Углеводы

Сибирский Государственный Технологический Университет

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

Предмет: Химия растительного сырья.

 

 

 

Выполнила: Фролова Маргарита,

 группа 81-7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Красноярск 2015

Содержание:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Ежедневно сталкиваясь с множеством бытовых предметов, продуктов питания, природных объектов, продуктов промышленного производства, мы не задумываемся о том, что все вокруг есть и индивидуальные химические вещества или совокупность этих веществ. Любое вещество обладает собственной структурой и свойствами. Человек с момента своего появления на Земле употреблял растительную пищу, содержащую крахмал, фрукты и овощи, содержащие глюкозу, сахарозу и другие углеводы, использовал для своих нужд древесину и другие растительные объекты, состоящие главным образом из другого природного полисахарида – целлюлозы. Потребность человека в энергии покрывается при питании за счет углеводов.

Углеводы - природные соединения, которые играют важную роль в жизни человека, животных и растений. Они очень распространены в природе, особенно в растительном мире: 80% сухой массы растений составляют углеводы.

Название класса соединений происходит от слов «гидраты углерода», оно было впервые предложено К. Шмидтом в 1844 году. Появление такого названия было основано на предположении, что все углеводы содержат 2 компонента - углерод и воду, и их элементарный состав можно выразить общей формулой Cx(H2O)y. Хотя из этого правила есть исключения и оно не абсолютно точно, тем не менее, указанное определение позволяет наиболее просто охарактеризовать класс углеводов в целом.

Химия углеводов занимает одно из ведущих мест в истории развития органической химии. Тростниковый сахар можно считать первым органическим соединением, выделенным в химически чистом виде. Произведенный в 1861 г. A.M. Бутлеровым синтез (вне организма) углеводов из формальдегида явился первым синтезом представителей одного из трех основных классов веществ (белки, липиды, углеводы), входящих в состав живых организмов. Химическая структура простейших углеводов была выяснена в конце XIX в. в результате фундаментальных исследований Э. Фишера. Значительный вклад в изучение углеводов внесли отечественные ученые А.А. Колли, П.П. Шорыгин, Н.К. Кочетков и др. В 20-е годы предыдущего столетия работами английского исследователя У. Хеуорса были заложены основы структурной химии полисахаридов. Со второй половины XX в. происходит стремительное развитие химии и биохимии углеводов, обусловленное их важным биологическим значением. 

УГЛЕВОДЫ.

Углеводы — органические вещества, содержащие карбонильную группу и несколько гидроксильных групп.

• Образование углеводов.

Углеводы образуются в растениях в процессе фотосинтеза из диоксида углерода (СО2) и воды. В самом общем виде фотосинтез может быть представлен как процесс восстановления диоксида углерода с использованием солнечной энергии.

 

 

• Классификация углеводов

По способности к гидролизу на мономеры углеводы делятся на две группы: простые - моносахариды  и сложные – полисахариды. Моносахариды не гидролизуются с образованием более простых углеводов. Способные к гидролизу полисахариды можно рассматривать как продукты конденсации моносахаридов. Полисахариды являются высокомолекулярными соединениями, макромолекулы которых содержат сотни и тысячи моносахаридных остатков. Среди них выделяют группу олигосахаридов, имеющих относительно небольшую молекулярную массу и содержащих от 2 до 10 моносахаридных остатков.

*Составная часть приведенных выше названий  - сахариды – связана с ранее широко употреблявшимся общим названием углеводов – сахара.

Моносахариды.

Моносахариды -  это твердые вещества, легко растворимые в воде, плохо – в спирте и совсем нерастворимые в эфире. Большинство моносахаридов обладает сладким вкусом. Она же является структурной единицей многих полисахаридов. Другие моносахариды в  свободном состоянии встречаются редко и в основном известны как компоненты олиго- и полисахаридов.

Моносахариды - это простейшие углеводы, молекулы которых содержат от 2 до 7 атомов углерода, один из которых содержит карбонильную группу.

В зависимости от положения в молекуле карбонильной группы моносахариды подразделяют на альдозы и кетозы. Если моносахарид содержит альдегидную группу  и представляет собой альдегидоспирт, его называют альдозой. Если  карбонильная группа находится  не у первого углеродного атома, углерод является кетоноспиртом и его называют кетозой.

Альдозы содержат функциональную альдегидную группу -НС=О, тогда как кетозы содержат кетонную группу >С=О. Строение альдоз и кетоз в общем виде можно представить следующим образом.

 

В зависимости от длины углеродной цепи (3-10 атомов) моносахариды делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы и т.д. Наиболее распространены пентозы (органические соединения из группы моносахаридов, у которых углеродный скелет состоит из 5 атомов. В свободном состоянии в природе не встречаются. При действии минеральных кислот пентоза превращаются в фурфурол — ценное сырьё для химической промышленности.) и гексозы (бесцветные вещества сладкого вкуса, часто довольно трудно кристаллизующиеся. В воде гексозы очень хорошо растворимы, легко дают пересыщенные растворы (сиропы). В спирте они растворяются значительно труднее и из него легко кристаллизуются. В эфире гексозы не растворяются.).

Характерная особенность выше приведенных соединений состоит в наличии ассиметричных атомов углерода, число которых растет по мере удлинения цепи. Простейшими альдегидоспиртами имеющими один асимметрический атом углерода, являются триозы — стереоизомеры глицеринового альдегида, изображенные в проекция Фишера. (Рис. 1)

• Пространственная изомерия  
  

Изомерия  — существование химических соединений (изомеров), одинаковых по составу и молекулярной массе, различающихся по строению или расположению атомов в пространстве и, вследствие этого, по свойствам.

Стереоизомерия моносахаридов: изомер глицеральдегида, у которого при проецировании модели на плоскость ОН-группа у асимметричного атома углерода расположена с правой стороны принято считать D-глицеральдегидом, а зеркальное отражение — L-глицеральдегидом. Все изомеры моносахаридов делятся на D- и L- формы по сходству расположения ОН-группы у последнего асимметричного атома углерода возле СН2ОН-группы (кетозы содержат на один асимметричный атом углерода меньше, чем альдозы с тем же числом атомов углерода). Природные гексозы — глюкоза, фруктоза, манноза и галактоза — по стереохимической конфигурациям относят к соединениям D-ряда.

 

 

Рис 1. Слева D-глицеральдегид, справа L-глицеральдегид. 

Наиболее распространенные моносахариды:

В природе в свободном виде наиболее распространена D-глюкоза (C6H12O6) — структурная единица многих дисахаридов (мальтозы, сахарозы и лактозы) и полисахаридов (целлюлоза, крахмал).

Рассмотрим гексозы:

Глюкоза (от греч. glykys — сладкий), виноградный сахар, декстроза. Бесцветные кристаллы, tпл=146,5℃. Хорошо растворима в воде. Глюкоза является альдогексозой. Она может существовать в линейной и циклической формах. Циклическая форма глюкозы, предпочтительная в термодинамическом отношении, обусловливает химические свойства глюкозы. Как и все гексозы, глюкоза имеет 4 асимметричных углеродных атома, обусловливающих наличие стереоизомеров. Возможно образование 16 стереоизомеров, наиболее важные из которых D- и L-глюкоза.

 

В растворе при образовании циклической формы моносахарида образуются ещё 2 изомера (α- и β-изомеры), называемые аномерами, обозначающие определённую конформацию Н- и ОН-групп относительно С. У α-D-глюкозы ОН-группа располагается ниже плоскости кольца, а у β-D-глюкозы, наоборот, над плоскостью кольца.

 

Входит в состав различных соединений — от сахарозы, целлюлозы и крахмала до некоторых гликопротеидов и вирусной рибонуклеиновой кислоты. Для ряда бактерий глюкоза — единственный источник энергии. Глюкоза участвует во многих реакциях обмена веществ. Молярная масса 180 г/моль. Глюкоза встречается в свободном виде и в виде олигосахаридов (тростниковый сахар, молочный сахар), полисахаридов (крахмал, гликоген, целлюлоза, декстран), гликозидов и других производных. В свободном виде глюкоза содержится в плодах, цветах и других органах растений, а также в животных тканях (в крови, мозгу и др.). Получают глюкозу гидролизом крахмала и клетчатки. Сбраживается дрожжами.

 
      Фруктоза, фруктовый или плодовый сахар, левулёза, β-D-фруктофураноза, бесцветные кристаллы сладкого вкуса (слаще сахарозы в 1,5 раза и глюкозы в 3 раза), tпл =102—104℃; растворимы в воде.

Фруктоза встречается в свободном виде во многих фруктах и плодах, например в яблоках, помидорах, пчелином мёде (около 50% ), входит в состав олиго- и полисахаридов. Фосфаты фруктозы (Фруктоза-1,6-дифосфат, фруктозо-6-фосфат) — промежуточные соединения в темновой фазе фотосинтеза (цикл Кельвина), в важнейших процессах метаболизма (гликолиз, спиртовое брожение) и биосинтеза углеводов. 
Фруктоза — ценный пищевой продукт, хорошо усваивается организмом; получают её из фруктов, гидролизом сахарозы и инулина, а также действием щелочей на глюкозу. Кроме фуранозной (природной), известны открытая кетонная и другие таутомерные формы фруктозы. Применяют фруктозу в пищевой промышленности и медицине. Фруктозо-1,6-дифосфат — лекарственный препарат, употребляемый при шоковых состояниях и сердечных заболеваниях. 

Фруктоза является кетогексозой (кетогруппа находится у второго углеродного атома). Фруктоза так же, как и глюкоза, существует в циклической форме, образуя α- и β-аномеры.

 

 
 
 
Рассмотрим пентозы: 
 
Рибоза - бесцветное, кристаллическое вещество, легко растворимое в воде и имеющее сладкий вкус с эмпирической формулой C5 H10 O5. 
 
Существует в виде оптически активных D- и L-форм и неактивного рацемата. Рибозы — кристаллы, хорошо растворимые в воде, tпл = 86—87℃ (D-форма). Особенность Рибозы — высокое (8,5%) содержание ациклической (альдегидной) формы в растворе. D-рибоза — универсальный компонент всех живых организмов. Она входит в состав важнейших соединений, осуществляющих в клетках перенос информации и энергии, — рибонуклеиновых кислот, нуклеозидов, моно- и динуклеотидов, а также некоторых коферментов и бактериальных полисахаридов.  
 
 
Дезоксирибо́за C5 H10 O4 — это дезоксисахар — производное рибозы, где гидроксильная группа у второго атома углерода замещена водородом с потерей атома кислорода (дезокси — отсутствие атома кислорода).  
 
Рибоза формирует пятичленное кольцо, состоящее из четырёх атомов углерода и атома кислорода. Гидроксильные группы соединены к трём атомам углерода. Последний атом углерода и гидроксильная группа связаны с одним из атомов углерода, соединённых с кислородом. В дезоксирибозе атом углерода, расположенный дальше всего от атома кислорода лишён гидроксильной группы. Входит в состав ДНК, вместе с азотистым основанием и остатком фосфорной кислоты образуя мономерную единицу дезоксирибонуклеиновой кислоты — нуклеотид.

 

Важнейшим свойством моносахаридов является их ферментативное брожение, т.е. распад молекул на осколки под действием различных ферментов. Брожению подвергаются в основном гексозы в присутствии ферментов, выделяемых дрожжевыми грибками, бактериями или плесневыми грибками. В зависимости от природы действующего фермента различают реакции следующих видов:

 

• Значение моносахаридов

Моносахариды играют роль промежуточных продуктов в процессах дыхания и фотосинтеза, участвуют в синтезе нуклеиновых кислот, коферментов, АТФ и полисахаридов, служат источниками энергии, высвобождаемой при окислении в процессе дыхания. Производные моносахаридов – сахарные спирты, сахарные кислоты, дезоксисахара и аминосахара – имеют важное значение в процессе дыхания, а также используются при синтезе липидов, ДНК и других макромолекул.

Глюкоза — та структурная единица, из которой построены все важнейшие полисахариды — гликоген, крахмал и целлюлоза. Глюкоза входит также в состав важнейших для человека дисахаридов — сахарозы, лактозы, мальтозы.Глюкоза быстро всасывается в желудочно-кишечном тракте и поступает в кровь, а затем в клетки различных органов и тканей, где она вовлекается в процессы биологического окисления. Окисление глюкозы сопряжено с образованием значительных количеств АТФ. Энергия макроэргических связей АТФ является уникальной формой энергии, используемой организмом для реализации различных физиологических функций. Глюкоза — наиболее легко утилизируемый (по сравнению с другими нутриентами) источник энергии для человека. Роль глюкозы особенно велика для ЦНС (важнейший субстрат окисления). Глюкоза служит непосредственным предшественником гликогена — запасного углевода человеческого организма. Она легко превращается в организме человека в триглицериды, причем этот процесс особенно усиливается при избыточном поступлении глюкозы с пищей. Фруктоза — менее распространенный углевод, чем глюкоза. Фруктоза, как и глюкоза, служит быстро утилизируемым источником энергии и в еще большей степени, чем глюкоза, склонна к превращению в триглицериды. Часть фруктозы в печени превращается в глюкозу, однако метаболизм оставшейся фруктозы отличается от таковой глюкозы. 
Ферменты, участвующие в специфических превращениях фруктозы, не требуют для проявления своей активности инсулина. Этим обстоятельством, а также значительно более медленным всасыванием фруктозы в кишечнике объясняется лучшая переносимость фруктозы больными сахарным диабетом. 
Галактоза входит в состав лактозы и гемицеллюлоз. В организме человека большая часть галактозы превращается в печени в глюкозу. Наследственное выпадение ферментов, участвующих в этом превращении, ведет к развитию тяжелого наследственного заболевания — галактоземии. 
С пищей человек получает большое количество глюкозы и значительно меньше фруктозы и галактозы. Галактоза в свободном виде в пищевых продуктах не встречается и поступает в организм в составе дисахарида — лактозы (содержащейся в молоке и молочных продуктах), а также неперевариваемых полисахаридов — гемицеллюлоз.Фруктоза поступает в организм в составе сахарозы и гемицеллюлоз, а глюкоза — в составе ряда полисахаридов (крахмал, гликоген, целлюлоза) и дисахаридов (сахароза, лактоза, мальтоза). Кроме того, глюкоза и фруктоза находятся во многих пищевых продуктах в свободном виде. Пентозы являются необходимыми компонентами ряда биологически важных соединений — нуклеиновых кислот, коферментов, АТФ и других нуклеозиддифосфатов и нуклеозидтрифосфатов. В свободном виде пентозы в пищевых продуктах не встречаются и поступают в организм человека в составе нуклеопротеидов, которыми богаты мясные и рыбные продукты.