Химическая природа углеводов
Термин «углеводы» появился потому, что брутто-формулы многих из них выглядят как соединение углерода и воды (например, глюкоза — $6C \cdot 6H_2O$, сахароза — $12C \cdot 11H_2O$). В действительности структура этих веществ иная.
Основу молекулы составляет неразветвленная цепь атомов углерода. К ним присоединены гидроксильные группы (-OH). Один из атомов углерода образует двойную связь с кислородом, формируя карбонильную группу. Именно положение этой группы во многом определяет химические свойства соединения.
Классификация моносахаридов
Простые углеводы классифицируют по двум основным признакам:
- По типу карбонильной группы:
- Альдозы содержат альдегидную группу (-CHO) на конце углеродной цепи. Они сочетают свойства многоатомных спиртов и альдегидов. Типичный представитель — глюкоза.
- Кетозы имеют кетонную группу (-CO-) внутри цепи. Они проявляют свойства многоатомных спиртов и кетонов. Пример — фруктоза.
- По длине углеродной цепи:
- Пентозы содержат 5 атомов углерода.
- Гексозы имеют 6 атомов углерода (наиболее распространены в природе, к ним относятся глюкоза и фруктоза).
Таким образом, глюкоза по полной классификации является альдогексозой.
Стереоизомерия углеводов
Сложность строения углеводов во многом связана с наличием в их молекулах хиральных центров — асимметрических атомов углерода, соединенных с четырьмя разными заместителями.
В альдогексозах такими центрами являются атомы С2, С3, С4 и С5, а в кетогексозах — С3, С4 и С5. Из-за этого возникает явление энантиомерии. Общее количество стереоизомеров зависит от числа асимметрических атомов ($n$) и равно $2^n$. У глюкозы ($n=4$) их насчитывается 16, что дает 8 пар энантиомеров.
Изомеры делятся на:
- Энантиомеры: молекулы, являющиеся полными зеркальными отражениями друг друга (отличаются конфигурацией у всех хиральных центров). Пример: D-глюкоза и L-глюкоза.
- Диастереомеры: изомеры, отличающиеся конфигурацией лишь у некоторых асимметрических атомов. Это совершенно разные вещества с собственными названиями и свойствами (например, галактоза и манноза по отношению к глюкозе).
D- и L-ряды
Принадлежность углевода к D- или L-стереохимическому ряду определяется по конфигурации последнего асимметрического атома в цепи. Для гексоз это атом С5.
В биологических системах подавляющее большинство углеводов, включая синтезируемую растениями глюкозу, относится к D-ряду. L-изомеры в природе встречаются значительно реже.
Вопросы с занятий и экзамена
Чем альдозы отличаются от кетоз?
У альдоз карбонильная группа находится на конце углеродной цепи (альдегидная группа), а у кетоз — внутри цепи (кетонная группа).
Почему D-галактоза и D-манноза не являются энантиомерами глюкозы?
Они отличаются от глюкозы конфигурацией только у одного асимметрического атома (галактоза у С4, манноза у С2), поэтому они — диастереомеры (эпимеры). Энантиомеры должны отличаться конфигурацией на всех асимметрических центрах.
Как рассчитать число изомеров альдогексозы?
Нужно использовать формулу $2^n$, где $n$ — количество асимметрических атомов углерода. У альдогексоз их 4, поэтому число изомеров равно 16.
Из каких простых веществ можно синтезировать углеводы?
Исторически А.М. Бутлеров доказал возможность синтеза углеводов из формальдегида в присутствии гидроксида кальция.
Что ещё разобрать по теме
- Биологическая роль сахарозы и крахмала в пищевой цепи
- Особенности строения фруктозы как кетогексозы
- Подробный разбор номенклатуры энантиомеров глюкозы
- Специфические химические свойства гидроксильных и карбонильных групп
Разберите тему целиком в курсе «Химия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Строение молекул углеводов» и ещё 3 009 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 90 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Глава 18. Важнейшие классы биоорганических соединений»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.