Вуглеводи - хімічна енциклопедія
ВУГЛЕВОДИ
Відео: № 133. Органічна хімія. Тема 21. Вуглеводи. Частина 7. Хімічні властивості моносахаридів
ВУГЛЕВОДИ (Цукру), велика група полігідроксікарбо-нільних соед. що входять до складу всіх живих організмів - до вуглеводів відносять також мн. похідні, одержувані при хім. Mо діфікаціі цих соед. шляхом окислення. відновлення або введення разл. заступників.
Термін "вуглеводи" виник тому, що перші відомі представники вуглеводів за складом відповідали ф-ле Cm H2n On (Вугіллі-род + вода) - згодом були виявлені природні вуглеводи з ін. Елементним складом.
Моносахариди зазвичай представляють собою полігід-роксіальдегіди (альдози) або полігідроксікетони (кетози) з лінійною ланцюгом з 3-9 атомів С, кожен з яких брало (крім карбонильного) пов`язаний з групою ОН. Найпростіший Моносу-харід, гліцериновий альдегід. містить один асим. атом С і відомий у вигляді двох оптич. антиподів (D і L). Інші моносахариди мають неск. Асім. атомів С- їх розглядають як похідні D- або L-гліцеринового альдегіду і відносять до D- або L-ряду відповідно до абс. конфігурацією асим. атома С, наиб. віддаленого від карбонільної групи. Відмінності між ізомерними моносахаридами в кожному ряду обумовлені відносить, конфігурацією інших асим. центрів.
Характерне св-во моносахаридів в розчинах - мутаротації. т. е. встановлення таугомерного рівноваги між ацікліч. альдегидо- або кетоформой, двома п`ятичленних (фуранози-ними) і двома шестичленними (пиранозного) напівацеталю-ними формами. Дві піранози (як і дві фуранози) відрізняються один від одного конфігурацією (a або b) нового асим. (Аномерного) центру, що виникає з карбонільного атома С при циклізації.
Полуацетальний (глікозидний) гідроксил циклич. форм моносахаридів різко відрізняється від інших груп ОН моно-сахариду значно більшою схильністю до р-ціям нукле-оф. заміщення. Такі р-ції призводять до утворення Глік-зідов (залишок нуклеофіла в глікозид - напр. Спирту. Меркаптана - носить назв. Агликон). У тих випадках, коли агликоном служить ін. Молекула моносахариду. утворюються оліго- і полісахариди. При цьому кожен залишок моносахариду може в принципі мати пиранозного або фуранозной форму, a- або b -конфігурації гликозидного центру і бути пов`язаним з будь-якої з гідроксильних груп сусіднього моносахарида. Тому число разл. за будовою полімерних молекул. к-які теоретично можна побудувати навіть із залишків тільки одного моносахариду. є аст-рономіч. величину.
До наиб, звичайним і поширеним в природі Моносу-харідам відносять D-глюкозу, D-галактозу, D-маноза, D-фрук-тозу, D-ксилозу, L-арабинозу і D-рибозу. З представників ін. Класів моносахаридів часто зустрічаються: 1) дезоксіса-хара, в молекулах яких брало одна або кілька. груп ОН замінені атомами H (напр. L-Рамноза, L-фукоза, 2-дезокси-D-рибоза) - 2) аміноцукри. де одна або кілька. груп ОН замінені на аміногрупи (напр. 2-аміно-2-дезокси-D-глюкоза, або D-глюкозамін) - 3) багатоатомні спирти (поліоли, Альді-ти), що утворюються при відновленні карбонільної групи моносахаридів (D-сорбіт з D -глюкози, D-маніт з D-манози, і ін.) - 4) впустив-ші кислоти - альдози. у яких брало група CH2 OH окислена в карбоксильну (напр. D-глюкуроновая к-та) - 5) розгалужені цукру. містять нелінійну ланцюг вуглецевих атомів (напр. апіоза, або 3-С- гидроксиметил-D-гліцеро-тетроза- ф-ла I) - 6) вищі цукру з довжиною ланцюга більше шести атомів С (напр. D-седогеп-тулоза і сіалові к-ти-ф-ли см. соотв. в статтях пентози-фосфатний цикл і Моносахариди gt ;.
За винятком D-глюкози і D-фруктози своб. моносахариди зустрічаються в природі рідко. Зазвичай вони входять до складу різноманітних глікозидів. олиго- і полісахаридів і м. б. отримані з них після кислотного гідролізу. Розроблено багаточисельних. методи хім. синтезу рідкісних моносахаридів виходячи з більш доступних.
Відео: № 136. Органічна хімія. Тема 21. Вуглеводи. Частина 10. Глюкоза
Олігосахариди містять в своєму складі від 2 до 10-20 моносахаридних залишків, пов`язаних глікозіднимі зв`язками. Наїб, поширені дисахариди. виконують ф-цію запасних B-B: сахароза в рослинах, трегалоза в комах і грибах, лактоза в молоці ссавців. Відомі многочисл. глікозиди олигосахаридов. до яких відносять разл. фізіологічно активні в-ва, напр, глікозиди серцеві. нек-риє сапоніни (в рослинах), мн. антибіотики (в грибах і бактеріях), гліколіпіди.
Полісахаріди- високомол. соед. лінійні або розгалужені молекули яких брало побудовані із залишків моносахаридів. зв`язаних глікозіднимі зв`язками. До складу полісахаридів можуть входити також заступники невуглеводної природи (залишки аліфатіч. К-т, фосфат. Сульфат). У свою чергу ланцюга вищих олігосахаридів і полісахаридів можуть приєднуватися до поліпептидним ланцюгах з утворенням глікопротеїнів.
Особливу групу складають біополімери. в молекулах яких брало залишки поліолів, глікозілполіолов, нуклеозидов або моно- і олігосахаридів пов`язані не глікозіднимі, а фос-фодіефірнимі зв`язками. До цієї групи відносять тейхоевие кислоти бактерій, компоненти клітинних стінок деяких дріжджів, а також нуклеїнові кислоти. в основі яких брало лежить полі-D-рібозофосфатная (РНК) або полі-2-дезок-сі-D-рібозофосфатная (ДНК) ланцюг.
Фізико-хімічні властивості. Велика кількість полярних функц. груп в молекулах моносахаридів призводить до того, що ці в-ва легко розчин. в воді і не розчин. в малополярних орг. р-телеглядачам. Здатність до таутомерним перетворенням зазвичай ускладнює кристалізацію моно- і олігосахаридів. проте якщо такі перетворення неможливі (напр. як в глікозидах і невідновлювальних олігосахариди типу сахарози), то в-ва кристалізуються легко. Mн. глікозиди з малополярни Аглікон (напр. сапоніни) виявляють св-ва ПАР.
Біологічна роль. Ф-ції вуглеводів в живих організмах надзвичайно різноманітні. У рослинах моносахариди є первинними продуктами фотосинтезу і служать вихідними соед. для біосинтезу глікозидів і полісахаридів. а також ін. класів B-B (амінокислот. жирних K-T, фенолів та ін.). Ці перетворення здійснюються ферментами. субстратами для яких брало служать, як правило, багаті енергією фос-форілір. похідні Сахаров. гл. обр. нуклеозіддіфосфат-цукру.
У глеводи запасаються в рослинах (у вигляді крохмалю), тварин, бактерій і грибах (у вигляді глікогену), де служать енергетичних. резервом. Джерелом енергії є р-ції розщеплення глюкози. утворюється з цих полісахаридів. по гликоли-тич. або окислить. шляху (див. Гліколіз). У вигляді глікозидів в рослинах і тваринах здійснюється транспорт разл. метаболітів. Полісахариди і більш складні углеводсодержащие полімери виконують в живих організмах опорні ф-ції. Жорстка клітинна стінка у вищих рослин являє собою складний комплекс з целюлози. гемицеллюлоз і пектинів. Армуючим полімером в клітинній стінці бактерій служать пептидоглікани (муреин), а в клітинній стінці грибів та зовнішніх покривах членистоногих - хітин. В організмі тварин опорні ф-ції виконують протея-глікани з`єднає, тканини. вуглеводна частина молекул яких брало представлена сульфатується. мукополисахаридами. Ці в-ва беруть участь в забезпеченні специфічний. фіз.-хім. CB-B таких тканин. як кістки, хрящі, сухожилля, шкіра. Будучи гідрофільними Поліаніонна, ці полісахариди сприяють також підтримці водного балансу і избират. іонної Прониц емости клітин. Аналогічні ф-ції в морських багатоклітинних водоростях виконують сульфатується. галактани (червоні водорості) або складніші сульфатується. гетерополісахарі-ди (бурі і зелені водорості) - в зростаючих і соковитих тканинах вищих рослин цю ф-цію виконують пектини.
Особливо відповідальна роль складних вуглеводів в утворенні клітинних пов-стей і мембран і надання їм специфічний. св-в. Так, гліколіпіди - найважливіші компоненти мембран нервових клітин і оболонок еритроцитів. а ліпополісахариди -Зовнішня оболонки грамотріцат. бактерій. Вуглеводи клітинної пов-сті часто визначають специфічність іммунологіч. р-ций (групові в-ва крові. бактеріальні антигени) і взаємодій. клітин з вірусами. Вуглеводні структури беруть участь і в ін. Високоспеціфічен. явищах клітинного взаємодій. таких, як запліднення, впізнавання клітин при тканинної диференціації, відторгнення чужорідних тканин і т. д.
Практичне використання. Вуглеводи складають головну частину харч. раціону людини, в зв`язку з чим широко використовуються в харч. і кондитерської пром-сті (крохмаль. сахароза та ін.). Крім того, в харч. технології застосовують структурир. в-ва полисахаридной природи, не мають самі по собі харч. цінності, - гелеутворювачі, загусники, стабілізатори суспензій і емульсій (альгінати, агар. пектини. ростить. галактоманнани і ін.).
Перетворення моносахаридів при спиртовому бродінні лежать в основі процесів отримання етанолу. пивоваріння, хлебопеченія- ін. види бродіння дозволяють отримувати з Сахаров біотехнол. методами гліцерин. молочну, лимонну, глюконовую к-ти і мн. ін. в-ва.
Глюкозу. аскорбінову к-ту, углеводсодержащие антибіотики. гепарин широко застосовують в медицині. Целюлоза є основою для отримання віскозного волокна. паперу. деяких пластмас. BB і ін. Сахарозу і ростить, полісахарі-ди розглядають як перспективне відновлювальна сировина, здатне в майбутньому замінити нафту в пром. орг. синтезі. Моносахариди використовують в якості доступних хіральних вихідних сполуки. для синтезу складних прир. B-B невуглеводної природи.
