Химическая технология биологически активных соединений

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

глюкоза белковый молекула

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Химическая технология биологически активных соединений

Студент Шевченко Е.В.

Введение

Углеводы являются важным источником энергии для организма, участвуют в обмене веществ. Основными источниками углеводов являются растительные продукты.

Рассмотрим классификацию углеводов. В зависимости от числа остатков моносахаридов в молекуле делятся на моносахариды, дисахариды и полисахариды.

Рассмотрим углеводы группы моносахаридов - это простые углеводы, которые не гидролизуются. В зависимости от числа атомов углерода подразделяются на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы. Для человека наиболее важны глюкоза, фруктоза, галактоза, рибоза, дезоксирибоза. В данной работе рассмотрим одного из представителей моносахаридов - глюкозу.

Биологическая роль

Глюкоза - основной продукт фотосинтеза, образуется в цикле Кальвина.

В организме человека и животных глюкоза является основным и наиболее универсальным источником энергии для обеспечения метаболических процессов. Способностью усваивать глюкозу обладают все клетки организма животных. В то же время, способностью использовать другие источники энергии - например, свободные жирные кислоты и глицерин, фруктозу или молочную кислоту - обладают не все клетки организма, а лишь некоторые их типы.

Транспорт глюкозы из внешней среды внутрь животной клетки осуществляется путём активного трансмембранного переноса с помощью особой белковой молекулы - переносчика (транспортёра) гексоз.

Глюкоза в клетках может подвергаться гликолизу с целью получения энергии в виде АТФ. Первым ферментом в цепи гликолиза является гексокиназа. Активность гексокиназы клеток находится под регулирующим влиянием гормонов - так, инсулин резко повышает гексокиназную активность и, следовательно, утилизацию глюкозы клетками, а глюкокортикоиды понижают гексокиназную активность.

Многие отличные от глюкозы источники энергии могут быть непосредственно конвертированы в печени в глюкозу - например, молочная кислота, многие свободные жирные кислоты и глицерин, или свободные аминокислоты, прежде всего, наиболее простые из них, такие, как аланин. Процесс образования глюкозы в печени из других соединений называется глюконеогенезом.

Те источники энергии, для которых не существует пути непосредственного биохимического превращения в глюкозу, могут быть использованы клетками печени для выработки АТФ и последующего энергетического обеспечения процессов глюконеогенеза, ресинтеза глюкозы из молочной кислоты, либо энергообеспечения процесса синтеза запасов полисахарида гликогена из мономеров глюкозы. Из гликогена путём простого расщепления опять-таки легко производится глюкоза.

В связи с исключительной важностью поддержания стабильного уровня глюкозы в крови, у человека и многих других животных существует сложная система гормональной регуляции параметров углеводного обмена.

При окислении 1 грамма глюкозы до углекислого газа и воды выделяется 17,6 кДж энергии.

Запасённая максимальная «потенциальная энергия» в молекуле глюкозы в виде степени окисления ?4 атома углерода (С?4) может повыситься при метаболических процессах до С+4 (в молекуле CO2). Её восстановление на прежний уровень могут осуществлять автотрофы.

Строение молекулы глюкозы

О строении молекулы глюкозы можно судить на основании опытных данных. Она реагирует с карбоновыми кислотами, образуя сложные эфиры, содержащие от 1 до 5 остатков кислоты. Если раствор глюкозы прилить к свежеполученному гидроксиду меди(II), то осадок растворяется и образуется ярко-синий раствор соединения меди, т.е. происходит качественная реакция на многоатомные спирты. Следовательно, глюкоза является многоатомным спиртом. Если же подогреть полученный раствор, то вновь выпадает осадок, но уже красноватого цвета, т.е. произойдет качественная реакция на альдегиды. Аналогично если раствор глюкозы нагреть с аммиачным раствором оксида серебра, то произойдет реакция «серебряного зеркала». Следовательно, глюкоза является одновременно многоатомным спиртом и альдегидом -альдегидо-спиртом. Попробуем вывести структурную формулу глюкозы. Всего атомов углерода в молекуле шесть C6H12O6.

Один атом входит в состав альдегидной группы:

Остальные пять атомов углерода связываются с пятью гидроксильными группами. И наконец, атомы водорода в молекуле распределим с учетом того, что углерод четырехвалентен:

Однако установлено, что в растворе глюкозы, помимо линейных (альдегидных) молекул, существуют молекулы циклического строения, из которых состоит кристаллическая глюкоза. Превращение молекул линейной формы циклическую можно объяснить, если вспомнить, что атомы углерода могут свободно вращаться вокруг у-связей, расположенных под углом 109 градусов 28 минут. При этом альдегидная группа (1-й атом углерода) может приблизиться к гидроксильной группе пятого атома углерода. В первой под влиянием гидроксильной группы разрывается р-связь: к атому кислорода присоединяется атом водорода и «потерявшийся» этот атом кислород гидроксидной группы замыкает цикл:

В результате такой перегруппировки атомов образуется циклическая молекула. Циклическая формула показывает не только порядок связи атомов, но и их пространственное расположение. В результате взаимодействия первого и пятого атомов углерода появляется новая гидроксильная группа у первого атома, которая может занять в пространстве два положения: над и под плоскостью цикла, а потому возможны две циклические формы глюкозы: а) альфа форма глюкозы - гидроксильная группы при первом и втором атомах углерода расположены по одну сторону кольца молекулы и б) бета-форма глюкозы - гидроксильной группы находятся по разные стороны кольца молекулы:

В водном растворе глюкозы в динамическом равновесии находятся три ее изомерные формы - циклическая альфа-форма, линейная (альдегидная) форма и циклическая бета-форма:

В установившемся динамическом равновесии преобладает бета - форма (около 63%), так как она энергетически предпочтительнее - у нее OH - группы у первого и второго углеродных атомов по разные стороны цикла. У б - формы (около 37%) OH-группы у тех же углеродных атомов расположенных по одну сторону плоскости, поэтому она энергетически менее устойчива, чем в - форма. Доля же линейной формы в равновесии очень мала (всего около 0,0026%).

Динамическое равновесие можно сместить. Например, при действии на глюкозу аммиачного раствора оксида серебра количество ее линейной (альдегидной) формы, которой в растворе очень мало, пополняется все время за счет циклическихформ, и глюкоза полностью подвергается окислению до глюконовой кислоты:

Изомером альдегидоспирта глюкозы является кетоноспирт- фруктоза:

Физико-химические свойства, применение и технология получения глюкозы

Глюкоза была открыта в начале XIX века английским врачом, химиком и философом Уильямом Праутом. Широкую известность данное вещество получило после того, как в 1819 году Анри Бракконо извлек его из древесных опилок.

Как и все моносахариды, глюкоза является гетерофункциональным соединением (в состав молекулы входят несколько гидроксильных и одна карбоксильная группа). В случае глюкозы карбоксильной группой является альдегидная.

Общая формула глюкозы C6H12O6. Молекулы данного вещества имеют циклическое строение и два пространственных изомера альфа- и бета-формы. В твердом состоянии практически на 100% преобладает альфа форма. В растворе же более устойчива бета-форма (она занимает приблизительно 60%). Глюкоза является конечным продуктом гидролиза всех поли- и дисахаридов, то есть получение глюкозы происходит в подавляющем количестве случаев именно данным путем.

Глюкоза С6Н12О6 - моносахарид, не гидролизующийся с образованием более простых углеводов.

Как видно из структурной формулы, глюкоза является одновременно многоатомным спиртом и альдегидом, то есть альдегидоспиртом. В водных растворах глюкоза может принимать циклическую форму.

Физические свойства

Глюкоза - бесцветное кристаллическое вещество со сладким вкусом, хорошо растворимое в воде. По сравнению со свекловичным сахаром менее сладкая. Она встречается почти во всех органах растения: в плодах, корнях, листьях, цветах; особенно много глюкозы в соке винограда и спелых фруктах, ягодах; глюкозаесть в животных организмах; в крови человека ее содержится примерно 0,1 %.

Особенности строения глюкозы:

1.Состав глюкозы выражается формулой: С6Н12O6, она принадлежит к многоатомным спиртам.

2. Если раствор этого вещества прилить к свежеосажденному гидроксиду меди (II), образуется ярко-синий раствор, как в случае глицерина.

Опыт подтверждает принадлежность глюкозы к многоатомным спиртам.

3. Существует сложный эфир глюкозы, в молекуле которого пять остатков уксусной кислоты. Из этого следует, что в молекуле углевода пять гидроксильных групп. Этот факт объясняет, почему глюкоза хорошо растворяется в воде и имеет сладкий вкус. Если раствор глюкозы нагреть с аммиачным раствором оксида серебра (I), то получится характерное «серебряное зеркало». Шестой атом кислорода в молекуле вещества входит в состав альдегидной группы.

4. Чтобы составить полное представление о строении глюкозы, надо знать, как построен скелет молекулы. Поскольку все шесть атомов кислорода входят в состав функциональных групп, следовательно, атомы углерода, образующие скелет, соединены друг с другом непосредственно.

5. Цепь атомов углерода прямая, а не разветвленная.

6. Альдегидная группа может находиться только в конце неразветвленной углеродной цепи, и гидроксильные группы могут быть устойчивы, находясь лишь у разных атомов углерода.

Таутомерное равновесие для D-глюкозы в проекциях Фишера может быть представлено схемой:

Химические свойства

В соответствии с химическим строением моносахариды могут проявлять свойства карбонильных соединений (альдегидов и кетонов), спиртов и полуацеталей.

Реакции карбонильных форм моносахаридов

а) Окисление. Монозы легко окисляются, причем в зависимости от условий окисления образуются различные продукты.

Пример окисления глюкозы:

С помощью сильного окислителя - концентрированной азотной кислоты - концевые группы альдоз (альдегидная и первичноспиртовая) одновременно окисляются в карбоксильные группы, образуя гликаровые кислоты (называемые также сахарными):

Подобно обычным альдегидам, альдозы легко дают реакцию “серебряного зеркала” с аммиачным раствором оксида серебра (реактив Толленса):

б) Восстановление. При восстановлении моноз образуются многоатомные спирты, называемые альдитами (глицитами). Эти кристаллические, легко растворимые в воде вещества обладают сладким вкусом и часто используются как заменители сахара (ксилит, сорбит).

Глюкоза при восстановлении дает шестиатомный сахароспирт сорбит:

Реакции с участием гидроксильных групп

Гидроксильные группы имеются в открытых и циклических формах моноз, но содержание циклических форм значительно выше, поэтому реакции идут в циклических (полуацетальных) формах:

Гидроксилы отличаются по реакционной способности: С1-ОН-гликозидный (наиболее реакционноспособный); С6 - первичный; С2-С4 - вторичные.

Реакции с участием гликозидного гидроксила

При взаимодействии моносахаридов с гидроксилсодержащими соединениями (спиртами, фенолами и др.) в условиях кислотного катализа образуются производные только по гликозидной ОН-группе - циклические ацетали, называемые гликозидами. Cпиртовые гидроксилы моноз в этих условиях не реагируют.

б) Алкилирование углеводов приводит к алкилгалагенидам:

в-D-глюкопиранозапентаметиловый эфир

-в-D-глюкопиранозы

в) Синильная кислота присоединяется к карбоновой группе глюкозы с образованием двух диастереоизомерных оксинитрилов.

Оксинитрил D-глюкозы

в) Действие щелочей приводит к изомеризации моноз в смесь сахаров, отличающихся строением или конфигурацией первого и второго атомов углерода. Так, из глюкозы, маннозы или фруктозы получается равновесная смесь этих трёх сахаров:

Происходящее при этих превращениях изменение конфигурации у второго углеродного атома альдоз носит название эпимеризации, а альдозы, отличающиеся лишь конфигурацией второго углеродного атома - эпимерами.

Брожение сахаров

Брожение - это сложный процесс расщепления моносахаридов с выделением СО2 под действием ферментов. Брожению подвергаются сахара, у которых число атомов углерода кратно трем (гексозы).

Брожение гексоз различной конфигурации происходит с неодинаковой легкостью. Существуют и другие виды брожения.

Процессы брожения сахаров играют важную роль и широко используются в промышленности.

Различают разные виды брожения:

Образование дисахаридов, полисахаридов

Гликозидная связь имеет очень важное биологическое значение. С помощью этой связи осуществляется ковалентное связывание моносахаридов в составе олиго- и полисахаридов:

?

Качественная реакция многоатомных спиртов

Прильём к раствору глюкозы несколько капель раствора сульфата меди (II) и раствор щелочи. Осадка гидроксида меди не образуется. Раствор окрашивается в ярко-синий цвет. В данном случае глюкоза растворяет гидроксид меди (II) и ведет себя как многоатомный спирт, образуя комплексное соединение - ярко синего цвета. 

(глюкозат меди (II) - синий раствор)

Получение и применение глюкозы

Первый синтез глюкозы

1.Первый синтез глюкозы из формальдегида в присутствии гидроксида кальция был произведён Бутлеровым в 1861 году: (реакция Бутлерова)

2. Гидролиз крахмала.

Применение глюкозы в промышленности:

- в медицине ее используют в качестве укрепляющего лечебного средства при явлениях сердечной слабости, шоке. Она входит в состав кровозаменяющих и противошоковых жидкостей, а также она является исходным продуктом при производстве аскорбиновых и гликоновых кислот, для синтеза ряда производных сахаров и т.д.

- в кондитерском деле применяется при изготовлении мармелада, карамели, пряников и т.д.

- втекстильной промышленности в качестве восстановителя.

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

Нахождение в природе

В природе глюкоза наряду с другими углеводами образуется в результате реакции фотосинтеза: хлорофилл

6CO2 + 6H2OC6H12O6 + 6O2 - Q

В процессе этой реакции аккумулируется энергия Солнца.

В особом виде глюкоза содержится почти во всех органах зелёных растений. Особенно её много в виноградном соке, поэтому глюкозу иногда называют виноградным сахаром. Мёд в основном состоит из смеси глюкозы с фруктозой.

В организме человека глюкоза содержится в мышцах, в крови (0.1 - 0.12%) и служит основным источником энергии для клеток и тканей организма. Повышение концентрации глюкозы в крови приводит к усилению выработки гормона поджелудочной железы - инсулина, уменьшающего содержание этого углевода в крови. Химическая энергия питательных веществ, поступающих в организм, заключена в ковалентных связях между атомами. В глюкозе количество потенциальной энергии составляет 2800 кДж на 1 моль (т.е. на 180моль).

Заключение

Из всего сказанного можно сделать вывод, что глюкоза играет важную роль в применении медицине при лечении самых различных заболеваний, особенно при общем ослаблении организма.

В микробиологической промышленности растворы глюкозы применяют как питательную среду для размножения кормовых дрожжей. Спиртовым брожением глюкозы получается пищевой этиловый спирт.

В кондитерской промышленности глюкоза в составе патоки используется при изготовлении мармелада, карамели, пряников и т.д.

Реакция «серебряного зеркала» глюкозы применяются при изготовлении зеркал и елочных украшений.

В текстильной промышленности глюкоза используется для отделки тканей.

Для всех этих целей глюкозу получают из крахмала, подвергая его гидролизу в присутствии минеральных кислот.

Библиографический список

1. Васильева Н. Ю. Органическая химия [Электронный ресурс] / Н. Ю. Васильева, Б. Н. Кузнецов, А. В. Голоунин. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2008. - 607 с. Режим доступа: http://www.twirpx.com/file/932827/ - Загл. с экрана

2. Грандберг И. И. Органическая химия [Текст] / И. И. Грандберг - 4-е изд. - М. : Дрофа, 2009. - 457 с.

3. Ким А. М. Органическая химия [Текст] / А. М. Ким - 2-е изд. - Новосибирск.:Сиб. унив. изд-во, 2005. - 534 с.

4. Нейланд О. Я. Органическая химия [Текст] / О. Я. Нейланд - М.: Высш. шк., 2007. - 747 с.

5. Несмеянов А.Н. Начала органической химии / А.Н. Несмеянов, Н.А. Несмеянов. - М.: Химия, 1974. - т. 1 и 2.

6. Нечаев А. В. Органическая химия [Текст]: А. П. Нечаев,Т. В. Еременко. - М. :Высш. шк., 2005. - 497 с.

7. Номенклатура органических соединений [Текст]: задания для самоподготовки / Воронеж. гос. ун-т инж. технол.; сост. Е. В. Комарова, П. Н. Саввин. - Воронеж : ВГУИТ, 2012. - 24 с.

8. Падалкина В. С. Номенклатура органических соединений [Электронный ресурс]: учебно-практическое пособие / В. С. Падалкина. - М.: МГУТУ, 2004. - 52 с. Режим доступа: http://www.twirpx.com/file/542519/ - Загл. с экрана

Размещено на Allbest.ru