Углеводы

В живой природе широко распространены вещества, многим из которых соответствует формула Сх(Н2О)у. Они представляют собой, таким образом, как бы гидраты углерода, что и обусловило их название - углеводы. К углеводам относится обычный сахар - сахароза, виноградный сахар - глюкоза, фруктовый сахар - фруктоза и молочный сахар - мальтоза. Этим объясняется еще одно их общепринятое название сахара. Растения синтезируют углеводы из двуокиси углерода и воды в процессе фотосинтеза. При этом солнечная энергия переходит в химическую:

хСО2 + уH2О + солнечная энергия ? Сх(Н2О)у + хО2

При окислении углеводов в организме энергия высвобождается и используется для жизнедеятельности:

Сх(Н2О)у + хО2 ? хСО2 + уH2О + энергия

углеводы химический моносахарид организм

Строение

Моносахариды -- гетерофункциональные соединения, содержащие одну карбонильную и несколько гидроксильных гpупп -- OH.

Глюкоза C6H12O6 -- наиболее известный моносахарид. Это бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус (от греч. glykeros -- сладкий). Оно встречается почти во всех органах растений. Особенно много глюкозы в соке винограда и спелых фруктах.

Молекулы многих углеводов, в том числе и глюкозы, могут существовать как в линейной, так и в циклических формах. Линейная форма глюкозы представляет собой альдегидоспирт с пятью гидроксильными гpуппами:

Атомы углерода, соединенные с гидроксильными группами, в молекуле глюкозы находятся в состоянии sp3-гибридизации, поэтому молекула имеет зигзагообразную форму. Благодаря этому альдегидная гpуппа может вступать в обратимую реакцию присоединения с гидроксильной с образованием циклического полуацеталя. В молекуле глюкозы к альдегидной группе особенно близко может подходить гидроксил пятого атома углерода (С5). Обычно он и вступает в реакцию присоединения, приводящую к образованию циклической структуры. Циклическое строение моносахаридов часто изображают перспективными формулами (мы как бы смотрим на молекулу спереди и сверху, т.е. видим ее в перспективе).

Перспективные формулы также дают информацию о пространственном расположении гидроксилов относительно плоскости цикла. Новый гидроксил (гликозидный гидроксил), выделенный красным цветом, может располагаться двояко (из-за вращения альдегидной группы вокруг оси s связи C1--С2), поэтому реально линейная форма глюкозы в рассматриваемом превращении дает две циклические формы:

Процесс превращения альдегидной формы в циклические обратим, в растворе существует подвижное равновесие между разными формами. Обычно равновесие сильно смещено в сторону циклических форм, а содержание альдегидной формы бывает незначительным. Это объясняет, почему глюкоза не вступает в некоторые реакции, свойственные альдегидам.

Химические свойства:

1. Для глюкозы характерны реакции многоатомных спиртов, в том числе и качественная реакция: при взаимодействии гидроксида меди (II) с раствором глюкозы образуется комплексное соединение ярко-синего цвета, осадок Cu(OH)2 при этом растворяется.

2. Для глюкозы характерны следующие реакции альдегидов.

а) качественной реакцией на альдегидную группу является реакция глюкозы (или другого альдегидоспирта) с аммиачным раствором оксида серебра (гидроксидом диамминсеребра) -- реакция «серебряного зеркала»:

Глюконовая кислота -- не единственный продукт окисления глюкозы.

Восстановленное серебро оседает на стенках пробирки в виде блестящего налета.

б) другой качественной реакцией на альдегидную группу является окисление гидроксидом меди (II):

в) При восстановлении (гидрировании) глюкозы образуется шестиатомный спирт сорбит.

3. Реакции брожения.

Брожение -- сложная цепь биохимических процессов, в результате которых расщепляются углеводы под действием ферментов различных микроорганизмов (бактерий, грибов и т.д.). Обычно записывают суммарные уравнения реакций брожения.

А) При спиртовом брожении образуется этиловый спирт и углекислый газ:

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2?

Эта реакция лежит в основе производства алкогольных напитков и хлебобулочных изделий. Выделяющийся углекислый газ разрыхляет дрожжевое тесто, хлебная выпечка становится пышной.

б) При молочнокислом брожении образуется молочная кислота.

Эта реакция протекает при скисании молока. Она имеет огромное значение в переработке сельскохозяйственных продуктов. С ней связано получение простокваши, творога, сметаны, сыра. Молочная кислота образуется при квашении капусты, силосовании кормов, она выполняет консервирующее действие при хранении указанных продуктов. Также реакция превращения глюкозы в молочную кислоту протекает в мышцах животных и человека при больших физических нагрузках (в этом случае данную реакцию не относят к реакциям брожения).

Применение:

Глюкоза -- ценное питательное вещество. Крахмал пищи в пищеварительном тракте превращается в глюкозу, которая далее окисляется в клетках организма. Окисление, идущее через ряд стадий, сопровождается выделением нужной организму энергии и завершается образованием оксида углерода (IV) и воды. Как вещество, легко усваиваемое организмом, глюкоза находит применение в качестве укрепляющего лечебного средства. Сладкий вкус глюкозы обусловливает ее использование в кондитерском деле.

Глюкозу применяют в технике, например, для отделки тканей. Она -- исходное вещество в синтезе витамина С и некоторых других сложных веществ. В технике глюкозу получают гидролизом полисахаридов в присутствии катализаторов -- минеральных кислот.

Фруктоза C6H12O6 -- изомер глюкозы, моносахарид, содержащийся в меде, сладких плодах. Это бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус, слаще глюкозы. Фруктоза -- кетоноспирт.

Для рибозы и дезоксирибозы также характерны циклические формы.

Дисахариды. Молекулы дисахаридов состоят из двух циклических остатков моносахаридов (одинаковых или разных).

Сахароза C12H22O11 -- наиболее известный дисахарид. Это бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. При застывании расплавленной сахарозы образуется прозрачная аморфная масса -- карамель. Сахароза содержится во многих растениях, ее особенно много в сахарной свекле и сахарном тростнике. Сахароза состоит из остатков глюкозы и фруктозы.

Химические свойства:

Сахароза -- невосстанавливающий дисахарид, т.е. она не восстанавливает серебро из аммиачного раствора оксида серебра, гидроксид меди (II) до оксида меди (I).

Важным химическим свойством сахарозы является ее гидролиз. При гидролизе сахарозы образуются глюкоза и фруктоза:

Мальтоза C12H22O11 -- изомерный сахарозе дисахарид, образующийся из крахмала под действием солода. Это восстанавливающий дисахарид, т.е. он восстанавливает серебро из аммиачного раствора оксида серебра («реакция серебряного зеркала») и гидроксид меди (II) до оксида меди (I).

При кислотном или ферментативном гидролизе мальтозы образуется глюкоза, т.е. ее молекула состоит из двух остатков глюкозы:

C12H22O11 + H2O 2C6H12O6

Полисахариды -- полимерные углеводы, построенные из остатков либо одного моносахарида (гомополисахариды), либо разных (гетерополисахариды). Наиболее распространены в природе гомополисахариды на основе глюкозы: крахмал и целлюлоза.

Крахмал (C6H10O5)n -- природный полимер, который образуется в зеленых растениях при поглощении ими солнечного света из углекислого газа и воды. Крахмал широко распространен в природе. Например, клубни картофеля содержат около 20% крахмала, зерна пшеницы и кукурузы -- около 70%, риса -- до 80%.

Выделенный из растений крахмал -- это порошок белого цвета, нерастворимый в воде; в горячей воде он набухает, образуя коллоидный раствор -- клейстер. Он состоит из двух полисахаридов: макромолекулы одного из них линейного строения -- амилоза, а макромолекулы другого -- разветвленного -- амилопектин. Структурными звеньями макромолекул крахмала являются остатки ?-формы глюкозы, разное число которых соединяется в макромолекулы тех и других полисахаридов. Поэтому молекулярная масса их различна -- от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов.

Химические свойства:

1. Крахмал подвергается гидролизу, который протекает либо в кислой среде (кислотный гидролиз), либо в присутствии ферментов (ферментативный гидролиз). Процесс расщепления макромолекул крахмала водой идет постепенно. Сначала образуются крупные «осколки» с молекулярной массой в десятки тысяч -- декстрины, затем дисахарид -- мальтоза, далее конечный продукт гидролиза -- глюкоза. Упрощенно уравнение реакции полного гидролиза крахмала можно представить так:

(C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6

2. Крахмал образует соединение с йодом (I2) интенсивно-синего цвета. Эту реакцию используют для качественного определения крахмала с помощью йода и, наоборот, йода с помощью крахмала.

Применение:

Крахмал широко используется в питании человека, он входит в состав разных плодов и кулинарных изделий. Непосредственно крахмал не усваивается организмом. Подобно жирам он сперва подвергается гидролизу. Этот процесс начинается уже при пережевывании пищи во рту под действием фермента, содержащегося в слюне. Далее гидролиз крахмала продолжается в желудке и кишечнике. Образующаяся глюкоза всасывается через стенки кишечника в кровь и поступает на питание всех тканей организма. Избыток глюкозы запасается в печени в виде полисахарида -- гликогена. Гликоген между приемами пищи превращается в глюкозу по мере расходования ее в клетках организма.

Промежуточные продукты гидролиза крахмала (декстрины) легче усваиваются организмом, чем сам крахмал, так как состоят из меньших по размерам молекул и лучше растворяются в воде. Приготовление пищи часто связано именно с превращением крахмала в декстрины. Частичный гидролиз крахмала происходит, например, при варке картофеля, при выпечке хлеба. Образованием клейких декстринов объясняется, в частности, появление корки на хлебе и жареном картофеле.

Гидролиз крахмала до декстринов и глюкозы (их смесь называют патокой) широко используется в пищевой промышленности для получения конфет, мармелада, пряников и т.д. Укажем также, что крахмал применяется при приготовлении клея, для производства полимерных покрытий, используемых в пищевой промышленности, и т.д.

Целлюлоза (клетчатка) (C6H10O5)n -- природный полимер, твердое волокнистое вещество белого цвета, нерастворимое ни в воде, ни в органических растворителях. Целлюлоза входит в состав оболочек растительных клеток, она придает растениям необходимую прочность и эластичность.

Волокна хлопка содержат до 98% целлюлозы, в древесине она составляет около 50% (в расчете на сухое вещество). Бумага, хлопчатобумажные ткани -- это изделия из целлюлозы. Особенно чистыми образцами целлюлозы являются вата, полученная из очищенного хлопка, и фильтровальная (непроклеенная) бумага.

Структурными звеньями макромолекул целлюлозы, как и крахмала, являются остатки молекул глюкозы, но не ?-, а ?-формы.

Фрагмент макромолекулы целлюлозы

Значение |n|у целлюлозы обычно выше, чем у крахмала. Основное различие между крахмалом и целлюлозой в структуре макромолекул: молекулы крахмала имеют как линейную, так и разветвленную структуры, молекулы же целлюлозы -- только линейную. Этим объясняется, что целлюлоза образует такие волокнистые материалы, как хлопок, лен и т.д.

В природных волоконцах макромолекулы целлюлозы располагаются в одном направлении, ориентированы вдоль оси волокна. Возникающие при этом многочисленные водородные связи между гидроксильными группами соседних макромолекул обусловливают высокую прочность этих волокон (хлопка, льна).

Химические свойства:

1. Целлюлоза подвергается гидролизу, который протекает либо в кислой среде (кислотный гидролиз), либо в присутствии ферментов (ферментативный гидролиз). Следует заметить, что ферменты, ускоряющие гидролиз крахмала, не действуют на связи между остатками ?-глюкозы в целлюлозе. Поэтому клетчатка не переваривается в организме человека. Ферменты, способные гидролизовать целлюлозу, выделяются например, микроорганизмами, живущими в симбиозе со жвачными животными. Упрощенно уравнение реакции полного гидролиза целлюлозы можно представить так:

(C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6

2. Образование азотнокислых эфиров.

Их получают при действии на целлюлозу азотной кислотой в присутствии серной кислоты. В зависимости от концентрации азотной кислоты и от других условий в реакцию вступает одна, две или все три гидроксильные группы каждого звена молекулы целлюлозы, например:

Общее свойство нитратов целлюлозы -- их чрезвычайная горючесть. Тринитрат целлюлозы, называемый пироксилином, cильно взрывчатое вещество. Его применяют для производства бездымного пороха. Другие виды нитроцеллюлозы используют для получения лаков и пленки.

3. Образование уксуснокислых эфиров.

Их получают при действии на целлюлозу уксусной кислоты (уксусного ангидрида).

Диацетат и триацетат целлюлозы по внешнему виду сходны с целлюлозой. Их используют для получения искусственного ацетатного волокна.

Содержание и роль углеводов в организме человека

С пищей поступают простые и сложные, усвояемые и неусвояемые углеводы. Основными простыми углеводами являются глюкоза, галактоза и фруктоза (моносахариды), сахароза, лактоза и мальтоза (дисахариды). К сложным углеводам (полисахариды) относятся крахмал, гликоген, клетчатка, пектины, гемицеллюлоза.

Углеводы необходимы для нормального обмена белков и жиров в организме человека. В комплексе с белками они образуют некоторые гормоны и ферменты, секреты слюнных и других образующих слизь желез, а также другие важные соединения.

Особое значение имеют клетчатка, пектины, гемицеллюлоза, которые только частично перевариваются в кишечнике и являются незначительным источником энергии. Однако эти полисахариды составляют основу пищевых волокон и играют важную роль в питании. Содержатся углеводы в основном в продуктах растительного происхождения.

Глюкоза -- главный поставщик энергии для мозга. Она содержится в плодах и ягодах и необходима для снабжения энергией и образования в печени гликогена

Фруктоза почти не требует для своего усвоения гормона инсулина, что позволяет рекомендовать ее источники при сахарном диабете, но в ограниченном количестве. Основными поставщиками сахарозы служат сахар, кондитерские изделия, варенье, мороженое, сладкие напитки, а также некоторые овощи и фрукты: свекла, морковь, абрикосы, персики, сладкая слива и другие. В кишечнике сахароза расщепляется на глюкозу и фруктозу.

Лактоза содержится в молочных продуктах. При врожденном или приобретенном (чаще всего в результате заболеваний кишечника) недостатке фермента лактозы в кишечнике нарушается распад лактозы на глюкозу и галактозу и возникает непереносимость молочных продуктов.

В кисломолочных продуктах лактозы меньше, чем в молоке, так как при сквашивании молока из лактозы образуется молочная кислота.

Мальтоза (солодовый сахар) -- промежуточный продукт расщепления крахмала пищеварительными ферментами и ферментами проросшего зерна (солода). Образующаяся мальтоза распадается до глюкозы. В свободном виде мальтоза содержится в меде, экстракте из солода (патоке мальтозной), пиве.

Крахмал составляет 80% и более от всех углеводов в питании человека. Его источниками являются мука, крупы, макаронные изделия, хлеб, бобовые и картофель.

Крахмал относительно медленно переваривается, расщепляясь до глюкозы. Легче и быстрее переваривается крахмал из риса и манной крупы, чем из пшена, гречневой, перловой и ячневой круп, из картофеля и хлеба.

Сложный углевод клетчатка не переваривается в организме человека, но стимулирует работу кишечника, создает условия для развития полезных бактерий. В продуктах питания она должна присутствовать обязательно (содержится в овощах, фруктах, пшеничных отрубях).

Пектины стимулируют пищеварение и способствуют выведению вредных веществ. Особенно много их в яблоках, сливе, крыжовнике, клюкве.

Недостаток углеводов приводит к нарушению обмена жиров и белков, расходу белков пищи и тканевых белков. В крови накапливаются вредные продукты неполного окисления жирных кислот и некоторых аминокислот, кислотно-основное состояние организма сдвигается в кислую сторону. При сильном дефиците углеводов возникают слабость, сонливость, головокружение, головные боли, чувство голода, тошнота, потливость, дрожь в руках. Эти явления быстро проходят после приема сахара. При длительном ограничении углеводов в диете их количество все же не должно быть ниже 100 г.

Избыток углеводов может приводить к ожирению. Систематическое чрезмерное потребление сахара и других легкоусвояемых углеводов способствует проявлению скрытого сахарного диабета из-за перегрузки, а затем истощения клеток поджелудочной железы, вырабатывающих необходимый для усвоения глюкозы инсулин.

Но сам сахар и содержащие его продукты не вызывают сахарный диабет, а только могут быть факторами риска развития уже возникшего заболевания.

Список используемой литературы

1) http://www.himiya-rus.ru

2) Вольхин В.В. «Общая химия» Москва, Краснодар; 2008.

3) Глинка Н.Л. Общая химия. Москва; 2007

4) http://ru.wikipedia.org

Размещено на Allbest.ru