Если белки считаются органическими соединениями, наиболее разнообразными по строению и функциям, то углеводы являются самыми распространенными в природе. С ними мы сталкиваемся повсеместно: сахар, крахмал, бумага, хлопчатобумажная ткань и много других веществ и материалов построены из дисахаридов и полисахаридов. Химические свойства этих соединений и их значение для жизни человека мы и рассмотрим в нашей статье.
Обмен углеводов в клетке
Сахароза является одним из важнейших дисахаридов, синтезируемых растениями, например, такими, как сахарный тростник или сахарная свекла. Соединение выполняет энергетическую функцию, так его расщепление приводит к выделению большого количества энергии. Гидролиз сахарозы происходит в клетках человеческого организма и приводит к образованию молекул глюкозы и фруктозы:
С 12 Н 22 О 11 + Н 2 О = С 6 Н 12 О 6 + С 6 Н 12 О 6
Главные факторы проведения гидролиза в лабораторных или промышленных условиях - это нагревание и избыток ионов водорода, выполняющих каталитическую функцию в реагирующей смеси. Остатки фруктозы и глюкозы в дисахариде представлены своей циклической формой и соединены между собой благодаря кислородному атому. Сахароза лишена свободных альдегидных групп, вот почему у нее не происходит реакция серебряного зеркала, и углевод не проявляет восстановительных свойств.
Это подтверждают приведенные выше уравнения реакций дисахаридов. Химические свойства веществ, а именно легли в основу классификации углеводов.
Виды углеводов
Вещества, не расщепляющиеся под действием воды, например, фруктоза, находящаяся в меде и большинстве фруктов, а также глюкоза - это моносахариды или монозы. Если в процессе гидролиза углевод разлагается на две молекулы простейших сахаров, он относится к дисахариду. К этому классу относятся сахароза и лактоза. В случае, если из одной макромолекулы органического вещества образуется множество моносахаридных остатков - говорят о полисахаридах. К ним относится хорошо известный растительный полимер - крахмал, накапливающийся в листьях, плодах и семенах растений в процессе фотосинтеза.
В панцире членистоногих и клетках грибов находится углевод, который, в отличие от ранее рассмотренных соединений, содержит не только атомы углерода, кислорода и водорода, но еще и азот. Интересное строение и особенности протекания реакций, отличающие ее от химических свойств дисахаридов, имеет гиалуроновая кислота, представляющая основу межклеточного вещества у животных и человека. линейного строения, являющийся, по сути, одной гигантской макромолекулой, содержащей до 50 000 моно мерных звеньев. Наибольшее ее количество находится в дерме, хрящах, стекловидном теле органа зрения. Животный крахмал - гликоген синтезируется в клетках животных и человека из остатков глюкозы и откладывается в виде запасного энергетического материала в клетках печени - гепатоцитах.
Химические свойства дисахаридов на примере лактозы
Молоко - первый и важнейший продукт питания для детенышей млекопитающих: животных и человека. Кроме молочного белка - казеина, жира, воды, минеральных солей и витаминов, оно содержит углевод - лактозу или молочный сахар. Ее молекулы состоят из остатков моносахаридов - глюкозы и галактозы, содержащих по шесть атомов углерода. В процессе переваривания молока в желудочно-кишечном тракте лактоза расщепляется до моносахаридов.
Они всасываются капиллярами ворсинок тонкого кишечника. Все химические свойства дисахаридов проходят с участием ферментов, например, лактазы, ускоряющей гидролиз молочного сахара. Снижение уровня этого вещества, связанное, как с генетической предрасположенностью, так и с индивидуальными особенностями (возрастом, спецификой питания), вызывает заболевание - гиполактазию.
Восстановительные свойства углеводов
Молекулы лактозы состоят из остатков галактозы и глюкозы, имеющих открытые углеродные цепи и свободные альдегидные комплексы. Присутствие функциональной группы обуславливает возможность проведения реакций восстановления, например, с водородом. В результате, комплекс атомов -CHO, входящий в состав глюкозы, восстанавливается до гидроксильной группы, и образуется шестиатомный спирт - сорбит. Происходящий процесс восстановления можно выразить уравнениями, и химические свойства дисахаридов, таким образом, будут иметь следующий вид:
СН 2 OH - (CHOH) 4 - COH + H 2 = (температура, катализатор Ni) => CH 2 OH -(CHOH) 4 -CH 2 OH
Они зависят от того, какие формы глюкозы входят в состав углевода: циклические или с открытым углеродным скелетом.
Важнейшие полисахариды и особенности их строения
Белый порошок, не растворяющийся в холодной воде, а в горячей, образующий клейстер - это крахмал. Наибольшее его содержание характерно для семян риса и кукурузы, клубней картофеля. Макромолекула вещества состоит из остатков циклической альфа-глюкозы. В кислой среде он реакции имеет следующий вид:
(C 6 H 10 O 5) n + nH 2 O - H 2 SO 4 → nC 6 H 12 O 6
Химические свойства дисахаридов и полисахаридов имеют черты сходства: все они способны к гидролизу.
Целлюлоза, входящая в состав древесины, содержит мономеры - остатки бета-глюкозы. Нагревание вещества с концентрированной нитратной кислотой приводит к образованию сложного эфира - три нитрата целлюлозы, применяемого в пиротехнике.
В нашей статье мы изучили особенности химических свойств дисахаридов и полисахаридов и рассмотрели их распространение в природе.
ОЛИГОСАХАРИДЫ
Это самая большая и распространенная группа олигосахаридов. Их молекулы состоят из двух остатков гексоз, из двух остатков пентоз или гексозы и пентозы. Чаще встречаются две гексозы.
К числу наиболее важных дисахаридов относятся: сахароза, целлобиоза, лактоза, мальтоза. Молекула дисахарида содержит два остатка моносахаридов, соединенных между собой через атом кислорода (О-гликозидной связью). Дисахариды делят на две группы: восстанавливающие и невосстанавливающие.
Если молекула дисахарида построена таким образом, что в образовании связей между моносахаридами участвуют их гликозидные гидроксилы, то он называется невосстанавливающим. Такой дисахарид не обладает восстанавливающими свойствами, т.е не дает реакции «серебряного зеркала», а также с реактивом Фелинга. Кроме того, он не образует производных по карбонильной группе. Такие типы дисахаридов называют гликозилгликозидами. Например, невосстанавливающий дисахарид, составленный из двух остатков глюкозы, называется глюкозилглюкозидом, а из глюкозы и фруктозы-глюкозилфруктозидом.
Если один из моносахаридов, будучи связанным с другим сохраняет свой полуацетальный (гликозидный) гидроксил (потенциальная альдегидная группа), то такой дисахарид называется восстанавливающим.
Сахароза (тростниковый или свекловичный сахар)
Примером невосстанавливающего дисахарида может служить сахароза, которая состоит из остатков глюкозы и фруктозы. В молекуле сахарозы гликозидная связь соединяет аномерные центры обоих моносахаридов. Систематическое название сахарозы: α-D-глюкопиранозил-(1,2)-β-D-фруктофуранозид, его структурная формула:
Это один из самых распространенных в природе и практически наиболее важных дисахаридов. Сахароза содержится в стеблях, корнях, клубнях и плодах растений. В их листьях образуется в процессе фотосинтеза. В корнеплодах сахарной свеклы ее содержание достигает 28%, а в стеблях сахарного тростника - около 20%.
Сахарозу получают из сахарного тростника (65% мировой потребности) и из сахарной свеклы (30-35%).
Источником сахара в тропиках служат пальмы: кокосовая, сахарная, винная. Перед цветением у пальмы подрезают главную ось соцветия и собирают вытекающий сок. Его выпаривают и получают коричневый сахар. Сок сбраживают также в вино.
Сахарная кукуруза и сахарное сорго в стеблях содержат 10-12% сахарозы.для получения сахара эти растения использовать невыгодно, но из них готовят сладкий сироп, который используют в кондитерской промышленности.
Сахароза хорошо растворима в воде. Растворы сахарозы вращают плоскость поляризации света вправо на 66,5 0 . Сахароза при действии кислот или фермента сахаразы гидролизуется с образованием глюкозы и фруктозы.Эти гексозы имеют противоположные углы удельного вращения (глюкоза +52,5 0 , фруктоза -92 0), суммарный угол вращения после гидролиза становится отрицательным. Поэтому сам процесс расщепления сахарозы на глюкозу и фруктозу назван инверсией сахара, а гидролизованная сахароза- инвертным сахаром.
Сахароза - важный питательный продукт, имеющий большое энергетическое значение в организме: при сгорании 1 г сахарозы образуется около 16,7 кДж. Гидролизованная сахароза легко поддается спиртовому брожению с образованием спирта. Под влиянием специфических микроорганизмов сахароза подвергается молочнокислому, маслянокислому и другим видам брожения.
В промышленности широко применяются производные сахарозы. Октаацетат сахарозы используют в качестве промежуточного слоя при получении стекла триплекс. С помощью бензоата сахарозы, содержащего семь-восемь бензольных остатков на молекулу сахара получают лак и клей. Эфиры сахарозы и высших жирных кислот широко применяют в качестве моющих средств, диэфиры высших жирных кислот и сахарозы- как эмульгаторы при производстве маргарина, фармацевтических и косметических препаратов.
Октаметилсахарозу используют в промышленности для производства пластмасс в качестве пластификаторов, амиловые эфиры сахарозы - для производства стойких пленок.
Для улучшения органолептических свойств (вкуса, запаха) готового пива на основе углеводов разработаны специальные сиропы (жженый сахар). Используют смеси углеводов, главным образом, глюкозы и сахарозы.
Трегалоза (грибной сахар)
Трегалоза состоит из двух молекул α-D-глюкопиранозы, которые соединены между собой двумя полуацетальными гидроксилами, поэтому трегалоза, как и сахароза не обладает восстанавливающими свойствами.
Трегалоза найдена в грибах, спорынье, водорослях, дрожжах (около 18% сухого веса), в гемолимфе многих насекомых.
Целлобиоза
Из восстанавливающих дисахаридов можно в качестве примера привести целлобиозу, имеющую следующую структуру:
Этот дисахарид состоит из двух остатков β-D-глюкопиранозы. Гликозидная связь соединяет первый атом углерода одного остатка с четвёртым атомом углерода второго остатка. Систематическое название этого дисахарида: β-D-глюкопиранозил-(1,4)-β-D-глюкопираноза.
Целлобиоза образуется при ферментативном гидролизе целлюлозы при участии фермента целлюлазы. Она найдена в прорастающих семенах, косточках абрикосов.
Высшие животные не усваивают целлобиозу, так как не обладают разлагающим ферментом.
Улитки, гусеницы, черви и многие микроорганизмы, содержащие ферменты целлобиазу и целлюлазу, способны расщеплять целлюлозосодержащие растительные ткани. В промышленности ее получают в виде октаацетата гидролизом ацетилированной целлюлозы.
Лактоза (молочный сахар)
Лактоза (молочный сахар) состоит из остатка β-D-галактопиранозы и α-D-глюкопиранозы, связанных 1,4-β-гликозидной связью. Обладает восстанавливающими свойствами и поддаётся брожению с образованием молочной кислоты.
Остаток глюкозы обладает свободным гликозидным гидроксилом, поэтому возможно существование лактозы в двух формах. Равновесная смесь её α- и β-формы имеет удельное вращение +52. Она входит в состав молока млекопитающих (5-8%), найдена также в пыльцевых трубочках ряда растений. Лактоза плохо растворима в воде, её можно получить путём упаривания молочной сыворотки. Под действием кислот и фермента лактазы (β-галактозидазы) она расщепляется на глюкозу и галактозу. Фермент лактаза выделяется тонким кишечником. Некоторые этнические группы населения в восточных и африканских странах отличаются отсутствием в их организмах этого фермента. Поэтому они страдают непереносимостью к молочной пище. Эта особенность называется непереносимостью лактозы. Лактоза имеет важное биологическое значение в организме, её используют для приготовления питательных микробиологических сред, в формацевтической промышленности в качестве наполнителя при изготовлении порошков и таблеток.
Лактозу наряду с сахарозой, мальтозой, глюкозой используют при производстве сырокопчёных и сыровяленых колбас. Углеводы при производстве колбас служат пищей для молочнокислой микрофлоры и являются пищевкусовыми добавками, в определенной степени формирующими органолептические свойства готового продукта.
Мальтоза (солодовый сахар).
Мальтоза состоит из остатков двух молекул глюкозы в α-D-глюкопиранозной форме, связанных 1,4-α-гликозидной связью.
Обладает восстанавливающими свойствами, т. к. связь между двумя молекулами D-глюкоз образуется благодаря полуацетальному гидроксилу одной молекулы глюкозы и спиртовому гидроксилу, находящемуся у четвёртого атома углерода второй молекулы глюкозы, в связи с чем один полуацетальный гидроксил остаётся свободным:
Мальтоза содержится в солоде – проросшем зерне. Это промежуточный продукт распада полисахаридов (крахмала и гликогена) под действием ферментов амилаз. Хорошо сбраживается дрожжами, т. к. при действии мальтазы дрожжей она расщепляется на две молекулы глюкозы. Мальтозу гидролизуют кислотами и ферментами α-глюкозидазами (мальтазами). Фермент мальтаза входит в состав слюны, поджелудочного и кишечного сока, имеется в крови, печени и скелетных мышцах, встречается в дрожжах, бактериях, растениях. Фермент мальтаза, полученная из разного сырья, имеет различную активность и оптимальное рН при воздействии. Наиболее чистая мальтаза выделена из дрожжей (рН опт = 6,75-7,25). Мальтоза является промежуточнм продуктом винокуренной и пивоваренной промышленности.
Рутиноза.
Этот дисахарид встречается только в гликозидах. Ее молекула состоит из b-L-рамнозы и a-D-глюкозы, связанных 1,6b-связью:
Рутин (витамин Р, функция которого в организме млекопитающих состоит в укрепляющем действии на кровеносные капилляры и в увеличении свертывающей способности крови) содержит в структуре фрагмент рутинозы (Rut). Этот дисахарид, как и рутин, получил свое название от растения руты, где, как и рутин, он впервые был обнаружен:
Р-витаминная активность ярко выражена у орлаванонового рутинозида – гисперидина, который в количестве до 8% присутствует в апельсиновой кожуре.
Дисахариды – это сахароподобные сложные углеводы, молекулы которых при гидролизе распадаются на две молекулы моносахаридов. Молекулярная формула С 12 Н 22 О 11 . Дисахариды содержатся в продуктах природного происхождения: сахароза (свекловичный сахар) в большом количестве, до 28%, – в сахарной свёкле; лактоза (молочный сахар) – в молоке; трегалоза (грибной сахар) – в грибах; мальтоза (солодовый сахар) образуется при частичном гидролизе крахмала и др.
По своему строению дисахариды представляют собой гликози-ды. В зависимости от того, какой гидроксил второго моносахарида участвует в образовании связи с первым моносахаридом, различают дисахариды двух типов: восстанавливающие (редуцирующие); невосстанавливающие.
Восстанавливающие дисахариды называют гликозил-гликозами; связь между моносахаридными молекулами у этих дисахаридов образована за счёт полуацетального гидроксила одной молекулы и спиртового гидроксила (чаще всего при четвёртом атоме углерода) второй молекулы. Важнейшие представители: мальтоза, лактоза, целлобиоза. В растворе они находятся в таутомерных формах: циклической (полуацетальной) и гидроксикарбонильной (альдегидной).
лактоза лактоза
Строение. В состав дисахаридов могут входить два одинаковых или различных моносахарида в полуацетальной (циклической) форме.
Так, молекула мальтозы (солодовый сахар) состоит из двух молекул α-D-глюкозы в пиранозной форме, связанных между собойl-4-α-гликозидной связью.
Во втором моносахаридном остатке молекулы мальтозы сохраняется свободный полуацетальный гидроксил. По этой причине в растворе мальтоза может существовать в таутомерных формах: циклической и гидроксикарбонильной, находящихся между собой в динамическом равновесии.
мальтоза мальтоза
(полуацетальная форма) (гидроксикарбонильная форма)
По такому принципу построены все восстанавливающие дисахариды (лактоза, целлобиоза и др.).
Свойства восстанавливающих (редуцирующих) дисахаридов. Восстанавливающие дисахариды – это кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, имеют сладкий вкус, гигроскопичны. Растворы этих дисахаридов нейтральны, обладают оптической активностью. В химическом отношении восстанавливающие дисахариды проявляют свойства альдегидов: дают реакцию серебряного зеркала, восстанавливают жидкость Фелинга, реагируют с реактивами на карбонильную группу (с фенилгидразином, гидроксиламином). За счёт полуацетального гидроксила дисахариды образуют гликозиды, а также проявляют свойства многоатомных спиртов: вступают в реакции алкилирования, ацилирования, дают качественную реакцию на многоатомные спирты (растворяют Сu(ОН) 2).
мальтоза
(альдегидная форма) мальтобионовая
кислота
Эта группа дисахаридов способна восстанавливать Ag + доAg 0 в реакции серебряного зеркала, Сu 2+ до Сu + в реакции с раствором Фелинга, поэтому они и называются восстанавливающими дисахаридами. Как все сложные углеводы, дисахариды способны гидролизоваться под действием минеральных кислот или ферментов.
С 12 Н 22 О 11 +Н 2 О
2С 6 Н 12 О 6
мальтоза глюкоза
Невосстанавливающие дисахариды называют гликозил-гликозидами; связь между моносахаридами у этих дисахаридов образована с участием обоих полуацетальных гидроксилов, поэтому они не могут переходить в другие таутомерные формы. Важнейшими их представителями являются сахароза и трегалоза.
трегалоза сахароза
Молекула трегалозы состоит из двух остатков α-D-глюкопи-ранозы, молекула сахарозы – из остаткаα-D-глюкопиранозы и остаткаβ-D-фруктофуранозы. Так как у дисахаридов этой группы связь между моносахаридами осуществляется за счёт обоих полуацетальных гидроксилов, они не могут таутомерно переходить в оксикарбонильную форму, следовательно, не могут давать реакции на карбонильную группу, в том числе и на альдегидную группу (не дают реакцию серебряного зеркала, не реагируют с раствором Фелинга). Такие дисахариды не способны проявлять восстанавливающие свойства, поэтому их называют невосстанавливающими дисахаридами. Они проявляют свойства многоатомных спиртов (растворяют гидроксид меди, вступают в реакции алкилирования и ацилирования), как все сложные углеводы гидролизуются в присутствии минеральных кислот или под действием ферментов.
Строение и свойства сахарозы. Сахароза (свекловичный сахар) – один из наиболее давно известных человеку пищевых продуктов. Первоначально сахароза была выделена из сахарного тростника, а затем – из сахарной свеклы. Сахароза содержится и во многих других растениях (кукуруза, клён, пальма и др.).
Молекулярный состав сахарозы С 12 Н 22 О 11 .
Молекула сахарозы состоит из двух моносахаридов: глюкозы в α-D-пиранозной форме и фруктозы вβ-D-фуранозной форме, связанных между собой 1-2-гликозидной связью с участием двух полуацетальных (гликозидных) гидроксилов. В молекуле сахарозы нет свободных полуацетальных гидроксилов, поэтому она не может таутомерно переходить в гидроксикарбонильную форму.
При нагревании выше 160°С сахароза частично разлагается, выделяя воду и превращаясь в бурую массу – карамель.
Водный раствор сахарозы растворяет гидроксид меди, образуя раствор сахарата меди, проявляет при этом свойства многоатомных спиртов. При нагревании раствора сахарозы в присутствии минеральных кислот сахароза гидролизуется, в результате образуется смесь глюкозы и фруктозы в равных количествах (искусственный мёд). Процесс гидролиза сахарозы называется инверсией, так как при этом наблюдается изменение правого вращения раствора на левое.
Сахароза широко используется как пищевой продукт, в производстве кондитерских, хлебобулочных изделий, варенья, компотов, джемов и др. В фармакологии используется для приготовления сиропов, микстур, порошков и т.п.
Эфиры сахарозы и высших жирных кислот обладают высокой моющей способностью и используются как промышленные детергенты. Эти продукты не имеют запаха, совершенно неядовиты и полностью разрушаются бактериями при биологической самоочистке воды.
Диэфиры высших жирных кислот и сахарозы используются как эмульгаторы при получении маргарина, лекарственных препаратов и в косметике.
Октаметилсахароза применяется в промышленности пластмасс как пластификатор.
Октаацетат сахарозы используется в качестве промежуточного слоя при получении стекла триплекс.
Отходы сахарного производства (патока) употребляются для производства этилового спирта и в кондитерской промышленности.
В зависимости от числа молекул моносахаридов, образующихся при гидролизе полисахаридов, последние подразделяются на олигосахариды (дисахариды, трисахариды) и полисахариды.
Наибольшее практическое значение имеют дисахариды. Дисахариды (биозы) при гидролизе образуют два одинаковых или разных моносахарида. Дисахариды подразделяются на две группы: восстанавливающие и невосстанавливающие.
Связь между двумя молекулами моносахаридов устанавливается с помощью двух гидроксильных групп – по одной от каждой молекулы монозы. Однако характер этой связи может быть различным. Если одна из молекул моносахарида всегда предоставляет свой полуацетальный (гликозидный) гидроксил, то вторая молекула участвует в этом либо полуацетальным гидроксилом (образуется гликозид – гликозидная связь), либо спиртовым гидроксилом (образуется гликозид – гликозная связь).
Отсутствие или наличие в молекуле дисахарида полуацетального гидроксила отражается на свойствах дисахаридов. Если при образовании дисахарида обе молекулы участвовали своими полуацетальными гидроксилами (гликозид – гликозидная связь), то у обоих остатков моноз циклические формы являются закрепленными, альдегидная группа такого дисахарида образоваться не может. Такой дисахарид не обладает восстанавливающими свойствами и называется невосстанавливающим дисахаридом.
В случае гликозид – гликозной связи циклическая форма одного остатка моносахарида не является закрепленной, она может перейти в альдегидную форму, и тогда дисахарид будет обладать восстанавливающими свойствами. Такой дисахарид называется восстанавливающим. Восстанавливающие дисахариды проявляют реакции, характерные для соответствующих моносахаридов.
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 (С 1), участвующий в образовании этой связи, имеет α-конфигурацию, а аномерный атом со свободным гликозидным гидроксилом (обозначен красным цветом) может иметь как α - (α - мальтоза), так и β- конфигурацию (β- 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 (смотри 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 α, D- глюкопиранозы и β, 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 являются высокомолекулярными веществами. В полисахаридах остатки моносахаридов связываются гликозид – гликозными связями. Поэтому их можно рассматривать как полигликозиды. Остатки моносахаридов, входящие в состав молекулы полисахарида могут быть одинаковыми, но могут и различаться; в первом случае это гомополисахариды, во втором – гетерополисахариды.
Важнейшие из полисахаридов – это крахмал и целлюлоза (клетчатка). Они построены из остатков глюкозы. Общая формула этих полисахаридов (C 6 H 10 O 5) n . В образовании молекул полисахаридов обычно принимает участие гликозидный (при С 1 -атоме) и спиртовой (при С 4 -атоме) гидроксилы, т.е. образуется (1–4) -гликозидная.
Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов, построенных из α, D- глюкопиранозных звеньев: амилозы (10-20%) и амилопектина (80-90%). Крахмал образуется в растениях при фотосинтезе и откладывается в виде "резервного" углевода в корнях, клубнях и семенах. Например, зерна риса, пшеницы, ржи и других злаков содержат 60-80% крахмала, клубни картофеля – 15-20%. Родственную роль в животном мире выполняет полисахарид гликоген, "запасающийся", в основном, в печени.
Крахмал – это белый порошок, состоящий из мелких зерен, не растворимый в холодной воде. При обработке крахмала теплой водой удается выделить две фракции: фракцию, растворимую в теплой воде и состоящую из полисахарида амилозы, и фракцию, лишь набухающую в теплой воде с образованием клейстера и состоящую из полисахарида амилопектина.
Амилоза имеет линейное строение, α, D- глюкопиранозные остатки связаны (1–4) -гликозидными связями. Элементная ячейка амилозы (и крахмала вообще) представляется следующим образом:
Молекула амилопектина построена подобным образом, однако имеет в цепи разветвления, что создает пространственную структуру. В точках разветвления остатки моносахаридов связаны (1–6) -гликозидными связями. Между точками разветвления располагаются обычно 20-25 глюкозных остатков:
(амилопектин)
Крахмал легко подвергается гидролизу: при нагревании в присутствии серной кислоты образуется глюкоза:
(C 6 H 10 O 5) n + nH 2 O –– H2SO4,t ° ® nC 6 H 12 O 6
крахмал глюкоза
В зависимости от условий проведения реакции гидролиз может осуществляться ступенчато с образованием промежуточных продуктов:
(C 6 H 10 O 5) n ® (C 6 H 10 O 5) m ® xC 12 H 22 O 11 ® nC 6 H 12 O 6
крахмал декстрины (m Качественной реакцией на крахмал
является его взаимодействие с йодом –
наблюдается интенсивное синее окрашивание.
Такое окрашивание появляется, если на
срез картофеля или ломтик белого хлеба
поместить каплю раствора йода. Крахмал не вступает в реакцию "серебряного
зеркала". Крахмал является ценным пищевым
продуктом. Для облегчения его усвоения
продукты, содержащие крахмал, подвергают
термообработке, т.е. картофель и крупы
варят, хлеб пекут. Процессы декстринизации
(образование декстринов), осуществляемые
при этом, способствуют лучшему усвоению
организмом крахмала и последующему
гидролизу до глюкозы. В пищевой
промышленности крахмал используется
при производстве колбасных, кондитерских
и кулинарных изделий. Применяется также
для получения глюкозы, при изготовлении
бумаги, текстильных изделий, клеев,
лекарственных средств и т.д. Целлюлоза – наиболее распространенный
растительный полисахарид. Она обладает
большой механической прочностью и
исполняет роль опорного материала
растений. Древесина содержит 50-70%
целлюлозы, хлопок представляет собой
почти чистую целлюлозу. Как и у крахмала, структурной единицей
целлюлозы является D- глюкопираноза,
звенья которой связаны (1-4) -гликозидными
связями. Однако, от крахмала целлюлоза
отличается β- конфигурацией гликозидных
связей между циклами и строго линейным
строением: Целлюлоза состоит из нитевидных молекул,
которые водородными связями гидроксильных
групп внутри цепи, а также между соседними
цепями собраны в пучки. Именно такая
упаковка цепей обеспечивает высокую
механическую прочность, волокнистость,
нерастворимость в воде и химическую
инертность, что делает целлюлозу
идеальным материалом для построения
клеточных стенок. β- Гликозидная связь не разрушается
пищеварительными ферментами человека,
поэтому целлюлоза не может служить ему
пищей, хотя в определенном количестве
является необходимым для нормального
питания балластным веществом. В желудках
жвачных животных имеются ферменты,
расщепляющие целлюлозу, поэтому такие
животные используют клетчатку в качестве
компонента пищи. Несмотря на нерастворимость целлюлозы
в воде и обычных органических растворителях,
она растворима в реактиве Швейцера
(раствор гидроксида меди в аммиаке), а
также в концентрированном растворе
хлористого цинка и в концентрированной
серной кислоте. Как и крахмал, целлюлоза при кислотном
гидролизе дает глюкозу. Целлюлоза – многоатомный спирт, на
элементную ячейку полимера приходятся
три гидроксильных группы. В связи с
этим, для целлюлозы характерны реакции
этерификации (образование сложных
эфиров). Наибольшее практическое значение
имеют реакции с азотной кислотой и
уксусным ангидридом. Полностью этерифицированная клетчатка
известна под названием пироксилин,
который после соответствующей обработки
превращается в бездымный порох. В
зависимости от условий нитрования можно
получить динитрат целлюлозы, который
в технике называется коллоксилином. Он
так же используется при изготовлении
пороха и твердых ракетных топлив. Кроме
того, на основе коллоксилина изготавливают
целлулоид. При взаимодействии целлюлозы
с уксусным ангидридом в присутствии
уксусной и серной кислот образуется
триацетилцеллюлоза. Триацетилцеллюлоза (или ацетилцеллюлоза)
является ценным продуктом для изготовления
негорючей кинопленки и ацетатного
шелка. Для этого ацетилцеллюлозу
растворяют в смеси дихлорметана и
этанола и этот раствор продавливают
через фильеры в поток теплого воздуха.
Растворитель испаряется и струйки
раствора превращаются в тончайшие нити
ацетатного шелка. Целлюлоза не дает реакции "серебряного
зеркала". Говоря о применении целлюлозы, нельзя
не сказать о том, что большое количество
целлюлозы расходуется для изготовления
различной бумаги. Бумага – это тонкий
слой волокон клетчатки, проклеенный и
спрессованный на специальной
бумагоделательной машине. Из приведенного выше уже видно, что
использование целлюлозы человеком
столь широко и разнообразно, что
применению продуктов химической
переработки целлюлозы можно посвятить
самостоятельный раздел. Вопросы для самоконтроля 1. Напишите альдегидные формулы Д-
глюкозы, Д- фруктозы. 2. Что такое L- иD-,
α- и β- формы сахара? 3. Напишите возможные циклические формы
глюкозы. 4. Что такое полуацетальный гидроксил?
Какие химические свойства сахаров он
определяет? 5. Напишите уравнения реакций образования
мальтозы и целлобиозы. Чем отличаются
формулы этих дисахаридов? 6. Приведите примеры восстанавливающих
и невосстанавливающих дисахаридов. 7. Гидролиз крахмала и клетчатки. Какие
промежуточные и конечные продукты при
этом образуются? Молекулы которых состоят из двух простых сахаров, объединенных в одну молекулу гликозидной связью разной конфигурации. Обобщенную формулу дисахаридов можно представить в виде С 12 Н 22 О 11 . В зависимости от строения молекул и их химических свойств различают восстанавливающие (гликозо-гликозиды) и невосстанавливающие дисахара (гликозидо-гликозидами). К восстанавливающим дисахаридам относятся , и целлобиоза, к невосстанавливающим - и трегалоза. Дисахара являются твердыми кристаллическими веществами. Кристаллы разных веществ окрашены в цвета от белого до коричневого. Они хорошо растворяются в воде и спиртах, имеют сладкий вкус. При реакции гидролиза разрываются гликозидные связи, в результате чего дисахариды распадаются до двух простых сахаров. В обратном гидролизу процессе конденсации происходит слияние нескольких молекул дисахаридов в сложные углеводы - полисахариды. Термин «лактоза» с латыни переводится как «молочный сахар». Назван этот углевод так потому, что в большом количестве он содержится в молочных продуктах. Лактоза представляет собой полимер, состоящий из молекул двух - глюкозы и . В отличие от других дисахаров, лактоза не обладает гигроскопичностью. Получают этот углевод из молочной . Лактоза широко применяется в фармацевтической промышленности. Благодаря отсутствию гигроскопичности, она используется для изготовления легко гидролизующихся лекарств на сахарной основе. Другие углеводы, которые обладают гигроскопичностью, быстро отсыревают и действующее лекарственное вещество в них быстро распадается. Молочный сахар в биологических фармацевтических лабораториях используют при изготовлении питательных сред для выращивания различных культур бактерий и грибков, например, при производстве пенициллина. При изомеризации лактозы в фармацевтике получают лактулозу. Лактулоза - это биологический пробиотик, нормализующий перистальтику кишечника при запорах, дисбактериозах и других проблемах пищеварения. Молочный сахар - важнейшее питательное и пластическое вещество, жизненно необходимое для гармоничного развития растущего организма млекопитающих, в том числе человеческого ребенка. Лактоза является питательной средой для развития молочнокислых бактерий в кишечнике, чем препятствует гнилостным процессам в нем. Из полезных свойств лактозы можно выделить то, что при высокой энергоемкости она не используется для образования и не повышает уровень в крови. Вреда человеческому организму лактоза не наносит. Единственным противопоказанием к употреблению продуктов, содержащих молочный сахар, является лактозная непереносимость, которая возникает у людей с дефицитом фермента лактазы, который расщепляет молочный сахар до простых углеводов. Лактозная непереносимость является причиной неусвоения молочных продуктов людьми, чаще взрослыми. Проявляется эта патология в виде таких симптомов как: Лактозная непереносимость чаще всего бывает физиологической, и связана она с возрастным дефицитом лактозы. Мальтоза, которая состоит из двух остатков глюкозы, является дисахаридом, вырабатываемым зерновыми для построения тканей своих зародышей. В меньшем количестве мальтоза содержится в пыльце и нектаре цветковых растений, в томатах. Солодовый сахар вырабатывается также некоторыми бактериальными клетками. У животных и человека мальтоза образуется при расщеплении полисахаридов - и - с помощью мальтазы. Основная биологическая роль мальтозы заключается в обеспечении организма энергетическим материалом. Вредные свойства проявляет мальтоза только у тех людей, которые имеют генетический дефицит мальтазы. В результате этого в кишечнике человека при употреблении продуктов, содержащих мальтозу, крахмал или гликоген, накапливаются недоокисленные продукты, провоцирующие сильную диарею. Исключение этих продуктов из рациона питания или прием ферментных препаратов с мальтазой помогает нивелировать проявления мальтозной непереносимости. В природе сахароза встречается в разнообразных плодах: фруктах, ягодах, овощах, а также в сахарном тростнике, откуда его и начали добывать впервые. Процесс расщепления сахарозы начинается в ротовой полости и заканчивается в кишечнике. Под воздействием альфа-глюкозидазы тростниковый сахар расщепляется до глюкозы и фруктозы, которые быстро всасываются в кровь. Польза от сахарозы очевидна. Как очень распространенный в природе дисахарид сахароза служит источником энергии для организма. Насыщая кровь глюкозой и фруктозой, тростниковый сахар: Полезные функции сахарозы проявляются только при ее употреблении в ограниченном количестве. Оптимальным считается употребление 30-50 г тростникового сахара в блюдах, напитках или чистом виде. Превышение суточной нормы потребления чревато проявлением вредных свойств сахарозы: Поскольку в процессе всасывания продуктов расщепления сахарозы (глюкозы, фруктозы) принимают активное участие , чрезмерное употребление сладких продуктов чревато дефицитом этих витаминов. Длительная нехватка витаминов группы В опасна стойкими нарушениями работы сердца и сосудов, патологиями нервно-психической деятельности. У детей увлечение сладостями приводит к повышению их активности вплоть до развития гиперактивного синдрома, неврозам, раздражительности. Целлобиоза - дисахарид, состоящий из двух молекул глюкозы. Продуцируется он растениями и некоторыми бактериальными клетками. Биологической ценности для человека целлобиоза не представляет: в человеческом организме это вещество не расщепляется, а является балластным соединением. В растениях целлобиоза выполняет структурную функцию, так как входит в состав молекулы целлюлозы. Трегалоза состоит из остатков двух молекул глюкозы. Содержится в высших грибах (отсюда и второе его название), лишайниках, некоторых червях и насекомых. Считается, что накопление трегалозы является одним из условий повышенной устойчивости клеток к высыханию. В человеческом организме не усваивается, однако большое ее поступление в кровь может вызвать интоксикацию. Дисахариды широко распространены в природе - в тканях и клетках растений, грибов, животных, бактерий. Они входят в структуру сложных молекулярных комплексов и встречаются и в свободном состоянии. Некоторые из них (лактоза, сахароза) являются энергетическим субстратом для живых организмов, другие (целлобиоза) - выполняют структурную функцию.
Химические свойства
Лактоза - молочный сахар
Спектр применения
Полезные свойства
Возможный вред
Мальтоза - солодовый сахар
Возможный вред
Сахароза - тростниковый сахар
, который присутствует в нашем ежедневном рационе питания как в чистом виде, так и в составе различных блюд, это и есть сахароза. Она состоит из остатков молекулы и .Полезные свойства
Вред при злоупотреблении
Дисахарид целлобиоза
Трегалоза - грибной сахар
