Биозы, полиозы, их свойства, применение

Биозы (дисахариды) С₁₂Н₂₂О₁₁

Наиболее широко распространенным дисахаридом является сахароза (тростниковый, или свекловичный сахар). Получают его из сахарного тростника или из сахарной свеклы. В молоке содержится 5% лактозы - молочного сахара. Мальтоза содержится в прорастающем зерне и образуется при гидролизе зернового крахмала. Целлобиоза является промежуточным продуктом при ферментативном гидролизе целлюлозы.

Молекула дисахарида состоит из двух молекул моносахаридов, соединенных гликозидной связью. В зависимости от того, какие атомы углерода участвуют в образовании гликозидной связи, молекула дисахарида может или не может содержать свободную карбонильную группу.

По химическим свойствам олигосахариды можно разделить на две группы: невосстанавливающие и восстанавливающие. Невосстанавливающие сахара не имеют ОН-группы ни при одном аномерном центре, восстанавливающие - имеют свободную ОН-группу при аномерном центре.

Невосстанавливающие сахара называют гликозил-гликозидами; восстанавливающие - гликозил-гликозами.

Мальтоза - восстанавливающий дисахарид, образующийся при ферментативном гидролизе крахмала. Мальтоза состоит из двух остатков D-глюкозы, соединенных гликозидной связью по положениям 1, 4.

В мальтозе гликозидная связь образуется за счет гидроксильной группы, находящейся у первого атома углерода одной молекулы глюкозы, и гидроксильной группы, расположенной у четвертого атома углерода второй молекулы глюкозы. Поскольку полуацетальный гидроксил у второй молекулы глюкозы остается несвязанным и кольцо может размыкаться с образованием свободной карбонильной группы, мальтоза является восстанавливающим сахаром.

Молочный сахар (лактоза) состоит из остатков глюкозы и галактозы, соединенных 1, 4-гликозидной связью, также является восстанавливающим сахаром.

лактоза - 4-(b-галактопиранозидо)глюкоза

Целлобиоза или 4-(b-глюкозидо) - глюкоза построена также, как и мальтоза, но представляет собой b-гликозид:

Сахароза состоит из остатков глюкозы и фруктозы, соединенных 1, 2-гликозидной связью. У сахарозы полуацетальные гидроксильные группы обеих молекул моносахаридов участвуют в образовании гликозидной связи, вследствие чего сахароза является невосстанавливающим сахаром.

Сахароза - 2-(a-Д-глюкопиранозидо)-b-Д- фруктофуранозид

Свойства дисахаридов характеризуют следующие реакции:

1. Одна из самых важных реакций дисахаридов - это их способность гидролизоваться под действием кислоты или соответствующего фермента. В результате гидролиза разрывается гликозидная связь.

1 моль мальтозы + Н₂О ® 2 моля глюкозы

1 моль лактозы + Н₂О ® 1 моль глюкозы + 1 моль галактозы

1 моль сахарозы + Н₂О ® 1 моль глюкозы + 1 моль фруктозы

2. Реакции, характерные для карбонильной группы. Так же как моносахариды, мальтоза и лактоза окисляются ионами меди, серебра, ртути, образуют озазоны и вступают во все реакции, характерные для соединений, содержащих свободные карбонильные группы. В сахарозе нет потенциальной свободной карбонильной группы, и она не вступает ни в одну из перечисленных реакций.

3. Реакции, характерные для ОН-группы. Гидроксильные группы дисахаридов могут принимать участие в образовании гликозидных связей. Продуктами реакций являются три-, тетра- и полисахариды. С кислородосодержащими кислотами дисахариды образуют сложные эфиры.

4. Реакции, протекающие с разрывом углеродной цепи дисахаридов. Дисахариды могут быть окислены до диоксида углерода и воды. Под действием ферментов дрожжей сахароза и мальтоза дают этанол, а лактоза не изменяется.

5. Цветные реакции. Дисахариды не восстанавливают раствора ацетата меди в разбавленной уксусной кислоте и не дают окраски с раствором иода.

Полисахариды

Полисахариды - углеводы с большой молекулярной массой (3*10⁴ - 4*10⁸). Так как они не обладают полной однородностью, им не дают систематических названий Гомополисахариды, построенные из остатков D-глюкозы, имеют большое биологическое значение.

Крахмал - главное резервное энергетическое вещество растений, гликоген играет ту же роль у животных. Крахмал и гликоген построены из D -глюкозных единиц, связанных a-1, 4 связями (как в мальтозе) и имеют разветвления, образующиеся за счет a-1, 6 связей. Крахмал и гликоген различаются числом разветвлений. Гликоген имеет разветвление в каждом 8 - 10 звене, в крахмале имеются структуры почти линейные (амилоза) и структуры с разветвлениями через 20 - 30 звеньев (амилопектин).

Крахмал, один из самых распространенных полисахаридов находится в зернах злаков (например, пшеницы и кукурузы) и в клубнях растений (картофеля и других). Он содержит 10 - 20% амилозы и 80 - 90% амилопектина. Амилоза растворима в воде, дает чисто синюю окраску с иодом, ее молекулярный вес изменяется от 4000 до 50000. В амилопектине глюкозные остатки в каждой цепи связаны 1, 4 - гликозидными связями, а эти цепи связаны между собой 1, 6-гликозидными связями. Амилопектин сильно набухает в горячей воде, но не растворяется. Молекулярный вес амилопектина больше 500000, с иодом он дает красно-фиолетовую окраску. Нагреванием сухого крахмала при 250⁰С или его частичным гидролизом в присутствии кислоты получают декстрины. Декстрины - это полисахариды, молекулы которых меньше, чем молекулы крахмала. Декстрины растворимы в воде. Применяются для приготовления сладких сиропов и клея для почтовых марок. Выглаженные крахмальные материалы приобретают блеск благодаря тому, что при высокой температуре образуются декстрины.

Гликоген - один из важнейших источников энергии для животных организмов. Молекула гликогена представляет собой сильно разветвленную цепь; молекулярный вес гликогена 4 000 000. Гликоген - белый аморфный порошок, который растворяется в воде с образованием опалесцирующих коллоидных растворов.

Целлюлоза (клетчатка) является главным компонентом опорных частей растений. Целлюлоза представляет собой линейний полимер, составленный из единиц D -глюкозы, которые связаны b-1, 4 связями.

Целлюлоза придает тканям растений механическую прочность. Она служит как бы скелетом растений. Молекула целлюлозы, подобно амилозе, представляет собой длинную неразветвленную цепь глюкозных остатков, соединенных 1, 4-гликозидными связями. В отличие от амилозы, содержащей a-1, 4-гликозидные связи, целлюлоза имеет b-1, 4- гликозидные связи. Молекулярный вес целлюлозы изменяется от 100000 до 570000 (600000 для очищенной целлюлозы).

Различия в конфигурации между амилозой и целлюлозой (a-1, 4 связи и b-1, 4 связи, соответственно) ответственны за резко выраженные различия в физических свойствах и еще более удивительные различия в химических свойствах. Крахмал является почти универсальным продуктом питания, целлюлоза перерабатывается лишь некоторыми микроорганизмами, поставляющими ферменты, необходимые для расщепления b-1, 4 связи.

Химические свойства полиоз

1. Гликозидные связи в полисахаридах гидролизуются под действием кислот или ферментов. Полный гидролиз большинства видов крахмала, гликогена, декстринов и целлюлозы приводит к образованию глюкозы:

(С₆Н₁₀О₅)_n + (n-1)H₂O ® nC₆H₁₂O₆

2. В полисахаридах практически не содержится свободных карбонильных групп, поэтому они не являются восстанавливающими веществами и не обладают химическими свойствами, характерными для альдегидов и кетонов.

3. Гидроксильные группы полисахаридов реагируют с кислородсодержащими кислотами с образованием сложных эфиров. Например, с уксусной кислотой – с образованием ацетилцеллюлозы, с азотной кислотой с образованием нитрата целлюлозы - коллоксилина, в котором 20 - 30% гидроксильных групп остаются свободными, и пироксилин, в котором этерифицированы почти все гидроксильные группы.

4. Полисахариды, содержащие только углерод, водород и кислород при сгорании превращаются в диоксид углерода и воду. Процесс сопровождается выделением энергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, углеводы – это соединения, которые играют огромную роль в жизнедеятельности живых организмов и активно используются человеком в его практической деятельности.

Например, ацетилцеллюлоза применяется в производстве негорючей кинопленки и ацетатного шелка. Нитраты целлюлозы – коллоксилин и пироксилин также находят широкое применение: коллоксилин - в производстве искусственной кожи, коллодия и целлулоида, пироксилин - в производстве бездымного пороха. Основная масса бумаги изготавливается из целлюлозы. Обрабатывая обычную бумагу серной кислотой, получают пергамент. Простые эфиры целлюлозы - метил- и этилцеллюлоза - применяются для шлихтовки и получения пленок.

Типичная целлюлоза - хлопок, обработанная едким натром и сероуглеродом, превращается в ксантогенат целлюлозы, который растворяется в воде или разбавленной щелочи, образуя так называемый вискозный раствор. При продавливании вискозного раствора через фильеры в водный раствор, содержащий серную кислоту, струйки вискозного раствора превращаются в нити вискозного волокна. Если вискозный раствор продавливать через узкую щель, то, попадая в кислый раствор, он превращается в листы целлофана.

При подготовке к практическому занятию и отчету по теме «Углеводы» вам необходимо обратить особое внимание на химические реакции, в которые вступают углеводы по карбонильной группе и по гидроксильным группам.

D-глюкоза (виноградный сахар) широко распространена в природе: содержится в винограде и других плодах, в меде. Она является обязательным компонентом крови и тканей животных и непосредственным источником энергии для клеточных реакций. Во всем объеме крови взрослого человека содержится 5-6 г глюкозы. Такого количества достаточно для покрытия энергетических затрат организма в течение 15 мин его жизнедеятельности. При некоторых патологиях, например при заболевании сахарным диабетом, содержание глюкозы в крови повышается и избыток ее выводится с мочой.