33. Углеводы. I. Моносахариды

33.1. Введение

В зеленых листьях растений в результате взаимодействия двух простых соединений — углекислого газа и воды — образуется один из Сахаров, -глюкоза. Этот процесс, известный под названием фотосинтеза, требует наличия катализатора, зеленого красителя хлорофилла, и происходит при освещении (источник энергии). Тысячи молекул -глюкозы могут объединяться в молекулы гораздо большего размера — целлюлозу, которая является основным строительным материалом растений. Молекулы -глюкозы могут также соединяться иным способом, давая большие молекулы крахмала, который хранится в семенах как запас питательных веществ для нового растущего растения.

При поедании животными крахмал, а в некоторых случаях также целлюлоза разрушаются, давая снова исходную -глюкозу. Последняя с током крови переносится в печень и там превращается в гликоген, или животный крахмал; в случае необходимости гликоген снова может быть разрушен до -глюкозы. (+)-Глюкоза переносится током крови в ткани, где она окисляется в конце концов в двуокись углерода и воду с выделением энергии, полученной первоначально с солнечным светом. Некоторое количество -глюкозы превращается в жиры, а некоторое реагирует с азотсодержащими соединениями с образованием аминокислот, которые, соединяясь друг с другом, дают белки, являющиеся субстратом всех известных нам форм жизни.

-Глюкоза, целлюлоза, крахмал и гликоген относятся к одному же классу органических соединений, называемому углеводами. Углеводы служат в конечном счете основным источником нашего питания: мы потребляем зерно, содержащее крахмал, или скармливаем его животным, в организме которых он превращается в мясо и жир, которые мы потребляем. Наша одежда сделана из целлюлозы: это хлопок и лен, вискоза и ацетатное волокно. Наши дома и мебель из дерева — это та же целлюлоза. Таким образом, углеводы в буквальном смысле слова обеспечивают нас всем необходимым в жизни — пищей, одеждой и кровом.

Но это еще не все. Удивительно, в какой степени современная цивилизация зависит от целлюлозы, особенно от бумаги. Бумага — это книги и газеты, которые мы читаем, письма, которые мы пишем, и деньги, которыми мы расплачиваемся; это свидетельства о рождении и браке, водительские права и закладные; это коробки, ящики и листы для обертки.

Химия углеводов — одна из наиболее интересных областей органической химии. Она охватывает широкий круг вопросов от чрезвычайно сложной проблемы понимания процесса фотосинтеза до столь же сложной задачи распутывания стадий в ферментативном превращении (+)-глюкозы в двуокись

углерода и воду. Между этими двумя биохимическими проблемами лежат более традиционные для химика-органика задачи: определение структуры и свойств углеводов и изучение их превращений в другие органические соединения.

В настоящем учебнике мы познакомимся с некоторыми важнейшими химическими свойствами углеводов, знание которых необходимо для дальнейшего изучения этих соединений.

33.2. Определение и классификация

Углеводами называются полиоксиальдегиды и полиоксикетоны или соединения, превращающиеся в них при гидролизе. Углевод, который нельзя превратить гидролизом в более простое соединение, называется моносахаридом. Углевод, дающий при гидролизе две молекулы моносахарида, называется дисахаридом. Углевод, при гидролизе которого образуется большое число молекул моносахарида, называется полисахаридом.

Моносахариды в свою очередь можно классифицировать. Если моносахарид содержит альдегидную группу, то его называют альдозой, а если кетогрунпу — кетозой. В зависимости от числа атомов углерода моносахарид может называться триозой, тетрозой, пентозой, гексозой и т. д. Так, например, альдогексоза — это моносахарид с шестью атомами углерода, содержащий альдегидную группу, акетопснтоза — моносахарид с пятью атомами углерода, содержащий кетогруппу. Большинство из встречающихся в природе моносахаридов — пентозы или гексозы.

Углеводы, восстанавливающие реактив Фелиига (или Бенедикта) или реактив Толленса (стр. 936), известны под названием восстанавливающие сахара. Все моносахариды, как альдозы, так и кетозы, являются восстанавливающими сахарами. Большая часть дисахаридов также является восстанавливающими сахарами; исключение составляет сахароза (обычный сахар), которая относится к невосстанавливающим сахарам.

33.3. (+)-Глюкоза: альдогексоза

Если учесть, что -глюкоза представляет собой структурную единицу, из которой состоит крахмал, целлюлоза и гликоген, а также ее особую роль в биологических процессах, то окажется, что глюкоза — наиболее распространенный моносахарид (вероятно, в природе остатков -глюкозы больше, чем каких-либо других органических групп и, безусловно, наиболее важный моносахарид.

Большую часть необходимых нам сведений о свойствах моносахаридов можно получить, рассмотрев всего одно из этих соединений, причем в одном лишь аспекте: какова его структура и как она была установлена. Изучая вопрос о строении -глюкозы, мы в то же время познакомимся с ее свойствами, ибо структура была выведена именно на основании свойств. -Глюкоза является типичным моносахаридом, и поэтому, изучая ее строение и свойства, мы будем тем самым изучать строение и свойства других представителей того класса.

Молекулярная формула (+)-глюкозы ; это следует из данных элементного анализа и определения молекулярного веса. Ниже перечислены

некоторые факты, на основании которых можно сделать вывод о вероятной структуре -глюкозы:

Эти данные вполне согласуются (рис. 33.1) с представлением о том, что -глюкоза — это неразветвленный пентаоксиальдегид с шестью атомами углерода, т. е. альдогексоза. (Однако, как будет показано в разд. 33.14, имеются еще дополнительные данные, которые требуют существенного изменения указанной структуры глюкозы.)

33.4. (-)-Фруктоза: 2-кетогексана

Наиболее важная из кетоз — -фруктоза, которая широко распространена в растительном мире (содержится во фруктах) и в сочетании с глюкозой входит в состав дисадарида — сахарозы (обычный сахар).

Приведенная ниже последовательность реакций показывает, что -фруктоза является кетоном, а не альдегидом, и указывает положение кетогруппы:

так, фруктоза представляет собой -кетогексозу.

Рис. 33.1. (см. скан) Свойства -глюкозы как альдоксозы.