Моносахарид глюкоза: Моносахариды. Глюкоза — Углеводы: моносахариды, дисахариды, полисахариды

Циклические α- и β-формы глюкозы представляют собой пространственные изомеры, отличающиеся положением полуацетального гидроксила относительно плоскости кольца. В α-глюкозе этот гидроксил находится в транс-положении к гидроксиметильной группе -СН₂ОН, в β-глюкозе – в цис-положении. С учетом пространственного строения шестичленного цикла формулы этих изомеров имеют вид:

Явление существования веществ в нескольких взаимопревращающихся изомерных формах было названо А. М. Бутлеровым динамической изомерией. Позднее это явление было названо таутомерией

В твёрдом состоянии глюкоза имеет циклическое строение. Обычная кристаллическая глюкоза – это α- форма. В растворе более устойчива β-форма (при установившемся равновесии на неё приходится более 60% молекул). Доля альдегидной формы в равновесии незначительна. Это объясняет отсутствие взаимодействия с фуксинсернистой кислотой (качественная реакция альдегидов).

Для глюкозы кроме явления таутомерии характерны структурная изомерия с кетонами (глюкоза и фруктоза – структурные межклассовые изомеры)

и оптическая изомерия:

Физические свойства глюкозы:

Глюкоза – бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус (лат. «глюкос» – сладкий):

1) она встречается почти во всех органах растения: в плодах, корнях, листьях, цветах;

2) особенно много глюкозы в соке винограда и спелых фруктах, ягодах;

3) глюкоза есть в животных организмах;

4) в крови человека ее содержится примерно 0,1 %.

Получение глюкозы

В промышленности

Гидролиз крахмала:

(C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O ^t,H+→ nC₆H₁₂O₆

крахмал                                 глюкоза

В лаборатории 

Из формальдегида (1861 г А.М. Бутлеров):

  6 HCOH   ^Ca(OH)2→    C₆H₁₂O₆

 формальдегид

В природе 

Фотосинтез:

6CO₂ + 6H₂O     ^{hν, хлорофилл} →     C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Гидролиз дисахаридов:

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O ^t,H+→ 2 C₆H₁₂O₆

мальтоза                               глюкоза

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O ^t,H+→   C₆H₁₂O₆ +  C₆H₁₂O₆

сахароза                              глюкоза       фруктоза

Химические свойства глюкозы

I. Специфические свойства

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

1.Спиртовое брожение:

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅—OH + 2CO₂↑ 

2. Молочнокислое брожение:

3. Маслянокислое брожение:

C₆H₁₂O₆ → C₃H₇COOH + 2H₂ ↑+ 2CO₂↑

II. Свойства альдегидов

1. Реакция серебряного зеркала:

СH₂OH(CHOH)₄—COH + Ag₂O ^t.NH3→ СH₂OH(CHOH)₄—COOH + 2Ag↓

или

СH₂OH(CHOH)₄—COH +  2[Ag(NH₃)₂]OH →  СH₂OH(CHOH)₄—COONH₄ + 2Ag↓+ 3NH₃ + H₂O

СH₂OH(CHOH)₄—COOH  — глюконовая кислота 

2. Окисление гидроксидом меди (II):

СH₂OH(CHOH)₄—COH + 2Cu(OH)₂^t → СH₂OH(CHOH)₄—COOH + Cu₂O + 2H₂O

                                            голубой                                                        красный

3. Восстановление:                                                                         

СH₂OH(CHOH)₄-COH + H₂^t,Ni → СH₂OH(CHOH)₄-CH₂OH

                                                          сорбит – шестиатомный спирт

III. Свойства многоатомных спиртов 

1. Образование простых эфиров со спиртами

При действии метилового спирта в присутствии газообразного хлористого водорода атом водорода гликозидного гидроксила замещается на метильную группу.

2. Качественная реакция многоатомных спиртов

Прильём к раствору глюкозы несколько капель раствора сульфата меди (II) и раствор щелочи. Осадка гидроксида меди не образуется. Раствор окрашивается в ярко-синий цвет. В данном случае глюкоза растворяет гидроксид меди (II) и ведет себя как многоатомный спирт, образуя комплексное соединение – ярко синего цвета.

                                         (глюкозат меди (II) – синий раствор)

 Применение

Глюкоза является ценным питательным продуктом. В организме она подвергается сложным биохимическим превращениям в результате которых образуется диоксид углерода и вода, при это выделяется энергия согласно итоговому уравнению:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6H₂O + 6CO₂ + 2800 кДж

Так как глюкоза легко усваивается организмом, её используют в медицине в качестве укрепляющего лечебного средства при явлениях сердечной слабости, шоке, она входит в состав кровозаменяющих и противошоковых жидкостей. Широко применяют глюкозу в кондитерском деле (изготовление мармелада, карамели, пряников и т. д.), в текстильной промышленности в качестве восстановителя, в качестве исходного продукта при производстве аскорбиновых и глюконовых кислот, для синтеза ряда производных сахаров и т.д. Большое значение имеют процессы брожения глюкозы. Так, например, при квашении капусты, огурцов, молока происходит молочнокислое брожение глюкозы, так же как и при силосовании кормов. Если подвергаемая силосованию масса недостаточно уплотнена, то под влиянием проникшего воздуха происходит маслянокислое брожение и корм становится непригоден к применению. На практике используется также спиртовое брожение глюкозы, например при производстве пива.

Урок №87. Строение моносахаридов. Линейные и циклические структуры

В природе наиболее распространены углеводы — моносахариды, в молекулах которых содержится пять углеродных атомов (пентозы) или шесть (гексозы). ВИДЕО «УГЛЕВОДЫ»

Моносахариды – гетерофункциональные соединения, в состав их молекул входит одна карбонильная группа (альдегидная или кетонная) и несколько гидроксильных.

 Например:

возможно и такое обозначение глюкозы и фруктозы:

Из этих формул следует, что моносахариды – это альдегидоспирты или кетоноспирты.

Строение глюкозы C₆H₁₂O₆

ВИДЕО «ГЛЮКОЗА»

Экспериментально установлено, что в молекуле глюкозы присутствуют альдегидная и гидроксильная группы.

Видео. Распознавание глюкозы с помощью качественных реакций 

В результате взаимодействия карбонильной группы с одной из гидроксильных глюкоза может существовать в двух формах: открытой цепной и циклической.

В растворе глюкозы эти формы находятся в равновесии друг с другом.

Например, в водном растворе глюкозы существуют следующие структуры:

Циклические α- и β-формы глюкозы представляют собой пространственные изомеры, отличающиеся положением полуацетального гидроксила относительно плоскости кольца. В α-глюкозе этот гидроксил находится в транс-положении к гидроксиметильной группе -СН₂ОН, в β-глюкозе – в цис-положении. С учетом пространственного строения шестичленного цикла формулы этих изомеров имеют вид:

Явление существования веществ в нескольких взаимопревращающихся изомерных формах было названо А. М. Бутлеровым динамической изомерией. Позднее это явление было названо таутомерией (от греческого tauto – «тот же самый» и meros – «часть».

В твёрдом состоянии глюкоза имеет циклическое строение. Обычная кристаллическая глюкоза – это α- форма. В растворе более устойчива β-форма (при установившемся равновесии на неё приходится более 60% молекул). Доля альдегидной формы в равновесии незначительна. Это объясняет отсутствие взаимодействия с фуксинсернистой кислотой (качественная реакция альдегидов). 

Для глюкозы кроме явления таутомерии характерны структурная изомерия с кетонами (глюкоза и фруктоза – структурные межклассовые изомеры)

и оптическая изомерия:

Физические свойства глюкозы:

Глюкоза – бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус (лат. «глюкос» – сладкий):

1) она встречается почти во всех органах растения: в плодах, корнях, листьях, цветах;

2) особенно много глюкозы в соке винограда и спелых фруктах, ягодах;

3) глюкоза есть в животных организмах;

4) в крови человека ее содержится примерно 0,1 %.

Моносахариды (простые сахара). Строение моносахаридов. Альдегидные (кетонные) формулы моносахаридов

Строение моносахаридов. Строение простейших оксиальдегидов и оксикетонов с двумя и тремя атомами углерода вытекает непосредственно из их свойств и способов образования. Установить строение даже простых углеводов, т. е. оксиальдегидов и оксикетонов, содержащих в молекуле четыре и больше атомов углерода, представило значительно более трудную задачу. Многолетние исследования строения углеводов показали, что простые углеводы или сахара, представляют собой в кристаллическом индивидуальном состоянии внутренние циклические полуацетали многоатомных альдегидо- или кетоноспиртов. В растворах этм циклические формы находятся в состоянии равновесия со своими нециклическими формами, имеющими строение настоящих многоатомных альдегидо- или кетоноспиртов.

Альдегидные (кетонные) формулы моносахаридов. Первые сведения о строении углеводов были получены в 1860 г. Бертело. На основании факта образования глюкозой С₆Н₁₂О₆сложных эфиров при нагревании ее с органическими кислотами Бертело заключил, что глюкоза является многоатомным спиртом.

В 1869 г. А. А. Колли показал, что при почти количественно протекающей реакции глюкозы с хлористым ацетилом в молекулу глюкозы вступают четыре ацетильные группы и один атом хлора на место, очевидно, пяти гидроксильных групп, т. е. глюкоза должна была бы быть пятиатомным спиртом. Поскольку глюкоза обладает восстанавливающими свойствами и способна окисляться в кислоту с тем же числом углеродных атомов, можно было думать, что шестой атом кислорода в глюкозе входит в альдегидную группу. На основании этого для глюкозы была предложена (А. Байер, Фиттиг, 1870—1871) формула пятиатомного альдегидоспирта:

В дальнейшем был получен ряд подтверждений правильности этой формулы.

Наличие в глюкозе нормальной цепи из шести атомов углерода было доказано восстановлением глюкозы иодистым водородом во вторичный иодистый гексил нормального строения:

Кроме того, окисление глюкозы бромной водой приводит к получению глюконовой кислоты, которая при восстановлении иодистым водородом переходит в нормальную капроновую кислоту:

Наличие альдегидной группы было доказано тем, что к глюкозе, так же как и к альдегидам, присоединяется синильная кислота (Килиани, 1887):

Изомер глюкозы — фруктоза, имеющая тот же состав С₆Н₁₂О₆, при энергичном окислении азотной кислотой расщепляется на винную и щавелевую кислоты. Это становится понятным, если допустить в молекуле фруктозы наличие кетонной группы в положении 2 в нормальной шестиуглеродной цепи:

Фруктоза также присоединяет синильную кислоту. Омыление образующегося при этом нитрила дает оксикислоту с разветвленной цепью. Эта оксикислота восстанавливается в метил-н-бутилуксусную кислоту (2-метилкапроновую), что подтверждает правильность для фруктозы формулы пятиатомного кетоноспирта:

Моносахариды, содержащие, подобно глюкозе, альдегидную группу, получили название альдоз; моносахариды, содержащие кетонную группу, стали называть кетозами. Подавляющее большинство природных моносахаридов содержит неразветвленную цепь углеродных атомов. Представители моноз с разветвленной цепью встречаются лишь в виде исключения.

По числу углеродных атомов моносахариды, или монозы, делят на тетрозы, содержащие цепь из четырех атомов углерода, несущих атомы кислорода, пентозы — с пятью атомами углерода, гексозы —с шестью, гептозы — с семью, октозы — с восемью, нонозы — с девятью атомами углерода и т. д. Альдегидо- и кетоноспирты с числом атомов меньше четырех многие исследователи не причисляют к моносахаридам, поскольку эти вещества не дают циклических форм.

Указанные названия обычно применяют лишь к тем моносахаридам, в молекуле которых число кислородных атомов равно числу атомов углерода, т. е. к таутомерам альдегидо- и кетоноспиртов, имеющих гидроксильную группу при каждом углеродном атоме, кроме входящего в карбонильную группу, Например, моносахарид СН₂ОН—(СНОН)₄—СНО называют гексозой, а соединение СН₃—(СНОН)₄—СНО предпочитают называть не гексозой, а метилпентозой.

Глюкоза кристаллическая гидратная — Компания «Бакалейное Дело»

Производитель: ПАО «Днепровский крахмалопаточный комбинат» (Украина)

Упаковка: Мешки 30кг

Дополнительная информация об отгрузке:
Глюкоза кристаллическая фасуется в мешки по 30кг.

Рекомендации:
Глюкоза кристаллическая гидратная отгружается со складов Днепропетровска, Киева и Львова, Одессы.

Технология производства :
Глюкоза кристаллическая гидратная является конечным продуктом кислотно-ферментативного гидролиза кукурузного крахмала до высокоглюкозного сиропа (до 95% глюкозы) с последующим выкристаллизовыванием глюкозы на холоде (до 50ºС) и имеет в своем составе 1 молекулу воды (C6h22O6 ×h3O). α-d-Глюкоза – природное органическое соединение, относится к классу углеводов моносахаридов. Чаще всего встречается в природе в связанном виде, являясь частью высокомолекулярных биополимеров – полисахаридов. При производстве глюкозы не используется генетически модифицированное сырье, а получаемый продукт имеет неизменно гарантированное качество.

Применение:
Глюкоза является составной частью почти всех кондитерских изделий, так как входит в состав инвертного сахара и патоки. В кондитерской промышленности с глюкозой изготавливают мягкие и другие виды конфет, начинку вафель, пралине, диетические бисквиты, мучные кондитерские изделия. Глюкозу можно использовать вместо сахара (полностью или частично) при производстве шоколада. Этот моносахарид используют для подслащивания фруктовых консервов, виноградных вин, слабоалкогольных и безалкогольных напитков, мороженого и сгущенного молока.
Глюкоза фармакопейного качества (ангидридная), полученная путем глубокой очистки и перекристаллизации глюкозы кристаллической гидратной, может использоваться для приготовления изотонических и гипертонических растворов.
Фармакопейная глюкоза соответствует требованиям АНД № П.08.02/05209. Вводимая с изотоническими растворами глюкоза, при окислении, выделяет значительное количество энергии, которая быстро восстанавливает силы больного.
При введении в вену гипертонических растворов повышается осмотическое давление крови, улучшаются процессы обмена веществ, усиливается деятельность сердечной мышцы, расширяются сосуды.
Благодаря современным технологиям и глубокой очистке сиропа перед кристаллизацией, получаемый продукт всегда имеет высокую степень очистки и неизменное качество. Производство глюкозы не ограничивается периодом сбора урожая кукурузы, а может продолжаться весь год. Профиль сладости глюкозы имеет нежно-сладкий вкус и не маскирует присущего различным продуктам природного вкуса. Глюкоза, как моносахарид, лучше сбраживается дрожжами, придает пористость и хороший вкус хлебобулочным изделиям, замедляет черствение. В производстве мороженого, глюкоза занижает точку замерзания увеличивая его мягкость и может быть использована в получении “мягкого” мороженого. В молочной промышленности, при изготовлении молочных продуктов и продуктов детского питания рекомендуется использовать глюкозу в определенной пропорции с сахарозой для придания этим продуктам более высокой питательной ценности.
В фармацевтической промышленности глюкозу используют для таблетирования с витаминами и другими лекарственными препаратами. В медицинской промышленности – как основное сырье для синтеза многих лекарственных средств, например, сорбита, рибоксина, аскорбиновой кислоты, глюконата кальция.

Упаковка и хранение:
Потребителю глюкоза может доставляться железнодорожними вагонами и контейнерами, или автомобильным трансортом с соблюдением санитарных норм и правил перевозки. Глюкоза упаковывается в многослойные мешки с полиэтиленовым или бумажным вкладышем массой 35…40 кг, отклонение от массы нетто мешка – ± 2%. Срок годности глюкозы 5 лет. Кристаллическая гидратная глюкоза должна хранится в упакованном виде в чистых и проветриваемых складах. Мешки с глюкозой укладывают на деревянные стеллажи. В складах, в которых хранится глюкоза, относительная влажность воздуха не должна быть более 75%.

Физико-химические свойства

Органолептические характеристики

Микробиологические показатели

Моносахариды

СТАЙЛАБ предлагает тест-системы для анализа содержания моносахаридов в пищевых продуктах и сырье ферментативными методами.

Моносахариды – это самые простые из сахаров. Молекула каждого моносохарида содержит от 2 до 9 атомов углерода и включает несколько гидроксильных групп и одну альдегидную или кетонную. В природе наиболее распространены пентозы и гексозы, включающие, соответственно, 5 и 6 атомов углерода. Моносахариды, содержащие 4 и более атомов углерода способны образовывать циклические формы: пятичленные (фуранозы) и шестичленные (пиранозы). В растворах моносахаридов присутствует равное количество линейных и циклических форм. В твердом состоянии моносахариды представлены циклическими формами.

Присутствие в молекулах моносахаридов асимметрических атомов углерода – атомов, к которым присоединены неодинаковые радикалы (в случае с моносахаридами – гидроксильные группы и атомы водорода) обуславливает их оптическую активность. Это означает, что у каждого моносахарида существуют D- (правые) и L- (левые) изомеры, вызывающие вращение плоскости поляризации света. Физические свойства изомеров не различаются, но их биологическая активность может быть различной. Природные моносахариды в основном представлены D-формами, из-за чего их L-формы получили название неприродных моносахаридов. Однако некоторые из них, к примеру, L-глюкоза, встречаются в природе, хотя и реже D-глюкозы.

Моносахариды служат мономерами для олигосахаридов и полисахаридов. Помимо этого, некоторые из них входят в состав нуклеотидов, нуклеозидов, гликолипидов и гликопротеинов, а также гликозидов – биологически активных веществ, большинство из которых вырабатывается растениями. Моносахариды, как и другие углеводы, присутствуют в организмах животных, растений, грибов и бактерий.

Наиболее значимыми моносахаридами из тех, что присутствуют в пищевых продуктах, являются глюкоза, фруктоза и галактоза. Глюкоза входит в состав дисахаридов сахарозы (вместе с фруктозой), лактозы (с галактозой) и мальтозы. Она присутствует в сладких фруктах, ягодах и овощах, образуясь в растениях в результате фотосинтеза. Животные получают глюкозу с пищей. Этот сахар служит основным источником энергии как животным, так и растениям, и микроорганизмам. Энергия высвобождается из глюкозы в ходе аэробного и анаэробного дыхания, а также брожения. Животные запасают ее в форме полисахарида гликогена, растения – крахмала.

Фруктоза, как и глюкоза, содержится в сладких фруктах и является основным сахаром меда. Она также обладает сладким вкусом. В отличие от глюкозы, в организме человека и животных фруктоза наряду с галактозой метаболизируется преимущественно в печени. Этот сахар может подвергаться брожению с участием дрожжей и бактерий.

Галактоза, которую иногда называют молочным сахаром, менее сладкая, чем глюкоза и фруктоза. Галактоза присутствует в молочных продуктах, сахарной свекле, а также в авокадо и «смоле» плодовых деревьев, например, сливы и вишни. Этот сахар могут синтезировать как растения, так и животные. Галактоза входит в состав антигенов, определяющих группу крови.

Анализ глюкозы и фруктозы в пищевых продуктах необходим, чтобы информировать о присутствии этих веществ, в соответствии с ТР ТС 021/2011 «Пищевая продукция в части ее маркировки». Кроме того, он позволяет определить, добавляли ли сахарозу (сахар) в продукт, что указывает, к примеру, на фальсификацию меда, натуральных соков и вина.

Ферментативные методы анализа глюкозы и фруктозы позволяют быстро и точно определять их присутствие и содержание в пробах. Сложный состав продуктов, в том числе, присутствие в них натуральных и искусственных красителей, а также липидов, не препятствует анализу, поскольку ферменты избирательно взаимодействуют с соответствующими сахарами.

Моносахарид — определение, примеры, функция и структура

Определение моносахарида

Моносахарид — это самая основная форма углеводов. Моносахариды могут быть объединены через гликозидных связей с образованием более крупных углеводов, известных как олигосахаридов или полисахаридов . Олигосахарид, содержащий только два моносахарида, известен как дисахарид . Когда более 20 моносахаридов объединяются с гликозидными связями, олигосахарид становится полисахаридом.Некоторые полисахариды, например целлюлоза, содержат тысячи моносахаридов. Моносахарид — это тип мономера или молекулы, которая может объединяться с подобными молекулами для создания более крупного полимера .

Функция моносахарида

Моносахариды выполняют множество функций внутри клеток. В первую очередь, моносахариды используются для производства и хранения энергии. Большинство организмов вырабатывают энергию, расщепляя моносахарид глюкозу и собирая энергию, высвобождаемую из связей.Другие моносахариды используются для образования длинных волокон, которые можно использовать как форму клеточной структуры. Для выполнения этой функции растения создают целлюлозу, в то время как некоторые бактерии могут производить аналогичную клеточную стенку из немного разных полисахаридов. Даже клетки животных окружают себя сложной матрицей полисахаридов, состоящей из более мелких моносахаридов.

Структура моносахаридов

Все моносахариды имеют одинаковую общую формулу (CH ₂ O) _n , которая обозначает центральную молекулу углерода, связанную с двумя атомами водорода и одним кислородом.Кислород также будет связываться с водородом, создавая гидроксильную группу. Поскольку углерод может образовывать 4 связи, несколько из этих молекул углерода могут соединяться вместе. Один из атомов углерода в цепи образует двойную связь с кислородом, который называется карбонильной группой. Если этот карбонил находится в конце цепи, моносахарид принадлежит к семейству альдозы . Если карбоксильная группа находится в середине цепи, моносахарид принадлежит к семейству кетозы .

Выше изображение глюкозы.Глюкоза — один из наиболее распространенных моносахаридов в природе, используемый почти всеми формами жизни. Этот простой моносахарид состоит из 6 атомов углерода, каждый из которых обозначен на изображении. Первый углерод — это карбонильная группа. Поскольку глюкоза находится на конце молекулы, она принадлежит к семейству альдоз. Обычно моносахариды с более чем 5 атомами углерода существуют в виде колец в растворах воды. Гидроксильная группа на пятом атоме углерода будет реагировать с первым атомом углерода. Гидроксильная группа отдает свой атом водорода, когда образует связь с первым атомом углерода.Кислород с двойной связью на первом углероде связывается с новым водородом, когда вторая связь с углеродом разрывается. Это образует полностью связанное и стабильное кольцо из атомов углерода.

Примеры моносахаридов

Глюкоза

Глюкоза является важным моносахаридом, поскольку она обеспечивает энергию и структуру для многих организмов. Молекулы глюкозы могут расщепляться при гликолизе , обеспечивая энергию и прекурсоры для клеточного дыхания. Если в данный момент клетке не требуется больше энергии, глюкозу можно сохранить, комбинируя ее с другими моносахаридами.Растения хранят эти длинные цепочки в виде крахмала, который впоследствии можно разобрать и использовать в качестве энергии. Животные хранят цепочки глюкозы в полисахариде гликоген , который может накапливать много энергии.

Глюкоза также может быть связана в длинные цепочки моносахаридов с образованием полисахаридов, напоминающих волокна. Растения обычно производят это в виде целлюлозы. Целлюлоза — одна из самых распространенных молекул на планете, и если бы мы могли взвесить ее сразу, она бы весила миллионы тонн.Каждое растение использует целлюлозу, чтобы окружить каждую клетку, создавая жесткие клеточные стенки, которые помогают растениям стоять высокими и оставаться тургучными . Без способности моносахаридов объединяться в эти длинные цепи растения были бы плоскими и мягкими.

Фруктоза

Хотя фруктоза почти идентична глюкозе, она представляет собой немного другую молекулу. Формула ((CH ₂ O) ₆ ) такая же, но структура сильно отличается. Ниже представлено изображение фруктозы:

Обратите внимание, что вместо карбонильной группы на конце молекулы, как в глюкозе, это второй атом углерода вниз.Это превращает фруктозу в кетозу, а не в альдозу. Как и глюкоза, фруктоза по-прежнему имеет 6 атомов углерода, к каждому из которых присоединена гидроксильная группа. Однако, поскольку кислород с двойной связью во фруктозе находится в другом месте, образуется кольцо немного другой формы. В природе это имеет большое значение для обработки сахара. Большинство реакций в клетках катализируются определенными ферментами. Каждому из моносахаридов различной формы нужен определенный фермент для расщепления.

Фруктоза, поскольку она является моносахаридом, может быть объединена с другими моносахаридами с образованием олигосахаридов.Очень распространенный дисахарид, производимый растениями, — это сахароза. Сахароза — это одна молекула фруктозы, соединенная с молекулой глюкозы гликозидной связью.

Галактоза

Галактоза — это моносахарид, вырабатываемый многими организмами, особенно млекопитающими. Млекопитающие используют галактозу в молоке, чтобы дать энергию своему потомству. Галактоза соединяется с глюкозой с образованием дисахарида лактозы. Связи в лактозе содержат много энергии, и новорожденные млекопитающие создают специальные ферменты, чтобы разорвать эти связи.После отлучения от материнского молока ферменты, расщепляющие лактозу на глюкозу и моносахариды галактозы, теряются.

Человек, являющийся единственным видом млекопитающих, потребляющим молоко во взрослом возрасте, развил некоторые интересные функции ферментов. В группах населения, которые пьют много молока, большинство взрослых способны переваривать лактозу большую часть своей жизни. В группах населения, которые не пьют молоко после отлучения от груди, непереносимость лактозы поражает почти все население. Хотя моносахариды можно расщепить по отдельности, молекула лактозы больше не переваривается.Симптомы непереносимости лактозы (спазмы в животе и диарея) вызваны токсинами, вырабатываемыми бактериями в кишечнике, переваривающими избыток лактозы. Токсины и избыточные питательные вещества, которые они создают, увеличивают общее количество растворенных веществ в кишечнике, заставляя их удерживать больше воды для поддержания стабильного pH.

• Дисахарид — Два моносахарида, соединенные гликозидной связью.
• Олигосахариды — 3-20 моносахаридов, связанных гликозидными связями, обычно используются для перемещения моносахаридов и их кратковременного хранения.
• Полисахарид — Многие (20+) моносахариды, обычно связанные в длинные цепи, используются для хранения или структурной поддержки.
• Углеводы — сахара и крахмалы, все из моносахаридов.

Викторина

1. Сукралоза, обычный искусственный подсластитель, по форме похожа на сахарозу, сахар, производимый растениями. Однако вместо гидроксильных групп (ОН), связанных со всеми атомами углерода, сукралоза имеет в своей структуре некоторые атомы хлора (Cl).Исследования показали, что хотя большая часть потребляемой сукралозы проходит через человека, 2-8% ее метаболизируются. Почему это может стать проблемой для человека, переваривающего сукралозу?
A. Он не содержит столько калорий, как сахароза.
B. Без гидроксильных групп организм не может функционировать.
C. Ферменты организма не приспособлены к метаболизму сукралозы.

Ответ на вопрос № 1

2. Аминокислота — это особая молекула, которая может быть добавлена ​​в цепочку для создания белка. Аминокислота — это не углевод. Какие из следующих терминов описывают аминокислоты?
A. Мономер
B. Моносахарид
C. Полимер

Ответ на вопрос № 2

A правильный. Аминокислота — это единое целое, которое можно комбинировать с другими аминокислотами для создания полимеров аминокислот.Это делает отдельную аминокислоту мономером. Термин сахарид — это другое слово для обозначения сахара. Поскольку аминокислоты не являются сахарами, они не являются моносахаридами. Однако моносахарид является мономером, потому что 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 неполярном растворе, что они образуют?
A. Спирали
B. Линейные молекулы
C. Кольца

Ответ на вопрос № 3

моносахаридов — обзор | Темы ScienceDirect

Моносахариды

Моносахариды включают простые сахара и их производные. Они являются основными углеводными единицами, из которых образуются более сложные соединения. Моносахариды состоят из атомов углерода, к которым присоединены атомы водорода, по крайней мере, одной гидроксильной группы и либо альдегидной (RCHO), либо кетонной (RCOR) группы.Число атомов углерода в моносахаридах варьируется от трех до восьми, но наиболее распространенными являются пять (например, пентозы, C ₅ H ₁₀ O ₅ ) и шесть (например, гексозы, C ₆ H ₁₂ О ₆ ). Моносахариды не дают сахаров с меньшей молекулярной массой при гидролизе.

Многие простые сахара встречаются в древесных растениях, но обычно в очень небольших количествах, вероятно, из-за их быстрого включения в полисахариды. Исключением являются шестиуглеродные сахара, глюкоза и фруктоза.Глюкоза присутствует в больших количествах, особенно в некоторых фруктах, и, вероятно, присутствует в каждой живой клетке. Фруктоза также распространена и широко распространена, хотя ее концентрация обычно ниже, чем у глюкозы. Глюкоза и фруктоза присутствуют не только в живых клетках, но и в ксилемном соке некоторых деревьев, таких как клены и березы (см. Главу 3 в Kozlowski and Pallardy, 1997). Производные глюкозы и фруктозы, которые были фосфорилированы, то есть к которым были присоединены фосфатные группы, образуют отправную точку для многих метаболических превращений углеводов (см.рис.6.20). Некоторые из гексозных сахаров встречаются в основном в виде полимеров; например, галактоза и манноза являются компонентами галактанов и маннанов.

Хотя в растениях в свободном виде обнаруживаются только следы пентозных сахаров, продукты их конденсации, пентозаны, являются важными составляющими клеточных стенок. Пентозные сахара, арабиноза и ксилоза редко встречаются в свободном виде, но часто присутствуют в составе полимеров клеточной стенки, арабанов и ксиланов. Рибоза, другой пентозный сахар, также встречается в комбинированной форме в составе таких нуклеотидных коферментов, как АТФ, NAD ⁺ , NADP ⁺ , FAD и кофермент A.Рибоза также входит в состав рибонуклеиновой кислоты (РНК). Дезоксирибоза содержится в нуклеотидах, составляющих дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК).

Многие из моносахаридов связаны с циклом фотосинтеза Кальвина – Бенсона и с альтернативным пентозным шунтом дыхания (Глава 6). Глюкоза является основным соединением, продуцируемым в первом, и служит субстратом для второго. Пентозерибулоза 1,5-бисфосфат (RuBP) реагирует с CO ₂ в процессе фотосинтеза. Оба цикла, но особенно пентозный шунт, являются источником пентоз и многих других моносахаридов, обнаруживаемых в составе более сложных молекул, присутствующих в растениях.

Углеводы | Микробиология

Цели обучения

• Приведите примеры моносахаридов и полисахаридов
• Опишите функцию моносахаридов и полисахаридов в клетке

Самые распространенные биомолекулы на Земле — это углеводов . С химической точки зрения углеводы в первую очередь представляют собой комбинацию углерода и воды, и многие из них имеют эмпирическую формулу (CH ₂ O) _n , где n — количество повторяющихся единиц.Эта точка зрения представляет эти молекулы просто как цепочки «гидратированных» атомов углерода, в которых молекулы воды присоединяются к каждому атому углерода, что приводит к термину «углеводы». Хотя все углеводы содержат углерод, водород и кислород, некоторые из них также содержат азот, фосфор и / или серу. Углеводы выполняют множество различных функций. Они изобилуют наземными экосистемами, многие формы которых мы используем в качестве источников пищи. Эти молекулы также являются жизненно важными частями макромолекулярных структур, которые хранят и передают генетическую информацию (т.е., ДНК и РНК). Они являются основой биологических полимеров, которые придают прочность различным структурным компонентам организмов (например, целлюлозе и хитину), и они являются основным источником хранения энергии в виде крахмала и гликогена.

Моносахариды: сладкие

В биохимии углеводы часто называют сахаридами , от греческого sakcharon , что означает сахар, хотя не все сахариды сладкие. Простейшие углеводы называются моносахаридами или простыми сахарами.Они являются строительными блоками (мономерами) для синтеза полимеров или сложных углеводов, как будет обсуждаться далее в этом разделе. Моносахариды классифицируются по количеству атомов углерода в молекуле. Общие категории идентифицируются с помощью префикса, который указывает количество атомов углерода, и суффикса — ose , который указывает сахарид; например, триоза (три атома углерода), тетроза (четыре атома углерода), пентоза (пять атомов углерода) и гексоза (шесть атомов углерода) (рис. 1). Гексоза D-глюкоза является наиболее распространенным моносахаридом в природе.Другими очень распространенными и распространенными моносахаридами гексозы являются галактоза , используемая для производства дисахарида молочного сахара , лактозы и фруктового сахара , фруктозы .

Рис. 1. Моносахариды классифицируются на основе положения карбонильной группы и количества атомов углерода в основной цепи.

Моносахариды с четырьмя или более атомами углерода обычно более стабильны, если они имеют циклическую или кольцевую структуру. Эти кольцевые структуры являются результатом химической реакции между функциональными группами на противоположных концах гибкой углеродной цепи сахара, а именно карбонильной группой и относительно удаленной гидроксильной группой.Глюкоза, например, образует шестичленное кольцо (рис. 2).

Рис. 2. (a) Линейный моносахарид (в данном случае глюкоза) образует циклическую структуру. (b) Эта иллюстрация показывает более реалистичное изображение структуры циклического моносахарида. Обратите внимание, что на этих циклических структурных диаграммах атомы углерода, составляющие кольцо, явно не показаны.

Подумай об этом

• Почему моносахариды образуют кольцевые структуры?

Дисахариды

Две молекулы моносахарида могут химически связываться с образованием дисахарида .Ковалентная связь между двумя моносахаридами называется гликозидная связь . Гликозидные связи образуются между гидроксильными группами двух молекул сахарида , пример дегидратационного синтеза , описанного в предыдущем разделе этой главы:

[латекс] \ text {моносахарид} — \ text {OH} + \ text {HO} — \ text {monosaccharide} \ longrightarrow \ underset {\ text {disaccharide}} {{\ text {моносахарид} — \ text {O } — \ text {monosaccharide}}} [/ latex]

Обычные дисахариды — это зерновой сахар мальтоза , состоящий из двух молекул глюкозы; молочный сахар , лактоза , состоящий из галактозы и молекулы глюкозы ; и столовый сахар сахароза , состоящий из молекулы глюкозы и фруктозы (рис. 3).

Рис. 3. Общие дисахариды включают мальтозу, лактозу и сахарозу.

Полисахариды

Полисахариды, также называемые гликанами , представляют собой большие полимеры, состоящие из сотен моносахаридных мономеров. В отличие от моно- и дисахаридов, полисахариды не сладкие и, как правило, не растворяются в воде. Как и дисахариды, мономерные звенья полисахаридов связаны между собой гликозидными связями .

Полисахариды очень разнообразны по своей структуре.Три наиболее биологически важных полисахарида — крахмал , гликоген и целлюлоза — все состоят из повторяющихся единиц глюкозы, хотя они различаются по своей структуре (рис. 4). Целлюлоза состоит из линейной цепи молекул глюкозы и является обычным структурным компонентом клеточных стенок растений и других организмов. Гликоген и крахмал — разветвленные полимеры; гликоген является основной молекулой-хранителем энергии у животных и бактерий, тогда как растения в основном хранят энергию в крахмале.Ориентация гликозидных связей в этих трех полимерах также различается, и, как следствие, линейные и разветвленные макромолекулы имеют разные свойства.

Модифицированные молекулы глюкозы могут быть фундаментальными компонентами других структурных полисахаридов . Примерами структурных полисахаридов этих типов являются N-ацетилглюкозамин (NAG) и N-ацетилмурамовая кислота (NAM), обнаруженные в пептидогликане клеточной стенки бактерий. Полимеры NAG образуют хитин , который содержится в клеточных стенках грибов и в экзоскелете насекомых.

Рис. 4. Крахмал, гликоген и целлюлоза — три наиболее важных полисахарида. В верхнем ряду шестиугольники представляют собой отдельные молекулы глюкозы. На микрофотографиях (нижний ряд) показаны гранулы пшеничного крахмала, окрашенные йодом (слева), гранулы гликогена (G) внутри клетки цианобактерии (в центре) и волокна бактериальной целлюлозы (справа). (кредит «гранулы йода»: модификация работы Киселова Юрия; кредит «гранулы гликогена»: модификация работы Штёкеля Дж., Элвитигала Т.Р., Либертон М., Пакраси HB; кредит «целлюлоза»: модификация работы Американского общества микробиологов)

Подумай об этом

• Какие полисахариды являются наиболее биологически важными и почему они важны?

Ключевые концепции и краткое изложение

• Углеводы , самые распространенные биомолекулы на Земле, широко используются организмами для структурных целей и целей хранения энергии.
• Углеводы включают отдельные молекулы сахара ( моносахаридов ), а также две или более молекул, химически связанных гликозидными связями . Моносахариды классифицируются по количеству атомов углерода в молекуле как триозы (3 C), тетрозы (4 C), пентозы (5 C) и гексозы (6 C). Они являются строительными блоками для синтеза полимеров или сложных углеводов.
• Дисахариды , такие как сахароза, лактоза и мальтоза, представляют собой молекулы, состоящие из двух моносахаридов, связанных вместе гликозидной связью.
• Полисахариды или гликаны представляют собой полимеры, состоящие из сотен моносахаридных мономеров, связанных вместе гликозидными связями. Полимеры-аккумуляторы энергии , крахмал и гликоген являются примерами полисахаридов, и все они состоят из разветвленных цепей молекул глюкозы.
• Полисахарид целлюлоза является обычным структурным компонентом клеточных стенок организмов. Другие структурные полисахариды, такие как N-ацетилглюкозамин (NAG) и N-ацетилмурамовая кислота (NAM), включают модифицированные молекулы глюкозы и используются при создании пептидогликана или хитина.

Множественный выбор

Какие элементы содержат углеводы по определению?

1. углерод и водород
2. углерод, водород и азот
3. углерод, водород и кислород
4. углерод и кислород

Ответ c. Углеводы содержат углерод, водород и кислород.

Моносахариды могут соединяться вместе с образованием полисахаридов, образуя какой тип связи?

1. водород
2. пептид
3. ионный
4. гликозидная

Ответ d.Моносахариды могут соединяться вместе, образуя полисахариды, образуя гликозидные связи.

Соответствие

Сопоставьте каждый полисахарид с его описанием.

Хитин — это структурный полимер, который содержится в клеточных стенках грибов и экзоскелетах некоторых животных. (С)

Гликоген — это полимер, аккумулирующий энергию, который содержится в клетках животных и бактериях. (D)

Крахмал — это полимер для хранения энергии в растениях. (А)

Целлюлоза — это структурный полимер, содержащийся в растениях. (В)

Подумай об этом

1. Что такое моносахариды, дисахариды и полисахариды?
2. На рисунке изображены структурные формулы глюкозы, галактозы и фруктозы.
   
   1. Обведите функциональные группы, которые классифицируют сахара как альдозу или кетозу, и идентифицируйте каждый сахар как один или другой.
   2. Химическая формула этих соединений одинакова, но структурная формула разная. Как называются такие соединения?
3. Показаны структурные диаграммы линейной и циклической форм моносахарида.
   
   1. Какова молекулярная формула этого моносахарида? (Подсчитайте атомы C, H и O в каждой, чтобы убедиться, что эти две молекулы имеют одинаковую формулу, и запишите эту формулу.)
   2. Укажите, какая гидроксильная группа в линейной структуре вступает в реакцию образования кольца с карбонильной группой.
4. Термин «декстроза» обычно используется в медицинских учреждениях по отношению к биологически значимому изомеру моносахарида глюкозы. Объясните логику этого альтернативного имени.

Углеводы — Классификация

Моносахариды

Химия 240

Последний раз мы узнали как абсолютная конфигурация хирального соединения может быть описана R / S система именования.Мы также рассмотрели ситуации, которые могут возникнуть, когда соединение имеет два (или более) стереогенных углерода. Нашими примерами для этого были фактически сахара; моносахаридные альдотетрозы. Начнем с того, что структурный смысл этих терминов.

Сахар — это небольшие молекулы, относящиеся к классу углеводов. Как следует из названия, углевод — это молекула, молекулярная формула которой можно выразить только через углерод и воду. Например, глюкоза имеет формулу C ₆ (H ₂ O) ₆ и сахароза (таблица сахар) имеет формулу C ₆ (H ₂ O) ₁₁ .Более сложные углеводы, такие как крахмал и целлюлоза, представляют собой полимеры глюкозы. Их формулы можно представить как C _n (H ₂ O) _n-1 . В следующий раз мы рассмотрим их более подробно.

Можно увидеть разницу между моносахаридом и дисахаридом в следующем примере:

Быстрый взгляд говорит нам, что моносахарид имеет только одно кольцо, дисахарид. их два, а у полисахарида их много. Но помимо этого есть еще один важная конструктивная особенность.Посмотрите на дисахарид и сосредоточьтесь на кислород, который связывает два кольца вместе. Атом над ним связан к двум атомам кислорода, оба из которых находятся в ситуациях эфирного типа. Углерод и эти атомы кислорода находятся в ацетальной связи. (Связки тяжелее и синего цвета.)

Если мы посмотрим на соответствующее место в моносахариде и спросим какова бы ни была функциональная группа, мы видим, что это полуацеталь. (Здесь связи тяжелее и красного цвета.) Итак, еще один способ описать ситуация такова, что моносахарид имеет одно кольцо с полуацеталем. в нем дисахарид имеет два кольца, связанных ацетальной функциональной группой, и полисахарид имеет много колец, связанных множеством ацетальных функциональных групп.(Сравните это последнее утверждение с приведенной выше структурой полисахарида).

Как насчет «сахаров», которые мы видели в прошлый раз, всего с 4 атомами углерода. Почему они моносахариды, когда кольца нет? Если учесть, что ОН группа на нижнем углероде могла образовывать полуацеталь с альдегидной функцией, тогда мы получаем кольцо, и эта структура соответствует нашему описанию моносахарида.

Более подробно рассмотрим циклическую и нециклическую структуры. сахаров в ближайшее время.

Теперь давайте посмотрим, что означает альдотетроза.Принимая название, кроме справа налево, окончание «осе» означает сахар, который может быть моносахаридом, дисахаридом или олигосахаридом («коротким» полисахаридом). Средняя часть «тетр» означает, что в нашем сахаре четыре атома углерода связаны между собой. прямая неразветвленная цепь. Такие термины, как «пент» для пяти атомов углерода и «шестигранник». для шести атомов углерода также широко используются. Начало «альдо» означает, что в соединении есть альдегид. Альтернативой был бы кетон группа, для которой мы будем использовать приставку «кето.»

Глюкоза, наиболее распространенный моносахарид, представляет собой альдогексозу. Мы понимаем это означает, что это сахар, имеющий шесть атомов углерода в неразветвленной прямой цепь, которая заканчивается альдегидной группой. Мы можем представить эту структуру таким образом:

Эта структура включает четыре стереогенных атома углерода (отмечены значком звездочка *). Всего возможно шестнадцать стереоизомеров. Восемь из них являются энантиомерами других восьми. Остальные отношения диастереоизомеры.Поскольку группы вверху и внизу цепи не совпадают, нет изомеров мезо . Восемь из изомеры показаны здесь. Остальные восемь — зеркальные отражения этих и может быть легко нарисован.

Вопрос в том, какое из шестнадцати стереохимических представлений (Проекции Фишера, помните, что каждый показанный стереоизомер также имеет энантиомер, который не показан) описывает абсолютную конфигурацию глюкоза? Когда Эмиль Фишер занялся этой проблемой около 100 лет назад, он понял, что невозможно определить, была ли глюкоза одной из восьми структуры, указанные выше, или один из не показанных энантиомеров.Он сделал предположение что это был один из вышеперечисленных, чтобы он мог работать над диастереоизомерными часть проблемы, надеясь, что дальнейшая работа решит вопрос из которых энантиомер лучше всего представляет глюкозу.

Fischer также разработал систему D / L для определения структуры сахаров. Если группа ОН на самом дальнем стереогенном углероде от альдегидной группы находится справа в проекции Фишера, то соединение представляет собой D-сахар. Все сахара в рисунок выше — это D-сахара.Если группа OH на стереогенный углерод, наиболее удаленный от альдегидной группы, находится слева в Согласно проекции Фишера, соединение представляет собой L-сахар. Энантиомеры всех сахаров на рисунке выше L сахара. Предположение Фишера сводится к утверждению, что глюкоза — это D-сахар. Позже работа разрешила этот вопрос, и Фишер был прав.

Как Фишер определил, какая из восьми структур выше была глюкоза? У него были образцы глюкозы и маннозы, обоих альдогексозы и арабиноза, альдопентоза.Он также научился уменьшать функциональную группу альдегида к первичному спирту. (Мы проиллюстрируем это с NaBH ₄ , чтобы избежать изучения новой реакции, но он использовал другую реагент.) Он разработал метод удлинения углеродной цепи альдозного (называется расширением цепи Килиани-Фишера). У него также был поляриметр чтобы он мог определить, был ли образец оптически активным или нет. Возможно самое главное, у него была группа талантливых и преданных своему делу учеников.

Теперь немного данных.

Экспериментальный результат: когда альдегидная группа арабинозы была восстановлена ​​до группа первичных спиртов, продукт был оптически активным.

Вывод: Арабиноза имеет структуру 2 или 4 на схеме ниже. Это потому, что если бы арабиноза была 1 или 3, продукт имел бы плоскость симметрии (плоскость зеркала) и будет оптически неактивной.

Экспериментальный результат: когда альдегидная группа глюкозы была снижена до группа первичных спиртов, продукт был оптически активным.Тот же результат был получен для маннозы.

Заключение: структуры «X’d» ниже не представляют глюкозу. или манноза, поскольку продукты этих структур будут мезосоединениями.

Экспериментальный результат: удлинение цепи Килиани-Фишера, примененное к арабинозе производит глюкозу и маннозу.

Вывод: три нижних стереогенных атома углерода глюкозы и маннозы. имеют идентичную конфигурацию с тремя стереогенными атомами углерода арабинозы.Это означает, что глюкоза и манноза отличаются только конфигурацией. стереогенного атома углерода, ближайшего к альдегидной функциональной группе. Мы можно далее заключить, что если один член пары альдогексозов (парных потому что их три нижних стереогенных атома углерода идентичны) вне, так это другой.

Но что такое глюкоза, а что манноза? Фишер заметил, что если реакции может быть разработан, который изменил альдегидную группу в первичный спирт и первичный спирт в альдегид (концы переключателя) одна из этих структур отдаст себя, а другой вернет новый L сахар.Реакции сложные, и мы не будем на них смотреть, но когда химия была применена к образцу под названием манноза, продукт был манноза. Когда химический состав был применен к образцу, называемому глюкозой, образовался новый сахар.

Предстояло еще многое сделать, чтобы подтвердить этот вывод, и синтезировать остальные шесть альдогексоз, но логические упражнения Фишера и специальные эксперименты привели к выводу, что восемь D-альдогексозов находятся:

Обратите внимание, что новый сахар, который был произведен из глюкозы «биржевой заканчивается «эксперимент — L-гулоза».Имена гексоз скажите нам, какой диастереоизомер у нас есть; D или L Обозначение дает нам, какой энантиомер у нас есть.

Соответствующие названия альдопентозов:

Чтобы закончить сегодня, посмотрим, что произойдет, когда полуацеталь образуется между углеродом альдегида и одной из групп ОН на цепочке. Мы рассмотрим два примера: рибоза, которая является ключевым компонентом. РНК и глюкозы из-за ее обилия. (Вы можете просмотреть механизм для образования полуацеталя.)

Поскольку в рибозе четыре группы ОН, мы могли ожидать четыре разных размеры колец. В трехатомных кольцах и четырехатомных кольцах валентные углы равны далеко от 109,5 ^o , поэтому эти кольца напряжены, имеют более высокие энергии и их трудно сформировать. (См. Стр. 68 в коричневом цвете.) Помните, что есть равновесие между полуацеталем и альдегидом / спиртом, из которого он происходит, и что высокоэнергетические материалы не сохраняются в равновесии. Мы остались с кольцами, содержащими пять или шесть атомов.В случае рибоза — важное кольцо (обнаруженное в РНК) — это пятичленное кольцо.

Обратите внимание, что углерод во вновь образованной группе полуацеталя является стереогенным. Это означает, что существует два возможных диастереоизомера циклического состав. Обычно образуются и то, и другое, и у них есть особое название — они являются аномерами друг друга. Углерод между двумя атомами кислорода в полуацетале группа называется аномерный углерод. Если группа ОН не работает (на чертеже с кислородным кольцом сзади по центру или справа), обозначение этот аномер — альфа.Если группа OH вверх, обозначение — бета. С альфа- и бета-аномеры — диастереоизомеры, они обладают разными свойствами; в частности, различная оптическая активность. Термин для пятиатомного сахара кольцо «фураноза».

Глюкоза обычно образует полуацетальные циклические структуры с шестью атомными кольцами, хотя пятичленные кольца также могут образовываться, когда шестичленные кольца исключены. Такие шестичленные кольца названы термином «пираноза». Кольцевые формы выглядят так, учитывая, что альфа- и бета-аномеры здесь также задействованы:

Опять же, у нас есть равновесие между формой открытой цепи и двумя диастереоизомерные аномеры.

Об этих глюкопиранозах следует сделать еще одно замечание. В Структура, которую мы нарисовали для кольца, плоская. Связанные углы будут 120 ^o , что довольно далеко от нормального тетраэдрического значения 109,5 ^o . Атомы в кольце могут иметь валентные углы около 109,5 ^o , если кольцевые складки, как показано здесь:

Конечно, молекулы принимают эти складчатые формы (называемые конформациями стула). от их сходства с довольно широким креслом) автоматически.Ты можно просмотреть материал по циклогексану на стр 69-70 Брауна для более подробный анализ этого материала. Установлено, что в этих конформациях кресла молекулы имеют меньшую энергию, если более крупные заместители на атомах углерода находятся примерно в плоскости кольца сам. Эти положения называются «экваториальными», чтобы отличать их от другие положения (примерно перпендикулярные кольцу, называемые «осевыми»). Соединение, которое может иметь все более крупные заместители (все больше, чем водород) в экваториальном положении более устойчив, чем один что не может.бета-D-глюкоза имеет все заместители в экваториальных положениях и, таким образом, является наиболее стабильной гексопиранозой. это также самый распространенный.

Вернуться к содержанию курса

Моносахариды — углеводы — Университет штата Мэн

Моносахариды

Изомеры
Стереоизомеры
Нумерация атомов углерода
Асимметричные атомы углерода
Триозы и пентозы
Гексозы

Моносахариды могут быть разделены на группы в зависимости от числа атомов углерода в молекулах, таким образом: триозов, имеют 3 атома углерода, тетрозов имеют 4 атома углерода, пентоз имеют 5 атомов углерода и гексозы имеют 6 атомов углерода.Внутри каждой из этих групп есть разные соединения, каждое с одной и той же молекулярной формулой. Например, глюкоза и фруктоза представляют собой гексозы (C ₆ H ₁₂ O ₆ ), но они имеют разные химические и физические свойства. Эти типы соединений называются изомерами.

Наверх

Некоторые изомеры отличаются только способом, которым атомы расположены в трехмерном пространстве, то есть атомы связаны друг с другом одинаковым образом, но по-разному расположены в трехмерном пространстве.Следовательно, сахара могут существовать в виде пар стереоизомеров или энантиомеров, которые являются зеркальным отображением друг друга. Центральный атом углерода глицерозы называется асимметричным атомом углерода, потому что он может быть перегруппирован в пространстве для образования двух различных структур. Эти различия не влияют на физические свойства, но могут влиять на биохимические свойства из-за изменения формы молекулы. L-изомер имеет ОН слева от центрального углерода:

и D-изомер имеет ОН справа от центрального углерода.

Чтобы различать изомеры, они обозначены как L- и D-изомеры. Буква L взята из латинского слова «левый», Laever, а буква D — от латинского слова «право», Dexter.

Наверх

[Видео нумерации атомов углерода]

Расшифровка нумерации:

Атомы углерода пронумерованы, начиная с реактивного конца молекулы, СНО (альдегид) или «С» с двойной связью «О» (карбонил) конца молекулы.Затем каждый атом углерода нумеруется до конца цепи. При нумерации стереоизомеров, которые имеют более трех атомов углерода, мы смотрим на положение группы ОН на предпоследнем или предпоследнем атоме углерода, потому что это определяет, является ли это стереоизомером L или D. В этом примере мы рассмотрим нумерацию D-глюкозы. Сначала мы должны найти реактивный конец молекулы и присвоить его углероду номер один. Затем пронумеруем оставшиеся атомы углерода до конца цепочки.

Наверх

Теоретически в глюкозе положение группы ОН на каждом из асимметричных атомов углерода, числа два, три, четыре и пять, можно было бы перевернуть, создавая каждый раз отдельный стереоизомер, всего 16 или 2 ⁴ стереоизомера. Однако далеко не все они существуют в природе. Для фруктозы существует только три асимметричных атома углерода, поэтому можно получить только 8 или 2 ³ стереоизомера.

Глюкоза имеет альдегидную группу (-CHO) на атоме углерода номер один и поэтому называется «альдозой», также она имеет шесть атомов углерода (гексоза), поэтому ее можно назвать «альдогексозой». Однако реакционноспособная группа фруктозы представляет собой кетонную группу (-C = 0) на атоме углерода номер два. Поэтому ее называют «кетозой» или «кетогексозой».

Лишь некоторые из моносахаридов существуют в свободном виде. Большинство из них обычно находятся в виде сахарных звеньев в полисахаридах или в более сложных молекулах.Затем их можно получить гидролизом (разложением) комплекса CHO’s. Моносахариды часто называют простыми сахарами, и их подразделяют в зависимости от количества атомов углерода.

Наверх

1. Триозы: (C ₃ H ₆ O ₃ )
Глицероза- имеет два изомера, глицеральдегид, который содержит альдегидную группу (-CHO), и дигидроксиацетон, который содержит кетонную группу ( -C = 0).Эти соединения являются важными промежуточными продуктами метаболизма при окислении глюкозы с целью производства энергии. Конфигурация глицерозы используется для установления D и L форм других сахаров.

2. Пентозы (C ₅ H ₁₀ O ₅ )
Три важных пентоза:

D-рибоза — компонент РНК, рибонуклеиновой кислоты, витаминов (рибофлавин) и коферментов. Это также важно в высокоэнергетических соединениях, АТФ и АДФ. В восстановленной форме дезоксирибоза является компонентом ДНК.

L-арабиноза — встречается в сердцевине хвойных деревьев и входит в состав гемицеллюлозы, где встречается с ксилозой. Он также является компонентом пектина и может быть основным компонентом камеди (гуммиарабик). Бактериальное действие при производстве силоса может привести к образованию свободной арабинозы. Арабаны — это полимеры арабинозы.

D-ксилоза — В плодах есть небольшие количества свободной D-ксилозы, но она содержится в основном в гемицеллюлозе, в виде ксиланов и гетеро-ксиланов.Гемицеллюлоза — это полисахарид ксилозы и арабинозы (гетероксилан). Отношение ксилозы к арабинозе, по-видимому, влияет на усвояемость, поскольку усвояемость снижается по мере увеличения доли ксилозы.

Гемицеллюлозы составляют значительную часть клеточных стенок растений, поэтому травоядные животные поедают их в больших количествах. Все эти сахара являются альдопентозами.

Наверх

3. Шестигранники (C ₆ H ₁₂ O ₆ )

D-глюкоза — альдогексоза с различными распространенными названиями, включая виноградный сахар, декстрозу, кукурузный сахар (производится из кукурузного крахмала).Свободно встречается в растениях, фруктах, меде, жидкостях организма, включая спинномозговую жидкость, кровь, лимфу. Это основной конечный продукт переваривания СНО нежвачными животными и, следовательно, первичная форма энергии для нежвачных. Он является основным компонентом многих олигосахаридов (галактоза образует лактозу) и полисахаридов (таких как крахмал и целлюлоза).

[Видео]

Расшифровка стенограммы кольца D-глюкозы:

В растворе D-глюкоза существует как равновесная смесь формы с прямой цепью с двумя формами пиранозного кольца.Фактически, атом углерода номер один реагирует с атомом углерода номер пять, образуя кольцо. Фактически существуют две формы структуры, называемые аномерами. Если атом водорода находится выше атома углерода, он называется альфа-аномером, но если атом водорода находится ниже атома углерода, он называется бета-аномером.

Эта структурная информация очень важна, потому что она определяет, как молекулы глюкозы соединяются вместе, образуя более крупные молекулы. Крахмал представляет собой полимер α-формы, растворим в воде и усваивается ферментами животного происхождения.Целлюлоза — это полимер b-формы, он не растворяется и не усваивается ферментами животного происхождения.

Переход от a к b через структуру с открытой цепью называется мутаротацией, и он требует разрыва связи O-C, чтобы позволить C повернуть H и OH вверх ногами. Затем облигация переделывается. Другие моносахариды также образуют кольцевые формы.

Наверх

D-фруктоза — кетогексоза, содержащаяся в меде, зеленых листьях, семенах и стеблях многих растений, как основная единица фруктанов, которые распространены в молодых травах, в корнях как запасной полисахарид инулин и как компонент дисахарида сахароза (с глюкозой).

Он также образует пиранозные кольца, но когда он вступает в реакцию с образованием олиго- или полисахаридов, он образует кольцевую структуру ФУРАНЗЫ (например, ФУРАН). В этом случае аномерный атом углерода представляет собой C-2, а CH ₂ OH находится либо выше аномерного углерода (альфа-аномер), как в сахарозе, либо ниже, как в FRUCTANS (бета-аномер).

D-галактоза — альдогексоза, не обнаруживается в свободном виде, наиболее важен как компонент дисахарида лактозы, молочного сахара (с глюкозой).Он также встречается в других сложных СНО и сложных липидах головного мозга и нервной ткани (галактоглицериды и цереброзиды).

D-манноза — В основном в виде маннанов в дрожжах, плесени и бактериях.

Наверх

Реакции гексозы

1. Окисление до кислот
   • например глюкоза, окисление CH ₂ OH до COOH дает глюкуроновую кислоту, которая является важным компонентом гетерополисахаридов, таких как пектины.
2. В сочетании с NH ₃ производят гексозамины, например глюкозамин — компонент хитина.
3. Образование спиртов, например глюкоза, образует сорбит.
4. Фосфорилирование до гексозофосфатов, например, глюкозо-1-фосфата и глюкозо-6-фосфата; которые являются важными промежуточными продуктами в окислении глюкозы до CO ₂ + H ₂ O с выделением энергии.
5. Образование гликозидов с образованием ди, три, тетра, олиго и полисахаридов.

Образование гликозидов

Объединение H гидроксильной группы на сахаре со спиртовой группой или другой гидроксильной группой вызывает реакцию этерификации или конденсации с образованием гликозида. Это происходит у атома C один, аномерного атома C.

Примеры:

• Gluc-Gluc, a-1-4 — это мальтоза
• Может реагировать в форме a или b с образованием связей a или b
• Может также реагировать в положении 6, давая связи a-1, 6.Это точка разветвления полимеров.

Наверх

Углеводы

Моносахариды

Углеводы — самая распространенная биомолекула на Земле. Живые организмы используют углеводы в качестве доступной энергии для подпитки клеточных реакций и структурной поддержки внутри клеточных стенок. Клетки прикрепляют молекулы углеводов к белкам и липидам, изменяя структуры для повышения функциональности. Например, небольшие молекулы углеводов, связанные с липидами в клеточных мембранах, улучшают идентификацию клеток, передачу сигналов и сложные реакции иммунной системы.Углеводные мономеры дезоксирибоза и рибоза являются неотъемлемыми частями молекул ДНК и РНК.

Чтобы понять, как углеводы функционируют в живых клетках, мы должны понять их химическую структуру. Структура углеводов определяет, как энергия сохраняется в углеводных связях во время фотосинтеза и как разрушение этих связей высвобождает энергию во время клеточного дыхания.

Биомолекулы соответствуют определенным структурным критериям, чтобы их можно было классифицировать как углеводы. Простые углеводы представляют собой модификации коротких углеводородных цепей.Несколько гидроксилов и одна карбонильная функциональная группа модифицируют эти углеводородные цепи, чтобы создать моносахарид, основную единицу всех углеводов.

Моносахариды состоят из углеродной цепи из трех или более атомов углерода, содержащей гидроксильную группу, присоединенную к каждому атому углерода, кроме одного. Одинокий атом углерода связан двойной связью с атомом кислорода, и эта карбонильная группа может находиться в любом положении вдоль углеродной цепи. Следовательно, один атом кислорода и два атома водорода присутствуют на каждом атоме углерода в моносахариде.Следовательно, мы можем определить моносахариды как обладающие молекулярной формулой (CH ₂ O) _n , где n равно количеству атомов углерода и должно быть больше или равно трем.

Моносахариды (греч., Что означает «единичный сахар») представляют собой простые сахара и часто обозначаются с использованием суффикса –оза. Сахара с карбонильной группой, присоединенной к атому углерода на конце цепи, представляют собой альдозы («альдегидный сахар»), такие как глюкоза. Когда карбонильная группа расположена где угодно, кроме конца углеродной цепи, моносахарид представляет собой кетозу («кетоновый сахар»), такую ​​как фруктоза.

Поскольку положение отдельных атомов в молекуле сахара варьируется, многие моносахариды являются изомерами друг друга. Например, глюкоза и фруктоза имеют общую молекулярную формулу C ₆ H ₁₂ O ₆ , но структурно различаются. Различия между изомерами не всегда так очевидны, как в структурных изомерах, таких как глюкоза и фруктоза. Более тонкие стереоизомеры имеют одинаковый порядок ковалентных связей между атомами, но различаются трехмерными положениями атомов вокруг одного или нескольких отдельных атомов углерода.Например, глюкоза и галактоза являются стереоизомерами и очень похожи на рисунках. Мелкие детали, например, простирается ли -ОН с правой или левой стороны каждого атома углерода, чрезвычайно важны для вкуса, химической активности и здоровья человека.

В кристаллической форме большинство моносахаридов имеют структуру с «длинной цепью». Напротив, сахара, растворенные в растворе, таком как жидкость внутри клетки, часто превращаются в «кольцевую» структуру. На молекулярную формулу сахара не влияют превращения длинной цепи в кольцевую.Кольцевые формы сахаров — это структуры, которые реагируют с образованием димеров углеводов и полимеров.

Некоторые моносахариды модифицируются клеточными ферментами для усиления или изменения их клеточной функции. Хотя модифицированные сахара не соответствуют формальному определению углеводов, они образуются путем небольших модификаций обычных моносахаридов. Дезоксирибоза, ключевой сахарный компонент всех молекул ДНК, является «дезоксисахаром». Для образования дезоксирибозы 5-углеродный моносахарид рибоза «дезоксигенируется», удаляя одну конкретную гидроксильную группу и заменяя ее атомом водорода.Напротив, «аминосахара» модифицируются путем добавления новой функциональной группы. В аминосахаре одна или несколько гидроксильных групп заменены азотсодержащими функциональными группами. Аминосахара играют важную роль в иммунной системе, нейрональной обработке и структурной поддержке.

Функциональные группы углеводов

Это задание проверяет вашу способность определять все функциональные группы моносахаридов в углеводах.

Структура и функции углеводов

Углеводные мономеры, короткие цепи и полимеры выполняют важные клеточные функции для поддержания жизни.Количество и тип используемых моносахаридов, а также положение связи между ними определяют трехмерную структуру каждого углевода. Признавая структурные и функциональные различия между обычными углеводными мономерами и полимерами, мы можем лучше понять роль, которую углеводы играют внутри клеток и в рационе человека.

Клетки строят углеводные полимеры, используя энергию для образования гликозидных связей, связей между моносахаридами. Реакция синтеза дегидратации формирует связь между атомами углерода в двух моносахаридах, помещая атом кислорода между ними и высвобождая молекулу воды.Дисахарид образуется при соединении двух мономеров. Сахароза (столовый сахар) производится путем соединения двух определенных мономеров, глюкозы и фруктозы. Различные пары моносахаридов производят многие из обычных дисахаридных сахаров, которые мы связываем с пищей, включая сахарозу, мальтозу (солодовый сахар, два мономера глюкозы) и лактозу (молочный сахар, мономеры глюкозы и галактозы).

Углеводные цепи удлиняются за счет дополнительных реакций синтеза дегидратации, добавляя по одному мономеру к растущей цепи.Короткие цепи, называемые олигосахаридами, часто присоединяются к липидам и белкам. Эти углеводные «метки» поддерживают функции иммунной системы, участвуют в клеточной коммуникации и помогают прикреплять клетки к внеклеточным поверхностям и другим клеткам.

Углеводные цепи с сотнями или более моносахаридными звеньями являются полисахаридами. В отличие от более коротких цепей углеводные полимеры часто состоят из моносахаридной единицы одного типа. Различия в структуре и функциях этих полимеров возникают в основном из-за различий в гликозидной связи, а не из-за наличия разных моносахаридов.Гликозидные связи включают ковалентные связи от одного атома углерода в каждом моносахариде до одного атома кислорода между ними. Однако то, какие атомы углерода участвуют в этой ковалентной связи, может быть различным в каждой молекуле углевода.

Наиболее распространенные полисахариды построены исключительно из мономеров глюкозы, в то время как значительные структурные различия между этими полисахаридами возникают в основном из-за положения и количества гликозидных связей в каждой единице глюкозы. Хотя эти различия в связях кажутся незначительными на первый взгляд, функциональный эффект незначительных структурных различий в каждой гликозидной связи огромен.

Создание и разложение углеводов

Это задание проверяет вашу способность идентифицировать реагенты и продукты в синтезе и гидролизе углеводов.

Полисахариды

Полисахариды, «сложные углеводы», играют жизненно важную роль в хранении энергии и структурную роль в живых организмах, делая углеводы самыми распространенными биомолекулами на Земле. Полисахариды — отличные молекулы для хранения энергии, потому что они легко строятся и расщепляются ферментами.Образуя довольно компактные структуры, полисахариды позволяют накапливать энергию без места, необходимого для пула свободных мономеров глюкозы. Другие полисахариды образуют прочные волокна, которые обеспечивают защиту и структурную поддержку как у растений, так и у животных.

При небольших различиях в связи между мономерами полимеры могут функционировать как компактные аккумуляторы энергии в крахмале и гликогене или как прочные защитные волокна в целлюлозе и хитине. Понимание структуры, синтеза и распада углеводных полимеров обеспечивает основу для понимания их функции в живых клетках.

Животные, включая человека, создают полимеры глюкозы, называемые гликогеном. Положение гликозидной связи между мономерами глюкозы заставляет полимеры гликогена скручиваться в спиральную форму. Полимеры гликогена значительно разветвлены, с несколькими мономерами в первичной цепи, содержащими вторую гликозидную связь с другой глюкозой. Вторые места прикрепления позволяют более коротким цепям глюкозы отходить от основной цепи, упаковывая больше единиц глюкозы в компактную спиральную структуру.

Хотя структура гликогена позволяет людям и другим животным сохранять энергию в относительно компактной форме, полимер может быстро разлагаться. Животные инициируют ферментативные реакции гидролиза для расщепления гликогена, когда требуется энергия. Для быстрого доступа к энергии гликоген хранится у человека в основном в двух местах: в печени для легкой доставки в кровоток и в мышцах для непосредственного использования по мере необходимости.

Растения синтезируют два типа полисахаридов, крахмал и целлюлозу.Гликозидные связи между глюкозными единицами в растительном крахмале аналогичны связям в гликогене животного происхождения. Соответственно, молекулы крахмала похожи по своей структуре, образуют компактные спирали и играют аналогичную роль в хранении энергии для растений. В отличие от гликогена, молекулы крахмала сильно различаются по уровню разветвления. Большинство растений образуют смесь полимеров крахмала с минимальным разветвлением или без него и полимеров с обширным разветвлением.

Помимо обеспечения энергией растений, которые их синтезируют, крахмал служит основным источником пищи для многих животных.Люди и другие животные вырабатывают ферменты, которые в процессе пищеварения расщепляют молекулы крахмала на мелкие фрагменты. У людей это пищеварение начинается во рту с помощью фермента амилазы, который разлагает полимеры крахмала на дисахариды (мальтозу). Чтобы на себе ощутить переваривание крахмала, попробуйте долго жевать несоленый крекер. Через некоторое время крекер стал сладким на вкус? Это образование дисахаридов мальтозы во рту при переваривании крахмала. Соль может скрыть многие другие вкусы, поэтому этот мини-эксперимент лучше всего работает с несолеными крекерами.

Растения синтезируют структурный полисахарид, называемый целлюлозой. Хотя целлюлоза состоит из глюкозы, гликозидные связи между мономерами глюкозы отличаются от связей в гликогене и крахмале. Эта уникальная структура связи заставляет целлюлозные цепи образовывать линейные плоские нити вместо спиралей. Плоские целлюлозные нити могут образовывать плотно упакованные пучки. Прочные и жесткие волокна образуются в результате образования водородных связей между полярными гидроксильными группами в связанных полимерах. Волокна целлюлозы обеспечивают структурную поддержку растений.Без целлюлозы стебли цветов и стволы деревьев не могли бы сохранять свою жесткую и прямую высоту.

Структурные различия между гликозидными связями в крахмале и целлюлозе влияют на способность животных переваривать растительную пищу. Ферменты, такие как амилаза, не могут разрушать полимеры целлюлозы. Некоторые животные, в том числе коровы и термиты, переваривают целлюлозу, размещая в своем пищеварительном тракте особые микроорганизмы, вырабатывающие ферменты, разлагающие целлюлозу. Однако люди и большинство животных не вырабатывают фермент, способный разлагать целлюлозу, оставляя волокна целлюлозы непереваренными, когда они проходят через организм.Люди действительно используют растительную целлюлозу недиетическими способами, обрабатывая деревья, хлопок и другие растения для производства бумаги, одежды и многих других распространенных материалов. Люди также собирают большие деревья, чтобы строить конструкции из древесины, богатой целлюлозой.

Некоторые животные синтезируют особый полисахарид, хитин, который образует защитную оболочку экзоскелета. Гликозидные связи в хитине очень похожи на связи целлюлозы, в результате чего хитин также образует линейные, хорошо упакованные листы из прочных волокон.В отличие от целлюлозы, хитин синтезируется из модифицированного моносахарида, называемого аминосахаром.