ВУГЛЕВОДИ: РІЗНОМАНІТТЯ МОНОСАХАРИДІВ

Розділ 2 Молекулярний рівень організації живої природи

Тема 5. Біомолекулярний склад живого

§ 19. ВУГЛЕВОДИ: РІЗНОМАНІТТЯ МОНОСАХАРИДІВ

Терміни та поняття: вуглеводи (сахариди), моносахариди, олігосахариди, полісахариди, структурна ізомерія, конформація, просторова та оптична ізомерії, рибоза, дезоксирибоза, глюкоза, фруктоза, галактоза, маноза.

Особливості вуглеводів. Вуглеводи – це група органічних сполук, загальна формула яких С2(Н2O) (п може мати значення 3 і більше) відповідає співвідношенню: один атом Карбону – одна молекула

води. (Пригадайте походження назви цього класу органічних сполук.) За своєю хімічною структурою вуглеводи – це альдегідо – або кетоноспирти. Крім трьох вищезгаданих елементів, до складу вуглеводів можуть входити ще три елементи (Р, S, N).

Мал. 99.Формули найбільш поширених в клітинах живих організмів D-гексоз та їх L-ізомерні форми

У різних організмах вміст вуглеводів різний. Так, у рослин і грибів вони становлять близько 90 % від сухої маси речовини, а у тварин – тільки 1-2 %. (Спробуйте пояснити цей факт.) Різноманітні вуглеводи – це обов’язкові компоненти

усіх клітин. Їх значення багатогранне, однак головними є структурна та енергетична функції. Саме з різноманітних вуглеводів будуються клітинні оболонки. Вуглеводи – це універсальне і важливе джерело енергії в клітині. Внаслідок повного розщеплення 1 г вуглеводу виділяється 17,6 кДж. (Порівняйте з енергетичною цінністю жирів.)

Слід зазначити, що є вуглеводи, універсальні для всіх живих істот, а є специфічні для бактерій, тварин чи рослин або певних груп тварин чи рослин.

Вуглеводи поділяють на моносахариди, олігосахариди та полісахариди. Дві перші групи за їх фізичні властивості (зокрема солодкий смак) ще називають цукрами.

Моносахариди та їх ізомерія. Моносахариди називають також простими вуглеводами. До складу молекул моносахаридів, так само як і до складу жирів, входять лише Карбон, Гідроген і Оксиген у співвідношенні 1С : 2Н : 1О. Основу моносахаридів (від грец. монос – один, єдиний; сахар – цукор і еідос – вигляд), які зустрічаються в живих організмах, складає ланцюг з трьох – семи атомів Карбону. До них приєднуються атоми Гідрогену і гідроксильні групи, а також подвійним зв’язком – один атом Оксигену. Якщо Оксиген приєднується до кінцевого атому Карбону і утворюється альдегідна група, то цей моносахарид відносять до альдоз, а якщо до одного із серединних атомів, то відповідно утворюється кетогрупа і та кий сахарид є кетозою. Отже, моносахариди – це складні багатоатомні спирти, у яких один з атомів Карбону має подвійний зв’язок з атомом Оксигену. Моносахариди хімічно досить активні речовини, які мають сильні відновні властивості.

Молекулам моносахаридів властива полярність, вони розчиняються у воді. В сухому вигляді моносахариди є кристалами, мають солодкий смак.

Залежно від кількості атомів Карбону в молекулі розрізняють такі моносахариди: тріози (3С), тетрози (4С), пентози (5С), гексози (6С) і гептози (7С). Найбільш численними в живих організмах є пентози та гексози (мал. 99). Тріози і тетрози є проміжними продуктами фотосинтезу.

Най поширенішими в природі пентозами є рибоза і дезоксирибоза, які входять до складу нуклеїнових кислот. Тоді як значення гексоз більш різноманітне. Вони є ключовим джерелом енергії для всіх без винятку організмів, а також основою для синтезу більш складних молекул, які виконують захисні, запасаючі (слугують енергетичним резервом) чи структурні функції.

Всі гексози, що зустрічаються в живих організмах, є структурними ізомерами (грец. ізос – однаковий і мерос – частина), тобто мають одну молекулярну формулу С6Н12О6, однак відрізняються за своєю структурою і відповідно мають різні хімічні і фізичні властивості. Найбільш поширеними моносахаридами живих організмів є глюкоза і фруктоза. Елементний склад цих двох речовин однаковий, однак глюкоза – це альдоза, у неї подвійний зв’язок існує між Оксигеном та кінцевим атомом Карбону, а фруктоза – кетоза, у неї подвійний зв’язок між атомом Оксигену і некінцевим атомом Карбону. Крім того, в клітинах містяться й інші гексози, зокрема галактоза і маноза, які теж є альдозами, та від глюкози відрізняються розташуванням гідроксильних груп по різні боки карбонового ланцюга.

Глюкоза широко розповсюджена у природі, зокрема її багато у достиглих фруктах та ягодах. Фрукти стають солодшими під час дозрівання через те, що в них збільшується вміст глюкози, яка утворюється при розпаді (гідролізі) крохмалю.

Форма розташування одного і того ж структурного ізомеру в тривимірному просторі різноманітна і називається конформацією (з лат. конформаціо – розміщення). Тип конформації значною мірою визначає фізичні і хімічні властивості речовини і називається просторовою ізомерією, однією з форм якої є оптична ізомерія. Причиною оптичної ізомерії є наявність асиметричного атому Карбону, що відповідно приводить до асиметричної будови молекули в цілому.

При цьому тріози мають два оптичних ізомери, тетрози – 4, пентози – 8 і гексози – 16.

Оскільки асиметрія молекул має дзеркальну природу, то все це різноманіття розбивають на дві групи: правий і лівий ряди (мал. 99). Належність до того чи іншого ряду визначають наступним чином. Якщо атом Гідрогену, гідроксильна і оксиметильна групи, що пов’язані з передостаннім атомом Карбону, розташовані в просторі у вищевказаній послідовності, тобто за ходом годинникової стрілки, то їх відносять до правого ряду, а якщо орієнтовані проти ходу – до лівого. Така схема цілком відповідає реальному розташуванню молекули в тривимірному просторі. Моносахариди, які віднесено до правого ряду, позначаються великою літерою “D” (наприклад, D-глюкоза), а до лівого – літерою “L” (відповідно L-глюкоза). Слід зазначити, що до складу всіх живих істот входять тільки D-ізомери моносахаридів, тоді як L-ізомери в природі майже не зустрічаються. Досі невідомо, які саме біологічні чи хімічні переваги має одна ізомерна форма над іншою, тому вважається, що на етапі зародження життя серед первісних молекул сахаридів випадково склалась кількісна перевага D-ізомерів.

Зазвичай у природі гексози мають форму плоского кільця, що складається з чотирьох або п’яти атомів Карбону, замкнених атомом Оксигену. У альдоз атом Оксигену з’єднує перший і п’ятий атоми, у кетоз – другий і п’ятий. Виняток становлять молекули у формі відкритого карбонового ланцюга, які трапляються значно рідше, ніж кільцеві. Звичайно ці дві форми перебувають у стані динамічної рівноваги. Явище, коли одна ізомерна форма легко переходить в іншу, називається таутомерією (мал. 100) (від грец. таутос – той самий і мерос – міра). Це стосується не тільки циклічної чи ланцюгової форм молекул. Як з’ясувалося, у водних розчинах деяка частина молекул альдоз переходить у кетози і навпаки.

При утворені циклічної молекули виникає ще один асиметричний атом Карбону (мал. 101). Молекули, у яких гідроксильна група розташована над кільцем, називають а-ізомерами, а у тих, що під кільцем – в-ізомерами. Ці ізомери зустрічаються в клітинах живих організмів і відіграють велику роль у збільшенні різноманіття біологічних речовин.

Мал. 100.Перехід від ланцюгової до циклічної форми молекули глюкози (явище таутомерії)

Мал. 101.Формули: а – а-ізомеру; б – в-ізомеру D-глюкози

Які функції виконують гексози. Глюкоза, або виноградний цукор (назва пов’язана з тим, що найбільшим вміст глюкози є в ягодах винограду), відіграє ключову роль у метаболізмі тварин і рослин. Саме ця речовина утворюється в рослин унаслідок фотосинтезу і є первинним джерелом енергії в клітинах рослин і тварин. Глюкоза – найважливіший компонент крові людини. Недостатня її кількість у крові спричинює порушення діяльності м’язів та нервових клітин мозку, як наслідок – судоми, втрата свідомості і навіть смерть. Крім того, глюкоза – це вихідний продукт для утворення багатьох речовин і одна з головних речовин біологічного синтезу. Вона бере участь у регулюванні осмотичного тиску в клітинах різних органів та тканин, що забезпечує відносну сталість активних речовин.

Фруктоза (мал. 99) має ще інші назви – фруктовий або плодовий цукор, оскільки головним чином зустрічається в плодах. Відіграє значну роль в метаболізмі рослин і у вільному вигляді міститься в листі та плодах рослин. Може легко перетворюватися на глюкозу. Добре засвоюється організмом людини. Однак у крові міститься в дуже незначній кількості. Це найсолодший із моносахаридів, фруктоза в 2,5 раза солодша за глюкозу. Вона становить понад 50 % речовин у складі меду, її можна виявити у нектарі квітів, клітинному соку деяких рослин. Фруктоза, як і глюкоза, є компонентом більш складних сполук, необхідних для клітини.

Галактоза (мал. 99) є важливим компонентом молочного цукру лактози багатьох біологічно активних складних сполук та інших олігосахаридів і полісахаридів. У клітинах галактоза перетворюється на глюкозу.

Маноза (мал. 99) є теж складовою багатьох біологічно активних речовин. У вільному стані в дуже незначній кількості міститься в слині, крові і слизу кишечнику людини, де виконує певні функції. Серед рослин її дуже багато в шкірці апельсинів.

Вуглеводи – це багатоатомні альдегідоспирти, або кетоноспирти, які за складністю будови молекули поділяються на три групи. Моносахариди мають загальну формулу Cn : H2n : On і поділяються на кілька груп залежно від довжини карбонового ланцюга. Кожна з груп у свою чергу утворює різні типи ізомерів: структурні (глюкоза, фруктоза, галактоза, маноза), оптичні D-, L-ізомери, а-, Р-ізомери. Крім того, зустрічається циклічна та ланцюгові лінійні форми.

Моносахариди є важливим джерелом енергії всіх організмів без винятку, а також компонентами більш складних біологічно активних молекул.