Тема 5. Углеводы. Классификация, строение, функции
Строение, свойства и функции углеводов
Углеводы – класс природных органических веществ, являющихся многоатомными альдегидо- или кето-спиртами или продуктами их конденсации.
Функции углеводов:
– структурная и опорная функции (целлюлоза является основным структурным компонентом клеточных стенок растений, хитин выполняет аналогичную функцию у грибов, а также обеспечивает жёсткость экзоскелета членистоногих);
– защитная функция: у некоторых растений есть защитные образования: шипы, колючки и др., состоящие из клеточных стенок мёртвых клеток;
– энергетическая функция (при окислении 1 г углеводов выделяется 4,1 ккал энергии);
– запасающая функция (углеводы выступают в качестве запасных питательных веществ: гликоген у животных, крахмал и инулин – у растений);
– рецепторная функция (входят в состав воспринимающей части многих клеточных рецепторов).
Многие углеводы и их производные находят применение в фармации и медицине.
Углеводы подразделяются на два класса: простые и сложные. Простые углеводы (моносахариды, монозы) не гидролизуются, сложные углеводы способны гидролизоваться с образованием молекул простых углеводов.
Простые углеводы, содержащие кетогруппу, называются кетозами, альдегидную группу – альдозами. В зависимости от числа атомов углерода монозы делят на триозы (три атома углерода), тетрозы (четыре атома), пентозы (пять атомов), гексозы (шесть атомов) и гептозы (семь атомов).
Полисахариды являются высокомолекулярными соединениями. Если полисахариды построены из остатков одного моносахарида, то их называют гомополисахаридами (крахмал, гликоген и целлюлоза); если из остатков разных моносахаридов, то – гетерополисахаридами (гиалуроновая кислота, гепарин).
При восстановлении моносахаридов образуются многоатомные спирты (полиолы). При восстановлении альдоз получается лишь один полиол, при восстановлении кетоз получается смесь двух полиолов, т.к. атом углерода, входивший в состав кетогруппы, после восстановления становится асимметрическим и для него возможно двоякое расположение ОН группы и атома водорода в пространстве.
Состав и строение продуктов окисления моносахаридов зависит от природы монозы и условий окисления (прежде всего от силы окислителя). Альдозы окисляются легче кетоз.
Под действием мягких окислителей (аммиачный раствор оксида серебра, гидроксид меди) альдозы превращаются в альдоновые кислоты (альдегидная группа окисляется до кислотной карбонильной группы). С помощью сильного окислителя – разбавленной азотной кислоты – концевые группы альдоз (альдегидная и первичная спиртовая) одновременно окисляются до карбоксильной группы, образуя альдаровые кислоты. В организме при участии ферментов может окислиться первичная спиртовая группа, в то время, как альдегидная группа в результате остаётся не окисленной. Продукты таких реакций называют альдуроновыми кислотами. Окисление кетоз происходит под действием сильных окислителей и сопровождается деструкцией углеродного скелета. Разрыв связи может происходить двумя способами: между первым и вторым, а также вторым и третьим атомами углерода. При этом все концевые атомы углерода окисляются с образованием карбоксильных групп.
Задания для самостоятельной работы
1. Почему глюкоза и глицерин проявляют общность в реакции взаимодействия с гидроксидом меди (II)?
2. Какие монозы могут образоваться в процессе кето-енольной таутомерии из D-сорбозы (в щелочной среде)?
3. Для D-маннозы напишите проекционные формулы энантиомера и эпимера. Назовите оба соединения.
4. В гепарине в состав повторяющихся дисахаридных единиц входят остатки D- глюкозамина, D- глюкуроновой и L-идуроновой кислот. К каким углеводам относится гепарин? Написать структурные формулы этих соединений.
5. Оптически активная альдогексоза окисляется коцентрированной азотной кислотой до оптически неактивной дикарбоновой кислоты. Какая это может быть альдогексоза? Напишите уравнения реакций.
6. Проанализируйте особенности строения сахарозы. Предложите план эксперимента, позволяющий отличить сахарозу от других углеводов. Оцените значимость сахарозы для современного человека. Выскажите критические суждения по поводу названия диетологами сахара «белой смертью», согласитесь или опровергните.
7. Немецкий химик Христиан Шенбейн нечаянно пролил на пол смесь серной и азотной кислот. Он машинально вытер пол хлопчатобумажным фартуком своей жены. «Кислота может прожечь фартук», – подумал Шенбейн, прополоскал фартук в воде и повесил сушить над печкой. Фартук подсох, но затем раздался негромкий взрыв и … фартук исчез. Почему произошел взрыв?
8. Сколько граммов меда, в котором было 45% глюкозы, съел медведь Топтыгин, если клетки его организма получили 200 г воды? В результате каких процессов в медвежьем организме глюкоза превратилась в воду? Напишите суммарное уравнение процесса.
9. Сколько граммов глюкозы усвоило пушистое, серое, усатое создание, стащив со стола 50 г шоколада, где сахара было 20%? В результате какой реакции в кошачьем организме сахароза превратилась в глюкозу? Напишите уравнение реакции. К какому классу относится фермент, катализирующий этот процесс?
10. В трёх пробирках находятся растворы фруктозы, глюкозы и крахмала (в одной пробирке одно вещество). Предложите методы идентификации этих соединений (укажите используемые реагенты и внешние признаки протекания реакции). Напишите для двух веществ уравнения реакций, иллюстрирующих эти методы.
11. В трёх пробирках находятся растворы цистеина, галактозы и сорбозы (в одной пробирке одно вещество). Предложите методы идентификации этих соединений (укажите используемые реагенты и внешние признаки протекания реакции). Напишите для двух веществ уравнения реакций, иллюстрирующих эти методы.
12. В трёх пробирках находятся растворы тирозина, рибозы и псикозы (в одной пробирке одно вещество). Предложите методы идентификации этих соединений (укажите используемые реагенты и внешние признаки протекания реакции). Напишите для двух веществ уравнения реакций, иллюстрирующих эти методы.
13. В трёх пробирках находятся растворы фенилаланина, арабинозы и фруктозы (в одной пробирке одно вещество). Предложите методы идентификации этих соединений (укажите используемые реагенты и внешние признаки протекания реакции). Напишите для двух веществ уравнения реакций, иллюстрирующих эти методы.
14. В трёх пробирках находятся растворы гликогена, дезоксирибозы и сорбозы (в одной пробирке одно вещество). Предложите методы идентификации этих соединений (укажите используемые реагенты и внешние признаки протекания реакции). Напишите для двух веществ уравнения реакций, иллюстрирующих эти методы.
15. Напишите формулы рибозы и 2-дезоксирибозы. Являются ли эти соединения диастереомерами? А альдопентозами? Почему? Напишите для них пиранозные и фуранозные структуры. С помощью каких качественных реакций можно идентифицировать эти монозы?
16. Чем объясняется сладкий вкус мороженого картофеля? Напишите схему реакции.
17. Известно, что избыточное потребление сладостей способствует развитию кариеса. Как это можно объяснить с точки зрения химического разрушения зубной эмали?
18. Делая заготовки на зиму, вы решили засолить огурцы. Для этого вам нужно приготовить раствор для засолки. Рассчитайте массу соли и воды, которые потребуются для приготовления 500г 7% раствора поваренной соли. Какие процессы подавляет этот раствор, а какому (необходимому для консервирования) не мешает? Какой консервант образуется при засолке огурцов или квашении капусты? Какой углевод является исходным соединением для реакции синтеза консерванта? Как называется эта реакция?
19. В результате брожения D-глюкозы образовался продукт, который вступает в реакции этерификации, нейтрализации и образует лактид при дегидратации. Предположите, какой вид брожения имел место и напишите схемы всех реакций.
20. В ряде стран для получения этилового спирта используют картофель. Напишите схему последовательных превращений, позволяющих осуществить этот процесс.
21. В раствор сахарозы добавили фермент сахаразу и поместили в термостат при температуре 60ОС на 30 минут. Затем проделали реакцию Троммера. Будет ли наблюдаться расщепление сахарозы? Какой будет реакция Троммера? Почему?
22. Гинеколог при обследовании больной 49 лет с подозрением на рак шейки матки использовал пробу Шиллера – раствор Люголя, в состав которого входит йод. Проба проводится нанесением раствора Люголя на поверхность эпителия. Результат пробы врача оказался положительным – эпителий окрасился в тёмно-коричневый цвет. Объясните наблюдаемые явления. Подтвердился ли диагноз?
23. У детей и у некоторых взрослых в результате употребления в пищу молока наблюдаются спазмы, вздутие живота, боли, понос. Каким компонентом молока обусловлены эти симптомы?
24. Мать месячного ребенка обратилась к участковому педиатру с жалобами на то, что после кормления грудью ребенок плачет, появляется вздутие живота, двигательное беспокойство, метеоризм, выраженная диарея, иногда рвота. Объективно: ребенок истощен, мышечная масса развита слаб. Ответьте на следующие вопросы.
А. Как объяснить возникновение указанных симптомов у ребенка после кормления грудью?
Б. Чем объясняется возникновение метеоризма, диареи и рвоты?
В. Что нужно предпринять для ликвидации указанных явлений?
25. У грудного ребенка отмечена умственная отсталость, помутнение хрусталика. В крови и моче повышено содержание галактозы. Для какого заболевания характерны данные симптомы? Как кормить ребёнка?
26. Сравните строение и функции гликогена и крахмала. Найдите общие черты и различия. К какому классу углеводов можно отнести эти соединения? С помощью какой качественной реакции можно их идентифицировать?
27. Сравните строение и функции гликозаминогликанов: нейраминовая и N-ацетилнейраминовая, гиалуроновая и хондроитинсерная кислоты. К какому классу углеводов можно отнести эти соединения? Приведите примеры использования углеводов в качестве лекарственных препаратов.
28. Приведите примеры углеводов, находящихся в продуктах питания. Где и какими ферментами происходит их переваривание? Опишите роль целлюлозы в пищеварении.
29. Всеядное животное содержится на диете, лишенной углеводов. Количество белков и липидов в рационе достаточно. Концентрация глюкозы в крови нормальная. За счет какого процесса поддерживается уровень сахара в крови?
30. Оптимум рН исследуемого фермента 6,9-7,0. Субстратом является природный полимер, дающий характерную окраску с йодом. Продукты взаимодействия фермента с субстратом дают реакцию Троммера. Назовите фермент, класс, подкласс, субстрат, промежуточные и конечные продукты реакции.