Структурная формула глюкозы в виде пиранозного цикла

Структурная формула глюкозы в виде пиранозного цикла

На рисунке видно, что циклические структуры могут существовать в двух формах, известных как альфа(а)— и бета-формы. У а-формы гидроксильная группа при первом углеродном атоме расположена под плоскостью цикла, а у р-формы — над ней. Такие молекулы, с одинаковой химической формулой, но с разной структурой, называются изомерами.

На рисунке представлены пространственные модели а- и бета-изомеров глюкозы. В любой данный момент в растворе глюкозы часть молекул существует в виде открытой цепи и часть — в циклической форме. Последняя более стабильна и потому преобладает. Возможны спонтанные переходы от открытой цепи к одной из двух циклических форм, и наоборот. При этом в конечном счете неизменно достигается равновесие, при котором соотношение различных форм остается постоянным.

Как указано выше, только циклические структуры глюкозы образуют дисахариды и полисахариды. Хотя структурные различия между а- и бета-глюкозой невелики, сказываются на свойствах образуемых ими молекул они весьма существенно. Ниже мы увидим, что а-глюкоза входит в состав крахмала, а бета-глюкоза — в состав целлюлозы, двух полисахаридов с весьма различными свойствами.

Дисахариды

На рисунке отмечены некоторые свойства дисахаридов. Дисахариды образуются в результате реакции конденсации между двумя моносахаридами, обычно гексозами. Реакция конденсации предполагает удаление воды:

Связь между моносахаридами, возникающая в результате реакции конденсации, называется гликозидной связью. Обычно она образуется между 1-м и 4-м углеродными атомами соседних моносахаридных единиц (1,4-гликозид-ная связь). Этот процесс может повторяться бессчетное число раз, в результате чего и возникают гигантские молекулы полисахаридов. После того как моносахаридные единицы соединятся друг с другом, их называют остатками.

Таким образом, мальтоза состоит из двух остатков глюкозы. Среди дисахаридов наиболее широко распространены мальтоза, лактоза и сахароза:

Мальтоза = Глюкоза + Глюкоза
Лактоза = Глюкоза + Галактоза
Сахароза = Глюкоза + Фруктоза

Мальтоза (солодовый сахар) образуется из крахмала при его переваривании под действием ферментов, называемых амилазами. Это обычно происходит в пищеварительном тракте животных или в прорастающих семенах. Последний процесс используется, в частности, в пивоварении, где источником крахмала служит ячмень.

Сначала стимулируют прорастание ячменя, результатом чего является превращение крахмала в мальтозу (этот этап носит название «осолаживание»). Далее из мальтозы в процессе дрожжевого брожения образуется спирт. На этом этапе мальтоза расщепляется до глюкозы под действием фермента мальтазы — процесс, который протекает также при переваривании углеводов в организме животных.

Источник

29) Изомерия моносахаридов.

Для моносахаридов характерно явление изомерии. Изомерами являются вещества, которые имеют одинаковую хим., но разные структурные формулы. Выделяют два вида изомерии:

структурная изомерия. Относится к изменению в самом углеводородном скелете, либо в положении функциональных групп относительно углеводородного скелета.

Читайте также:  Определение глюкозы в сыворотке крови ферментативным методом

пространственная изомерия. Касается изменения положения функциональной группы относительно одного атома в цепи. Атом, к которому присоединены 4 разных функциональных группы наз. асимметричным, вокруг такого атома возможно вращение функционалов.

Начиная с триоз, все моносахариды могут существовать как в линейной, так и в кольцевой форме. В клетке встречаются только кольцевые формы молекул. Реально они имеют другую форму.

Касается изменения положения карбоксильной группы относительно углеводородного скелета. Если карбоксильная группа занимает кольцевое положение, то она называется альдегидной

Фруктоза содержится в нектаре, фруктах, меде. Ее как энергетический субстрат используют клетки с небольшим количеством цитоплазмы. Фруктоза активно секретируется в семенных пузырьках и используется сперматозоидами. Фруктоза в клетке содержится в форме фуранозного кольца.

Была впервые исследована при пропускании пучка поляризованного света через раствор содержащий изомеры. Выяснилось, что если свет поворачивается вправо, то в растворе содержаться D- изомеры, а если влево, то L- изомеры. D –изомеры встречаются в клетке, а L- изомеры не встречаются. Однако известно, что L- изомеры встречаются в составе клеточной стенки бактерий.

Этот вид изомерии касается только кольцевых молекул, так как у них первый атом в цепи становиться асимметричным, следовательно, вокруг него возможно вращение функционалов. Между В –молекулами образуются В- гликозидные связи, которые не расщепляются ферментами кишечника человека, между А – гликозидными молекулами образуются А – гликозидные связи, которые разрушаются ферментами кишечника человека.

Это такой вид изомерии, которая касается изменения положения функциональной группы относительно любого асимметричного атома кроме предпоследнего.

Глюкоза используется как энергетический субстрат, манноза никогда не используется как энергетический субстрат, но является важным промежуточным продуктом в клетке. В большом количестве содержится в каменном орехе. Галактоза не используется сама, она должна предварительно изомеризоваться до глюкозы. Если ферменты, катализирующие эту реакцию патологичны, то в клетке происходит накопление ядовитого промежуточного продукта, что приводит к возникновению галактозимии. Галактоза содержится в молоке, т.к. образует молочный сахар.

Для изображения многочисленных стереоизомеров удобны Цепные формулы моносахаридов проекционные формулы Фишера. В них хиральные атомы не записываются, а обозначаются пересечение верт. и гориз. линий. Карбонильную группу записывают сверху, а гидроксильные – справа и слева от вертикальной линии, обозначающей углеродный скелет. Исходя из цепной формы, трудно было объяснить повышенную реакционную способность 1 из гидроксильных групп, превышение числа изомеров, мутаратацию.

Затем Колли и Толленс предложили полуацетальную (циклическую) формулу глюкозы. Полуацетали образуются в результате реакции нуклеофильного присоединения спирта к альдегиду. Пентозы и гексозы существуют обычно в циклической форме. При изображение моносахаридов часто пользуются цикл. проекционными формулами Колли- Толленса. Образование циклической формы сопровождается появлением нового гидроксила –гликозидного (полуацетальный). При образовании цикл. формы моносахарида углеродный атом альдегидной ( или кетонной) группы становится ассиметрическим и возникаетдоп. центр хиральности.Этот атом углерода называют аномерным, а образующиеся при этомα- и β- формы – аномерами.α- формой называют стереоизомер, у которого расположение гликозидного гидроксила такое же как у последнего хирального атома углерода, β- форма – наоборот. Если в образовании цикла участвует гидроксильная группа 5-го атома углерода, то образуются 6-членные циклы –пиранозные, а если участвуют гидроксильные группы 4-го атома углерода, образуются 5-членные циклы –фуранозные.

Читайте также:  Совместная диета при панкреатите и диабете

Источник

16. Углеводы

Углеводы – это природные соединения, имеющие в подавляющем большинстве состав Cх(H2O)у. Их подразделяют на низкомолекулярные углеводы и продукты их поликонденсации. По способности к гидролизу углеводы делятся на простые — моносахариды и сложные — полисахариды. Моносахариды не гидролизуются с образованием более простых углеводов. Способные к гидролизу полисахариды можно рассматривать как продукты поликонденсации моносахаридов. Полисахариды являются высокомолекулярными соединениями, макромолекулы которых содержат сотни и тысячи моносахаридных остатков. Среди них выделяют группу олигосахаридов, имеющих относительно небольшую молекулярную массу и содержащих от 2 до 10 моносахаридных остатков.

16.1. Моносахариды

Моносахариды – это полигидроксикарбонильные соединения, в которых каждый атом углерода (кроме карбонильного) связан с группой ОН. Общая формула моносахаридов – Сn(H2O)n, где n =3-9.

Моносахариды — твердые вещества, легко растворимые в воде, плохо — в спирте и совсем нерастворимые в эфире. Большинство моносахаридов обладает сладким вкусом. В свободном виде в природе встречается преимущественно глюкоза. Она же является структурной единицей многих полисахаридов. другие моносахариды в свободном состоянии встречаются редко и в основном известны как компоненты олиго- и полисахаридов.

По химическому строению различают:

альдозы – моносахариды, содержащие альдегидную группу;

кетозы – моносахариды, содержащие кетонную группу (как правило, у второго атома углерода).

В зависимости от длины углеродной цепи моносахариды делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д. Обычно моносахариды классифицируют с учетом сразу двух этих признаков.

Подавляющее большинство природных моносахаридов принадлежит к D-ряду. Родоначальником ряда D-альдоз является D-глицериновый альдегид. Остальные D-альдозы могут быть построены на основе D-глицеральдегида путем последовательной вставки фрагмента СНОН сразу после карбонильной группы. Стереоизомерные альдозы имеют тривиальные названия (схема 3).

Схема 3. Классификация альдоз.

Ниже приведена классификация кетоз (схема 4).

Схема 4. Классификация кетоз.

В природе широко распространены гексозы (D-глюкоза, D-галактоза, D-манноза, D-фруктоза) и пентозы (D-рибоза, D-ксилоза, D-арабиноза). Среди производных моносахаридов наиболее распространенными являются аминосахара D-глюкозамин и D-галактозамин и дезоксисахар 2-дезокси-D-рибоза.

Цикло-оксо-таутомерия

Карбонильная и гидроксильная группы моносахаридов взаимодействуют внутримолекулярно с образованием циклического полуацеталя:

При этом возникает новый хиральный центр за счет образования свободного полуацетального гидроксила – бывший карбонильный, а теперь аномерный атом углерода. Наиболее устойчивы циклические полуацетали, содержащие шестичленный (пиранозный) или пятичленный (фуранозный) циклы. Они образуются при взаимодействии альдегидной группы с гидроксильной группой в положении 5 или 4 моносахарида соответственно. На рисунке представлена схема образования циклических форм D-глюкозы:

Читайте также:  От чего ребенок рождается с сахарным диабетом

Аномеры – это изомеры, которые различаются по конфигурации аномерного атома углерода.

Циклические формы моносахаридов изображают с помощью формул Хеуорса. Молекулу представляют в виде плоского цикла, перпендикулярного плоскости рисунка. Заместители, находившиеся в формуле Фишера слева, располагают над плоскостью цикла, справа – под плоскостью. Для определения положения группы СН2ОН в формуле Фишера предварительно делают две перестановки.

В кристаллическом состоянии моносахариды находятся в одной из циклических форм. При растворении образуется равновесная смесь линейной и циклических форм. Их относительное содержание определяется термодинамической стабильностью. Циклические, особенно пиранозные формы, энергетически более выгодны для большинства моносахаридов. Например, в растворе D-глюкозы преобладает β-D-глюкопираноза:

Существование равновесия между линейной и циклическими формами моносахаридов получило название цикло-оксо-таутомерии.

Химические свойства моносахаридов определяются наличием карбонильной группы (в незамкнутой форме), полуацетального гидроксила (в циклических формах) и спиртовых ОН групп.

1. Восстановление. При восстановлении карбонильной группы альдоз образуются многоатомные спирты – глициты. Эти кристаллические легко растворимые в воде вещества обладают сладким вкусом и часто используются как заменители сахара при сахарном диабете (ксилит, сорбит).

Шестиатомные спирты — глюцит (сорбит), дульцит и маннит — получаются при восстановлении соответственно глюкозы, галактозы и маннозы. Восстановление глюкозы в сорбит является одной из стадий промышленного синтеза аскорбиновой кислоты.

2 Окисление. Реакции окисления используют в структурных исследованиях и биохимических анализах для обнаружения моносахаридов, в частности глюкозы, в биологических жидкостях (моча, кровь). В зависимости от условий окисления образуются различные продукты.

При мягком окислении альдоз, например, под действием бромной воды, затрагивается только карбонильная группа и образуются гликоновые кислоты., например из D-глюкозы образуется D-глюконовая кислота, из D-галактозы образуется D-галактоновая кислота.

При действии сильных окислителей (разбавленной азотной кислоты) окисляется оба конца углеродного скелета альдоз и образуются гликаровые кислоты, например, D-глюкозы образуется D-глюкаровая кислота.

В результате специфического окисления, при котором окислена концевая спиртовая группа с образованием карбоксильной группы, аальдегидная группа остается неокисленной. Гликуроновые кислоты входят в состав полисахаридов (пектиновые вещества, гепарин). Биологическая роль D-глюкуроновой кислоты, образующейся из D-глюкозы, состоит в том, что многие токсичные вещества выводятся из организма с мочой в виде растворимых глюкуронидов.

Реакция фосфорилирования моносахаридов. Моносахариды, этерифицированные фосфорной кислотой, играют исключительно большую роль в обмене веществ. Первым обнаруженным в природе фосфорнокислым эфиром углевода был фруктозо-1,6-бисфосфат, который выявили при брожении Л.А. Иванов, а также А. Гарден и В. Юнг в 1905 г. Ниже приводятся формулы некоторых фосфатов сахаров, играющих важную роль в обмене веществ:

Источник

Правильные рекомендации