Моносахариды

III. Специфические реакции

Кроме приведенных выше, глюкоза характеризуется и
некоторыми специфическими свойствами — процессами брожения. Брожением
называется расщепление молекул сахаров под воздействием ферментов (энзимов).
Брожению подвергаются сахара с числом углеродных атомов, кратным трем.
Существует много видов брожения, среди которых наиболее известны следующие:

a)спиртовое
брожение

C₆H₁₂O₆2CH₃–CH₂OH(этиловыйспирт) + 2CO₂­

b)молочнокислое
брожение

c)маслянокислое брожение

C₆H₁₂O₆ CH₃–CH₂–СН₂–СОOH(маслянаякислота) + 2Н₂­ + 2CO₂­

Упомянутые виды брожения, вызываемые микроорганизмами, имеют широкое
практическое значение. Например, спиртовое – для
получения этилового спирта, в виноделии, пивоварении и т.д., а молочнокислое –
для получения молочной кислоты и кисломолочных продуктов.

Циклические формы

Для моносахаридов в их циклической форме инфикс помещается перед суффиксом «-ose», «-ulose» или « n -ulose», чтобы указать размер кольца. Инфикс — фуран для 5-атомного кольца, пиран для 6, септан для 7 и т. Д.

Замыкание кольца создает еще один хиральный центр на аномерном атоме углерода (тот, который имеет полуацетальную или ацетальную функциональность), и поэтому каждый стереоизомер с открытой цепью дает два различных стереоизомера ( аномера ). Они обозначены приставками «α-» и «β-», которые обозначают относительную конфигурацию аномерного углерода по отношению к конфигурации стереоцентра на другом конце углеродной цепи. Если конформация (R или S) идентична как для аномерного углерода, так и для наиболее удаленного стереоцентра, конфигурация является «α-». Если конформации разные, конфигурация — «β-»

Примеры

Химические свойства рибозы. Химические реакции (уравнения) рибозы:

Рибоза восстанавливается водородом или амальгамой натрия до соответствующего альдита (рибита) и окисляется по альдегидной группе до соответствующей альдоновой (рибоновой) кислоты, способной циклизоваться в условиях синтеза в рибонолактон. Рибоза с гидразинами образует озазоны.

Рибоза, как и другие моносахариды, в растворах существует в виде равновесной смеси ациклической и циклических: пиранозной и фуранозной форм (аномерные α- и β-рибопиранозы и α- и β-рибофуранозы). Соотношение этих форм в растворе: β-рибопираноза (59 %), α-рибопираноза (20 %), β-рибофураноза (13 %), α-рибофураноза (7 %), ациклическая (0,1 %).

Свойства моносахаридов

Мутаротация и аномерные формы d-глюкозы

Когда они обнаруживаются в водных растворах, некоторые сахара ведут себя так, как будто они имеют дополнительный асимметричный центр. Например, d-глюкоза существует в двух изомерных формах, которые отличаются специфическим вращением: α-d-глюкоза, β-d-глюкоза.

Хотя элементный состав идентичен, оба вида различаются по своим физическим и химическим свойствам. Когда эти изомеры входят в водный раствор, изменение оптического вращения подтверждается с течением времени, достигая конечного значения в равновесии..

Это явление называется мутаротацией и происходит, когда одну треть альфа-изомера смешивают с двумя третями бета-изомера при средней температуре 20 ° С..

Модификация моносахаридов

Моносахариды могут образовывать гликозидные связи со спиртами и аминами с образованием модифицированных молекул.

Таким же образом они могут быть фосфорилированы, то есть фосфатная группа может быть добавлена ​​к моносахариду. Это явление имеет большое значение в различных метаболических путях, например, первая стадия гликолитического пути включает фосфорилирование глюкозы с получением промежуточного глюкозо-6-фосфата.

По мере развития гликолиза образуются другие метаболические интермедиаты, такие как дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат, которые являются фосфорилированными сахарами..

Процесс фосфорилирования дает отрицательный заряд сахару, препятствуя тому, чтобы эти молекулы легко покидали клетку. Кроме того, это дает им реактивность, так что они могут образовывать связи с другими молекулами.

Действие PH в моносахаридах

Моносахариды стабильны в условиях высокой температуры и с разбавленными минеральными кислотами. Напротив, при воздействии высококонцентрированных кислот сахара подвергаются процессу дегидратации, в результате которого образуются альдегидные производные фурана, называемые фурфуролами..

Например, нагревание d-глюкозы вместе с концентрированной соляной кислотой приводит к образованию соединения, называемого 5-гидроксиметилфурфурол.

Когда фурфурол конденсируется с фенолами, они производят окрашенные вещества, которые можно использовать в качестве маркеров при анализе сахаров..

С другой стороны, мягкие щелочные среды вызывают перегруппировки вокруг аномерного углерода и соседнего углерода. При обработке d-глюкозы основными веществами образуется смесь d-глюкозы, d-фруктозы и d-маннозы. Эти продукты встречаются при комнатной температуре.

Когда происходит повышение температуры или концентрации щелочных веществ, моносахариды подвергаются процессам фрагментации, полимеризации или перегруппировки..

Классификация простых углеводов

В современной науке применяют разные классификации для определения типов моносахаридов.

Но для начала важно сказать, что существует две формы этих веществ:

• открытая (оксоформа);
• циклическая.

Моносахариды открытой формы – это вещества, молекула которых состоит из карбонильной и нескольких гидроксильных групп. Это значит, что они могут быть альдегидоспиртами и кетоноспиртами. Отсюда и названия групп – альдозы и кетозы.

Моносахариды циклической формы могут создавать так называемые циклы, замыкаясь в кольца. Этот вид вещества более устойчив, поэтому и в природе они представлены в большем количестве.

Кроме того, моносахариды различают по длине углеродной цепи (количеству атомов углерода). Отсюда и систематизация веществ на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и так далее.

Углеводы химия. Классификация углеводов

Углеводы — органические вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. Причем, водород и кислород в них стоит в тех соотношениях, что и в молекулах воды (1:2)Общая формула углеводов C_n(H₂O)_m, т. е. они как бы состоят из углерода и воды, отсюда и название класса, которое имеет исторические корни. Оно появилось на основе анализа первых известных углеводородов. В дальнейшем было установлено, что имеются углеводы, в молекулах которых нет соотношения 1H : 2O, например, дезоксирибоза — C₅H₁₀O_{4 .} Известны так же органические соединения, состав которых подходит к приведенной общей формуле, но которые не принадлежат к классу углеводов.  К ним относятся, например формальдегид CH₂O   и уксусная кислота CH₃COOH.Однако, название «углеводороды» укоренилось и является общепризнанным для этих веществ.Углеводороды по их способности гидролизоваться можно разделить на три основные группы: моно-, ди- и полисахариды.

Моносахариды —  углеводы, которые не гидролизуются (не разлагаются водой). В свою очередь, в зависимости от числа атомов углерода. Моносахариды подразделяются на триозы (молекулы которых содержат три атома углерода), тетрозы (четыре атома),  пентозы (пять), гексозы (шесть) и т. д.В природе моносахариды предоставлены преимущественно пентозами и гексозами . К пентозам относятся, например, рибоза C₅H₁₀O₅  и дезоксирибоза (рибоза, у которой «отняли» атом кислорода) C₅H₁₀O₄.  Они входят в состав РНК и ДНК и определяют первую часть названий нуклеиновых кислот.К гексозам, имеющим общую молекулярную формулу  C₆H₁₂O₆, относятся, например, глюкоза, фруктоза, галактоза.

Суточная потребность

О±ÃÂõü ñÃÂÃÂÃÂÃÂþ ÃÂðÃÂÃÂõÿûÃÂõüÃÂàÃÂûõüõýÃÂþò, ÃÂÿþÃÂÃÂõñûÃÂõüÃÂàõöõôýõòýþ, ôþûöõý ÃÂþÃÂÃÂðòûÃÂÃÂàôþà20% þÃÂàþñÃÂõóþ úþûøÃÂõÃÂÃÂòð ÿþÃÂÃÂÃÂÿðõüÃÂàòàþÃÂóðýø÷ü ÃÂóûõòþôþò. áÃÂÃÂþÃÂýðàÿþÃÂÃÂõñýþÃÂÃÂàòàüþýþ÷ðàÃÂýøöðõÃÂÃÂàÃÂàûøÃÂ, ÃÂÃÂÃÂðôðÃÂÃÂøàø÷ñÃÂÃÂþÃÂýÃÂü òõÃÂþü øàóøÿõÃÂÃÂþýøÃÂüø.

ÃÂ÷üõýÃÂÃÂàÿÃÂøòÃÂÃÂýÃÂù ÃÂðÃÂøþý ÿøÃÂðýøàÃÂûõôÃÂõàÿþÃÂûõ úþýÃÂÃÂûÃÂÃÂðÃÂøø ÃÂàôøõÃÂþûþóþü: ø÷ñÃÂÃÂþú üþýþÃÂðÃÂðÃÂøôþò üþöõàÿÃÂøòõÃÂÃÂø úàÃÂÃÂÃÂôÃÂõýøàÃÂðüþÃÂÃÂòÃÂÃÂòøÃÂ, ÿþòÃÂÃÂõýøÃÂàÃÂÃÂ, ýðÃÂÃÂÃÂõýøàÃÂðñþÃÂàÃÂÃÂâ, ýõÿõÃÂõýþÃÂøüþÃÂÃÂø üþûþÃÂýþù ÿÃÂþôÃÂúÃÂøø.

Моносахарид как питательное вещество

Простейший углевод может быть использован как источник питания и в естественной, и в искусственной форме. При этом моносахарид выступает главным источником питания для мозга, обеспечивает правильную работу его клеток. В натуральной форме в природе к моносахаридам относятся: глюкоза, фруктоза, галактоза, манноза, рибоза, дезоксирибоза. Каждое соединение имеет 6 атомов углерода.

Искусственные моносахариды делятся на несколько групп:

• гексозы (6 атомов);
• пентозы (5 атомов);
• тетрозы (4 атома).

Моносахариды можно найти в таких продуктах питания, как фруктовые плоды, соки, мед, сиропы, вина. Исключительно глюкоза содержится в молочной продукции, шоколадных плитках, ликерах и безалкогольных напитках.

Основным моносахаридом в организме является. Суточная потребность

Объем быстро расщепляемых элементов, употребляемых ежедневно, должен составлять до 20% от общего количества поступаемых в организм углеводов. Суточная потребность в монозах снижается у лиц, страдающих избыточным весом и гипертониями.

Увеличивать указанную норму рекомендуется представителям интеллектуальных профессий, спортсменам, занимающимся тяжелым физическим трудом работникам.

Изменять привычный рацион питания следует после консультации с диетологом: избыток моносахаридов может привести к ухудшению самочувствия, повышению АД, нарушению работы ЖКТ, непереносимости молочной продукции.

Моносахариды — где содержатся, виды и суточная потребность

Моносахариды, простые сахара или монозы — органические соединения, являющиеся структурными компонентами сложных углеводов и присутствующие во всех живых клетках. Дефицит рассматриваемых веществ в ежедневном рационе приводит к нарушениям метаболизма, возникновению депрессий, развитию патологий, резкому снижению трудоспособности.

Общие сведения

Простые сахара — легкоусвояемые, быстро расщепляемые элементы, состоящие из 1 молекулы. В структуре последней присутствуют 3-7 атомов углерода.

Вещества способны образовывать однородные системы с водой. В соединениях со спиртом монозы изменяют свое состояние минимально.

Кристаллы элементов окрашены в белый цвет, изменяющийся при нагревании до бурого.

Большинство моносахаридов отличается сладким вкусом; некоторые разновидности горчат.

В организм человека вещества попадают при употреблении пищи, всасываются в кишечнике. Распад легких сахаров сопровождается выделением значительного объема энергии.

Важнейшие моносахариды, примеры содержащих их продуктов

Представителями группы являются глюкоза (декстроза), галактоза, фруктоза (левулоза), манноза, фукоза, рибоза. Монозы содержатся в сиропах, шоколаде, хлебобулочных изделиях из муки грубого помола, безалкогольных сладких напитках, цельнозерновых крупах, бобовых и злаковых..

В природных объектах присутствует малое количество свободных моносахаридов. Исключение составляют глюкоза, фруктоза.

Первое из перечисленных веществ относится к наиболее распространенным. Перечень основных продуктов, богатых декстрозой, приведен в таблице ниже.

Продукты животного происхождения содержат минимальное количество моносахарида глюкозы. Так, в 0,1 кг устриц выявлено 0,96 г декстрозы, в аналогичном количестве желтка куриного яйца — 0,23 единицы, молока (коровьего, 2% жирности) — 0,01 грамм.

Голодания, строгие диеты и несбалансированное питание приводят к развитию гипогликемии (дефицита рассматриваемого вещества). Следствиями патологического состояния являются расстройства памяти, нарушения клеточного обмена, сбои в работе сердца, бессонница, хроническая усталость.

Левулоза содержится в тех же растительных продуктах, что и декстроза. Лидерами по количеству элемента являются: мед (34-42%), финики и курага (32 и 12 г в 0,1 кг сухофруктов соответственно). Употребление пищи, богатой фруктозой, не приводит к резкому повышению уровня сахара в крови.

Для чего нужны простые углеводы?

Основная функция легких углеводов — энергетическая. Включение в рацион продуктов, содержащих рассматриваемые вещества, способствует быстрому восстановлению сил после физических, умственных нагрузок.

В перечне важных свойств моносахаридов:

• укрепление иммунной системы;
• улучшение работы ЖКТ, нервной системы, сердца;
• выведение токсинов;
• активизация процессов усвоения кальция, аскорбиновой кислоты;
• минимизация риска возникновения депрессий.

Из простых сахаров человеческий организм синтезирует гликолипиды, нуклеополисахариды, гликопротеины, другие соединения.

Суточная потребность

Объем быстро расщепляемых элементов, употребляемых ежедневно, должен составлять до 20% от общего количества поступаемых в организм углеводов. Суточная потребность в монозах снижается у лиц, страдающих избыточным весом и гипертониями.

Увеличивать указанную норму рекомендуется представителям интеллектуальных профессий, спортсменам, занимающимся тяжелым физическим трудом работникам.

Изменять привычный рацион питания следует после консультации с диетологом: избыток моносахаридов может привести к ухудшению самочувствия, повышению АД, нарушению работы ЖКТ, непереносимости молочной продукции.

викторина

1. Сукралоза, обычный искусственный подсластитель, похожа по форме на сахарозу, сахар, производимый растениями. Однако вместо гидроксильных групп (ОН), связанных со всеми атомами углерода, в структуре сукралозы есть несколько атомов хлора (Cl). Исследования показали, что, хотя большая часть потребляемой сукралозы проходит через человека, 2-8% ее метаболизируется. Почему это может создать проблему для человека, переваривающего сукралозу?A. Он не обеспечивает столько калорий, сколько сахароза.B. Без гидроксильных групп организм не может функционировать.C. Ферменты организма не приспособлены к метаболизму сукралозы.

Ответ на вопрос № 1

С верно. Атомы хлора в молекуле сукралозы могут представлять серьезную проблему для ферментов организма. Часть механизма, который связывает фермент с подложка это форма молекулы. Как только реакция происходит, продукты должны быть выпущены. Если сахароза, фермент, который переваривает сахарозу, ингибируется или повреждается атомами хлора, фермент может перестать функционировать. Хотя организм может производить больше ферментов, если количество поступившей сукралозы превысит выработку организмом новых ферментов, человек больше не сможет переваривать сахарозу. Это может привести к дефициту питательных веществ или другим вредным побочным эффектам.

2. Аминокислота – это особая молекула, которая может быть добавлена ​​в цепочку для создания белка. Аминокислота не является углеводом. Какие из следующих терминов описывают аминокислоты ?A. мономерB. моносахаридовC. полимер

Ответ на вопрос № 2

верно. Аминокислота представляет собой единое целое, которое можно комбинировать с другими аминокислотами для создания полимеров аминокислот. Это делает отдельную аминокислоту мономером. Термин сахарид это другое слово для сахара. Поскольку аминокислоты не являются сахарами, они не являются моносахаридами. Однако моносахарид является мономером, поскольку он может образовывать полисахаридные полимеры при последовательном соединении с другими моносахаридами.

3. Как уже упоминалось, моносахариды, состоящие из более чем 5 атомов углерода, часто имеют тенденцию образовывать кольца в природе. Взаимодействие, которое заставляет их образовывать кольца, происходит из-за сил полярных молекул воды, действующих на моносахариды. Если моносахариды находятся в неполярных местах решение что они будут образовывать?A. СпиралиB. Линейные молекулыC. Кольца

Ответ на вопрос № 3

В верно. В неполярном растворе никакие силы не будут тянуть молекулу внутрь себя, а неполярные области молекулы будут образовывать слабые взаимодействия с раствором. Если бы кольцо начало формироваться, найти источник атомов водорода было бы нелегко, поскольку в неполярных растворах часто имеется мало свободных ионов для использования. В воде много свободных ионов водорода доступны для создания связей. Без них и сил, создаваемых полярными молекулами воды, углерод скелет останется в виде жесткой линейной молекулы.

Дисахариды

Дисахариды
(биозы) при
гидролизе образуют
два
одинаковых
или разных
моносахарида.
Для
установления
строения
дисахаридов
необходимо
знать: из
каких
моносахаридов
он построен,
какова
конфигурация
аномерных
центров у
этих
моносахаридов
(a- или b-), каковы
размеры
цикла
(фураноза или
пираноза) и с
участием
каких
гидроксилов
связаны две
молекулы
моносахарида.

Дисахариды
подразделяются
на две
группы: восстанавливающие
и
невосстанавливающие.

К
восстанавливающим
дисахаридам
относится, в
часности,
мальтоза
(солодовый
сахар), содержащаяся
в солоде, т.е.
проросших, а
затем
высушенных и
измельченных
зернах
хлебных
злаков.

(мальтоза)

Мальтоза
составлена
из двух
остатков D-
глюкопиранозы,
которые
связаны (1–4)
-гликозидной
связью, т.е. в
образовании
простой эфирной
связи
участвуют
гликозидный
гидроксил
одной
молекулы и
спиртовой
гидроксил
при четвертом
атоме
углерода
другой
молекулы
моносахарида.
Аномерный
атом
углерода (С₁),
участвующий
в
образовании
этой связи,
имеет a-
конфигурацию,
а аномерный
атом со
свободным
гликозидным
гидроксилом
(обозначен красным
цветом) может
иметь как a- (a-
мальтоза),
так и b-
конфигурацию
(b- мальтоза).

Мальтоза
представляет
собой белые
кристаллы,
хорошо
растворимые
в воде,
сладкие на вкус,
однако
значительно
меньше, чем у
сахара
(сахарозы).

Как видно, в
мальтозе
имеется свободный
гликозидный
гидроксил,
вследствие
чего
сохраняется
способность
к раскрытию
цикла и
переходу в
альдегидную
форму. В
связи с этим,
мальтоза
способна
вступать в
реакции,
характерные
для
альдегидов,
и, в частности,
давать
реакцию
«серебряного
зеркала»,
поэтому ее
называют
восстанавливающим
дисахаридом.
Кроме того,
мальтоза
вступает во
многие
реакции,
характерные
для моносахаридов,
например,
образует
простые и
сложные
эфиры (см.
химические
свойства
моносахаридов).

К
невосстанавливающим
дисахаридам
относится
сахароза
(свекловичный
или тростниковый
сахар).
Она
содержится в
сахарном
тростнике,
сахарной
свекле (до 28% от
сухого
вещества), соках
растений и
плодах.
Молекула
сахарозы
построена из a, D-
глюкопиранозы
и b, D-
фруктофуранозы.

(сахароза)

В
противоположность
мальтозе
гликозидная
связь (1–2)
между
моносахаридами
образуется
за счет
гликозидных
гидроксилов
обеих молекул,
то есть
свободный
гликозидный
гидроксил
отсутствует.
Вследствие этого
отсутствует
восстанавливающая
способность
сахарозы, она
не дает
реакции «серебряного
зеркала»,
поэтому ее
относят к невосстанавливающим
дисахаридам.

Сахароза
– белое
кристаллическое
вещество,
сладкое на
вкус, хорошо
растворимое
в воде.

Для
сахарозы характерны
реакции по
гидроксильным
группам. Как
и все
дисахариды,
сахароза при
кислотном
или
ферментативном
гидролизе
превращается
в
моносахариды,
из которых
она составлена.

Полисахариды

Составляют большую часть углеводов в организме. Образуются путем реакции конденсации из большого количества молекул моносахаридов, преимущественно гексоз. Они не имеют сладкого вкуса, почти не растворяются в воде и не кристаллизируются.

Сюда относятся: крахмал, целлюлоза, гликоген и др.

Целлюлоза (клетчатка) состоит из молекул глюкозы. По своей структуре является линейным полимером. Она является основным  веществом клеточной стенки растений, очень крепкая, но легко пропускает воду. В ней аккумулируется свыше 50 % углерода биосферы. Служит пищей для некоторых животных, бактерий и грибов. Животным помогают переваривать глюкозу бактерии, живущие в их кишечнике.

Крахмал является резервным полисахаридом растений, запасается в клетках в виде зерен, в органах, которые запасают питательные вещества (клубни, семена и т. п.). По химической структуре он на 10-12 % состоит из линейной амилозы и на 80-90 % из разветвленного амилопектина. Мономером крахмала является глюкоза. Его эмпирическая формула –(C₆H₁₀0₅)_n, где n – количество остатков глюкозы. Благодаря преобразованию крахмала в глюкозу и наоборот происходит механизм работы устьиц: при гидролизе крахмала в замыкающих клетках увеличивается концентрация глюкозы, поступает вода, клеточные стенки выгибаются и щель устьица открывается; если глюкоза превращается в крахмал, вода выходит из клеток, устьица закрываются.

Гликоген откладывается в клетках грибов и животных. Играет важную роль в преобразованиях углеводов в животном организме. В значительном количестве накапливается в печени, мышцах, сердце и других органах. Мономером гликогена является глюкоза. По структуре напоминает крахмал, но разветвленный сильнее. Молекула гликогена состоит приблизительно из 30 000 остатков глюкозы.

Хитин образовывает клеточные стенки грибов, покровы членистоногих. В отличие от целлюлозы в молекулах остатки глюкозы связаны с азотосодержащими группами.

Муреин – опорный каркас клеточной стенки бактерий. Он образует одну гигантскую мешкообразную молекулу, которую называют  муреиновым мешком. Его основой является сетка параллельных  полисахаридных цепей, построенных из дисахаридов, которые чередуются и соединены между собой многочисленными короткими пептидными цепочками.

На поверхности клеточных мембран много полисахаридов, которые с белками образуют глюкопротеиды, а с липидами – гликолипиды. Вместе они образуют надмембранный комплекс животных клеток – гликокаликс.

К полисахаридам принадлежит агар морских водорослей.

классификация

Моносахариды классифицируются двумя различными способами. Первое зависит от химической природы карбонильной группы, поскольку это может быть кетон или альдегид. Вторая классификация фокусируется на количестве атомов углерода, присутствующих в сахаре.

Например, дигидроксиацетон содержит кетоновую группу и поэтому называется «кетозой», в отличие от глицеральдегида, содержащего альдегидную группу, и считается «альдозой».

Моносахаридам присваивается конкретное название в зависимости от количества атомов углерода, содержащихся в их структуре. Таким образом, сахар с четырьмя, пятью, шестью и семью атомами углерода называют тетрозами, пентозами, гексозами и гептозами соответственно..

Из всех упомянутых классов моносахаридов гексозы являются наиболее распространенной группой.

Обе классификации могут быть объединены, и название, данное молекуле, представляет собой смесь числа атомов углерода и типа карбонильной группы..

В случае глюкозы (С₆H₁₂О₆) считается гексозой, потому что она имеет шесть атомов углерода и также является альдозой. Согласно двум классификациям эта молекула является альдогексозой. Точно так же рибулоза является кетопентозой.