Класифікація вуглеводів
Залежно від складності будови всі вуглеводи діляться на три основних класи : моносахариди, олігосахариди й полісахариди.
Моносахариди
Моносахариди можна розглядати як похідні багатоатомних спиртів, що містять карбонільну (альдегідну або кетонну) групу.
Якщо карбонільна група знаходиться наприкінці ланцюга, то моносахарид являє собою альдегід і називається альдозою; при будь-якому іншому положенні цієї групи моносахарид є кетоном і називається кетозою.
До моносахаридів належать прості вуглеводи, які при гідролізі не розпадаються на більш прості молекули. Залежно від числа атомів вуглецю в молекулі моносахариди діляться на тріози (С3Н6О3), тетрози (С4Н8О4), пентози (С5Н10О5), гексози (С6Н12О6) і гептози (С7Н14О7). Інші моносахариди в природі не зустрічаються, але можуть бути отримані синтетично. Моносахариди - білі, кристалічні речовини, солодкі на смак, легко розчинні у воді.
Найпростіші представники моносахаридів - тріози: гліцеральдегід і диоксіацетон. При окисленні первинної спиртової групи трьохатомного спирту - гліцеролу - утворюється гліцеральдегід (альдоза), а окислення вторинної спиртової групи приводить до утворення диоксіацетону (кетоза).
Стереоізомерія моносахаридів. Всі моносахариди містять асиметричні атоми вуглецю. - це атоми, до яких приєднані 4 різних атоми чи групи.
Ізомер гліцеральдегіду, у якого при проекції моделі на площину ОН-група асиметричного атома вуглецю розташована із правої сторони, прийнято вважати D-гліцеральдегідом, а дзеркальне відображення - L-гліцеральдегідом:
Всі ізомери моносахаридів підрозділяються на D- і L-форми (D- і L-конфігурація) по подібності розташування груп атомів біля останнього центру асиметрії з розташуванням груп в D- і L-гліцеральдегіду.
Природні гексози: глюкоза, фруктоза, маноза й галактоза - належать, як правило, по стереохімічній конфігурації до сполук D-ряду - саме до нього специфічні ферменти, відповідальні за їхній метаболізм і тому, організм людини може засвоювати тільки D-форму моносахаридів.
Найбільш важливу роль в організмі людини виконують представники гексоз - глюкоза й фруктоза, пентоз - рибоза й дезоксирибоза й тріоз - гліцериновий альдегід і діоксиацетон.
Глюкоза й фруктоза
Це основні енергетичні субстрати організму людини. Вони мають однаковий молекулярний склад (С6Н12О6), але різну структуру молекул, тому що розрізняються функціональними групами. Глюкоза містить альдегідну групу й відноситься до альдегідоспиртів (альдоз), а фруктоза містить у своєму складі кетогрупу й відноситься до кетоспиртів (кетоз).
Вони є ізомерами по положенню карбонільної групи.
Циклічна форма фруктози й глюкози
У водному середовищі глюкоза й фруктоза перебувають в основному в циклічній формі. Циклізація молекули відбувається за рахунок внутрішньомолекулярної взаємодії альдегідної групи в молекулі глюкози й кетогрупи в молекулі фруктози з одною гідроксильною групою цього ж моносахариду.
Розглянемо як приклад утворення циклічної форми молекули фруктози:
На першому етапі відбувається розрив подвійного зв'язку між вуглецем і киснем у карбонільній (кето-)групі, у результаті чого в другого атома вуглецю ( С2) і в атома кисню з'являється по одному неспареному електроні.
На другому етапі атом водню зі своїм електроном відщеплюється від гідроксильної групи, що належить п'ятому атому вуглецю (С5) починає взаємодіяти з неспареним електроном кисню в карбонільній групі з утворенням гідроксильної (спиртової) групи - ОН.
На третьому етапі відбувається утворення зв'язку між вільним електроном другого атома вуглецю (С2) і вільним електроном атома кисню, пов'язаного з п'ятим атомом вуглецю (С5). У результаті чого утворюється напівацетальна (кільцева) структура фруктози за рахунок взаємодії карбонільної й спиртової груп.
Для більш зручного зображення циклічної форми фруктози використовуючи правило Хеуорза: атоми водню й гідроксильні групи, які розташовуються праворуч від ланцюжка атомів вуглецю, пишуться під площиною; атоми водню й гідроксильні групи, які розташовуються ліворуч від ланцюжка атомів вуглецю, пишуться над площиною:
α-D- фруктофураноза
Зображення молекули фруктози за правилом Хеуорза.
Аналогічно відбувається утворення циклічної форми молекули глюкози :
α -D - глюкопіраноза
Зображення молекули глюкози за правилом Хеуорза.
Кільцева структура глюкози є напівацетальною, тому що утворена в результаті взаємодії альдегідної й спиртової груп. Існує 2 стійких кільцевих форми вуглеводнів, які схожі на структури фурана й пірана. У залежності від цього кільцеві форми вуглеводнів називають фуранозами (5-ти членне кільце) чи піранозами (6-ти членне кільце).
Таким чином, циклічні форми моносахаридів набувають біологічно реактивну гідроксильну групу при С1 або С6 атомі вуглецю, що називається глікозидним гідроксилом. Вона відіграє важливу роль у хімічних перетвореннях цих моносахаридів, зокрема, бере участь в утворенні ди- і полісахаридів, фосфорних ефірів, наприклад:
