Раздел II. Структура, биологические свойства основных компонентов растений и животных

Глава 4. Углеводы

Название «углеводы» происходит от названия веществ их составляющих – это углерод (С) , связанный с водородом (Н) и кислородом (О) , при этом два последних элемента присутствуют в том же соотношении, как в воде. Углеводы-нейтральные химические вещества, имеющие эмпирическую формулу ( CH2O ) n , где n – это три или более. Однако, некоторые вещества со свойствами углеводов содержат фосфор, азот или серу, а другие, например, дезоксирибоза ( C5H10O4 ) не имеет водорода и кислорода в том соотношении, как в воде.

4.1. Классификация углеводов

1. Моносахариды

• гексозы C6H12O6 (глюкоза, фруктоза, галактоза, манноза)

• пентозы C5H10O5 (арабиноза, ксилоза, ксилулоза, рибоза, рибулеза)

• тетрозы C4H8O4 (эритроза)

• триозы C3H6O3 (глицеральдегиды, дигидроксиацетон)

• гептозы C7H14O7 (седогептулоза)

• 1.1. Производные моносахаров

• эфиры фосфорной кислоты

• аминосахара (глюкозамин, галактозамин)

• дезоксисахара (дезоксирибоза)

• сахарные кислоты (альдоновая, альдаровая, уроновая)

• сахарные спирты (сорбитол, дулцитол, маннитол)

• гликозиды (цианогенные гликозиды и др.)

2. Олигосахариды

• дисахариды (сахароза, мальтоза, лактоза, целлобиоза)

• трисахариды (раффиноза, кетоза)

• тетрасахариды (стахиоза)

3. Полисахариды

• 3.1. Гомогликаны

• арабинаны и ксиланы

• глюканы (крахмал, гликоген, целлюлоза, каллоза), (C6H10O5)n

• фруктаны (C5H8O4)n

• галактаны и маннаны

• глюкозамины

• 3.2. Гетерогликаны

 пектин

 гемицеллюлоза

Самые простые сахара – моносахариды, которые делятся на подгруппы: триозы ( C3H6O3 ), тетрозы ( C4H8O4 ), пентозы ( C5H10O5 ), гексозы ( C6H12O6 ) и гептозы ( C7H14O7 ) в зависимости от числа углеродных атомов в молекуле. Триозы и тетрозы относятся к промежуточным продуктам в обмене других углеводов. Моносахариды могут соединяться друг с другом (при этом теряется одна молекула воды в каждой связи), чтобы произвести ди-, три-, тетра-, или полисахариды, содержащие, соответственно, два, три, четыре и более моносахаридных единиц. В связи с потерей воды из молекулы моносахарида при образовании сложных углеводов, их называют моносахаридными остатками.

Термин сахар ограничивается теми углеводами, которые содержат меньше, чем 10 моносахаридных остатков, в то время как название олигосахариды (от греч. oligos – немного) чаще всего используется, чтобы включить все другие сахара, кроме моносахаридов.

Полисахариды, называемые также гликанами, являются полимерами из моносахаридов. Их классифицируют в две группы – гомогликаны, которые состоят только из одного типа моносахаридов, и гетерогликаны, которые состоят из разных моносахаридов, и после гидролиза дают их смесь. Молекулярная масса полисахаридов варьирует как минимум от 8000 в некоторых растительных фруктанах и до 100 млн. в амилопектиновом компоненте крахмала. Гидролиз этих полимеров до их составляющих сахаров может происходить под действием специфических ферментов или кислот, в частности Н2SO4 .

Сложные углеводы являются трудно определяемой группой компонентов, которые содержат углеводы в комбинации с неуглеводными молекулами. Они включают гликолипиды и гликопротеины.

4.2. Моносахариды

Структура

Моносахариды изображают разными способами, в качестве примера ниже представлены варианты изображения D-глюкозы (рис. 4.1).

D-глюкоза L-глюкоза D-фруктоза L-фруктоза

Рисунок 4.2 – Линейное изображение глюкозы и фруктозы

Большинство встречающихся в природе моносахаридов относится к D-моносахаридам, так как они имеют при атоме С, ближайшем к первичной спиртовой группе ( CH2OH ), такое же пространственное расположение Н и ОН , как у D-глицеринового альдегида. Эти моносахариды, независимо от направления вращения поляризованного луча (вправо или влево), обозначаются символом D, который ставится перед названием моносахарида. Как глюкоза, так и фруктоза имеют конфигурацию D-глицеринового альдегида у пятого атома углерода (наиболее отдаленного от альдегидной группы в глюкозе и наиболее отдаленного от кетонной группы фруктозы). Между тем, глюкоза является правовращающимся веществом, фруктоза – левовращающимся. Это отмечается знаками «+» и «-» в скобках.

D-глюкоза может существовать в виде двух различных изомерных форм: α- D-глюкозы и β- D-глюкозы, для которых оптическое вращение составляет соответственно +112,2° и +18,7°. Оба вещества выделены в чистом виде; оказалось, что они не различаются по своему элементарному составу. При растворении α- и β- изомеров D-глюкозы в воде оптическое вращение меняется и достигает равновесного значения + 52,7°. Следовательно, α- и β- изомеры D-глюкозы не являются структурами с открытой цепью, как показано на рисунке 4.2, а представляют замкнутые шестичленные кольца, образовавшиеся в результате реакции между спиртовой гидроксильной группой С5 и углеродом альдегидной группы С1 . Такого типа шестичленные кольца сахаров называют пиранозами. Фуранозы образуются при взаимодействии кетогруппы с гидроксильной группой пятого углеродного атома.

Превращение α-глюкозы в β-глюкозу и, наоборот, сопровождается изменением угла вращения поляризованного луча света. Обычно глюкоза встречается в α-форме. Каждый из 32 изомеров альдогексоз может находиться в α и β-альдогексозах при своей циклизации.