Углеводы: Часть 1

Видео

Конспект

Лекция 14: "Углеводы"

Перейдем к рассмотрению следующего класса органических веществ, которые наряду с жирами являются биологически активными молекулами – речь пойдет об углеводах.

Углеводы или сахара – кислородсодержащие органические вещества, подавляющее большинство которых имеет формулу C_{n}(H_{2}O)_{m} , где m, n \geqslant 3 . Нам очень хорошо известны многие углеводы – целлюлоза (клетчатка), крахмал, сахароза, глюкоза, лактоза и многие другие.

Углеводы составляют основную часть органических веществ на земле, входят в состав клеток растительных и животных организмов. В растениях углеводы синтезируются посредством процесса фотосинтеза, а в организмах животных – нет, поэтому нам приходится получать углеводы с пищей. Углеводы являются главным источником энергии, строительным материалом клеток растений, входят в состав витаминов и нуклеиновых кислот. Иными словами, углеводы чрезвычайно важны для жизни любого организма на Земле.

В зависимости от отношения к гидролизу углеводы делятся на моносахариды, дисахариды и полисахариды. Моносахариды – простейшие из них, не подвергаются гидролизу до более простых углеводов. Дисахариды состоят из двух остатков моносахаридов, в состав полисахаридов могут входить тысячи и десятки тысяч моносахаридов.

Класс углеводов

Отношение к гидролизу

Представители

Моносахариды

Не гидролизуются до более простейших

Глюкоза, фруктоза, рибоза

Дисахариды

Гидролизуются с образованием двух моносахаридов

Сахароза, мальтоза, лактоза

Полисахариды

Гидролизуются на большое количество моносахаридов

Крахмал, гликоген, целлюлоза

Самый известный представитель углеводов – это глюкоза, содержащаяся в сладких ягодах и фруктах. Глюкозу также называют виноградным сахаром, вместе со своим изомером фруктозой (глюкоза содержит альдегидную группу, а фруктоза – кетоновую) они входят в состав меда.

Глюкоза при обычных условиях – бесцветное кристаллическое вещество, без запаха, сладкое на вкус и очень хорошо растворимое в воде. Раствор глюкозы не проводит электрический ток и имеет нейтральную среду.

14.1 С химической точки зрения глюкоза является бифункциональным соединением, в ее состав входит 5 гидроксильных групп и альдегидная, таким образом глюкозу можно одновременно отнести и к многоатомным спиртам, и к альдегидам.

Поскольку глюкоза является многоатомным спиртом, при добавлении свежеосажденного гидроксида меди(II) к раствору глюкозы, наблюдается ярко-синее окрашивание – признак качественной реакции на многоатомные спирты. Если нагреть полученную смесь, то со временем начнет выделяться кирпично-красный осадок оксида меди(I) – признак качественной реакции на альдегиды.

14.2 Точно также, как и другие альдегиды, глюкоза вступает в реакцию серебряного зеркала:

14.3 При восстановлении глюкозы водородом образуется шестиатомный спирт сорбит или сорбитол, используемый как заменитель сахара в диетических напитках:

14.2 Однако, поскольку глюкоза является энергетически важной молекулой, как и все углеводы, многие микроорганизмы расщепляют сахара до более простых веществ, в ходе этих процессов получаются важные для человека и многих отраслей промышленности вещества. Все эти реакции называют брожением.

Молочнокислое брожение. Многие молочные продукты (сыр, простокваша, йогурт) получают с использованием лактобактерий, которые перерабатывают глюкозу в молочную кислоту. Также данный процесс происходит при квашении капусты.

14.4 Спиртовое брожение. Из растительных продуктов с высоким содержанием углеводов производят алкогольные напитки (яблоки, виноград, пшеница). При этом добавляют дрожжи, которые перерабатывают глюкозу в этиловый спирт с выделением углекислого газа. Дрожжи другого типа используют в выпечке хлеба, выделяющийся углекислый газ разрыхляет тесто. Также важно отметить, что спиртовое брожение нужно проводить без доступа кислорода.

C_6H_{12}O_6 \longrightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2 В биохимии человека основная функция глюкозы – энергетическая. Окисление глюкозы в клетках – один из источников энергии живых организмов. В присутствии кислорода можно представить эту реакцию как полное окисление глюкозы до углекислого газа и воды. На самом же деле это сотни и тысячи метаболических реакций, катализируемых ферментами, протекающих внутри нас постоянно. C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \longrightarrow 6CO_2 + 6H_2O При окислении глюкозы энергия не выделяется в окружающую среду, а расходуется на синтез универсальной энергетической молекулы – АТФ. При аэробном (в присутствии кислорода) окислении глюкозы образуется 32 молекулы АТФ, а при анаэробном (без кислорода) – всего лишь две, что в 16 раз менее выгодно.

Основным представителем дисахаридов является сахароза, образующаяся из остатка фруктозы и глюкозы. Схематически данный процесс можно изобразить следующей схемой:

14.7 Сахароза – обычный сахар, который получают экстракцией из сахарной свеклы или при обработке сахарного тростника. Неочищенный сахар содержит до 98% сахарозы в своем составе.

Сахароза является одним из основных источников энергии в нашем организме, где она сперва расщепляется на остатки глюкозы и фруктозы, затем фруктоза изомеризуется в глюкозу, после чего глюкоза подвергается стандартному каскаду метаболических реакций.

Сахарозу можно также расщепить на глюкозу и фруктозу химическим путем – посредством реакции гидролиза в кислой среде: C_{12}H_{22}O_{11} + H_2O \xrightarrow{H^+, \, t} \underbrace{C_6H_{12}O_6}_{Глюкоза} + \underbrace{C_6H_{12}O_6}_{Фруктоза}

Также как и глюкоза, сахароза проявляет свойства многоатомных спиртов, однако не проявляет свойства альдегида – не вступает в реакцию «серебряного зеркала» и не окисляется гидроксидом меди(II) при нагревании.

Сахароза является источником энергии, которая при избыточном потреблении запасается в виде жиров. Зачастую для создания сладкого вкуса добавляют сахарозаменители, к примеру, аспартам, сладость которого в 200 раз больше сладости сахарозы. Также сахар используют как консервант, поскольку в высоких концентрациях сахарозы бактерии погибают.

Также к дисахаридам относится лактоза – молочный сахар, состоящий из остатков глюкозы и галактозы – изомера глюкозы. Лактоза – основной углеводный компонент молока, в коровьем молоке ее содержание порядка 4-4,5%, а в женском – до 7,5%.

Еще один представитель дисахаридов – мальтоза, содержится в прорастающих семенах пшеницы, мальтозу также называют «пивным сахаром», также она содержится в меде.

Важнейшими полисахаридами являются крахмал, целлюлоза и гликоген. Все полисахариды можно представить общей формулой (C_{6}H_{10}O_{5})_{n} . Крахмал и целлюлоза имеют растительное происхождение, в то время как гликоген – животное.

Крахмал. Данный полисахарид образуется при фотосинтезе и накапливается в корнях, клубнях и семенах. По внешнему виду крахмал представляет собой порошок белого цвета, нерастворимый в холодной воде. В горячей воде крахмал набухает, образуя вязкий раствор.

Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов – амилоза (20-30%) и амилопектина (70-80%). Амилоза – линейный полимер, состоящий из остатков глюкозы, амилопектин – разветвленный полимер, состоящий из остатков глюкозы. Качественной реакцией на крахмал является взаимодействие с иодом, образуется темно-синее окрашенное соединение.

14.9 При нагревании крахмала в кислой среде происходит его распад до молекул глюкозы, из которых он состоит. Эта реакция имеет очень важное промышленное значение, поскольку из глюкозы затем производят этанол, молочную кислоту и другие нужные продукты. (C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow{H^+, \, t} nC_6H_{12}O_6

Целлюлоза (клетчатка). Основные вещество растительных клеток. Древесина почти на 50% состоит из целлюлозы. Подобно амилозе молекулы целлюлозы построены из длинных линейных нитей, состоящих из остатков глюкозы, однако молекулы глюкозы немного иначе находятся друг относительно друга в пространстве. Линейные молекулы целлюлозы посредством водородных связей объединяются в длинные волокна диаметром до 0,1 мкм, которые наделяют природную целлюлозу высокой механической прочностью.

14.11 По своей химической природе целлюлоза является многоатомным спиртом, поскольку состоит из остатков глюкозы, поэтому способна вступать в реакцию этерификации с кислотами. Так, при взаимодействии целлюлозы с азотной кислотой, образуется тринитрат целлюлозы – бездымный порох. При обработке целлюлозы уксусной кислотой получают ацетатный шелк. Из целлюлозы также состоит бумага.

Гликоген. Данный полисахарид является очень большим разветвленным полимером, состоящим из огромного числа остатков глюкозы. Гликоген выполняет запасную функцию в организме человека. Гликоген сосредоточен главным образом в печени и скелетных мышцах.

14.12