4. Углеводы

Углеводы – один из основных классов органических соединений, встречающихся в природе. Их общая формула C_n(H₂O)_m (n,m  3).

Углеводы подразделяют на три большие группы.

1. Моносахариды, или простые сахара (виноградный сахар, плодовый сахар).

Это такие углеводы, которые не могут гидролизоваться с образованием более простых углеводов. Простейший моносахарид – глицериновый альдегид – С₃Н₆О₃

Остальные моносахариды по числу атомов углерода подразделяются:

1. на тетрозы (С₄Н₈О₄);

2. на пентозы (С₅Н₁₀О₅);

3. на гексозы (С₆Н₁₂О₆).

К важнейшим гексозам относятся глюкоза, фруктоза, галактоза, манноза:

2. Олигосахариды – продукты конденсации небольшого числа моносахаридов. К важнейшим олигосахаридам состава С₁₂Н₂₂О₁₁ относятся:

1. сахароза – С₁₂Н₂₂О₁₁(состоит из остатков D-глюкозы и D-фруктозы);

2. мальтоза – (состоит из 2 остатков D-глюкозы);

3. лактоза – (состоит из остатков D-галактозы и D-глюкозы).

3. Полисахариды образованы большим числом молекул моносахаридов. В частности, крахмал, целлюлоза состоят из остатков D-глюкозы.

крахмал целлюлоза

Глюкоза

Глюкоза– по своей распространённости намного превосходит остальные моносахариды. В свободном виде встречается во фруктах, растениях, мёде, в крови и моче, в связанном виде – во многих гликозидах, дисахаридах и полисахаридах. Глюкоза – это белые кристаллы, сладкие на вкус, хорошо растворимые в воде.

В линейной форме молекулы глюкозы содержат одну альдегидную группу и пять гидроксильных групп. В кристаллическом состоянии молекулы глюкозы находятся в одной из двух циклических форм (-глюкоза или -глюкоза), которые образуются из линейной формы за счёт взаимодействия гидроксильной группы при 5-м атоме углерода с карбонильной группой.

Буква  в названии циклических форм моносахаридов означает, что группа -ОН при первом углеродном атоме и группа –СН₂ОН при шестом углеродном атоме находятся по разные стороны от плоскости кольца.

В -сахаридах эти группы находятся по одну сторону от плоскости кольца:

Данное равновесие существует в водном растворе.

Процесс образования циклических форм глюкозы из линейной можно представить следующим образом. Атом водорода группы –ОН при 5-м атоме углерода перемещается к атому кислорода альдегидной группы −СН=О, а между атомами С(1) и С(5) устанавливается связь через атом кислорода с образованием шестичленного цикла:

Шестичленный цикл называется пиранозным.

Если во взаимодействие с альдегидной группой вступает группа –ОН при 4-м атоме углерода, то образуется пятичленный цикл, который называется фуранозный (фруктоза).

Группа –ОН при первом углеродном атоме в циклических формах называется гликозидным гидроксилом. Эта группа резко отличается по свойствам от остальных четырёх гидроксильных групп.

Химические свойства

В молекуле глюкозы присутствуют гидроксильные группы, а в линейной форме присутствует альдегидная группа. По этим группам происходят химические взаимодействия.

I. Реакции по альдегидной группе:

1) Глюкоза вступает в реакцию с аммиачным раствором оксида серебра

2) Глюкоза при нагревании окисляется гидроксидом меди (II) в глюконовую кислоту

3). При восстановлении альдегидной группы глюкоза образует шестичленный спирт – сорбит

II. Реакции по гидроксильным группам

4) С гидроксидом меди (II) без нагревания глюкоза реагирует как многоатомный спирт и при этом образуется комплекс с характерным синим окрашиванием:

5) При действии метилового спирта в присутствии катализатора (HCl) гликозидный гидроксил замещается на группу ОСН₃ и образует монометиловый эфир глюкозы:

6) Молекулы глюкозы способны к расщеплению под действием различных микроорганизмов. Эта реакция называется брожением.

а) спиртовое брожение:

б) молочнокислое брожение:

в) маслянокислое брожение:

Биологическая роль глюкозы

Глюкоза образуется в природе в процессе фотосинтеза, протекающего под действием солнечного света в листьях растений:

В живых организмах происходит окисление глюкозы под действием кислорода воздуха по обратной реакции:

При этом выделяется энергия, которая используется живым организмом.

Фруктоза

Фруктоза может существовать в линейной и циклической формах:

В линейной форме она представляет собой кетоспирт с пятью гидроксильными группами, а в циклической форме – кетофуранозу (пятичленный цикл с атомом кислорода).

Фруктоза вступает во все реакции многоатомных спиртов, но в отличие от глюкозы не реагирует с аммиачным раствором Ag₂O.

ОЛИГОСАХАРИДЫ

Дисахариды

Важнейшими дисахаридами являются изомеры (сахароза, мальтоза, лактоза); их общая формула – С₁₂Н₂₂О₁₁.

Сахароза – состоит из двух циклов: шестичленного (остатка -глюкозы в пиранозной форме) и пятичленного (остатка -фруктозы), которые соединяются между собой за счёт гликозидного гидроксила глюкозы

Мальтоза – состоит из двух остатков -глюкозы, соединённых через 1-й и 4-й атомы углерода