Вуглеводи Основні питання:

1. Вуглеводи. Функції. Класифікація. Поширення в природі.

2. Моносахариди: будова, класифікація, ізомерія, фізичні та хімічні властивості.

3. Дисахариди: будова і класифікація, фізичні і хімічні властивості.

4. Полісахариди: крохмаль, інулін, клітковина.

Вуглеводи (цукри) – біоорганічні сполуки, що за своєю хімічною будовою є альдегідо- та кетопохідними багатоатомних спиртів. Термін був вперше запропонований у 1844р. К.Шмідтом.

Вуглеводи містяться у всіх живих організмах. В рослинах близько 80 – 90% сухої маси, в організмах тварин 1 – 2% припадає на вуглеводи.

Вуглеводи – продукти асиміляції вуглекислого газу зеленими рослинами і фото синтезуючими мікроорганізмами (фотосинтез). При фотосинтезі енергія Сонця перетворюється в енергію хімічних зв’язків. Фотосинтез відбувається за участю ферментних систем і поглинаючих променеву енергію рослинних пігментів – хлорофілів:

6СО₂ + 6Н₂О ^hν С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

В основі фотосинтезу лежить окислювально-відновний процес, у якому електрони переносяться від донора-відновника (води, гідрогену) до акцептора (ацетату, СО₂), з утворенням відновлених сполук (вуглеводів) і виділенням кисню. Фотосинтез – єдиний процес у біосфері, який приводить до збільшення вільної енергії за рахунок зовнішнього джерела ‑ Сонця і забезпечує існування на земній кулі всіх живих організмів. При цьому щорічно на землі утворюється більше 100млрд. т органічних речовин, живими організмами (зеленими рослинами) засвоюється приблизно 200млрд.т вуглекислого газу і виділяється приблизно 145 млрд. т вільного кисню. Виникнення в існуванні Землі явища фотосинтезу стало стимулом біологічної еволюції різних форм життя.

У ході еволюції біохімічних процесів значна частина простих вуглеводів, що утворилась внаслідок фотосинтезу, під впливом відповідних ферментних систем полімеризується в більш складні і стійкі вуглеводи:

С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆ → С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О

моносахарид + моносахарид = дисахарид

С₁₂Н₂₂О₁₁ + С₆Н₁₂О₆ → С₁₈Н₃₂О₁₆ + Н₂О

дисахарид + моносахарид = трисахарид

n С₆Н₁₂О₆ → (C₆H₁₀O₅)_n + n Н₂О

Функції вуглеводів:

• Пластична (синтезуються нуклеїнові та органічні кислоти);

• Опорна (у комплексі з білками входять до складу хрящових тканин);

• Регуляторна (регулюють осмотичні процеси);

• Захисна (утворюють клітинну мембрану у вигляді комплексів з білками);

• Енергетична (при окисленні 1г виділяється 16,9кДж енергії).

Класифікація вуглеводів:

1. Моносахариди ‑ найпростіші вуглеводи, молекули яких не здатні розщеплюватися при гідролізі на простіші речовини.

2. Дисахариди ‑ вуглеводи, молекула яких під час гідролізу розщеплюється на дві молекули моносахаридів.

3. Полісахариди – складні вуглеводи, молекули яких мають більше 10 моносахаридних залишків, сполучених між собою О-глікозидними зв’язками і утворюючих лінійні або розгалужені ланцюги.

К ласифікація моносахаридів:

1. Залежно від кількості атомів карбону розрізняють: тріози (С₃Н₆О₃), тетрози (С₄Н₈О₄), пентози (С₅Н₁₀О₅), гексози (С₆Н₁₂О₆), гептози (С₇Н₁₄О₇), октози (С₈Н₁₆О₈), нонози (С₉Н₁₈О₉) і декози (С₁₀Н₂₀О₁₀).

2. Кожна група моносахаридів поділяється на альдози і кетози: глюкоза – альдоз, фруктоза – кетоза.

3. Моносахариди існують у відкритій (ациклічній) і напівацетальній (циклічній) формах.

Фруктоза – плодовий цукор є представником кетоз, невідновлюючий цукор. У розчині фруктози містяться з відкритою кетоформою дві циклічні форми – п’яти та шестичленна.

Слід пам’ятати, що букви D та L позначають лише розміщення атомів водню та гідроксильних груп у молекулі моносахариду (порівнюють з гліцериновим альдегідом).

4. Залежно від розміщення (по відношенню до площини кільця молекули) гідроксильної групи при першому асиметричному вуглецевому атомі (1) циклічної форми, моносахариди поділяються на α та β-форми.

Наприклад, якщо у циклічній формі фруктози гідроксильні групи при першому та другому асиметричних атомах вуглецю направлені по одну сторону по відношенню до площини кільця молекули, то це буде α-форма; якщо по різні сторони – β-форма.

5. Залежно від величини кута оберту площини поляризованого світла ‑ оптичної активності ‑ розрізняють право- (+) й ліво (‑) - обертаючі форми.

• Розчини моносахаридів, здатних переходити в циклічну форму, виявляють оптичну активність, яка по мірі стояння цих розчинів змінюється до тих пір, поки не досягне певної величини.

• Явище зміни оптичної активності свіжо виготовленого розчину моносахариду називається мутаротація.

• Мутаротація пояснюється тим, що в розчині одна форма моносахариду поступово переходить у другу форму. В результаті в розчині будуть знаходитися обидві форми моносахариду (α- та β-) і між ними встановиться певна рівновага.

Речовини, які здатні обертати площину поляризації світлового променя, називаються оптично активними.

Теорія оптичної (дзеркальної ізомерії) Вант-Гоффа і Ле-Беля (1847р.): органічні речовини, що містять асиметричний атом вуглецю, зв’язаний з чотирма атомами або групами атомів, виявляють оптичну активність.

М’ясомолочна кислота та молочна кислота, що утворюється при зброджуванні сахаридів, є дзеркальними ізомерами. Це виявляється в їх різній оптичній активності: м’ясомолочна кислота обертає площину поляризації світла праворуч, а молочна кислота, що утворюється внаслідок бродіння сахаридів – ізомер, що обертає площину поляризації світла ліворуч.

СН₃ СН₃

| |

Н ^ С  ОН НО  С^ Н (проекційні формули дзеркальних ізомерів молочної | | кислоти ‑ антиподів)

СООН СООН

• Оптично неактивні речовини, що складаються з однакових кількостей оптичних антиподів, називаються рацемічними сполуками (рацематами). Оптично неактивною речовиною є молочна кислота бродіння. Це пояснюється тим, що молочна кислота бродіння є сумішшю однакових кількостей двох оптичних ізомерів проавообертаючого та лівообертаючого, тому результати їх оптичної активності взаємно знищуються.

• Оптична (дзеркальна) ізомерія – це вид просторової ізомерії (стереоізомерії), що залежить від асиметрії молекули, в даному випадку від просторового розміщення чотирьох різних атомів або груп атомів навколо асиметричного атома вуглецю, причому оптичні ізомери (стереоізомери) відносяться один до одного, як предмет до його дзеркального відображення.