Каким свойством обладают моносахариды
Строение моносахаридов (моноз)
Моносахариды (монозы) являются гетерофункциональными соединениями. В их молекулах одновременно содержатся и карбонильная (альдегидная или кетонная), и несколько гидроксильных групп, т.е. моносахариды представляют собой полигидроксикарбонильные соединения — полигидроксиальдегиды и полигидроксикетоны.
В зависимости от этого моносахариды подразделяются на альдозы (в моносахариде содержится альдегидная группа) и кетозы (содержится кетогруппа). Например, глюкоза – это альдоза, а фруктоза – это кетоза.
глюкоза фруктоза
В зависимости от числа атомов углерода в молекуле моносахарид называется тетрозой, пентозой, гексозой и т.д. Если объединить последние два типа классификации, то глюкоза – это альдогексоза, а фруктоза – кетогексоза. Большинство встречающихся в природе моносахаридов – это пентозы и гексозы.
Номенклатура моносахаридов
В основу номенклатуры альдоз положены тривиальные названия моносахаридов состава $C_n (H_2O)_n$ с линейной цепью углеродных атомов: рибоза, глюкоза, фруктоза.
Название кетоз образуются введением суффикса «-ул» — в название соответствующей альдозы: рибоза → рибулоза; некоторые кетосахара имеют тривиальные названия, например, фруктоза (кетогексоза).
стереоИзомерия моносахаридов
Для моносахаридов характерны несколько видов изомерии.
1. Межклассовая изомерия. Альдозы и кетозы являются межклассовыми изомерами
2. Оптическая изомерия. Наличие нескольких асимметрических атомов углерода обусловливает существование большого числа оптических изомеров у моносахаридов.
Определение
Асимметрический атом углерода (хиральный центр) — это атом углерода, связанный с четырьмя различными атомами или группами атомов
Моносахариды изображаются в виде проекционных формул Фишера, т.е. в виде проекции тетраэдрической модели атомов углерода на плоскость рисунка. Углеродная цепь в них записывается вертикально. У альдоз наверху помещают альдегидную группу, у кетоз – соседнюю с карбонильной первичноспиртовую группу. Нумерацию начинают с верхнего атома углерода. Атом водорода и гидроксильную группу при асимметрическом атоме углерода располагают на горизонтальной прямой. Асимметрический атом углерода находится в образующемся перекрестье двух прямых и не обозначается символом.
С ростом числа асимметрических центров число пространственных изомеров возрастает, причем:
Запомнить! Каждый новый асимметрический центр вдвое увеличивает число возможных изомеров; число изомеров определяется формулой $N=2^n$, где n — число асимметрических центров.
Так, один асимметрический атом углерода есть у глицеринового альдегида $HO-CH_2-CH(OH)-C(O)H$, являющегося первым и единственным представителем ряда альдотриоз. Соответственно, первым и единственным представителем ряда кетотриоз является дигидроксиацетон.
У глицеринового альдегида существует два оптических изомера, поскольку в молекуле есть только один хиральный центр (n=1. N=2). У молекулы дигидроксикетона таких центров нет, поэому он не имеет оптических изомеров.
Определение
Изомер, у которого на проекции гидроксильная группа у асимметрического атома расположена справа от основной цепи, называют D-изомером (лат. dexter — правый). Если гидроксил расположен слева — L-изомером (лат. laevus — левый)
Рассмотрим на примере, как количество оптических изомеров зависит от числа хиральных центров
Пример
Определить, сколько асимметрических атомов углерода и оптических изомеров имеется у следующих двух веществ? Указать асимметрические атомы углерода
соединение (1) соединение (2)
Определим класс и названия приведенных веществ:
соединение (1) — 3-метилбутанол-2, предельный одноатомный спирт;
соединение (2) -3-метил-2-гидроксибутановая кислота, гидроксикислота (т.е. проявляет и свойства спиртов, и свойства карбоновых кислот)
Асимметрическим считается атом углерода, связанный с 4-мя разными заместителями. У обоих соединений — 3-метилбутанола-2 и 3-метил-2-гидроксибутановой кислоты имеется только по одному асимметрическому атому углерода, так как при атоме С2 в спирте и при С3 в кислоте имеется по два одинаковых заместителя – две метильные группы. Формула расчета числа оптических изомеров: $N=2^n$, значит $N=2^1=2$. Следовательно, каждое вещество может существовать в виде пары оптических антиподов D- и L-соответственно (1a и 1b, 2a и 2b).
3. Таутомерия (мутаротация). Для всех моносахаридов характерно явление мутаротации, т.е. существование в циклической и нециклической формах.
Рассмотрим это явление на примере молекулы рибозы. Поскольку в пространстве углерод-углеродная цепь рибозы изогнута, то карбонильная группа располагается близко к –ОН группе четвертого или пятого атома углерода. Происходит взаимодействие этих двух групп одной молекулы и цикл замыкается с образованием внутреннего полуацеталя.
Вновь образовавшийся гидроксил (выделен на рис. синим цветом) носит название полуацетального, или гликозидного и может по разному располагаться в пространстве относительно цикла. Если полуацетальный гидроксил располагается по одну сторону с гидроксилом, определяющим принадлежность к D- или L-ряду, то такой изомер называется $alpha$-изомером, если по разные стороны – $beta$-изомером. Циклическая и открытая формы легко переходят друг в друга и находятся в динамическом равновесии. При комнатной температуре преобладает циклическая, при нагревании – открытая форма.
Аналогично происходит и с углеродным скелетом глюкозы: карбонильная группа располагается близко к –ОН группе пятого или шестого атома углерода, в результате чего происходит взаимодействие этих групп, приводящее к образованиюполуацетальной группы (выделена синим цветом). На рисунке ниже приведены открытая и закрытая форма существования глюкозы :
Согласно теории А. Байера:
Внутримолекулярное взаимодействие спиртовой и карбонильной групп наиболее благоприятно, если оно приводит к образованию пяти— или шестичленных циклов.
Шестичленные кольца сахаров называют пиранозами, а пятичленные – фуранозами. Формулы, отображающие строение циклических форм моносахаридов, были предложены У. Хеуорсом в 20-х годах прошлого века.
Запомнить! При написании структурных формул по Хеуорсу гидроксильная группа при атоме С1 должна быть расположена ниже плоскости кольца в $alpha$-форме, а в $beta$-форме — выше плоскости кольца.
ГЛЮКОЗА
Глюкоза (декстроза) или виноградный сахар, входит в состав сока многих фруктов и ягод, в том числе и винограда, является самым распространённым углеводом. Глюкоза относится к классу моносахаридов и является шестиатомным сахаром, то есть относится к ряду гексоз (одна из восьми изомерных альдогексоз). В свободном виде D-глюкоза содержится в плодах, цветах и других органах растений, в мёде, а также в животных тканях (в крови, мозге, мышцах). В природе существует преимущественно в виде D-изомера и является важнейшим источником энергии в организмах животных, человека и микроорганизмов.
Глюкоза — бесцветное кристаллическое вещество сладкого вкуса, хорошо растворимое в воде. Растворы глюкозы используются в медицине для внутривенных инъекций, так как обеспечивают дополнительное питание организма быстроусваиваемыми углеводами. Повышение концентрации глюкозы в крови приводит к усилению выработки гормона поджелудочной железы — инсулина, отвечающего за быстрый метаболизм углеводов в организме. Химическая энергия питательных веществ, поступающих в организм, заключена в ковалентных связях между атомами. В глюкозе количество потенциальной энергии составляет 2800 кДж на 1 моль.
В организме глюкоза подвергается сложным биохимическим превращениям в результате которых образуется диоксид углерода и вода, при это выделяется энергия согласно итоговому уравнению:
$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 longrightarrow 6H_2O + 6CO_2 + textrm{2800 кДж}$
Этот процесс протекает ступенчато, и поэтому энергия выделяется медленно.
Большое значение имеют биохимические процессы брожения глюкозы. Так, например, при квашении капусты, огурцов, молока происходит молочнокислое брожение глюкозы (образуется молочная кислота), так же как и при силосовании кормов. На практике используется также спиртовое брожение глюкозы (образуется этиловый спирт), например при производстве пива и вина.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЛЮКОЗЫ
Запомнить! Являясь типичным представителем альдогексоз, глюкоза обладает химическими свойствами, характерными одновременно и для многоатомных спиртов и для альдегидов.
Кроме того, она обладает и некоторыми специфическими свойствами:
СВОЙСТВА, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ НАЛИЧИЕМ В МОЛЕКУЛЕ ГИДРОКСИЛЬНЫХ ГРУПП
1. Алкилирование — замещение водорода в гидроксиле на алкильный радикал. Реагирует со спиртами с образованием простых эфиров.
2. Ацилирование или реакция этерификации. Реагирует с карбоновыми кислотами с образованием сложных эфиров, то есть пять гидроксильных групп глюкозы вступают в реакцию с кислотами аналогично спиртам.
3. Как многоатомный спирт реагирует с гидроксидом меди (II) c образованием алкоголята (глюкозата) меди (II) (качественная реакция на две гидроксильные группы)
СВОЙСТВА, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ НАЛИЧИЕМ КАРБОНИЛЬНОЙ ГРУППЫ
1. Окисление. Глюкоза легко окисляется и образует глюконовую кислоту, при этом восстанавливая серебро из аммиачного раствора оксида серебра и медь(II) до меди(I) (качественная реакция на альдегидную группу)
Кроме того, глюкоза легко вступает в реакцию «серебряного зеркала» — окисления реактивом Толленса (аммиачный раствор оксида серебра) (качественная реакция на альдегидную группу)
К особенностям протекания реакций окисления можно отнести взаимодействие моносахаридов с азотной кислотой и с бромной водой. Азотная кислота окисляет альдозы и кетозы до дикарбоновых кислот – гликаровых (или сахарных) кислот.
Бромная вода, как более мягкий окислитель, окисляет только альдегидные группы до карбоксильных групп с образованием монокарбоновых гликоновых кислот (аналогично реактиву Толленса).
2. Восстановление. Глюкоза может восстанавливаться в шестиатомный спирт (сорбит).
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
1. Глюкоза подвергается биохимическому брожению:
а) спиртовое брожение
$C_6H_{12}O_6 longrightarrow 2CH_3-CH_2OH + CO_2$
б) молочнокислое брожение
$C_6H_{12}O_6 longrightarrow 2CH_3-CH(OH)-COOH$
в) маслянокислое брожение
$C_6H_{12}O_6 longrightarrow C_3H_7COOH + 2H_2 + 2CO_2$
ПОЛУЧЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ
1. Первый синтез глюкозы из формальдегида в присутствии гидроксида кальция был произведён А. М. Бутлеровым в 1861 году.
$6HC(O)H xrightarrow{Ca(OH)_2} C_6H_{12}O_6$
2. Глюкоза может быть получена гидролизом природных веществ, в состав которых она входит. В производстве её получают гидролизом картофельного и кукурузного крахмала кислотами:
$(C_6H_{10}O_5)_n xrightarrow[]{H_2O hspace{3pt} (H^+)} (C_6H_{10}O_5)_x xrightarrow[]{H_2O hspace{3pt} (H^+)} dfrac{n}{2} C_{12}H_{22}O_{11} xrightarrow[]{H_2O hspace{3pt} (H^+)} nC_6H_{12}O_6$
крахмал декстрины D-мальтоза D-глюкоза
3. В природе глюкоза наряду с другими углеводами образуется в результате реакции фотосинтеза (см. тему «Классификация, строение и номенклатура углеводов»)
ФРУКТОЗА
Фруктоза, а более правильно-D-фруктоза широко распространена в растительном мире: содержится во фруктах, в пчелином меде, входит в состав сахара (сахарозы).
Фруктоза является изомером глюкозы, соответственно, отвечает той же молекулярной формуле $C_6H_{12}O_6$. Она представляет собой кетогексозу, в которой кето-группа находится у второго углеродного атома в цепи. Фруктоза, как и глюкоза, существует в двух таутомерных формах — в открытой и замкнутой (циклической). Отличается от глюкозы меньшим размером цикла, который содержит не шесть, а пять атомов (включая кислород):
Так же, как и глюкоза образует оптические изомеры, при этом количество хиральных центров меньше, чем у глюкозы — всего три. Поэтому число стереоизомеров у глюкозы $N=2^4=16$, а у фруктозы $N=2^3=8$.
Фруктоза хорошо растворима в воде и имеет более сладкий вкус, чем глюкоза.
ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ФРУКТОЗЫ
Поскольку фруктоза, как и глюкоза, является многоатомным спиртом, то по гидроксильным группам вступает в те же реакции.
Запомнить! Особенностью фруктозы является невозможность окисления кето-группы до кислоты.
Это отличие позволяет качественно отличить фруктозу от глюкозы (см. раздел данной темы «Свойства, обусловленные наличием альдегидной группы» ).
Моносахариды – это самые простые углеводы, состоящие из одного звена. Обычно это твердые сладкие вещества, хорошо растворимые в воде, хуже – в спиртах и практически не вступающие в реакцию с эфиром.
Общая характеристика
Название «моносахариды» с греческого переводится как «одиночный сахар». Эти простые углеводы состоят из одного элемента и не могут быть разбиты на более мелкие блоки. Моносахариды являют собой самую простую форму углеводов, но они могут объединяться, образовывая более сложные соединения. Например, 2 моносахарида создают дисахариды, соединение от 3 до 10 элементов – это уже олигосахариды, а 11 больше моносахаридов, связанных воедино, образуют полисахариды.
Исследователям впервые удалось получить глюкозу в 1811 году: русский ученый Константин Сигизмунд гидролизовал это вещество из крахмала, а через 33 года другой русский ученый К. Шмидт придумал углеводам их название.
В пище моносахариды представлены 3 веществами: глюкозой, фруктозой, галактозой.
В природе простейшие углеводы обычно представлены в форме глюкозы.
Все они обладают общей формулой – С6Н12О6. И поскольку каждый из них имеет в составе 6 атомов углерода, принадлежат к гексозной группе. Меж тем, несмотря на общую молекулярную формулу, расположение атомов в каждом из этих веществ отличается. Это позволяет называть их структурными изомерами.
Классификация простых углеводов
В современной науке применяют разные классификации для определения типов моносахаридов.
Но для начала важно сказать, что существует две формы этих веществ:
- открытая (оксоформа);
- циклическая.
Моносахариды открытой формы – это вещества, молекула которых состоит из карбонильной и нескольких гидроксильных групп. Это значит, что они могут быть альдегидоспиртами и кетоноспиртами. Отсюда и названия групп – альдозы и кетозы.
Моносахариды циклической формы могут создавать так называемые циклы, замыкаясь в кольца. Этот вид вещества более устойчив, поэтому и в природе они представлены в большем количестве.
Кроме того, моносахариды различают по длине углеродной цепи (количеству атомов углерода). Отсюда и систематизация веществ на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и так далее.
Изомеры моносахаридов
В составе практически всех моносахаридов есть асимметричные атомы углерода. Благодаря этому существуют два оптических стереоизомера – D и L. При этом глицериновый альдегид принято считать исходным веществом для всех моносахаридов. Все последующие трансформирования происходят в результате удлинения его цепей. D и L формы моносахаридов являются зеркальными отражениями друг друга. В природе чаще встречаются «представители» D-формы, а синтетические вещества преимущественно представлены в виде L-варианта. При этом важно сказать, что обе формы обладают разными свойствами.
Биохимические свойства
От функциональных групп моносахаридов зависят и их свойства. Соответственно, они могут вступать в реакции окисления и восстановления.
В результате окисления моносахаридов создаются разные классы кислот. Альдоновые кислоты – последствие окисления альдегидной группы С1 –атома до карбоксильной группы. Альдаровые кислоты возникают после окисления альдегидной группы или первичной спиртовой С6– атома углерода. Альдуроновая кислота создается вследствие окисления первичной спиртовой группы С6-углерода.
Восстановление моносахаридов под воздействием ферментов или других веществ сопровождается образованием полиспиртов, например, сорбитола или рибитола. Последний, кстати, является компонентом витамина В2.
Функции простых сахаров
Моносахариды в первую очередь являются источниками энергии. Большинство из них, как и другие углеводы, в 1 грамме вещества содержат примерно 4 килокалории.
Мозгу же для адекватного функционирования требуется не меньше 160 г этого сладкого вещества.
Моносахариды не принадлежат к числу незаменимых для организма питательных веществ, однако каждый из представителей «вида» важен для человека своими уникальными функциями. Глюкоза, к примеру, это основное топливо для клеток организма. Фруктоза участвует в метаболических процессах. А галактозу обнаружили в эритроцитах у лиц с третьей группой крови. Моносахарид рибоза является частью дезоксирибонуклеиновой кислоты в хромосомах.
Моносахариды и сахар в крови
Моносахариды, как и большинство других питательных веществ, всасываются организмом на уровне тонкой кишки. Они могут быть поглощены без предварительной ферментации и расщепления. Более того, все остальные, более сложные углеводы организм «проглатывает» в форме моновеществ. Глюкозу и галактозу человек усваивает легче и быстрее, чем другие углеводы, а для поглощения фруктозы организму требуется больше времени и сил, при этом она всасывается не полностью. После потребления глюкоза и галактоза быстро попадают в кровь и резко повышают уровень сахара, поскольку обладают высоким гликемическим индексом. В это же время фруктоза, благодаря низкому гликемическому показателю, повышает сахар в крови медленнее и мягче.
В роли питательных веществ
Моносахариды в качестве питательных веществ используются в натуральной и полуискусственной формах.
Но все они играют роль основной «подкормки» для мозга, клетки которого без достаточного количества сахаров не смогли бы правильно работать.
В природе натуральные моносахариды – это:
- глюкоза (декстроза);
- фруктоза;
- галактоза;
- манноза;
- рибоза;
- дезоксирибоза.
Все они являются гексозами, то есть состоят из 6 атомов углерода.
Полуискусственные моносахара
Гексозы (содержат 6 атомов углерода):
- D и L-аллоза;
- D и L-альтроза;
- D и L-фукоза;
- D и L-гудоза;
- D-сорбоза;
- D-тагатоза.
Пентозы (содержат 5 атомов углерода):
- D и L-арабиноза;
- D и L-ликсоза;
- рамноза;
- D-рибоза;
- рибулоза и ее синтетическая форма;
- D-ксилоза (древесный сахар).
Тетрозы (содержат 4 атома углерода):
- D и L-эритроза;
- эритрулоза;
- D и L-треоза.
Примеры продуктов, содержащих моносахариды:
- фрукты и фруктовые соки (глюкоза, фруктоза);
- мед (глюкоза, фруктоза);
- сиропы (глюкоза, фруктоза);
- десертные вина (глюкоза, фруктоза);
- напитки (безалкогольные, энергетики, ликеры), шоколад, молочные десерты (в основном глюкоза).
Характеристика пищевых моносахаров
Глюкоза
Название этого моносахарида с древнегреческого обозначает «сладкий», а в химии глюкоза известна также под названием «виноградный сахар». Содержится в виноградном соке, фруктах, а также есть в крови. Это вещество с формулой С6Н12О6 представляет собой сладкие белые кристаллы, которые довольно легко растворяются в воде.
Этот вид моносахара считается наиболее важным в природе. Глюкоза – составляющий элемент дисахаридов и полисахаридов. В природных условиях образуется в результате фотосинтеза. Также производится из полисахаридов, таких как целлюлоза и крахмал, в результате гидролиза и ферментирования. В процессе ферментирования глюкозы образовываются диоксид углерода и этиловый спирт. И эта способность характерна для всех углеводов, так как в результате позволяет крови транспортировать сахара ко всем клеткам организма. В человеческом организме играет роль поставщика энергии. Является важнейшим веществом для работы мышц.
Фруктоза
Свое второе название – «плодовый, или фруктовый сахар» – фруктоза получила из-за того, что содержится преимущественно в ягодах и фруктах. А вот химики называют это вещество левулозой. Является компонентом сахарозы и лактулозы. И хоть во многих плодах фруктоза содержится в паре с глюкозой, но плодовый сахар является более сладким веществом. Также он входит в состав меда. И что интересно, это единственный вид сахаров, содержащийся в сперме человека и быка.
Главное отличие фруктозы от глюкозы – в неустойчивости к щелочным и кислым растворам. Активно применяется для производства мороженого, как вещество, предотвращающее песчанистость. Употребляемая в больших количествах, вызывает расстройство пищеварения. А также увеличивает концентрацию липидов в крови, что, как полагают, является фактором риска развития кардиологических болезней.
Галактоза
Как правило, она, не встречается в природе, но гидролизуется из лактозы, которая содержится в молоке. Хотя галактоза не так активно растворяется в воде и является менее сладким веществом, чем глюкоза, она имеет ряд других преимуществ. В частности, образует гликолипиды и гликопротеины, которые содержатся во многих тканях.
Моносахарид галактоза представлен сразу в двух формах: циклической и ациклической. Содержится в тканях растений, а также является элементом некоторых полисахаридов, в том числе и бактериальных. Посему нередко становится участником процессов брожения и трансформации в так называемые лактозные дрожжи. В человеческом организме представлена в составе лактозы (молочный сахар) и некоторых других веществ. В результате химических реакций легко трансформируется в глюкозу, что помогает более легкому усваиванию углерода. Также при определенных обстоятельствах способна переходить в галактуроновую или аскорбиновую кислоту. В женском организме галактоза может воспроизводиться из глюкозы, чтобы дальше трансформироваться в лактозу, содержащуюся в молочных железах.
Наличие галактозы обнаружено в молоке, помидорах и многих других овощах и фруктах. В пищевой промышленности галактоза активно используется в качестве активного ингредиента энергетических напитков.
Галактоза обладает разными уникальными свойствами. В частности, она способствует более быстрой потери и затем удержанию веса, служит профилактическим средством против диабета у взрослых. Также является стабильным источником энергии для спортсменов и работающих физически.
Учитывая уникальные возможности галактозы, исследователи все чаще называют ее «сахаром новой эпохи», хотя и признаются, что многое о свойствах этого вещества пока не знают.
Потребность в моносахаридах
Обычно более всего в достаточном потреблении моносахаридов нуждаются люди работающие тяжело физически или умственно, а также спортсмены. Дети, в период интенсивного роста, люди с психическими нарушениями, депрессиями, болезнями пищеварительного тракта, слишком малым весом и во время интоксикации также нуждаются в «сладеньком».
А вот кому стоит более тщательно считать калории и потребление углеводов в сутки, так это лицам с ожирением разных стадий, гипертоникам, пожилым, а также ведущим малоподвижную жизнь.
Кроме того, моносахариды необходимы людям с дефицитом кальция и витамина С, так как эти углеводы помогают усвоению названных полезных веществ.
Понять, что организм испытывает нехватку моносахаридов можно по сниженному сахару в крови, резкому похудению, депрессивных состояниях, а также непокидающему чувству голода. Наоборот, сигналом к уменьшению сладких порций служат дистрофия печени, признаки гипертонии и кислотно-щелочной дисбаланс. Также не стоит злоупотреблять сахарами людям с непереносимостью молочного.
Моносахариды – важная часть нашего ежедневного питания. Они необходимы человеку для пополнения жизненных сил, хорошего настроения и правильной работы мозга. Так позаботьтесь о том, чтобы эти вещества присутствовали в вашем рационе.
Источники
- Ю. С. Шабаров, Т. С. Орецкая, П. В. Сергиев. – Моно- и дисахариды (учебное пособие для студентов III курса), Часть I, 5-е издание, Москва, МГУ им. М. В. Ломоносова, 2010 г. – 82 с.
- Ю. С. Шабаров, Т. С. Орецкая. – Моно- и дисахариды (учебное пособие для студентов III курса), Часть II, 5-е издание, Москва, МГУ им. М. В. Ломоносова, 2010 г. – 86 с.
Больше свежей и актуальной информации о здоровье на нашем канале в Telegram. Подписывайтесь: https://t.me/foodandhealthru
Автор статьи:
Извозчикова Нина Владиславовна
Специальность: инфекционист, гастроэнтеролог, пульмонолог.
Общий стаж: 35 лет.
Образование: 1975-1982, 1ММИ, сан-гиг, высшая квалификация, врач-инфекционист.
Научная степень: врач высшей категории, кандидат медицинских наук.
Повышение квалификации:
- Инфекционные болезни.
- Паразитарные заболевания.
- Неотложные состояния.
- ВИЧ.