Строение и классификация углеводов

В химии и биологии к углеводам относят множество органических соединений. В самом общем смысле к этому классу можно отнести сахара и производные от них вещества, которые получаются при гидролизе. Углеводы являются неотъемлемой составляющей всех органических соединений. Обо всем разнообразии проявления этих веществ может рассказать классификация углеводов.

Биология

Клеткам живых организмов углеводы нужны в качестве аккумуляторов и источников энергии. В сухом веществе растений содержится до 90 % углеводов. Представители фауны также имеют в составе своих клеток углеводы – до 20% от общей массы сухого вещества. Классификация углеводов стандартизирует эти высокомолекулярные соединения и представляет их в наглядном виде. Понимание структуры углеводов, внутреннего строения этих соединений – ключ к постижению основ всего живого, к пониманию самой тайны жизни. Важной частью процесса познания этих веществ является классификация углеводов.

Схема

Все известные углеводы подразделяют на три большие группы:

- моносахариды;

- дисахариды;

- полисахариды.

Все три группы имеют различные физико-химические характеристики. Классификация и строение углеводов базируется именно на этих трех китах.

Моносахариды

Такое название носят простейшие углеводы, которые расщепляются водой на простейшие органические соединения. Типичным примером моносахарида является глюкоза. Химический состав этого вещества выражается формулой C₂H₁₂O₅. Классификация углеводов отводит глюкозе почетное первое место. Это вещество – важнейшее из моносахаридов, содержится в фруктовых соках, в крови животных и человека. В чистом виде глюкоза представляет собой белые полупрозрачные кристаллы со сладким выраженным вкусом. Мышечная работа млекопитающих совершается за счет энергии, получаемой при окислении глюкозы. Внутреннее строение этого вещества выражается структурной формулой:

Глюкоза может быть получена при гидролизе различных полисахаридов - крахмала или целлюлозы. Она применяется как компонент усиленного питания и как лекарство.

Фруктоза - еще один моносахарид, который встречается наравне с глюкозой в различных фруктовых и ягодных соках, в смеси с глюкозой входит в состав меда. Выглядит так же, как и ее соседка, но на вкус значительно слаще. Схема строения фруктозы представлена на рисунке:

Классификация углеводов относит моносахариды к той же группе, что и альдегидо- и кеноспирты. Все эти вещества могут вступать в реакцию не только в открытых цепных формах, но и в циклических. Циклическая глюкоза может существовать в видах, которые отличаются между собой пространственным расположением гидроксогруппы при первом углеродном атоме. Глюкоза в составе натуральных продуктов имеет циклическую α-формулу. При растворении в воде эта циклическая связь превращается в цепную, а затем – и в связь по β-формуле. Стандартный водный раствор глюкозы содержит три равновесных разновидности этого вещества.

Дисахариды

Так называются углеводы, которые при нагревании водных растворов в присутствии минеральных кислот или ферментов подвергаются гидролизу и распадаются на две молекулы моносахаридов. Наиболее распространенным элементом из этой группы классификация углеводов считает сахарозу.

Сахароза содержится в свекловичном и тростниковом сахаре. Ее химическая формула: C₁₂H₂₂O₁₁. Значительное количество этого вещества присутствует в березовом и кленовом соке, в некоторых фруктах. Сахароза – один из важнейших пищевых продуктов. При гидролизе она распадается на молекулы глюкозы и фруктозы – смесь получаемых элементов относится к инвертным сахарам, которые также изучает классификация углеводов. Схема внутреннего строения сахарозы представлена ниже:

Полисахариды

В третью группу классификация углеводов относит вещества , при распаде которых образуются дисахариды, а после – множество (сотни и тысячи) молекул моносахаридов. Классификация и функции углеводов этого раздела существенно отличаются от своих более легких братьев – они не имеют сладкого вкуса и в большинстве своем нерастворимы в воде. Важнейшими представителями этой группы являются целлюлоза (клетчатка) и крахмал. Молекулы этих углеводов выстроены из длинных цепочек с повторяющимися звеньями C₆H₁₀O₅. Эти звенья – остатки циклических форм глюкозы, которые потеряли молекулу воду и связаны между собой в шестичлены. Поэтому классификация углеводов дает одинаковую формулу и для целлюлозы, и для крахмала, которая выражается, как (C₆H₁₀O₅)_х. Отличие заключается в том, что крахмал состоит из звеньев α-формулы, а целлюлоза - из β-формулы глюкозы.

Крахмал описывается формулой (C₆H₁₀O₅)_х, где переменная может достигать значений в 4-5 тыс. Это вещество образуется в зеленых побегах различных растений путем фотосинтеза. Он может откладываться «про запас» в клубнях, зернах и корневищах.

Пищеварительный тракт человека перерабатывает крахмал посредством гидролиза в присутствии ферментов и расщепляет его до состояния глюкозы, которая затем усваивается человеком.

Классификация и функции углеводов сложного типа

Целлюлозой называется волокнистое вещество, которое является составной частью оболочек клеток различных растений. Формула ее аналогична формуле крахмала - (C₆H₁₀O₅)_х. Количество повторения звеньев цепи достигает 12 тысяч. Наиболее чистая природная целлюлоза содержится в хлопковом волокне – до 90% от сухого вещества. В древесине целлюлоза занимает около половины от сухого веса вещества, В хвойных древесных породах этот элемент присутствует наравне со своими спутниками – лигнином и гемицеллюлозой. Целлюлоза и крахмал не растворяются в холодной воде. При нагревании крахмал набухает, образуя при этом коллоидный раствор.

Целлюлоза же не растворяется в воде даже при высокой температуре. Она не растворяется в спиртах, устойчива к воздействию щелочей и слабых окислителей. Гидролиз целлюлозы возможен лишь при растворении ее в концентрированных минеральных кислотах, например в серной. При нагревании такого раствора целлюлоза расщепляется, образуя вязкий раствор. Конечным продуктом данной реакции являются моносахариды.

Значение углеводов

Классификация и строение углеводов изучается многими смежными науками. Значение этих органических веществ в медицине, химической, пищевой, обрабатывающей промышленности достаточно высоко. Можно надеяться, что вышеприведенная классификация углеводов с примерами даст общее представление о природе этих веществ и об их важнейшей роли в хозяйственной деятельности человека.