Въглехидрати (захари) – глюкоза и фруктоза. Полизахариди

Въглехидрати (захари) – представляват клас органични съединения, които подобно на аминокиселините са от изключително значение за живота на Земята. Те могат да бъдат разглеждани като съеднинения на въглерода с водата. Всъщност популярното им название означава буквално хидрати на въглерода – „въгле” от въглерод и „хидрат” от вода. По номенклатурата на IUPAC се наричат глуциди. Общата формула на захарите е C_n(H₂O)_m.

Въглехидратите имат два типа функционални групи – хидроксилни (-ОН) и карбонилни групи. Карбонилната група може да е кетонна (=СО) и тогава съединението ще е полихидроксикетон. Ако карбонилната група е алдехидна (-СОН), съединението ще е полихидроксиалдехид. Наличието или отсъствието на една от тези групи определя химичните и биологичните свойства на захарите.

Видове въглехидрати

Най-простите въглехидрати не могат да се хидролизират и се наричат монозахариди. Техните молекули от една страна са големи, защото се състоят от няколко въглеродни атома, няколко кислородни и двойно повече водородни атоми. Но от друга страна, сравнени с огромните биоорганични молекули, монозахаридите са изключително малки. В действителност те служат като градивни единици на множество по-големи молекули и заради това още се назовават мономери.

Дизахаридите са въглехидрати, чиито молекули са съставени от два въглехидратни мономера. Могат да се разглеждат като получени чрез кондензация, при която се отделя вода. При кондензацията две монозахаридни молекули се свързват, като всяка участва в химичната връзка с по една от хидроксилните си групи и поне едната от двете трябва да е гликозидна (виж по-долу). Получената химична връзка също се нарича гликозидна връзка.

Олигозахаридите са въглехидрати, чиито молекули се състоят от 3 до 9 въглехидратни мономера. Могат да се разглеждат като получени чрез поликондензация. Някои автори включват в тази група и дизахаридите.

Полизахаридите са големи въглехидратни молекули, които при определени условия могат да се хидролизират. Техните молекули са съставени от голям брой монозахаридни мономери. Те не се разтварят във вода и се класифицират като незахароподобни. Полизахаридите може да бъдат еднородни по мономерния си състав (хомополимери) или разнородни по мономерния си състав (хетерополимери). Образуването им става чрез поликондензация. Някои формират линейни вериги, а други разклонени.

Монозахариди

Монозахаридите с алдехидна функционална група се наричат алдози, а тези с кетогрупа – кетози. Техните представители имат тривиални наименования завършващи с наставката -оза. От срещаните в природата, глюкозата, рибозата, и дезоксирибозата са алдози, а фруктозата е кетоза. Те са сладки на вкус и разтворими във вода. В зависимост от броя на въглеродните си атоми, монозахаридите биват триози (3С), тетрози (4С), пентози (5С), хексози (6С) и т.н. При един въглероден атом може да има само една хидроксилна група.

Триозата глицеролалдехид е най-простата по състав триоза от алдозите. Тъй като притежава асиметричен въглероден атом при него се наблюдава оптична изомерия. Получените енантиомери могат да имат R- или S- конфигурация (D, L – по старата система.)

Глюкоза и фруктоза

Природните въглехидрати глюкоза (гроздова захар) и фруктоза (плодова захар) са съответно алдохексоза и кетохексоза в линейните си форми. Те са продукт на процеса фотосинтеза (автотрофно хранене) и представляват основен енергиен източник за живите организми с несамостоен тип на хранене (хетеротрофно хранене). Растенията и някои бактерии синтезират самостойно тези монозахариди фотосинтезирайки, а животните ги получават с храната. Съкратеното уравнение на фотосинтезата е следното:

6CO₂ + 6H₂O + hν (слънчева светлина) → C₆H₁₂O₆ (глюкоза или фруктоза) + 6O₂

Веригите на глюкозата и фруктозата са съставени от шест атома въглерод. За начало се приема онази част от веригата, до която карбонилната група е най-близо.

Пръстеновидни форми

Хидроксилната група при петия въглероден атом на верижната форма е по-реактивоспособна от останалите хидроксилни групи. Тя може да участва във вътремолекулно взаимодействие с карбонилната група и да се образува пръстен, който се нарича пиранозен при глюкозата и фуранозен при фруктозата. Затова всеки монозахарид е възможно да съществува в отворена линейна или в циклична пръстеновидна форма. Пръстените могат да се изобразят относително точно със структурните формули на Хауърд.

Цикличната форма на глюкозата е от тип циклохексоза заради шестатомния пръстен. При нея въглеродът от алдехидната група е свързан с кислорода от петата хидроксилна група, от която пък водородът е мигрирал към карбонилния кислороден атом и се е формирала нова хидроксилна група наречена гликозидна (полуацетална хидроксилна група).

Ако гликозидната хидроксилна група е под или над равнината на пръстена, заедно с хидроксилната група намираща се при втория въглероден атом, тогава се наблюдава циклична α-глюкоза. Ако двете групи са разделени от равнината имаме циклична β-глюкоза.

Формулите на Хауърд, използвани по-горе да изобразят пръстените на глюкозата, не отразяват пространствено конформационната форма (виж Конформационна изомерия) на хексозите. Установено е, че подобно на циклохексана, глюкозата може да заема конформация стол, която се явява и най-стабилна от трите форми (стол, вана и равнинен хексагон). В зависимост от разположението на заместителите в пространството, енергетически най-изгодна е тази, в която водородните атоми се разполагат аксиално, а хидроксилните групи екваториално.

Цикличната форма на фруктозата е циклопентоза. Ако полукеталната хидроксилна група (подобна на гликозидната) е в една равнина с хидроксилната група на третия въглероден атом, тогава въглехидратната молекула е β – фруктоза. Ако двете хидроксилни групи са разделени от равнината на пръстена, получената е α-фруктоза.

Физични свойства

Глюкозата и фруктозата са безцветни кристални вещества, които натрошени на ситно изглеждат бели. Имат сравнително ниски температури на топене и кипене. Могат да се карамелизират и са разтворими във вода. На вкус са сладки, но нямат специфичен аромат.

Химични свойства на глюкоза и фруктоза

Химичните свойства на двете съединения се определят от наличието на карбонилна група и хидроксилни групи. Глюкозата и фруктозата (обща емпирична формула C₆H₁₂O₆) са добри редуктори и при взаимодействие с амонячен разтвор на сребърен оксид, след нагряване, дават реакция известна като „сребърно огледало“ в следствие на утаеното сребро. След взаимодействие на глюкоза с меден хидроксид, при обикновени условия се получава син куприглюкозат, а при реакция с прясно утаен меден хидроксид, след нагряване, се формира червена утайка от меден оксид:

1.) C₆H₁₂O₆ (линейна форма глюкоза) + 2Cu(OH)₂ → COOH(CHOH)₄CH₂OH (глюконова киселина) + 2H₂O + Cu₂O↓ (червена утайка);

2.) C₆H₁₂O₆ (линейна форма глюкоза) + Ag₂O (амонячен разтвор) →  COOH(CHOH)₄CH₂OH + 2Ag↓ (сребърно огледало);

По подобен начин се окислява и фруктозата, но получените продукти от реакцията с медния хидроксид са гликолова киселина и триоксимаслена киселина:

3.) C₆H₁₂O₆ (линейна форма фруктоза)  + 4Cu(OH)₂ → COOH-CH₂OH + COOH(CHOH)₂CH₂OH + 4H₂O + 2Cu₂O↓

Нека да не забравяме, въпреки че и двете съединения имат еднакъв количествен и качествен състав, те притежават различни функционални групи. Така в горните уравнения използваме една и съща емпирична формула за двете, но структурните им формули са различни. Поради тази причина фруктозата не се окислява от бромна вода, а само глюкозата влиза в такава реакция:

4.) OHC(CHOH)₄CH₂OH (линейна форма глюкоза) + Br₂/H₂O → COOH(CHOH)₄CH₂OH

Освен да се окисляват, глюкозата и фруктозата в присъствие на катализатори могат да се редуцират до алкохоли:

5.) C₆H₁₂O₆ + H₂/Ni → CH₂OH(CHOH)₄CH₂OH

Глюкозата и фруктозата могат да участват в процеса ферментация, в който под действието на ензими, тези въглехидрати се разпадат до етанол и вода. Този процес от хилядолетия насам се използва за производството на алкохолни напитки.

Рибоза и дезоксирибоза

Рибозата и дезоксирибозата са пентози с по пет въглеродни атома. Както названията им показват, дезоксирибозата е рибоза, при която липсва един кислороден атом. Те участват в качеството си на структурни единици при изграждането съответно на РНК и ДНК.

Дизахариди

Дизахариди се образуват от пръстенните форми на монозахаридите. Примери за дизахариди са захарозата, лактозата, малтозата и целобиозата.

Захарозата (обикновенната захар) е молекулно съединение, което се състои от остатъците на алфа-глюкоза и бета-фруктоза, свързани помежду си с гликозидна връзка. От физична гледна точка, тя е безцветно кристално вещество с ниски температури на топене и кипене. На вкус е сладка и се използва в хранителната промишленост, а също и за производството на алкохол.

Захарозата може да се хидролизира в кисела среда или с помощта на ензима захараза:

C₁₂H₂₂O₁₁ (захароза) + H₂O → C₆H₁₂O₆ (глюкоза) + C₆H₁₂O₆ (фруктоза)

Малтозата (малцова захар) е изградена от два остатъка алфа-глюкоза. Лактозата (млечната захар) е съставена от бета-галактозен остатък и бета-глюкозен остатък. Целобиозата се състои от два бета-глюкозни остатъка.

Полизахариди

Полизахаридите се наричат незахароподобни и за разлика от моно- и дизахаридите не са сладки и не се разтварят във вода. Те са големи полимерни молекули.

Нишестето (скорбяла) е изградено от алфа-глюкозни остатъци. То е смес от две вещества – амилопектин (силноразклонени вериги) и амилоза (неразклонени вериги).

Молекулата на целулозата е съставена от бета-глюкозни остатъци. Броят на мономерите ѝ може да варира от 3000 до 120 000.

Хитинът е подобен на целулозата полизахарид, който съдържа и аминогрупи. При хидролиза всички се разпадат на съставящите ги монозахариди.

Интересно е, че тревопасните могат да използват целулозата като енергоизточник точно благодарение на факта, че в храносмилателния им тракт има бактерии, които могат да я хидролизират до глюкоза. Гликогенът е полизахарид срещащ се предимно в черния дроб и в мускулите, който също е изграден изцяло от глюкозни остатъци, но за разлика от целулозата няма линейна верига, а е силно разклонен.

Въглехидрати – функции и биологично значение

Като органични съединения, всички въглехидрати имат 3 основни функции, които те изпълняват в живите организми.

Първата функция е енергийна. Както вече споменахме, те са основен енергоизточник в процесите на несамостойно хранене. При разграждането им се отделя голямо количество енергия, която клетките използват за жизнените си процеси. Oт един грам въглехидрати се отделят приблизително 17,6 килоджаула енeргия.

Втората функция е на енергиен резерв. При животните това е гликогена, а при растенията скорбялата. Сама по себе си пък целулозата в растенията е най-големия склад за въглерод в живата природа.

Третата функция, която изпълняват някои въглехидрати е структурна. Целулозата изгражда клетъчната стена на растителните клетки. Хитинът оформя екзоскелета при безгръбначните животни.

Възможно е обаче въглехидратите да изпълняват и други специфични функции. Полизахаридът хепарин например възпрепятства съсирването на кръвта в кръвоносните съдове и органите на организмите. Рибозата и дезоксирибозата, в качеството си на структурни единици на ДНК и РНК, участват в складирането и предаването на генетична информация.