Строение дисахаридов, их химические и физические свойства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Углеводы - вещества состава Cn(H2O)m, имеющие первостепенное биохимическое значение, широко распространены в живой природе и играют большую роль в жизни человека.

Название углеводы возникло на основании данных анализа первых известных представителей этой группы соединения. Вещества этой группы состоят из углерода, водорода и кислорода, причем соотношение чисел атомов водорода и кислорода в них такое же, как и в воде, т.е. на каждые 2 атома водорода приходится один атом кислорода. В прошлом столетии их рассматривали как гидраты углерода. Отсюда и возникло русское название углеводы, предложенное в 1844г. К. Шмидтом.

Углеводы разделяются на три категории: моносахариды, дисахариды и полисахариды.

К широко распространенным и имеющим важное значение как компоненты пищевых продуктов, относятся дисахариды: сахароза, лактоза, мальтоза и др. Дисахарид целлобиоза имеет важное значение для жизни растений.

По химическому строению дисахариды являются гликозидами моносахаридов. Большинство дисахаридов состоят из гексоз, но в природе известны дисахариды, состоящие из одной молекулы гексозы и одной молекулы пентозы.

При образовании дисахарида одна молекула моносахарида всегда образует связь со второй молекулой с помощью своего полуацетального гидроксила. Другая молекула моносахарида может соединяться либо также полуацетальным гидрокислом, либо одним из спиртовых гидроксилов. В последнем случае в молекуле дисахарида будет оставаться свободным один полуацетальный гидроксил.

Дисахариды при гидролизе образуют два одинаковых или различных моносахарида. Для установления их строения необходимо знать, из каких моноз построен дисахарид; в какой форме, фуранозной или пиранозной, находится моносахарид в дисахариде; с участием каких гидроксилов связаны две молекулы простого сахара и поэтому только при изучении этой темы можно ответить на те или иные вопросы.

Целью изучения работы является изучение строения дисахаридов, их химических и физических свойств, а также биологической роли.

1. Дисахариды

1.1 Сахароза

1.1.1 Строение и внешний вид сахарозы

Дисахариды состоят из двух моносахаридных остатков, связанных гликозидной связью. Их можно рассматривать как О-гликозиды, в которых агликоном является остаток моносахарида. Общая формула дисахаридов, как правило, C12H22O11.

Возможно два варианта образования гликозидной связи:

1) за счет гликозидного гидроксила одного моносахарида и спиртового гидроксила другого моносахарида;

2) за счет гликозидных гидроксилов обоих моносахаридов.

Дисахарид, образованный первым способом, содержит свободный гликозидный гидроксил, сохраняет способность к цикло-оксо-таутомерии и обладает восстанавливающими свойствами (лактоза, мальтоза, целлобиоза).

В дисахариде, образованном вторым способом, нет свободного гликозидного гидроксила. Такой дисахарид не способен к цикло-оксо-таутомерии и является невосстанавливающим (сахароза, трегалоза) /1/.

Сахароза C12H22O11, или свекловичный сахар, тростниковый сахар, в быту просто сахар - дисахарид, состоящий из двух моносахаридов - б-глюкозы и в-фруктозы, чрезвычайно широко распространена в растениях, особенно много ее в корнеплодах свеклы (от 14 до 20%), а также в стеблях сахарного тростника (от 14 до 25%). Сахароза является транспортным сахаром, в виде которого углерод и энергия транспортируются по растению. Именно в виде сахарозы углеводы перемещаются из мест синтеза (листья) к месту, где они откладываются в запас (плоды, корнеплоды, семена).

Сахароза является весьма распространённым в природе дисахаридом, она встречается во многих фруктах, плодах и ягодах. Особенно велико содержание сахарозы в сахарной свёкле и сахарном тростнике, которые и используются для промышленного производства пищевого сахара. Сахароза играет огромную роль в питании человек. Характерная особенность сахарозы - лёгкость её гидролиза в кислом растворе - скорость её гидролиза примерно в 1000 раз больше, чем скорость гидролиза мальтозы или лактозы. Сахароза имеет высокую растворимость. В химическом отношении фруктоза довольно инертна, т.е. при перемещении из одного места в другое почти не вовлекается в метаболизм. Иногда сахароза откладывается в качестве запасного питательного вещества.

Сахароза, попадая в кишечник, быстро гидролизуется альфа-глюкозидазой тонкой кишки на глюкозу и фруктозу, которые затем всасываются в кровь. Ингибиторы альфа-глюкозидазы, такие, как акарбоза, тормозят расщепление и всасывание сахарозы, а также и других углеводов, гидролизуемых альфа-глюкозидазой, в частности, крахмала. Это используется в лечении сахарного диабета 2-го типа.

Синонимы: альфа-D-глюкопиранозил-бета-D-фруктофуранозид, свекловичный сахар, тростниковый сахар.

Кристаллы сахарозы - бесцветные моноклинные кристаллы. При застывании расплавленной сахарозы образуется аморфная прозрачная масса - карамель /7/.

Сахароза состоит из a-Д-глюкопиранозы и b-Д-фруктофуранозы, соединенных a-1>b-2-связью за счет гликозидных гидроксилов (рис. 1):

Рис. 1 Строение сахарозы

Сахароза не содержит свободного полуацетального гидроксила, поэтому она не способна к окси-оксо-таутомерии и является невосстанавливающим дисахаридом /2/.

При нагревании с кислотами или под действием ферментов a-глюкозидазы и b-фруктофуранозидазы (инвертазы) сахароза гидролизуется с образованием смеси равных количеств глюкозы и фруктозы, которая называется инвертным сахаром (рис. 2).

Рис. 2 Гидролиз сахарозы при нагревании с кислотами или под действием ферментов

1.1.2 Химические и физические свойства сахарозы

Молекулярная масса 342,3 а.е.м. Брутто-формула (система Хилла): C12H22O11. Вкус сладковатый. Растворимость (грамм на 100 грамм): в воде 179 (0°C) и 487 (100°C), в этаноле 0,9 (20°C). Малорастворима в метаноле. Не растворима в диэтиловом эфире. Плотность 1,5879 г/см3 (15°C). Удельное вращение для D-линии натрия: 66,53 (вода; 35 г/100г; 20°C). При охлаждении жидким воздухом, после освещения ярким светом кристаллы сахарозы фосфоресцируют. Не проявляет восстанавливающих свойств - не реагирует с реактивом Толленса и реактивом Фелинга. Наличие гидроксильных групп в молекуле сахарозы легко подтверждается реакцией с гидроксидами металлов. Если раствор сахарозы прилить к гидроксиду меди (II), образуется ярко-синий раствор сахарата меди. Альдегидной группы в сахарозе нет: при нагревании с аммиачным раствором оксида серебра (I) она не дает "серебряного зеркала", при нагревании с гидроксидом меди (II) не образует красного оксида меди (I). Из числа изомеров сахарозы, имеющих молекулярную формулу С12Н22О11, можно выделить мальтозу и лактозу /6/.

Реакция сахарозы с водой. Если прокипятить раствор сахарозы с несколькими каплями соляной или серной кислоты и нейтрализовать кислоту щелочью, а после этого нагреть раствор, то появляются молекулы с альдегидными группами, которые и восстанавливают гидроксид меди (II) до оксида меди (I). Эта реакция показывает, что сахароза при каталитическом действии кислоты подвергается гидролизу, в результате чего образуются глюкоза и фруктоза: С12Н22О11 + Н2О > С6Н12O6 + С6Н12O6.

1.1.3 История и получение сахарозы

Сахарный тростник, из которого до сих пор получают сахарозу, описан еще в хрониках о походах Александра Македонского в Индию. В 1747г. А. Марграф получил сахар из сахарной свеклы, а его ученик Ахард вывел сорт с высоким содержанием сахара. Эти открытия послужили началом свеклосахарной промышленности в Европе. Когда именно русские люди познакомились с кристаллическим сахаром, точно неизвестно, но историки утверждают, что в России инициатором производства чистого сахара из привозимого сырца был Петр 1. В Кремле для переработки сладкого лакомства имелась специальная "сахарная палата". Источники сахара могут быть весьма экзотичны. В Канаде, США и Японии, например, из сока сахарного клена (Acer saccharum) вырабатывают кленовый сироп, состоящий на 98% из сахаридов, среди которых сахароза составляет 80-98%. К середине XIX века сложилось представление, что сахароза - единственное природное сладкое вещество, пригодное для промышленного производства. Позже это мнение изменилось, и для специальных целей (питания больных, спортсменов, военных) были разработаны методы получения и других натуральных сладких веществ, конечно, в меньших масштабах.

Индусы еще за 300 лет до нашей эры умели получать тростниковый сахар из тростника. В наше время получают сахарозу из тростника, произрастающего в тропиках (на о. Куба и в других странах Центральной Америки).

В середине 18 века дисахарид был обнаружен в сахарной свекле, а в середине 19 века был получен в производственных условиях. В сахарной свекле содержится 12-15% сахарозы, по другим источникам 16-20% (сахарный тростник содержит 14-26% сахарозы). Сахарную свеклу измельчают и извлекают из нее сахарозу горячей водой в специальных аппаратах-диффузорах. Полученный раствор обрабатывают известью для осаждения примесей, а перешедший частично в раствор избыточный гидролиз кальция осаждают пропусканием диоксида углерода. Далее после отделения осадка раствор упаривают в вакуум-аппаратах, получая мелкокристаллический песок-сырец. После его дополнительной очистки получают рафинированный (очищенный) сахар. В зависимости от условий кристаллизации он выделяется в виде мелких кристаллов или в виде компактных "сахарных голов", которые раскалывают или распиливают на куски. Быстрорастворимый сахар готовят прессованием мелкоизмельченного сахарного песка /7/.

1.2 Мальтоза

Мальтоза - дисахарид (солодовый сахар, лат. malt - солод) - обнаружена во многих растениях в небольших количествах, в больших количествах накапливается в солоде - обычно в семенах ячменя, проросших в определенных условиях. Поэтому мальтозу часто называют солодовым сахаром. Мальтоза образуется в растительных и животных организмах в результате гидролиза крахмала под действием амилаз; если долго жевать хлеб можно почувствовать сладковатый вкус мальтозы, образующейся из крахмала хлеба под действием амилазы слюны. Мальтоза содержится в большом количестве в солоде и сусле.

Солод, продукт проращивания зерен злаков (ячменя, ржи, пшеницы, овса). Применяется в производстве пива. Сусло - сладкий водный экстракт солода, предназначенный к сбраживанию. Продуктом сбраживания сусла является пиво.

Мальтоза содержит два остатка Д-глюкопиранозы, соединенных между собой a (1>4) гликозидной связью (рис. 3).

Рис. 3 Строение мальтозы

Мальтоза обладает восстанавливающими свойствами и является восстанавливающим дисахаридом, что используется при ее количественном определении. Она легко растворима в воде. Раствор обнаруживает мутаротацию.

Под действием фермента a-глюкозидазы (мальтазы) солодовый сахар гидролизуется с образованием двух молекул глюкозы (рис. 4):

Рис. 4 Гидролиз солодового сахара под действием фермента мальтазы

Мальтоза сбраживается дрожжами. Эта способность мальтозы используется в технологии бродильных производств при производстве пива, спирта этилового и т.д. из крахмалсодержащего сырья /2/.

1.3 Лактоза

Лактоза - дисахарид (молочный сахар) - содержится только в молоке млекопитающих (2-8%) и получается в сыроваренной промышленности из молочной сыворотки после отделения творога, идёт на производство лактулозы и как инертный наполнитель для лекарственных препаратов. Сбраживается лишь особыми лактозными дрожжами, содержащимися в кефире и кумысе.

В организме гидролиз лактозы происходит под действием фермента лактазы. При недостаточности выработки лактазы наблюдается лактазный дефицит и неспособность переваривать лактозу. Поэтому при потреблении молока людьми с лактазным дефицитом, лактоза не переваривается, а начинает сбраживаться кишечной микрофлорой с различными неприятными последствиями (метеоризм, диаррея). Это явление носит также следующие названия непереносимость лактозы, мальабсорбция лактозы, гиполактазия.

У большинства людей и млекопитающих ген лактазы выключается по мере взросления. Это объясняется тем, что млекопитающие потребляют молоко только в младенчестве, и в дальнейшем нет смысла тратить энергию и аминокислоты на синтез лактазы. Однако, в результате мутации в одном из регуляторных генов, чей продукт выключал ген лактазы, этот фермент (лактаза) стал синтезироваться на протяжении всей жизни. Примерно 70% европейцев усваивают молоко (то есть переносят лактозу) в зрелом возрасте, тогда как в Африке, Океании и Центральной Азии только 30% населения умеют вырабатывать лактозу. Однако, отдельные народы Африки с традиционно высоким потреблением молока (тутси, фуланы, туареги и др.) не имеют проблем с перевариванием лактозы.

Лактоза построена из остатков b-Д-галактопиранозы и a-Д-глюкопиранозы, соединенных между собой b-(1>4)-гликозидной связью (рис. 5). Лактоза является восстанавливающим дисахаридом, причем свободный полуацетальный гидроксил принадлежит остатку глюкозы, а кислородный мостик связывает первый углеродный атом остатка галактозы с четвертым атомом углерода остатка глюкозы.

Рис. 5 Строение лактозы

Лактоза гидролизуется под действием фермента b-галактозидазы (лактазы) (рис. 6):

Рис. 6 Гидролиз лактозы под действием фермента лактазы

Лактоза отличается от других сахаров отсутствием гигроскопичности - она не отсыревает. Молочный сахар применяется как фармацевтический препарат и как питательное средство для грудных детей. Водные растворы лактозы мутаротируют, лактоза имеет в 4-5 раз менее сладкий вкус, чем сахароза.

Содержание лактозы в женском молоке достигает 8%. Из женского молока выделено более 10 олигосахаридов, структурным фрагментом которых служит лактоза. Эти олигосахариды имеют большое значение для формирования кишечной флоры новорожденных, некоторые из них подавляют рост болезнетворных кишечных бактерий, в частности - лактулоза /4/.

1.4 Целлобиоза. Лактулоза. Трегалоза

Целлобиоза. в-D -глюкопиранозил-(1>4)-D-глюкопираноза.

Остатки глюкозы связаны в -1,4 - гликозидной связью. Является строительной единицей клетчатки (целлюлозы). В свободном виде содержится в соке некоторых деревьев. Целлобиоза - восстанавливающий дисахарид, но в отличие от лактозы при полном гидролизе даёт только D-глюкозу. Высшие животные не в состоянии усваивать целлюлозу, так как не обладают разлагающим ее ферментом. Однако улитки, гусеницы и черви, содержащие ферменты целлобиазу и целлюлазу, способны расщеплять (и тем самым утилизовать) содержащие целлобиозу растительные остатки.

Лактулоза. в-D-галактопиранозил-(1>4)-D-фруктофураноза. Лактулоза не встречается в природе. В промышленности получают из лактозы. Используется в медицине для лечения и предотвращения запоров. Иногда добавляется в детские молочные продукты. Лактулоза является восстанавливающим дисахаридом.

Трегалоза (грибной сахар). a-D-глюкопиранозил-a-D-глюкопиранозид.

Два остатка глюкозы связаны друг с другом за счёт полуацетальных гидроксильных групп, поэтому трегалоза не является восстанавливающим дисахаридом. Содержится в грибах и некоторых растениях. В дрожжах содержание трегалозы достигает 18% на сухое вещество.

Другие дисахариды, такие как мелибиоза, гентибиоза, тураноза, примвероза и т.д. встречаются редко /5/.

2. Химические свойства дисахаридов

Дисахариды вступают в большинство реакций, характерных для моносахаридов: образуют простые и сложные эфиры, гликозиды, производные по карбонильной группе. Восстанавливающие дисахариды окисляются до гликобионовых кислот. Гликозидная связь в дисахаридах расщепляется под действием водных растворов кислот и ферментов. В разбавленных растворах щелочей дисахариды устойчивы. Ферменты действуют селективно, расщепляя только ?- или только ?-гликозидную связь /6/.

Последовательность реакций - окисление, метилирование, гидролиз, позволяет установить строение дисахарида (рис.7).

Рис. 7 Строение дисахарида

Окисление дает возможность определить, остаток какого моносахарида находится на восстанавливающем конце. Метилирование и гидролиз дают информацию о положении гликозидной связи и размерах цикла моносахаридных звеньев. Конфигурация гликозидной связи (??или ?? может быть определена с помощью ферментативного гидролиза /1/.

3. Биологическая роль дисахаридов

Сахароза в желудочно-кишечном тракте распадается на глюкозу и фруктозу. Сахароза - наиболее распространенный сахар. Источники сахарозы: сахарная свекла (14-18%) и сахарный тростник (10-15%). Содержание сахарозы: в сахарном песке - 99,75%, в сахаре-рафинаде - 99,9%.

Сахароза обладает способностью превращаться в жир. Избыточное поступление этого углевода в пищевом рационе вызывает нарушение жирового и холестеринового обмена в организме человека, оказывает отрицательное воздействие на состояние и функцию кишечной микрофлоры, повышая удельный вес гнилостной микрофлоры, усиливая интенсивность гнилостных процессов в кишечнике, приводит к развитию метеоризма кишечника. Избыточное количество сахарозы в питании детей приводит к развитию кариеса зубов.

Лактоза - углевод животного происхождения. При гидролизе расщепляется на глюкозу и галактозу. Гидролиз протекает медленно, ограничивая процесс брожения, что имеет большое значение в питании детей грудного возраста. Поступление лактозы в организм способствует развитию молочнокислых бактерий, подавляющих развитие гнилостных микроорганизмов. Лактоза в наименьшей степени используется для жирообразования и при избытке не повышает содержание холестерина в крови. Источник лактозы: молоко и молочные продукты, в которых содержание этого дисахарида может достигать 4-6%.

Сахароза, лактоза и мальтоза - ценные пищевые и вкусовые вещества. Производством сахарозы занята сахарная промышленность.

Дисахарид целлобиоза имеет важное значение для жизни растений, так как она входит в состав целлюлозы /4/.

сахароза гликозидный химический дисахарид

Заключение

Значение углеводов в питании человека весьма велико, к ним можно отнести следующее:

- углеводы являются хорошим энергетическим материалом;

- они входят в состав некоторых тканей и жидкостей организма;

- они противодействуют накоплению кетоновых тел при окислении жиров;

- придают пище ощущение сладкого вкуса, тонизируют центральную нервную систему;

- обладают биологической активностью (гепарин предотвращают свертывание крови в сосудах, шалуроновая кислота препятствует проникновению бактерий через клеточную оболочку).

- играют роль в защитных реакциях (особенно в печени) - люкуроновая кислота соединяется с токсическими веществами, образуя сложные нетоксичные эфиры, растворимые в воде, которые затем удаляются из организма с мочой.

Оптимальным считается потребление углеводов в количестве 55-65 % суточной калорийности рациона, что соответствует 300 - 500 г. Избыточное потребление углеводов ведет к развитию ожирения.

Неумеренное потребление сахара способствует развитию кариеса, нарушению возбудительных и тормозных процессов ЦНС, поддерживает воспалительные процессы, способствует аллергизации организма.

Дисахариды характеризуются легкой растворимостью в воде, быстрой усвояемостью (всасываемостью) и выраженным сладким вкусом.

Наибольшее значение в питании человека имеет сахароза (тростниковый сахар), которая в значительном количестве поступает в организм с пищей. Подобно глюкозе и фруктозе сахароза после расщепления ее в кишечнике под влиянием сахарозы до глюкозы и фруктозы быстро всасывается из желудочно-кишечного тракта в кровь и служит легко утилизируемым источником энергии, а также одним из наиболее важных предшественников гликогена и триглицеридов. Важнейшим пищевым источником сахарозы является сахар.

Тростниковый сахар применяется в медицине для изготовления порошков, сиропов, микстур и т.д.

Свекловичный сахар широко применяется в пищевой промышленно-сти, кулинарии, приготовлении вин, пива и т.д.

Больше всего из дисахаридов употребляется сахар - до 40 - 45 кг в год, избыточное количество которого оказывает влияние на развитие атеросклероза, ведет к гипергликемии.

Наряду с сахаром, представляющим собой практически чистую (на 99,5 %) сахарозу, наиболее богаты сахарозой продукты и блюда, изготовляемые с добавлением сахара (кондитерские изделия, компоты, кисели, варенье, джемы, сырковая масса, мороженое, сладкие фруктовые напитки и др.), а также некоторые фрукты и овощи.

Мед содержит лишь 1 - 2 % сахарозы. Содержание сахарозы в винограде и ягодах очень низко.

Лактоза (молочный сахар) является основным углеводом молока и молочных продуктов. Ее роль весьма значительна в раннем детском возрасте, когда молоко служит основным продуктом питания.

Лактоза (молочный сахар) является основным углеводом молока и молочных продуктов. Ее роль весьма значительна в раннем детском возрасте, когда молоко служит основным продуктом питания. Лактоза расщепляется в желудочно-кишечном тракте под влиянием фермента лактазы до глюкозы и галактозы. Недостаточность этого фермента, по-видимому, лежит в основе непереносимости молока.

Мальтоза (солодовый сахар) -- промежуточный продукт расщепления крахмала и гликогена в желудочно-кишечном тракте, происходящего под влиянием амилазы - фермента, выделяемого поджелудочной железой. Образующаяся мальтоза расщепляется затем мальтазой кишечного сока до двух остатков глюкозы.

В свободном виде в пищевых продуктах мальтоза встречается в меде, солоде, пиве, патоке (мальтозной) и продуктах, изготовляемых с добавлением патоки (хлебобулочные, кондитерские изделия).

Таким образом, знания о значении углеводов, в том числе дисахаридов, в питании человека и их дальнейшее изучение, позволяют человеку контролировать потребность и нормирование углеводов в питании с целью развития и становления здорового организма человека.

Список используемых источников

1. Габриелян О.С. Учебник Химия 10 класс, 2013г. - 268 с.

2. Кузнецова Н. Е. Учебник Химия 10 класс, 2012г. - 288 с.

3. М. Н. Мисюк, В. В. Максименко. Основы медицинских знаний: Учеб-но-методический комплекс для студентов специальности - ПСИХОЛОГИЯ. - Минск.: Изд-во МИУ, 2009г.

4. Сорочинская Е.И. - Биоорганическая химия. Поли- и гетерофункцио-нальные соединения. Биополимеры и их структурные компоненты. СПб.: Изд-во СПб-госуниверситета, 2001г. - 148 с.

5. Н. А. Тюкавкина, Ю. И. Бауков. Биоорганическая химия. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Медицина, 2003г. - 528 с. - (Учебная литература для студентов медицинских институтов)

6. http://all-gigiena.ru/lit/344-biologicheskaya-rol-disaxaridov

7. http://ua.coolreferat.com/Сахароза

Размещено на Allbest.ru