Углеводы

Углеводы – класс органических веществ, объединяющий группу природных соединений растительного и животного происхождения. Большинство углеводов отвечает общей формуле С_n(H₂O)_m. Углеводы включают моносахариды – полигидроксиальдегиды (альдозы) и полигидроксикетоны (кетозы), а также продукты их конденсации: дисахариды и полисахариды. По числу атомов углерода моносахариды делятся на тетрозы (С₄), пентозы (С₅), гексозы (С₆) и гептозы (С₇). В природе наибольшее распространение имеют пентозы и гексозы.

Моносахариды

Моносахариды содержат асимметрические атомы углерода, благодаря чему обладают большим числом стереоизомеров, которые объединены попарно в оптические антиподы – энантиомеры. Число стереоизомеров равно N = 2ⁿ, где n – число асимметрических атомов в молекуле. Например, моносахариды с четырьмя асимметрическими атомами существуют в виде 16 стереомеров (8 пар энантиомеров D- и L-рядов). Деление на D- и L-ряды определяется пространственной направленностью заместителей и у последнего асимметрического атома углерода, аналогично глицериновому альдегиду (см. тему 1).

Альдозы D-рядов, представляющие собой природные объекты, приведены ниже в виде проекций Фишера:

D-эритоза		D-треоза
Альдотетрозы
D-рибоза	D-арабиноза		D-ксилоза	D-ликсоза
Альдопентозы
D-аллоза	D-альтроза		D-глюкоза	D-манноза
D-гулоза	D-идоза		D-галактоза	D-талоза
Альдогексозы

Из альдогексоз наибольшее значение имеет D-глюкоза, а из альдопентоз – D-рибоза и D-2-дезоксирибоза, которые входят в состав РНК и ДНК. Диастереомерами считают любые комбинации пространственных изомеров, не составляющие пару оптических антиподов.
	2-дезокси-D-рибоза

Пары диастереомеров, различающиеся конфигурацией одного из нескольких асимметрических атомов, называются эпимерами. Например, эпимерами являются D-рибоза и D-арабиноза, так как они различаются направлением заместителей только у атома углерода в положении 2.

Кетозами называют моносахариды содержащие карбонильную (кетонную) группу. В качестве примеров кетоз можно привести:

рибулоза (образуется в зеленых растениях при фотосинтезе)		ксилулоза
Кетопентозы
фруктоза (присутствует в сладких фруктах)	псикоза		сорбоза
Кетогексозы

Химические свойства моносахаридов

Химические свойства моносахаридов можно рассматривать как совокупность свойств альдегидов или кетонов и многоатомных спиртов (см. реакции в соответствующих разделах). К особым свойствам следует отнести реакции брожения.

Реакции брожения – сложные ферментативные реакции, которые идут в присутствии микроорганизмов.

1. Спиртовое брожение:

C₆H₁₂O₆ 2C₂H₅OH + 2CO₂.

2. Молочнокислое брожение:

C₆H₁₂O₆ 2CH₃–CHOH–COOH

3. Маслянокислое брожение:

С₆H₁₂O₆ C₃H₇COOH+2СO₂+2H₂

Образование циклических форм моносахаридов

Реакция циклизации основана на способности спиртовой и альдегидной групп молекулы реагировать друг с другом. Углеродная цепь, содержащая sp³-атомы углерода, изогнута, поэтому гидроксильная группа у пятого углеродного атома подходит близко к альдегидной группе и способна с ней реагировать. Например, образующаяся при циклизации глюкозы гидроксильная группа в положении 1 может занимать нижнее или верхнее положение по отношению к плоскости кольца, образуя соответственно - и -формы глюкозы:

-D-глюкоза (глюкопираноза)				-D-глюкоза (глюкопираноза)

В растворе между циклическими и линейной формами глюкозы существует равновесие, реакция циклизации обратима.

В циклической форме молекула глюкозы не содержит альдегидной группы и, следовательно, не проявляет свойств альдегидов. Гидроксильная группа, образующаяся из альдегидной при циклизации, носит название гликозидной (ацетальной). Термин «аномеры» обозначает пару диастереомерных моносахаридов, различающихся конфигурацией гликозидного атома в циклической форме, например аномерны α-D- и β-D-глюкозы.

Так же, как и для альдоз, для кетоз наблюдается равновесие линейной и циклической форм. Например, циклизация фруктозы может приводить к образованию пяти- или шестичленных циклов:

фруктопираноза фруктофураноза

(преобладающая форма)

Свежепроготовленные растоворы моносахаридов с течением времени изменяют угол вращения плоскости поляризации света до некоторой определенной величины. Это явление получило название мутаротации. Оно связано с тем, что в растворе аномеры (- и -формы моносахаридов) переходят друг в друга и устанавливается подвижное равновесие. Аномеры вращают плоскость поляризации света на различные углы и, так как их концентрация до установления равновесия меняется, то меняется и суммарный угол вращения.