (декстрины (m

Качественной реакцией на крахмал является его взаимодействие с йодом – наблюдается интенсивное синее окрашивание. Такое окрашивание появляется, если на срез картофеля или ломтик белого хлеба поместить каплю раствора йода.

Крахмал не вступает в реакцию «серебряного зеркала».

Крахмал является ценным пищевым продуктом. Для облегчения его усвоения продукты, содержащие крахмал, подвергают термообработке, т.е. картофель и крупы варят, хлеб пекут. Процессы декстринизации (образование декстринов), осуществляемые при этом, способствуют лучшему усвоению организмом крахмала и последующему гидролизу до глюкозы.

В пищевой промышленности крахмал используется при производстве колбасных, кондитерских и кулинарных изделий. Применяется также для получения глюкозы, при изготовлении бумаги, текстильных изделий, клеев, лекарственных средств и т.д.

Целлюлоза (клетчатка)

Целлюлоза – наиболее распространенный растительный полисахарид. Она обладает большой механической прочностью и исполняет роль опорного материала растений. Древесина содержит 50-70% целлюлозы, хлопок представляет собой почти чистую целлюлозу.

Как и у крахмала, структурной единицей целлюлозы является D — глюкопираноза, звенья которой связаны (1-4) -гликозидными связями. Однако, от крахмала целлюлоза отличается b — конфигурацией гликозидных связей между циклами и строго линейным строением.

Целлюлоза состоит из нитевидных молекул, которые водородными связями гидроксильных групп внутри цепи, а также между соседними цепями собраны в пучки. Именно такая упаковка цепей обеспечивает высокую механическую прочность, волокнистость, нерастворимость в воде и химическую инертность, что делает целлюлозу идеальным материалом для построения клеточных стенок.

b — Гликозидная связь не разрушается пищеварительными ферментами человека, поэтому целлюлоза не может служить ему пищей, хотя в определенном количестве является необходимым для нормального питания балластным веществом. В желудках жвачных животных имеются ферменты, расщепляющие целлюлозу, поэтому такие животные используют клетчатку в качестве компонента пищи.

Несмотря на нерастворимость целлюлозы в воде и обычных органических растворителях, она растворима в реактиве Швейцера (раствор гидроксида меди в аммиаке), а также в концентрированном растворе хлористого цинка и в концентрированной серной кислоте.

Как и крахмал, целлюлоза при кислотном гидролизе дает глюкозу.

Целлюлоза – многоатомный спирт, на элементную ячейку полимера приходятся три гидроксильных группы. В связи с этим, для целлюлозы характерны реакции этерификации (образование сложных эфиров). Наибольшее практическое значение имеют реакции с азотной кислотой и уксусным ангидридом.

Полностью этерифицированная клетчатка известна под названием пироксилин, который после соответствующей обработки превращается в бездымный порох. В зависимости от условий нитрования можно получить динитрат целлюлозы, который в технике называется коллоксилином. Он так же используется при изготовлении пороха и твердых ракетных топлив. Кроме того, на основе коллоксилина изготавливают целлулоид.

Триацетилцеллюлоза (или ацетилцеллюлоза) является ценным продуктом для изготовления негорючей кинопленки и ацетатного шелка. Для этого ацетилцеллюлозу растворяют в смеси дихлорметана и этанола и этот раствор продавливают через фильеры в поток теплого воздуха. Растворитель испаряется и струйки раствора превращаются в тончайшие нити ацетатного шелка.

Целлюлоза не дает реакции «серебряного зеркала».

Говоря о применении целлюлозы, нельзя не сказать о том, что большое количество целлюлозы расходуется для изготовления различной бумаги. Бумага – это тонкий слой волокон клетчатки, проклеенный и спрессованный на специальной бумагоделательной машине.

Из приведенного выше уже видно, что использование целлюлозы человеком столь широко и разнообразно, что применению продуктов химической переработки целлюлозы можно посвятить самостоятельный раздел.

КОНЕЦ РАЗДЕЛА

Органические соединения, которые являются основным источником энергии, называются углеводами. Чаще всего сахара встречаются в пище растительного происхождения. Дефицит углеводов может вызвать нарушение работы печени, а их избыток вызывает повышение уровня инсулина. Поговорим о сахарах подробнее.

Что такое углеводы?

Это органические соединения, которые содержат карбонильную группу и несколько гидроксильных. Они входят в состав тканей организмов, а также являются важным компонентом клеток. Выделяют моно -, олиго — и полисахариды, а также более сложные углеводы, такие как гликолипиды, гликозиды и другие. Углеводы являются продуктом фотосинтеза, а также основным исходным веществом биосинтеза других соединений в растениях. Благодаря большому разнообразию соединений данный класс способен играть многоплановые роли в живых организмах. Подвергаясь окислению, углеводы обеспечивают энергией все клетки. Они участвуют в становлении иммунитета, а также входят в состав многих клеточных структур.

Виды сахаров

Органические соединения делятся на две группы — простые и сложные. Углеводы первого типа — моносахариды, которые содержат карбонильную группу и представляют собой производные многоатомных спиртов. Ко второй группе принадлежат олигосахариды и полисахариды. Первые состоят их остатков моносахаридов (от двух до десяти), которые соединены гликозидной связью. Вторые могут содержать в своем составе и сотни и даже тысячи мономеров. Таблица углеводов, которые чаще всего встречаются, выглядит следующим образом:

1. Глюкоза.
2. Фруктоза.
3. Галактоза.
4. Сахароза.
5. Лактоза.
6. Мальтоза.
7. Раффиноза.
8. Крахмал.
9. Целлюлоза.
10. Хитин.
11. Мурамин.
12. Гликоген.

Список углеводов обширен. Остановимся на некоторых из них подробнее.

Простая группа углеводов

В зависимости от места, которое занимает карбонильная группа в молекуле, различают два вида моносахаридов — альдозы и кетозы. У первых функциональной группой является альдегидная, у вторых — кетонная. В зависимости от числа углеродных атомов, входящих в молекулу, складывается название моносахарида. Например, альдогексозы, альдотетрозы, кетотриозы и так далее. Эти вещества чаще всего не имеют цвета, плохо растворимы в спирте, но хорошо в воде. Простые углеводы в продуктах — твердые, не гидролизуются при переваривании. Некоторые из представителей обладают сладким вкусом.

Представители группы

Что относится к углеводам простого строения? Во-первых, это глюкоза, или альдогексоза. Она существует в двух формах — линейной и циклической. Наиболее точно описывает химические свойства глюкозы — это вторая форма. Альдогексоза содержит шесть атомов углерода. Вещество не имеет цвета, но зато сладкое на вкус. Отлично растворяется в воде. Встретить глюкозу можно практически везде. Она существует в органах растений и животных организмах, а также во фруктах. В природе альдогексоза образуется в процессе фотосинтеза.

Во-вторых, это галактоза. Вещество отличается от глюкозы расположением в пространстве гидроксильной и водородной групп у четвертого атома углерода в молекуле. Обладает сладким вкусом. Она встречается в животных и растительных организмах, а также в некоторых микроорганизмах.

И третий представитель простых углеводов — фруктоза. Вещество является самым сладким сахаром, полученным в природе. Она присутствует в овощах, фруктах, ягодах, меде. Легко усваивается организмом, быстро выводится из крови, что обуславливает ее применение больными сахарным диабетом. Фруктоза содержит мало калорий и не вызывает кариес.

Продукты, богатые простыми сахарами

1. 90 г — кукурузный сироп.
2. 50 г — сахара-рафинад.
3. 40,5 г — мед.
4. 24 г — инжир.
5. 13 г — курага.
6. 4 г — персики.

Суточное употребление данного вещества не должно превышать 50 г. Что касается глюкозы, то в этом случае соотношение будет немного другое:

1. 99,9 г — сахар-рафинад.
2. 80,3 г — мед.
3. 69,2 г — финики.
4. 66,9 г — перловая крупа.
5. 61,8 г — овсяные хлопья.
6. 60,4 г — гречка.

Чтобы рассчитать суточное употребление вещества, необходимо вес умножить на 2,6. Простые сахара обеспечивают энергией человеческий организм и помогают справляться с разными токсинами. Но нельзя забывать, что при любом употреблении должна быть мера, иначе серьезные последствия не заставят долго ждать.

Олигосахариды

Наиболее часто встречающимся видом в данной группе являются дисахариды. Что такое углеводы, содержащие несколько остатков моносахаридов? Они представляют собой гликозиды, содержащие мономеры. Моносахариды связаны между собой гликозидной связью, которая образуется в результате соединения гидроксильных групп. Исходя из строения дисахариды делятся на два виды: восстанавливающие и не восстанавливающие. К первому относится мальтоза и лактоза, а ко второму сахароза. Восстанавливающий тип обладает хорошей растворимостью и имеет сладкий вкус. Олигосахариды могут содержать более двух мономеров. Если моносахариды одинаковые, то такой углевод относится к группе гомополисахаридов, а если разные, то к гетерополисахаридов. Примером последнего типа является трисахарид раффиноза, которая содержит остатки глюкозы, фруктозы и галактозы.

Лактоза, мальтоза и сахароза

Последнее вещество хорошо растворяется, имеет сладкий вкус. Сахарный тростник и свекла являются источником получения дисахарида. В организме при гидролизе сахароза распадается на глюкозу и фруктозу. Дисахарид в больших количествах содержится в сахаре-рафинаде (99,9 г на 100 г продукта), в черносливе (67,4 г), в винограде (61,5 г) и в других продуктах. При избыточном поступлении этого вещества увеличивается способность превращаться в жир практически всех пищевых веществ. Также повышается уровень холестерина в крови. Большое количество сахарозы негативно влияет на кишечную флору.

Молочный сахар, или лактоза, содержится в молоке и его производных. Углевод расщепляется до галактозы и глюкозы благодаря специальному ферменту. Если его в организме нет, то наступает непереносимость молока. Солодовый сахар или мальтоза является промежуточным продуктом распада гликогена и крахмала. В пищевых продуктах вещество встречается в солоде, патоке, меде и проросших зернах. Состав углеводов лактозы и мальтозы представлен остатками мономеров. Только в первом случае ими являются D-галактоза и D-глюкоза, а во втором вещество представлено двумя D-глюкозами. Оба углевода являются восстанавливающимися сахарами.

Полисахариды

Что такое углеводы сложные? Они отличаются друг от друга по нескольким признакам:

1. По строению мономеров, включенных в цепь.

2. По порядку нахождения моносахаридов в цепи.

3. По типу гликозидных связей, которые соединяют мономеры.

Как и у олигосахаридов, в данной группе можно выделить гомо -, и гетерополисахариды. К первой относятся целлюлоза и крахмал, а ко второй — хитин, гликоген. Полисахариды являются важным источником энергии, который образуется в результате обмена веществ. Они участвуют в иммунных процессах, а также в сцеплении клеток в тканях.

Список сложных углеводов представлен крахмалом, целлюлозой и гликогеном, их мы рассмотрим подробнее. Одним из главных поставщиков углеводов является крахмал. Это соединения, которые включают сотни тысяч остатков глюкозы. Углевод рождается и хранится в виде зернышек в хлоропластах растений. Благодаря гидролизу крахмал переходит в водорастворимые сахара, что способствует свободному перемещению по частям растения. Попадая в человеческий организм, углевод начинает распадаться уже во рту. В наибольшем количестве крахмал содержат зерна злаков, клубни и луковицы растений. В рационе на его долю приходится около 80% всего количества употребляемых углеводов. Наибольшее количество крахмала, в расчете на 100 г продукта, содержится в рисе — 78 г. Чуть меньше в макаронах и пшене — 70 и 69 г. Сто грамм ржаного хлеба включает в себя 48 г крахмала, а в той же порции картофеля его количество достигает лишь 15 г. Суточная потребность человеческого организма в данном углеводе равна 330-450 г.

Зерновые продукты также содержат клетчатку или целлюлозу. Углевод входит в состав клеточных стенок растений. Его вклад равен 40-50 %. Человек не способен переварить целлюлозу, так нет необходимого фермента, который бы осуществлял процесс гидролиза. Но мягкий тип клетчатки, например, картофеля и овощей, способен хорошо усваиваться в пищеварительном тракте. Каково содержание данного углевода в 100 г еды? Ржаные и пшеничные отруби являются самыми богатыми клетчаткой продуктами. Их содержание достигает 44 г. Какао-порошок включает 35 г питательного углевода, а сухие грибы лишь 25. Шиповник и молотый кофе содержат 22 и 21 г. Одними из самых богатых на клетчатку фруктов являются абрикос и инжир. Содержание углевода в них достигает 18 г. В сутки человеку нужно съедать целлюлозы до 35 г. Причем наибольшая потребность в углеводе наступает в возрасте от 14 до 50 лет.

В роле энергетического материала для хорошей работы мышц и органов используется полисахарид гликоген. Пищевого значения он не имеет, так как содержание его в еде крайне низкое. Углевод иногда называют животным крахмалом из-за схожести в строении. В данной форме в животных клетках хранится глюкоза (в наибольшем количестве в печени и мышцах). В печени у взрослых людей количество углевода может достигать до 120 г. Лидером по содержанию гликогена являются сахар, мед и шоколад. Также большим содержанием углевода могут «похвастаться» финики, изюм, мармелад, сладкая соломка, бананы, арбуз, хурма и инжир. Суточная норма гликогена равна 100 г в сутки. Если человек интенсивно занимается спортом или выполняет большую работу, связанную с умственной деятельностью, количество углевода должно быть увеличено. Гликоген относится к легко усваиваемым углеводам, которые хранятся про запас, что говорит о его использовании только в случае недостатка энергии от других веществ.

К полисахаридам также относятся следующие вещества:

1. Хитин. Он входит в состав роговых оболочек членистоногих, присутствует в грибах, низших растениях и в беспозвоночных животных. Вещество играет роль опорного материала, а также выполняет механические функции.

2. Мурамин. Он присутствует в качестве опорно-механического материала клеточной стенки бактерий.

3. Декстраны. Полисахариды выступают как заменители плазмы крови. Их получают путем воздействия микроорганизмов на раствор сахарозы.

4. Пектиновые вещества. Находясь вместе с органическими кислотами, могут образовывать желе и мармелад.

Белки и углеводы. Продукты. Список

Человеческий организм нуждается в определенном количестве питательных веществ каждый день. Например, углеводов необходимо употреблять в расчете 6-8 г на 1 кг массы тела. Если человек ведет активный образ жизни, то количество будет увеличиваться. Углеводы в продуктах содержатся практически всегда. Составим список их присутствия на 100 г пищи:

1. Наибольшее количество (более 70 г) содержатся в сахаре, мюслях, мармеладе, крахмале и рисе.
2. От 31 до 70 г — в мучных и кондитерских изделиях, в макаронах, крупах, сухофруктах, фасоли и горохе.
3. От 16 до 30 г углеводов содержат бананы, мороженое, шиповник, картофель, томатная паста, компоты, кокос, семечки подсолнечника и орехи кешью.
4. От 6 до 15 г — в петрушке, укропе, свекле, моркови, крыжовник, смородина, бобах, фруктах, орехах, кукурузе, пиве, семечках тыквы, сушеных грибах и так далее.
5. До 5 г углеводов содержится в зеленом луке, томатах, кабачках, тыквах, капусте, огурцах, клюкве, в молочных продуктах, яйцах и так далее.

Питательного вещества не должно поступать в организм меньше 100 г в сутки. В противном случае клетка не будет получать положенную ей энергию. Головной мозг не сможет выполнять свои функции анализа и координации, следовательно, мышцы не будут получать команды, что в итоге приведет к кетозу.

Что такое углеводы, мы рассказали, но, помимо них, незаменимым веществом для жизни являются белки. Они представляют собой цепочку аминокислот, связанных пептидной связью. В зависимости от состава белки различаются по своим свойствам. Например, эти вещества исполняют роль строительного материала, так как каждая клетка организма включает их в свой состав. Некоторые виды белков являются ферментами и гормонами, а также источником энергии. Они оказывают влияние на развитие и рост организма, регулируют кислотно-щелочной и водный баланс.

Таблица углеводов в еде показала, что в мясе и в рыбе, а также в некоторых видах овощей их число минимально. А каково содержание белков в пище? Самым богатым продуктом является желатин пищевой, на 100 г в нем содержится 87,2 г вещества. Далее идет горчица (37,1 г) и соя (34,9 г). Соотношение белков и углеводов в суточном употреблении на 1 кг веса должно быть 0,8 г и 7 г. Для лучшего усвоения первого вещества необходимо принимать пищу, в которой он принимает легкую форму. Это касается белков, которые присутствуют в кисломолочных продуктах и в яйцах. Плохо сочетаются в одном приеме пищи белки и углеводы. Таблица по раздельному питанию показывает, каких вариаций лучше избегать:

1. Рис с рыбой.
2. Картофель и курица.
3. Макароны и мясо.
4. Бутерброды с сыром и ветчиной.
5. Рыба в панировке.
6. Ореховые пирожные.
7. Омлет с ветчиной.
8. Мучное с ягодами.
9. Дыню и арбуз нужно есть отдельно за час до основного приема пищи.

Хорошо сочетаются:

1. Мясо с салатом.
2. Рыба с овощами или на гриле.
3. Сыр и ветчина по отдельности.
4. Орехи в целом виде.
5. Омлет с овощами.

Правила раздельного питания основаны на знаниях законов биохимии и информации о работе ферментов и пищевых соков. Для хорошего пищеварения любой вид еды требует индивидуального набора желудочных жидкостей, определенного количества воды, щелочную или кислотную среду, а также присутствие или отсутствие энзимов. Например, кушанье, насыщенное углеводами, для лучшего переваривания требует пищеварительного сока с щелочными ферментами, которые расщепляют данные органические вещества. А вот еда, богатая белками, уже требует кислых энзимов… Соблюдая нехитрые правила соответствия продуктов, человек укрепляет свое здоровье и поддерживает постоянный вес, без помощи диет.

«Плохие» и «хорошие» углеводы

«Быстрые» (или «неправильные») вещества — соединения, которые содержат небольшое число моносахаридов. Такие углеводы способны быстро усваиваться, повышать уровень сахара в крови, а также увеличивать количество выделяемого инсулина. Последний снижает уровень сахара крови, путем превращения его в жир. Употребление углеводов после обеда для человека, который следит за своим весом, представляет наибольшую опасность. В это время организм наиболее предрасположен к увеличению жировой массы. Что именно содержит неправильные углеводы? Продукты, список которых представлен ниже:

1. Кондитерские изделия.

3. Варенье.

4. Сладкие соки и компоты.

7. Картофель.

8. Макароны.

9. Белый рис.

10. Шоколад.

В основном это продукты, не требующие долгого приготовления. После такой еды необходимо много двигаться, иначе лишний вес даст о себе знать.

«Правильные» углеводы содержат более трех простых мономеров. Они усваиваются медленно и не вызывают резкого подъема сахара. Данный вид углеводов содержит большое количество клетчатки, которая практически не переваривается. В связи с этим человек долго остается сытым, для расщепления такой пищи требуется дополнительная энергия, кроме того, происходит естественное очищение организма. Составим список сложных углеводов, а точнее, продуктов, в которых они встречаются:

1. Хлеб с отрубями и цельнозерновой.
2. Гречневая и овсяная каши.
3. Зеленые овощи.
4. Макароны из грубого помола.
5. Грибы.
6. Горох.
7. Красная фасоль.
8. Помидоры.
9. Молочные продукты.
10. Фрукты.
11. Горький шоколад.
12. Ягоды.
13. Чечевица.

Для подержания себя в хорошей форме нужно больше есть «хороших» углеводов в продуктах и как можно меньше «плохих». Последние лучше принимать в первую половину дня. Если нужно похудеть, то лучше исключить употребление «неправильных» углеводов, так как при их использовании человек получает пищу в большем объеме. «Правильные» питательные вещества низкокалорийные, они способны надолго оставлять ощущение сытости. Это не означает полный отказ от «плохих» углеводов, а лишь только их разумное употребление.

24.1: Наименования и структура углеводов

Цели

После заполнения этого раздела вы сможете:

1. классифицирует конкретный углевод как моносахарид, дисахарид, трисахарид и т. Д., Учитывая структуру углевода или достаточную информацию о его структуре.
2. классифицирует моносахариды по количеству присутствующих атомов углерода и по тому, содержит ли он альдегидную или кетоновую группу.

Ключевые термины

Убедитесь, что вы можете определить и использовать в контексте следующие ключевые термины.

• альдоза
• дисахарид
• кетоза
• моносахарид (простой сахар)
• полисахарид

Углеводы — это самый распространенный класс органических соединений, обнаруженных в живых организмах. Они возникают как продукты фотосинтеза , эндотермической восстановительной конденсации углекислого газа, требующей световой энергии и пигмента хлорофилла.

\ [nCO_2 + n H_2O + Energy \ rightarrow C_nH_ {2n} O_n + nO_2 \]

Как здесь отмечено, формулы многих углеводов могут быть записаны как гидраты углерода, \ (C_n (H_2O) _n \), отсюда и их название.Углеводы являются основным источником метаболической энергии как для растений, так и для животных, питающихся растениями. Помимо сахаров и крахмалов, которые выполняют эту жизненно важную роль в питании, углеводы также служат в качестве структурного материала (целлюлозы), компонента энерготранспортного соединения АТФ / АДФ, сайтов узнавания на поверхности клеток и одного из трех основных компонентов ДНК и РНК.

Углеводы называются сахаридами, или, если они относительно небольшие, сахарами.Несколько классификаций углеводов оказались полезными и представлены в следующей таблице.

Упражнения

Вопросы

Q25.1.1

Классифицируйте каждый из следующих сахаров.

(а)

(б)

(в)

(г)

Решения

S25.1.1

(а) Альдотероза

(б) Кетопентоза

(c) Кетогексоза

(d) Альдопентоза

Авторы и авторство

Цели

После заполнения этого раздела вы сможете:

1. изобразите проекцию Фишера моносахарида, учитывая его структуру с клиньями и ломаными линиями или молекулярную модель.
2. изобразите структуру моносахарида, состоящую из клина и ломаной линии, с учетом его проекции Фишера или молекулярной модели.
3. построить молекулярную модель моносахарида, учитывая его проекцию Фишера или структуру с ломаной и клиньями.

Ключевые термины

Убедитесь, что вы можете определить и использовать в контексте приведенный ниже ключевой термин.

Учебные заметки

При изучении этого раздела используйте свой набор молекулярных моделей, чтобы помочь вам визуализировать структуры обсуждаемых соединений.Важно, чтобы вы могли определить, представляют ли две явно разные проекции Фишера две разные структуры или одну единственную структуру. Часто самый простой способ проверить — построить молекулярную модель, соответствующую каждой формуле проекции, а затем сравнить две модели.

Проблема рисования трехмерных конфигураций на двумерной поверхности, например на листе бумаги, давно интересовала химиков. Обозначения клина и штриховки, которые мы использовали, эффективны, но могут быть проблематичными при применении к соединениям, имеющим много хиральных центров.В рамках своего лауреата Нобелевской премии исследования углеводов великий немецкий химик Эмиль Фишер разработал простую систему обозначений, которая до сих пор широко используется. На проекционном чертеже Фишера четыре связи с хиральным углеродом образуют крест с атомом углерода на пересечении горизонтальной и вертикальной линий. Две горизонтальные связи направлены к зрителю (вперед от стереогенного углерода). Две вертикальные связи направлены за центральный углерод (от зрителя). Поскольку мы рассматриваем такие структуры не так, как обычно, на следующей диаграмме показано, как вращается стереогенный углерод, расположенный в общей ориентации двух связей в плоскости (x – C – y определяют базовую плоскость). в ориентацию проекции Фишера (крайняя правая формула).При написании формул проекции Фишера важно помнить об этих условных обозначениях. Поскольку вертикальные связи простираются от зрителя, а горизонтальные — к зрителю, структура Фишера может быть повернута только на 180 ° внутри плоскости, таким образом сохраняя эту связь. Конструкцию нельзя переворачивать или поворачивать на 90º. .

На приведенной выше диаграмме, если x = CO ₂ H, y = CH ₃ , a = H & b = OH, полученная формула описывает ( R ) — (-) — молочную кислоту.Формула зеркального отображения, где x = CO ₂ H, y = CH ₃ , a = OH & b = H, конечно же, будет представлять ( S ) — (+) — молочную кислоту.

Проекция Фишера состоит из горизонтальных и вертикальных линий, где горизонтальные линии представляют атомы, которые направлены к наблюдателю, а вертикальная линия представляет атомы, направленные от наблюдателя. Точка пересечения горизонтальной и вертикальной линий представляет собой центральный углерод.

Используя обозначение проекции Фишера, стереоизомеры 2-метиламино-1-фенилпропанола нарисованы следующим образом. Обратите внимание, что обычно самую длинную углеродную цепь задают как вертикальную связку.

Полезность этого обозначения для Фишера в его исследованиях углеводов очевидна на следующей диаграмме. Существует восемь стереоизомеров 2,3,4,5-тетрагидроксипентаналя, группы соединений, называемых альдопентозами.Поскольку в этой структуре есть три хиральных центра, мы должны ожидать максимум 2 ³ стереоизомеров. Эти восемь стереоизомеров состоят из четырех наборов энантиомеров. Если конфигурация в C-4 остается постоянной ( R в примерах, показанных здесь), четыре стереоизомера, которые образуются, будут диастереомерами . Формулы Фишера для этих изомеров, которые Фишер обозначил как «D» -семейство, показаны на диаграмме. Каждое из этих соединений имеет энантиомер, который является членом L-семейства, так что, как и ожидалось, всего имеется восемь стереоизомеров.Определение того, является ли хиральный углерод R или S, может показаться трудным при использовании проекций Фишера, но на самом деле это довольно просто. Если группа с самым низким приоритетом (часто водород) находится на вертикальной связи, конфигурация задается непосредственно из относительных положений трех заместителей с более высоким рангом. Если группа с самым низким приоритетом находится на горизонтальной связи, позиции оставшихся групп дают неправильный ответ (вы смотрите на конфигурацию с неправильной стороны), поэтому вы просто меняете ее.

Все изображенные выше альдопентозные структуры являются диастереомерами. Более избирательный термин, эпимер , используется для обозначения диастереомеров, которые различаются по конфигурации только в одном хиральном центре. Таким образом, рибоза и арабиноза являются эпимерами по C-2, а арабиноза и ликсоза являются эпимерами по C-3. Однако арабиноза и ксилоза не являются эпимерами, поскольку их конфигурации различаются как для C-2, так и для C-3.

Как делать прогнозы Фишера

Проекцию Фишера легче показать на примерах, чем на словах.Начнем с первого примера, превратив трехмерную структуру этана в двухмерную проекцию Фишера.

Пример 25.2.1

Начните с мысленного преобразования трехмерной структуры в структуру пунктирно-клиновидных линий. Помните, что атомы, направленные на зрителя, будут обозначены клиновидными линиями, а те, которые направлены от наблюдателя, будут обозначены пунктирными линиями.

Рисунок A Рисунок B

Обратите внимание, что красные шары (атомы) на рисунке A выше направлены от экрана.Эти атомы будут обозначены пунктирными линиями, как на рисунке B цифрами 2 и 6. Зеленые шары (атомы) направлены в сторону экрана. Эти атомы будут обозначены клиновидными линиями, как на рисунке B цифрами 3 и 5. Синие атомы находятся в плоскости экрана, поэтому они обозначены прямыми линиями.

Теперь, когда у нас есть структура пунктирно-клиновидных линий, мы можем преобразовать ее в проекцию Фишера. Однако, прежде чем мы сможем преобразовать эту структуру штрих-клина в проекцию Фишера, мы должны сначала преобразовать ее в «плоскую» структуру штрих-клина.Затем оттуда мы можем нарисовать нашу проекцию Фишера. Начнем с более простого примера. Вместо использования этана, показанного на рисунках A и B, мы начнем с метана. Причина в том, что это позволяет нам сосредоточиться только на одном центральном углероде, что немного упрощает задачу.

Рисунок C Рисунок D

Давайте начнем с этого трехмерного изображения и перейдем к изображению с пунктирными клиньями. Начните с того, что вы смотрите прямо на центральный углерод с левой стороны, как показано на рисунке C.Он должен выглядеть примерно так, как на рисунке D. Теперь возьмите этот рисунок D и расплющите его на поверхности бумаги, и у вас должно получиться изображение креста.

Напоминаем, что горизонтальная линия представляет атомы, выходящие из бумаги, а вертикальная линия представляет атомы, которые входят в бумагу. Поперечное изображение справа от стрелки — это проекция Фишера.

Авторы и авторство

Цели

После заполнения этого раздела вы сможете:

1. идентифицируют конкретный энантионер моносахарида как D или L, учитывая его проекцию Фишера.
2. определяют ограничения системы номенклатуры D, L для углеводов.
3. присваивает конфигурацию R или S каждому из хиральных атомов углерода, присутствующих в моносахариде, с учетом его проекции Фишера.
4. изобразите формулу проекции Фишера для моносахарида, учитывая его систематическое название, вместе с конфигурацией каждого хирального атома углерода.
5. построить молекулярную модель моносахарида, учитывая его систематическое название, в комплекте с конфигурацией каждого хирального атома углерода.

Ключевые термины

Убедитесь, что вы можете определить и использовать в контексте следующие ключевые термины.

Учебные заметки

Если вы обнаружите, что забыли значения таких терминов, как правовращающий и поляриметр, вернитесь к Разделу 5.3, в котором были представлены основы оптической активности.

Как бы вы поставили задачу решить, имеет ли каждый хиральный углерод конфигурацию R или S ? Конечно, вы могли бы использовать молекулярные модели, но предположим, что набор моделей недоступен — что бы вы сделали тогда?

Один из подходов состоит в том, чтобы сосредоточить внимание на интересующем атоме углерода и нарисовать трехмерное представление конфигурации вокруг этого атома, помня о соглашении, используемом в проекциях Фишера: вертикальные линии представляют связи, входящие в страницу, а горизонтальные линии представляют выходящие связи страницы.Таким образом, конфигурацию вокруг атома углерода 2 в структуре a можно представить следующим образом:

В уме вы должны представить, как эта молекула выглядела бы, если бы ее повернули так, чтобы связи, которые показаны как исходящие из страницы, теперь находятся в плоскости страницы. [Один из возможных способов сделать это — попытаться представить, как могла бы выглядеть молекула, если бы на нее смотрели из точки внизу страницы.] То, что вы должны увидеть в своем уме, — это представление, подобное изображенному ниже.

Чтобы определить, является ли конфигурация центрального атома углерода R или S , мы должны повернуть молекулу так, чтобы группа с самым низким приоритетом (H) была направлена ​​в сторону от наблюдателя. Этого эффекта можно достичь, удерживая гидроксильную группу в ее нынешнем положении и перемещая каждую из трех других групп на одно положение по часовой стрелке.

Порядок приоритета Кана-Ингольда-Прелога для трех оставшихся групп: ОН> СНО> СН (ОН) СН ₂ ОН; таким образом, мы видим, что можем проследить путь против часовой стрелки, идущий от группы с наивысшим приоритетом ко второй и третьей по высоте, и заключаем, что центральный атом углерода имеет конфигурацию S .

Конфигурация глюкозы

Четыре хиральных центра в глюкозе указывают на то, что может быть до шестнадцати (2 ⁴ ) стереоизомеров, имеющих такое строение. Они будут существовать в виде восьми диастереомерных пар энантиомеров, и первоначальная задача состояла в том, чтобы определить, какой из восьми соответствует глюкозе. Этот вызов был принят и решен в 1891 году немецким химиком Эмилем Фишером. Его успешное преодоление стереохимического лабиринта, представленного альдогексозами, было логическим проявлением силы, и вполне уместно, что за это достижение он получил Нобелевскую премию 1902 года по химии.Одна из первых задач, стоящих перед Фишером, состояла в том, чтобы разработать метод однозначного представления конфигурации каждого хирального центра. С этой целью он изобрел простую технику рисования цепочек хиральных центров, которую мы теперь называем формулой проекции Фишера. Щелкните по этой ссылке, чтобы просмотреть.

В то время, когда Фишер предпринял проект по глюкозе, было невозможно установить абсолютную конфигурацию энантиомера. Следовательно, Фишер произвольно выбрал (+) — глюкозу и установил сеть связанных альдозных конфигураций, которую он назвал семейством D .Затем зеркальные изображения этих конфигураций были обозначены как семейство альдоз L . Чтобы проиллюстрировать использование современных знаний, формулы проекции Фишера и названия для семейства D-альдозы (от трех до шести атомов углерода) показаны ниже, причем асимметричные атомы углерода (хиральные центры) окрашены в красный цвет. Последний хиральный центр в альдозной цепи (самый дальний от альдегидной группы) был выбран Фишером в качестве позиционного сайта D / L. Если гидроксильная группа в формуле проекции указывала вправо, она была определена как член D-семейства.Направленная влево гидроксильная группа (зеркальное отображение) тогда представляла L-семейство. Первоначальное назначение Фишером D-конфигурации было 50:50, но все его последующие выводы относительно относительных конфигураций различных альдоз были прочно обоснованы. В 1951 году рентгеновские флуоресцентные исследования (+) — винной кислоты, проведенные в Нидерландах Йоханнесом Мартином Бийвоетом, доказали, что выбор Фишера был правильным.

Важно понимать, что знак удельного вращения соединения (экспериментальное число) не коррелирует с его конфигурацией (D или L).Измерить оптическое вращение поляриметром просто. Определение абсолютной конфигурации обычно требует химического взаимопревращения с известными соединениями по стереоспецифическим реакционным путям.

Упражнения

Вопросы

Q25.3.1

Назначьте R и S для каждого хирального центра и определите, является ли каждый сахар D или L сахаром.

(а)

(б)

(в)

Решения

S25.3,1

(a) Сверху вниз, 2R, 3R, и это сахар D.

(b) Сверху вниз, 2S, 3R, 4S, и это L-сахар.

(c) Снизу вниз, 3R, 4S, и это L-сахар.

Авторы и авторство

Цели

После заполнения этого раздела вы сможете:

1. изобразите структуры всех возможных альдотетроз, альдопентозов и альдогексоз, не имея возможности присвоить названия отдельным соединениям.
2. изобразите проекцию Фишера для D ‑ глицеральдегида, D ‑ рибозы и D ‑ глюкозы по памяти.

Четыре хиральных центра в глюкозе указывают на то, что может быть до шестнадцати (2 ⁴ ) стереоизомеров, имеющих такое строение. Они будут существовать в виде восьми диастереомерных пар энантиомеров, и первоначальная задача состояла в том, чтобы определить, какой из восьми соответствует глюкозе. Этот вызов был принят и решен в 1891 году немецким химиком Эмилем Фишером. Его успешное преодоление стереохимического лабиринта, представленного альдогексозами, было логическим проявлением силы, и вполне уместно, что за это достижение он получил Нобелевскую премию 1902 года по химии.Одна из первых задач, стоящих перед Фишером, состояла в том, чтобы разработать метод однозначного представления конфигурации каждого хирального центра. С этой целью он изобрел простую технику рисования цепочек хиральных центров, которую мы теперь называем формулой проекции Фишера.

В то время, когда Фишер предпринял проект по глюкозе, было невозможно установить абсолютную конфигурацию энантиомера. Следовательно, Фишер произвольно выбрал (+) — глюкозу и установил сеть связанных альдозных конфигураций, которую он назвал семейством D .Затем зеркальные изображения этих конфигураций были обозначены как семейство альдоз L . Чтобы проиллюстрировать использование современных знаний, формулы проекции Фишера и названия для семейства D-альдозы (от трех до шести атомов углерода) показаны ниже, причем асимметричные атомы углерода (хиральные центры) окрашены в красный цвет.

Последний хиральный центр в альдозной цепи (самый дальний от альдегидной группы) был выбран Фишером в качестве сайта обозначения D / L. Если гидроксильная группа в формуле проекции указывала вправо, она была определена как член D-семейства.Направленная влево гидроксильная группа (зеркальное отображение) тогда представляла L-семейство. Первоначальное назначение Фишером D-конфигурации было 50:50, но все его последующие выводы относительно относительных конфигураций различных альдоз были прочно обоснованы. В 1951 году рентгеновские флуоресцентные исследования (+) — винной кислоты, проведенные в Нидерландах Йоханнесом Мартином Бийвоетом (произносится как «покупай ногу»), доказали, что выбор Фишера был правильным.

Важно понимать, что знак удельного вращения соединения (экспериментальное число) не коррелирует с его конфигурацией (D или L).Измерить оптическое вращение поляриметром просто. Определение абсолютной конфигурации обычно требует химического взаимопревращения с известными соединениями по стереоспецифическим реакционным путям.

Упражнения

Вопросы

Q25.4.1

Нарисуйте следующие сахара.

(а) D-ксилоза

(б) D-галактоза

(c) D-аллоза

Решения

S25.4.1

(а)

(б)

(в)

Авторы и авторство

Номенклатура углеводов (основы) — Репетитор по органической химии

Хотя углеводы на самом деле ничем не отличаются от других органических молекул, у них есть своя собственная номенклатура углеводов.В основном это результат исторических названий, данных многим сахарам. И, как показывает история, эти имена как бы прижились и стали «нормой», которую вам теперь нужно знать на экзаменах.

Поскольку все углеводы имеют одну и ту же общую молекулярную формулу, C _n (H ₂ O) _m , мы собираемся сосредоточиться на следующих структурных аспектах молекул:

1. Размер молекулы: сколько атомов углерода в молекуле
2. Тип функциональных групп в молекуле: альдегид или кетон в дополнение к спиртам
3. Открытая цепь против циклической структуры

Обозначение Углеводная длина

Самый простой углевод имеет 3 атома углерода.Мы используем греческие цифры для обозначения числа, также известного как три-, тетра-, пента-, гекса-, и добавляем окончание -оза , чтобы обозначить, что это углевод. Например, триоза — это углевод с 3 атомами углерода, а гексоза — это углевод с 6 атомами углерода в молекуле. Например, глюкоза является примером гексозы, потому что она имеет шесть атомов углерода в молекуле.

Этот тип имени, однако, не раскрывает нам точную природу молекулы. Например, существует 24 различных гексозы (12 из которых существуют в природе).В этот список входят глюкоза, галактоза, фруктоза, манноза и т. Д. Поэтому, когда я говорю, что мы имеем дело с гексозой, это не имеет большого значения, за исключением того факта, что в молекуле содержится 6 атомов углерода.

Определение основной функциональной группы углеводов

Сахар или углеводы имеют две основные функциональные группы: альдегид или кетон (оба вместе называются карбонилами) и функциональную группу спирта. Углеводы обычно имеют несколько функциональных групп спирта, поэтому мы никогда не зацикливаемся на них.Однако сахара будут иметь только одну функциональную группу альдегида ИЛИ одну кетонную группу. Мы указываем это в названии, добавляя префикс aldo — или keto — к названию углевода. Как нетрудно догадаться, альдо- идет вместе с альдегидом, а кето- — с кетонсодержащими углеводами.

Вот несколько примеров альдоз:

Как вы можете видеть из этих примеров, мы начинаем название с того, что говорим, что молекула является альдегидом, с использованием префикса aldo-.Затем мы говорим, сколько атомов углерода содержится в молекуле. И мы заканчиваем добавлением окончания -ose, чтобы указать, что мы имеем дело с углеводом.

Мы можем сделать то же самое с кетозом. Поскольку кетозы содержат кетоновую функциональную группу, очевидно, что она не может находиться в начале цепи. Наиболее распространенные кетозы имеют кетоновую функциональную группу на втором атоме углерода в цепи.

Номенклатура кетозов следует тем же принципам, что и альдозы: вы начинаете с слова «кето-», чтобы указать функциональную группу.Затем скажите, сколько атомов углерода в молекуле, и добавьте -озу, чтобы обозначить углевод.

Стереохимия углеводов

Углеводы имеют несколько стереоцентров. Самый простой, глицеральдегид, имеет только один. Однако по мере того, как вы переходите к более сложным углеводам, вы получаете все больше и больше стереоцентров. Итак, для такой молекулы, как глюкоза, у вас есть 4 хиральных атома углерода. Это означает, что в глюкозе всего 16 стереоизомеров! Количество стереоизомеров = 2 ⁿ , где «n» — количество хиральных центров.У каждой из этих молекул есть собственное уникальное имя! Однако большинство инструкторов не потребуют от вас запоминания всех структур. Тем не менее, неплохо было бы сохранить в памяти несколько наиболее распространенных. Такими обычными углеводами являются глюкоза, манноза, галактоза и фруктоза. Вы будете постоянно видеть их в биологических путях (особенно в глюкозе), поэтому вам станет легче, если вы сможете их распознать.

Конфигурации D и L

Один из аспектов стереохимии, который мы все же уточняем, — это конфигурация последнего хирального углерода в цепи.Для этого мы используем буквы D и L . Почему бы не придерживаться старых добрых R и S? Из-за традиционного соглашения об именах, существовавшего до системы Кана-Ингольда-Прелога. Как я уже упоминал ранее, углеводы, как и многие биомолекулы, были известны довольно давно и приобрели свою собственную систему именования, которая застряла с нами. Конфигурация D и L относится к последним хиральным атомам углерода в молекуле:

Молекуле с группой -ОН справа приписана D-конфигурация.Точно так же молекула с группой -ОН слева имеет L-конфигурацию.

Буквы означают следующее: «D» обозначает «правовращающую» молекулу, а «L» означает «левовращающую» молекулу. Конфигурации D и L ДЕЙСТВИТЕЛЬНО НЕ соответствуют вращению плоскополяризованного света! Это соотношение справедливо ТОЛЬКО для глицеральдегида. D-сахар может быть как (+), так и (-), аналогично L-сахар может быть любым. Также как R и S, D и L — это просто способ, которым мы называем молекулы, и они не имеют никакого отношения к реальным физическим свойствам.

Все биологически релевантные углеводы имеют D-конфигурацию.

Как D и L соотносятся с R и S?

Строгие правила IUPAC всегда требуют конфигурации R и S для стереоцентров. Если вам когда-либо понадобится присвоить R и S углеводу, во-первых, вы должны помнить, что в проекции Фишера все вертикальные линии представляют собой «черточки», а все горизонтальные линии — «черточки».

Давайте назначим R и S глицеральдегиду:

Как правило, вы можете помнить, что сахара D — это R, а L сахара — это S.Однако помните, что этот ярлык работает только для обычных сахаров с открытой цепью. Итак, убедитесь, что вы действительно знаете, как назначать R и S.

ВАЖНО: D и L углеводы — это энантиомеры .

Это очень распространенное заблуждение, что разница между сахарами D и L заключается только в стереохимии последнего углерода. ЭТО НЕПРАВИЛЬНО! Одноименные сахара D и L на самом деле являются энантиомерами друг друга.

Пример выше иллюстрирует эту точку зрения.Если мы посмотрим на D- и L-ксилозу, они представляют собой несовместимые зеркальные изображения, то есть энантиомеры. Однако, если вы измените только последний стереоцентр в D-ксилозе, вы получите L-арабинозу, а НЕ L-ксилозу. Стереоизомеры, которые отличаются только одной конфигурацией стереоцентра, называются эпимерами . Таким образом, D-ксилоза и L-арабиноза являются C4-эпимерами, поскольку они различны в 4-м атоме углерода.

Циклические формы углеводов

Номенклатура углеводов также включает названия циклических форм.Поскольку углеводы содержат карбонильные и спиртовые функциональные группы, они могут образовывать внутримолекулярные (циклические) полуацетали. Для этого углевод должен быть по крайней мере тетрозой, поэтому внутримолекулярные циклические формы не существуют для более мелких углеводов.

Вот пример того, как обычная сахарная D-галактоза образует две разные циклические формы:

Когда -ОН на 4-м атоме углерода участвует в циклизации, вы получаете 5-членное кольцо.Когда 5-й атом углерода обеспечивает -ОН, вы получаете 6-членное кольцо. По аналогии с обычными кислородсодержащими гетероциклическими соединениями фуран и пиран, 5-членные кольца называются фуранозами, а 6-членные кольца — пиранозами.

Существует целый процесс этого равновесия и процесс преобразования между открытой и циклической формами. Однако эта статья посвящена номенклатуре, поэтому я расскажу о преобразовании между конформациями Фишера, Хаворта и стула в другой раз.

Прогнозы Хауорта

Мы часто используем специальные рисунки для изображения циклических форм углеводов. Мы называем их проекциями Хаворта или формами. По сути, проекция Хауорта представляет собой циклическую структуру с традиционно углеродным №1 справа и нижней частью структуры, ориентированной на наблюдателя.

C1 в циклическом углеводе называется аномерным углеродом .Этот углерод раньше был углеродом C = O в структуре с открытой цепью до циклизации. Аномерный углерод особенный, потому что он не имеет заданной стереохимии и может быть в α-форме или β-форме. Α- и β-формы определяются как транс- или цис-изомеры циклических углеводов, где мы смотрим на аномерный -ОН и углерод №5 или №6 для фураноз или пираноз соответственно.

Стереохимия других атомов углерода в молекуле не имеет значения.

Это в значительной степени обобщает номенклатуру углеводов и основные термины, которые вам нужно знать, чтобы пройти тесты. Сообщите мне, если в комментариях ниже вы хотите увидеть больше примеров или похожих сообщений!

Углеводы — Классификация

Ди-полиуглеводы

Углеводы | Микробиология

Цели обучения

• Приведите примеры моносахаридов и полисахаридов
• Опишите функцию моносахаридов и полисахаридов в клетке

Самые распространенные биомолекулы на Земле — это углеводов .С химической точки зрения углеводы представляют собой в первую очередь комбинацию углерода и воды, и многие из них имеют эмпирическую формулу (CH ₂ O) _n , где n — количество повторяющихся единиц. Эта точка зрения представляет эти молекулы просто как цепочки «гидратированных» атомов углерода, в которых молекулы воды присоединяются к каждому атому углерода, что приводит к термину «углеводы». Хотя все углеводы содержат углерод, водород и кислород, некоторые из них также содержат азот, фосфор и / или серу.Углеводы выполняют множество различных функций. Они изобилуют наземными экосистемами, многие формы которых мы используем в качестве источников пищи. Эти молекулы также являются жизненно важными частями макромолекулярных структур, которые хранят и передают генетическую информацию (например, ДНК и РНК). Они являются основой биологических полимеров, которые придают прочность различным структурным компонентам организмов (например, целлюлозе и хитину), и они являются основным источником хранения энергии в виде крахмала и гликогена.

Моносахариды: сладкие

В биохимии углеводы часто называют сахаридами , от греческого sakcharon , что означает сахар, хотя не все сахариды сладкие.Простейшие углеводы называются моносахаридами, или простыми сахарами. Они являются строительными блоками (мономерами) для синтеза полимеров или сложных углеводов, как будет обсуждаться далее в этом разделе. Моносахариды классифицируются по количеству атомов углерода в молекуле. Общие категории обозначаются с помощью префикса, который указывает количество атомов углерода, и суффикса — ose , который указывает сахарид; например, триоза (три атома углерода), тетроза (четыре атома углерода), пентоза (пять атомов углерода) и гексоза (шесть атомов углерода) (рис. 1).Гексоза D-глюкоза является наиболее распространенным моносахаридом в природе. Другими очень распространенными и распространенными моносахаридами гексозы являются галактоза , используемая для производства дисахарида молочного сахара , лактозы и фруктового сахара , фруктозы .

Рис. 1. Моносахариды классифицируются на основе положения карбонильной группы и количества атомов углерода в основной цепи.

Моносахариды с четырьмя или более атомами углерода обычно более стабильны, когда они принимают циклическую или кольцевую структуру.Эти кольцевые структуры являются результатом химической реакции между функциональными группами на противоположных концах гибкой углеродной цепи сахара, а именно карбонильной группой и относительно удаленной гидроксильной группой. Глюкоза, например, образует шестичленное кольцо (рис. 2).

Рис. 2. (a) Линейный моносахарид (в данном случае глюкоза) образует циклическую структуру. (b) Эта иллюстрация показывает более реалистичное изображение структуры циклического моносахарида. Обратите внимание, что на этих циклических структурных диаграммах атомы углерода, составляющие кольцо, явно не показаны.

Подумай об этом

• Почему моносахариды образуют кольцевые структуры?

Дисахариды

Две молекулы моносахарида могут химически связываться с образованием дисахарида . Название, данное ковалентной связи между двумя моносахаридами, — это гликозидная связь , . Гликозидные связи образуются между гидроксильными группами двух молекул сахарида , пример дегидратационного синтеза , описанного в предыдущем разделе этой главы:

[латекс] \ text {моносахарид} — \ text {OH} + \ text {HO} — \ text {monosaccharide} \ longrightarrow \ underset {\ text {disaccharide}} {{\ text {моносахарид} — \ text {O } — \ text {monosaccharide}}} [/ latex]

Обычные дисахариды — это зерновой сахар , мальтоза , состоящий из двух молекул глюкозы; молочный сахар , лактоза , состоящий из молекулы галактозы и молекулы глюкозы ; и столовый сахар сахароза , состоящий из глюкозы и молекулы фруктозы (рис. 3).

Рис. 3. Обычные дисахариды включают мальтозу, лактозу и сахарозу.

Полисахариды

Полисахариды, также называемые гликанами , представляют собой большие полимеры, состоящие из сотен моносахаридных мономеров. В отличие от моно- и дисахаридов, полисахариды не сладкие и, как правило, не растворяются в воде. Подобно дисахаридам, мономерные звенья полисахаридов связаны между собой гликозидными связями .

Полисахариды очень разнообразны по своей структуре.Три наиболее биологически важных полисахарида — крахмал , гликоген и целлюлоза — все состоят из повторяющихся единиц глюкозы, хотя они различаются по своей структуре (рис. 4). Целлюлоза состоит из линейной цепи молекул глюкозы и является обычным структурным компонентом клеточных стенок растений и других организмов. Гликоген и крахмал — разветвленные полимеры; гликоген является основной молекулой-хранителем энергии у животных и бактерий, тогда как растения в основном хранят энергию в крахмале.Ориентация гликозидных связей в этих трех полимерах также различается, и, как следствие, линейные и разветвленные макромолекулы имеют разные свойства.

Модифицированные молекулы глюкозы могут быть фундаментальными компонентами других структурных полисахаридов . Примерами структурных полисахаридов этих типов являются N-ацетилглюкозамин (NAG) и N-ацетилмурамовая кислота (NAM), обнаруженные в пептидогликане клеточной стенки бактерий. Полимеры NAG образуют хитин , который обнаружен в клеточных стенках грибов и в экзоскелете насекомых.

Рис. 4. Крахмал, гликоген и целлюлоза — три наиболее важных полисахарида. В верхнем ряду шестиугольники представляют собой отдельные молекулы глюкозы. На микрофотографиях (нижний ряд) показаны гранулы пшеничного крахмала, окрашенные йодом (слева), гранулы гликогена (G) внутри клетки цианобактерии (в центре) и волокна бактериальной целлюлозы (справа). (кредит «Гранулы йода»: модификация работы Киселова Юрия; кредит «Гранулы гликогена»: модификация работы Штёкеля Дж., Элвитигала Т.Р., Либертон М., Пакраси HB; кредит «целлюлоза»: модификация работы Американского общества микробиологов)

Подумай об этом

• Какие полисахариды являются наиболее биологически важными и почему они так важны?

Ключевые концепции и резюме