Моносахариди.

ВУГЛЕВОДИ

Вперше термін “вуглеводи” був запропонований професором Шмідтом в 1844 р. В той час вважали, що всі вуглеводи мають загальну формулу С_m(H₂O)_n, тобто вуглець + водень та кисень у том співвідношенні, як у молекулі води. Але пізніше виявилось, що є ряд сполук, що належать по своїм властивостям до класу вуглеводів, містять водень та кисень у дещо іншій пропорції, наприклад, дезоксирибоза – С₅Н₁₀О₄. Міжнародною комісією по реформі хімічної номенклатури в 1927 р. було запропоновано вживання терміну “гліциди”, але він не набув широкого розповсюдження.

В 1861 р. А.Бутлеровим був здійснений синтез (поза організмом) вуглеводів із формальдегіду. Хімічна структура найпростіших вуглеводів була досліджена наприкінці 19 ст. в результаті робіт Фішера.

Біологічна роль вуглеводів:

1. Енергетична – вуглеводи є головним видом клітинного палива. При їх окисленні виділяється енергія, необхідна для життєдіяльності організму.

2. Пластична – вуглеводи використовуються для синтезу нуклеїнових кислот (рибоза, дезоксирибоза), вони є складовими компонентами нуклеотидних коферментів (НАД, НАДФ), коферменту А, ФАД, ФМН.

3. Структурна – вуглеводи є обов’язковим компонентом більшості внутрішньоклітинних структур.

4.Захисна – участь вуглеводних компонентів імуноглобулінів у підтримці імунітету.

5.Регуляторна – клітковина, викликаючи механічне подразнення кишечнику сприяє його перистальтиці (рух) і тим самим покращує травлення. Моноцукри відіграють суттєву роль у регуляції осмотичних процесів.

6.Запасна – поживні речовини накопичуються в організмі у вигляді глікогену, крохмалю та фруктозанів у рослин, витрачаються в разі потреби.

7.Специфічні функції – деякі вуглеводмісткі біополімери (глікопептиди, глікопротеїни, гліколіпіди, ліпополіцукриди) виконують специфічні функції. Так, в мембранах нервових кінців знайдено високий вміст глікопротеїдів, які приймають участь в проведенні нервового імпульсу.

До складу тіла людини та тварин вуглеводи входять у меншій кількості (не більше 2 % від сухої маси тіла), ніж білки та ліпіди. В рослинних організмах за рахунок целюлози на долю вуглеводів приходиться до 80 % сухої маси, тому в цілому в біосфері вуглеводів більше, ніж всіх інших органічних сполук разом взятих.

Згідно прийнятій зараз класифікації, вуглеводи поділяються на 3 групи: моносахариди, олігосахариди, полісахариди.

Це вуглеводи, які не піддаються гідролізу з утворенням більш простих сполук.

Представляють собою похідні багатоатомних спиртів, що містять альдегідну групу (альдози – глюкоза, рибоза, арабіноза) та кетонну групу (кетози – фруктоза).

За числом вуглеводних атомів поділяють на тріози (діоксиацетон, гліцериновий альдегід), тетрози (еритрулоза), пентози (рибоза, ксилулоза), гексози (фруктоза, глюкоза), гептози. В природі найбільш часто зустрічаються пентози та гексози.

Майже всі моносахариди містять один або більше асиметричних атомів вуглецю, тому можуть існувати у вигляді різних стереоізомерів. Кетотріоза діоксиацетон не містить асиметричних атомів вуглецю.

Всі ізомери моносахаридів поділяються на D- та L-форми у відповідності з розташуванням груп атомів при останньому (найбільш віддаленому від альдегідної чи кето групи) центрі асиметрії з розташуванням груп у D- та L-гліцеральдегіда. Природні гексози – глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза належать, як правило, до сполук D-ряду.

Природні моносахариди мають оптичну активність, тобто здатні обертати площину поляризованого світла. Якщо вона обертається праворуч – позначається знаком “+”, якщо ліворуч – “–”.

Плоскополяризоване світло – його коливання здійснюються лише в одній з можливих площин.

Вуглеводи представляють собою циклічну (напівацетальну форму). Циклічні структури пентоз і гексоз – звичайні їх форми; в будь-який момент лише невелика частина молекул існує у вигляді “відкритого ланцюга”.

Моносахариди дають реакції по напівацетальному гідроксилу, який відрізняється більшою реакційною здатністю і може заміщатися іншими групами у реакціях із спиртами, карбоновими кислотами, фенолами тощо. Продукт реакції називається глікозидом.

Моносахариди реагують також по карбонільній групі. Хоч лінійна форма моносахаридів присутня у незначних кількостях, її участь забезпечує моносахаридам всі властивості альдегідів (в альдозах) та кетонів (в кетозах). Альдози та кетози здатні:

- приєднувати спирти;

- до окислення альдегідної групи в карбоксильну при обробці слабими окислювачами, з утворенням альдонових кислот (D-глюкоза окислюється в D-глюконову кислоту, яка відіграє важливу роль як проміжний продукт вуглеводного обміну);

- до відновлення – легко гідруються по зв’язку С-О і при цьому перетворюються в багатоатомні спирти. Так, D-глюкоза утворює спирт сорбіт;

- вступати в реакцію етерифікації з фосфорною кислотою з утворенням фосфорнокислих ефірів, що відіграють велику роль у обміні речовин. Так, 5-фосфорибозил-1-пірофосфат приймає участь в синтезі пуринових та піримідинових нуклеотидів; глюкозо-1-фосфат, глюкозо-6-фосфат є проміжними продуктами гліколізу;

- до утворення аміноцукрів – похідних моноцукрів, гідроксильна група яких заміщена аміногрупою. Представники: D-глюкозамін, D-галактозамін, які входять до складу мукополісахаридів тваринного, рослинного та бактеріального походження, є вуглеводними компонентами різних глікопротеїнів та гліколіпідів.

Окремі представники моносахаридів:

Ці тріози у фосфорильованому стані утворюються в процесі гліколізу.

β – D – рибоза входить до складу РНК, коферментів, β – D – дезоксирибоза – до складу ДНК.

Пентози рибоза, арабіноза, ксилоза у насінні олійних культур у вільному вигляді майже не зустрічаються. У плодовій та насінневій оболонках ксилоза та арабіноза містяться у вигляді високомолекулярних полісахаридів, які називаються пентозанами.

При дистиляції з сірчаною кислотою пентози утворюють фурфурол, який отримують, наприклад, при гідролізі плодових оболонок насіння соняшники.

Вироблюваний з лушпиння фурфурол використовується в нафтопереробній промисловості як селективний розчинник при очищенні мастил. Найбільше промислове значення в області органічного синтезу мають похідні фурфуролу, що утворюються в процесі гідрування та окислення. Фуриловий спирт, наприклад, застосовується для антикорозійного покриття обладнання, як селективний розчинник (для екстрагування пеніциліну), в якості ініціатору горіння палива для реактивних двигунів тощо.

Глюкоза(виноградний цукор) поширена в природі, у великій кількості міститься у винограді, є обов’язковою складовою крові людини і тварин. З неї побудовані крохмаль, глікоген, целюлоза. У фосфорильованому вигляді зустрічається у клітинах і тканинах організму як проміжний продукт розщеплення вуглеводів.

Глюкоза міститься у крові в кількості 0,1 %, що становить 1 чайну ложку. Якщо рівень цукру менше спостерігається втома, апатія, тремтіння в руках і ногах, якщо набагато менше – непритомність. Коли кількість глюкози більше від норми – цукровий діабет. Може бути така висока концентрація глюкози, що вона частково починає виводитись з сечею.

Входить до складу сахарози, а також високомолекулярних полісахаридів. Ці полісахариди отримали назву поліфруктозидів, зустрічаються у цикорії, земляній груші, кок-сагизі. Найбільш відомим є інулін, що накопичується у клубнях топінамбура як запасна речовина. Суміш фруктози і глюкози становить основну частину меду.Глюкоза з меду швидко всмоктується у кров, фруктоза – повільно, тому вона підтримує постійну концентрацію цукру в крові. Її фосфорні ефіри є проміжними сполуками обміну вуглеводів в організмі.

Серед усіх моносахаридів фруктоза – найсолодша (в 2,5 рази солодша за глюкозу і в 1,7 рази – за сахарозу).