7. Көмірсулар, классификациясы, номенклатурасы, стереоизомериясы. Моносахаридтер, олардың туындылары. Фишер және Хеуорс формулалары. Муторотация.

Жалпы мәліметтер, құрылысы

 

Көмірсулар табиғатта өте кең таралған және адам өмірінде аса маңызды роль атқарады. Олар қоректі заттардың құрамына кіреді, адамға қажетті энергия негізінен осы көмірсулармен толтырылады.

Ақуыздың биосинтезіне және тұқым қуалау қасиеттерінің берілуіне қажетті нуклеин қышқылдары осы көмірсулардың туындыларынан құралған. Әсіресе көмірсулар туындыларының фотосинтез процесінде маңызы зор.

Фотосинтез процесі деп қарапайым заттардан (Н₂О және СО₂) күн сәулесінің энергиясын пайдаланып жасыл пигмент хлорофильдің қатысуы арқылы көмірсулардың түзілуін айтады.

Фотосинтездің сызба нұсқасы:

жарық энергиясы

6СО2 + 6Н2О С6Н12О6 + 6О2

хлорофилл Глюкоза

Реакция нәтижесінде түзілген глюкоза өсімдік организмінде түзілетін басқа заттардың (крахмал, май) негізі болып табылады.

Барлық өсімдіктер әлемінде жүріп жатқан фотосинтез процесінің үлкен экологиялық маңызы бар. Себебі жер шарының өсімдіктері 550 млрд тонна СО₂ сіңіріп, 400 млрд тонна оттегіні бөліп  шығарады.

Кейбір көмірсуларды химиялық жолмен өңдеу арқылы маталар, қопарылғыш заттар және т.б. алады.

Көмірсулардың жалпы формуласы: С_mH_2nO_n, олардың қасиеттері оксиальдегидтер меноксикетондарғажуық. Өсімдіктердің құрғақ  заттарының 80%, жануарлардың 20 % көмірсулар үлесіне тиеді.

Көмірсулардың қызметі:

1. Жасушадағы барлық процестерде энергияның негізгі көзі болып табылады. 1 г глюкоза 17,1 кДж (4,2 ккал) энергия бөледі

2. Құрылымдық қызмет атқарады. Өсімдіктерде жасуша жарғақшасы құрамына целлюлоза кіреді.

3. Қор жинау қасиеттеріне ие. Крахмал мен гликоген глюкоза көзі.

4. ДНҚ, РНҚ және АТФ компоненттері.

Классификациясы: Көмірсулар негізінен үш топқа бөлінеді:  моносахаридтер, дисахаридтер, полисахаридтер.

1. Моносахаридтер немесе жай қанттар. Моносахаридтер гидролизденбейді, оларға: глюкоза, фруктоза, галактоза, манноза, рибоза, дизаксерибоза және басқалары жатады.

2. Дисахаридтер мен олигосахаридтер. Дисахаридтер гидролиз кезінде моносахарижтердің екі молекуласына ыдырайды. Олар: сахароза, лактоза, мальтоза, целлобиоза. Олигосахаридтер дегеніміз – әр молекуласы үш немесе одан да көп (онға дейін) моносахаридтерден тұратын көмірсулар. Мысалы: рафиноза молекуласы глюкозның, галактозаның және фруктозаның қалдықтарынан тұрады.

3. Полисахаридтер – молекулалық массасы жоғары күрделі заттар. Олар толық гидролизденген кезде n моносахаридтер молекуласына ыдырайды. Оларға жататындар: крахмал, целлюлоза, гликоген, инулин және т.б.

Моносахаридтер

Моносахаридтер деп молекуласында бір карбонил (альдегид немесе кетон) және бірнеше гидроксил топтары бар қосылыстарды атайды. Альдегид тобы бар моносахаридтер альдоздар, ал кетон тобы бар моносахаридтер кетоздар деп аталады. Империялық формуласы (СН2О)n. Мұндағы n бүтін сан және 3-9 шамасындай.

Көмірсулар молекуласындағы көміртегі атомының санына байланысты былай бөлінеді:

3 көміртегі атомы болса - триоза – глицеральдегид және диоксиацетон;

4 көміртегі атомы болса - тетроза – эритроза және эритрулоза;

5 көміртегі атомы болса - пентоза – рибоза және рибулоза;  

6 көміртегі атомы болса - гексоза – глюкоза және фруктоза.

Бұлардың ішінде ең көп тарағандары пентозалар мен гексозалар.

Биологиялық маңызы зор гексозаларға: глюкоза (жүзім қанты) – альдоза (альдоспирт), фруктоза (жеміс қанты)- кетоза (кетоспирт) жатады.

Гексозалар. Гексозалардың С6Н12О6 негізгі өкілдері: глюкоза (жүзім қанты), фруктоза (феміс қанты), галактоза және манноза. Бұлардың ішінде тек фруктоза ғана кетозаға жатады, басқалары альдозалар.

Фишер проекциясы бойынша альдогексозаның және кетогексозаның кеңістіктік формуласы

Альдогексоза Кетогексоза

Моносахаридтердің стереоизомерлері. Моносахарид стереоизомерлерінің хиральдық орталығы болады, (асимметриялы көміртегі атомы), стереоизомерлер саны математикалық жолмен былай шығарылады: Мысалы: N=2 n N – изомерлер саны n – хиральдық көміртегі атомдардың саны. Мысалы, альдогексозада төрт хиральдық көміртегі атомы бар, сондықтан изомерлердің саны 16-ға тең, немесе N=2 4=16 (8 Д-изомер және 8 L изомер). Моносахаридтің салыстырмалы конфигурациясын анықтау үшін стандарттық конфигурация ретінде глицерин альдегиді қолданылады Альдопентозадағы С4, ал альдогексозадағы С5 хиральдық көміртегі атомдары Д (+) глицерин альдегидімен сәйкес келсе, онда моносахаридтер Д (+) қатарына жатады. Табиғи моносахаридтердің барлығы Д (+) изомерлер болып есептеледі.

Хеуорстың проекциялық формуласы. У.Хеуорс (1929ж) қанттардың формуласын, оның сақинасының жазықтығында сақина ғана емес, сонымен қатар сутегі атомдарының және гидроскильдік топтың орналасуы айқын көрініп тұратындай етіп беру керектігі жөнінде ұсыныс айтты.

Моносахаридтер (монозалар) гетерофункционалды қосылыстар болып есептеледі, себебі олардың құрамына бір оксо топ (альдегидтік немесе кетондық) және бірнеше гидроксил топтары болады. Альдегид тобы бар моносахаридтер альдозалар, ал кетондық тобы барлар кетозалар деп аталады. Көміртегі тізбегінің ұзындығына (3-10 атом) байланысты триоза, тетроза, пентоза, гексозаға т.б. бөлінеді. Көбіне табиғатта кездесетін түрі пентозалар мен гексозалар. Моносахаридтердің ашық тізбекті түрі Фишердің проекциялық формуласы арқылы көрсітіледі. Көбінесе моносахаридтер тұйықталған тізбек (циклдің) түрінде кездеседі. Егер альдогексодағы альдегидтік топ бесінші көміртегі атомындағы гидроксилмен байланысып, алты мүшелі цикл түзетін болса, ол пираноздық деп аталады және термодинамикалық тұрақты болады. Альдегид тобының төртінші көміртегі атомындағы гидроксил тобымен байланысуы арқылы түзілген бес мүшелі цикл фураноздық деп аталады.

Фураноздық цикл

Тұйық тізбекті формаларды ықшамды түрде Хеуорс формулаларымен көрсетуге болады.

Тұйық тізбекті (циклды) моносахаридтерде бірінші көміртегімен байланысқан гидроксил тобына байланысты α және β циклдік формалар болады. Жартылай ацеталь гидроксил тобы сақина жазықтығының төменгі жағында орналасқан форма α, ал сақина жазықтығының жоғарғы жағында орналасқан форма β форма деп аталады. Моносахаридтердің тұйық тізбекті құрылысы Хеуорстың проекциялық формуласы арқылы бейнеленеді

Химиялық қасиеттері

 

Моносахаридтердің химиялық қасиеттері оның құрамындағы гидроксо- және альдегид (немесе фруктозадағы кето-)  топтарына байланысты.

1. Спирттер сияқты моносахаридтер сілтілермен әрекеттесіп, алкоголяттар немесе сахараттар түзеді. Мысалы: қалыпты температурада глюкоза мыс (II) гидроксидімен әрекеттесіп, көк түсті мыс сахаратын түзеді.

2. Тотығу реакциясы. Барлық гексоза - альдозалар жеңіл тотығады. Олар альдегидтер сияқты күміс айна реакциясына түседі және Фелинг сұйығын тотықсыздандырып қызыл түсті мыс (І) оксидін береді. Бұл реакция альдоздар мен кетоздарды анықтауға қолданылатын сапалық реакцияларға жатады, глюкозанда альдегид тобы бар екендігін дәлелдейді.

3. Қосып алу реакциясы. Гексоза - альдозалар қосып алу реакциясына бейімді. Олар сутегіні қосып алып, көп атомды спирттер түзеді.

Моносахаридтерді тотықсыздандыруға сутек, натрий боргидриді және катализатор (палладий, никель) қолданылады.

4. Орын басу реакциясы. Моносахаридтерді фенилгидразинмен қыздырғанда, суда қиын еритін - озазондар түзеді. Бұл реакция карбонил тобын алу үшін пайданылады.

5. Гликозидтер түзілуі. Реакция кезінде жай эфирлер сияқты заттар түзіледі, оларды гликозидтер дейді.

6. Сілтілердің әсерінен өзгеруі. Моносахаридтер сілтілік ортада оңай енольдық түріне өтеді. Глюкоза, манноза және фруктоза енольдық түріне өткенде олардың бірінші және екінші көміртегі атомдарындағы бір бірінен айырмашылықтары жоғалады. Сондықтан, енольдық түрінен барлық үш моносахаридтер түзіледі.

7.Ферменттер (энзимдер) қатысында көмірсулар ашиды:

 

С₆Н₁₂О₆  ®  2 СН₃ – СНОН-СООН – сүт қышқылды ашу

 

8. Май қышқылды ашу С₆Н₁₂О₆  ®  2СО₂ + 2Н₂ + СН₃-(СН₂)₂СООН

 

9. Спиртті ашу  С₆Н₁₂О₆  ®  2СО₂  +  2 С₂Н₅ОН