СТАТИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ

Методические рекомендации для студентов

факультета физической культуры

Пермь

2010 г.

Химия углеводов

Строение и классификация углеводов

Углеводы — это обширная группа веществ, широко рас­пространенная в природе. Построены они из трех химических элементов — углерода, водорода и кислорода.

По химической природе углеводы являются альдегидами или кетонами многоатомных спиртов (с длиной углеродной цепи от двух до семи атомов) или же продуктами их конденса­ции. В последнем случае связь между углеродными цепями осуществляется через атом кисло­рода в результате взаимодей­ствия их функциональных групп — спир­тового гидроксила и гликозидного гидроксила, образующегося за счет альдегидной или кетонной группы.

Классифицируются углеводы по способности их к гидро­лизу (ката­литическому расщеплению с присоединением воды). Простые углево­ды, которые гидролитически не расщепляются, называются моно­сахаридами. Сложные углеводы под дейст­вием гидролитических ферментов на их водные растворы или при кипячении этих рас­творов с небольшим количеством мине­ральных кислот (служащих катализаторами) расщепляются на моносахариды. Это расщепление происходит по месту эфирных связей. Например:

(С₆Н₁₁О₅)-О-(С₆Н₁₁О₅) + Н₂О → 2С₆Н₁₂О₆.

Сложные углеводы, образующие при гидролизе две мо­лекулы моно­сахаридов, называются дисахаридами. Углеводы, расщепляю­щиеся на три молекулы моносахаридов, называ­ются трисахаридами, а расщепляющиеся на большое число молекул моноса­харидов, — полисахаридами.

Моносахариды, дисахариды и трисахариды образуют в воде ис­тинные молекулярные растворы и легко кристаллизу­ются. Полисаха­риды состоят из макромолекул (молекуляр­ный вес может достигать миллионов) и поэтому образуют в воде коллоидные растворы.

Моносахариды

Моносахариды отличаются различным характером строения и пространственным расположением функциональ­ных групп, а также различным числом углеродных атомов в молекуле.

В молекулах моносахаридов содержатся две функцио­нальные группы

По характеру функциональных групп моносахариды подразделя­ются на альдозы (альдегидоспирты) и кетозы (ке­тоноспирты). Первые наряду со спиртовыми группами со­держат альдегидную груп­пировку:

вторые — кетонную (обычно при втором атоме углерода):

По числу атомов углерода в цепи различают биозы (С₂), триозы (С₃), тетрозы (С₄), пентозы (С₅), гексозы (C₆) и гептозы (С₇). Моносахариды с большим числом угле­родных атомов в природе не найдены.

Б иозы представлены в природе гликолевым аль­дегидом который является простейшим углеводом.

Триозы могут иметь не только альдегидную, но и кетон­ную группировку:

Среди пентоз наибольшее биологическое значение имеют рибоза и дезоксирибоза, содержащие альдегидную группу, ирибулоза, являющаяся кето-пентозой:

Они служат составными частями многих биологически активных ве­ществ, в частности нуклеиновых кислот и нуклеотидов, которые участ­вуют в важнейших жизненных процессах клеток.

Из гексоз главнейшая роль в обмене веществ принадлежит глюкозе и фруктозе.

Глюкоза Фруктоза

Глюкоза, иначе называемая виноградным сахаром, в наиболь­ шем количестве содержится в виноградном соке (до 15%). В меньших количествах она содержится в других плодах, семенах, листьях, корнях и цветах. Глюкоза — наиболее распространенный в природе моносахарид. Она является постоянной составной частью крови и тканей человека и животных. Содержание глюкозы в крови может колебаться от 0, 08 до 0,12%, в мышцах ее около 0,01% от веса сырой ткани, в сердце — 0,03%, в мозгу—0,06%.

При нарушении углеводного обмена или после большого приема глюкозы с пищей она появляется в моче. Глюкоза входит в состав сложных углеводов и образуется из них при переваривании.

Фруктоза обычно сопутствует глюкозе и имеется в плодах, нектаре цветов. Она обусловливает большую сладость меда, где ее со­держится до 60%. Фруктоза входит в состав сахарозы и других слож­ных сахаров. В организме большая часть ее изомеризуется в глюкозу.

Химические свойства моносахаридов подтверждают наличие в их молекулах альдегиднои группы, но ряд реакций, характерных для альдегидов, не проходят (реакция с гидросульфитом натрия — NaHSO₃, аммиаком — NH₃ и др.). Это объясняется тем, что в водном растворе образуется не только альдегидная цепная форма, но и циклическая, не содержащая карбониль­ной (альдегидной) группы.

О бразование циклической формы происходит аналогично взаимо­действию альдегидов со спиртами:

Т ак как в молекуле глюкозы имеются и спиртовые и альдегидная группы, то подобное взаимодействие может идти и внутри одной моле­кулы. Если построить пространственную модель глюкозы, то легко заметить, что углеродная цепь имеет вид не прямой, а ломаной линии: 6-й, 5-й и 4-й углеродные атомы близко подходят к первому. Это дела­ет возможным и даже необходимым замыкание кольца с образованием кислородного мостика. Таким образом возникает внутренний полу­ацеталь, уже не содержащий карбонила, так как по месту разрыва двойной связи перемещается водород от гидроксила, соединенного с 5-м (или 4-м) углеродным атомом.

В результате при 1-м углеродном атоме образуется гидроксильная группа, которая получила название глюкозидный гидроксил. Возникает циклическая замкнутая форма, связанная с альдегидной группой таутомерным равновесием:

Все приведенные выше формулы называют проекционными формулами Фишера. Однако для циклических стуктур также используют другой способ представления, предложенный английским ученым Хеуорсом.

Глюкоза

Д ля фруктозы это выглядит следующим образом:

При таком изображении моносахарида условно считают, что углеродный остов молекулы вместе с замыкающим кольцо кислородом лежит в одной плоскости, а водородные атомы и гидроксильные группы — выше или ниже плоскости кольца. Жирными линиями обозначают те связи между углеродными атомами цикла, которые направлены к наблюдателю, а тонкими — те, что находятся за пло­скостью бумаги.

Атомы углерода в этих формулах не обозначают. Заместители (водородные атомы и гидроксильные группы), находящиеся справа от остова молекулы при ее ли­нейном изображении, помещают ниже плоскости кольца, а заместители, нахо­дящиеся слева, — выше плоскости (за исключением углеродного атома, содер­жащего глюкозидный гидроксил).

Свойства простых сахаров

Моносахариды – твердые кристаллические вещества белого цвета, сладкие на вкус, хорошо растворимые в воде.

Химические свойства соответствуют реакциям, характерным для функциональных групп, входящих в их состав.

Благодаря наличию карбонильных групп, происходят реакции окисления и восстановления.При окислении глюкозы образуется глюконовая кислота:

При восстановлении – спирт сорбит:

Реакции, характерные для гидроксогрупп:

1. Образование простых эфиров (алкилирование)

2.Образование сложных эфиров (ацилирование)

3.При действии гидроксида меди происходит образование медных сахаратов, интенсивно окрашенных в фиолетовый цвет

4. Образование эфиров орто-фосфорной кислоты

Эта реакция играет большую роль в процессах метаболизма углеводов в организме.