Классификация углеводов. Глюкоза: строение, свойства, применение

Термин «углеводы» вам знаком давно: без углеводов немыслимо существование живой природы. Они играют огромную роль в обмене веществ всех живых организмов. Их образование в клетках зелёных растений в процессе фотосинтеза является главным способом «усвоения» и запасания солнечной энергии. Именно за счёт этой энергии и существует всё живое на Земле, в том числе человек.

Какие вещества, принадлежащие к классу углеводов, вам известны?
Что вы знаете о функциях этих веществ в организме человека?
Как называется процесс, в результате которого на Земле образуются углеводы? Что вы знаете о нём из курсов биологии и химии?

Углеводы

Углеводы — обширная группа органических веществ, играющих исключительно важную роль в природе.

В химии все углеводы делят на две большие группы (рис. 60) — простейшие сахара — моносахариды (монозы) и сложные углеводы. Название моносахарида зависит от числа атомов углерода в его молекуле. К корню названия добавляется суффикс -оза. Так, если молекула углевода содержит пять атомов С, он называется пентозой (к ним относятся рибоза и дезоксирибоза), если шесть элементов С — гексозой (глюкоза, фруктоза).

Схема классификации углеводов

Сложные углеводы в свою очередь подразделяются на две большие группы — олигосахариды (от греч. oligos — «немногий») и полисахариды, содержащие более десяти остатков молекул моносахаридов. Простейшими олигосахаридами являются дисахариды (например, сахароза). Полисахариды (полиозы) — это крахмал и целлюлоза.

Молекулы углеводов (как самых простых, так и сложных) имеют очень непростое строение. Углеводы не синтезируют в лабораториях или на заводах. В данном случае функции заводов выполняют зелёные растения. Ведь основной способ образования углеводов на Земле — фотосинтез. Это процесс, в ходе которого в клетках зелёных растений (при активном участии молекул зелёного пигмента хлорофилла) солнечная энергия аккумулируется в химических связях, соединяющих атомы углерода, водорода и кислорода. В упрощённой форме процесс фотосинтеза можно выразить следующей схемой:

Итак, в процессе фотосинтеза образуются углеводы. Кроме этого, происходит синтез АТФ — вещества, в химических связях которого запасается энергия, расходуемая организмом в процессе жизнедеятельности, при этом выделяется атмосферный кислород.

Первые представители углеводов — изомеры глюкоза и фруктоза (С₆Н₁₂O₆). Глюкоза и фруктоза — моносахариды (простые углеводы), широко распространённые в природе. Они придают сладкий вкус ягодам, фруктам, мёду.

Рассмотрим первого представителя углеводов — глюкозу.

Строение глюкозы

Глюкоза — кристаллическое вещество белого цвета, растворимое в воде. Наличие в составе молекулы пяти гидроксильных и одной карбонильной групп свидетельствует о том, что глюкоза — многоатомный альдегидоспирт. следовательно, должна проявлять свойства альдегидов. Однако опытным путём было установлено: её раствор не даёт окрашивания с фуксинсернистой кислотой, являющейся реактивом для обнаружения альдегидов.

Задание. Проанализируйте формулу глюкозы, её состав, присутствующие в молекуле функциональные группы и определите её возможную принадлежность к ранее рассмотренным классам органических веществ.

Проблема. Почему глюкозу не относят ни к спиртам, ни к альдегидам, хотя её молекула содержит и спиртовые и альдегидную группы? Как объяснить это противоречие?

Уникальность структуры углеводов, и в первую очередь глюкозы, обусловлена наличием в их молекулах гибких цепочек углеродных атомов, соединённых с карбонильными и гидроксильными группами, способных к обратимым внутримолекулярным взаимодействиям, образованию циклов и множества изомеров (у глюкозы их 70!).

Если учесть, что карбонильная группа глюкозы может взаимодействовать с одним из собственных гидроксилов, легко представить себе, что молекулы линейного строения, существующие в альдегидной форме, могут приобретать циклическую форму:

Установлено: если во время внутреннего вращения молекулы альдегидная группа приблизится к спиртовой группе пятого атома углерода, происходит образование новой химической связи, которое приводит к возникновению замкнутого цикла. На месте карбонильной группы возникает карбоксильная, которую называют полуацетальная. Возможность такого химического взаимодействия объясняется тем, что атом кислорода карбонильной группы несёт на себе частичный отрицательный заряд, а атом водорода спиртовой группы — частичный положительный заряд. В результате происходит разрыв π-связи карбонильной группы, к атому кислорода присоединяется водород, а кислород спиртовой группы замыкает шестичленный цикл с атомом углерода.

Такая перегруппировка атомов приводит к образованию прочного цикла.

В результате в растворе глюкозы подавляющее большинство молекул имеет циклическое строение. Альдегидная форма характерна для очень незначительной части её молекул (рис. 61).

Модели и структурные формулы молекул глюкозы

Поскольку гидроксильные группы взаимно отталкиваются, они располагаются не по одну, а по обе стороны плоскости кольца. Следовательно, над и под плоскостью кольца происходит чередование протонов и ОН-групп (такое строение оказывается наиболее энергетически выгодным).

Образовавшаяся в результате замыкания цикла новая гидроксильная группа у первого атома углерода (он обозначен звёздочкой) может занимать в пространстве два положения — над или под плоскостью кольца. Она делает этот атом асимметрическим. Именно поэтому возможно существование двух циклических форм: α-формы и β-формы глюкозы как её изомеров:

Обычная кристаллическая глюкоза — это α-форма. В растворе более устойчива β-форма. Их взаимопревращения в растворе происходят через промежуточное образование альдегидной формы.

Задание. На основе анализа приведённой ниже схемы отметьте последовательность изменений в структуре молекулы при переходе глюкозы из a-формы в β-форму.

Глюкоза β-формы энергетически более устойчива. Поэтом)’ в растворах при установившемся подвижном равновесии на неё приходится более 60% молекул. Доля альдегидной формы в равновесии незначительна. Это и объясняет отсутствие взаимодействия с фуксинсернистой кислотой.

Окончание параграфа >>>