Биологическое значение и строение углеводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Ежедневно сталкиваясь с множеством бытовых предметов, продуктов питания, природных объектов, продуктов промышленного производства, мы не задумываемся о том, что все вокруг есть и индивидуальные химические вещества или совокупность этих веществ. Любое вещество обладает собственной структурой и свойствами. Человек с момента своего появления на Земле употреблял растительную пищу, содержащую крахмал, фрукты и овощи, содержащие глюкозу, сахарозу и другие углеводы, использовал для своих нужд древесину и другие растительные объекты, состоящие главным образом из другого природного полисахарида -- целлюлозы. И только в начале XIX в. стало возможным изучение химического состава природных высокомолекулярных веществ, строения их молекул. В этой области были сделаны важнейшие открытия.

В бескрайнем мире органических веществ есть соединения, о которых можно сказать, что они состоят из углерода и воды. Они так и называются - углеводы. Впервые термин “углеводы” предложил русский химик из Дерпта (ныне Тарту) К. Шмидт в 1844 году. В 1811 году русский химик Константин Готлиб Сигизмунд (1764-1833) впервые получил глюкозу гидролизом крахмала. Углеводы широко распространены в природе и играют большую роль в биологических процессах живых организмов и человека.

1. История развития углеводов

У самых истоков цивилизации лежит первое практическое знакомство человека с углеводами. Обработка древесины, изготовление бумаги и хлопчатобумажных и льняных тканей, хлебопечение, брожение - все эти процессы, известные еще с глубокой древности, непосредственно связаны с переработкой углеводсодержащего сырья. Тростниковый сахар был, по-видимому, первым органическим веществом, полученным человеком в химически чистом виде. Становление химии как науки во второй половине XVIII века неразрывно связано и с первыми работами в области химии углеводов.

Вслед за тростниковым сахаром были выделены первые индивидуальные моносахариды - фруктоза (Ловиц, 1792 г.) и глюкоза (Пру, 1832 г.). В 1811 г. Кирхгоф, работавший в то время в Петербурге, получил глюкозу при обработке крахмала кислотой, проведя таким образом первый химический гидролиз полисахарида, а в 1814 г. провел первый ферментолиз того же полисахарида. Наконец, А.М. Бутлеров в 1861 г. осуществил свой исторический синтез, получив при обработке водного раствора формальдегида известковой водой смесь сахаров (метиленэтан), содержащую и некоторые природные моносахариды.

Однако химия углеводов в современном смысле этого слова возникла, естественно, лишь с развитием основ органической химии, одним из разделов которой она является. Структурная теория дала ключ к пониманию строения углеводов, и уже через 10-15 лет после ее провозглашения Килиани и Эмиль Фишер начинают свои фундаментальные исследования, завершившиеся в 90-х годах прошлого столетия установлением строения простейших углеводов. Решающее влияние на развитие химии углеводов оказали стереохимические представления Вант-Гоффа, причем развитие стереохимии также было неразрывно связано с химией углеводов; экспериментальный материал, почерпнутый из химии углеводов, сыграл очень важную роль в развитии основных положений стереохимической теории.

В первый период развития химии углеводов были заложены основные понятия и принципы этого раздела органической химии, созданы классические аналитические приемы и разработаны генеральные синтетические методы. Характерной особенностью этого периода является тесное и плодотворное взаимодействие химии углеводов с другими разделами бурно развивавшейся органической химии. Химия углеводов заимствует из арсенала органической химии различные реакции деградации, необходимые для установления строения углеводов, и многочисленные синтетические приемы. В свою очередь, достижения химии углеводов стимулировали развитие многих общих разделов органической химии; кроме уже отмеченного выше влияния на развитие стереохимии, можно упомянуть учение о таутомерии, первые шаги химии полимеров и многое другое.

Одним из поворотных моментов в химии сахаров была разработка Хеуорсом в 20-х годах ХХ столетия подходов к изучению структуры полисахаридов, которые были созданы на основе метода метилирования и впервые открыли путь к экспериментальному решению вопроса о строении полисахаридных цепей. Следствием этого было быстрое развитие химии полисахаридов.

Три обстоятельства вызвали в послевоенные годы подлинный переворот в области химии углеводов и обеспечили ее последующий прогресс.

Прежде всего, была осознана исключительная роль биополимеров в жизненных процессах, что, естественно, поставило перед химией углеводов - важнейших компонентов живой ткани - новые задачи. Изучение структуры и ее связи с биологической функцией в ряду углеводов вызвало к жизни новые представления и заложило основу новых направлений. Одновременно бурное развитие промышленности полимеров и их использование в технике и повседневной жизни было непосредственно связано с широким изучением практически важных природных полимеров и, прежде всего, с развитием химии и технологии целлюлозы, ее спутников и продуктов ее переработки. Это открыло широкую дорогу исследованиям по химии полисахаридов и потребовало развития многих новых областей химии сахаров.

С другой стороны, развитие теории органической химии и в особенности создание основ конформационного анализа впервые позволило обсуждать реакционную способность молекулы углевода, исходя из строго обоснованных предпосылок. Использование конформационных представлений в химии углеводов совершило подлинную революцию во взглядах на реакционную способность сложной полифункциональной молекулы сахара, и современная химия сахаров обязана этому своими лучшим: достижениями.

Наконец, последнее, столь же важное обстоятельство, оказавшее решающее влияние на развитие современной химии углеводов, состоит во внедрении новой техники эксперимента. Введение аналитической и препаративной хроматографии, электрофоретических методов позволил по-новому поставить работу по разделению и индивидуализации углеводов и решить задачи, которые требовали Раньше поистине титанического труда. Внедрение инфракрасной спектроскопии, а позднее ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии предоставило в распоряжение исследователя орудия, которые в корне изменили всю работу по установлению строения сложнейших производных углеводов.

2. Строение углеводов

Углеводы в зависимости от строения можно подразделить на моносахариды, дисахариды и полисахариды: ( см. приложение 1)

1. Моносахариды:

- глюкоза С6Н12О6

- фруктоза С6Н12О6

- рибоза С5Н10О5

Из шестиуглеродных моносахаридов - гексоз - наиболее важное значение имеют глюкоза, фруктоза и галактоза.

Если в одной молекуле объединяются два моносахарида, такое соединение называется дисахаридом.

2. Дисахариды:

- сахароза С12Н22О11

Сложные углеводы, образованные многими моносахаридами, называются полисахаридами.

3. Полисахариды:

- крахмал (С6Н10О5)n

- целлюлоза (С6Н10О5)n

В молекулах моносахоридов может содержаться от 4-х до 10-ти атомов углерода. Названия всех групп моносахаридов, а также названия отдельных представителей оканчиваются на -оза. Поэтому в зависимости о числа атомов углерода в молекуле моносахариды подразделяют на тетрозы, пентозы, гексозы и т.д. наибольшее значение имеют гексозы и пентозы.

3. Моносахариды

Из шестиуглеродных моносахаридов - гексоз - важное значение имеют глюкоза, фруктоза и галактоза.

Глюкоза. Основные понятия. Строение молекулы.

Для установления структурной формулы молекулы глюкозы необходимо знать е химические свойства. Экспериментально доказали, что один моль глюкозы реагирует с пятью молями уксусной кислоты с образованием сложного эфира. Это означает, что в молекуле глюкозы имеется пять гидроксильных групп. Так как глюкоза в аммиачном растворе оксида серебра (II) дает реакцию «серебрянного зеркала», то в её молекуле должна быть альдегидная группа.

Опытным путем так же одказали, что глюкоза имеет неразветвленную углеродную цепь. На основании этих данных строение молекулы глюкозы можно выразить следующей формулой:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Как видно из формулы, глюкоза является одновременно многоатомным спиртом а альдегидом, т.е. альдегид спиртом.

Дальнейшие исследование показали, что кроме молекул с открытой цепью, для глюкозы характерны молекулы циклического строения. Это объясняется тем, что молекулы глюкозы, вследствие вращения атомов углерода вокруг связей могут принимать изогнутую форму и гидроксильная группа 5 углерода может приблизиться к гидроксильной группе. В последней под действием гидроксильной группы разрывается р-связь. К свободной связи присоединяется атом водорода, и образуется шестичленное кольцо, в котором альдегидная группа отсутствует. Доказано, что в водном растворе существуют обе формы молекул глюкозы альдегидная и циклическая, между которыми устанавливается химическое равновесие:

В молекулах глюкозы с открытой цепью альдегидная группа может свободно вращаться вокруг у-связи, которая находится между первым и вторым атомами углерода. В молекулах циклической формы такое вращение не возможно. По этой причине циклическая форма молекулы может иметь различное пространственное строение:

б-форма глюкозы - гидроксильные группы (-ОН) при первом и втором атомах углерода расположены по одну сторону кольца.

б - форма глюкозы - гидроксильные группы находятся по разные стороны кольца молекулы.

Физические свойства.

Глюкоза - бесцветное кристаллическое вещество со сладким вкусом, хорошо растворимое в воде. Из водного раствора кристаллизуется. По сравнению со свекловичным сахаром менее сладкая.

Химические свойства.

Глюкоза обладает химическими свойствами, характерными для спиртов (гидроксильная (-ОН) группа) и альдегидов ( группа альдегида (-СНО). Кроме того, она обладает и некоторыми специфическими свойствами.

1. Свойства, характерные для спиртов:

а) взаимодействие с оксидом меди (II):

C6H12O6 + Cu(OH)2 > C6H10O6Cu + H2O - алкоголят меди (II)

б) взаимодействие с карбоновыми кислотами с образованием сложных эфиров (реакция этерификации).

C6H12O6+5CH3COOH>C6H7O6(CH3CO)5

2. Свойства, характерные для альдегидов

а) взаимодействие с оксидом серебра ( I ) в аммиачном растворе (реакция "серебряного зеркала"):

C6H12O6 + Аg2O > C6H12O7 +2Agv - глюкоза, глюконовая кислота

б)восстановление (гидрирование) - до шестиатомного спирта (сорбита):

C6H12O6 + H2 > C6H14O6 - глюкоза, сорбит

3. Специфические реакции - брожение:

а) спиртовое брожение (под действием дрожжей):

С6Н12О6 > 2С2Н5ОН + 2СО2 - глюкоза, этиловый спирт

б) молочнокислые брожение (под действие молочнокислых бактерий):

С6Н12О6 > С3Н6О3 - глюкоза, молочная кислота

в) маслянокислое брожение:

С6Н12О6 > С3Н7СООН +2Н2 +2СО2 - глюкоза, масляная кислота

Получение глюкозы.

Первый синтез простейших углеводов из формальдегида в присутствии гидроксида кальция был произведен А.М.Бутлеровым в 1861 году:

са(он)2, 6НСОН > С6Н12О6 - формальдегид глюкоза

На производстве глюкозу чаще всего получают гидролизом крахмала в присутствии серной кислоты:

(С6Н10О5)n + nН2О > nC6H12O6 - крахмал, глюкоза

Применение глюкозы.

Глюкоза является ценным питательным продуктом. В организме она подвергается сложным биохимическим превращениям, в результате которых освобождается энергия, которая накопилась в процессе фотосинтеза. Упрощено процесс окисления глюкозы в организме можно выразить следующим уравнением:

С6Н12О6 + 6О2>6СО2+6H2O+Q

Так как глюкоза легко усваивается организмом, ее используют в медицине в качестве укрепляющего лечебного средства. Широко применяют глюкозу в кондитерском деле (изготовление мармелада, карамели, пряников).

Большое значение имеют процессы брожения глюкозы. Так, например, при квашении капусты, огурцов, молока происходит молочнокислое брожение глюкозы, так же, как при силосований кормов. Если подвергаемая силосованию масса недостаточно уплотнена, то под влиянием проникшего воздуха происходит маслянокислое брожение и корм становится непригоден к применению.

Нахождение в природе и организме человека.

В организме человека глюкоза содержится в мышцах, в крови и в небольших количествах во всех клетках. Много глюкозы находится во фруктах, ягодах, нектаре цветов, особенно много в винограде.

В природе глюкоза образуется в растениях в результате фотосинтеза в присутствии зелёного вещества - хлорофилла, содержащего атом магния. В свободном виде глюкоза содержится почти во всех органах зеленых растений. Особенно ее много в соке винограда, поэтому глюкозу иногда называют виноградным сахаром. Мед в основном состоит из смеси глюкозы с фруктозой.

4. Дисахариды

Дисахариды - кристаллические углеводы, молекулы которых построены из соединённых между собой остатков двух молекул моносахаридов.

Простейшими представителями дисахаридов являются обычный свекловичный или тростниковый сахар - сахароза, солодовый сахар - мальтоза, молочный сахар - лактоза и целлобиоза. Все эти дисахариды имеют одну и туже формулу С12Н22О11.

Сахароза. Основные понятия. Строение молекулы

Опытным путем доказано, что молекулярная формула сахарозы C12H22O11. При исследовании химических свойств сахарозы можно убедиться, что для нее характерна реакция многоатомных спиртов: при взаимодействии с гидроксидом меди (II) образуется ярко-синий раствор. Реакцию «серебряного зеркала» с сахарозой осуществить не удается. Следовательно, в ее молекуле имеются гидроксильные группы, но нет альдегидной.

Но если раствор сахарозы нагреть в присутствии соляной или серной кислоты, то образуются два вещества, одно из которых, подобно альдегидам, реагирует как с аммиачным раствором оксида серебра (I), так и с гидроксидом меди (II). Эта реакция доказывает, что в присутствии минеральных кислот сахароза подвергается гидролизу и в результате образуются глюкоза и фруктоза. Так подтверждается, что молекулы сахарозы состоят из взаимно связанных остатков молекул глюкозы и фруктозы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физические свойства.

Чистая сахароза -- бесцветное кристаллическое вещество сладкого вкуса, хорошо растворимое в воде.

Химические свойства.

Главным свойством дисахаридов, отличающим их от моносахаридов, является способность к гидролизу в кислой среде (или под действием ферментов в организме):

С12Н22О11+Н2О> С6Н12О6+ С6Н12О6

Образовавшуюся в процессе гидролиза глюкозу можно обнаружить реакцией «серебряного зеркала» или при взаимодействии ее с гидроксидом меди (II).

Получение сахарозы.

Сахарозу C12H22O11 (сахар) получают в основном из сахарной свеклы и сахарного тростника. При производстве сахарозы не происходят химические превращения, ибо она уже имеется в природных продуктах. Ее лишь выделяют из этих продуктов по возможности в более чистом виде.

Применение сахарозы.

Сахароза в основном используется в качестве продукта питания и в кондитерской промышленности. Путем гидролиза из нее получают искусственный мед.

5. Полисахариды

Некоторые углеводы представляют собой природные полимеры, состоящие из многих сотен и даже тысяч моносахаридных звеньев, входящих в состав одной макромолекулы. Поэтому такие вещества получили название полисахариды. Наиболее важными среди полисахаридов являются крахмал и целлюлоза. Оба они образуются в растительных клетках из глюкозы, основного продукта процесса фотосинтеза.

Крахмал. Основные понятия. Строение молекулы.

Экспериментально доказано, что химическая формула крахмала (C6H10O5)n, где п достигает нескольких тысяч. Крахмал является природным полимером, молекулы которого состоят из отдельных звеньев C6H10O5. Так как при гидролизе крахмала образуется только глюкоза, то можно сделать вывод, что эти звенья являются остатками молекул б-глюкозы.

Ученым удалось доказать, что макромолекулы крахмала состоят из остатков молекул циклической глюкозы. Процесс образования крахмала можно представить так:

Кроме того, установлено, что крахмал состоит не только из линейных молекул, но и из молекул разветвленной структуры. Этим объясняется зернистое строение крахмала.

Физические свойства.

Крахмал белый порошок, нерастворимый в холодной воде. В горячей воде он набухает и образует клейстер. В отличие от моно- и олигосахаридов полисахариды не обладают сладким вкусом.

Химические свойства.

Качественная реакция на крахмал.

Характерной реакцией крахмала является его взаимодействие с йодом. Если к охлажденному крахмальному клейстеру добавить раствор йода, то появляется синее окрашивание. При нагревании клейстера оно исчезает, а при охлаждении появляется вновь. Этим свойством пользуются при определении крахмала в пищевых продуктах. Так, например, если каплю йода поместить на срез картофеля или ломтик белого хлеба, то появляется синее окрашивание.

Реакция гидролиза:

(С6Н6О5)n + nH2O > nC6H12O6

Получение крахмала.

В промышленности крахмал получают в основном из картофеля, риса или кукурузы.

Применение крахмала.

Крахмал является ценным питательным продуктом. Чтобы облегчить его усвоение, содержащие крахмал продукты подвергают действию высокой температуры, т. е. картофель варят, хлеб пекут. В этих условиях происходит частичный гидролиз крахмала и образуются декстрины, растворимые в воде. Декстрины в пищеварительном тракте подвергаются дальнейшему гидролизу до глюкозы, которая усваивается организмом. Избыток глюкозы превращается в гликоген (животный крахмал). Состав гликогена такой же, как у крахмала, но его молекулы более разветвленные. Особенно много гликогена содержится в печени (до 10%). В организме гликоген является резервным веществом, которое превращается в глюкозу по мере ее расходования в клетках.

В промышленности крахмал путем гидролиза превращают в патоку и глюкозу. Для этого его нагревают с разбавленной серной кислотой, избыток которой затем нейтрализуют мелом. Образовавшийся осадок сульфата кальция отфильтровывают, раствор упаривают и выделяют глюкозу. Если гидролиз крахмала не доводить до конца, то образуется смесь декстринов с глюкозой -- патока, которую применяют в кондитерской промышленности. Получаемые из крахмала декстрины используются в качестве клея, для загустения красок при нанесении рисунков на ткань.

Крахмал применяется для накрахмаливания белья. Под горячим утюгом происходит частичный гидролиз крахмала и превращение его в декстрины. Последние образуют на ткани плотную пленку, которая придает блеск ткани и предохраняет ее от загрязнения.

Нахождение в природе и организме человека.

Крахмал, являясь одним из продуктов фотосинтеза, широко распространен в природе. Для различных растений он является запасным питательным материалом и содержится главным образом в плодах, семенах и клубнях. Наиболее богато крахмалом зерно злаковых растений: риса (до 86%), пшеницы (до 75%), кукурузы (до 72%), а также клубни картофеля (до 24%). В клубнях крахмальные зерна плавают в клеточном соке, поэтому картофель является основным сырьем для получения крахмала.. Для организма человека крахмал наряду с сахарозой служит основным поставщиком углеводов -- одного из важнейших компонентов пищи.

углевод химический молекула глюкоза

Заключение

Биологическое значение углеводов очень велико:

Углеводы выполняют пластическую функцию, то есть участвуют в построении костей, клеток, ферментов. Они составляют 2-3 % от веса. Углеводы выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Целлюлоза образует стенки растительных клеток. Сложный полисахарид хитин служит главным структурным компонентом наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполняет и у грибов. Углеводы являются основным энергетическим материалом (см. ). При окислении 1 грамма углеводов выделяются 4,1 ккал энергии и 0,4 воды. Крахмал у растений и гликоген у животных откладываются в клетках и служат энергетическим резервом. В крови содержится (0,1-0,12%) глюкозы. От концентрации глюкозы зависит осмотическое давление крови. Пентоза (рибоза и дезоксирибоза) участвуют в постоении АТФ. В суточном рационе человека и животных преобладают углеводы. Животные получают крахмал, клетчатку, сахарозу. Хищники получают гликоген с мясом. Ежедневная потребность человека в сахарах составляет около 500 граммов, но она пополняется в основном за счет крахмала, содержащегося в хлебе, картофеле, макаронных изделиях. При рациональном питании суточная доза сахарозы не должна превышать 75 граммов (12 - 14 стандартных кусочков сахара, включая тот, что расходуется на приготовление пищи). Кроме того, углеводы играют значительную роль в современной промышленности технологии и продукты, в которых используются углеводы, не загрязняют окружающей среды, не приносят ей ущерба.

Список литературы

1. А.М. Прохоров, Н.Р. Либерман. Химия: Органическая химия: Учебное пособие для 10 кл. средней школы - Москва, Просвещение - 1993г. - с. 153-154 - ISBN 5-09-014413-3.

2. Электронная энциклопедия Кирилла и Мефодия, 2004г.

3. Васильев А. Справочник школьника, II том, Москва, Издательство Амфора, - 2002 г.- с.23 ISBN: 978-5-367-02141-7

4. Каменский А.А. Биология. Введение в общую биологию и экологию. Учебное пособие для 11кл. средней школы./ Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В.: Издательство «Дрофа» - 2002г. - 176-178 с. - ISBN 5-7107-5287-8

5. Березин И.В. Основы биохимии. Учебное пособие для студентов вузов. Москва, Издательство МГУ - 1990г. - с. 130-160 - ISBN 5-211-00407-8

6. Северин Е.С. Биохимия. Учебное пособие для студентов вузов: Издательство ГЭОТАР-МЕД, Серия: XXIвек - 2004г - с. 26 - ISBN 5-9231-0390-7

Приложение 1.

Углеводы важнейший источник энергии в организме.

Из всех потребляемых человеком пищевых веществ углеводы, несомненно, являются главным источником энергии. В среднем на их долю приходится от 50 до 70% калорийности дневных рационов. Несмотря на то, что человек потребляет значительно больше углеводов, чем жиров и белков, их резервы в организме невелики. Это означает, что снабжение ими организма должно быть регулярным.

Основными углеводами пищи являются сложные сахара, так называемые полисахариды: крахмал и гликоген, построенные из большого числа остатков глюкозы. Сама глюкоза содержится в больших количествах в винограде и сладких фруктах. В меде и фруктах, помимо глюкозы, содержатся значительные количества фруктозы. Обычный сахар, который мы покупаем в магазинах, относится к дисахаридам, так как его молекула построена из остатков глюкозы и фруктозы. В молоке и молочных продуктах содержатся большие количества менее сладкого, молочного сахара лактозы, в состав которого наряду с глюкозой входит и моносахарид галактоза.

Потребности в углеводах в очень большой степени зависят от энергетических трат организма. В среднем у взрослого мужчины, занятого преимущественно умственным или легким физическим трудом, суточная потребность в углеводах колеблется от 300 до 500 г. У работников физического труда и спортсменов она значительно выше. В отличие от белков и в известной степени жиров, количество углеводов в рационах питания без вреда для здоровья может быть существенно снижено. Тем, кто хочет похудеть, стоит обратить на это внимание: углеводы имеют главным образом энергетическую ценность. При окислении 1 г углеводов в организме освобождается 4,0 - 4,2 ккал. Поэтому за их счет легче всего регулировать калорийность питания.

Какие же продукты следует считать главными источниками углеводов? Наиболее богаты углеводами многие растительные продукты: хлеб, крупы, макароны, картофель. Чистым углеводом является сахар. Мед, в зависимости от происхождения, содержит 70-80% моно- и дисахаридов. Его высокая сладость объясняется значительным содержанием фруктозы, сладкие свойства которой примерно в 2,5 раза выше глюкозы и в 1,5 выше сахарозы. Конфеты, пирожные, торты, варенье, мороженое и другие сладости являются наиболее привлекательными источниками углеводов и представляют несомненную опасность для полнеющих людей. Отличительной особенностью этих продуктов является высокая калорийность и низкое содержание незаменимых факторов питания.

Размещено на Allbest.ru