Углеводы

Общие понятия

Углеводы — это органические соединения, состоящие из кислорода, углерода и водорода, содержащие альдегидные/кетонные и гидроксильные группы. Общая формула углеводородов — Cn(H2O)m (кроме дезоксирибозы).

Классификация

1. Углеводы могут существовать в двух формах: в линейной (ациклической) и циклической (когда линейная молекула замыкается в гетероцикл с участием кислородного атома). Есть углеводы, способные существовать лишь в одной форме (как правило, углеводы с длинной цепью склонны к замыканию, а короткие, наоборот, существуют в линейной форме). Типичный пример — глюкоза, циклизующаяся в растворе:
   В общем случае, если углевод имеет циклическую структуру, то его изображают “сбоку” для упрощения восприятия сложной структуры.
2. по растворимости в воде
   • нерастворимые (к этой категории относятся все полисахариды: крахмал, целлюлоза, хитин и пр.)
   • растворимые (все моно- и дисахариды, например, глюкоза и сахароза)
3. по числу звеньев
   • — моносахариды —  моноциклические соединения
   • 
   • — дисахариды — состоят из остатков двух одинаковых или разных моносахаридов, соединённых определённым образом
   • 
   • — полисахариды — полимерные соединения, состоящие из большого количества остатков моносахаридов
   • 
     
4. по числу атомов углерода в структурном звене
   • триозы
   • 
     
     
   • тетрозы
     Эритроза
   • пентозы (рибоза и дезоксирибоза)
     
   • гексозы (глюкоза)
     и т.д.
5. по конфигурации (энантиомеры — зеркальные отражения). Хиральный атом углерода — sp3-гибридизованный с тремя заместителями
   L-ряд
   D-ряд
   Отличие в том, что у D-ряда предпоследний в цепи гидроксил расположен справа (на формуле Фишера), а у L-ряда — слева. Природные углеводы, как правило, относятся к D-типу.
   
   
6. по химическим свойствам 
   • восстанавливающие (альдегидные свойства, связь с участием спиртового кислорода) Примеры: мальтоза, лактоза, глюкоза
   • невосстанавливающие (не участвуют в ОВР, связь между звеньями осуществлена без участия спиртового кислорода). Примеры: сахароза, полисахариды
   • негидролизующиеся — все моносахариды. Не способны подвергаться процессу гидролиза — распаду на составные звенья (т.к. образованы единственным структурным звеном)
   • гидролизующиеся — ди- и полисахариды — способны в определённых условиях разлагаться на моносахариды.

Типичные примеры (со структурными формулами)

• глюкоза: существует в двух формах (см. выше)
• рибо-и дезоксирибоза
• лактоза
• сахароза
• галактоза (пространственный изомер глюкозы)
  • крахмал и целлюлоза (различие в том, тто крахмал состоит из звеньев альфа-, а целлюлоза из бета-глюкозы, также молекулы крахмала разветвлены)

Физические свойства

• Моно- и дисахариды растворимы в воде, имеют сладкий вкус, низкую температуру плавления
• Полисахариды в большинстве своём нерастворимы, безвкусны

Методы получения

• фотосинтез — происходит в зелёных клетках растений при помощи хлорофилла: CO2 + H2O = C6H12O6
• кислотный гидролиз полисахаридов (например, нагревание крахмала в растворе серной кислоты) — высокомолекулярное соединение разлагается на мономеры
• синтез Бутлерова из формальдегида в присутствии солей кальция n(HCOH) = (CH2O)n
  неудобен из-за низкой селективности, так трудно получить необходимый компонент — в ходе реакции можно получить лишь трудноразделимую смесь веществ
• ферментативный гидролиз — под действием ферментов (напр. амилазы) крахмал может гидролизоваться до моносахаридов.

Химические свойства

• полное окисление до углекислого газа и воды (горение)
  C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O
• окисление концентрированной серной кислотой (обугливание, выделение газов вследствие окисления углевода H2SO4)
  C12H22O11+H2SO4 → C + H2O + SO2
  
  
• 
• реакция восстанав-щих углеводов с гидроксидом диамминсеребра — реакция серебряного зеркала (качественная реакция на альдегиды, поэтому реакция протекает только с углеводами, содержащими альдегидную группу, например, с глюкозой)
  C6H12O6 + 2[Ag(NH3)2]OH = C6H11O7NH4 + Ag + NH3 + H2O
  В результате поверхность сосуда покрывается тонким слоем серебра, благодаря чему реакция получила своё название. В качестве побочного продукта получаем глюконовую кислоту (в виде аммонийной соли)
  глюконовая кислота
  
  
• реакция с гидроксидом меди (2) при нагревании — красный осадок Cu2O — глюкоза окисляется до глюконовой кислоты
  C6H12O6 + Cu(OH)2 = C6H12O7 + Cu2O + H2O
  
  
• свежий гидроксид двухвалентной меди с глюкозой и пр. восстанавливающими углеводами дают насыщенно-синий раствор из-за образования комплексного соединения.
  
• окисление бромной водой — альдозы окисляются бромной водой до соответствующих кислот, обесцвечивая её
  C6H12O6 + Br2 = C6H12O7 + HBr + H2O
  
• спиртовое брожение — глюкоза при помощи микроорганизмов превращается в этанол
• молочнокислое брожение — глюкоза превращается в молочную кислоту

Роль в биологических процессах

• энергетическая и запасающая (животные запасают гликоген, растения — крахмал, далее используют для получения энергии)
• структурная (клетчатка в растениях)