IV. Изучение нового материала. 1. Углеводы. Особенности строения и классификация моноз

1. Углеводы. Особенности строения и классификация моноз.

2. Принципы построения формул Фишера и Хеуорса.

3. Химические свойства моноз.

4. Олигосахариды (сахароза, мальтоза, лактоза): строение, свойства.

5. Полисахариды: крахмал, клетчатка, гликоген. Химические свойства.

6. Пространственное строение органических соединений. Таутомерия. Оптическая активность.

7. Дополнительный материал по теме: «Углеводы».

1. Углеводы. Особенности строения и классификация моноз.

Углеводы – обширный класс природных соединений, которые играют важную роль в жизни человека, животных и растений.

Название «углеводы» эти соединения получили, потому что состав многих из них выражается общей формулой Cn(H₂O)_m, т.е. они формально являются соединениями углерода и воды.

Углеводы относятся к числу наиболее распространенных в природе органических соединений: они являются компонентами клеток всех растительных и животных организмов. Углеводы образуются растениями в процессе фотосинтеза: nCO₂ + mH₂O → Cn(H₂O)m + nO₂ (хлорофилл, hν).

Животные не способны сами синтезировать углеводы и используют углеводы, синтезируемые растениями. Углеводы составляют значительную долю пищи млекопитающих.

В процессах дыхания происходит окисление углеводов, в результате чего выделяется энергия, необходимая для функционирования живых организмов – выделяется 17,6 кДЖ энергии при полном окислении 1 г углеводов. Часть энергии превращается в тепло, а большая ее часть аккумулируется в АТФ и затем расходуется в процессах жизнедеятельности.

Функции углеводов в живых организмах разнообразны. Они служат источником запасной энергии (в растениях – крахмал, в живых организмах – гликоген). В растительных организмах углеводы являются основой клеточных мембран. В качестве одного их структурных компонентов остатки углеводов входят в состав нуклеиновых кислот.

Классификация углеводов.

Все углеводы можно разделить на две группы: простые углеводы, или моносахариды, и сложные углеводы.

Простые углеводы (моносахариды) – это простейшие углеводы, не гидролизующиеся с образованием более простых углеводов.

Сложные углеводы – это углеводы, молекулы которых состоят из двух или большего числа остатков моносахаридов и разлагаются на эти моносахариды при гидролизе.

Моносахариды – гетерофункциональные соединения, содержащие оксогруппу в виде альдегидной или кетонной формы, и несколько гидроксильных групп. Если они содержат альдегидную форму, это альдегидоспирт, если кетонную – кетоноспирт, в соответствии с этим они являются или альдозами, или кетозами. По числу углеродных атомов в молекуле моносахариды делятся на тетрозы, пентозы, гексозы и т.д., из которых наиболее распространены пентозы и гексозы.

2. Принципы построения формул Фишера и Хеуорса.

Для изображения строения моносахаридов используют проекционные формулы Фишера. В формулах Фишера цепь углеродных атомов располагается в одну линию. Нумерация цепи начинается с атома углерода альдегидной группы (в случае альдоз) или с крайнего атома углерода, к которому ближе располагается кетогруппа (в случае кетоз). Атомы водорода и гидроксогруппы –ОН у асимметрических атомов «С» располагаются слева и справа от углеродной цепи.

В зависимости от пространственного расположения атомов «Н» и ОН-групп у 4-го атома углерода у пентоз и 5-го атома углерода у гексоз моносахариды относят к D- или L-ряду. Моносахариды относят к D-ряду, если ОН-группа у этих атомов располагается справа от цепи. Почти все встречающиеся в природе моносахариды относятся к D-ряду.

Для перехода от моносахаридов D-ряда к моносахариду L-ряда нужно изменить конфигурацию всех асимметрических углеродных атомов на противоположную.

Рассмотренные выше структуры моносахаридов являются ациклическими. Однако моносахариды могут существовать также в циклических формах, которые образуются при взаимодействии карбонильной группы и одной из гидроксильных групп с образованием внутренних полуацеталей. Альдегидная или кетонная группа гексоз и пентоз взаимодействует с гидроксильными группами у С-4 или С-5. В результате образуются пяти- или шестичленные циклы, аналогичные кислородосодержащим гетероциклам пирану и фурану, поэтому циклические формы гексоз и пентоз соответственно называются пиранозными и фуранозными.

В растворах моносахаридов происходит миграция атома водорода между гидроксо- и карбонильной группой, при этом устанавливается подвижное равновесие между ациклической и циклической формами.