Химические свойства галактозы уравнения реакций

Углеводы

Теория по теме Углеводы. Краткие конспект по углеводам. Классификация углеводов, химические свойства углеводов, способы получения углеводов. Свойства и получение моносахаридов (глюкоза, фруктоза), олигосахаридов (сахароза и др.), полисахаридов.

Исключение составляет дезоксирибоза, которая имеют формулу С₅Н₁₀O₄ (на один атом кислорода меньше, чем рибоза).

Классификация углеводов

По числу структурных звеньев

• Моносахариды — содержат одно структурное звено.
• Олигосахариды — содержат от 2 до 10 структурных звеньев (дисахариды, трисахариды и др.).
• Полисахариды — содержат n структурных звеньев.

Некоторые важнейшие углеводы:

По числу атомов углерода в молекуле

• Пентозы — содержат 5 атомов углерода.
• Гексозы — содержат 6 атомов углерода.
• И т.д.

По размеру кольца в циклической форме молекулы

• Пиранозы — образуют шестичленное кольцо.
• Фуранозы — содержат пятичленное кольцо.

Химические свойства, общие для всех углеводов

1. Горение

Все углеводы горят до углекислого газа и воды.

2. Взаимодействие с концентрированной серной кислотой

Концентрированная серная кислота отнимает воду от углеводов, при этом образуется углерод С («обугливание») и вода.

Моносахариды

Моносахариды являются структурными звеньями олигосахаридов и полисахаридов.

Важнейшие моносахариды

Название и формула	Глюкоза C6H12O6	Фруктоза C6H12O6	Рибоза C5H10O5
Структурная формула
Классификация	гексоза альдоза в циклической форме – пираноза	гексоза кетоза в циклической форме — фураноза	пентоза альдоза в циклической форме – фураноза

Глюкоза

Глюкоза – это альдегидоспирт (альдоза).

Она содержит шесть атомов углерода, одну альдегидную и пять гидроксогрупп.

Глюкоза существует в растворах не только в виде линейной, но и циклических формах (альфа и бета), которые являются пиранозными (содержат шесть звеньев):

α-глюкоза	β-глюкоза

Химические свойства глюкозы

Водный раствор глюкозы

В водном растворе глюкозы существует динамическое равновесие между двумя циклическими формами — α и β и линейной формой:

Качественная реакция на многоатомные спирты: реакция со свежеосажденным гидроксидом меди (II)

При взаимодействии свежеосажденного гидроксида меди (II) с глюкозой (и другими моносахаридами происходит растворение гидроксида с образованием комплекса синего цвета.

Реакции на карбонильную группу — CH=O

Глюкоза проявляет свойства, характерные для альдегидов.

• Реакция «серебряного зеркала»

• Реакция с гидроксидом меди (II) при нагревании. При взаимодействии глюкозы с гидроксидом меди (II) выпадает красно-кирпичный осадок оксида меди (I):

• Окисление бромной водой. При окислении глюкозы бромной водой образуется глюконовая кислота:

• Также глюкозу можно окислить хлором, бертолетовой солью, азотной кислотой.

• Каталитическое гидрирование. При взаимодействии глюкозы с водородом происходит восстановление карбонильной группы до спиртового гидроксила, образуется шестиатомный спирт – сорбит:

• Брожение глюкозы. Брожение — это биохимический процесс, основанный на окислительно-восстановительных превращениях органических соединений в анаэробных условиях.

Спиртовое брожение. При спиртовом брожении глюкозы образуются спирт и углекислый газ:

Молочнокислое брожение. При молочнокислом брожении глюкозы образуется молочная кислота:

Маслянокислое брожение. При маслянокислом брожении глюкозы образуется масляная кислота (внезапно):

• Образование эфиров глюкозы (характерно для циклической формы глюкозы).

Глюкоза способна образовывать простые и сложные эфиры.

Наиболее легко происходит замещение полуацетального (гликозидного) гидроксила.

Например, α-D-глюкоза взаимодействует с метанолом.

При этом образуется монометиловый эфир глюкозы (α-O-метил-D-глюкозид):

В более жестких условиях (например, с CH₃-I) возможно алкилирование и по другим оставшимся гидроксильным группам.

Моносахариды способны образовывать сложные эфиры как с минеральными, так и с карбоновыми кислотами.

Получение глюкозы

Гидролиз крахмала

В присутствии кислот крахмал гидролизуется:

Синтез из формальдегида

Реакция была впервые изучена А.М. Бутлеровым. Синтез проходит в присутствии гидроксида кальция:

Фотосинтез

В растениях углеводы образуются в результате реакции фотосинтеза из CO₂ и Н₂О:

Фруктоза

Она содержит шесть атомов углерода, одну кетоновую группу и пять гидроксогрупп.

Фруктоза	α-D-фруктоза	β-D-фруктоза

Фруктоза – кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, более сладкое, чем глюкоза.

В свободном виде содержится в мёде и фруктах.

Химические свойства фруктозы связаны с наличием кетонной и пяти гидроксильных групп.

При гидрировании фруктозы также получается сорбит.

Дисахариды

Сахароза (свекловичный или тростниковый сахар) С₁₂Н₂₂О₁₁

Молекула сахарозы состоит из остатков α-глюкозы и β-фруктозы, соединенных друг с другом:

В молекуле сахарозы гликозидный атом углерода глюкозы связан из-за образования кислородного мостика с фруктозой, поэтому сахароза не образует открытую (альдегидную) форму.

Сахароза подвергается гидролизу подкисленной водой. При этом образуются глюкоза и фруктоза:

Мальтоза С₁₂Н₂₂О₁₁

Это дисахарид, состоящий из двух остатков α-глюкозы, она является промежуточным веществом при гидролизе крахмала.

При гидролизе мальтозы образуется глюкоза.

Полисахариды

Основные представители — крахмал и целлюлоза — построены из остатков одного моносахарида — глюкозы.

Крахмал и целлюлоза имеют одинаковую молекулярную формулу: (C₆H₁₀O₅)_n, но совершенно различные свойства.

Это объясняется особенностями их пространственного строения.

Крахмал состоит из остатков α-глюкозы, а целлюлоза – из β-глюкозы, которые являются пространственными изомерами и отличаются лишь положением одной гидроксильной группы:

Крахмал

Крахмалом называется полисахарид, построенный из остатков циклической α-глюкозы.

В его состав входят:

• амилоза (внутренняя часть крахмального зерна) – 10-20%
• амилопектин (оболочка крахмального зерна) – 80-90%

Цепь амилозы включает 200 — 1000 остатков α-глюкозы (средняя молекулярная масса 160 000) и имеет неразветвленное строение.

Амилопектин имеет разветвленное строение и гораздо большую молекулярную массу, чем амилоза.

Свойства крахмала

• Гидролиз крахмала: при кипячении в кислой среде крахмал последовательно гидролизуется:

• Крахмал не дает реакцию “серебряного зеркала” и не восстанавливает гидроксид меди (II).

• Качественная реакция на крахмал: синее окрашивание с раствором йода.

Целлюлоза

Целлюлоза (клетчатка) – наиболее распространенный растительный полисахарид. Цепи целлюлозы построены из остатков β-глюкозы и имеют линейное строение.

Свойства целлюлозы

• Образование сложных эфиров с азотной и уксусной кислотами.

Нитрование целлюлозы.

Так как в звене целлюлозы содержится 3 гидроксильные группы, то при нитровании целлюлозы избытком азотной кислоты возможно образование тринитрата целлюлозы, взрывчатого вещества пироксилина:

Ацилирование целлюлозы.

При действии на целлюлозу уксусного ангидрида (упрощённо-уксусной кислоты) происходит реакция этерификации, при этом возможно участие в реакции 1, 2 и 3 групп ОН.

Получается ацетат целлюлозы – ацетатное волокно.

• Гидролиз целлюлозы.

Целлюлоза, подобно крахмалу, в кислой среде может гидролизоваться, в результате тоже получается глюкоза. Но процесс идёт гораздо труднее.

Углеводы. Моносахариды: свойства, состав. Глюкоза

Моносахариды свойства: кратко

Физические свойства:

Моносахариды являются твердыми кристаллическими веществами. Все они гигроскопичны, хорошо растворимы в воде, легко образуют сиропы. Растворимость моноз в спирте низкая, в эфире они практически нерастворимы. Растворы моносахаридов имеют нейтральную реакцию по лакмусу и обычно обладают сладким вкусом. Сладость разных моноз различна.

Например, фруктоза приблизительно в три раза слаще глюкозы. Растворы моносахаридов обладают оптической активностью, для них характерно явление мутаротации.

Химические свойства:

• Реакции карбонильных форм моносахаридов

Монозы легко окисляются, причем в зависимости от условий окисления образуются различные продукты.

Пример окисления глюкозы:

С помощью сильного окислителя — концентрированной азотной кислоты — концевые группы альдоз (альдегидная и первичноспиртовая) одновременно окисляются в карбоксильные группы, образуя гликаровые кислоты (называемые также сахарными):

Кетозы не окисляются слабыми окислителями.

При действии сильных окислителей происходит расщепление молекул. Так, например, при окислении фруктозы получаются винная и щавелевая кислоты:

Подобно обычным альдегидам, альдозы легко дают реакцию “серебряного зеркала” с аммиачным раствором оксида серебра (реактив Толленса):

Кетозы тоже способны восстанавливать катионы металлов, так как они в щелочной среде изомеризуются в альдозы.

При восстановлении моноз образуются многоатомные спирты, называемые альдитами (глицитами). Эти кристаллические, легко растворимые в воде вещества обладают сладким вкусом и часто используются как заменители сахара (ксилит, сорбит).

Глюкоза при восстановлении дает шестиатомный сахароспирт сорбит, галактоза – дульцит, манноза – манит:

Сорбит часто встречается в различных фруктах, ягодах: в рябине, сливах, абрикосах, вишнях и др. Дульцит содержится во многих растениях, выделяется на поверхности коры деревьев.

Манит содержится в бурых водорослях; плодах (ананас), овощах (морковке, луке).

Восстановление моносахаридов проводят водородом в присутствии металлических катализаторов (палладий, никель).

Шестиатомные спирты — глюцит (сорбит), дульцит и маннит — получаются при восстановлении соответственно глюкозы, галактозы и маннозы.

Восстановление глюкозы в сорбит является одной из стадий промышленного синтеза аскорбиновой кислоты.

• Реакции с участием гидроксильных групп

Гидроксильные группы имеются в открытых и циклических формах моноз, но содержание циклических форм значительно выше, поэтому реакции идут в циклических (полуацетальных ) формах:

Гидроксилы отличаются по реакционной способности: С1-ОН-гликозидный (наиболее реакционноспособный); С6 — первичный; С2-С4 — вторичные.

• Реакции с участием гликозидного гидроксила

При взаимодействии моносахаридов с гидроксилсодержащими соединениями (спиртами, фенолами и др.) в условиях кислотного катализа образуются производные только по гликозидной ОН-группе — циклические ацетали, называемые гликозидами.

Cпиртовые гидроксилы моноз в этих условиях не реагируют.

Действие кислот на пентозы и гексозы может быть использовано для их распознования, а именно: при нагревании пентоз с разбавленными кислотами легко происходит их дегидратация (отщепление трех молекул воды ) и образуется летучий гетероциклический альдегид — фурфурол:

Действие кислот на гексозы ведет сначала к образованию 5-гидроксиметилфурфурола, который при кипячении с разбавленными кислотами разлагается с образованием левулиновой и муравьиной кислот:

Брожение — это сложный процесс расщепления моносахаридов с выделением СО2 под действием ферментов.

Брожению подвергаются сахара, у которых число атомов углерода кратно трем (гексозы).

Брожение гексоз различной конфигурации происходит с неодинаковой легкостью.

Существуют и другие виды брожения.

Процессы брожения сахаров играют важную роль и широко используются в промышленности.

Различают разные виды брожения:

• Образование дисахаридов, полисахаридов

Гликозидная связь имеет очень важное биологическое значение.

С помощью этой связи осуществляется ковалентное связывание моносахаридов в составе олиго- и полисахаридов:

Классификация моносахаридов

Общая характеристика и классификация углеводов.

Углеводы −обширный класс природных соединений, которые играют важную роль в жизни человека, животных и растений.

Углеводы – это органические кислородосодержащие гетерофункциональные соединения со смешанными функциями содержащие карбонильные и гидроксильные группировки атомов, имеющие общую формулу Cn(H2O)m, (где n и m>3).

В линейных формах молекул углеводов всегда присутствует карбонильная группа (как таковая, или в составе альдегидной группы).

Моносахариды

И в линейной, и в циклической формах молекул углеводов присутствуют несколько гидроксильных групп. Поэтому углеводы относят к двуфункциональным соединениям.

Впервые термин «углеводы» был предложен профессором Дерптского (ныне Тартуского) университета К. Шмидтом в 1844 г. В то время предполагали, что все углеводы имеют общую формулу Cm(Н2O)n, т.е. углерод + вода. Отсюда и название «углеводы». Например, глюкоза и фруктоза имеют формулу С6(Н2О)6, тростниковый сахар (сахароза) — С12(Н2О)11, крахмал — [С6(Н2О)5]n и т.

д. В дальнейшем же оказалось, что ряд соединений, принадлежащих по своим свойствам к классу углеводов, содержат водород и кислород в несколько иной пропорции, чем указано в общей формуле (например, дезоксирибоза — С5Н10О4. В то же время есть вещества, соответствующие общей формуле углеводов, но не проявляющие их свойства (например, спирт инозит С6Н12О6), C(H2O), то есть HCHO (формальдегид), или C2(H2O)2, то есть CH3COOH (уксусная кислота).

В 1927 г. Международная комиссия по реформе химической номенклатуры предложила термин «углеводы» заменить термином «глициды», однако он не получил широкого распространения. Старое название «углеводы» укоренилось и прочно удерживается в науке, являясь общепризнанным.

Углеводы можно разделить на три группы:

1) Моносахариды – углеводы, способные гидролизоваться с образованием более простых углеводов.

К данной группе относятся гексозы (глюкоза и фруктоза), а также пентоза (рибоза).

2) Олигосахариды – углеводы, способные гидролизоваться с образованием нескольких простых углеводов (от двух до десяти).

3) Полисахариды – полимерные соединения, углеводы, способные гидролизоваться с образованием большого числа молекул моносахаридов (от десяти до сотен тысяч остатков моносахаридов).

Моносахариды.

А) Классификация моносахаридов.

Моносахариды представляют собой соединения со смешанными функциями.

Они содержат альдегидную или кетогруппу и несколько гидроксильных групп, т.е. являются альдегидоспиртами или кетоноспиртами.

Моносахариды с альдегидной группой называются альдозами, а с кетогруппой –кетозами.

В зависимости от числа атомов С моносахариды делятся на:

С3 − триозы: С3Н6O3 −глицеральдегид, ПВК (пировиноград-ная кислота).

С4 − тетрозы: С4Н804 − эритроза.

С5 − пентозы: C5H10O5 − рибоза (входит в состав РНК), C5H10O4 − дезоксирибоза (входит в состав ДНК).

С6 − гексозы: С6Н12O6 − глюкоза (виноградный сахар), фруктоза (плодовый сахар), галактоза (в составе молочного сахара) − основные источники энергии, мономеры ди- и полисахаридов.

С7 − гептозы: С7Н14О7.

Наибольшее значение среди моносахаридов имеют гексозы и пентозы.

Б) Структура молекул моносахаридов.

Для изображения строения моносахаридов используют проекционные формулы Фишера. В формулах Фишера цепь углеродных атомов располагается в одну цепь. Нумерация цепи начинается с атома альдегидной группы (в случае альдоз) или с крайнего атома углерода, к которому ближе расположена кетогруппа (в случае кетоз).

В зависимости от пространственного расположения атомов Н и ОН-групп у 4-ого атома углерода у пентоз и 5-ого атома углерода у гексоз моносахариды относят к D– или L – ряду.

Моносахарид относят к D – ряду, если ОН-группа у этих атомов располагается справа от цепи.

Почти все встречающиеся в природе моносахариды относятся к D – ряду.

Природные гексозы − глюкоза, фруктоза, манноза и галактоза, принадлежат, как правило, по стереохимической конфигурации к соединениям D-ряда.

Известно также, что природные моносахариды обладают оптической активностью.

Способность вращать плоскость поляризованного луча света − одна из важнейших особенностей веществ (в том числе моносахаридов), молекулы которых имеют асимметричный атом углерода или же асимметричны в целом. Свойство вращать плоскость поляризованного луча вправо обозначают знаком ( + ), а в противоположную сторону − знаком (-). Так, D-глицеральдегид вращает плоскость поляризованного луча вправо, т.

е. D-глицеральдегид является D( + )-альдотриозой, а L-глицеральдегид − L(-)-альдотриозой. Однако следует помнить, что направление угла вращения поляризованного луча, которое определяется асимметрией молекулы в целом, заранее не предсказуемо. Моносахариды, относящиеся по стереохимической конфигурации к D-ряду, могут быть левовращающими. Так, обычная форма глюкозы, встречающаяся в природе, является правовращающей, а обычная форма фруктозы — левовращающей.

Однако моносахариды могут существовать также в циклических формах.

Циклические формы гексоз и пентоз называют соответственно пиранозными и фуранозными.

В растворах моносахаридов устанавливается подвижное равновесие между ациклической и циклической формами – таутомерия.

Циклические формы принято изображать перспективными формулами Хеуорса.

В циклических формах моносахаридов появляется асимметрический атом углерода (С-1 у альдоз, С-2 у кетоз). Этот атом углерода называется аномерным. Если группа ОН у аномерного атома располагается под плоскостью, то образуется α–аномер, противоположное расположение приводит к образованию β-аномера.

Глюкоза (пример альдогексозы)
Структурные формулы линейной формы	Структурные формулы циклической формы

Фруктоза (пример кетогексозы)
Структурные формулы линейной формы	Структурные формулы циклической формы

Рибоза (пример альдопентозы)
Структурные формулы линейной формы	Структурные формулы циклической формы

Сложность химического и пространственного строения моносахаридов приводит к тому, что у них существует множество изомеров, так, например, существует несколько десятков изомерных гексоз.

Картина осложняется еще и тем, что при растворении моносахаридов у части молекул происходит обратимое раскрытие цикла, а обратная циклизация может привести к образованию другого изомера.

Для α-глюкозы (обычной кристаллической формы глюкозы) этот процесс выражается следующим уравнением:

Названия циклических форм моносахаридов включают в себя указания на конфигурацию аномерного центра (α- или β-), на название моносахарида и его ряда (D- или L-) и размер цикла (фураноза или пираноза). Например, α, D- галактопираноза или β, D- галактофураноза.»

Химические свойства глюкозы

Химические свойства моносахаридов обусловлены особенностями их строения.

Рассмотрим химические свойства на примере глюкозы.

Моносахариды проявляют свойства спиртов и карбонильных соединений.

Реакции по карбонильной группе

а) Как и у всех альдегидов, окисление моносахаридов приводит к соответствующим кислотам. Так, при окислении глюкозы аммиачным раствором гидрата окиси серебра образуется глюконовая кислота (реакция «серебряного зеркала»).

D- глюкоза

+ 2[Ag(NH3)2]OH →

аммониевая соль D- глюконовой кислоты

+ 2Ag↓ + 3NH3↑+ H2O

Эти реакции являются качественными на глюкозу как альдегид.

Соль глюконовой кислоты – глюконат кальция – известное лекарственное средство.

б) Реакция моносахаридов с гидроксидом меди при нагревании так же приводит к альдоновым кислотам.

D- галактоза

+ 2Cu(OH)2 →

D- галактоновая кислота

+ Cu2O↓ + 2H2O

Эти реакции являются качественными на глюкозу как альдегид.

в) Более сильные окислительные средства окисляют в карбоксильную группу не только альдегидную, но и первичную спиртовую группы, приводя к двухосновным сахарным (альдаровым) кислотам.

Обычно для такого окисления используют концентрированную азотную кислоту.

D- глюкоза

HNO3(конц.) –––––––→

сахарная (D- глюкаровая) кислота

Восстановление сахаров приводит к многоатомным спиртам. В качестве восстановителя используют водород в присутствии никеля, алюмогидрид лития и др.

D- глюкоза

LiAlH4 + H2 ––––→

D- сорбит

Несмотря на схожесть химических свойств моносахаридов с альдегидами, глюкоза не вступает в реакцию с гидросульфитом натрия (NaHSO3).

II. Реакции по гидроксильным группам

Реакции по гидроксильным группам моносахаридов осуществляются, как правило, в полуацетальной (циклической) форме.

Алкилирование (образование простых эфиров).

При действии метилового спирта в присутствии газообразного хлористого водорода атом водорода гликозидного гидроксила замещается на метильную группу.

, D- глюкопираноза

+ СH3ОН

HCl(газ) ––––→

метил-α, D- глюкопиранозид

+ H2О

При использовании более сильных алкилирующих средств, каковыми являются, например, йодистый метил или диметилсульфат, подобное превращение затрагивает все гидроксильные группы моносахарида.

СH3I ––––→ NaOH

пентаметил-α, D- глюкопираноза

Ацилирование (образование сложных эфиров).

При действии на глюкозу уксусного ангидрида образуется сложный эфир – пентаацетилглюкоза.

––––––––→

пентаацетил-α,D- глюкопираноза

Как и все многоатомные спирты, глюкоза с гидроксидом меди (II) на холоду с образованием глюконата меди (II) дает интенсивное синее окрашивание – качественная реакция на глюкозу как многоатомный спирт.

ярко синий раствор

III. Специфические реакции

1. Горение (а также полное окисление в живом организме):

C6H12O6 + 6O2 6CO2 +6H2O

Кроме приведенных выше, глюкоза характеризуется и некоторыми специфическими свойствами — процессами брожения. Брожением называется расщепление молекул сахаров под воздействием ферментов (энзимов). Брожению подвергаются сахара с числом углеродных атомов, кратным трем.

Существует много видов брожения, среди которых наиболее известны следующие:

а) спиртовое брожение

C6H12O6 → 2CH3–CH2OH(этиловый спирт) + 2CO2↑

б) молочнокислое брожение

в) маслянокислое брожение

C6H12O6 → CH3–CH2–СН2–СОOH(масляная кислота) + 2Н2↑ + 2CO2↑

Упомянутые виды брожения, вызываемые микроорганизмами, имеют широкое практическое значение.

Например, спиртовое – для получения этилового спирта, в виноделии, пивоварении и т.д., а молочнокислое – для получения молочной кислоты и кисломолочных продуктов.

Фруктоза вступает во все реакции, характерные для многоатомных спиртов, однако реакции альдегидной группы, в отличие от глюкозы, для нее не характерны.

Химические свойства рибозы C5H10O5аналогичны глюкозе.

Д) Биологическая роль глюкозы.

D-глюкоза (виноградный сахар) широко распространена в природе: содержится в винограде и других плодах, в меде.

Она является обязательным компонентом крови и тканей животных и непосредственным источником энергии для клеточных реакций. Уровень глюкозы в крови человека постоянен и находится в пределах 0,08-0,11%. Во всем объеме крови взрослого человека содержится 5-6 г. глюкозы. Такого количества достаточно для покрытия энергетических затрат организма в течение 15 мин.

его жизнедеятельности. При некоторых патологиях, например, при заболевании сахарным диабетом, содержание глюкозы в крови повышается, и избыток её выводится с мочой. При этом количество глюкозы в моче может возрасти до 12% против обычного – 0,1%.

3. Дисахариды.

Олигосахариды — углеводы, молекулы которых содержат от 2 до 8-10 остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями. В соответствии с этим различают дисахариды, трисахариды и т. д.

Дисахариды — сложные сахара, каждая молекула которых при гидролизе распадается на две молекулы моносахаридов.

Моносахариды: физические и химические свойства

Дисахариды наряду с полисахаридами являются одним из основных источников углеводов в пище человека и животных. По своему строению дисахариды являются гликозидами, в которых две молекулы моносахаридов соединены гликозидной связью.

Строение

1. Молекулы дисахаридов могут содержать два остатка одного моносахарида или два остатка разных моносахаридов;

2. Связи, образующиеся между остатками моносахаридов, могут быть двух типов:

а) в образовании связи принимают участие полуацетальные гидроксилы обеих молекул моносахаридов.

Например, образование молекулы сахарозы;

б) в образовании связи принимают участие полуацетальный гидроксил одного моносахарида и спиртовый гидроксил другого моносахарида. Например, образование молекул мальтозы, лактозы и целлобиозы.

Для установления строения дисахаридов необходимо знать: из каких моносахаридов он построен, какова конфигурация аномерных центров у этих моносахаридов (- или -), каковы размеры цикла (фураноза или пираноза) и с участием каких гидроксилов связаны две молекулы моносахарида.

Дисахариды подразделяются на две группы: восстанавливающие и невосстанавливающие.

Среди дисахаридов особенно широко известны мальтоза, лактоза и сахароза.

Мальтоза (солодовый сахар), являющаяся α-глюкопиранозил-(1-4)-α-глюкопиранозой, образуется в качестве промежуточного продукта при действии амилаз на крахмал (или гликоген), содержит два остатка α-D-глюкозы.

Название сахара, чей полуацетальный гидроксил участвует в образовании гликозидной связи, оканчивается на «ил».

В молекуле мальтозы у второго остатка глюкозы имеется свободный полуацетальный гидроксил. Такие дисахариды обладают восстанавливающими свойствами.

К восстанавливающим дисахаридам относится, в часности, мальтоза (солодовый сахар), содержащаяся в солоде, т.е.

проросших, а затем высушенных и измельченных зернах хлебных злаков.

(мальтоза)

Мальтоза составлена из двух остатков D- глюкопиранозы, которые связаны (1–4) -гликозидной связью, т.е. в образовании простой эфирной связи участвуют гликозидный гидроксил одной молекулы и спиртовой гидроксил при четвертом атоме углерода другой молекулы моносахарида. Аномерный атом углерода (С1), участвующий в образовании этой связи, имеет - конфигурацию, а аномерный атом со свободным гликозидным гидроксилом (обозначен красным цветом) может иметь как α- (α- мальтоза), так и β- конфигурацию (β- мальтоза).

Мальтоза представляет собой белые кристаллы, хорошо растворимые в воде, сладкие на вкус, однако значительно меньше, чем у сахара (сахарозы).

Как видно, в мальтозе имеется свободный гликозидный гидроксил, вследствие чего сохраняется способность к раскрытию цикла и переходу в альдегидную форму.

В связи с этим, мальтоза способна вступать в реакции, характерные для альдегидов, и, в частности, давать реакцию «серебряного зеркала», поэтому ее называют восстанавливающим дисахаридом.

Кроме того, мальтоза вступает во многие реакции, характерные для моносахаридов, например, образует простые и сложные эфиры.

	СH3I ––––→ NaOH
мальтоза	Октаметилмальтоза

Дисахарид лактоза (молочный сахар) содержится только в молоке и состоит из D-галактозы и D-глюкозы.

Поскольку в молекуле лактозы имеется свободный полуацетальный гидроксил (в остатке глюкозы), она принадлежит к числу редуцирующих дисахаридов.

Одним из наиболее распространенных дисахаридов является сахароза (тростниковый или свекольный сахар) − обычный пищевой сахар.

Молекула сахарозы состоит из одного остатка D-глюкозы и одного остатка D-фруктозы. Следовательно, это − α-глюкопиранозил-(1-2)-β-фруктофуранозид:

В отличие от большинства дисахаридов сахароза не имеет свободного полуацетального гидроксила и не обладает восстанавливающими свойствами.

К невосстанавливающим дисахаридам относится сахароза (свекловичный или тростниковый сахар).

Она содержится в сахарном тростнике, сахарной свекле (до 28% от сухого вещества), соках растений и плодах. Молекула сахарозы построена из α, D- глюкопиранозы и β, D- фруктофуранозы.

(сахароза)

В противоположность мальтозе гликозидная связь (1–2) между моносахаридами образуется за счет гликозидных гидроксилов обеих молекул, то есть свободный гликозидный гидроксил отсутствует.

Вследствие этого отсутствует восстанавливающая способность сахарозы, она не дает реакции «серебряного зеркала», поэтому ее относят к невосстанавливающим дисахаридам.

Среди природных трисахаридов важное значение имеют немногие. Наиболее известна рафиноза, содержащая остатки фруктозы, глюкозы и галактозы, которая находится в больших количествах в сахарной свекле и во многих других растениях.

В целом олигосахариды, присутствующие в растительных тканях, разнообразнее по своему составу, чем олигосахариды животных тканей.

Все они имеют ту же эмпирическую формулу С12Н22О11, т.е.

Сахароза – белое кристаллическое вещество, сладкое на вкус, хорошо растворимое в воде.

Для сахарозы характерны реакции по гидроксильным группам.

Как и все дисахариды, сахароза при кислотном или ферментативном гидролизе превращается в моносахариды, из которых она составлена.

Дисахариды – типичные сахароподобные углеводы; это твердые бесцветные кристаллические вещества, очень хорошо растворимое в воде, имеющие сладкие вкус.

Из дисахаридов наибольшее значение имеет сахароза C12H22O11:

Молекула сахарозы состоит из остатков молекул глюкозы и фруктозы.

И в линейной, и в циклической формах молекул углеводов присутствуют несколько гидроксильных групп. Поэтому углеводы относят к двуфункциональным соединениям.

Впервые термин «углеводы» был предложен профессором Дерптского (ныне Тартуского) университета К. Шмидтом в 1844 г.

В то время предполагали, что все углеводы имеют общую формулу Cm(Н2O)n, т.е. углерод + вода. Отсюда и название «углеводы». Например, глюкоза и фруктоза имеют формулу С6(Н2О)6, тростниковый сахар (сахароза) — С12(Н2О)11, крахмал — [С6(Н2О)5]n и т. д. В дальнейшем же оказалось, что ряд соединений, принадлежащих по своим свойствам к классу углеводов, содержат водород и кислород в несколько иной пропорции, чем указано в общей формуле (например, дезоксирибоза — С5Н10О4.

В то же время есть вещества, соответствующие общей формуле углеводов, но не проявляющие их свойства (например, спирт инозит С6Н12О6), C(H2O), то есть HCHO (формальдегид), или C2(H2O)2, то есть CH3COOH (уксусная кислота). В 1927 г. Международная комиссия по реформе химической номенклатуры предложила термин «углеводы» заменить термином «глициды», однако он не получил широкого распространения.

Старое название «углеводы» укоренилось и прочно удерживается в науке, являясь общепризнанным.

Углеводы можно разделить на три группы:

1) Моносахариды – углеводы, способные гидролизоваться с образованием более простых углеводов. К данной группе относятся гексозы (глюкоза и фруктоза), а также пентоза (рибоза).

2) Олигосахариды – углеводы, способные гидролизоваться с образованием нескольких простых углеводов (от двух до десяти).

3) Полисахариды – полимерные соединения, углеводы, способные гидролизоваться с образованием большого числа молекул моносахаридов (от десяти до сотен тысяч остатков моносахаридов).

Галактоза: свойства, функции в организме, польза и вред

Галактоза – это вещество, являющееся представителем класса простых молочных сахаров. Человек получает ее в составе употребляемых им молочных продуктов. Усвоение галактозы осуществляется в клетках печени, после чего вещество всасывается в кровь. Протекание процесса расщепления регулирует специальный фермент, в случае его отсутствия возникает нарушение состояния здоровья, известное как галактоземия. При нем содержание галактозы в крови резко снижается. В результате окисления галактозы в организме создаются клетки крови, сжигаются сложные углеводы, регулируются метаболические процессы.

Молекула и формула галактозы

Галактоза необходима человеку с первых дней жизни – она отвечает за правильные рост и развитие у только появившихся на свет малышей. С годами потребность в рассматриваемом веществе снижается, но не пропадает вовсе – галактоза на протяжении всей жизни является крайне важным для человека веществом.

Что такое галактоза?

Как уже было сказано выше, галактоза – это моносахарид класса гексоз, изомер глюкозы. Он содержится в составе дисахарида лактозы, вещество также можно обнаружить в составе других полисахаридов. Оно хоть и не является незаменимым для человека соединением, все же оказывает влияние на состояние здоровья и развитие организма. Визуально вещество представляет собой кристаллический порошок, растворяющейся в воде комнатной температуры и не растворяющийся в спиртовой среде.

В больших количествах галактозу можно встретить в свекле и некоторых разновидностях энергетических напитков. Кроме того, вещество присутствует в составе сложных углеводов, которые можно обнаружить во многих фруктах и овощах: в помидорах, картофеле, сельдерее, свекле, киви и вишне. В человеческом организме вещество присутствует в тканях головного мозга и во многих нервных тканях.

Галактоза выполняет роль строительного белка, который человек получает из молока. Особенно важно вещество для молодых мам, кормящих грудью.

По своему химическому составу галактоза близка к глюкозе. Отличия заключаются только в атомном строении веществ. Галактозу можно встретить во многих микроорганизмах и практически во всех продуктах растительного и животного происхождения. Наибольшее ее количество заключено в лактозе, то есть в молочных продуктах.

Выделяют две основные разновидности галактозы: L и D. Первая представлена долей полисахаридов, особенно большой ее объем замечен в красных водорослях. Вторая встречается в разы чаще – ее можно найти в составе многих веществ: гликозидов, олигосахаридов, полисахаридов бактериальной и растительной природы, пектиновых веществ и камедей. В процессе окисления вещество образует галактуроновую и галактоновую кислоты.

Наибольшее распространение галактоза получила в медицинской сфере – ее применяют во врем проведения УЗИ.

Формула галактозы и ее свойства

Химическая формула галактозы выглядит следующим образом:

Вещество принадлежит к классу альдогексоз, то есть представляет собой полигидроксиальдегид. Молекула рассматриваемого соединения может быть как циклической, так и линейной, а также существовать в двух различных стереоизомерных формах: быть L-изомером или D-изомером.

D-изомер наиболее часто встречается в природе как составляющая олигосахаридов, гликозидов и полисахаридов. L-изомер распространен в меньшей степени – он представляет собой компонент некоторых разновидностей полисахаридов, а также присутствует в красных водорослях.

Циклическая разновидность галактозы представлена 4-я изомерами: два из них при этом с пиранозным кольцом, а оставшиеся два – с фуранозным. Каждая циклическая форма вещества включает в свою структуру два аномера: a-форму и b-форму. В случае с галактозой они представляют собой пространственные изомеры, отличающиеся положением полуацетального гидроксила относительно плоскости кольца.

Внешне галактоза представляет собой мелкокристаллический белый порошок с приятным сладким вкусом и без запаха. Вещество прекрасно растворяется в обычной воде комнатной температуры. Так, его растворимость в воде составляет 9,1 г на 100 г воды при температуре последней 0 градусов, и 40 г галактозы на 100 г воды при температуре жидкости 25 градусов.

Плавится порошок при температуре 167 градусов. Галактоза обладает низким гликемическим индексом. Чем ниже этот показатель – тем медленнее в крови изменяется уровень сахара.

В человеческом организме галактоза выполняет роль одного из основных источников энергии. Попадая в желудочно-кишечный тракт в составе продуктов питания, она превращается в глюкозу, после чего проходит процесс усвоения.

Функции галактозы в организме – для чего она нужна?

Для человека галактоза несет роль источника энергии. После попадания в организм вещество трансформируется в глюкозу, затем усваивается.

Галактоза является крайне важным компонентом пищи для новорожденных. Она входит в состав дисахарида лактозы, представляющего собой основной углевод молока.

Результатом взаимодействия галактозы с липидами являются гликолипиды, в том числе и те молекулы, которые принимают участие в формировании группы крови. При соединении галактозы с белками образуются гликопротеины, играющие важную роль в формировании клеточных мембран.

В организме человека галактоза выполняет следующие функции:

• препятствует появлению и развитию заболеваний нервной системы;
• стабилизирует работу органов желудочно-кишечного тракта;
• участвует в формировании клеточных мембран;
• оказывает положительный эффект на состояние ЦНС;
• поддерживает и стабилизирует структуру клеток.

Галактоза играет важную роль в выработке лактозы. У млекопитающих молочные железы после беременности производят большой объем лактозы, необходимый для обеспечения питанием детенышей.

Данный процесс у женщин контролируется перечнем гормонов, которые организм производит во время вынашивания плода и после его рождения. В реакциях принимают участие UDP-галактоза и глюкоза. Два вышеназванных сахара соединяются между собой под воздействием фермента лактозосинтетазы.

Фруктоза и галактоза

Усвоение фруктозы в организме человека осуществляется путем трансформации ее в глюкозу. Сперва она фосфорилируется в обязательном присутствии кетогексокиназы с последующим образованием фруктозо-фосфата, расщепляющегося альдолазой до глицеральдегида и дигидроксиацетона-3-фосфата. Последний представляет собой промежуточный продукт окисления глюкозы.

На следующем этапе глицеральдегид частично восстанавливается до глицерина или окисляется до глицерата.

Процесс расщепления и усвоения фруктозы и галактозы включает пути использования их для синтеза других соединений – гетерополисахаридов, лактозы и прочих веществ. И галактоза, и фруктоза принимают активное участие в снабжении организма достаточным количеством энергии. Фруктоза в этом случае трансформируется в галактозу: процесс протекает в печени – там галактоза трансформируется либо в глюкозу, либо в промежуточные продукты. Так, в результате фруктоза и галактоза, ровно так же, как и глюкоза, окисляются до углекислого газа и воды. Они также могут быть использованы для синтеза гликогена и триацилглидеролов.

Причиной нарушения процесса усвоения обоих веществ может быть отсутствие необходимых для этого ферментов. Подобные нарушения встречаются достаточно редко, но могут нести серьезную опасность для человеческого организма, поскольку накапливаемые промежуточные метаболиты могут быть достаточно токсичны.

Полезные свойства галактозы

Галактоза принимает активное участие в создании клеточных стенок, она также отвечает за эластичность тканей. Кроме того, рассматриваемое вещество входит в состав липидов мозга, крови и соединительных тканей.

Галактоза крайне важна для обеспечения правильной работы мозга и нервной системы. Нормализованный уровень галактозы предотвращает развитие старческой деменции, а также позволяет избежать нервных расстройств. Вещество позволяет избежать появления и развития болезни Альцгеймера.

Соединение оказывает положительное воздействие на состояние органов желудочно-кишечного тракта. Кроме того, оно принимает участие в синтезе гемицеллюлозы, которая очень важная для развития клеток.

Галактоза позволяет предотвратить появление нервных расстройств.

Какой вред способна нанести галактоза

Вред рассматриваемого вещества может быть обусловлен двумя факторами: избытком его содержания в организме и индивидуальной непереносимостью.

Наиболее распространенной проблемой, связанной с процессом усвоения галактозы, является болезнь галактоземия.

Галактоземия

Галактоземия – это заболевание, передающееся по наследству. При этом нарушении органы пищеварительной системы перестают вырабатывать ферменты, которые необходимы для переработки галактозы.

Наиболее опасна галактоземия для младенцев. Если в первые дни жизни малышу был поставлен такой диагноз, грудное молоко ему противопоказано – оно приведет к тяжелым последствиям для ребенка.

Стоит отметить, что малыша также нельзя кормить и коровьим молоком, не подойдут также козье молоко и адаптированная молочная смесь. Любое молоко может принести не просто ухудшение самочувствия, а настоящую смертельную опасность. Это связано с тем, что галактоза, скапливаясь в крови, начинает постепенно отравлять организм. Он вызывает появление проблем со здоровьем: первой страдает нервная система, негативные последствия испытывают также клетки печени и органы зрения.

Но все не так плохо, как может показаться на первый взгляд: велика вероятность того, что малыш перерастет имеющиеся у него проблемы со здоровьем. Вероятность такого исцеления особенно велика в том случае, если уровень галактозы в крови был превышен незначительно.

Почему может появиться галактоземия?

Установлено, что ген, отвечающий за выработку фермента, который расщепляет галактозу, наследуется по рецессивному признаку. Это значит, что у одного из 4 детей родителя-гена будет диагностирована галактоземия.

Диагностика на ранних этапах и соблюдение строгой диеты, предполагающей ограничение количества потребляемой лактозы, крайне важны – они позволят избежать развития у ребенка умственной отсталости, печеночной недостаточности и даже смерти. Выделяют две разновидности заболевания: классическая галактоземия и клиническая галактоземия – оба они могут привести к неприятным последствиям для ребенка.

У взрослых людей галактоземия может возникнуть из-за нарушений в гене GALT – это приводит к дефициту фермента галактозо-1-фосфат-уридилтрансфераза. Фермент крайне важен для правильного расщепления молочного сахара. Его недостаток приводит к накоплению в организме токсичных продуктов.

Симптомы галактоземии

Главным симптомом галактоземии является снижение аппетита, вследствие чего может развиться анорексия. Неизменным спутником галактоземии является рвота. Может произойти также пожелтение кожи, изменение цвета слизистых оболочек и белков глаз, увеличение размера печени, увеличение содержания аминокислот и белка в моче, накопление жидкости в брюшной полости и ее отек. В запущенных случаях происходит истощение тканей организма, сильное снижение веса.

Чтобы избежать вышеописанных последствий важно соблюдать диету, исключающую лактозу из рациона.

Дети с галактоземией, которым не была оказана медицинская помощь на ранних стадиях, могут столкнуться с задержкой физического и психического развития. Они особенно восприимчивы к катаракте. В запущенных случаях любая инфекция (особенно в младенческом возрасте) может привести к опасным для жизни осложнениям. В легких случаях, при получении необходимой медицинской помощи, серьезные нарушения не наблюдаются.

Дабы избежать последствий галактоземии, включающих в себя печеночную недостаточность и нарушение работы почек, повреждение головного мозга, катаракту и прочие недуги, важно своевременно исключить лактозу из рациона. Пациенты, соблюдающие специальную диету, обычно демонстрируют более удовлетворительное общее состояние здоровья. Дети с галактоземией, не употребляющие в пищу молочную продукцию, могут добиться большего интеллектуального прогресса: у них с меньшей вероятностью возникнут проблемы с речью и обучением, а также некоторые поведенческие нарушения. У девочек с классической галактоземией часто наблюдаются нарушения в работе яичников – это связано с повышением уровня гормона гонадотропина.

Все вышеназванные осложнения сопутствуют исключительно классической галактоземией. У пациентов, страдающих галактоземией Дуарте, они не обнаружены. Они также не нуждаются в соблюдении строгой диеты.

Группы населения, подверженные галактоземии

Классическая форма заболевания диагностируется в диапазоне от 1 случая на 16 000 до 1 случая на 48 000 рождений. Галактоземия распространена среди представителей всех этнических групп. Особенно часто заболевание встречается среди ирландцев. А вот клинический вариант болезни наиболее широко распространен среди афроамериканцев и коренных африканцев.

Близкие по симптомам расстройства

Специалисты называют следующие расстройства, которые по своим симптомам могут быть близки к галактоземии:

• дефицит галактокиназы – заболевание связано с катарактой, повышенным содержанием галактозы в крови и повышенной концентрацией галактитола в моче. Последний накапливается в хрусталике глаза, провоцируя отек последнего, осаждение белка и катаракту;
• дефицит уридиндифосфат-галактозо-4-эпимеразы – схож с описанным выше заболеванием и проявляется в первые месяцы жизни;
• непереносимость лактозы – нарушение обмена веществ, при котором человек не способен нормально усваивать лактозу;
• неонатальный гепатит – термин, используемый для обозначения нарушения работы печени, которое происходит в первые месяцы жизни.

Диагностика

Диагностировать галактоземию можно при помощи анализа крови. Первый анализ выполняется в рамках стандартного скрининга сразу после рождения малыша. Риск развития болезни у ребенка, если оба родителя являются носителями гена, составляет 1 к 4.

Установить галактоземию у пациента можно также при помощи анализа мочи.

Методы лечения галактоземии

Первым и главным способом лечения рассматриваемого заболевания является строгая диета, полностью исключающая молочные продукты.

В особенно тяжелых случаях требуется гормональная терапия. Также специалисты могут назначать антибиотики.

Суточная норма галактозы

Уровень содержания галактозы в крови должен держаться на отметке 5 мг/дл крови. Суточную норму вещества можно с легкостью набрать, если вы в достаточном объеме употребляете молочные продукты и сельдерей. Несмотря на достаточно широкое распространение галактозы, в чистом виде в продуктах питания ее нет. Галактозу в продуктах необходимо определять по наличию в них лактозы.

Особенно сильную потребность в галактозе испытывают:

• дети грудного возраста;
• женщины во время кормления грудью;
• люди, активно занимающиеся спортом;
• люди, чья профессиональная деятельность связана с интенсивной умственной нагрузкой;
• люди, испытывающие большой стресс;
• люди, которые часто переутомляются.

Потребность в галактозе может также снижаться в следующих случаях:

• в пожилом возрасте;
• при наличии аллергии на галактозу или лактозу;
• при заболеваниях желудочно-кишечного тракта;
• при наличии воспалительных заболеваний органов женской репродуктивной системы;
• при установке сердечной недостаточности;
• при галактоземии.

Симптомы повышенного и пониженного содержания галактозы в организме

О нехватке галактозы сигнализируют быстрая утомляемость и снижение способности к концентрации. Люди, испытывающие дефицит энергии, обладают высокой склонностью к депрессиям, они часто ощущают физическую усталость, потерю интереса к окружающему миру.

А вот избыток галактозы в организме негативным образом сказывается на состоянии нервной системы. Также наблюдаются заболевания печени и органов зрения.

Источники галактозы

Особенности применения галактозы

Вещество пользуется большой популярностью в следующих сферах:

• в медицине;
• в микробиологии;
• в приготовлении спортивного питания;
• в создании пищевой добавки камеди.

С химической точки зрения рассматриваемое вещество принадлежит к классу восстанавливающих углеводов, способных отдавать электроны с разрывом собственной кислородной связи.

Наибольшее распространение вещество получило в пищевой промышленности – его добавляют для создания камеди. Галактозу также ценят спортсмены – они принимают продукты, содержащие рассматриваемое вещество, во время интенсивной физической активности.

Галактоза в форме порошка

В медицине галактозу используют в качестве контрастного вещества для проведения диагностики ультразвуком. Микробиологи применяют галактозу как средство, помогающее определить вид микроорганизмов.

Интересные факты о галактозе

Галактоза, в отличие от других химических соединений, практически не растворяется в обычной воде.

Рассматриваемый моносахарид не подходит для приготовления пищи.

Наибольшую потребность в галактозе испытывают клетки мозга. Другие органы также требуют присутствия вещества в организме.

Галактоза присутствует даже в безлактозном молоке.

Человек нуждается в галактозе с первых дней жизни. Первым и основным источником вещества в младенчестве является молоко матери. С возрастом потребность в галактозе снижается.

Заключение

Галактоза – это вещество класса простых молочных сахаров. Она поступает в организм человека преимущественно из молочных продуктов, процесс усвоения проходит в клетках печени, после чего попадает в кровь. Расщепление возможно только при наличии в крови специального фермента. В случае его отсутствия диагностируется заболевание галактоземия.

Большое количество галактозы содержится во всех видах молочной продукции, камеди, сахарной свекле, можно обнаружить в энергетических напитках. Ее также можно встретить в фасоли, сельдерее и киви. Организм человека может и самостоятельно синтезировать вещество – наибольшее его количество содержится в клетках головного мозга и в нервных тканях.