С химической точки зрения углеводы это

Общее понятие об углеводах.
Классификация углеводов.
Изомеры глюкозы.
Глюкоза. Нахождение в природе.
Получение глюкозы.
Применение глюкозы.
Физические и химические свойства глюкозы.
Сахароза. Физические и химические свойства сахарозы.
Крахмал и целлюлоза. Нахождение в природе.
Физические и химические свойства крахмала и целлюлозы.

Углеводы (сахара) – органические соединения, имеющие сходное строение и свойства, состав большинства которых отражает формула C_x(H₂O)_y, где x, y ≥ 3.

Общеизвестные представители: глюкоза (виноградный сахар) С₆Н₁₂О₆, сахароза (тростниковый, свекловичный сахар) С₁₂Н₂₂О₁₁, крахмал и целлюлоза [С₆Н₁₀О₅]_n.

Углеводы содержатся в клетках растительных и животных организмов и по массе составляют основную часть органического вещества на Земле. Эти соединения образуются растениями в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды при участии хлорофилла. Животные организмы не способны синтезировать углеводы и получают их с растительной пищей. Фотосинтез можно рассматривать как процесс восстановления СО₂ с использованием солнечной энергии. Эта энергия освобождается в животных организмах в результате метаболизма углеводов, который заключается, с химической точки зрения, в их окислении.

Углеводы объединяют разнообразные соединения – от низкомолекулярных, состоящих из нескольких атомов (x = 3), до полимеров [C_x(H₂O)_y]_n с молекулярной массой в несколько миллионов (n > 10000).

По числу входящих в их молекулы структурных единиц (остатков простейших углеводов) и способности к гидролизу углеводы подразделяют на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды не гидролизуются с образованием более простых углеводов.

Олиго- и полисахариды расщепляются при гидролизе до моносахаридов. В молекулах олигосахаридов содержится от 2 до 10 моносахаридных остатков, в полисахаридах – от 10 до 3000-5000.

НЕКОТОРЫЕ ВАЖНЕЙШИЕ УГЛЕВОДЫ

Для большинства углеводов приняты тривиальные названия с суффиксом -оза (глюкоза, рибоза, сахароза, целлюлоза и т.п.).

Рибоза и дизоксирибоза.

относятся к пентозам. Оба соединения являются альдегидоспиртами.

Глюкоза — моносахарид, одна из восьми изомерных альдогексоз. Молярная масса 180 г/моль.

Нахождение в природе

В особом виде глюкоза содержится почти во всех органах зелёных растений. Особенно её много в виноградном соке, поэтому глюкозу иногда называют виноградным сахаром. Мёд в основном состоит из смеси глюкозы с фруктозой.

В организме человека глюкоза содержится в мышцах, в крови (0.1 – 0.12 %) и служит основным источником энергии для клеток и тканей организма. Повышение концентрации глюкозы в крови приводит к усилению выработки гормона поджелудочной железы — инсулина, уменьшающего содержание этого углевода в крови. Химическая энергия питательных веществ, поступающих в организм, заключена в ковалентных связях между атомами. В глюкозе количество потенциальной энергии составляет 2800 кДж на 1 моль (то есть на 180 грамм).

Первый синтез глюкозы из формальдегида в присутствии гидроксида кальция был произведён А. М. Бутлеровым в 1861 году:

Глюкоза может быть получена гидролизом природных веществ, в состав которых она входит. В производстве её получают гидролизом картофельного и кукурузного крахмала кислотами.

Полные синтезы глюкозы, осуществлённые, исходя из диброма кролеина, а также из глицеринового альдегида и диоксиацетона, имеют лишь теоретический интерес.

В природе глюкоза наряду с другими углеводами образуется в результате реакции фотосинтеза:

В процессе этой реакции аккумулируется энергия Солнца.

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:

Этот процесс протекает ступенчато, и поэтому энергия выделяется медленно.

Глюкоза также участвует во втором этапе энергетического обмена животной клетки (расщепление глюкозы). Суммарное уравнение выглядит так:

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 гликоновых 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.

Глюкоза — бесцветное кристаллическое вещество со сладким вкусом, хорошо растворимое в воде. Из водного раствора она выделяется в виде кристаллогидрата C₆H₁₂O₆ · H₂O. По сравнению со свекловичным сахаром она менее сладкая.

Глюкоза обладает химическими свойствами, характерными для спиртов и альдегидов. Кроме того, она обладает и некоторыми специфическими свойствами:

Свойства, обусловленные наличием в молекуле

1. Реагирует с карбоновыми кислотами с образованием сложных эфиров (пять гидроксильных групп глюкозы вступают в реакцию с кислотами)

1. Реагирует с оксидом серебра (I) в аммиачном растворе (реакция “серебряного зеркала”):

Глюкоза способна подвергаться брожению: а) спиртовое брожение

б) молочнокислое брожение

Свойства, обусловленные наличием в молекуле

2. Как многоатомный спирт реагирует с гидроксидом меди (II) c образованием алкоголята меди (II)

2.Окисляется гидроксидом меди (II) (с выпадением красного осадка)

3. Под действием восстановителей превращается в шестиатомный спирт

в) маслянокислое брожение

Сахароза C₁₂H₂₂O₁₁, или свекловичный сахар, тростниковый сахар, в быту просто сахар — дисахарид, состоящий из двух моносахаридов — глюкозы и фруктозы.

Сахароза (обыкновенный сахар) – белое кристаллическое вещество, более сладкое, чем глюкоза, хорошо растворимое в воде.

Важное химическое свойство сахарозы – способность подвергаться гидролизу (при нагревании в присутствии ионов водорода). При этом из одной молекулы сахарозы образуется молекула глюкозы и молекула фруктозы:

Ионы водорода катализируют процесс гидролиза.

Сахароза не дает реакции «серебряного зеркала» и не обладает восстановительными свойствами. В этом ее отличие от глюкозы. Молекула сахарозы состоит из остатков молекул глюкозы и фруктозы в их циклической форме; они соединены между собой через атом кислорода.

Сахароза является весьма распространённым в природе дисахаридом, она встречается во многих фруктах, плодах и ягодах. Особенно велико содержание сахарозы в сахарной свёкле и сахарном тростнике, которые и используются для промышленного производства пищевого сахара.

В нашей стране сахарозу получают из сахарной свеклы, содержащей до 20% сахарозы.

При повышенной температуре способна подвергаться гидролизу:

Крахмал состоит из 2 полисахаридов – амилозы и амилопектина, образованных остатками глюкозы. Экспериментально доказано, что химическая формула крахмала (C6H10O5)n. Установлено, что крахмал состоит не только из линейных молекул, но и из молекул разветвленной структуры. Этим объясняется зернистое строение крахмала. Накапливается в виде зерен, главным образом в клетках семян, луковиц, клубней, а также в листьях и стеблях. Крахмал – белый порошок, нерастворимый в холодной воде. В горячей воде он набухает и образует клейстер.

Крахмал чаще всего получают из картофеля. Для этого картофель измельчают, промывают водой и перекачивают в большие сосуды, где происходит отстаивание. Полученный крахмал еще раз промывают водой, отстаивают и сушат в струе теплого воздуха.

Крахмал – основная часть важнейших продуктов питания: муки (75 – 80%), картофеля (25%), саго и др. Энергетическая ценность около 16,8 кДж/г.

Он является ценным питательным продуктом. Чтобы облегчить его усвоение, содержащие крахмал продукты подвергают действию высокой температуры, то есть картофель варят, хлеб пекут. В этих условиях происходит частичный гидролиз крахмала и образуются декстрины, растворимые в воде. Декстрины в пищеварительном тракте подвергаются дальнейшему гидролизу до глюкозы, которая усваивается организмом. Избыток глюкозы превращается в гликоген (животный крахмал). Состав гликогена такой же, как у крахмала, – (C6H10O5)n, но его молекулы более разветвленные. Особенно много гликогена содержится в печени (до 10%). В организме гликоген является резервным веществом, которое превращается в глюкозу по мере ее расходования в клетках.

В промышленности крахмал путем гидролиза превращают в патоку и глюкозу. Для этого его нагревают с разбавленной серной кислотой, избыток которой затем нейтрализуют мелом. Образовавшийся осадок сульфата кальция отфильтровывают, раствор упаривают и выделяют глюкозу. Если гидролиз крахмала не доводить до конца, то образуется смесь декстринов с глюкозой – патока, которую применяют в кондитерской промышленности. Получаемые с помощью крахмала декстрины используются в качестве клея, для загустения красок при нанесении рисунков на ткань.

Характерной реакцией крахмала является его взаимодействие с йодом. Если к охлажденному крахмальному клейстеру добавить раствор йода, то появляется синее окрашивание. При нагревании клейстера оно исчезает, а при охлаждении появляется вновь. Этим свойством пользуются для определения наличия крахмала в пищевых продуктах. Так например если каплю раствора йода поместить на срез картофеля или ломтик белого хлеба, то появляется синее окрашивание.

Крахмал сравнительно легко подвергается гидролизу:

В зависимости от условий гидролиз крахмала может протекать ступенчато, с образованием различных промежуточных продуктов:

крахмал декстрины мальтоза глюкоза

Целлюлоза состоит из остатков молекул глюкозы, которая и образуется при кислотном гидролизе целлюлозы:

Серная кислота и йод, благодаря гидролизу, окрашивают целлюлозу в синий цвет. Один же йод — только в коричневый. Кроме целлюлозы, в состав клеточных оболочек входят еще несколько других углеводов, известных под общим именем гемицеллюлоз, извлекаемых из клеточных оболочек 1%-м раствором соляной или серной кислоты при нагревании.

Один из относящихся сюда углеводов — парагалактан, дающий при гидролизе галактозу. В клеточных оболочках имеются еще и другие гемицеллюлозы, дающие маннозу, арабинозу и ксилозу.

С возрастом многие клеточные оболочки перестают давать реакцию на целлюлозу, потому что одни подвергаются одревеснению, другие — опробковению и т. д.

Почти чистой клетчаткой является хлопок, который идет на изготовление ткани. Целлюлоза древесины дает бумагу. Целлюлозу и ее эфиры используют для получения искусственного волокна (вискозный, ацетатный, медно-аммиачный шёлк, искусственная шерсть), пластмасс, кино и фотоплёнок, лаков, бездымного пороха и т. д.

Целлюлоза – стойкое вещество,не разрушается при нагревании до 200 °C. Не растворима в воде и слабых кислотах. Обладает прочностью, но эластична. Зарегистрирована в качестве пищевой добавки E460.

Промышленным методом целлюлозу получают методом варки на целлюлозных заводах входящих в промышленные комплексы.

Наиболее характерное свойство целлюлозы – ее способность в присутствии кислот подвергаться гидролизу с образованием глюкозы. Аналогично крахмалу гидролиз целлюлозы протекает ступенчато. Суммарно этот процесс можно изобразить так:

Углеводы с точки зрения химии. Состав углеводов

Жизненный цикл растений поможет нам понять какая химическая метамарфоза происходит с углеводами. Все формы жизни на земле используют солнечный свет как источник энергии. Через фотосинтез, растения объединяют воду и углекислый газ в молекулу, которая сохраняет энергию — углевод. При переваривании растительного продукта молекула углевода расщепляется и освобождает энергию.

Структура растительного организма основана на углероде, с примыкающими к нему другими элементами. Форма углеродной молекулы определяет природу живущего организма. Углеводы формируются когда углерод примыкает с кислороду и водороду.

Существует три типа углеводов: моносахариды, дисахариды и полисахариды. Самая простая форма — моносахариды, единичные молекулы сахара. Это глюкоза, фруктоза и галактоза, известная как молочный сахар.
Дисахариды — двойные молекулы сахара. Сахароза (добываемая из сахарного тростника), мальтоза (из зерновых) и лактоза. Большинство людей не испытывают проблем со многими углеводными продуктами, хотя у некоторых есть непереносимость лактозы, из-за низкого уровня необходимых ферментов, когда пищеварительная система не может расщепить лактозу и слишком большое количество молока может вызвать желудочные колики и диарею. Непереносимость лактозы передается генетически и сильнее отражается на маленьких детях.
Сложные углеводы (полисахариды) состоят из молекул, которые во время переваривания расщепляются в крахмалы. Полисахариды содержат крахмал, декстрин и гликоген. Крахмал — самый важный полисахарид в питании и содержится в основных продуктах питания как хлопья, зерновые , картофель и корнеплоды. Гранулы сырого крахмала нерастворимы и неусвояемы,
и только процесс тепловой переработки заставляет их увеличиться в объеме и разложиться на усвояемые компоненты.

Как углеводы работают
Цепь химических реакций заставляет углеводы (за исключением волокон) расщепляться на простые молекулы с целью использования в качестве топлива для организма. Потребности организма в энергии не всегда одинаковые: в состоянии покоя тело использует минимум для поддержания жизнедеятельности, биения сердца, работы легких и остальных органов — для этого требуется постоянный поток энергии, даже если она не поступает из пищеварительной системы. Тело обладает замечательной функцией сохранения энергии, количество глюкозы в крови остается стабильным, поддерживаемое этой функцией. Когда лишняя глюкоза поступает в кровь, она откладывается в печени на короткий срок в форме сложного углевода гликогена. Гликоген может находиться в организме только в определенном количестве — когда в нем нет необходимости, он превращается в жир. Гликоген также защищает организм от токсинов, используется организмом для восстановления и роста клеток.
В отсутствие углеводов организм перерабатывает жир, что способствует выделению токсинов, которые могут вызвать тошноту, слабость, головную боль — последствия низкоуглеводной диеты.

Ваши потребности в углеводах
Ежедневное потребление углеводов — около 55% процентов в потребляемой пище. Хотя мы и можем вырабатывать энергию из жира и белка, углеводы нужны для поддержки солевого и водного баланса. Убедитесь, что вы употребляете углеводы и употребляете их правильно — фрукты, овощи, нежирное молоко, крупы, бобовые и зерновые. Следует избегать большого количества сахара, сладостей, сиропов — они содержат только пустые калории и искусственные вкусовые добавки. Из-за низкой пищевой ценности, сладости называют «пустыми калориями» . К этой группе «пустышек» можно отнести алкоголь, энергетическая ценность которого еще выше: 29 килоджоулей на грамм (для сравнения, у сахара 17 килоджоулей на грамм). Диетологи отмечают, что алкоголь, употребленный в умеренных количествах как дополнение к сбалансированной диете, даже полезен, так как способствует кровообращению. Злоупотребление напитками приводит к дефициту витаминов, высокому кровяному давлению, нарушению в работе печени и сердца, и, конечно, противопоказан во время беременности, так как может спровоцировать дефекты развития у плода.

Общее описание

Другое название углеводов – сахара. Углеводы имеют два определения:

с точки зрения биологии – биологически активные вещества, являющиеся источником энергии для живых организмов, в том числе человека;
с точки зрения химии – органические соединения, состоящие из нескольких карбонильных (-СО) и гидроксильных (-ОН) групп.

Элементы, образующие углевод:

Общая формула углеводов – C_n(H₂O)_m. Минимальное количество атомов углерода и кислорода – три. Соотношение водорода и кислорода всегда 2:1, как в молекуле воды.

Источником углеводов является процесс фотосинтеза. Углеводы составляют 80 % сухой растительной массы и 2-3 % – животной. Углеводы входят в состав АТФ – универсального источника энергии.

Углеводы – многочисленная группа органических веществ. Они классифицируются по двум признакам:

количеству атомов углерода;
количеству структурных единиц.

В зависимости от количества атомов углерода в одной молекуле (структурной единице) выделяют:

триозы;
тетрозы;

пентозы;
гексозы;
гептозы.

Молекула может включать до девяти атомов углерода. Наиболее значимыми являются пентозы (C₅H₁₀O₅) и гексозы (C₆H₁₂O₆). Пентозы являются компонентами нуклеиновых кислот. Гексозы входят в состав полисахаридов.

Рис. 1. Структура моносахарида.

По второму признаку классификации углеводы бывают:

простыми, состоящими из одной молекулы или структурной единицы (моносахариды);
сложными, включающими множество молекул (олигосахариды, полисахариды).

Особенности сложных структур описаны в таблице углеводов.

Виды

Формула

Характеристика

Примеры

Состоят из одной структурной единицы. Входят в состав ДНК, РНК, АТФ. В зависимости от открытой группы выделяют кетозы (R₁-CO-R₂) и альдозы (R-CHO)

Глюкоза, фруктоза, рибоза

Состоят из 2-10 моносахаридов. Могут включать одинаковые моносахаридные остатки (гомоолигосахариды) или разные (гетероолигосахариды)

Сахароза, лактоза, мальтоза

Состоят из множества моносахаридов (от 10 до нескольких тысяч)

Целлюлоза, хитин, крахмал

Рис. 2. Структура полисахарида.

Одна из наиболее значимых разновидностей олигосахаридов – дисахариды, состоящие из двух моносахаридов. Они служат источником глюкозы и выполняют строительную функцию в растениях.

Физические свойства

Моносахариды и олигосахариды имеют схожие физические свойства:

кристаллическое строение;
сладкий вкус;
растворимость в воде;
прозрачность;
нейтральная pH в растворе;
низкие температуры плавления и кипения.

Полисахариды – более сложные вещества. Они нерастворимы и не имеют сладкого привкуса. Целлюлоза – разновидность полисахарида, входящая в состав клеточных стенок растений. Аналогичный целлюлозе хитин входит в состав грибов и панцирей членистоногих. Крахмал накапливается в растениях и распадается на простые углеводы, которые являются источником энергии. В животных клетках резервную функцию выполняет гликоген.

Химические свойства

В зависимости от структуры каждому углеводу характерны особые химические свойства. Моносахариды, в частности глюкоза, подвергаются многоступенчатому окислению (в отсутствии и присутствии кислорода). В результате полного окисления образуется углекислый газ и вода:

В отсутствии кислорода под действием ферментов происходит брожение:

спиртовое

Иначе с кислородом взаимодействуют полисахариды, сгорая до углекислого газа и воды:

Олигосахариды и полисахариды разлагаются до моносахаридов при гидролизе:

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆;
(C₆H₁₀O₅)n + nH₂O → nC₆H₁₂O₆.

Глюкоза реагирует с гидроксидом меди (II) и аммиачным раствором оксида серебра (реакция серебряного зеркала):

CH₂OH-(CHOH)₄-CH=O + 2Cu(OH)₂ → CH₂OH-(CHOH)₄-COOH + Cu₂O↓ + 2H₂O;
CH₂OH-(CHOH)₄-CH=O + 2[Ag(NH₃)₂]OH → CH₂OH-(CHOH)₄-COONH₄ + 2Ag↓ +3NH₃ + H₂O.

Рис. 3. Реакция серебряного зеркала.

Что мы узнали?

Из темы химии 10 класса узнали об углеводах. Это биоорганические соединения, состоящие из одной или нескольких структурных единиц. Одна единица или молекула состоит из карбонильных и гидроксильных групп. Различают моносахариды, состоящие из одной молекулы, олигосахариды, включающие 2-10 молекул, и полисахариды – длинные цепочки из множества моносахаридов. Углеводы сладкие на вкус и хорошо растворимы в воде (исключение – полисахариды). Моносахариды растворяются в воде, окисляются, взаимодействуют с гидроксидом меди и аммиачным оксидом серебра. Полисахариды и олигосахариды подвергаются гидролизу. Полисахариды горят.

Углеводы (сахара) — органические вещества, состав которых выражается формулой C_x(H₂O)_y, где x и y > 3.

Углеводы по массе составляют основную часть органического вещества на Земле (до 80% растительной биомассы). Образуются в зеленых листьях растений в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды. Фотосинтез можно рассматривать как процесс превращения солнечной энергии в энергию химических связей при восстановлении СО₂ до углеводов. Эта энергия освобождается в животных организмах в результате метаболизма углеводов, который заключается, с химической точки зрения, в их окислении.

Углеводы делятся на простые — моносахариды (монозы) и сложные — дисахариды (биозы) и полисахариды (гликаны).

Сложные углеводы гидролизуются до моносахаридов.

НЕКОТОРЫЕ ВАЖНЕЙШИЕ УГЛЕВОДЫ

Моносахариды – гетерофункциональные соединения, в состав их молекул входит одна карбонильная и несколько гидроксильных групп.

В природе наиболее распространены моносахариды, в молекулах которых содержится пять (пентозы) или шесть (гексозы) углеродных атомов. В зависимости от принадлежности моноз к альдегидоспиртам или кето-спиртам различают альдозы и кетозы. Так, рибоза является альдопентозой, глюкоза – альдогексозой, а фруктоза – кетогексозой.

Все природные углеводы относятся к D-ряду – правовращающие оптические изомеры.

В результате взаимодействия карбонильной группы с одной из гидроксильных моносахариды могут существовать в двух таутомерных формах: линейной (оксо-форме) и циклической (полуацетальной). В кристаллическом состоянии моносахариды существуют в циклической форме, в растворах циклическая и линейная (открытая) формы находятся в равновесии друг с другом. Так, соотношение линейной и циклической форм для глюкозы 36% и 64% соответственно. При этом в зависимости от расположения полуацетального гидроксила С 1 -ОН в циклической форме углевода различают - и -пространственные изомеры.

Циклизация моносахарида может сопровождаться как образованием шестичленного (пиранозного), так и пятичленного (фуранозного) цикла.

Практически все углеводы обладают оптической активностью, т.е. имеют один, два или более асимметрических атома углерода. Моносахариды относят к D- (правовращающие) или L- (левовращающие) ряду по характеру расположения наиболее удаленного от карбонильной группы фрагмента

Н-С-ОН в линейной форме углевода (справа и слева, соответственно) или же по расположению СН₂ОН- групп в циклической форме (сверху или снизу, соответственно).

Обусловлены наличием в молекуле функциональных групп двух видов. Например, глюкоза как многоатомный спирт образует простые и сложные эфиры, комплексное соединение с гидроксидом меди (II), как альдегид она окисляется аммиачным раствором оксида серебра в глюконовую кислоту и восстанавливается водородом в шестиатомный спирт — сорбит. В циклической форме глюкоза способна к нуклеофильному замещению полуацетального гидроксила на группу -OR (образование гликозидов, олиго- и полисахаридов). Практическое значение имеет реакция брожения — расщепление глюкозы под действием различных микроорганизмов:

а) спиртовое брожение

б) молочнокислое брожение

Аналогично ведут себя в химических реакциях и другие моносахариды.

Дисахариды — это углеводы, молекулы которых состоят из двух остатков моносахаридов, соединенных друг с другом за счет взаимодействия гидроксильных групп. При взаимодействии двух полуацетальных ОН-групп

(1-2 или 1-4 взаимодействие) образуютсяневосстанавливающие дисахариды. Они не дают в растворе реакцию серебряного зеркала, т.к. не способны образовывать открытую (линейную) форму. Например, молекула сахарозы состоит из остатков глюкозы и фруктозы, соединенных друг с другом за счет взаимодействия полуацетальных гидроксилов:

ри взаимодействии полу-ацетальной и любой гидроксильной групп (чаще – 1,4  -дисахариды) образуются восстанавливающие дисахариды, например, мальтоза:

молекулах таких дисахаридов имеется свободный полуацетальный гидроксил, поэтому в водных растворах существует равновесие между открытой и циклической формами молекул.

Для дисахаридов характерна реакция гидролиза, в результате которой образуются две молекулы моносахаридов:

₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O  2C₆H₁₂O₆

Полисахариды — это углеводы, макромолекулы которых состоят из фрагментов моносахаридов. Из фрагментов одного моносахарида состоят гомополисахариды (гомогликаны), из фрагментов разных моносахаридов – гетерополисахариды (гетерогликаны).

Крахмалом называется смесь двух полисахаридов, построенных из остатков -глюкозы в циклической форме.

В его состав входят:

амилоза (внутренняя часть крахмального зерна) — 10-20%

амилопектин (оболочка крахмального зерна) — 80-90%

Цепь амилозы включает 200 — 1000 остатков -глюкозы (средняя молекулярная масса 160000) и имеет неразветвленное строение:

Макромолекула амилозы представляет собой спираль, каждый виток которой состоит из 6 звеньев -глюкозы.

При взаимодействии амилозы с йодом в водном растворе молекулы йода встраиваются во внутренний канал спирали, образуя так называемое соединение включения, или клатрат. Соединение амилозы и йода имеет характерный синий цвет. Данная реакция используется в аналитических целях для обнаружения как крахмала, так и йода (йодкрахмальная проба).

Амилопектин состоит из разветвленных макромолекул, молекулярная масса которых около 1 — 6 млн.

Подобно амилопектину построен гликоген (животный крахмал).

Целлюлоза (клетчатка) обладает большой механической прочностью и играет роль опорного материала растений, образуя стенку растительных клеток. Используется в производстве волокон, бумаги, взрывчатых веществ. В большом количестве целлюлоза содержится в древесине (≈50%) и хлопке (около 100%).

Цепи целлюлозы построены из остатков -глюкозы и имеют линейное строение.

Молекулярная масса целлюлозы — от 400 000 до 2 млн.

Звенья -глюкозы придают жесткость молекулам полимера за счет внутри- и межмолекулярных водородных связей. Поэтому целлюлоза имеет волокнистую структуру и нерастворима в воде.

Петров А. А., Бальян X. В., Трощенко А. Т. Органическая химия: Учебник для вузов / Под ред. Петрова А. А. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. школа, 1981.

Грандберг И.И. Органическая химия: Учеб. для студ. вузов, обучающихся по агроном, спец. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Дрофа, 2001. —672 с

Шабаров Ю.С. Органическая химия. М.: «Химия». 2000. Изд. 3. 848 с.

Нейланд О.Я. Органическая химия. М.: «Высшая школа». 1990,751с.

Несмеянов А.Н., Несмеянов Н.А. Начала органической химии. М.: «Химия». 1974.Изд. 2. Кн. 1. 624 с. и Кн. 2. 744 с.

Березин Б.Д., Березин Д.Б. Курс современной органической химии. М.: «Высшая школа». 2003. 768 с.

Моррисон Р., Бойд Р. Органическая химия. М.: «Мир». 1974, 1132с.

Днепровский А.С., Темникова Т.И. Теоретические основы органической химии. М: «Химия». 1979. 520с.

Гнедин Б.Г., Петрова Р.А., Голубчиков О.А. Синтезы органических соединений. Учебн. пособие для химических вузов / под ред. О.А. Голубчикова – Изд. 3, испр. СПб: НИИ химии СПбГУ, 2002. – 178 с.

Д.Б. Березин, О.В. Шухто Строение и свойства углеводородов: метод. указания по органической химии для студентов заочного отделения Иван. гос. хим.-технол. ун-т. Иваново, 2008 — 79 с.

Углеводы (по-другому — сахариды) — широкий класс органических природных соединений.

Название термина происходит от слияния слов «уголь» и «вода». Причина этого кроется в том, что первые известные науке углеводы подчинялись химической формуле C_x(H₂O)_y, фактически представляли собой соединение воды и углерода. С химической точки зрения, углеводы являются веществами органическими, состоящие из неразветвленных цепей атомов углерода, пару гидроксильных групп и карбонильную группу.

В бодибилдинге углеводы — это основной поставщик наиболее доступной энергии. Являясь основным источником быстродоступной энергии, углеводы, присутствующие в организме человека, составляют всего 2% от общего числа энергетических запасов. Притом, что 80% энергетических запасов содержится в клетках жира, и оставшиеся 18% — в скелетных мышцах. Учитывая тот факт, что каждый грамм углеводов способен накапливаться в организме вместе с 4-мя граммами воды, когда для отложения жира ее не требуется, организму легче накапливать именно жиры, и он их использует в качестве основного резервного источника энергии.

Значение углеводов с точки зрения биологии

Главная функция углеводов — структурная, то есть они принимают участие в построении всех клеточных структур (скажем, для клеточных станок растений).
У растений выполняют защитную роль (в основе защитных образований растений лежат углеводы (в шипах, колючках и т.д.).
Углеводы одновременно выполняют пластическую функцию: сохраняются в качестве запасов питательных веществ, а также играют важную роль в составе сложных молекул (пентоза, как пример), участвуют в построении ДНК, АТФ, РНК.
Углеводы — это основной источник энергии. В процессе окисления из 1 г углеводов, выделяется около 0,4 г воды и 4,1 ккал энергии.
Углеводы принимают активное участие в обеспечении осморегуляции и осмотического давления. В крови содержится порядка 100 мг глюкозы, а от ее концентрации зависит давление кровяного потока.
Кроме того, углеводы выполняют рецептурную функцию — большинство олигосахаридов входит в состав воспринимающих частей клеточных рецепторов.

Виды углеводов

Простые или быстрые углеводы (иначе — сахара: моно- и дисахариды)
Медленные или сложные углеводы (олиго- и полисахариды)
Волокнистые, или неусваиваемые, углеводы, определяющиеся как пищевая клетчатка.

Существует два типа сахаров — это моно- и дисахариды. Моносахариды называются так в виду того, что содержат 1 сахарную группу (например, глюкоза, галактоза или фруктоза). Дисахариды же образуются благодаря остаткам двух моносахаридов. Последние сахара представляются, чаще всего, лактозой, сахарозой (обычным столовым сахаром) и т.д.

Сложные углеводы

Полисахариды — это углеводы, которые содержат три и более молекул обычных углеродов. В качестве примера таких углеводов можно назвать декстрины, гликогены, крахмалы и целлюлозы. Источники полисахаридов — бобовые, крупы, овощи (в частности, картофель) и др.

Метаболизм (обмен) углеводов

Метаболизм углеводов представляется 3-мя типами процессов:

Гликолизом (расщепление глюкозы и прочих сахаров с выделением жизненно важной энергии для организма живых существ);
Гликогенезом (синтез гликогена из глюкозы);
А также гликонеогенезом (образование гликогена из протеина и жирных кислот).

Метаболизм углеводов, в первую очередь, определяется уровнем содержания глюкозы в крови, иначе это называется наличием углеводов в кровотоке. Этот процесс зависит также от питательного состава и времени последнего приема пищи. Содержание в крови сахара минимально по утрам после стандартного восьмичасового сна, в течение которого организм никаким образом не мог восполнить запас глюкозы. Самостоятельная подпитка организма человека энергией в голодном состоянии на 75% осуществляется благодаря гликолизу и на 25% — гликонеогенезу. После просыпания тело человека находится в идеальном состоянии для использования запасенных жиров в качестве источника энергии. Поэтому старый добрый бабушкин совет с утра пораньше совершать конные прогулки натощак имеет истинную ценность.

Утро — лучшее время для активизации и естественной выработки организмом катаболических гормонов. Высокая степень ночной концентрации соматропных гормонов снижается к утру, и уже в 9 утра катаболический гормон кортизол достигает наиболее высокой суточной концентрации.

Инсулин и углеводы

Инсулин — это гормон, который вырабатывает поджелудочная железа. Выбросы гормона инсулина вызываются повышением в крови человека аминокислот и глюкозы. Инсулин способен поддерживать метаболизм сахара, промежуточный метаболизм протеина и жиров. Кроме того, именно этот гормон способствует снижению содержания сахара в крови, а также попаданию и транспортировке аминокислот и глюкозы в различные ткани организма, в частности, в клетки мышц.

Углеводы и бодибилдинг

У взрослого здорового человека ускоренное формирование запасов углеводов в форме внутримышечного гликогена, которые поступают в организм, наблюдается в период от 4 до 6 часов после пробуждения утром. В поздние часы способность организма копить углеводы и вырабатывать из них энергию постепенно уменьшается. А потому культуристам рекомендуется потреблять большое количество углеводов в первой половине дня, а в последующие часы увеличивать потребление белков.

Суточный рацион бодибилдера должен содержать большое количество углеводов. В фитнесе и бодибилдинге рекомендуется преобладание в рационе углеводов до 50% от всех прочих питательных веществ. С правильным построением потребления углеводов используется понятие гликемического индекса. Чем выше этот показатель для определенного продукта, тем больше наблюдается выброс инсулина, и, соответственно, быстрейшее снижение содержания сахара в крови. Подобного рода массивный выброс инсулина с падением глюкозы в крови известен в медицине как «спайк глюкозы/сахара в крови». Кстати, продукты, содержащие высокий гликемический индекс, быстро усваиваются, а потому и с легкостью переводятся в жир в организме человека.

Углеводы. Классификация. Функции

Углеводы. Классификация. Функции

Углеводами — называют органические соединения, состоящие из углерода (C), водорода (H) и кислорода(O2). Общая формула таких углеводов Cn(H2O)m. Примером может служить глюкоза (С6Н12О6)

С точки зрения химии углеводы являются органическими веществами, содержащими неразветвленную цепь из нескольких атомов углерода, карбонильную группу (C=O), а также несколько гидроксильных групп(OH).

В организме человека углеводы производятся в незначительном количестве, поэтому основное их количество поступает в организм с продуктами питания.

Виды углеводов.

Углеводы бывают:

1) Моносахариды( самые простые формы углеводов )

— глюкоза С6Н12О6 ( основное топливо в нашем организме )

— фруктоза С6Н12О6 ( самый сладкий углевод )

— рибоза С5Н10О5 ( входит в состав нуклеиновых кислот )

— эритроза С4H8O4 ( промежуточная форма при расщеплении углеводов )

2) Олигосахариды ( содержат от 2 до 10 остатков моносахаридов )

— сахароза С12Н22О11 ( глюкоза + фруктоза, или в просто – тростниковый сахар)

— лактоза C12H22O11 (молочный сахар )

— мальтоза C12H24O12 ( солодовый сахар, состоит из двух связанных остатков глюкозы )

3) Сложные углеводы ( состоящие из множества остатков глюкозы )

— крахмал (С6H10O5)n ( наиболее важный углеводный компонент пищевого рациона, человек потребляет из углеводов около 80% крахмала. )

— гликоген ( энергетические резервы организма, излишки глюкозы, при поступлении в кровь, откладываются про запас организмом в виде гликогена )

4) Волокнистые, или неусваеваемые, углеводы, определяющиеся как пищевая клетчатка.

— Целлюлоза ( самое распостраненное органическое вещество на земле и вид клетчатки )

По простой классификации углеводы можно разделить на простые и сложные. В простые входят моносахариды и олигосахариды, в сложные полисахариды и клетчатка.

Основные функции.

Энергетическая.

Углеводы являются основным энергетическим материалом. При распаде углеводов высвобождаемая энергия рассеивается в виде тепла или накапливается в молекулах АТФ. Углеводы обеспечивают около 50 – 60 % суточного энергопотребления организма, а при мышечной деятельности на выносливость — до 70 %. При окислении 1 г углеводов выделяется 17 кДж энергии (4,1 ккал). В качестве основного энергетического источника в организме используется свободная глюкоза или запасенные углеводы в виде гликогена. Является основным энергетическим субстратом мозга.

Пластическая.

Углеводы (рибоза, дезоксирибоза) используются для построения АТФ, АДФ и других нуклеотидов, а также нуклеиновых кислот. Они входят в состав некоторых ферментов. Отдельные углеводы являются структурными компонентами клеточных мембран. Продукты превращения глюкозы (глюкуроновая кислота, глюкозамин и др.) входят в состав полисахаридов и сложных белков хрящевой и других тканей.

Запас питательных веществ.

Углеводы накапливаются (запасаются) в скелетных мышцах, печени и других тканях в виде гликогена. Систематическая мышечная деятельность приводит к увеличению запасов гликогена, что повышает энергетические возможности организма.

Специфическая.

Отдельные углеводы участвуют в обеспечении специфичности групп крови, исполняют роль антикоагулянтов (вызывающие свертывание), являясь рецепторами цепочки гормонов или фармакологических веществ, оказывая противоопухолевое действие.

Защитная.

Сложные углеводы входят в состав компонентов иммунной системы; мукополисахариды находятся в слизистых веществах, которые покрывают поверхность сосудов носа, бронхов, пищеварительного тракта, мочеполовых путей и защищают от проникновения бактерий и вирусов, а также от механических повреждений.

Клетчатка пищи не поддается процессу расщепления в кишечнике, однако активирует перистальтику кишечного тракта, ферменты, использующиеся в пищеварительном тракте, улучшая пищеварение и усвоение питательных веществ.

Химические свойства

Моносахариды проявляют свойства спиртов и карбонильных соединений.

Окисление.

a) Как и у всех альдегидов, окисление моносахаридов приводит к соответствующим кислотам. Так, при окислении глюкозы аммиачным раствором гидрата окиси серебра образуется глюконовая кислота (реакция «серебряного зеркала»).

b) Реакция моносахаридов с гидроксидом меди при нагревании так же приводит к альдоновым кислотам.

c) Более сильные окислительные средства окисляют в карбоксильную группу не только альдегидную, но и первичную спиртовую группы, приводя к двухосновным сахарным (альдаровым) кислотам. Обычно для такого окисления используют концентрированную азотную кислоту.

Восстановление.

Восстановление сахаров приводит к многоатомным спиртам. В качестве восстановителя используют водород в присутствии никеля, алюмогидрид лития и др.

III. Специфические реакции

Кроме приведенных выше, глюкоза характеризуется и некоторыми специфическими свойствами — процессами брожения. Брожением называется расщепление молекул сахаров под воздействием ферментов (энзимов). Брожению подвергаются сахара с числом углеродных атомов, кратным трем. Существует много видов брожения, среди которых наиболее известны следующие:

a) спиртовое брожение

b) молочнокислое брожение

c) маслянокислое брожение

Упомянутые виды брожения, вызываемые микроорганизмами, имеют широкое практическое значение. Например, спиртовое – для получения этилового спирта, в виноделии, пивоварении и т.д., а молочнокислое – для получения молочной кислоты и кисломолочных продуктов.

3. Стереоизомерия моносахаридов D- и L-ряды. Открытые и циклические формулы. Пиранозы и фуранозы. α- и β-аномеры. Циклоцепная таутомерия. Явление муторотации.

Способность ряда органических соединений вращать плоскость поляризации поляризованного света вправо или влево называют оптической активностью. Исходя из сказанного выше, следует, что органические вещества могут существовать в виде правовращающих и левовращающих изомеров. Такие изомеры получили название стереоизомеров, а само явление стереоизомерии.

В основе более строгой системы классификации и обозначения стереоизомеров лежит не вращение плоскости поляризации света, а абсолютная конфигурация молекулы стереоизомера, т.е. взаимное расположение четырех обязательно разных замещающих групп, находящихся в вершинах тетраэдра, вокруг локализованного в центре атома углерода, который получил название асимметрического атома углерода или хирального центра. Хиральные или, как их еще называют, оптически активные атомы углерода обозначают в структурных формулах звездочками

Таким образом, под термином стереоизомерия следует понимать различную пространственную конфигурацию заместителей у соединений, имеющих одну и ту же структурную формулу и обладающих одинаковыми химическими свойствами. Такой вид изомерии называют также зеркальной изомерией. Наглядным примером зеркальной изомерии могут служить правая и левая ладони руки. Ниже приведены структурные формулы стереоизомеров глицеринового альдегида и глюкозы.

Если у асимметрического атома углерода в проекционной формуле глицеринового альдегида ОН-группа располагается справа, такой изомер называют D-стереоизомером, а если ОН-группа расположена слева –L-стереоизомером.

В случае тетроз, пентоз, гексоз и других моноз, которые обладают двумя и более асимметрическими атомами углерода, принадлежность стереоизомера к D- или L-ряду определяют по расположению ОН-группы у предпоследнего атома углерода в цепи – он же является последним асимметрическим атомом. Например, для глюкозы оценивают ориентацию ОН-группы у 5-ого атома углерода. Абсолютно зеркальные стереоизомеры называют энантиомерами или антиподами.

Стереоизомеры не отличаются по своим химическим свойствам, но отличаются по биологическому действию (биологической активности). Большая часть моносахаридов в организме млекопитающих относится к D-ряду – именно к этой конфигурации специфичны ферменты, ответственные за их метаболизм. В частности D-глюкоза воспринимается как сладкое вещество, благодаря способности взаимодействовать с вкусовыми рецепторами языка, в то время как L-глюкоза безвкусна, поскольку ее конфигурация не воспринимается вкусовыми рецепторами.

В общем виде строение альдоз и кетоз можно представить следующим образом.

Стереоизомерия. Молекулы моносахаридов содержат несколько центров хиральности, что служит причиной существования многих стереоизомеров, отвечающих одной и той же структурной формуле. Например, в альдогексозе имеются четыре асимметрических атома углерода и ей соответствуют 16 стереоизомеров (24), т. е. 8 пар энантиомеров. По сравнению с соответствующими альдозами кетогексозы содержат на один хиральный атом углерода меньше, поэтому число стереоизомеров (23) уменьшается до 8 (4 пары энантиомеров).

Открытые (нециклические) формы моносахаридов изображают в виде проекционных формул Фишера. Углеродную цепь в них записывают вертикально. У альдоз наверху помещают альдегидную группу, у кетоз — соседнюю с карбонильной первичную спиртовую группу. С этих групп начинают нумерацию цепи.

Для обозначения стереохимии используется D,L-система. Отнесение моносахарида к D- или L-ряду проводят по конфигурации хирального центра, наиболее удаленного от оксогруппы, независимо от конфигурации остальных центров! Для пентоз таким «определяющим» центром является атом С-4, а для гексоз — С-5. Положение группы ОН у последнего центра хиральности справа свидетельствует о принадлежности моносахарида к D-ряду, слева — к L-ряду, т. е. по аналогии со стереохимическим стандартом — глицериновым альдегидом

Циклические формы. Открытые формы моносахаридов удобны для рассмотрения пространственных отношений между стереоизомерными моносахаридами. В действительности моносахариды по строению являются циклическими полуацеталями. Образование циклических форм моносахаридов можно представить как результат внутримолекулярного взаимодействия карбонильной и гидроксильной групп, содержащихся в молекуле моносахарида.

Впервые циклическую полуацетальную формулу глюкозы предложил А. А. Колли (1870). Он объяснил отсутствие некоторых альдегидных реакций у глюкозы наличием трехчленного этиленоксидного (α-окисного) цикла:

Позже Толленс (1883) предложил аналогичную полуацетальную формулу глюкозы, но с пятичленным (γ-окисным) бутиленоксидным кольцом:

Формулы Колли — Толленса громоздки и неудобны, не отражают строения циклической глюкозы, поэтому были предложены формулы Хеуорса.

В результате циклизации образуются термодинамически более устойчивые фуранозные (пятичленные)и пиранозные (шестичленные) циклы. Названия циклов происходят от названий родственных гетероциклических соединений — фурана и пирана.

Образование этих циклов связано со способностью углеродных цепей моносахаридов принимать достаточно выгодную клешневидную конформацию. Вследствие этого в пространстве оказываются сближенными альдегидная (или кетонная) и гидроксильная при С-4 (или при С-5) группы, т. е. те функциональные группы, в результате взаимодействия которых осуществляется внутримолекулярная циклизация.

В циклической форме создается дополнительный центр хиральности — атом углерода, ранее входивший в состав карбонильной группы (у альдоз это С-1). Этот атом называют аномерным, а два соответствующих стереоизомера — α- и β-аномерами (рис. 11.1). Аномеры представляют собой частный случай эпимеров.

У α-аномера конфигурация аномерного центра одинакова с конфигурацией «концевого» хирального центра, определяющего принадлежность к d- или l-ряду, а у β-аномера — противоположна. В проекционных формулах Фишера у моносахаридов d-ряда в α-аномере гликозидная группа ОН находится справа, а в β-аномере — слева от углеродной цепи.

Рис. 11.1. Образование α- и β-аномеров на примере d-глюкозы

Формулы Хеуорса. Циклические формы моносахаридов изображают в виде перспективных формул Хеуорса, в которых циклы показывают в виде плоских многоугольников, лежащих перпендикулярно плоскости рисунка. Атом кислорода располагают в пиранозном цикле в дальнем правом углу, в фуранозном — за плоскостью цикла. Символы атомов углерода в циклах не указывают.

Для перехода к формулам Хеуорса циклическую формулу Фишера преобразуют так, чтобы атом кислорода цикла располагался на одной прямой с атомами углерода, входящими в цикл. Это показано ниже на примере a-d-глюкопиранозы путем двух перестановок у атома С-5, что не изменяет конфигурацию этого асимметрического центра (см. 7.1.2). Если преобразованную формулу Фишера расположить горизонтально, как требуют правила написания формул Хеуорса, то заместители, находившиеся справа от вертикальной линии углеродной цепи, окажутся под плоскостью цикла, а те, что были слева, — над этой плоскостью.

У d-альдогексоз в пиранозной форме (и у d-альдопентоз в фуранозной форме) группа СН2ОН всегда располагается над плоскостью цикла, что служит формальным признаком d-ряда. Гликозидная гидроксильная группа у a-аномеров d-альдоз оказывается под плоскостью цикла, у β-аномеров — над плоскостью.

D-ГЛЮКОПИРАНОЗА

По аналогичным правилам осуществляется переход и у кетоз, что показано ниже на примере одного из аномеров фуранозной формы d-фруктозы.

Циклоцепная таутомерияобусловлена переходом открытых форм моносахаридов в циклические и наоборот.

Изменение во времени угла вращения плоскости поляризации света растворами углеводов называют мутаротацией.

Химическая сущность мутаротации состоит в способности моносахаридов к существованию в виде равновесной смеси таутомеров — открытой и циклических форм. Такой вид таутомерии называется цикло-оксо-таутомерией.

В растворах равновесие между четырьмя циклическими таутомерами моносахаридов устанавливается через открытую форму — оксоформу. Взаимопревращение a- и β-аномеров друг в друга через про- межуточную оксоформу называется аномеризацией.

Таким образом, в растворе d-глюкоза существует в виде таутомеров: оксоформы и a- и β-аномеров пиранозных и фуранозных циклических форм.

ЛАКТИМ-ЛАКТАМНАЯ ТАУТОМЕРИЯ

Этот вид таутомерии характерен для азотсодержащих гетероциклов с фрагментом N=C—ОН.

Взаимопревращение таутомерных форм связано с переносом протона от гидроксильной группы, напоминающей фенольную ОН-группу, к основному центру — пиридиновому атому азота и наоборот. Обычно лактамная форма в равновесии преобладает.

Моноаминомонокарбоновые.

По полярности радикала:

С неполярным радикалом:(Аланин,валин, лейцин, фенилаланин)Моноамино,монокарбоновые

С полярным незаряженным радикалом(Глицин, серин, аспарагин, глутамин)

С отрицательно заряженным радикалом(Аспарагиновая,глутаминовая кислота)моноамино,дикарбоновые

С положительно заряженным радикалом(лизин,гистидин) диамино,монокарбоновые

Стереоизомерия

Все природные α-аминокислоты, кроме глицина (NH₂ -CH₂ — COOH), имеют асимметрический атом углерода (α-углеродный атом), а некоторые из них даже два хиральных центра, например, треонин. Таким образом, все аминокислоты могут существовать в виде пары несовместимых зеркальных антиподов (энантиомеров).

За исходное соединение, с которым принято сравнивать строение α-аминокислот, условно принимают D- и L-молочные кислоты, конфигурации которых, в свою очередь, установлены по D- и L-глицериновым альдегидам.

Все превращения, которые осуществляются в этих рядах при переходе от глицеринового альдегида к α-аминокислоте, выполняются в соответствии с главным требованием − они не создают новых и не разрывают старых связей у асимметрического центра.

Для определения конфигурации α-аминокислоты в качестве эталона часто используют серин (иногда аланин).

Природные аминокислоты, входящие в состав белков, относятся к L-ряду. D-формы аминокислот встречаются сравнительно редко, они синтезируются только микроорганизмами и называются «неприродными» аминокислотами. Животными организмами D-аминокислоты не усваиваются. Интересно отметить действие D- и L-аминокислот на вкусовые рецепторы: большинство аминокислот L-ряда имеют сладкий вкус, а аминокислоты D-ряда − горькие или безвкусные.

Без участия ферментов самопроизвольный переход L-изомеров в D-изомеры с образованием эквимолярной смеси (рацемическая смесь) осуществляется в течение достаточно длительного промежутка времени.

Рацемизация каждой L-кислоты при данной температуре идет с определенной скоростью. Это обстоятельство можно использовать для установления возраста людей и животных. Так, например, в твердой эмали зубов имеется белок дентин, в котором L-аспартат переходит в D-изомер при температуре тела человека со скоростью 0,01% в год. В период формирования зубов в дентине содержится только L-изомер, поэтому по содержанию D-аспартата можно рассчитать возраст человека или животного.

I. Общие свойства

1. Внутримолекулярная нейтрализация → образуется биполярный цвиттер-ион:

Водные растворы электропроводны. Эти свойства объясняются тем, что молекулы аминокислот существуют в виде внутренних солей, которые образуются за счет переноса протона от карбоксила к аминогруппе:

Водные растворы аминокислот имеют нейтральную, кислую или щелочную среду в зависимости от количества функциональных групп.

2. Поликонденсация→ образуются полипептиды (белки):

При взаимодействии двух α-аминокислот образуется дипептид.

3. Разложение → Амин + Углекислый газ:

IV. Качественная реакция

1. Все аминокислоты окисляются нингидрином с образованием продуктов сине-фиолетового цвета!

2. С ионами тяжелых металлов α-аминокислоты образуют внутрикомплексные соли. Комплексы меди (II), имеющие глубокую синюю окраску, используются для обнаружения α-аминокислот.

Физиологические активные пептиды. Примеры.

Пептиды, обладая высокой физиологической активностью, регулируют различные биологические процессы. По биорегуляторному действию пептиды принято делить на несколько групп:

· соединения, обладающие гормональной активностью (глюкагон, окситоцин, вазопрессин и др.);

· вещества, регулирующие пищеварительные процессы (гастрин, желудочный ингибирующий пептид и др.);

· пептиды, регулирующие аппетит (эндорфины, нейропептид-Y, лептин и др.);

· соединения, обладающие обезболивающим эффектом (опиоидные пептиды);

· органические вещества, регулирующие высшую нервную деятельность, биохимические процессы, связанные с механизмами памяти, обучения, возникновением чувства страха, ярости и др.;

· пептиды, которые регулируют артериальное давление и тонус сосудов (ангиотензин II, брадикинин и др.).

· пептиды, которые обладают противоопухолевым и противовоспалительным свойствами (Луназин)

· Нейропептиды — соединения, синтезируемые в нейронах, обладающие сигнальными свойствами

Классификация белков

—по форме молекул (глобулярные или фибриллярные);

—по молекулярной массе (низкомолекулярные, высокомолекулярные и др.);

—по химическому строению (наличие или отсутствие небелковой части);

—по локализации в клетке (ядерные, цито-плазматические, лизосомальные и др.);

—по локализации в организме (белки крови, печени, сердца и др.);

—по возможности адаптивно регулировать количество данных белков: белки, синтезирующиеся с постоянной скоростью (конститутивные), и белки, синтез которых может усиливаться при воздействии факторов среды (индуцибельные);

—по продолжительности жизни в клетке (от очень быстро обновляющихся белков, с Т_1/2 менее 1 ч, до очень медленно обновляющихся белков, Т_1/2 которых исчисляют неделями и месяцами);

—по схожим участкам первичной структуры и родственным функциям (семейства белков).

Классификация белков по химическому строению

Простые белки.Некоторые белки содержат в своём составе только полипептидные цепи, состоящие из аминокислотных остатков. Их называют «простые белки». Примером простых белков — гистоны; в их составе содержится много аминокислотных остатков лизина и аргинина, радикалы которых имеют положительный заряд.

2. Сложные белки.Очень многие белки, кроме полипептидных цепей, содержат в своём составе небелковую часть, присоединённую к белку слабыми или ковалентными связями. Небелковая часть может быть представлена ионами металлов, какими-либо органическими молекулами с низкой или высокой молекулярной массой. Такие белки называют «сложные белки». Прочно связанная с белком небелковая часть носит название простетической группы.

У биополимеров, макромолекулы которых состоят из полярных и неполярных групп, сольватируются полярные группы, если растворитель полярен. В неполярном растворителе, соответственно, сольватируются неполярные участки макромолекул.

Обычно он хорошо набухает в жидкости, близкой к нему по химическому строению. Так, углеводородные полимеры типа каучуков набухают в неполярных жидкостях: гексане, бензоле. Биополимеры, в состав молекул которых входит большое количество полярных функциональных групп, например, белки, полисахариды, лучше набухают в полярных растворителях: воде, спиртах и т.д.

Образование сольватной оболочки молекулы полимера сопровождается выделением энергии, которая называется теплотой набухания.

Теплота набуханиязависит от природы веществ. Она максимальна при набухании в полярном растворителе ВМС, содержащего большое количество полярных групп и минимальна при набухании в неполярном растворителе углеводородного полимера.

Кислотность среды, при которой устанавливается равенство положительных и отрицательных зарядов и белок становится электронейтральным, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ).Белки, у которых ИЭТ находится в кислой среде, называются кислыми. Белки, у которых значение ИЭТ находится в щелочной среде, называются основными. У большинства растительных белков ИЭТ находится в слабокислой среде

. Набухание и растворение ВМС зависят от:
1. природы растворителя и полимера,
2. строения макромолекул полимера,
3. температуры,
4. присутствия электролитов,
5. от рН среды (для полиэлектролитов).

Роль 2,3-дифосфоглицерата

2,3-Дифосфоглицерат образуется в эритроцитах из 1,3-дифосфоглицерата, промежуточного метаболита гликолиза, в реакциях, получивших название шунт Раппопорта.

Реакции шунта Раппопорта

2,3-Дифосфоглицерат располагается в центральной полости тетрамера дезоксигемоглобина и связывается с β-цепями, образуя поперечный солевой мостик между атомами кислорода 2,3-дифосфоглицерата и аминогруппами концевого валина обеих β-цепей, также аминогруппами радикалов лизина и гистидина.

Расположение 2,3-дифосфоглицерата в гемоглобине

Функция 2,3-дифосфоглицерата заключается в снижении сродства гемоглобина к кислороду. Это имеет особенное значение при подъеме на высоту, при нехватке кислорода во вдыхаемом воздухе. В этих условиях связывание кислорода с гемоглобином в легких не нарушается, так как концентрация его относительно высока. Однако в тканях за счет 2,3-дифосфоглицерата отдача кислорода возрастает в 2 раза.