Функции углеводов 1. Энергетическая. Углеводы – главный вид клеточного топлива. При сгорании 1 моль глюкозы выделяется 3060 Дж энергии, которая расходуется в эндотермических биологических процессах и частично аккумулируется в АТФ.
2. Пластическая. Углеводы являются обязательным компонентом внутриклеточных структур и мембран растительного и животного происхождения. Хондроитинсульфат Снаружи Внутри Гепарансульфат
Кератансульфат Хондроитинсульфат Гиалуроновая кислота Связующие белки Сердцевидный белок Основную субстанцию межклеточного матрикса соединительной ткани составляют протеогликаны – углеводобелковые компоненты. Биологические функции углеводов
В состав внеклеточного матрикса также входят гликопротеины и гиалуроновая кислота. Биологические функции углеводов Плазменная мембрана Протеогликаны и гиалуроновая кислота Фибронектин Интегрины Коллаген Актиновые филаменты
Полисахарид хитин (C 8 H 13 NO 5 )n (от греч. χιτών: хитон — одежда, кожа, оболочка) — основной компонент кутикулы членистоногих и ряда других беспозвоночных, входит в состав клеточной стенки грибов и бактерий. Биологические функции углеводов
3. Синтетическая. Углеводы участвуют в синтезе нуклеиновых кислот, входят в состав коферментов, гликолипидов, гликопротеинов. β 2 - Гликопротеин I
4. Защитная. Углеводы участвуют в поддержании иммунитета организма. Н апример, тиреотропный гормон, контролирующий функцию и развитие щитовидной железы, является гликопротеином. Тиреотропный гормон
5. Специфическая. О тдельные углеводы участвуют в проведении нервных импульсов, образовании антител, обеспечении специфичности группы крови. Например, гликолипиды входят в состав миелиновой оболочки аксона.
6. Регуляторная. Растительная пища содержит полисахарид - целлюлозу, которая улучшает работу кишечника и повышает секрецию в желудке.
Для оптимального обеспечения организма человека углеводами в среднем необходимо 450 г. в сутки. Высокоуглеводный рацион питания может привести к ожирению.
Углеводы входят в состав фарм. препаратов. Медико-биологическое значение темы Моносахариды
Полисахариды Медико-биологическое значение темы
Находит применение бактериальная целлюлоза. Чайный гриб – симбиоз дрожжеподобного гриба Saccharomycodes ludwigii и бактерий Acetobacter xylinum Медико-биологическое значение темы
6 CO 2 + 6 H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 1. Углеводы образуются в процессе фотосинтеза в хлоропластах клеток растений (от греч. Φ ωτο - свет и σύνθεσις - синтез, совмещение, помещение вместе) из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов. Хлоропласты в клетках листа
Elysia chlorotica Elysia chlorotica — вид морских слизней, относящийся к морским брюхоногим моллюскам, способным к осуществлению фотосинтеза. Геном молюска кодирует некоторые белки, необходимые хлоропластам для фотосинтеза. Образование углеводов Моллюск использует хлоропласты морской водоросли Vaucheria litorea, которую употребляет в пищу.
Получение углеводов Мальтоза D- глюкоза
Углеводы Углеводы - гетерофункциональные соединения полигидроксикарбонильного ряда и их производные. Общая формула простых моносахаридов: C n ( H 2 O ) m Ранее сахара считали гидратированными формами углерода, что объясняет этимологию слова “углевод”. Англ. Carbohydrate происходит от carbon (углерод) и гидрат (от греч. udor – вода).
По способности к гидролизу углеводы делятся на 2 класса: 1. Простые (греч. mono – один) – не подвергаются гидролизу; 2. сложные - гидролизуются с образованием простых углеводов.
Олигосахариды содержат от 2 до 10 остатков моносахаридов, а полисахариды – несколько десятков тысяч. И те, и другие являются продуктами поликонденсации моносахаридов. Полисахариды подразделяются на: - гомополисахариды - однородные по составу сложные углеводы; - гетерополисахариды - сложные углеводы, включающие остатки разных моносахаридов.
Моносахариды о тносятся к полигидроксикарбонильным соединениям. Классификация моносахаридов : Моносахариды делят по функциональной принадлежности на: 1. альдозы – полигидроксиальдегиды ; 2. кетозы – полигидроксикетоны. По числу атомов углерода в цепи различают: 1. триозы ; 2. тетрозы ; 3. пентозы; 4. гексозы; 5. высшие сахара.
Номенклатура Название D -глюкозы по номенклатуре IUPAC : (2 R, 3 S, 4 R, 5 R ) – 2,3,4,5,6-пентагидроксигексаналь. D -глюкоза В основном применяется тривиальная номенклатура.
Структурная изомерия А льдозы изомерны кетозам : глюкоза является изомером фруктозы. D- глюкоза D -фруктоза
Молекулы моносахаридов имеют несколько центров хиральности (от греч. с hiro – рука). Хиральным центром называют sp 3 - гибридный атом углерода, соединенный с 4-мя разными заместителями.
Энантиомеры 1 2 3 4 a 1 2 3 4 b 4 2 3 1 Энантиомеры – это изомеры, которые относятся друг к другу как предмет и несовместимое с ним в пространстве зеркальное отражение.
Проекции Фишера
В зависимости от конфигурации хирального центра различают D - и L - конфигурации (формы). В D -форме гидроксильная (- ОН) функциональная группа хирального центра располагается справа от углеродной цепи; В L -форме – функциональная гидроксильная (- ОН) группа хирального центра располагается слева от углеродной цепи.
D -глицеральдегид L -глицеральдегид
Энантиомерия Принадлежность к D - или L -ряду у моносахаридов определяется по нижнему кр айнему хиральному центру.
Энантиомерам D -ряда углеводов соответствует энантиомер L -ряда с противоположной конфигурацией всех центров хиральности. Большинство природных моносахаридов принадлежат D -ряду.
Пример: энантиомеры глюкозы Энантиомерия
Энантиомеры обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами, но являются оптическими антиподами и имеют различную физиологическую активность. Энантиомерия
+ a ° ячейка Поляризатор Поляризованный свет Обычный свет [ a ] = a l • c 25°C D Поляриметр Угол вращения плоскости поляризованного света определяется с помощью поляриметра. [ a ] - удельное вращение Энантиомерия 25°C D
σ - Диастереомеры – оптические изомеры, не являющиеся зеркальным изображением друг друга. σ - Диастереомерия σ - Диастереомерия возникает в молекулах с 2 и более центрами хиральности.
Число стереоизомеров рассчитывают по формуле Фишера: Z =2 n, где n -число центров хиральности. σ - Диастереомерия σ – Диастереомеры имеют разные физические и химические свойства и физиологическое действие.
Диастереомерия σ -Диастереомеры углеводов, различающиеся конфигурацией только одного центра хиральности, называются э пимерами.
D -глюкоза 1. Глюкоза (виноградный сахар). Содержится практически во всех растительных организмах. В свободном состоянии регулирует осмотическое давление крови.
Глюкоза Международное наименование: Декстроза ( Dextrose) 5% Раствор глюкозы оказывает дезинтоксикационное, метаболическое действие, является источником энергии. Гипертонические растворы (10%, 20%, 40%) повышают осмотическое давление крови, улучшают обмен веществ; повышают сократимость миокарда; улучшают антитоксическую функцию печени, расширяют сосуды, увеличивают диурез.
D -галактоза D -галактоза входит в состав лактозы и гликолипидов. В печени она легко изомеризуется в глюкозу. 2. Галактоза. Является эпимером глюкозы в четвертом углеродном звене.
Галактоза ( Galactose ) – ультразвуковое контрастно-диагностическое средство.
3. Манноза. Является эпимером глюкозы во втором углеродном звене. Альдогексозы D - манноза
1. D -рибоза. Входит в состав нуклеотидов РНК. 2. D -ксилоза – эпимер рибозы в третьем углеродном звене. 3. Производным рибозы является дезоксисахар – 2-дезокси- D -рибоза (дезоксирибоза) - входит в состав ДНК.
D -рибоза D -ксилоза D - дезоксирибоза эпимеры Альдопентозы H
D-фруктоза. Содержится в мёде, фруктах, входит в состав сахарозы, в организме легко изомеризуется в глюкозу. D -фруктоза
Фруктоза - парентеральное средство для регидратации и дезинтоксикации. Кетогексозы
Образование циклических форм связано со способностью углеродной цепи принимать выгодную клешневидную конформацию и с дальнейшим взаимодействием внутри одной молекулы карбонильной группы с гидроксильной группой. Это взаимодействие приводит к образованию циклического полуацеталя. Устойчивыми являются 5- и 6-членные циклы.
C C C C C C O O O O O O H H H H H H H H H H H H Пример: образование 6-членных циклов. Циклические формы моносахаридов по Фишеру
пираноза фураноза Формулы Хеуорса 5-членный цикл называется фуранозным (фураноза), 6-членный цикл – пиранозным (пираноза).
Фуран Пиран Моносахариды Названия циклов происходят от названия родственных гетероциклов: фурана и пирана. В названиях циклических форм наряду с названием моносахарида указывается размер цикла в виде окончания «фураноза» или «пираноза».
Нумерацию цепи в формулах Хеуорса ведут от крайнего правого положения по часовой стрелке. Последнее звено -СН 2 ОН выносят над плоскостью цикла, что является дополнительным D -признаком по Хеуорсу. Если полуацетальный гидроксил расположен под плоскостью цикла, то имеем -аномер. Если полуацетальный гидроксил расположен над плоскостью цикла - -аномер.
-аномер -аномер Моносахариды
Переход линейной формы в циклическую 1. Поворот структуры на 90 o направо. 2.Поворот на 90 o группы, содержащей гидроксигруппу, образующую полуацеталь. 3. Образование полуацеталя.
C C C C C C O O O O O H H H H O H H H H H H H H O OH H OH H H CH 2 OH H OH C C C OH H C C Для альдоз образование фуранозного цикла происходит при взаимодействии карбонильного звена С 1 с гидроксигруппой С 4, а пиранозный цикл образуется между С 1 и С 5. Циклические формы
C C C C C C O O O O H H H H O H H H H H H H O OH H OH CH 2 OH H C C C OH H C CH 2 OH O H Для кетоз в образовании фуранозного цикла участвует карбонильное звено С 2 и гидроксигруппа С 5, а пиранозный цикл образуется между С 2 и С 6. Циклические формы
В растворе моносахариды присутствуют в открытых и циклических формах, способных свободно переходить друг в друга. Такой вид изомерии называется цикло-оксо-таутомерией (кольчато-цепной таутомерией). Изомеры, взаимно переходящие друг в друга и находящиеся в состоянии динамического равновесия, называются таутомерами.
D -рибоза α - D -рибофураноза β - D -рибофураноза
α - D - фруктофураноза β - D - фруктофураноза D - фруктоза
a -D- маннопираноза b -D- маннопираноза a - D -галактопираноза b - D -галактопираноза Конформации молекул моносахаридов
Моносахариды представляют собой бесцветные кристаллические вещества очень хорошо растворимые в воде. Моносахариды трудно растворяются в спирте, очень плохо в гидрофобных растворителях. Концентрированные растворы сахаров в воде называются сиропами.
Вещество Относительная сладость Фруктоза 173 Сахароза (дисахарид) 100 Глюкоза 74 Мальтоза (дисахарид) 32 Галактоза 32 Лактоза (дисахарид) 16 Физические свойства
Сахарин ( E 954), 500 раз Этоксифенилмочевина (дульцин), 200 раз Ацесульфам (E950), 200 раз Аспартам (метиловый эфир L -аспартил- L -фенилаланина, E 951), 200 раз Метилфенхиловый эфир L -аспартиламиномалоновой кислоты, 33000 раз Сукроновая кислота, 200000 раз. Физические свойства
Белок монеллин из тропического растения Dioscoreophyllum cumminsii в 3000 раз слаще сахарозы. Физические свойства
Белок тауматин ( E957 ) из тропического растения Thaumacoccus daniellii слаще сахарозы в 750-1000 раз, а его комплекс с ионами алюминия – талин – уже в 35000 раз. Thaumacoccus daniellii Физические свойства
Белок миракулин из Synsepalum dulcificum имеет уникальное свойство воздействовать на вкусовые рецепторы, отключая на время восприятие кислого и горького вкусов, при этом все остальные вкусовые ощущения остаются. Synsepalum dulcificum Физические свойства
Физические свойства Фрукт Synsepalum dulcificum сам по себе не сладкий, но может использоваться как натуральный подсластитель.
Аминосахара – образуются на основе моносахаридов, в молекулах которых OH -группа второго звена замещена аминогруппой - NH 2. α - D- глюкозамин
Аминосахара D -глюкозамин D -галактозамин D -маннозамин (2-амино-2-дезокси- D -глюкопираноза)
Глюкозамин применяется в качестве лекарственного средства группы нестероидных противовоспалительных препаратов для восполнения его эндогенного дефицита.
Исходя из функционального состава, моносахариды проявляют свойства многоатомных спиртов, карбонильных соединений, полуацеталей и специфические свойства.
Химические свойства I. Свойства многоатомных спиртов. 1) Качественная реакция с гидроксидом меди( II ) - С u ( OH ) 2. В реакцию вступает -диольный фрагмент молекулы моносахарида: В результате происходит образование растворимого хелатного комплекса ярко-синего цвета.
, D -глюкопираноза 6-фосфат , D -глюкопиранозы Химические свойства 3. Фосфорилирование: Биологическое значение имеют эфиры фосфорной кислоты – фосфаты, образующиеся обычно по месту последнего звена с участием фермента фосфорилазы.
II. Свойства альдегидов, 1. Окисление моносахаридов а) Гликоновые кислоты образуются при окислении альдегидной группы до карбоксильной: D- глюкоза D- глюконовая кислота Химические свойства
Химические свойства Качественная реакция с мягкими окислителями - С u ( OH ) 2 или Ag 2 O - при повышенной температуре: D - D-
Реакция с Cu(OH) 2 называется пробой Троммера и используется для обнаружения глюкозы в моче. Химические свойства
Химические свойства 2. Гидрирование. При этом образуются многоатомные спиры - альдиты: D
D -глюкоза образует глицит (сорбит, E420 ), D -манноза - маннит, D -ксилоза - ксилит ( E967 ), D- галактоза - дульцит. Химические свойства
Химические свойства Из D- глюкозы в фармацевтической промышлености получают аскорбиновую кислоту.
Аскорбиновая кислота (а – отрицающая частица и scorbutus – цинга) (витамин С) - водорастворимый витамин. Химические свойства
Аскорбиновая кислота также используется в аналитической химии в аскорбинометрии, которую применяют для определения Fe ( III ), Hg ( II ), Au ( III ), Pt ( IV ), Ag ( I ), Ce ( IV ), Mo ( VI ), W ( VI ), I 2, Br 2, хлоратов, броматов, иодатов, ваданатов, дихроматов, а также нитро- нитрозо-, азо- и иминогрупп в органических соединениях. Химические свойства
, D -глюкопираноза Метил- - D -глюкопиранозид Химические свойства III. Свойства полуацеталей проявляются во взаимодействии циклических форм моносахаридов со спиртами. При этом образуются гликозиды.
1. Спиртовое брожение Химические свойства C 6 H 1 2 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2 CO 2 ↑ Фермент дрожжей
2. Молочнокислое брожение Химические свойства C 6 H 1 2 O 6
