Важнейший класс органических соединений, встречающийся в природе. Наиболее известны глюкоза, крахмал, целлюлоза, гликоген, гепарин и др., играющие важное значение в жизненных процессах человека и животных.
Углеводы – группа природных веществ, относящихся к полиоксикарбонильным соединениям, а также вещества, близкие им по строению.
В номенклатуре углеводов широко используется тривиальные названия: рибоза, фруктоза, лактоза, галактоза, глюкоза и т.д.
Классификация их основана на способности к гидролизу:
Моносахариды (МС) Олигосахариды(ОС) Полисахариды(ПС)
(простые сахара) (низкомолекулярные) (высокомолекулярные)
не гидролизуются гидролизуются гидролизуются
пентозы, гексозы сахароза целлюлоза
(альдозы, кетозы) мальтоза, лактоза крахмал, гликоген
Важнейшие УВ: из пентоз – рибоза, дезоксирибоза, ксилоза;
из гексоз – глюкоза, фруктоза, галактоза, манноза.
Моносахариды (МС)
Изомерия
Наличие нескольких асимметрических атомов углерода обусловливает существование большого числа оптических изомеров. Это и энантиомеры (зеркальные изомеры, антиподы), и диастереомеры, и эпимеры. Понятие энантиомеров и диастереомеров Вам известны.
Эпимеры – это диастереомеры, отличающиеся друг от друга конфигурацией только одного асимметрического атома С. Все изомеры, кроме зеркальных, отличаются друг от друга свойствами и имеют свое название:
Ксилоза Рибоза
Принадлежность
МС к D-
или L-ряду
определяется по конфигурации последнего
(наиболее удаленного от
гр.) хирального атома С по аналогии со
стандартом – глицериновым альдегидом:
|
|
|
Природные сахара – D-сахара, L-сахара поступают в организм извне.
Вновь образовавшийся гидроксил носит название полуацетального, или гликозидного и может по-разному располагаться в пространстве относительно цикла, образуя еще один асимметрический атом углерода в циклической форме. Если полуацетальный гидроксил располагается по одну сторону с гидроксилом, определяющим принадлежность к D- или L-ряду, то такой изомер называется -изомером, а другой – -изомером. Стереоизомеры, отличающиеся друг от друга расположением только полуацетального гидроксила в пространстве, называются аномерами . (-верх, -низ – выполняйте наш каприз! Для запоминания.)
Процесс образования циклических форм называется аномеризацией. Циклическая и открытая формы легко переходят друг в друга и находятся в динамическом равновесии. При комнатной температуре преобладает циклическая, при нагревании – открытая. Для альдогексоз более характерна пиранозная форма, для пентоз и фруктоз – фуранозная. Все это отражается в названии, например, -D-глюкопираноза. В кристаллическом состоянии циклические формы закреплены и -, и -изомеры стабильны и могут быть отделены друг от друга. При растворении часть молекул переходит в открытую форму, а из нее образуются все виды циклических форм. Так как каждая форма имеет свой угол вращения луча поляризованного света, то до установления динамического равновесия угол вращения будет постоянно меняться. Изменение во времени угла вращения плоскости поляризации света свежеприготовленного раствора углеводов называется мутаротацией .
В настоящее время вместо циклических формул Колли-Толленса чаще пользуются перспективными формулами Хеуорса.
Именно циклическая форма участвуют в образовании ди- и полисахаридов.
Химические свойства
Циклическая и открытая (альдегидная) формы находятся в равновесии. Поэтому возможны,р-ции, характерные для альдегидной и циклической форм.
Все моносахариды взаимодействуют с НСN, РС1 5 , NH 2 OH, NH 2 –NH 2 , NH 2 –NHC 6 H 5 , окисляются, восстанавливаются (Н 2).
В зависимости от характера окислителя и реакции среды МС могут образовывать различные продукты окисления.
1. При действии слабых окислителей: Аg 2 O, NH 4 OH, t o или Cu(ОН) 2 , ОН – , t o идет разрушение углерод-углеродной цепи с образованием оксикислот с небольшим числом атомов С, а сами окислители при этом восстанавливаются до Аg и Сu 2 O (Cu) соответственно. Р-ция находит применение в биохимических анализах для количественного определения сахаров в биологических жидкостях.
Проба Толленса (реакция «серебряного зеркала»):
Глюкоза Глюконовая кислота
Проба Троммера (реакция медного зеркала). При окислении глюкозы Сu(OH) 2 выпадает осадок Сu 2 O красного цвета.
При осторожном окислении в кислой водной среде, например, бромной водой, образуются к-ты за счет окисления альдегидной группы – альдоновые кислоты:
При действии сильных окислителей (например азотной кислоты) идет окисление по первому и шестому атомам С с образованием глюкаровой кислоты:
Глюкаровая кислота
При окислении только первичной спиртовой группы (по 6-ому атому С), если альдегидная группа защищена с образованием гликозида, получают уроновые к-ты. В организме этот процесс идет легко под действием ферментов. Уроновые к-ты способны к цикло-оксо-таутомерии. Они являются важной составной частью кислых гетерополисахаридов, например, гепарина, гиалуроновой к-ты.
Р-ции по спиртовым гидроксилам протекают как в открытой, так и в циклических формах.
Моносахариды взаимодействуют с Ме, Ме(ОН) 2 , образуя сахараты, с Сu(OH) 2 , с СН 3 I с образованием простых эфиров, с минеральными и органическими к-тами образуются сложные эфиры, с NH 3 – аминосахара.
Наиболее важны фосфорные эфиры сахаров и аминосахара. Именно в виде фосфорных эфиров рибоза и дезоксирибоза входит в состав НК, соединения глюкозы и фруктозы участвуют в обмене веществ.
Фруктоза + 2Н 3 РО 4 →1,6-Дифосфат фруктозы.
Аминосахара в организме образуются довольно легко в процессе аммонолиза. Чаще всего по второму атому С:
Аминосахара являются составной частью гетерополисахаридов.
Р-ции по полуацетальному гидроксилу
Эти р-ции характерны для циклической формы. При действии на моносахара спирта в присутствии газообразного НС1 происходит замещение атома Н полуацетального гидроксила на R с образованием особого типа простого эфира – гликозида. Р-ры гликозидов не мутаротируют. В зависимости от размера оксидного цикла гликозиды делятся на: пиранозиды и фуранозиды, как -, так и -форм.
Образование гликозидов служит доказательством существования циклических форм моносахаридов.
Превращение моносахарида в гликозид – сложный процесс, протекающий через ряд последовательных р-ций. Вследствие таутомерии и обратимости р-ции образования гликозида в р-ре, в равновесии в общем случае, могут находиться таутомерные формы исходного моносахарида и соответственно 4 диастереомерных гликозидов – и -аномеры фуранозидов и пиранозидов.
Гликозиды могут также образовываться при взаимодействии с фенолами или NH-содержащими алифатическими и гетероциклическими аминами.
Молекулу гликозида формально можно представить состоящей из двух частей: углеводной и агликоновой. В роли гидроксилсодержащих агликонов могут выступать и сами моносахариды. Гликозиды, образованные с ОН–содержащими агликонами, называются О-гликозидами, с NH-содержащими соединениями (например, аминами), наз-ся N-гликозидами.
Гликозиды являются составными частями многих лекарственных растений. Например, сердечные гликозиды, выделенные из наперстянки. Антибиотик стрептомицин – гликозид, ванилин – гликозид. Все ди- и полисахариды являются О-гликозидами.
С биологической точки зрения особое значение имеют N-гликозиды рибозы и дезоксирибозы, как продукты соединения с азотистыми пуриновы
ми и пиримидиновыми основаниями. Их общее название – нуклеозиды, т.к. вместе с Н 3 РО 4 они являются нуклеиновыми к-тами – ДНК и РНК.
Все гликозиды, в том числе и нуклеозиды, легко подвергаются гидролизу в кислой среде с образованием исходных продуктов.
Гликозиды не способны к цикло-оксо-таутомерии и проявляют р-ции, характерные для спиртов.
IV. Специфические р-ции
Действие разбавленных. растворов- щелочей
Эпимеры: глюкоза, фруктоза и манноза легко превращаются друг в друга, образуя равновесные системы. Этот процесс наз-ся эпимеризацией.
Действие конц. р-ров кислот
Конц. р-ры НС1 и Н 2 SО 4 вызывают дегидратацию моносахаридов: из пентоз образуется фурфурол, из фруктозы – 5-гидроксиметилфурфурол.
3. Брожение
Это распад моносахаридов под действием ферментов микроорганизмов, приводящий к образованию различных продуктов. В зависимости от конечного продукта различают:
а) спиртовое брожение
б) молочнокислое
в) масляное
Л и т е р а т у р а
1. Тюкавкина С. 377 – 406.
Олигосахариды
Это углеводы, содержащие в молекуле 2-10 моносахаридных остатков. Наиболее важны дисахариды, то есть сахариды, содержащие два моносахаридных остатка. К ним относятся сахароза, мальтоза, лактоза и целлобиоза. При гидролизе их образуется два моносахарида. Сахароза – невосстанавли
вающий дисахарид, остальные – восстанавливающие. Все дисахариды являются гликозидами и содержат в своем составе a–D–глюкозу.
Молекула сахарозы состоит из a–D–глюкозы и b–D–фруктозы:
При образовании сахарозы оба моносахарида участвуют своими полуацетальными гидроксилами. Поэтому циклическая форма будет закреплена и оксо-форма (открытая) не образуется. Такой сахар обладает свойствами многоатомного спирта и гликозида. Восстанавливающие свойства отсутствуют: проба Троммера и реакция Толленса отрицательны. Подобно моносахаридам сахароза вступает в р-ции с Ме (активным), образует простые и сложные эфиры, дает качественную р-цию с Сu(ОН) 2 – синее окрашивание:
Сахароза, как гликозид, легко гидролизуется в кислой среде с образованием a–D–глюкозы и b–D–фруктозы. При этом происходит изменение угла вращения поляризованного света. Сахароза обладает правым вращением (+66,5 0), образующаяся фруктоза – левым (-92 0), глюкоза – правым (+52,5 0). Разница – -40 0 .
Это явление называется инверсией сахара. Смесь глюкозы и фруктозы – инвертным сахаром. Природный инвертный сахар – мед.
Сладость сахарозы принята за 1, тогда фруктоза имеет сладость 1,73, глюкоза – 0,74, сорбит – 0,6, маннит – 0,4.
Специфические реакции
Сахароза после гидролиза дает положительную реакцию Селиванова, так как при гидролизе образуется фруктоза.
Проба Троммера и реакция Толленса отрицательны, так как в щелочной среде сахароза не гидролизуется.
Сахароза применяется в медицине для приготовления порошков, таблеток, сиропов, микстур и пр.
Важнейшими представителями восстанавливающих дисахаридов являются мальтоза, лактоза и целлобиоза.
В растворе мальтоза существует в виде циклической и открытой формах (3 формы) за счет мутаротации:
Химические свойства
Мальтоза – это альдегидо-спирто-гликозид.
I. Реакции открытой формы. Мальтоза дает все реакции по альдегидной группе с HCN, NH 2 OH, NH 2 –NH 2 , восстановления, окисления.
Проба Троммера и реакция Толленса положительны:
Углеводы, дающие положительную пробу Троммера, называются восстанавливающими.
II. Реакции по – ОН гр. аналогичны реакциям для сахарозы.
III. Мальтоза гидролизуется в кислой среде с образованием 2-х молекул глюкозы.
Лактоза существует в растворе в виде трех форм: двух циклических и одной открытой. Лактоза восстанавливающий дисахарид и обладает всеми
свойствами, характерными для мальтозы. Лактоза содержится в женском молоке и способна подавлять рост бактерий.
Полисахариды
Это высокомолекулярные углеводы, содержащие сотни и даже тысячи моносахаридных остатков.
Из полисахаридов широко известны целлюлоза, крахмал и гликоген. Они построены из одного и того же моносахарида – D-глюкозы. Общая формула (С 6 Н 10 О 5)n.
Целлюлоза (клетчатка) – самый распространенный не только полисахарид, но и органическое вещество в природе. Древесина примерно на 50% состоит из целлюлозы, а хлопок и лен представляют практически чистую целлюлозу.
В целлюлозе остатки D–глюкопиранозы связаны между собой b–(1®4) – гликозидной связью:
Цепь, построенная из тысячи остатков D–глюкозы, имеет линейное строение. Линейные цепи закреплены Н–связями между моносахаридными звеньями внутри одной цепи. Между параллельно уложенными цепями полисахарида также возникают Н-связи, придающие жесткость всей структуре. Отсюда высокая механическая прочность целлюлозы.
С химической позиции целлюлоза – многоатомный спирт, содержащий три гидроксильные группы в каждом моносахаридном звене, и способный образовывать с участием этих групп простые и сложные эфиры:
В эфирные группы могут быть превращены либо все, либо часть гидроксильных групп фрагмента полисахарида, где R–алкил или остаток органической или неоранической кислоты (в сложных эфирах). Целлюлоза не проявляет восстанавливающих свойств.
Простые эфиры целлюлозы – метилцеллюлоза R=CH 3 и натрийкарбоксиметилцеллюлоза R=СН 2 СООNa – образуют вязкие водные р-ры или гели и применяются в фармации в качестве загустителей, эмульгаторов и стабилизаторов мазей и эмульсий. Карбоксиметилцеллюлоза R=СН 2 СООН и диэтиламиноэтилцеллюлоза (сокращенно ДЭАЭ-целлюлоза) R=СН 2 СН 2 N (C 2 H 5) 2 обладают способностью ионитов и применяются в биохимических исследованиях.
Эфир уксусной к-ты (триацетат) применяют в производстве кинопленки и электроизоляционной пленки. Из этого полиэфира вырабатывают также ацетатное волокно. Из целлюлозы получают и другие искусственные волокна: вискозное и медноаммиачное.
Широко применяются эфиры целлюлозы с азотной к-той. Тринитрат целлюлозы – взрывчатое вещество, применяется в производстве пороха. Смесь моно-и динитратов целлюлозы используют в производстве целлулоида, лаков, взрывчатых вещ-в.
Гидролизом целлюлозы в промышленности вырабатывают глюкозу, брожением которой получают этиловый спирт. Другие области применения целлюлозы: строительный материал, производство бумаги, картона.
Крахмал – другой распространенный растительный полисахарид, состоящий из двух фракций: амилопектина (основной компонент – 80-90%) и амилозы. Амилоза, как и целлюлоза, построена из (1®4) – связанных остатков D–глюкопиранозы.
Однако в отличие от целлюлозы, гликозидная связь в амилозе имеет -конфигурацию, в результате чего полисахаридная цепь приобретает иное пространственное строение, напоминающее спираль.
А
Гликозидные
связи
Фрагмент цепи амилозы
Амилопектин имеет разветвленное строение. В основной цепи остатки D-глюкопиранозы связаны a-(1®4) – гликозидной связью, а в местах ветвления – a-(1®6)-связью:
Амилопектин +I 2 ® фиолетовое окрашивание
В организме крахмал подвергается гидролизу:
Амилаза слюны Желудочный сок
Крахмал Декстрины крупные
Амилаза панкреотического сока Мальтаза кишечника
Декстрины мелкие Мальтоза α-D-глюкоза
a–D-Глюкоза поглощается ворсинками кишечника, попадает в кровеносное русло и используется как источник энергии. Избыток глюкозы полимеризуется в гликоген и откладывается в печени про запас.
Проблема ожирения возникает потому, что количество гликогена в тканях ограничено. После синтеза 50-60г гликогена на 1кг ткани из глюкозы начинает вырабатываться жир.
Гликоген (животный крахмал) имеет сходное строение с амилопектином, однако разветвленность его больше, чем амилопектина.
Гетерополисахариды – это углеводы, при гидролизе которых образуются молекулы различных моносахаридов и их производных. К последним относятся гепарин, гиалуроновая к-та, хондроитинсерная к-та. В их состав входят аминосахара, уроновые кислоты и остатки серной и уксусной кислот.
Соединительная ткань распределена по всему организму (кожа, хрящи, сухожилия, суставная жидкость, роговица, стенки крупных кровеносных сосудов, кости) и обусловливает прочность и упругость органов, эластичность их соединения, стойкость к проникновению инфекции. Полисахариды соединительной ткани связаны с белками.
Полисахариды соединительной ткани иногда называют кислыми мукополисахаридами, т.к. они содержат уроновые к-ты, остатки серной и уксусной кислот.
Функции углеводов: 1) энергетическая; 2) строительная; 3) наследственная; 4) защитная; 5) поддержание постоянного осмотического давления и свертываемости крови; 6) лекарственные препараты и компоненты к ним.
Энергетическая функция. Потребность человеческого организма удовлетворяется за счет углеводов. При нормальной трудовой деятельности энергетические затраты человека покрываются за счет углеводов на 55-60%, жиров на 20-25%, белков на 15-20%.
Калорийность углеводов, то есть энергия, выделяемая в процессе их диссимиляции с образованием СО 2 и Н 2 О, составляет 16-17 кДж/г. Источником глюкозы является гликоген и крахмал, поступающий с пищей. Глюкоза – обязательный компонент крови (3,3 –3,5 ммоль/л цельной крови).
Особенно чувствительны к снабжению глюкозой нервные клетки. При недостатке глюкозы возникают судороги, потеря сознания. Постоянная концентрация глюкозы зависит от двух гормонов адреналина (гормон надпочечников), регулирующего расщепление глюкозы, и инсулина (гормон поджелудочной железы), регулирующего синтез гликогена из глюкозы. При уменьшении инсулина уровень глюкозы повышается примерно в 2 раза, увеличивается давление, образуется большое количество "ацетоновых тел", изменяется рН крови. Это наблюдается при сахарном диабете.
Контрольные вопросы к теме: «Углеводы»
Какие соединения называются моносахаридами.
Классификация моносахаридов.
Оптическая изомерия. По какому хиральному атому углерода идет отнесение к D- и L- изомерам.
Что такое мутаротация.
Какие соединения относятся к дисахаридам.
Какие дисахариды называются восстанавливающими, а какие невосстанавливающими. Объясните почему?
Какие углеводы называются полисахаридами.
Перечислите функции углеводов в организме.
Упражнения:
Напишите с помощью проекционных формул Фишера энантиомеры глюкозы, галактозы и маннозы. Укажите диастереомеры и эпимеры. Какие формы моносахаридов входят в организм?
Напишите циклические формы D- глюкопиранозы.
Напишите реакции глюкозы по альдегидной группе.
Напишите реакции «серебряного и медного зеркала» для глюкозы.
Напишите реакции для глюкозы по группам ОН.
Напишите реакции брожения глюкозы.
Напишите реакции образования мальтозы и лактозы. Какими дисахаридами они являются?
Напишите схему образования невосстанавливающего дисахарида.
Напишите компоненты, содержащиеся в крахмале.
10. Напишите формулы целлюлозы и гликогена
служат основным источником энергии. Примерно 60% энергии организм получает за счет углеводов, остальную часть - за счет белков и жиров. Углеводы содержатся преимущественно в продуктах растительного происхождения.
В зависимости от сложности строения, растворимости, быстроты усвоения углеводы пищевых продуктов делятся на:
простые углеводы - моносахариды (глюкоза, фруктоза, галактоза), дисахариды (сахароза, лактоза);
сложные углеводы - полисахариды (крахмал, гликоген, пектиновые вещества, клетчатка).
Простые углеводы легко растворяются в воде и быстро усваиваются. Они обладают выраженным сладким вкусом и относятся к сахарам.
Простые углеводы. Моносахариды.
Моносахариды - самый быстрый и качественный источник энергии для процессов, происходящих в клетке.
Глюкоза - наиболее распространенный моносахарид. Она содержится во многих плодах и ягодах, а также образуется в организме в результате расщепления дисахаридов и крахмала пищи. Глюкоза наиболее быстро и легко используется в организме для образования гликогена, для питания тканей мозга, работающих мышц (в том числе и сердечной мышцы), для поддержания необходимого уровня сахара в крови и создания запасов гликогена печени. Во всех случаях при большом физическом напряжении глюкоза может использоваться как источник энергии.
Фруктоза обладает теми же свойствами, что и глюкоза, и может рассматриваться как ценный, легкоусвояемый сахар. Однако она медленнее усваивается в кишечнике и, поступая в кровь, быстро покидает кровяное русло. Фруктоза в значительном количестве (до 70 - 80%) задерживается в печени и не вызывает перенасыщение крови сахаром. В печени фруктоза более легко превращается в гликоген по сравнению с глюкозой. Фруктоза усваивается лучше сахарозы и отличается большей сладостью. Высокая сладость фруктозы позволяет использовать меньшие ее количества для достижения необходимого уровня сладости продуктов и таким образом снизить общее потребление сахаров, что имеет значение при построении пищевых рационов ограниченной калорийности. Основными источниками фруктозы являются фрукты, ягоды, сладкие овощи.
Основными пищевыми источниками глюкозы и фруктозы служит мед: содержание глюкозы достигает 36.2%, фруктозы - 37.1%. В арбузах весь сахар представлен фруктозой, количество которой составляет 8%. В семечковых преобладает фруктоза, а в косточковых (абрикосы, персики, сливы) - глюкоза.
Галактоза является продуктом расщепления основного углевода молока - лактозы. Галактоза в свободном виде в пищевых продуктах не встречается.
Простые углеводы. Дисахариды.
Из дисахаридов в питании человека основное значение имеет сахароза, которая при гидролизе распадается на глюкозу и фруктозу.
Сахароза. Важнейший пищевой источник ее тростниковый и свекловичный сахар. Содержание сахарозы в сахаре-песке составляет 99.75%. Натуральными источниками сахарозы являются бахчевые, некоторые овощи и фрукты. Попадая в организм, она легко разлагается на моносахариды. Но это возможно, если мы потребляем сырой свекольный или тростниковый сок. Обыкновенный сахар имеет на много более сложный процесс усвоения.
Это важно! Избыток сахарозы оказывает влияние на жировой обмен, усиливая жирообразование. Установлено, что при избыточном поступлении сахара усиливается превращение в жир всех пищевых веществ (крахмала, жира, пищи, частично и белка). Таким образом, количество поступающего сахара может служить в известной степени фактором, регулирующим жировой обмен. Обильное потребление сахара приводит к нарушению обмена холестерина и повышению его уровня в сыворотке крови. Избыток сахара отрицательно сказывается на функции кишечной микрофлоры. При этом повышается удельный вес гнилостных микроорганизмов, усиливается интенсивность гнилостных процессов в кишечнике, развивается метеоризм. Установлено, что в наименьшей степени эти недостатки проявляются при потреблении фруктозы.
Лактоза (молочный сахар) - основной углевод молока и молочных продуктов. Ее роль весьма значительна в раннем детском возрасте, когда молоко служит основным продуктом питания. При отсутствии или уменьшении фермента лактозы, расщепляющей лактозу до глюкозы и галактозы, в желудочно-кишечном тракте наступает непереносимость молока.
Сложные углеводы. Полисахариды.
Сложные углеводы, или полисахариды, характеризуются усложненным строением молекулы и плохой растворимостью в воде. К сложным углеводам относятся крахмал, гликоген, пектиновые вещества и клетчатка.
Мальтоза (солодовый сахар) - промежуточный продукт расщепления крахмала и гликогена в желудочно-кишечном тракте. В свободном виде в пищевых продуктах она встречается в меде, солоде, пиве, патоке и проросшем зерне.
Крахмал - важнейший поставщик углеводов. Он образуется и накапливается в хлоропластах зеленых частей растения в форме маленьких зернышек, откуда путем гидролизных процессов переходит в водорастворимые сахара, которые легко переносятся через клеточные мембраны и таким образом попадают в другие части растения, в семена, корни, клубни и другие. В организме человека крахмал сырых растений постепенно распадается в пищеварительном тракте, при этом распад начинается еще во рту. Слюна во рту частично превращает его в мальтозу. Вот почему хорошее пережевывание пищи и смачивание ее слюной имеет исключительно важное значение. Старайтесь в своем питании чаще использовать продукты, содержащие естественную глюкозу, фруктозу и сахарозу. Наибольшее количество сахара содержится в овощах, фруктах и сухофруктах, а также проросшем зерне.
Крахмал имеет основное пищевое значение. Высоким его содержанием в значительной степени обуславливается пищевая ценность зерновых продуктов. В пищевых рационах человека на долю крахмала приходится около 80% общего количества потребляемых углеводов. Превращение крахмала в организме в основном направлено на удовлетворение потребности в сахаре.
Гликоген в организме используется в качестве энергетического материала для питания работающих мышц, органов и систем. Восстановление гликогена происходит путем его его ресинтеза за счет глюкозы.
Пектины относятся к растворимым веществам, усваивающимися в организме. Современными исследованиями показано несомненное значение пектиновых веществ в питании здорового человека, а также возможность использовать их с терапевтической целью при некоторых заболеваниях преимущественно желудочно-кишечного тракта.
Клетчатка по химической структуре весьма близка к полисахаридам. Высоким содержанием клетчатки характеризуются зерновые продукты. Однако помимо общего количества клетчатки, важное значение имеет ее качество. Менее грубая, нежная клетчатка хорошо расщепляется в кишечнике и лучше усваивается. Такими свойствами обладает клетчатка картофеля и овощей. Клетчатка способствует выведению из организма холестерина.
Потребность в углеводах определяется величиной энергетических затрат. Средняя потребность в углеводах для тех, кто не занят тяжелым физическим трудом, 400 - 500 г. в сутки. У спортсменов по мере увеличения интенсивности и тяжести физических нагрузок потребность в углеводах увеличивается и может возрастать до 800 г в сутки.
Это важно! Способность углеводов быть высокоэффективным источником энергии лежит в основе их сберегающего белок действия. При поступлении с пищей достаточного количества углеводов аминокислоты лишь в незначительной степени используются в организме как энергетический материал. Хотя углеводы не принадлежат к числу незаменимых факторов питания и могут образовываться в организме из аминокислот и глицерина, минимальное количество углеводов суточного рациона не должно быть ниже 50 - 60г., чтобы избежать кетоза, кислого состояния крови, которое может развиться, если для образования энергии используются преимущественно запасы жира. Дальнейшее снижение количества углеводов ведет к резким нарушениям метаболических процессов.
Если употреблять слишком много углеводов, больше, чем организм может преобразоваться в глюкозу или гликоген, то в результате, это ведет к ожирению. Когда телу нужно больше энергии, то жир преобразуется обратно в глюкозу, и вес тела снижается. При построении пищевых рационов чрезвычайно важно не только удовлетворить потребности человека в необходимом количестве углеводов, но и подобрать оптимальные соотношения качественно различных типов углеводов. Наиболее важно учитывать соотношение в рационе легкоусвояемых углеводов (сахаров) и медленно всасывающихся (крахмал, гликоген).
При поступлении с пищей значительных количеств сахаров они не могут полностью откладываться в виде гликогена, и их избыток превращается в триглицериды, способствуя усиленному развитию жировой ткани. Повышенное содержание в крови инсулина способствует ускорению этого процесса, поскольку инсулин оказывает мощное стимулирующее действие на жироотложение.
В отличие от сахаров крахмал и гликоген медленно расщепляются в кишечнике. Содержание сахара в крови при этом нарастает постепенно. В связи с этим целесообразно удовлетворять потребности в углеводах в основном за счет медленно всасывающихся углеводов. На их долю должно приходиться 80 - 90% от общего количества потребляемых углеводов. Ограничение легкоусвояемых углеводов приобретает особое значение для тех, кто страдает атеросклерозом, сердечно-сосудистыми заболеваниями, сахарным диабетом, ожирением.
Будет здорово, если вы напишете комментарий:
Входят в состав клеток и тканей всех растительных и животных организмов и по массе составляют основную часть органического вещества на Земле. На долю углеводов приходится около 80% сухого вещества растений и около 20% животных. Растения синтезируют углеводы из неорганических соединений - углекислого газа и воды (СО 2 и Н 2 О) в процессе фотосинтеза:
6СО 2 + 6Н 2 О свет, хлорофилл → C 6 H 12 O 6 + 6 O 2
Углеводы имеют общую формулу C n (H 2 O) m , откуда и возникло название этих природных соединений. Углеводы делятся на: моносахариды (важнейшие представители – глюкоза и фруктоза); дисахариды(сахароза); полисахариды (важнейшие представители – крахмал и целлюлоза).
Фруктоза C 6 H 12 O 6 является одним из самых распространенных углеводов фруктов, содержится в мёде. В отличие от глюкозы она может без участия инсулина проникать из крови в клетки тканей. По этой причине фруктоза рекомендуется в качестве наиболее безопасного источника углеводов для больных диабетом.
Сахароза С 12 Н 22 О 11 , образован молекулами глюкозы и фруктозы. Содержание сахарозы в сахаре 99,5%. Сахар часто называют «носителем пустых калорий», так как сахар – это чистый углевод и не содержит других питательных веществ, таких, как, например, витамины, минеральные соли. Сахароза содержится в сахарном тростнике и сахарной свекле, а также в сладостях.
Сбор сахарного тростника . Фреска во дворце Кортеса в Куэрнаваке.
Крахмал и целлюлоза
Крахмал
(С 6 Н 10 О 5)
n
- природный полимер, он накапливается в виде
зерен, главным образом в клетках семян, луковиц, клубней, а также в листьях и
стеблях. Крахмал - белый порошок, нерастворимый в холодной воде. В горячей воде
он набухает и образует клейстер.
Крахмал чаще всего получают из картофеля. Для этого картофель измельчают,
промывают водой и перекачивают в большие сосуды, где происходит отстаивание.
Полученный крахмал еще раз промывают водой, отстаивают и сушат в струе теплого
воздуха.
Крахмал - основная часть важнейших
продуктов питания: муки (75 - 80%), картофеля (25%), саго и др. Энергетическая
ценность около 16,8 кДж/г. Он является ценным питательным продуктом. Чтобы
облегчить его усвоение, содержащие крахмал продукты подвергают действию высокой
температуры, то есть картофель варят, хлеб пекут. В этих условиях происходит
частичный гидролиз крахмала и образуются декстрины, растворимые в воде.
Декстрины в пищеварительном тракте подвергаются дальнейшему гидролизу до
глюкозы, которая усваивается организмом. Избыток глюкозы превращается в
гликоген (животный крахмал). Состав гликогена такой же, как у крахмала, - (C 6 H 10 O 5) n ,
но его молекулы более разветвленные. Особенно много гликогена содержится в
печени (до 10%). В организме гликоген является резервным веществом, которое
превращается в глюкозу по мере ее расходования в клетках.
В промышленности крахмал путем гидролиза превращают в патоку и глюкозу. Для
этого его нагревают с разбавленной серной кислотой, избыток которой затем
нейтрализуют мелом.
(С 6 Н 10 О 5) n + n H 2 O- H 2 SO 4, t ˚ C → n C 6 H 12 O 6
Образовавшийся осадок сульфата кальция отфильтровывают, раствор упаривают и выделяют глюкозу. Если гидролиз крахмала не доводить до конца, то образуется смесь декстринов с глюкозой - патока, которую применяют в кондитерской промышленности. Получаемые с помощью крахмала декстрины используются в качестве клея, для загустения красок при нанесении рисунков на ткань. Крахмал применяют для накрахмаливания белья. Под горячим утюгом происходит частичный гидролиз крахмала и превращение его в декстрины. Последние образуют на ткани плотную пленку, которая придает блеск ткани и предохраняет ее от загрязнения. Крахмал и его производные применяются при производстве бумаги, текстильных изделий, в литейном и других производствах, в фармацевтической промышленности.
Обнаружение крахмала
Целлюлоза или клетчатка (С 6 Н 10 О 5) n , один из самых распространённых природных полимеров; главная составная часть клеточных стенок растений, обусловливающая механическую прочность и эластичность растительных тканей. Так, содержание целлюлозы в волосках семян хлопчатника 97-98%, в стеблях лубяных растений (лён, рами, джут) 75-90%, в древесине 40-50%, камыше, злаках, подсолнечнике 30-40%. Обнаружена в организме некоторых низших беспозвоночных.
Целлюлоза используется
человеком с очень древних времен. Сначала
применяли древесину как горючий и строительный материал;
затем хлопковые, льняные и другие волокна стали использовать как
текстильное сырье. Первые промышленные способы химической
переработки древесины возникли в связи с развитием
бумажной промышленности.
Бумага – это тонкий слой волокон клетчатки, спрессованных и проклеенных
для создания механической прочности,
гладкой поверхности, для предотвращения
растекания чернил. Первоначально для изготовления
бумаги употребляли растительное сырье, из которого чисто механически
можно было получить необходимые волокна, стебли риса (так
называемая рисовая бумага), хлопка, использовали
также изношенные ткани. Однако по мере
развития книгопечатания перечисленных источников сырья
стало не хватать для удовлетворения
растущей потребности бумаги.
Особенно много бумаги расходуется для
печатания газет, причем вопрос о
качестве (белизне, прочности, долговечности) для газетной бумаги
значения не имеет. Зная, что древесина примерно на 50%
состоит из клетчатки, к бумажной массе
стали добавлять размолотую древесину. Такая бумага
непрочна и быстро желтеет (особенно на свету).
Для улучшения качества древесных добавок к
бумажной массе были предложены различные способы
химической обработки древесины, позволяющие получить
из нее более или менее чистую
целлюлозу, освобожденную от сопутствующих веществ – лигнина,
смол и других. Для выделения целлюлозы было
предложено несколько способов, из которых мы рассмотрим сульфитный. По
сульфитному способу измельченную древесину ”варят “ под давлением с
гидросульфитом кальция. При этом сопутствующие вещества
растворяются, и освобожденную от примесей целлюлозу
отделяют фильтрованием. Отходы содержат способные к брожению
моносахариды, их используют как сырье для
получения этилового спирта (так называемый гидролизный спирт). Целлюлоза
используется для получения вискозного, ацетатного, медно-аммиачного волокон.
Задания для закрепления
№1.
Крахмал образуется в процессе фотосинтеза, причём сначала образуется глюкоза, а из неё крахмал:CO 2 -> C 6 H 12 O 6 -> (C 6 H 10 O 5) n
nC 6 H 12 O 6 - > (C 6 H 10 O 5) n + nH 2 O
Решите задачу:
Вычислите
массу крахмала, который образуется в процессе фотосинтеза? Если
известно, что в процессе фотосинтеза участвуют 10 кг воды и 20 л
углекислого газа (н.у.).
№2. При взаимодействии сахарозы с водой образуется смесь глюкозы и сахарозы.
Решите задачу:
Вычислите
массу раствора сахарозы (массовая доля сахарозы 20%), который подвергли
гидролизу (взаимодействию с водой), если при этом выделилось 7,2 г
глюкозы.
№3. Заполните таблицу
ВАЖНЕЙШИЕ УГЛЕВОДЫ |
|||||
МОНОСАХАРИДЫ | ДИСАХАРИДЫ | ПОЛИСАХАРИДЫ |
|||
НАЗВАНИЯ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ | |||||
ХИМИЧЕСКАЯ ФОРМУЛА | |||||
НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ | |||||
ПРИМЕНЕНИЕ | |||||
Яковлева О.А. Урок с использованием ЭОР
Место работы : муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 28» г. Балаково Саратовской области (МАОУ СОШ №28 г. Балаково Саратовской области»)
Предмет: химия
Тема: Классификация углеводов. Моносахариды. Глюкоза.
Продолжительность: 45 минут
Класс: 10
Тип урока: урок формирования знаний
Технологии : ЭОР Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов (http://school-collection.edu.ru).
Технологические особенности : для просмотра ЭОР необходимо установить на компьютере следующие программы: Power Point-2007; проигрыватель Flash8-en; проигрыватель Java Runtime Environment 1.5 ; проигрыватель для просмотра видеофрагментов (например KMPlayer).
Цель урока: систематизировать знания об углеводах, как классе органических соединений; изучить строение, свойства, способы получения и применение моносахаридов на примере глюкозы.
Задачи урока:
Образовательные:
актуализировать знания о классификации углеводов;
исследовать химические свойства глюкозы и на основании этого сделать вывод о её строении;
изучить способы получения и применение глюкозы;
проконтролировать степень усвоения знаний с помощью теста.
Воспитательные:
формировать мировоззрение учащихся;
воспитывать самостоятельность, чувство собственного достоинства.
Развивающие:
совершенствовать умения и навыки при проведении химического эксперимента с соблюдением правил техники безопасности;
развивать память, речь, мышление, умение анализировать, сопоставлять, делать выводы;
совершенствовать навыки решения тестовых заданий;
развивать познавательный интерес, творческие способности, уверенность в своих силах, настойчивость.
Методы обучения: использование ЦОР, химический эксперимент, метод исследования, фронтальная беседа, фронтальный опрос.
Оборудование: компьютер, проектор, экран, пробирки, держатель для пробирок, спиртовка.
Реактивы: растворы медного купороса CuSO4 ∙ 5H2O, гидроксида натрия NaOH, глюкозы C6H12O6.
Ход урока.
Организационный этап.
Актуализация знаний. Постановка цели.
Вступление учителя:
Человеческий организм не может не только расти и развиваться, но и просто существовать без притока органических веществ. В отличие от растений и подобно животным, он не может сам создавать органические соединения из неорганического сырья. Кроме того, организму требуется энергия - как для обеспечения соответствующей температуры тела, так и для совершения работы, следовательно, пища - жизнь.
Вопросы классу:
Из чего состоит наша пища?
Какие вещества являются главными поставщиками энергии организму человека?
Наша пища состоит из очень большого числа различных химических веществ: белков, жиров, углеводов, витаминов, минеральных веществ. Среди них имеются соединения, которые определяют её энергетическую и биологическую ценность, участвуют в формировании структуры, вкуса, цвета и аромата пищевых продуктов.
Главными поставщиками энергии организму человека являются углеводы. Углеводами богаты зерновые и бобовые культуры, картофель, фрукты и овощи. Считается, что на 60% потребности человека в энергии должны обеспечиваться углеводами. В день человек должен получать не менее 500 г углеводов.
Сегодня на уроке мы должны систематизировать знания об углеводах, как о классе органических соединений, особенностях их строения и свойств. И начнём мы с определения и классификации.
Введение знаний.
Углеводы - кислородсодержащие органические вещества, большинство которых отвечает общей формулеС n (H 2 O ) m .
Т.е. углеводы как бы состоят из углерода и воды, отсюда и название класса. Это название появилось на основе элементного анализа первых известных углеводов. В дальнейшем было установлено, что существуют углеводы, в молекулах которых не соблюдается указанное соотношение, например дезоксирибоза C5H10O4. Известны также соединения, состав которых соответствует приведённой общей формуле, но они не принадлежат к классу углеводов (формальдегид, уксусная кислота). Однако название «углеводы» укоренилось и в настоящее время является общепризнанным.
Углеводы - это чрезвычайно разнообразный класс соединений, как по составу, так и по строению их молекул.
Классификация углеводов.
По способности к гидролизу углеводы можно разделить на 3 основные группы: моносахариды, олигосахариды, полисахариды.
Учащиеся записывают в тетради схему и примеры.
Моносахариды - углеводы, являющиеся по строению альдегидоспиртами или кетоноспиртами, которые не подвергаются гидролизу. В зависимости от числа атомов углерода делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы.
Примеры: глюкоза (виноградный сахар) C6H12O6 - белое кристаллическое вещество, содержится в соке винограда и других фруктах.
Использование ЭОР (можно продемонстрировать некоторые структурные формулы в качестве примера, формулы глюкозы и фруктозы лучше показать в разделах «строение»):
Фруктоза (фруктовый сахар) C6H12O6 - белое кристаллическое вещество, составляет значительную часть мёда.
Рибоза C5H10O5 - входит в состав РНК.
Полисахариды - это высокомолекулярные углеводы, построенные из остатков моносахаридов. Могут иметь разветвлённое и линейное строение.
Примеры: крахмал (C6H10O5)n - полисахарид, построенный из звеньев α-глюкозы, белый порошок, нерастворимый в холодной воде. В горячей воде набухает и образует крахмальный клейстер. Содержится в растениях и является ценным питательным веществом. Под воздействием ферментов в организме гидролизуется до глюкозы.
Использование ЭОР:
Трехмерная химическая формула: Крахмал № 103817
Целлюлоза (C6H10O5)n - полисахарид, построенный из звеньев β-глюкозы, твёрдое волокнистое вещество, нерастворимое в воде. Служит «строительным материалом» для стенок растительной клетки, является самым распространённым органическим веществом на Земле. Применяется для изготовления хлопчатобумажных тканей и бумаги.
Изучение моносахаридов продолжим на примере глюкозы.
Нахождение в природе (проводится фронтальная беседа).
В свободном виде глюкоза содержится почти во всех органах зеленых растений. Особенно её много в соке винограда (отсюда название «виноградный сахар»). Мёд в основном состоит из смеси глюкозы и фруктозы. Также глюкоза содержится цветочном нектаре, некоторых фруктах и овощах.
В крови человека и животных содержится около 0,1% глюкозы (80 - 120 мг в 100 мл крови). Превышение содержания глюкозы в крови уровня 180 мг на 100 мл крови свидетельствует о нарушении углеводного обмена и развитии сахарного диабета.
Исследование строения глюкозы.
К демонстрационному столу вызывается 1 учащийся, которому будет предложено решить экспериментальную задачу:
Докажите опытным путем с помощью предложенных реактивов (растворы CuSO4, NaOH), что виноградный сок содержит глюкозу. Проведите соответствующие химические реакции, отметьте их признаки. Какое строение молекулы глюкозы доказывают проведенные реакции?
В это время остальные учащиеся смотрят видеофрагмент «Определение глюкозы в виноградном соке» (использование ЦОР: видеофрагмент № 54862)
В процессе выполнения эксперимента и просмотра видеофрагмента учащиеся должны сделать вывод о том, что в состав глюкозы входят функциональные группы многоатомных спиртов (гидроксогруппа -ОН) и альдегидов (альдегидная группа).
Строение глюкозы.
Простейшая формула глюкозы: СН2О
Молекулярная формула глюкозы: С6Н12О6
М(С6Н12О6)=180 г/моль
Трехмерные химические формулы:
Получение глюкозы:
В природе глюкоза образуется в результате фотосинтеза:
6CO2+6H2O=C6H12O6+6O2-Q
(к доске вызывается 1 учащийся, который записывает уравнение реакции на доске, остальные делают это в тетради).
Первый синтез простейших углеводов из формальдегида был произведён А. М. Бутлеровым в 1861 г.: HCOH → C6H12O6
(уравнение демонстрируется учителем в презентации)
На производстве глюкозу получают гидролизом крахмала в присутствии серной кислоты:
(C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6 (уравнение демонстрируется учителем в презентации).
Физические свойства глюкозы:
Вопрос классу: Какие физические свойства глюкозы вам известны?
Глюкоза - бесцветное кристаллическое вещество со сладким вкусом, хорошо растворяется в воде. Из водного раствора она выделяется в виде кристаллогидрата: С6H12O6 ∙ (H2O)n. По сравнению со свекловичным сахаром она менее сладкая.
Химические свойства глюкозы:
Гликолиз:
Вопрос классу:
Из курса биологии вы знаете, что глюкоза является своеобразным аккумулятором солнечной энергии. Поразмышляйте, что происходит с глюкозой в организме человека?
Около 70% глюкозы, содержащейся в крови человека, подвергается в тканях медленному окислению с выделением энергии и образованием конечных продуктов - углекислого газа и воды.
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 2920 кДж (уравнение записывается одним из учащихся на доске)
Энергия, выделяемая при гликолизе, в значительной степени обеспечивает энергетические потребности живых организмов.
Свойства глюкозы как многоатомного спирта:
Глюкоза даёт качественную реакцию многоатомных спиртов - со свежеполученным гидроксидом меди (II) образует ярко-синий раствор.
Проверка знаний (подведение итогов обучения).
(проводится фронтальный опрос).
Трехмерные химические формулы:
Глюкоза (линейная форма) (№104073)
Углеводы являются главным источником энергии для организма, и около 60% этой энергии организм принимает в виде углеводов, а оставшуюся часть, в виде белков и жиров. При этом углеводы находятся в основном в продуктах растительного происхождения. И все же что такое углеводы .
Углеводы пищевых продуктов подразделяются на простые углеводы, это:
- моносахариды (фруктоза, глюкоза, галактоза),
- дисахариды (лактоза, сахароза).
Кроме того в их число входят и сложные углеводы , а это полисахариды, включающие гликоген, крахмал, клетчатка и пектиновые вещества.
Простые углеводы легко растворимы в воде, они усваиваются довольно быстро. Их легко распознать по явному сладкому вкусу, они и относятся к сахарам.
Углевод глюкоза
Самый распространенный моносахарид, это глюкоза. Она входит в состав многих плодов и ягод, но при этом производится и в организме а следствие расщепления крахмала пищи и дисахаридов. Глюкоза лучше всего применима в организме для образования гликогена, ей питаются ткани мозга, работающие мышцы, она поддерживает нужный уровень сахара в крови и создает запас гликогена печени. , как источник энергии.
Польза фруктозы
Фруктоза имеет те же свойства, что и глюкоза, но она несколько медленнее усваивается в кишечнике, а, поступая в кровь, сравнительно быстро покидает кровяное русло. Фруктоза в ощутимом количестве (до 80%) задерживается в печени и не производит перенасыщения крови сахаром. В печени фруктоза легче превращается в гликоген, ели сравнивать ее с глюкозой. , нежели сахароза и она более сладкая. Это ее свойство применяется для уменьшения ее количества при достижении нужного порядка сладости продуктов, что позволяет уменьшить общее потребление сахара. Это важно при назначении пищевых рационов уменьшенной калорийности. Фруктоза, в основном, содержится во фруктах, ягодах и сладких овощах.
Большим пищевым источником глюкозы и фруктозы является мед, там 36.2% глюкозы и 37.1%фруктозы. В арбузах весь сахар — фруктоза, ее там 8%. В семечковых, также фруктоза, но в косточковых культурах, к числу которых относятся персики, абрикосы, сливы — глюкоза.
Простые углеводы галактоза и сахароза
Галактоза — это результат расщепления лактозы — основного углевода молок а и в свободном виде в пищевых продуктах она не встречается.
Из дисахаридов в пище человека, в основном присутствует сахароза, распадающаяся при гидролизе на глюкозу и фруктозу.
Сахароза — это весьма важная продукция, получаемая из тростникового и свекловичного сахара. В сахаре-песке сахарозы содержится до 99.75%. Натуральные поставщики сахарозы, это бахчевые культуры, а также некоторые овощи и фрукты. Попав в организм, сахароза без затруднений разлагается на моносахариды. Однако это происходит, когда мы потребляем сырой свекольный, либо тростниковый сок. Обычный сахар усваивается намного сложнее.
Молочный сахар — лактоза
Молочный сахар — лактоза — это основной углевод молочных продуктов. Ее очень велика в раннем детском возрасте, при этом молоко — . Если фермент расщепляющей лактозу до глюкозы и галактозы уменьшается, либо отсутствует, в ЖКТ наблюдается непереносимость молока.
Сложные углеводы — полисахариды, обладают усложненным строением молекулы и слабой растворимостью в воде. Это гликоген, крахмал, пектиновые вещества и клетчатка.
Углевод Мальтоза
Солодовый сахар — Мальтоза является промежуточным веществом, возникающим при расщеплении крахмала и гликогена в ЖКТ. В свободном виде ее можно определить в меде, пиве, солоде, патоке и проросшем зерне.
Важнейшим поставщиком углеводов является крахмал . Крахмал сырых растений поступательно распадается в пищеварительном тракте организма человека, а распад начинается еще во рту. Слюна рта начинает превращать т его в мальтозу. Именно поэтому тщательное пережевывание пищи и обработка ее слюной весьма важны.
Следует всегда применять продукты, в которых содержится естественная глюкоза, фруктоза и сахароза. Больше всего сахара в овощах, фруктах и сухофруктах, но кроме того, он есть и в проросшем зерне.
