Примерное время на чтение статьи: 19 минуты

УГЛЕВОДЫ.

Углеводы являются самыми распространенными органическими соединениями на планете. Они входят в состав любого компонента нашей биосферы. В растениях они составляют до 80 % от общей массы. В животных тканях углеводов встречается значительно меньше — 2 %.

Молекулы улеводов состоят из углерода, водорода и кислорода. В углеводах соотношение водорода и кислорода такое же, как в молекуле воды, т. е. водорода в 2 раза больше кислорода. Отсюда произошло их название — углеводы, т. е. из начальной части слова углерод «угле» и слова «вода».

Животные могут в качестве пищи использовать целлюлозу. Например, слоны — самые крупные из современных наземных животных. Они поедают растительность вокруг себя, срывая ветки, обгладывая кору со стволов, разжевывая листья, т. е. используют целлюлозу в качестве пищи. Пищевой комок поступает в желудок, в котором содержатся инфузории, внутри которых есть бактерии, расщепля-ющие целлюлозу. У других животных (коровы, овцы, козы) желудок имеет четырехполостное строение. В первых двух содержатся микроорганизмы, расщепляющие целлюлозу до D-глюкозы, далее она сбраживается до короткоцепочечных жирных кислот, углекис-лого газа и газообразного метана. Образовавшиеся жирные кислоты всасываются в кровоток, проникают в ткани и используются животным как «топливо». В остальных полостях желудка с помощью ферментов, секрети-руемых слизистой, перевариваются отрабо-танные микроорганизмы до аминокислот и сахаров, которые всасываются и используются животным в качестве питательных веществ.

Классификация.

Существуют несколько классификаций углеводов:

• по химическому строению углеводы можно разделить на две большие группы — простые углеводы (моносахариды) и сложные углеводы (олигосахариды, полисахариды);

• по усвояемости в пище углеводы можно условно разделить на усвояемые углеводы (глюкоза, сахароза, фруктоза, лактоза, крахмал) и неусвояемые углеводы (целлюлоза, клетчатка, пектиновые вещества, лигнин).

• по наличию функциональных групп. Моносахариды (монозы) являются бифункциональными соединениями. В их молекулах одновременно содержатся  карбониль-ная (альдегидная или кетонная) и несколько гидроксильных групп, т. е. моносахариды представляют собой полигидроксикар-бонильные соединения — полигидроксиальдегиды и полигидроксикетоны. В зависимости от этого моносахариды подразделя-ются на альдозы (если в моносахариде содержится альдегидная группа) и кетозы (если содержится кетогруппа). Например, глюкоза — это альдоза, а фруктоза — это кетоза.
• по числу атомов углерода в молекуле углевода. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле моносахарид называется тетрозой, пентозой, гексозой и т. д. При объеди-нении этих духа типов классификации, то глюкоза — это альдогексоза, а фруктоза — кетогексоза. Большинство встречающихся в природе моносахаридов — это пентозы и гексозы.

Таблица 1. Классификация углеводов

МОНОСАХАРИДЫ.

Моносахариды являются углеводами, которые не гидролизуются с образованием более простых углеводов. Моносахариды могут существовать в циклической и нециклической формах. Нециклическую форму изображают в виде проекционных формул Фишера, а циклическую в виде формул Хеуорса.

Номенклатура и стереоизомерия моносахаридов.

В основу номенклатуры альдоз положены тривиальные названия моносахаридов состава  с линейной цепью углеродных атомов:  рибоза, глюкоза, фруктоза.

Название кетоз образуются введением суффикса «-ул» в название соответствующей альдозы: рибоза  рибулоза; некоторые кетосахара имеют тривиальные названия, например, фруктоза (кетогексоза).

Для моносахаридов характерны несколько видов изомерии.

1. Межклассовая изомерия

Альдозы и кетозы являются межклассовыми изомерами. Так, изомерами являются альдоза глюкоза и кетоза фруктоза:

2. Оптическая изомерия

Наличие нескольких асимметрических атомов углерода обусловливает существование большого числа оптических изомеров у моносахаридов. Асимметрический атом углерода (хиральный центр) — атом углерода, связанный с четырьмя различными атомами или группами атомов.

Моносахариды изображаются в виде проекционных формул Фишера, т. е. в виде проекции тетраэдрической модели атомов углерода на плоскость рисунка. Углеродная цепь в них записывается вертикально. У альдоз наверху помещают альдегидную группу, у кетоз — соседнюю с карбонильной первичноспиртовую группу. Нумерацию начинают с верхнего атома углерода. Атом водорода и гидрок-сильную группу при асимметрическом атоме углерода располагают на горизонтальной прямой. 

D-изомер (от лат. dexter — правый) изомер, у которого на проекции гидроксильная группа у асимметрического атома расположена справа от основной цепи.

L-изомер (от лат. laevus — левый), изомер, у которого на проекции гидроксильная группа у асимметрического атома расположена слева от основной цепи.

С ростом числа асимметрических центров число пространственных изомеров возрастает, причём каждый новый асимметрический центр вдвое увеличивает число возможных изомеров. Число изомеров определяется формулой N=2ⁿ, где  n— число асимметри-ческих центров. Так, один асимметрический атом углерода есть у глицеринового альдегида HO-CH₂-CH(OH)-C(O)H, являющегося первым и единственным представителем ряда альдотриоз. Соответственно, первым и единственным представителем ряда  кето-триоз является диоксиацетон. 

У глицеринового альдегида существует два оптических изомера, поскольку в молекуле есть только один хиральный центр (n=1 , N=2¹ =2). У молекулы дигидроксикетона таких центров нет, поэтому он не имеет оптических изомеров. 

3. Таутомерия (мутаротация)

Для всех моносахаридов характерно явление мутаротации, т. е. существование в циклической и нециклической формах. Например: в пространстве углерод-углеродная цепь рибозы изогнута и карбонильная группа располагается близко к  ОН^— –группе четвертого или пятого атома углерода. Происходит взаимодействие этих двух групп одной молекулы, вследствие чего цикл замыкается с образованием внутреннего полуацеталя.

Вновь образовавшийся гидроксил (синий) носит название полуацетального, или гликозидного и может по разному располагаться в пространстве относительно цикла. Если полуацетальный гидроксил располагается  по одну сторону с гидроксилом, определяющим принадлежность к D– или L–ряду, то такой изомер называется α–изомером, если по разные стороны — β–изомером. Циклическая и открытая формы легко переходят друг в друга и находятся в динамическом равновесии. При комнатной температуре преобладает циклическая, при нагревании — открытая форма. 

Аналогичное явление происходит и с углеродным скелетом глюкозы: карбонильная группа располагается близко к ОН^—–группе пятого или шестого атома углерода, в результате чего происходит взаимодействие этих групп, приводящее к образованию полуацеталь-ной группы (синяя). На рисунке ниже приведены открытая и закрытая форма существования глюкозы.

Согласно теории А. Байера, внутримолекулярное взаимодействие спиртовой и карбонильной групп наиболее благоприятно, если оно приводит к образованию пяти— или шестичленных циклов.

Шестичленные кольца сахаров называют пиранозами, а пятичленные — фуранозами. Формулы, отображающие строение цикли-ческих форм моносахаридов, были предложены У. Хеуорсом в 20-х годах прошлого века. 

При написании структурных формул Хеуорса гидроксильная группа при С₁атоме  должна быть расположена ниже плоскости кольца в α-форме, а в β-форме — выше плоскости кольца.

Для лучшего усвоения изученного материала посмотрите видео-урок, перейдя по ссылке: https://youtu.be/kagcRArrsbc

ГЛЮКОЗА.

Глюкоза , или виноградный сахар, входит в состав сока многих фруктов и ягод, в том числе винограда, и является самым распро-странённым углеводом. Глюкоза относится к шестиатомным моносахаридам, то есть относится к ряду гексоз. В свободном виде D–глюкоза содержится в плодах, цветах и других органах растений, в мёде, а также в животных тканях (в крови, мозге, мышцах). В природе глюкоза существует преимущественно в виде D–изомера и является важнейшим источником энергии в организмах  живот-ных, человека и микроорганизмов.

Физические свойства глюкозы.

Глюкоза — бесцветное кристаллическое вещество сладкого вкуса, хорошо растворимое в воде.

Применение глюкозы.

Растворы глюкозы используются в медицине для внутривенных инъекций, так как обеспечивают дополнительное питание организма быстро усваиваемыми углеводами. Повышение концентрации глюкозы в крови приводит к усилению выработки гормона поджелу-дочной железы — инсулина, отвечающего за быстрый метаболизм углеводов в организме. 

В организме глюкоза подвергается сложным биохимическим превращениям, в результате которых образуется углекислый газ и вода и выделяется энергия в соответствии с итоговым уравнением: 

С₆Н₁₂О₆+ 6О₂→ 6СО₂+ 6Н₂О + 2880 кДж/моль.

Этот процесс протекает ступенчато, с медленным выделением энергии.

Большое значение имеют биохимические процессы брожения глюкозы. Так, при квашении капусты, огурцов, молока, при силосовании кормов происходит молочнокислое брожение глюкозы (образуется молочная кислота). При производстве пива и вина используется спиртовое брожение глюкозы, в результате которого образуется этиловый спирт.

Химические свойства глюкозы.

Как типичный представитель альдогексоз, глюкоза обладает химическими свойствами, характерными одновременно и для многоатомных спиртов, и для альдегидов.

Свойства, обусловленные наличием в молекуле гидроксильных групп:

1. Взаимодействие со спиртами с образованием простых эфиров

2. Взаимодействие с кислотами (реакция этерификации)

Глюкоза реагирует с карбоновыми кислотами с образованием сложных эфиров, то есть пять гидроксильных групп глюкозы вступают в реакцию с кислотами аналогично спиртам.

3. Взаимодействие с гидроксидом меди(II) без нагревания

Как многоатомный спирт реагирует без нагревания с гидроксидом меди() c образованием алкоголята меди(II) ярко-синего цвета (качественная реакция на многоатомные спирты):

Свойства, обусловленные наличием карбонильной группы.

1. Окисление

Глюкоза легко окисляется до глюконовой кислоты под действием гидроксида меди(II) при нагревании, в результате чего образуется также оксид меди) красного цвета: 

Глюкоза легко вступает в реакцию «серебряного зеркала», окисляясь под действием аммиачного раствора оксида серебра(): 

Эти реакции являются качественными на альдегидную группу.

Глюкоза способна окисляться под действием азотной кислоты и бромной воды. Азотная кислота окисляет глюкозу до дикарбоновой кислоты – глюкаровой (или сахарной) кислоты:

Бромная вода как более мягкий окислитель окисляет только альдегидные группы до карбоксильных групп с образованием моно-карбоновой глюконовой кислоты (аналогично реактиву Толленса):

2. Восстановление

Глюкоза может восстанавливаться в шестиатомный спирт сорбит:

Специфические свойства глюкозы

Глюкоза обладает некоторыми специфическими свойствами, к числу которых относится прежде всего биохимическое брожение:

а) спиртовое брожение 

б) молочнокислое брожение

в) маслянокислое брожение

Получение глюкозы.

1. Получение из формальдегида

Первый синтез глюкозы из формальдегида в присутствии гидроксида кальция был произведён А. М. Бутлеровым в 1861 году:

2. Гидролиз природных веществ

Глюкоза может быть получена гидролизом природных веществ, в состав которых она входит. Её получают гидролизом картофель-ного и кукурузного крахмала кислотами:

3. Реакции фотосинтеза

В природе глюкоза наряду с другими углеводами глюкоза образуется в результате реакции фотосинтеза.

В организме человека наибольшее значение имеют три гексозы: глюкоза, галактоза и фруктоза. Глюкоза и галактоза по химической структуре представляют альдогексозы, а фруктоза — кетогексозу. В организме человека и животных глюкоза в небольших количествах является основным и наиболее универсальным источником энергии для обеспечения метаболических процессов. Но когда концент-рация глюкозы в клетке высокая — это очень опасно и при внутривенном введении глюкозы при гипогликемии, недостаточности углеводного питания. Есть растения, которые накапливают глюкозу в качестве запасного вещества, например, виноград. При этом глюкоза в клетках «спрятана» в специальных вакуолях.

Глюкоза — один из представителей моносахаридов. Глюкоза — это альдогексоза и наличие альдегидной группы в ее молекуле делает глюкозу условно «опасной» для организма, так как альдегидная группа химически активна. «Опасность» заключается не столько в том, что альдегидная группа может окислиться в карбоксил или восстановиться в спирт, сколько тем, что глюкоза, имея такую альдегидную группу, может «подвязавшись» к какому-нибудь ферменту его инактивировать.

ФРУКТОЗА.

Фруктоза  С₆Н₁₂О₆ (более правильно–D–фруктоза) широко распространена в растительном мире. Фруктоза содержится во фруктах, в пчелином мёде, входит в состав сахара (сахарозы).

Фруктоза является изомером глюкозы и имеет ту же молекулярную формулу С₆Н₁₂О₆ . Она представляет собой кетогексозу, в кото-рой кетогруппа находится у второго углеродного атома в цепи. Фруктоза, как и глюкоза, существует в двух таутомерных формах — в открытой и замкнутой (циклической). От глюкозы фруктоза отличается меньшим размером цикла, который содержит не шесть, а пять атомов (включая кислород):

Как и глюкоза, фруктоза образует оптические изомеры, при этом количество хиральных центров меньше, чем у глюкозы — всего три. Поэтому число стереоизомеров у глюкозы N=2⁴ =16, а у фруктозы N=2³ =8 .

Фруктоза хорошо растворима в воде и имеет более сладкий вкус, чем глюкоза.

Поскольку фруктоза, как и глюкоза, является многоатомным спиртом, то вступает в те же реакции с участием гидроксильных групп.

В молекуле глюкозы таких асимметрических атомов углерода имеется 4, а у фруктозы — 3. Наличие асимметрических атомов углерода обусловливает получение изомеров, отличающихся друг от друга расположением атомов или групп атомов в пространстве. Число стереоизомеров зависит от числа асимметрических атомов углерода и вычисляется по формуле, в которой оно равно 2ⁿ, где n — число асимметрических атомов углерода. Таким образом, глюкоза имеет 2⁴ = 16 стереоизомеров, а фруктоза — 2³ = 8.

Особенностью фруктозы является невозможность окисления кетогруппы

ГАЛАКТОЗА.

Галактоза – это представитель класса простых молочных сахаров. В человеческий организм поступает в основном в составе молока, метаболизируется – в клетках печени, после чего попадает в кровь. Расщепление возможно благодаря специаль-ному ферменту. При его отсутствии возникает нарушение, именуемое галактоземия. В результате окисления галактозы в организме формируются клетки крови, сжигаются сложные углеводы, регулируются обменные процессы. Галактоза – это моносахарид класса гексоз, который есть в составе дисахарида лактозы и других полисахаридов. Не является незаменимым питательным веществом. Этот белый кристаллический порошок слабо растворяется в этаноле, а в воде – при 25 градусах по Цельсию. Температура плавле-ния составляет около 165-170 градусов, карамелизация вещества начинается при 160° по Цельсию. Содержится в молоке, сахарной свекле, камеди и в некоторых энергетических напитках. Встречается моносахарид в составе сложных углеводов, присутствующих в разных фруктах и овощах, таких как томаты, картофель, сельдерей, свекла, киви, вишни. Кроме того, человеческий организм спосо-бен самостоятельно синтезировать это вещество, которое является составной гликолипидов и гликопротеинов. Галактоза найдена в клетках головного мозга, нервных тканях. Это один из трех моносахаридов, встречающихся в природе (два других – глюкоза и фруктоза). Служит строительным блоком для другого не менее важного углевода – лактозы, которую человек получает из молока. Этот моносахарид крайне важен для производства молока у кормящих матерей. А вот в качестве подсластителя галактозу применя-ют крайне редко, хоть и принадлежит это вещество к сахарам. Сладости в ней на две третьи меньше, чем в обычном сахаре. Галактоза, подобно фруктозе, обладает низким гликемическим индексом, поэтому стоит говорить о ней, как о безопасном сахаре для лиц с диабетом. Также это вещество применяют в качестве легкого подсластителя в спортивных и других диетических напитках.

Галактоза, как глюкоза и фруктоза, принадлежит к классу гексоз. Все они похожи по своей структуре: содержат 6 атомов углерода, 6 атомов кислорода и 12 атомов водорода. Но, несмотря на то, что у всех трех моносахаридов (фруктоза, глюкоза, галактоза) формула идентична – C₆H₁₂О₆, между ними существуют биохимические отличия. В первую очередь – из-за различного расположения ато-мов в каждом конкретном случае, что делает эти вещества структурными изомерами. Может существовать в двух различных стерео-изомерных формах: L-галактоза; D-галактоза. D-изомер входит в состав олигосахаридов, гликозидов, полисахаридов. L-форма есть в красных водорослях. Галактозу называют умным сахаром, поскольку небольшое количество вещества способно обеспечить орга-низм значительным уровнем дополнительной энергии. Благодаря структуре, отличающейся от других сахаров, является полезным веществом для диабетиков и людей, соблюдающих диету для похудения. У всех млекопитающих галактоза синтезируется в организ-ме в основном из глюкозы. В химических лабораториях ученые получают галактозу из лактозы – в результате гидролитического расщепления вещества. После окисления галактозы возникают галактоновая и галактуроновая кислоты. Организм без проблем метаболизирует галактозу в печени. Но у некоторых лиц употребление этого моносахарида может послужить причиной плохого самочувствия. Эту болезнь называют галактоземией. Ее причиной служит генетический фактор – отсутствие в организме фермента, отвечающего за расщепление галактозы. Кроме того, невосприятие углевода может быть и при нарушениях работы печени.

Для лучшего усвоения изученного материала посмотрите видео-урок, перейдя по ссылке: https://youtu.be/j2-ARYMUZ2o

ДИСАХАРИДЫ.

Более сложными углеводами являются дисахариды, состоящие из двух моносахаридов, которые соединяются с выделением молеку-лы воды: лактоза — молочный сахар, мальтоза — солодовый сахар и сахароза — свекловичный или тростниковый сахар и трегалоза-грибной сахар. Они имеют важное пищевое значение и в кишечнике распадаются, образуя гексозы.

Дисахариды содержатся в следующих продуктах природного происхождения: 

• сахароза (свекловичный сахар) — в сахарной свёкле и сахарном тростнике;
• лактоза (молочный сахар) — в молоке;
• мальтоза (солодовый сахар) — в проросших семенах хлебных злаков; образуется также при частичном ферментативном гидролизе крахмала;
• трегалоза (грибной сахар) — в грибах,  в дрожжах, высших растениях.

Строение дисахаридов.

По своему строению дисахариды могут быть отнесены к гликозидам — соединениям, молекулы которых состоят из двух циклических остатков моносахаридов, соединённых через гликозидный гидроксил. Однако строение дисахаридов различно.

Молекула сахарозы состоит из шестичленного остатка α–глюкозы в пиранозной форме и пятичленного остатка β–фруктозы в фура-нозной форме, соединенных через гликозидный гидроксил глюкозы:

Молекула мальтозы состоит из двух остатков α -глюкозы в пиранозной форме, соединенных через 1– и 4–й атомы углерода:

Молекула лактозы состоит из остатков β-галактозы и глюкозы в пиранозной форме, соединенных через атомы С₁ и С₄ :

Молекула трегалозы состоит из двух остатков α-глюкозы, связанных гликозидной связью через атомы  С₁и С₁:

Особенности строения дисахаридов:

• тип гликозидной связи, соединяющей остатки моносахаридов (α- или β-);
• наличие или отсутствие полуацетального гидроксила.

Классификация дисахаридов.

В зависимости от того, какой гидроксил второго моносахарида участвует в образовании связи с первым моносахаридом, различают дисахариды двух типов: восстанавливающие и невосстанавливающие.

У восстанавливающих дисахаридов связь между моносахаридными остатками образована за счёт полуацетального гидроксила од-ной молекулы и спиртового гидроксила (чаще всего при четвёртом атоме углерода) второй молекулы. Для восстанавливающих дисахаридов характерна возможность существования как циклической (полуацетальной), так и открытой гидроксикарбонильной (альдегидной) формы. Для открытой формы за счёт альдегидной группы характерно наличие восстановительных свойств. Важней-шими представителями восстанавливающих моносахаридов являются мальтоза и  лактоза.  Невосстанавливающие дисахариды характеризуются связью между моносахаридами  с участием обоих полуацетальных гидрокси-лов, поэтому они не могут переходить в другие таутомерные формы и не обладают восстановительными свойствами. Важнейшими представителями невосстанавливающих дисахаридов являются сахароза и трегалоза.

Номенклатура дисахаридов.

Номенклатура олигосахаридов и дисахаридов очень громоздка. В названиях линейных олигосахаридов часто применяется последо-вательное перечисление моносахаридных остатков с указанием типа связи между ними. Чаще применяются тривиальные названия, принятые во всем мире.

Химические свойства дисахаридов.

Дисахариды относится гидролизуются в присутствии минеральных кислот или под действием ферментов с образованием соответст-вующих моносахаридов. Например, сахароза в кислой среде или в присутствии фермента β-фруктофуранозидазы гидролизуется, об-разуя смесь равных количеств глюкозы и фруктозы, которая называется инвертным сахаром:

2. Свойства, обусловленные наличием гидроксогрупп

Дисахариды проявляют также свойства многоатомных спиртов, образуя растворимые сахараты с гидроксидом меди(II) ярко-синего цвета.

3. Восстанавливающие свойства

Восстанавливающие дисахариды мальтоза и лактоза обладают восстановительными свойствами. Как и образующие их моносахари-ды, мальтоза и лактоза могут вступать в реакции «серебряного зеркала» с реактивом Толленса и «медного зеркала» с реактивом Фелинга. 

Невосстанавливающие дисахариды сахароза и трегалоза не обладают восстановительными свойствами, т. е. не могут давать реакции на альдегидную группу (не вступают в реакцию «серебряного зеркала» и не реагируют с раствором Фелинга).  

Производство сахарозы.

Свекловичный сахар (сахарозу) стали производить в промышленных масштабах из сахарной свеклы ещё в начале  века в России и в Германии.

Горячий раствор, образующийся при замачивании измельчённой свёклы, обрабатывают известковым молоком (суспензией гид-роксида кальция в воде). При этом большинство образующихся нерастворимых солей выпадает в осадок, а сахароза в виде раство-римого в воде сахарата кальция оказывается в растворе.

Затем раствор отделяют от осадка пропускают через него углекислый газ, в результате чего сахарат кальция разлагается на сахарозу и нерастворимый карбонат кальция.

После этого полученный раствор отфильтровывают и упаривают в вакуумных аппаратах, а выделяющиеся кристаллы сахара отде-ляют и высушивают. Получаемый сахар вследствие наличия примесей имеет жёлтый оттенок  и называется «сахар-сырец».

Для более полной очистки сахар снова растворяют и нагревают с активированным углем, который сорбирует все посторонние вещества. Для получения кристаллов сахара одинакового размера упаренный раствор сахара подвергают перекристаллизации. Полученный сахар носит название «сахар-рафинад».

Истинное сохранение питательных эквивалентов глюкозы обусловлено полисахаридами — это молекулы, состоящие из десятков, сотен или тысяч мономеров — моносахаридов.

Для лучшего усвоения изученного материала посмотрите видео-урок, перейдя по ссылке: https://youtu.be/BkzypkG777s

ПОЛИСАХАРИДЫ.

Общее название класса сложных высокомолекулярных углеводов, молекулы которых состоят из десятков, сотен или тысяч мономе-ров — моносахаридов, соединённых гликозидными связями. Моносахаридный остаток способен образовывать одну гликозидную связь с соседним моносахаридом, но может также предоставлять и несколько гидроксильных групп для присоединения других моносахаридов. Соответственно, молекулы полисахаридов могут иметь линейное и разветвлённое строение.

К наиболее часто встречающимся полисахаридам относятся:

• крахмал — основной полисахарид, откладываемый как энергетический запас у растительных организмов;
• декстрин — полисахарид, продукт неполного гидролиза крахмала;
• целлюлоза — основной структурный полисахарид клеточных стенок растений;
• гликоген — полисахарид, откладываемый как энергетический запас в клетках преимущественно животных организмов, встречается также в малых количествах в тканях растений и грибов;
• хитин — основной структурный полисахарид экзоскелета насекомых и членистоногих, а также клеточных стенок грибов.

Физические свойства полисахаридов.

Полисахариды — аморфные вещества, не растворяются в спирте и неполярных растворителях, растворимость в воде может быть различной. Некоторые полисахариды растворяются в воде с образованием коллоидных растворов. К ним относятся амилоза, слизи. Существуют также полисахариды, которые могут образовывать гели, например пектины, агар-агар. Клетчатка и хитин в воде не растворяются.

Биологические функции полисахаридов.

Полисахариды выполняют в живых организмах различные биологические функции: структурные полисахариды придают клеточ-ным стенкам прочность; водорастворимые полисахариды не дают клеткам высохнуть и защищают их; резервные полисахариды по мере необходимости расщепляются на моносахариды и используются организмом.

Резервными полисахаридами являются крахмал и гликоген. Такие вещества способны быстро гидролизоваться  под действием ферментов с постепенным выделением энергии.

Структурные полисахариды можно разделить на два класса. Первый класс представляют нерастворимые в воде полимеры, образую-щие волокнистые структуры и служащие армирующим материалом клеточной стенки.  К ним относятся целлюлоза высших расте-ний и некоторых водорослей и хитин грибов. Второй класс объединяет гелеобразующие полисахариды, обеспечивающие эластич-ность клеточных мембран. Характерными представителями этого класса являются пектины.

К защитным полисахаридам относят камеди высших растений — высокомолекулярные углеводы, выделяемые растениями в ответ на повреждение тканей, а также внеклеточные полисахариды микроорганизмов и водорослей, формирующие защитную капсулу.

Строение крахмала и целлюлозы.

КРАХМАЛ.

Растительный полисахарид со сложным строением, отвечающий общей молекулярной формуле (С₆Н₁₀О₅)_n. Крахмал представляет собой белый аморфный порошок, не растворимый в холодной воде. В горячей воде он разбухает и образует коллоидный раствор — крахмальный клейстер.

Крахмал является главным источником углеводов в рационе питания человека. Он используется в производстве кондитерских и кулинарных изделий, для склеивания бумаги и тканей.

Крахмал состоит из амилозы, имеющей линейное строение, и амилопектина, имеющего разветвлённое строение. В крахмале содержится приблизительно 70-80% амилопектина и 20-30% амилозы.

Амилоза.

Полисахарид крахмала, состоящий преимущественно из линейных или слаборазветвлённых цепочек, образованных остатками α-глюкозы, соединённых гликозидными связями между первым и четвёртым углеродными атомами.

Амилопектин.

Разветвлённый полисахарид, построенный из остатков α–глюкозы, которые связаны в основной цепи α–1,4-гликозидными, а в местах разветвлений — α–1,6-гликозидными связями.

Амилоза и амилопектин формируются в растениях в виде крахмальных зёрен. В клубнях картофеля содержится до 20% крахмала. В пшеничных и кукурузных зернах — около 70%, а в рисовых — почти 80%. 

ЦЕЛЛЮЛОЗА.

Самый распространённый растительный полисахарид. Целлюлоза содержится в растительных волокнах хлопка (до 95%), льна и конопли (до 80%), древесины (до 50%). Целлюлоза выполняет функцию опорного материала растений.

Целлюлоза, выделенная из природных материалов, представляет собой твёрдое волокнистое вещество, нерастворимое в воде. Целлюлоза — обязательный компонент клеточной оболочки растений. 

Целлюлоза — линейный полисахарид, построенный из остатков β–глюкозы, связанных β–1,4-гликозидными связями, отвечающий общей формуле [С₆Н₇О₂(ОН)₃]_n . Структурным элементом целлюлозы является целлобиоза. 

Целлюлоза и крахмал относятся к одному классу соединений, но различаются строением структурных звеньев. Звено крахмала включает остатки α–глюкозы, а целлюлоза — остатки β-глюкозы.

Целлюлоза представляет собой длинные нити, содержащие  300-10000 остатков глюкозы. Эти нити соединены между собой множест-вом водородных связей, что придает целлюлозе большую механическую прочность при сохранении эластичности. В отличие от крахмала, целлюлоза в воде не набухает и не растворяется. Для перевода целлюлозы в растворимую форму необходима её химичес-кая модификация. Например, целлюлозу можно растворить в реактиве Швейцера (гидроксид тетраамминмеди(II) — [Cu(NH₃)₄](OH)₂

Химические свойства крахмала и целлюлозы.

Для полисахаридов не характерны открытые формы, поэтому для них возможны только реакции по свободным гидроксильным группам в каждом звене полимерной цепи, они во многом повторяют свойства многоатомных спиртов.

1. Гидролиз

И крахмал, и целлюлоза могут подвергаться гидролизу с образованием глюкозы в качестве конечного продукта.

Крахмал подвергается сложному многоступенчатому гидролизу по схеме:

Крахмал участвует в обмене веществ и в пищеварительном тракте животных организмов, в том числе и человека. Первая ступень расщепления крахмала происходит под действием ферментов слюны. Затем в желудке продолжается расщепление поступающих с пищей поли- и дисахаридов до моносахарида — α-глюкозы, которая из кишечника всасывается в кровь.

При гидролизе целлюлозы образуется β–глюкоза. Однако организм человека не приспособлен к перевариванию целлюлозы, т.к. в желудочно-кишечном тракте отсутствуют ферменты, необходимые для протекания гидролиза, то есть для разрыва связей между остатками β-глюкозы. В организме жвачных животных живут микроорганизмы, вырабатывающие такие ферменты. Аналогичные микроорганизмы присутствуют и у термитов, которые способны расщеплять целлюлозу древесины. 

2. Качественная реакция на крахмал

Качественной реакцией на крахмал является посинение раствора иода.

3. Образование сложных эфиров

Крахмал и целлюлоза могут образовывать сложные эфиры с неорганическими и органическими кислотами за счёт присутствия гидроксильных групп:

Сложные эфиры органических и неорганических кислот, образованные целлюлозой нашли широкое практическое применение: ацетат целлюлозы используется при производстве ацетатного волокна, а нитраты — при производстве бездымного пороха, красок, лаков и пластиков (целлулоид).

Для закрепления изученного материала перейдите по ссылке: https://learningapps.org/watch?v=pb23u1mp523 и выполните задания.