Углеводы. Строение и свойства моносахаридов
Углеводы как альдегиды и кетоны многоатомных спиртов и их полимеры. Химическая природа моносахаридов и дисахаридов. Оптические изомеры углеводов. Характеристика типичных представителей моносахаридов. Гиалуроновая кислота и ее значение для организма.
| Рубрика | Химия |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 18.03.2017 |
| Размер файла | 186,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Углеводы. Строение и свойства моносахаридов
Углеводами называют альдегиды и кетоны многоатомных спиртов и их полимеры.
Их общая формула СmH2nOn.
В растительных организмах на долю углеводов приходится - 80-90 процентов массы, в животных около 2. По отношению к гидролизу углеводы принято делить на 3 группы:
1.Моносахариды. Не подвергаются гидролизу.
2.Олигосахариды. При гидролизе образуют от 2 до 10 остатков моносахаридов.
3. Полисахариды. При гидролизе образуют от 10 до тысяч и сотен тысяч остатков моносахаридов.
По химическому строению углеводы принято делить на альдозы - альдегидо-спирты и кетозы - кетоноспирты.
Моносахаридами являются полигидроксикарбонильные соединения общей формулы Сn(H2O)n. Кроме гидроксильных и карбонильных групп они могут содержать тиольные, карбоксильные, аминогруппы. К моносахаридам относят также продукты их окисления или восстановления, лишенные карбонильной группы. Моносахариды в своих молекулах содержат от 4 до 10 атомов углерода. Наиболее часто встречаются моносахариды с 5-6 атомами углерода. По числу атомов углерода моносахариды делят на триозы - 3, тетрозы - 4, пентозы - 5, гексозы - 6, гептозы - 7 атомов углерода. Углеводы, с одержащие более 7 атомов углерода называют высшими сахарами.
Исторические названия, обычно присваивают на основании характерного свойства углевода, с окончанием - оза для альдоз и -улоза для кетоз.
По химической природе моносахариды являются полифункциональными соединениями. Для них характерно явление изомерии.
1. По химическому строению различают альдозы и кетозы.
2. Оптическая изомерия. Молекулы углеводов содержат хиральные атомы углерода. Количество оптических изомеров ( N = 2n ).
Оптические изомеры углеводов делят на два ряда: D и L в соответствии со строением D и L-глицеринового альдегида.
Отнесение углеводов к D или L-ряду производят по последнему хиральному атому углерода. Если гидроксильная группа расположена справа от углеродной цепи, то это D-энантиомерная форма, если слева - это L-форма. В природе преобладают D-изомеры, исключением является L-арабиноза, также L-сахара встречаются у бактерий.
Эквимолярная смесь энантиомеров (D- и L-форм) называется рацемической смесью и не обладает оптической активностью. Принадлежность к D или L-ряду не определяет знака вращения.
Диастереомеры - это стереоизомеры, отличаюшиеся строением у разных атомов углерода. Они обладают различными физическими свойствами. Диастереоизомеры, отличающиеся по конфигурации только при одном из нескольких хиральных атомов углерода называются эпимерами.
Известно, что в природе только небольшая часть пентоз и гексоз содержит открытую цепь атомов, а большинство молекул находится в виде циклических форм.
При замыкании молекулы в цикл происходит образоване полуацеталя или полукеталя в результате внутримолекулярной реакции. При этом образуются пятичленные - фуранозные циклы или шестичленные пиранозные циклы.
Для пентоз характерно образование фуранозного цикла, а для гексоз - пиранозного. Образование семичленных циклов наблюдается редко в связи с внутренним напряженем. При образовании циклических форм еще один атом углерода становится хиральным и образуется еще пара изомеров, которые называют аномерами или - и -формами.
Атом углрода, принимающий участие в образованиии полуацеталя называется полуацетальным или аномерным, а образующийся гидроксил называют полуацетальным или гликозидным. Аномеры отличаются только расположением гликозидного гидроксила в пространстве.
- форма -форма
Если полуацетальный гидроксил и гидроксил последнего хирального атома углерода расположены по одну сторону плоскости углеродной цепи (цис-положение) то это будет -форма, по разные - -форма.
В растворах гексоз присутствуют 4 циклические формы и 1 карбонильная. Например, в растворе глюкозы 1 % составляет альдегидная форма, 36% - -формы и 64% - -формы.
В 1927 г. Хеуорс В. предложил более простой способ изображения циклических форм. Углеродный скелет молекулы вместе с атомом кислорода гетероцикла лежат в одной плоскости. Связи, расположенные ближе к наблюдателю обозначают более жирными линиями. Атомы углерода в кольце не пишутся. Для обозначения конфигурации замещающих групп их располагают над и под плоскостью кольца.
углевод моносахарид гиалуроновая кислота
При переходе от линейных формул Фишера к формулам Хеуорса используют следующие правила:
1. Заместители, находящиеся справа от углеродного скелета линейной молекулы, располагают под плоскостью кольца в циклической форме, а заместители, находящиеся слева располагают над плоскостью клольца.
2. Обратное правило применяют для углеродного атома, гидроксил которого принимает участие в образовании циклического полуацеталя.
В природе пирановое кольцо не является плоским и образует 8 стабильных конформаций: 6 - в виде лодки, 2 - в виде кресла. Кресло является более жесткой устойчивой конформацией, а лодкаболее подвижной. Экваториальные гидроксилы этерифицируются легче, чем аксиальные.
Конформации фуранозного кольца изучены хуже. Оно может существовать в виде конверта и скрученной твист-формы.
По физическим свойствам моносахариды - это твердые, бесцветные, кристаллические вещетва, обладающие сладким вкусом.
1. Действие кислот.
Углеводы устойчивы к действию разбавленных кислот. С концентрированными кислотами происходит дегидратация с образованием фурфуралей:
Фурфуролы с фенолами дают окрашенные продукты.
2. Под действием щелочей происходит эпимеризация (мутаротация):
3. При восстановлении углеводов образуются многоатомные спирты: глюкоза - сорбит, манноза - маннит.
4. Окисление. Альдозы легко окисляются такими слабыми окислителями как Ag(NH3)2OH и Cu(OH)2, жидкостью Фелинга. Процесс окисления приводит к образованию трех типов сахарных кислот:
альдоновые альдаровые альдуроновые
глюконовая к-та глюкаровая (сахарная) глюкуроновая
Альдоновые кислоты образуются при действии слабых окислителей - бромная вода, ферменты. При более сильном окислении (азотная кислота) окисляются спиртовая и альдегидная группы с образованием альдаровых кислот. Глюкоза образует сахарную кислоту, галактоза - галактаровую (слизевую). Альдуроновые кислоты входят в состав полисахаридов.
5. Образование озазонов в реакции с фенилгидразином.
6. Реакции спиртовых гидроксилов:
алкилирование, образование сложных эфиров с органическими и минеральными кислотами. Особенно важны фосфорнокислые эфиры глюкозы и фруктозы.
7. Реакции полуацетальных гидроксилов - образование гликозидов. Несахарная часть гликозида называется агликон. Реакция идет со спиртами и молекулами углеводов. В результате последней реакции образуются ди- и полисахариды.
8. Брожение. Этот процесс происходит под действием микроорганизмов с образованием различных низкомолекулярных продуктов. Наибольшее значение имеют спиртовое, молочнокислое, маслянокислое, уксуснокислое и лимоннокислое брожение.
Из триоз представителями являются глицериновый альдегид и диоксиацетон, которые ен встречаются в свободном виде. К тетрозам относится D-эритроза, которая является промежуточным продуктом фотосинтеза.
В свободном виде пентозы встречаются редко, они входят в состав сложных углеводов, нуклеиновых кислот, образуются в реакциях обмена углеводов.
L-арабиноза входит в состав гемицеллюлоз, пектиновых веществ, слизей, гумми. D-арабиноза входит в состав полисахаридов бактерий, гликозидов. D-ксилоза - древесный сахар входит в состав гемицеллюлоз. Большие количества содержатся в соломе, отрубях, кукурузных кочерыжках (12%). Из нее получают ксилит, сладкий вкус которого - 40 ед. Он используется в питании больных сахарным диабетом как заменитель сахара.
D-эритроза L-арабиноза D-ксилоза
Строение и свойства моносахаридов. В состав нуклеиновых кислот и нуклеотидов входят D-рибоза и D-2-дезоксирибоза.
D-рибоза D-дезоксирибоза
Многие представители гексоз встречаются в свободном виде и играют важную роль в жизнедеятельности.
D-глюкоза или виноградный сахар в свободном ввиде в большом количестве содержится во фруктах, меде, ягодах, встречается в растениях содержится в крови человека и животных, входит в состав олиго- и полисахаридов, гликозидов. В крови человека содержание глюкозы постоянно в пределах 0,07 - 0,11%. Сладкий вкус - 74 ед.
D-фруктоза или плодовый сахар (левулеза) в свободном виде содержится в плодах, меде, нектаре, зеленых частях растений. Она входит в состав сложных углеводов.
D-галактоза входит в состав дисахаридов олиго- и полисахаридов растительного и животного происхождения.
D-манноза входит в состав гемицеллюлоз и слизей растений и сложных полисахаридов и гликопротеинов животных организмов и бактерий.
Гептозы и другие высшие сахара встречаются в растениях в качестве промежуточных продуктов синтеза и распада углеводов.
Дисахариды. По химическим свойствам дисахариды делят на две группы: восстанавливающие и не восстанавливающие. Восстанавливающие дисахариды имеют свободную алдегидную группу.
Дисахариды, у которых остаток моносахарида присоединяется к гликозидному радикалу основного моносахарида по месту своего гликозидного гидроксила, называют гликозидо-гликозидами, а тип связи гликозидо-гликозидным. Эти дисахариды не обладают восстановительными свойствами.
Если молекула дисахарида образуется из двух молекул моносахаридов посредством кислородного мостика от гликозидного гидроксила одногомоносахарида к любому другому гидроксилу, то такой дисахарид называется гликозидо-глюкозидным. Он обладает восстановительными свойствами.
Для восстанавливающих олигосахаридов за основу названия принимается моносахаридный остаток со свободным полуацетальным гидроксилом, а все связанные с ним звенья считаются заместителями. Указываются места замещения и конфигурация связанных моносахаридов. У не восстанавливающих сахаров все соединение рассматривается как гликозид.
Окончание "оза" в названиях моносахаридов меняется у моносахаридов-заместителей на "ил", а у моносахаридов, принятых за основу на "ид", если остаток не содержит свободного полуацетального гидроксила. Если таковой имеется, то остается окончание "оза".
По составу дисахариды бывают гомо- и гетеродисахаридами.
Все дисахариды подвергаются гидролизу с образованием моносахаридов.
Характеристика дисахаридов. Мальтоза. Мальтоза или солодовый сахар состоит из двух молекул -D-глюкозы, соединенных в положении 1-4. Это -D-глюкопиранозил-1,4--D-глюкопираноза. Мальтоза образуется при ферментативном расщеплении крахмала.
Целлобиоза. молекула состоит из двух остатков -D-глюкозы: и-D-глюкопиранозил-1,4--D-глюкопираноза. Она является основной структурной единицей целлюлозы:
Лактоза. Молочный сахар. Это -D-галактопиранозил-1,4--D-глюкопираноза. Ее сладкий вкус составляет 16 %.
В коровьем молоке содержится 4-5,5% , в женском - 5,5-8,4% лактозы.
Сахароза. Молекула сахарозы состоит из остатков -D-глюкозы и -D-фруктозы, соединенных в положении 1-2. Систематическое название: -D-глюкопиранозил-1,2--D-фруктофуранозид.
Сахароза широко распространена в природе, содержится в листьях, стеблях, плодах, клубнях растений. Большое количество сахарозы содержит сахарная свекла (24%) и сахарный тростник (20%). Эти растения служат для промышленного получения сахарозы - свекловичного или тростникового сахара. Сахароза является
ценным пищевым продуктом и используется в кондитерской промышленности. Сахароза очень легко гидролизуется в кислой среде с образованием инвертного сахара (смесь глюкозы и фруктозы). Сладкий вкус сахарозы принят за 100 единиц.
Трегалоза. Грибной сахар - -D-глюкопиранозил-1,1--D-глюкопиранозид. Содержится в грибах, водорослях, гемолимфе насекомых.
Олигосахариды. Трисахариды. В соке хвойных содержится мелецитоза. Она состоит из остатков глюкозы, фруктозы и глюкозы. Рафиноза состоит из -галактозы, -глюкозы, -фруктозы. Она содержится в сахарной свекле, семенах хлопка. Генцианоза содержит глюкозу, глюкозу и фруктозу. Она втречается в корнях и стеблях растений.
Трисахариды выполняют функцию резервных и транспортных форм углеводов у растений.
Тетрасахариды. Стахиоза. Состоит из галактозы, галактозы, глюкозы и фруктозы. Содержится в луковицах и корнях, семенах бобовых.
Полисахариды. Полисахариды по строению делят на гомополисахариды, молекулы которых состоят из остатков одного моносахарида и гетерополисахариды, состоящие из остатков различных моносахаридов.
Гомополисахариды. Крахмал. Крахмал состоит из остатков -D-глюкозы. Крахмал является запасным полисахаридом растений. Рис содержит 30% крахмала, пшеница - 75-80%, картофель - 25%. Крахмал неоднороден и состоит из амилозы и амилопектина.
Амилоза растворима в горячей воде и является, в основном, линейным полимером, в котором остатки D-глюкопиранозы, соединены 1-4 связями. М = 60.000 - 400.000. Картофельный крахмал содержит 20-25% , яблоки - 100%.
Амилопектин состоит из сильно разветвленных цепей глюкопиранозы. Ветвление наблюдается примерно через 20 остатков. В местах ветвления образуются 1-6 связи. М = 20х106.
Амилопектин при нагревании в воде образует вязкие растворы. При гидролизе крахмала и его нагревании в отсутствии кислорода образуются декстрины - полисахариды различной молекулярной массы.
Крахмал является ценным пищевым продуктом и широко используется в пищевой, текстильной, кожевенной промышленности, медицине.
Гликоген. Гликоген называют животным крахмалом. Он является запасным полисахаридом человека и животных, встречается в грибах, микроорганизмах и некоторых растениях -сахарная кукуруза. В печени содержится до 10% гликогена, в мышцах до 4% (в тренированных до 10%). По строению гликоген сходен с амилопектином, но его молекулы более плотно упакованы и имеют большую молекулярную массу. М = 3х105 -1х108. У гликогена ветвление идет через 8-12 звеньев. Форма молекулы гликогена близка к сферической.
Целлюлоза. Целлюлоза широко распространена в растительном мире. Она содержится в листьях - 30%, древесине - 50%, хлопке до 80%. В древесине вместе с целлюлозой находятся гемицеллюлозы и лигнин. Гемицеллюлозы - это полисахариды пентоз.
Целлюлоза состоит из остатков -D-глюкопиранозы, соединенных в положении 1,4.
Молекулы целлюлозы линейные и в растительных тканях располагаются параллельно друг другу. За счет водородных связей образуются микрофибриллы. Микрофибриллы вместе с сопровождающими веществами образуют клеточные стенки растений, обладающие большой прочностью.
Молекулярная масса определена приблизительно 0,5 до 20 млн. Количество остатков глюкозы может достигать в молекуле 2-12 тысяч.
Целлюлоза является очень прочным в механическом и химическом отношении веществом. Она растворяется в реактиве Швейцера (аммиачный раствор гидроксида меди) и концентрированной серной кислоте.
Целлюлоза образует различные производные.
Азотнокислые эфиры целлюлозы являются основой коллоидной ваты (каллоксилин - ди- и моно-эфиры), целлулоида (каллоксилин, камфора, спирт), пироксилина (тринитроцеллюлоза) - сильного взрывчатого вещества.
Ацетаты и ксантогенаты целллюлозы используются для получения ацетатного шелка и вискозы.
Целлюлоза используется для производства бумаги, хлопчато-бумажных тканей, перевязочных средств. Широкое применение находит древесина.
Инулин. Инулин состоит из остатков -D-фруктозы. Большое количество инулина содержится в клубнях сложноцветных, где он заменяет крахмал. Топинамбур содержит до 50% инулина. Его значительные количества накапливают цикорий, скорцинер, георгины. Инулин используется при питании больных сахарным диабетом, диагностике почек.
Декстраны. Это запасные полисахариды некоторых видов бактерий. Они состоят из остатков глюкозы, соединенных, в основном, 1-6 связями. М = 5 млрд. 10-12 остатков глюкозы соединены в цепочки 1-6 связями, между собой цепочки соединены 1-2, 1-3 и 1-4 связями. Декстраны используются в качестве кровезаменителей. Их производные - сефадексы используются в качестве адсорбентов (сефароза).
Пектиновые вещества. Они находятся в растениях и водорослях. Состоят из нерастворимого протопектина и растворимого пектина. Они образуют нерастворимые стенки и матрикс, растворимые входят в состав сока. Нерастворимый пектин является метиловым эфиром полигалактуроновой кислоты. Он содержится вместе с другими соединенями - галактаном, целлюлозой, солями кальция, магния, фосфорной кислоты.
Нерастворимый пектин переходит в растворимый при созревании плодов, под действием разбавленных кислот или фермента протопектиназы.
В присутствии кислоты (рН=3,1-3,5) и 60-70% сахара пектиновые вещества образуют студни, что используется в кондитерской промышленности. Разрушение пектиновых веществ происходит при мочке льна, что способствует отделению волокон.
Пектиновые вещества регулируют работу кишечника, обладают свойством детоксикации, особенно ионов тяжелых металлов.
Хитин. Составляет часть покровных тканей насекомых и ракообразных, клеточных оболочек грибов.
Хитин связан с белками, неорганическими солями, липидами, пигментами. Он состоит из остатков и-D-N-ацетилглюкозамина, связанных 1-4 связью.
Гетерополисахариды. Камеди. Эти полисахариды выделяются в виде вязких растворов и превращаются в стекловидную массу. Камеди содержат остатки галактозы, галактуроновой кислоты, арабинозы. К ним относятся вишневый, сливовый, абрикосовый клеи, гуммиарабик.
Слизи. По строению сходны с камедями. Присутствуют в неповрежденных растениях и являются продуктами метаболизма. Находятся в коре, листьях, корнях.
Агар-агар. Содержится в некоторых морских водорослях, например багряной водоросли анфельции. Он растворяется при нагревании и застывает в виде геля. Это свойство агар-агара используется в микробиологии и кондитерской промышленности. Состоит из смеси агарозы и агаропектина. Агароза состот из остатков D-галактозы и ангидрида галактозы. В состав агаропектина входят частично сульфированные остатки галактопиранозы.
Гемицеллюлозы. Молекулы гемицеллюлоз имеют ветвистое строение. В их состав входят остатки D-ксилозы, арабинозы, галактозы и уроновых кислот. Содержатся в одревесневших частях растений - соломе, скорлупе орехов, семенах, отрубях, початках. Гемицеллюлозы используются для получения спиртов, бумаги, антибиотиков.
Гликозаминогликаны. Мукополисахариды это старое название, в настоящее время употребляется редко. Молекулы гликозаминогликанов содержат чередующиеся парные звенья, состоящие из аминосахаров и гексуроновых кислот, реже моносахаридов. Они обладают большой молекулярной массой. В организме гликозаминогликаны всегда связаны с белками. Они образуют основное вещество внеклеточного матрикса соединительной ткани.
Гиалуроновая кислота. Содержится во многих видах соединительной ткани: пупочном канатике, стекловидном теле глаза, синовиальной жидкости, коже. Она служит смазкой в суставах, препятсвует проникновению инфекций. Из гиалуроновой кислоты вырабатыают капсулу некоторые бактерии.
Основой молекулы гиалуроновой кислоты служит дисахарид, состоящий из и-D-глюкуроновой кислоты и -N-ацетил-D-глюкозамина, соединенных 1-3 связью. Дисахаридные фрагменты связаны 1-4 связью.
Хондроитинсульфаты. Они служат основными структурными компонентами хрящевой ткани, сухожилий, роговицы глаз, содержатся в коже, костной ткани. Молекулы хондроитинсульфатов состоят из повторяющихся звеньев дисахарида, состоящего из -D-глюкуроновой кислоты и -D-N-ацетилгалактозамина, соединенных 1-3 связью. Звенья связаны в положении 1-4. Остатки сульфатированы в положение 4 или 6.
Дерматансульфаты содержат идуроновую кислоту (стереоизомер глюкозы в положении С-5). Они стабилизируют волокна коллагена.
Кератансульфаты входят в состав хрящей, роговицы глаза. Молекулы состоят из дисахаридных фрагментов, содержащих D-галактозу и N-ацетилглюкозамино-6-сульфата, соединенных 1-4 связью. Дисахаридные звенья связаны в положении 1-3.
Гепарин. Это полисахарид, прпятствующий свертыванию крови. Он участует в обмене липидов и холестерина. Его углеводная составляющая включает повторяющиеся тетрасахаридные фрагменты, состоящие из двух связанных 1-4 связью дисахаридов. 1 - L-идуроновая кислота и сульфированный в положение С-2 N-ацетилглюкозамин. 2 - -D-глюкуроновая кислота и N-ацетилглюкозамин, сульфированный в положение 6.
Аналогичное строение имеет гепарансульфат, который служит антикоагулянтом у тромбоцитов и эндотелиальных клеток.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Формула углеводов, их классификация. Основные функции углеводов. Синтез углеводов из формальдегида. Свойства моносахаридов, дисахаридов, полисахаридов. Гидролиз крахмала под действием ферментов, содержащихся в солоде. Спиртовое и молочнокислое брожение.
презентация [487,0 K], добавлен 20.01.2015Углеводы - гидраты углерода. Простейшие углеводы называют моносахаридами, а при гидролизе которых образуются две молекулы моносахаридов, называют дисахаридами. Распространенным моносахаридом является D-глюкоза. Превращение углеводов - эпимеризацией.
реферат [90,0 K], добавлен 03.02.2009Применение синтеза моносахаридов по методу Килиани-Фишера для увеличения длины углеродной цепи альдозы на один атом углерода. Деградация альдоз по Руффу - декарбокислирование соли гликоновой кислоты. Мутаротация и химические свойства моносахаридов.
реферат [121,6 K], добавлен 21.02.2009Углеводы как органические вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, знакомство с классификацией: олигосахариды, полисахариды. Характеристика представителей моносахаридов: глюкоза, фруктовый сахар, дезоксирибоза.
презентация [1,6 M], добавлен 18.03.2013Органические вещества, в состав которых входит углерод, кислород и водород. Общая формула химического состава углеводов. Строение и химические свойства моносахаридов, дисахаридов и полисахаридов. Основные функции углеводов в организме человека.
презентация [1,6 M], добавлен 23.10.2016Строение углеводов. Механизм трансмембранного переноса глюкозы и других моносахаридов в клетке. Моносахариды и олигосахариды. Механизм всасывания моносахаридов в кишечнике. Фософорилирование глюкозы. Дефосфорилирование глюкозо-6-фосфата. Синтез гликогена.
презентация [1,3 M], добавлен 22.12.2014Изучение строения, классификации и физико-химических свойств углеводов. Роль моносахаридов в процессе дыхания и фотосинтеза. Биологическая роль фруктозы и галактозы. Физиологическая роль альдозы или кетозы. Физические и химические свойства моносахаридов.
курсовая работа [289,2 K], добавлен 28.11.2014Общая характеристика, классификация и номенклатура моносахаридов, строение их молекул, стереоизомерия и конформации. Физические и химические свойства, окисление и восстановление глюкозы и фруктозы. Образование оксимов, гликозидов и хелатных комплексов.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 24.08.2014Определение сахара в сухих винах с использованием колоночной хроматографии. Химические свойства моносахаридов и полисахаридов. Фотоколориметрическое определение общего сахара в кондитерских изделиях. Определение крахмала в зерновом сырье по методу Эверса.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 29.06.2014Разработка урока по расширению знаний об углеводах, изучению строения и свойств глюкозы. Проведение химического эксперимента по взаимодействию раствора глюкозы с гидроксидом меди и аммиачным раствором оксида серебра. Тестовые упражнения, задание на дом.
презентация [440,8 K], добавлен 31.10.2009
