Будова та класифікація вуглеводів

У хімії і біології до вуглеводів відносять безліч органічних сполук. У самому загальному сенсі до цього класу можна віднести цукру і похідні від них речовини, які утворюються при гідролізі. Вуглеводи є невід'ємною складовою всіх органічних сполук. Про все різноманіття прояву цих речовин може розповісти класифікація вуглеводів.

Біологія

Клітинам живих організмів вуглеводи потрібні в якості акумуляторів і джерел енергії. У сухому речовині рослин міститься до 90 % вуглеводів. Представники фауни також мають у складі своїх клітин вуглеводи – до 20% від загальної маси сухої речовини. Класифікація вуглеводів стандартизує ці високомолекулярні сполуки і представляє їх в наочному вигляді. Розуміння структури вуглеводів, внутрішньої будови цих сполук – ключ до осягнення основ усього живого, до розуміння самої таємниці життя. Важливою частиною процесу пізнання цих речовин є класифікація вуглеводів.

Схема

Всі відомі вуглеводи поділяють на три великі групи: - моносахариди; - дисахариди; - полісахариди. Всі три групи мають різні фізико-хімічні характеристики. Класифікація та будова вуглеводів базується саме на цих трьох китах.

Моносахариди

Таку назву носять прості вуглеводи, які розщеплюються водою на найпростіші органічні з'єднання. Типовим прикладом моносахариду є глюкоза. Хімічний склад цієї речовини виражається формулою C 2 H 12 O 5 . Класифікація вуглеводів відводить глюкози почесне перше місце. Це речовина – важливий із моносахаридів, що міститься у фруктових соках, у крові тварин і людини. В чистому вигляді глюкоза являє собою білі напівпрозорі кристали з вираженим солодким смаком. М'язова робота ссавців відбувається за рахунок енергії, одержуваної при окисленні глюкози. Внутрішня будова цієї речовини виражається структурною формулою:




Глюкоза може бути отримана при гідролізі різних полісахаридів - крохмалю або целюлози. Вона застосовується як компонент посиленого харчування та ліки. Фруктоза - ще один моносахарид, який зустрічається нарівні з глюкозою в різних фруктових і ягідних соках, у суміші з глюкозою входить до складу меду. Виглядає так само, як і її сусідка, але на смак значно солодше. Схема будови фруктози представлена на малюнку: Класифікація вуглеводів відносить моносахариди до тієї ж групи, що і альдегидо - і кеноспирти. Всі ці речовини можуть вступати в реакцію не тільки у відкритих ланцюгових формах, але й в циклічних. Циклічна глюкоза може існувати у видах, які відрізняються між собою просторовим розташуванням гидроксогруппи при першому вуглецевому атомі. Глюкоза у складі натуральних продуктів має циклічну альфа-формулу. При розчиненні у воді ця циклічна зв'язок перетворюється в ланцюгову, а потім – і в зв'язок з ?-формулою. Стандартний водний розчин глюкози містить три рівноважних різновиди цієї речовини.

Дисахариди

Так називаються вуглеводи, які при нагріванні водних розчинів в присутності мінеральних кислот чи ферментів піддаються гідролізу й розпадаються на дві молекули моносахаридів. Найбільш поширеним елементом цієї групи класифікація вуглеводів вважає сахарозу. Сахароза міститься у свекловичном та тростинному цукрі. Її хімічна формула: C 12 H 22 O 11 . Значна кількість цієї речовини присутня в березовому і кленовому соку, в деяких фруктах. Сахароза – один з найважливіших харчових продуктів. При гідролізі вона розпадається на молекули глюкози і фруктози – суміш одержуваних елементів відноситься до инвертним сахарів, які також вивчає класифікація вуглеводів. Схема внутрішньої будови сахарози представлена нижче:

Полісахариди

У третю групу класифікація вуглеводів відносить речовини , при розпаді яких утворяться дисахариди, а після – багато (сотні і тисячі) молекул моносахаридів. Класифікація та функції вуглеводів цього розділу суттєво відрізняються від своїх більш легких братів – вони не мають солодкого смаку, і в більшості своїй нерозчинні у воді. Найважливішими представниками цієї групи є целюлоза (клітковина) і крохмаль. Молекули цих вуглеводів збудовані з довгих ланцюжків з повторюваними ланками C 6 H 10 O 5 . Ці ланки – залишки циклічних форм глюкози, які втратили молекулу воду і пов'язані між собою в шестичлени. Тому класифікація вуглеводів дає однакову формулу і для целюлози, і для крохмалю, яка виражається, як (C 6 H 10 O 5 ) х . Відмінність полягає в тому, що крохмаль складається з ланок ?-формули, а целюлоза - з ?-формули глюкози. Крохмаль описується формулою (C 6 H 10 O 5 ) х , де змінна може досягати значень 4-5 тис. Ця речовина утворюється в зелених пагонах різних рослин шляхом фотосинтезу. Він може відкладатися про запас» в бульбах, зернах і кореневищах. Травний тракт людини переробляє крохмаль допомогою гідролізу в присутності ферментів і розщеплює його до стану глюкози, яка потім засвоюється людиною.

Класифікація та функції вуглеводів складного типу

Целюлозою називається волокниста речовина, яка є складовою частиною оболонок клітин різних рослин. Формула її аналогічна формулі крохмалю - (C 6 H 10 O 5 ) х . Кількість повторення ланок ланцюга досягає 12 тисяч. Найбільш чиста природна целюлоза міститься в бавовняному волокні – до 90% від сухої речовини. У деревині целюлоза займає близько половини від сухої ваги речовини, В хвойних деревних породах цей елемент присутній нарівні зі своїми супутниками – лігніном і гемицеллюлозой. Целюлоза і крохмаль не розчиняється у холодній воді. При нагріванні крохмаль набухає, утворюючи при цьому колоїдний розчин. Целюлоза не розчиняється в воді навіть при високій температурі. Вона не розчиняється в спиртах, стійка до дії лугів і слабких окисників. Гідроліз целюлози можливий лише при розчиненні її в концентрованих мінеральних кислотах, наприклад сірчаної. При нагріванні такого розчину целюлоза розщеплюється, утворюючи в'язкий розчин. Кінцевим продуктом даної реакції є моносахариди.

Значення вуглеводів

Класифікація та будова вуглеводів вивчається багатьма суміжними науками. Значення цих органічних речовин у медицині, хімічній, харчовій, переробній промисловості досить високо. Можна сподіватися, що вищенаведена класифікація вуглеводів з прикладами дасть загальне уявлення про природу цих речовин та їх важливу роль у господарській діяльності людини.