Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Моносахариды (от греческого monos : одиночный, sacchar : сахар), также называемые простыми сахарами , представляют собой простейшую форму сахара и самые основные единицы ( мономеры ) углеводов . [1] Общая формула - C
пЧАС
2 пО
п, хотя не все молекулы, соответствующие этой формуле (например, уксусная кислота ), являются углеводами. [2] Как правило , они являются бесцветными , вода - растворимое и кристаллические твердые вещества. Вопреки своему названию (сахара) только некоторые моносахариды обладают сладким вкусом .

Примеры моносахаридов включают глюкозу (декстрозу), фруктозу (левулозу) и галактозу . Моносахариды - это строительные блоки дисахаридов (таких как сахароза и лактоза ) и полисахаридов (таких как целлюлоза и крахмал ). Каждый атом углерода , поддерживающий гидроксильную группу, является хиральным , за исключением атомов на конце цепи. Это дает начало ряду изомерных форм, имеющих одну и ту же химическую формулу. Например, галактоза и глюкоза являются альдогексозами., но имеют разные физические структуры и химические свойства.

Моносахарид глюкоза играет ключевую роль в метаболизме , где химическая энергия извлекается посредством гликолиза и цикла лимонной кислоты для обеспечения энергией живых организмов. Некоторые другие моносахариды могут превращаться в живом организме в глюкозу.

Структура и номенклатура [ править ]

За некоторыми исключениями (например, дезоксирибоза ), моносахариды имеют эту химическую формулу : (СН 2 О) х , где обычно х ≥ 3. Моносахариды могут быть классифицированы по числу х из углеродных атомов , которые они содержат: триозы (3), тетрозы (4 ), пентоза (5), гексоза (6), гептоза (7) и т. д.

Глюкоза, используемая в качестве источника энергии и для синтеза крахмала, гликогена и целлюлозы, представляет собой гексозу . Рибоза и дезоксирибоза (в РНК и ДНК соответственно) представляют собой пентозные сахара. Примеры гептозов включают кетоз , манногептулозу и седогептулозу . Моносахариды с восемью и более атомами углерода наблюдаются редко, поскольку они довольно нестабильны. В водных растворах моносахариды существуют в виде колец, если они содержат более четырех атомов углерода.

Моносахариды с линейной цепью [ править ]

Простые моносахариды имеют линейный и неразветвленный углеродный скелет с одной карбонильной (C = O) функциональной группой и одной гидроксильной (OH) группой на каждом из оставшихся атомов углерода . Следовательно, молекулярная структура простого моносахарида может быть записана как H (CHOH) n (C = O) (CHOH) m H, где n + 1 + m = x ; так что его элементарная формула - C x H 2 x O x .

По соглашению атомы углерода пронумерованы от 1 до x вдоль основной цепи, начиная с конца, ближайшего к группе C = O. Моносахариды - это простейшие единицы углеводов и простейшая форма сахара.

Если карбонил находится в положении 1 (то есть n или m равно нулю), молекула начинается с формильной группы H (C = O) - и технически является альдегидом . В этом случае соединение называется альдозой . В противном случае молекула имеет кетогруппу , карбонил - (C = O) - между двумя атомами углерода; тогда это формально кетон и называется кетозой . Кетозы, представляющие биологический интерес, обычно имеют карбонил в положении 2.

Различные классификации, приведенные выше, могут быть объединены, давая такие названия, как «альдогексоза» и «кетотриоза».

Более общая номенклатура моносахаридов с открытой цепью объединяет греческий префикс для обозначения количества атомов углерода (три-, тет-, пент-, гекс- и т. Д.) С суффиксами «-оза» для альдоз и «-улоза» для кетоз. [3] В последнем случае, если карбонил не находится в положении 2, его положение указывается числовым инфиксом. Так, например, H (C = O) (CHOH) 4 H - пентоза, H (CHOH) (C = O) (CHOH) 3 H - пентулоза и H (CHOH) 2 (C = O) (CHOH) 2 H - пент-3-улоза.

Стереоизомеры с открытой цепью [ править ]

Два моносахарида с эквивалентными молекулярными диаграммами (одинаковая длина цепи и одно и то же положение карбонила) могут все еще быть разными стереоизомерами , молекулы которых различаются пространственной ориентацией. Это происходит только в том случае, если молекула содержит стереогенный центр , в частности, хиральный атом углерода (связанный с четырьмя различными молекулярными субструктурами). Эти четыре связи могут иметь любую из двух конфигураций в пространстве, различающихся своей рукой . В простом моносахариде с открытой цепью каждый углерод является хиральным, за исключением первого и последнего атомов цепи, и (в кетозах) углерода с кетогруппой.

Например, трикетоза H (CHOH) (C = O) (CHOH) H (глицерон, дигидроксиацетон ) не имеет стереогенного центра и поэтому существует в виде одного стереоизомера. Другая триоза, альдоза H (C = O) (CHOH) 2 H ( глицеральдегид ), имеет один хиральный углерод - центральный, номер 2, который связан с группами -H, -OH, -C (OH) H. 2 и - (C = O) H. Следовательно, он существует в виде двух стереоизомеров, молекулы которых являются зеркальным отображением друг друга (например, левая и правая перчатки). Моносахариды с четырьмя или более атомами углерода могут содержать несколько хиральных атомов углерода, поэтому обычно они имеют более двух стереоизомеров. Количество различных стереоизомеров с одинаковой диаграммой ограничено 2 c , где c - общее количество хиральных атомов углерода.

Проекции Фишера представляет собой систематический способ нанесения на скелетную формуле ациклического моносахарида , так что рукость каждого хирального углерода хорошо определена. Каждый стереоизомер простого моносахарида с открытой цепью можно идентифицировать по положениям (справа или слева) на диаграмме Фишера хиральных гидроксилов (гидроксилов, присоединенных к хиральным атомам углерода).

Большинство стереоизомеров сами по себе хиральны (в отличие от их зеркальных отображений). В проекции Фишера два зеркально отображаемых изомера различаются тем, что положения всех хиральных гидроксилов перевернуты справа налево. Изомеры с зеркальным отображением химически идентичны в нехиральных средах, но обычно имеют очень разные биохимические свойства и наличие в природе.

Хотя большинство стереоизомеров можно расположить в виде пар зеркально отображаемых форм, существуют некоторые нехиральные стереоизомеры, которые идентичны своим зеркальным изображениям, несмотря на наличие хиральных центров. Это происходит, когда молекулярный график симметричен, как в 3-кетопентозах H (CHOH) 2 (CO) (CHOH) 2 H, и две половины являются зеркальным отображением друг друга. В этом случае зеркальное отображение эквивалентно повороту на пол-оборота. По этой причине существует только три различных стереоизомера 3-кетопентозы, хотя молекула имеет два хиральных атома углерода.

Разные стереоизомеры, которые не являются зеркальным отображением друг друга, обычно обладают разными химическими свойствами, даже в нехиральных средах. Следовательно, каждой зеркальной паре и каждому нехиральному стереоизомеру может быть дано конкретное название моносахарида . Например, существует 16 различных стереоизомеров альдогексозы, но название «глюкоза» означает конкретную пару зеркальных альдогексоз. В проекции Фишера один из двух изомеров глюкозы имеет гидроксил слева на C3 и справа на C4 и C5; в то время как другой изомер имеет обратную картину. Эти конкретные названия моносахаридов имеют обычные трехбуквенные сокращения, такие как «Glu» для глюкозы и «Thr» для треозы .

Обычно моносахарид с n асимметричными атомами углерода имеет 2 n стереоизомера. Количество стереоизомеров с открытой цепью для моносахарида альдозы на единицу больше, чем у моносахарида кетозы той же длины. Каждая кетоза будет иметь 2 ( n -3) стереоизомера, где n > 2 - количество атомов углерода. Каждая альдоза будет иметь 2 ( n -2) стереоизомера, где n > 2 - количество атомов углерода. Их также называют эпимерами, которые имеют различное расположение групп -ОН и -Н у асимметричных или хиральных атомов углерода (это не относится к тем атомам углерода, которые имеют карбонильную функциональную группу).

Конфигурация моносахаридов [ править ]

Как и многие хиральные молекулы, два стереоизомера глицеральдегида будут постепенно поворачивать направление поляризации линейно поляризованного света, когда он проходит через него, даже в растворе. Два стереоизомера обозначаются приставками D - и L - в соответствии с направлением вращения: D- глицеральдегид является правовращающим (вращает ось поляризации по часовой стрелке), а L- глицеральдегид является левовращающим (вращает его против часовой стрелки).

D- и L- глюкоза

В D - и L - префиксы также используются с другими моносахаридами, чтобы различать два конкретные стереоизомеры , которые являются зеркально-отражениями друг друга. Для этого рассматривают хиральный углерод, наиболее удаленный от группы C = O. Его четыре связи должны соединяться с -H, -OH, -C (OH) H и остальной частью молекулы. Если молекула может вращаться в пространстве так, чтобы направления этих четырех групп совпадали с направлениями аналоговых групп в C2 D -глицеральдегида, то изомер получает префикс D -. В противном случае он получает префикс L.

В проекции Фишера префиксы D - и L - определяют конфигурацию у атома углерода, который является вторым снизу: D - если гидроксил находится на правой стороне, и L - если он находится на левой стороне.

Обратите внимание, что префиксы D - и L - не указывают направление вращения поляризованного света, что является комбинированным эффектом расположения на всех хиральных центрах. Однако два энантиомера всегда будут вращать свет в противоположных направлениях на одинаковую величину. Смотрите также D / L системы .

Циклизация моносахаридов [ править ]

Моносахарид часто переключается из ациклической (с открытой цепью) формы в циклическую форму посредством реакции нуклеофильного присоединения между карбонильной группой и одним из гидроксилов той же молекулы. В результате реакции создается кольцо атомов углерода, замкнутое одним мостиковым атомом кислорода . Полученная молекула имеет полуацетальную или гемикетальную группу, в зависимости от того, была ли линейная форма альдозой или кетозой . Реакцию легко обратить, давая исходную форму с открытой цепью.

В этих циклических формах кольцо обычно имеет пять или шесть атомов. Эти формы называются фуранозами и пиранозами соответственно - по аналогии с фураном и пираном , простейшими соединениями с одним и тем же углеродно-кислородным кольцом (хотя в них отсутствуют двойные связи этих двух молекул). Например, альдогексозная глюкоза может образовывать полуацетальную связь между гидроксилом на углероде 1 и кислородом на углероде 4, давая молекулу с 5-членным кольцом, называемую глюкофуранозой . Такая же реакция может происходить между атомами углерода 1 и 5 с образованием молекулы с 6-членным кольцом, называемой глюкопиранозой . Циклические формы с семиатомным кольцом ( аналог оксепана), редко встречающиеся, называются гептозами .

Преобразование между фуранозной, ациклической и пиранозной формами D- глюкозы
Пиранозные формы некоторых пентозных сахаров
Пиранозные формы некоторых гексозных сахаров

Для многих моносахаридов (включая глюкозу) преобладают циклические формы в твердом состоянии и в растворах, и поэтому одно и то же название обычно используется для изомеров с открытой и закрытой цепью. Так, например, термин «глюкоза» может обозначать глюкофуранозу, глюкопиранозу, форму с открытой цепью или их смесь.

Циклизация создает новый стереогенный центр на углероде, несущем карбонил. Группа -OH, которая замещает кислород карбонила, может оказаться в двух различных положениях относительно средней плоскости кольца. Таким образом, каждый моносахарид с открытой цепью дает два циклических изомера ( аномера ), обозначенных префиксами α- и β-. Молекула может меняться между этими двумя формами с помощью процесса, называемого мутаротацией , который заключается в обращении реакции образования кольца с последующим образованием другого кольца. [4]

Проекция Хаворта [ править ]

Стереохимическая структура циклического моносахарида может быть представлена ​​в проекции Хауорта . На этой диаграмме α-изомер пиранозной формы D- альдогексозы имеет -OH аномерного углерода ниже плоскости атомов углерода, в то время как β-изомер имеет -OH аномерного углерода выше плоскости. Пиранозы обычно принимают конформацию стула, подобную конформации циклогексана . В этой конформации α-изомер имеет -OH аномерного углерода в аксиальном положении, тогда как β-изомер имеет -OH аномерного углерода в экваториальном положении (с учетом сахаров D- альдогексозы). [5]

  • α- D- глюкопираноза

  • β- D- глюкопираноза

Производные [ править ]

Существует большое количество биологически важных модифицированных моносахаридов:

  • Аминосахара, такие как:
    • галактозамин
    • глюкозамин
    • сиаловая кислота
    • N- ацетилглюкозамин
  • Сульфосахара, такие как:
    • сульфохиновоза
  • Другие, такие как:
    • аскорбиновая кислота
    • маннитол
    • глюкуроновая кислота

См. Также [ править ]

  • Номенклатура моносахаридов
  • Снижения сахара
  • Сахарная кислота
  • Сахарный спирт
  • Дисахарид

Примечания [ править ]

  1. ^ «Углеводы» . Химия для биологов . Королевское химическое общество . Проверено 10 марта 2017 года .
  2. ^ NCERT ТЕКСТ КНИГА CLaSS-12
  3. ^ «Углеводы» . Химия для биологов . Королевское химическое общество . Проверено 10 марта 2017 года .
  4. ^ Свиновод, Уильям Уорд ; Анет, EFLJ (1972). «Глава 4: Мутаротации и действия кислот и оснований». В Pigman and Horton (ред.). Углеводы: химия и биохимия . 1А (2-е изд.). Сан-Диего: Academic Press. С. 165–194.
  5. ^ IUPAC , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) " Представительство Хаворта ". DOI : 10,1351 / goldbook.H02749

Ссылки [ править ]

  • Макмерри, Джон. Органическая химия. 7-е изд. Бельмонт, Калифорния: Томсон Брукс / Коул, 2008. Печать.

Внешние ссылки [ править ]

  • Номенклатура углеводов