Углеводы, их классификация и значение

УРОК 02.02.2016
Углеводы, их классификация и значение
Общая формула углеводов — Cn(H2O)m, т. е. они как бы состоят из углерода и воды,
отсюда и название класса. Название имеет исторические корни и появилось на
основе анализа первых известных углеводов. В дальнейшем было установлено, что
имеются углеводы, в молекулах которых не соблюдается указанное соотношение (2
: 1), например дезоксирибоза — С5Н10О4. Известны также органические
соединения, состав которых соответствует приведённой общей формуле, но не
принадлежащие к классу углеводов. К ним относятся, например, уже известные вам
формальдегид СН20 и уксусная кислота С2Н402.
Однако название «углеводы» укоренилось и в настоящее время является
общепризнанным для этих веществ.
Классификация углеводов сложна и многопланова, поскольку проводится по
большому числу признаков. На схеме 4 приведена классификация углеводов по
числу остатков моносахаридов в молекуле, по числу углеродных атомов в
моносахариде и природе карбонильной группы в нём, а также по отношению к
окислителям.
Углеводы по их способности гидролизоваться можно разделить на три основные
группы: моно-, ди- и полисахариды.
Моносахариды — углеводы, которые не гидролизуются (не разлагаются водой). В
свою очередь, в зависимости от числа атомов углерода моносахариды
подразделяются натриозы (молекулы которых содержат три углеродных
атома), тетрозы (четыре углеродных атома), пентозы (пять), гексозы (шесть) и т. д.
В природе моносахариды представлены преимущественно пентозами и гексозами. К
пентозам относятся, например, рибоза С5Н10О5 и дезоксирибоза С5Н10О4. Они
входят в состав РНК и ДНК и определяют первую часть названий нуклеиновых
кислот. К гексозам, имеющим общую молекулярную формулу С6Н1206, относятся,
например, глюкоза, фруктоза, галактоза.
Дисахариды — углеводы, которые гидролизуются с образованием двух молекул
моносахаридов, например гексоз. Общую формулу подавляющего большинства
дисахаридов вывести несложно: нужно «сложить» две формулы гексоз и «вычесть»
из получившейся формулы молекулу воды. Общее уравнение гидролиза дисахарида
выглядит так:
К дисахаридам относятся:
 сахароза (обычный пищевой сахар), которая при гидролизе образует по одной молекуле
глюкозы и фруктозы. Она содержится в большом количестве в сахарной свёкле, сахарном
тростнике (отсюда и названия — свекловичный или тростниковый сахар), клёне (канадские
первопроходцы добывали кленовый сахар), сахарной пальме, кукурузе и т. д.;
 мальтоза (солодовый сахар), которая гидролизуется с образованием двух молекул глюкозы.
Мальтозу можно получить при гидролизе крахмала под действием ферментов, содержащихся в
солоде, — пророщенных, высушенных и размолотых зёрнах ячменя;
 лактоза (молочный сахар), которая гидролизуется с образованием молекулы глюкозы и
галактозы. Она содержится в молоке млекопитающих (до 4—6%) и используется как наполнитель
в драже и аптечных таблетках.
Моно- и дисахариды обладают сладким вкусом. Так, самый сладкий моносахарид — фруктоза — в
полтора раза слаще глюкозы, которую принимают за эталон. Сахароза (дисахарид), в свою
очередь, в 2 раза слаще глюкозы и в 4—5 раз — лактозы, которая почти безвкусна.
Полисахариды (крахмал, гликоген, декстрины, целлюлоза и т. д.) — углеводы, которые
гидролизуются с образованием множества молекул моносахаридов, чаще всего глюкозы.
Чтобы вывести формулу полисахарида, нужно от молекулы глюкозы «отнять» молекулу воды и
записать выражение с индексом n: (С6Н10О5)n — ведь именно за счёт отщепления молекул воды в
природе образуются ди- и полисахариды.
Роль углеводов в природе и их значение для жизни человека чрезвычайно велики (рис. 57).
Образуясь в клетках растений в результате фотосинтеза, они выступают источником энергии для
клеток животных. В первую очередь это относится к глюкозе.
Многие углеводы (крахмал, гликоген, сахароза) выполняют запасающую функцию, роль резерва
питательных веществ.
Кислоты РНК и ДНК, в состав которых входят пентозы — рибоза и дезоксирибоза, выполняют
функцию передачи наследственной информации.
Целлюлоза — строительный материал растительных клеток — играет роль каркаса для оболочек
этих клеток. Другой полисахарид — хитин — выполняет аналогичную роль в клетках некоторых
животных — образует наружный скелет членистоногих (ракообразных), насекомых,
паукообразных.
Углеводы служат в конечном счёте источником нашего питания: мы потребляем зерно,
содержащее крахмал, или скармливаем его животным, в организме которых крахмал превращается
в белки и жиры (рис. 58). Самая гигиеничная наша одежда сделана из целлюлозы или волокон на
её основе: хлопка и льна, вискозного волокна, ацетатного шёлка. Деревянные дома и мебель
построены из той же целлюлозы, образующей древесину. Книги, газеты, письма, денежные
банкноты — всё это продукция целлюлозно-бумажной промышленности. Значит, углеводы
обеспечивают нас всем необходимым для жизни: пищей, одеждой, кровом.
Кроме того, углеводы участвуют в построении сложных органических соединений. Углеводом
является такое жизненно необходимое вещество, как гепарин (предотвращает свёртывание крови),
агар-агар получают из морских водорослей и применяют в микробиологической и кондитерской
промышленности.
Необходимо подчеркнуть, что главным источником
энергии на Земле является энергия Солнца, а
единственным способом его аккумулирования для
обеспечения жизнедеятельности всех живых
организмов служит процесс фотосинтеза,
протекающий в клетках живых растений и
приводящий к синтезу углеводов из воды и
углекислого газа (рис. 59). Кстати, именно при этом
превращении образуется кислород, без которого
жизнь на нашей планете была бы невозможна:
Внимательно ознакомтесь с текстовым материалом. Выполните домашнее
задание:
1. Дайте определение углеводов. Объясните этимологию этого слова.
2. Какие углеводы называют моносахаридами, полисахаридами? Почему их так называют.
3. В процессе фотосинтеза растение поглотило 168 л (н. у.) углекислого газа. Какая масса
глюкозы образовалась при этом? Сколько литров кислорода выделилось в результате реакции?
Ответ: 225 г С6Н12O6, 168 л O2.
УРОК 04.02.2016
Моносахариды. Гексозы. Глюкоза
Моносахариды
В природе наиболее распространены моносахариды, в молекулах которых содержится пять
углеродных атомов (пентозы) или шесть (гексозы). Моносахариды - гетерофункциональные
соединения, в состав их молекул входит одна карбонильная группа (альдегидная или кетонная)
и несколько гидроксильных. Например:
Таким образом, моносахариды - это полигидроксиальдегиды (рибоза, глюкоза) или
полигидроксикетоны (фруктоза).
Однако не все свойства моносахаридов согласуются с таким строением. Так, моносахариды не
участвуют в некоторых реакциях, типичных для карбонильной группы. Одна из гидроксигрупп
отличается повышенной реакционной способностью и ее замещение на группу -OR приводит к
исчезновению свойств альдегида (или кетона).
Это приводит к выводу, что моносахаридам, кроме приведенных формул, свойственна также
иная структура, возникающая в результате внутримолекулярной реакции между карбонильной
группой с одним из спиртовых гидроксилов.
Реакция присоединения спирта к альдегиду приводит к образованию полуацеталя RCH(OH)R'. Такая реакция внутри одной молекулы сопровождается ее циклизацией, т.е.
образованием циклического полуацеталя.
Известно, что наиболее устойчивыми являются 5-ти и 6-ти членные циклы. Поэтому, как
правило, происходит взаимодействие карбонильной группы с гидроксилом при 4-м или 5-м
углеродном атоме (нумерация начинается с карбонильного углерода или ближайшего к нему
конца цепи).
Таким образом, в результате взаимодействия карбонильной группы с одной из гидроксильных
моносахариды могут существовать в двух формах: линейной (оксо-форме) и циклической
(полуацетальной). В растворах моносахаридов эти формы находятся в равновесии друг с
другом. Например, в водном растворе глюкозаы существуют следующие структуры:
Циклические a- и b-формы глюкозы представляют собой пространственные
изомеры, отличающиеся положением полуацетального гидроксила относительно плоскости
кольца.
В a-глюкозе этот гидроксил находится в цис-положении к гидроксилу при С2, в b-глюкозе в транс-положении.
С учетом пространственного строения шестичленного цикла (аним.5.1.1.) формулы этих
изомеров имеют вид:
Равновесие трех форм глюкозы в одном растворе
В кристаллическом состоянии моносахариды имеют циклическое строение.
Химические свойства моносахаридов обусловлены наличием в молекуле
функциональных групп двух видов:





глюкоза как многоатомный спирт образует простые и сложные эфиры
комплексное соединение с гидроксидом меди (II)
как альдегид она окисляется аммиачным раствором оксида серебра в глюконовую
кислоту
восстанавливается водородом в шестиатомный спирт - сорбит
В полуацетальной форме глюкоза способна к нуклеофильному замещению
полуацетального гидроксила на группу -OR (образование гликозидов, олиго- и
полисахаридов).
Практическое значение имеет реакция брожения - расщепление глюкозы под действием
различных микроорганизмов:
а) спиртовое брожение
C6H12O6 --> 2C2H5OH + 2CO2
б) молочнокислое брожение
C6H12O6 --> 2CH3-CH-COOH
I
OH
(молочная кислота)
Аналогично ведут себя в химических реакциях и другие моносахариды.
Внимательно ознакомтесь с текстовым материалом. Выполните домашнее
задание:
1. Напишите уравнения химических реакций, характеризующие свойства глюкозы как
альдегидоспирта
2. Задача. Смешали 100 г 10%-го раствора и 200 г 5%-го раствора глюкозы. Чему равна
массовая доля (в процентах) углевода в полученном растворе? Ответ округлите до сотых долей.