Углеводы. Классификация. Строение.

Углеводы (сахара) – органические соединения, состав большинства которых отражает формула C_n(H₂O)_m, где n, m ≥ 3. Углеводы определяют как альдегидные или кетонные производные многоатомных спиртов или как соединения, при гидролизе которых образуются эти производные, т.е. соединения, содержащие карбонильную группу (>C=O) и несколько гидроксильных групп (-OH).

Для большинства углеводов приняты тривиальные названия с суффиксом -оза. Наиболее известные представители: глюкоза (виноградный сахар) С₆Н₁₂О₆, сахароза (тростниковый, свекловичный сахар) С₁₂Н₂₂О₁₁, крахмал и целлюлоза [С₆Н₁₀О₅]_n.

Углеводы содержатся в клетках растительных и животных организмов и по массе составляют основную часть органического вещества на Земле. Источником их возобновления является процесс фотосинтеза, осуществляемый растениями. Фотосинтез можно рассматривать как процесс восстановления СО₂ с использованием солнечной энергии. Эта энергия освобождается в животных организмах в результате метаболизма углеводов, т.е., их окислении.

Углеводы можно разделить на три основные группы по строению и способности к гидролизу: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Так же часто отдельно выделяют дисахариды, т.к. некоторые важные соединения представлены именно в такой форме, содержащей два мономера.

Моносахариды - простейшие углеводы, не гидролизующиеся с образованием более простых углеводов. Являются основой, из которой составлены остальные углеводы (глюкоза, фруктоза, рибоза).

Дисахариды - углеводы, при гидролизе которых, каждая их молекула распадается на две молекулы моносахаридов (мальтоза, сахароза, лактоза).

Олигосахариды - углеводы, молекулы которых синтезированы из 2-10 остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями. Соответственно различают: дисахариды, трисахариды и так далее (рафиноза).

Полисахариды - сложные высокомолекулярные углеводы, молекулы которых состоят из десятков, сотен или тысяч моносахаридов. Выделяют гомополисахариды, синтезированные из однотипных моносахаридных единиц и гетерополисахариды, для которых характерно наличие двух или нескольких типов мономерных остатков. Так же можно выделять перевариваемые (крахмал, гликоген) и не перевариваемые (пищевые волокна - клетчатка, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, хитин) в желудочно-кишечном тракте.

Так же углеводы разделяют по числу атомов углерода: триозы (производные глицерина), тетрозы, пентозы, гексозы и т.д. Наиболее распространены в природе - пентозы и гексозы.

Классификация по карбонильной группе: Углеводы делят на альдозы и кетозы.

Все изомеры моносахаридов делятся на D- и L- формы по сходству расположения ОН-группы у последнего асимметричного (хирального) атома углерода возле СН₂ОН-группы. Природные гексозы по стереохимической конфигурациям относят к соединениям D-ряда.

Пентозы и гексозы, однако, встречаются преимущественно в циклической форме.

Циклические формы пентоз и гексоз, в свою очередь, делят на фуранозы - содержащие пятичленное (фурановое) кольцо и пиранозы - содержащие шестичленное (пирановое) кольцо.

Помимо этого, циклические структуры могут существовать в двух формах, называемых альфа- и бета-формами (аномеры). У -формы полуацетальная гидроксильная группа расположена также как и гидроксил в D-форме, а у -формы - наоборот.

Вообще, для моносахаридов характерна оптическая изомерия, обеспечивающая многообразие углеводов. Полные стереоизомеры называются энантиомеры, частичные - диастереомеры, особым типом диастереомеров являются эпимеры – отличающиеся по конфигурации только одного хирального центра.

В растворе углеводов наблюдается определенное равновесие, между различными видами циклических и ациклических форм. Возможны спонтанные переходы от открытой цепи к одной из циклических форм, и наоборот. При этом в конечном счете неизменно достигается равновесие, при котором соотношение различных форм остается постоянным.

Циклизация глюкозы:

Циклизация рибозы (у фруктозы вместо H при полуацетальном гидроксиле будет CH₂OH):