Олигосахариды
Олигосахариды содержат в своем составе 2–10 остатков моносахаридов, связанных между собой гликозидными связями.
Олигосахариды в зависимости от числа молекул моносахаридов, образующихся при их гидролизе, подразделяются на дисахариды, трисахариды и т. д. Особенно хорошо известны дисахариды, которые являются природными веществами. Общая формула дисахаридов – С12Н22О11.
Дисахариды подразделяются на восстанавливающие (редуцирующие) и невосстанавливающиеся. Первые могут вступать в реакции по альдегидной группе (восстановление реактива Фелинга), которая образуется при таутомерном раскрытии полуацетального цикла одного из остатков моносахарида, входящего в состав дисахарида. Остатки моносахаридов в них связаны кислородным мостиком, образованным за счет реакции одного спиртового и одного наиболее реакционноспособного гликозидного (полуацетального) гидроксила. Эта связь называется моногликозидной.
Сахароза. Ее получают из сахарной свеклы или сахарного тростника. Синтетическим путем получить не удалось. Животные к биосинтезу сахарозы не способны. Молекула сахарозы состоит из остатков двух различных моносахаридов − α-D-глюкозы и β-D-фруктозы, которые связаны между собой α-(1,2') - гликозидными связями (рис. 7).
Рис. 7. Схема молекулы сахарозы
При гидролизе под действием ферментов в организме распадается на глюкозу и фруктозу.
С12Н22О11 + Н2О → С6Н12О6 + С6Н12О6
сахароза глюкоза фруктоза
Около половины энергетических затрат организма человек компенсирует за счет потребления углеводов. Из этого количества в современном рационе питания сахар занимает около 1/3.
Чистая сахароза представляет собой бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде (насыщенный раствор содержит 67 % сахарозы при 20 °С и 83 % при 100 °С). Сахароза умеренно растворяется в полярных органических растворителях и водно-органических смесях, не растворяется в безводных спиртах и неполярных органических растворителях. По структуре сахароза относится к невосстанавливающимся дисахаридам. Это широко распространенное резервное вещество растений, образующееся в процессе фотосинтеза и запасаемое в листьях, стеблях, корнях, цветах или плодах. При нагревании выше температуры плавления происходит разложение и окрашивание расплава (карамелизация). Сахароза не восстанавливает реактив Фелинга, к щелочам довольно устойчива.
Сахарозу используют как пищевой продукт (сахар) непосредственно или в составе кондитерских изделий, а в высоких концентрациях – как консервант. Она служит также субстратом в промышленных ферментационных процессах получения этанола, бутанола, глицерина, лимонной кислоты, декстрана; используется также при приготовлении лекарственных средств; некоторые сложные эфиры сахарозы с высшими жирными кислотами применяют в качестве неионных детергентов (ПАВ).
Полисахариды
Полисахариды содержат более 10 остатков моносахаридов и подразделяются на гомополисахариды и гетерополисахариды. Общая формула полисахаридов – (С6Н10О5)n . Основными представителями полисахаридов являются крахмал и целлюлоза (клетчатка).
По химической природе являются полигликозидами. Каждое звено моносахарида связано гликозидными связями с предыдущим и последующим звеньями. Каждое звено затрачивает на связь один полуацетальный и один (в случае неразветвленных полисахаридов) или два (местах ветвления разветвленных полисахаридов) спиртовых гидроксила.
Полисахариды, построенные из остатков одного моносахарида, называются гомополисахаридами, из остатков разных моносахаридов – гетерополисахаридами. Для полисахаридов используется общее название гликаны. Гликаны могут быть гексозанами (состоящими из гексоз) или пентозанами (состоящими из пентоз). К гомополисахаридам относятся многие полисахариды растительного (крахмал, целлюлоза, пектиновые вещества), животного (гликоген, хитин) и бактериального (декстраны) происхождения. Гетерополисахариды изучены меньше, однако они играют важную биологическую роль.
Крахмал. Он накапливается в качестве резервного углевода в зернах риса (62-82 %), кукурузы (65-75 %), пшеницы (57-75 %), в клубнях картофеля (12-24 %). По составу крахмал неоднороден и состоит из двух фракций: амилозы и амилопектина. Крахмал (рис. 8) построен из остатков α-D-глюкозы, связанных между собой α-(1,4') - гликозидными связями. Это резервный продукт многих растений.
Рис. 8. Схема молекулы крахмала
Крахмал – белый аморфный порошок. При нагревании водной суспензии происходит набухание зерен крахмала и постепенно образуется коллоидный раствор. В крахмале каждый остаток глюкозы имеет 3 (в местах ветвления 2) спиртовых гидроксила, и только один концевой остаток содержит полуацетальный гидроксил, способный превращаться в альдегидную группу. Так как это составляет < 0,1 % от числа всех остатков глюкозы в молекуле, то крахмал практически не обладает восстанавливающими свойствами и не восстанавливает обычные реактивы на альдегидную группу. Однако более чувствительные реактивы позволяют обнаружить в крахмале альдегидные группы, на чем основан химический метод определения степени поликонденсации и молекулярной массы полисахаридов крахмала.
При гидролизе крахмала (при нагревании в присутствии кислот) образуются различные промежуточные продукты:
(С6Н10О5)n→растворимый крахмал→(С6Н10О5)m→n/2С12Н22О11→n С6Н12О5.
крахмал декстрин мальтоза глюкоза
Целлюлоза. Целлюлоза, или клетчатка, (рис. 9) – прочное, волокнистое, водонерастворимое вещество – содержится в стенках клеток растений, главным образом в ветвях, стеблях, а также в стволах и других деревянистых частях растений. Если наиболее распространенные внутриклеточные биополимеры – это белки, то целлюлоза, бесспорно, это не только самый распространенный внеклеточный структурный полисахарид в растительном мире, но и вообще самый распространенный в природе биополимер.
В отличие от молекулы амилозы, свернутой в спираль, молекулы клетчатки расположены параллельно друг другу, взаимодействуя между собой за счет водородных связей и образуя волокна. Поэтому в отличие от крахмала клетчатка не набухает в воде и не растворяется в ней.
Почти чистой клетчаткой является хлопковое волокно (содержание клетчатки 95-98 %). В промышленности основное количество клетчатки, используемой при получении бумаги, картона, искусственных волокон и других ее производных, получают из древесины.
Целлюлоза представляет собой полисахарид, который, как и крахмал, состоит из остатков D-глюкозы. Однако в отличие от крахмала эти остатки связаны между собой не α-(1,4')-, а β-(1,4')- гликозидными связями.
Клетчатка не обладает восстанавливающими свойствами.
Химические свойства клетчатки обусловлены наличием в ее структуре спиртовых гидроксильных групп (по 3 группы в каждом остатке глюкозы). Замещением в них водорода получают различные производные клетчатки, имеющие широкое применение. К ним, например, относятся: карбоксиметилцеллюлоза, используемая в качестве клея и загустителя; триацетат клетчатки, используемый в производстве ацетатного волокна и негорючей кинопленки; тринитрат клетчатки, применяющийся в производстве бездымного пороха.
Рис. 9. Схема молекулы целлюлозы
Клетчатка гидролизуется значительно труднее крахмала. В пищеварительных трактах человека и животных нет ферментов, гидролизующих клетчатку. Ее усвоение жвачными животными объясняется тем, что в их пищеварительном тракте находятся бактерии, гидролизующие клетчатку. При ферментативном гидролизе клетчатки получается целлобиоза, кислотным гидролизом в промышленности получают глюкозу, которую путем сбраживания превращают в этанол (гидролизный спирт).
(С6Н10О5)n → (С6Н10О5)х → n/2 С12Н22О11 → n С6Н12О6
целлюлоза амилоид целлобиоза глюкоза
В растениях при образовании клеточных стенок целлюлоза всегда тесно связана с так называемыми инкрустирующими веществами, придающими им твердость и устойчивость против механических воздействий. К этим веществам относятся лигнин и гемицеллюлозы.
Дополнительная информация