Углеводы: функции и виды
Углеводы широко распространены в природе и выполняют в живых организмах различные важные функции:
- — являются источниками углерода, который необходим для синтеза белков, нуклеиновых кислот, липидов и других соединений;
- — выполняют энергетическую функцию, обеспечивая до 70% потребности организма в энергии;
- — выполняют резервную функцию – крахмал и гликоген представляют собой форму хранения глюкозы;
- — структурную функцию – целлюлоза принимает участие в формировании клеточной стенки растений.
Углеводы делятся на:
- — моносахариды или простые сахара;
- — олигосахариды, содержащие в молекуле от 2 до 10 моносахаридных остатков;
- — полисахариды, которые представляют собой полимеры моносахаридов.
Моносахариды и классификация моносахаридов
Первые выделенные из природных источников сахара (так же, как и большинство известных в настоящее время) имели химическую формулу Сn(H2О)n.
Именно поэтому они получили название углеводы. В дальнейшем были получены:
- — сахара, с другим соотношением углерода и кислорода;
- — сахара, содержащие другие атомы (азот, серу).
Классификация моносахаридов
Существует несколько видов классификации моносахаридов:
- 1) По числу углеродных атомов, входящих в состав молекулы моносахариды делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т. д. В природе наиболее широко распространены пентозы и гексозы.
- 2) В молекулах моносахаридов одновременно содержится несколько функциональных групп: карбонильная группа (альдегидная или кетонная) и несколько гидроксильных групп.
В зависимости от вида карбонильной группы моносахариды подразделяются на:
- — альдозы — в моносахариде содержится альдегидная группа, которая локализуется у первого углеродного атома;
- — кетозы — содержится кетогруппа, которая у природных кетоз локализуется у второго углеродного атома.
Например, глюкоза – это альдоза, а фруктоза – это кетоза.
Строение, стереоизомерия и номенклатура моносахаридов и полисахаридов
Классификация углеводов
- Моносахариды(простые сахара, например, глюкоза)
- Олигосахариды(углеводы, содержащие 2-10 остатков моносахаридов, например сахароза).
- Полисахариды (углеводы, содержащие более 10 остатков моносахаридов, но обычно – тысячи и миллионы).
Углеводы, соединения общей формулы Сn(H2O)n, от которой и получили свое название, представляют собой многоатомные альдегидоспирты или кетоспирты.
Углеводы являются энантиомерами.
Энантиомеры — пара стереоизомеров, зеркальные отражения молекул, не совмещаемые в пространстве. Энантиомеры имеют одинаковые химические и физические свойства, кроме способности вращать плоскость поляризации плоскополяризованного света на одинаковую величину угла, но в противоположных направлениях (оптическая активность). Свойством энантиомерии обладают соединения, содержащие хиральный атом. Ассимерический центр (центр хиральности, оптический центр) – это атом С, связанный с четырьмя различными заместителями.
1.Энантиомер именуется по направлению, в котором его раствор вращает плоскость поляризации света,что можно наблюдать при помощи поляриметра.
Если вращение происходит по часовой стрелке, то такой энантиомер называется (+), или правовращающим. Его оптический антипод именуется (–), или левовращающим. При прохождении света через раствор одного из энантиомеров происходит отклонение плоскости поляризации влево, другого — вправо на один тот же по величине угол α. Мерой оптической активности является [aD] -удельный угол вращения.
2.d/l-номенклатура энантиомеров была введена Э.
Фишером для описания относительной конфигурации моносахаридов. Она основана на конфигурации глицеринового альдегида, существующего в виде двух энантиомеров, из которых путём последовательных реакций наращивания углеродной цепи можно получить производные моносахариды (тетрозы, пентозы, гексозы и т. д.).
Цепь атомов углеродного остова изображается как прямая вертикальная линия, сверху которой обозначена старшая функциональная группа.
При горизонтальных линиях изображены конформации у асимметрических углеродных центров (сами атомы углерода не показаны, они располагаются «в перекрестии»). В общем случае молекула с «n» хиральными центрами имеет 2n стереоизомеров.
Гомохиральность — природные хиральные аминокислоты и моносахариды представлены в виде единственного изомера из двух возможных.
В состав белков входят практически исключительно l-аминокислоты, а ДНК и РНК построены только на основе d-углеводов.
Две энантиомерные формы одной молекулы обычно имеют различную биологическую активность. Это связано с тем, что рецепторы, ферменты, антитела и другие элементы организма также обладают хиральностью, и структурное несоответствие между этими элементами и хиральными молекулами препятствует их взаимодействию.
3.R/S-номенклатура энантиомеров позволяет охарактеризовать энантиомер по его абсолютной конфигурации,установленной ренгентоструктурным анализом.Хиральному атому углерода присваивается обозначение R или S на основании взаимного расположения четырёх связанных с ним заместителей.
Молекулу ориентируют так, чтобы младший заместитель был направлен в сторону от наблюдателя, и устанавливают направление падения старшинства остальных трёх заместителей. Если старшинство уменьшается по часовой стрелке, то конфигурацию атома углерода обозначают R (лат. rectus — правый). В противоположном случае конфигурацию обозначают S (лат.
sinister — левый). R/S-номенклатура не имеет непосредственной связи с (+/–)-обозначениями. Например, R-изомер может быть как правовращающим, так и левовращающим, в зависимости от конкретных заместителей при хиральном атоме.
Диастереомеры — стереоизомеры, не являющиеся зеркальными отражениями друг друга.
Диастереомерия возникает, когда соединение имеет несколько стереоцентров. Если два стереоизомера имеют противоположные конфигурации всех соответствующих стереоцентров, то они являются энантиомерами. Однако, если конфигурация различается лишь у некоторых стереоцентров, то такие стереизомеры являются диастереомерами. Если диастереомеры отличаются конфигурацией лишь одного стереоцентра, то они называются эпимерами.
Основной формой существования углеводов в твердом виде и растворах является циклическая форма.Циклическая форма углеводов появляется в результате внутримолекулярной реакции образования полуацеталя, когда карбонильная группа взаимодействует с одним из гидроксилов той же молекулы.
В результате циклообразования возникает дополнительный центр асимметрии, при углероде под номером 1. Конформация при этом атоме углерода теперь определяет один из двух новых изомеров, которые называют аномерами (α- и β- аномеры).
Гидроксильная группа при новом центре асимметрии является полуацетальной, что резко отличает ее по химическим свойствам от остальных гидроксилов в молекуле. Поэтому ее называют аномерным (или гликозидным) гидроксилом.
Мутаротация, или аномеризация — взаимопревращение аномерных форм моносахаридов.
Таким образом выглядят таутомерные формы фруктозы.
Конформации моносахаридов определяют пространственную вторичную структуру полисахаридов.
Общая характеристика и классификация углеводов
Углеводы −обширный класс природных соединений, которые играют важную роль в жизни человека, животных и растений.
Углеводы – это органические кислородосодержащие гетерофункциональные соединения со смешанными функциями содержащие карбонильные и гидроксильные группировки атомов, имеющие общую формулу Cn(H2O)m, (где n и m>3).
В линейных формах молекул углеводов всегда присутствует карбонильная группа (как таковая, или в составе альдегидной группы).
И в линейной, и в циклической формах молекул углеводов присутствуют несколько гидроксильных групп. Поэтому углеводы относят к двуфункциональным соединениям.
Впервые термин «углеводы» был предложен профессором Дерптского (ныне Тартуского) университета К. Шмидтом в 1844 г. В то время предполагали, что все углеводы имеют общую формулу Cm(Н2O)n, т.е. углерод + вода.
Отсюда и название «углеводы». Например, глюкоза и фруктоза имеют формулу С6(Н2О)6, тростниковый сахар (сахароза) — С12(Н2О)11, крахмал — [С6(Н2О)5]n и т. д.
В дальнейшем же оказалось, что ряд соединений, принадлежащих по своим свойствам к классу углеводов, содержат водород и кислород в несколько иной пропорции, чем указано в общей формуле (например, дезоксирибоза — С5Н10О4.
В то же время есть вещества, соответствующие общей формуле углеводов, но не проявляющие их свойства (например, спирт инозит С6Н12О6), C(H2O), то есть HCHO (формальдегид), или C2(H2O)2, то есть CH3COOH (уксусная кислота).
Классификация моносахаридов
В 1927 г. Международная комиссия по реформе химической номенклатуры предложила термин «углеводы» заменить термином «глициды», однако он не получил широкого распространения. Старое название «углеводы» укоренилось и прочно удерживается в науке, являясь общепризнанным.
Углеводы можно разделить на три группы:
1) Моносахариды – углеводы, способные гидролизоваться с образованием более простых углеводов.
К данной группе относятся гексозы (глюкоза и фруктоза), а также пентоза (рибоза).
2) Олигосахариды – углеводы, способные гидролизоваться с образованием нескольких простых углеводов (от двух до десяти).
3) Полисахариды – полимерные соединения, углеводы, способные гидролизоваться с образованием большого числа молекул моносахаридов (от десяти до сотен тысяч остатков моносахаридов).
Моносахариды.
А) Классификация моносахаридов.
Моносахариды представляют собой соединения со смешанными функциями.
Они содержат альдегидную или кетогруппу и несколько гидроксильных групп, т.е. являются альдегидоспиртами или кетоноспиртами.
Моносахариды с альдегидной группой называются альдозами, а с кетогруппой –кетозами.
В зависимости от числа атомов С моносахариды делятся на:
С3 − триозы: С3Н6O3 −глицеральдегид, ПВК (пировиноград-ная кислота).
С4 − тетрозы: С4Н804 − эритроза.
С5 − пентозы: C5H10O5 − рибоза (входит в состав РНК), C5H10O4 − дезоксирибоза (входит в состав ДНК).
С6 − гексозы: С6Н12O6 − глюкоза (виноградный сахар), фруктоза (плодовый сахар), галактоза (в составе молочного сахара) − основные источники энергии, мономеры ди- и полисахаридов.
С7 − гептозы: С7Н14О7.
Наибольшее значение среди моносахаридов имеют гексозы и пентозы.
Б) Структура молекул моносахаридов.
Для изображения строения моносахаридов используют проекционные формулы Фишера. В формулах Фишера цепь углеродных атомов располагается в одну цепь.
Нумерация цепи начинается с атома альдегидной группы (в случае альдоз) или с крайнего атома углерода, к которому ближе расположена кетогруппа (в случае кетоз).
В зависимости от пространственного расположения атомов Н и ОН-групп у 4-ого атома углерода у пентоз и 5-ого атома углерода у гексоз моносахариды относят к D– или L – ряду.
Моносахарид относят к D – ряду, если ОН-группа у этих атомов располагается справа от цепи.
Почти все встречающиеся в природе моносахариды относятся к D – ряду.
Природные гексозы − глюкоза, фруктоза, манноза и галактоза, принадлежат, как правило, по стереохимической конфигурации к соединениям D-ряда.
Известно также, что природные моносахариды обладают оптической активностью.
Способность вращать плоскость поляризованного луча света − одна из важнейших особенностей веществ (в том числе моносахаридов), молекулы которых имеют асимметричный атом углерода или же асимметричны в целом.
Свойство вращать плоскость поляризованного луча вправо обозначают знаком ( + ), а в противоположную сторону − знаком (-). Так, D-глицеральдегид вращает плоскость поляризованного луча вправо, т. е. D-глицеральдегид является D( + )-альдотриозой, а L-глицеральдегид − L(-)-альдотриозой. Однако следует помнить, что направление угла вращения поляризованного луча, которое определяется асимметрией молекулы в целом, заранее не предсказуемо.
Моносахариды, относящиеся по стереохимической конфигурации к D-ряду, могут быть левовращающими. Так, обычная форма глюкозы, встречающаяся в природе, является правовращающей, а обычная форма фруктозы — левовращающей.
Однако моносахариды могут существовать также в циклических формах. Циклические формы гексоз и пентоз называют соответственно пиранозными и фуранозными.
В растворах моносахаридов устанавливается подвижное равновесие между ациклической и циклической формами – таутомерия.
Циклические формы принято изображать перспективными формулами Хеуорса.
В циклических формах моносахаридов появляется асимметрический атом углерода (С-1 у альдоз, С-2 у кетоз).
Этот атом углерода называется аномерным. Если группа ОН у аномерного атома располагается под плоскостью, то образуется α–аномер, противоположное расположение приводит к образованию β-аномера.
Сложность химического и пространственного строения моносахаридов приводит к тому, что у них существует множество изомеров, так, например, существует несколько десятков изомерных гексоз.
Картина осложняется еще и тем, что при растворении моносахаридов у части молекул происходит обратимое раскрытие цикла, а обратная циклизация может привести к образованию другого изомера.
Для α-глюкозы (обычной кристаллической формы глюкозы) этот процесс выражается следующим уравнением:
Названия циклических форм моносахаридов включают в себя указания на конфигурацию аномерного центра (α- или β-), на название моносахарида и его ряда (D- или L-) и размер цикла (фураноза или пираноза).
Например, α, D- галактопираноза или β, D- галактофураноза.»