9. Структура, свойства и распространение в растениях основных представителей моносахаридов и полисахаридов.

Все углеводы подразделяются на две группы:

Простые — моносахариды.

Моносахариды не способны гидролизоваться с образованием более простых соединений. По числу атомов углерода в цепи различают триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и гептозы, содержащие соответственно 3, 4, 5, 6 и 7 атомов углерода. В природе наиболее распространены гексозы и пентозы.

Физ. св-ва.: Моносахариды — кристаллические вещества белого цвета, хорошо растворимые в воде, сладкие на вкус. Несахароподобные полисахариды не имеют сладкого вкуса, не растворимы в воде, а в горячей воде образуют вязкие коллоидные растворы

(Мутаратация - Это явление характерно только для свежеприготовленных растворов сахаров. Суть его заключается в том, что сразу после растворения сахара удельное вращение водных растворов моносахаридов начинает изменяться, достигая лишь через некоторое время постоянной величины. Это объясняется тем, что происходит взаимные превращения различных форм углеводов .)

Восстановление моносахаридов

При восстановлении моносахаридов образуются соответствующие многоатомные спирты, так как восстановлению подвергается альдегидная или кетонная группа:

В растениях наиболее часто встречаются сорбит, который образуется при восстановлении глюкозы или фруктозы, маннит — при восстановлении маннозы и рибит — при восстановлении рибозы. Сорбит содержится в ягодах рябины, в соке вишен, слив, яблок и груш.

Гликозиды, содержащие аглюконы, также широко распространены в растениях. Они часто обладают специфическим запахом и вкусом. Например, гликозид синигрин, содержащийся в семенах горчицы, при гидролизе которого образуется эфирное горчичное масло, придающее специфические вкус и аромат пищевой горчице:

Гликозид глюкованилин синтезируется в ванильном дереве; амигдалин — нитрилгликозид (цианогенный гликозид) содержится в семенах миндаля, вишен, персиков и других косточковых. В плодах зеленого картофеля обнаружен соланин, придающий им неприятный горький привкус. Некоторые гликозиды обладают фармакологическим действием на сердечную мышцу. Красящие вещества многих плодов и цветов (антоцианы) также представляют собой гликозиды.

Действие сильных окислителей

При наиболее энергичном окислении альдоз, например концентрированной азотной кислотой, окисляется не только гликозидный гидроксил, но и первичная спиртовая группа с образованием двухосновных кислот. Из глюкозы при этом образуется сахарная кислота, из галактозы — слизевая. Если у моносахаридов окисляется только первичная спиртовая группа, то образуются уроновые кислоты.

Кислоты — продукты окисления моносахаридов, часто присутствующие в растениях, являются промежуточными метаболитами при синтезе многих органических соединений. Например, из глюкуроновой кислоты образуются пентозы, последняя же является исходным соединением для образования в растениях аскорбиновой кислоты; галактуроновая кислота и ее метоксилированные производные являются мономерами пектиновых веществ.

Пиролиз моносахаридов

Нагревание моно-, а также дисахаридов выше 100 °С приводит к их пиролизу с образованием множества ароматобразующих темноокрашенных продуктов, обладающих определенными запахом и вкусом

К веществам, образующимся при карамелизации, относятся альдегиды, кетоны, дикетоны, мальтол, производные фурана и циклопептана, а также высокомолекулярные горькие вкусовые вещества невыясненной природы.В большинстве случаев реакции карамелизации идут одновременно с реакциями меланоидинообразования, образуя сложный комплекс взаимосвязанных превращений, определяющих цвет, вкус, аромат, пищевую и биологическую ценность получаемых продуктов.

Моносахариды

Глюкоза С6Н2О6 (виноградный сахар) — самая распространенная из моноз как в растительном, так и в животном мире. Содержится в свободном виде во всех зеленых частях растений, в семенах, различных фруктах и ягодах. В больших количествах глюкоза содержится в винограде — отсюда происходит ее название — виноградный сахар. Особенно велика биологическая роль глюкозы в образовании полисахаридов — крахмала, целлюлозы, построенных из остатков D-глюкозы. Глюкоза входит в состав тростникового сахара, гликозидов, таннина и других дубильных веществ. Глюкоза хорошо сбраживается дрожжами.

Фруктоза С6Н12О6 (плодовый сахар) содержится во всех зеленых растениях, в нектаре цветов. Особенно ее много в плодах, поэтому ее второе название — плодовый сахар. Фруктоза гораздо слаще других сахаров. Она входит в состав сахарозы и высокомолекулярных полисахаридов, таких, например, как инулин. Как и глюкоза, фруктоза хорошо сбраживается дрожжами.

Сложные — полисахариды.

Полисахариды подразделяют на: Низкомолекулярные – сахароподобные, или олигосахариды, или полисахориды первого порядка. Высокомолекулярные, или несахароподобные, или полисахариды второго порядка.

(При гидролизе полисахаридов в качестве конечных продуктов образуются моносахариды.)

Полисахариды первого порядка также подразделяют на две группы: Дисахариды, наиболее известным представителем которых является сахароза; Собственно олигосахариды, представляющие соединения сахарозы с одним, двумя и тремя остатками моносахарида галактозы — рафиноза, стахиоза, вербаскоза — соответственно три-, тетра- и пентасахариды.

Полисахариды второго порядка подразделяют на:

Запасные — крахмал, животный и растительный гликоген;

Структурные — целлюлозы, гемицеллюлозы, пектиновые вещества, слизи и др. (рис 1).

Дисахариды

Сахароза С12Н22О11 (дисахарид) чрезвычайно широко распространена в растениях, особенно много ее в корнеплодах свеклы а также в стеблях сахарного тростника.

Сахароза состоит из D-глюкопиранозы и D-фруктофуранозы, соединенных за счет гликозидныхгидроксилов. Сахароза не содержит свободного гликозидного гидроксила, является невосстанавливающим сахаром, потому относительно химически инертна, за исключением ее чрезвычайной чувствительности к кислотному гидролизу. Поэтому сахароза является транспортным сахаром, в виде которого углерод и энергия транспортируются по растению. Именно в виде сахарозы углеводы перемещаются из мест синтеза (листья) к месту, где они откладываются в запас (плоды, корнеплоды, семена, стебли). По проводящим пучкам растений сахароза движется со скоростью 20-30 см/ч. Сахароза очень хорошо растворяется в воде и обладает сладким вкусом. С повышением температуры ее растворимость увеличивается. В абсолютном спирте сахароза нерастворима, а в водном спирте она растворяется лучше. При нагревании до 190-200 °С и выше происходит дегидратация сахарозы с образованием различных окрашенных полимерных продуктов — карамелей. Эти продукты под названием «колер» используются в коньячном производстве для придания окраски коньякам.

Мальтоза С12Н22О11 состоит из двух остатков -D-глюкопиранозы, соединенных гликозиднойсвязью. Мальтоза в свободном состоянии в растениях содержится в небольшом количестве, но появляется при прорастании, так как она образуется при гидролитическом расщеплении крахмала. В нормальном зерне и муке она отсутствует. Наличие ее в муке говорит о том, что эта мука получена из проросшего зерна. Большое количество мальтозы содержится в солоде, который применяется в пивоварении, поэтому мальтозу называют также солодовым сахаром. Под действием фермента глюкозидазы (мальтазы) мальтоза подвергается гидролизу до D-глюкозы. Мальтоза сбраживается дрожжами.

Лактоза С12Н22О11 построена из D-галактопиранозы и D-глюкопиранозы, соединенных между собой гликозидной связью. В растениях она встречается редко. В большом количестве (4-5 %) лактоза содержится в молоке, поэтому ее называют молочным сахаром. Это восстанавливающий сахар со слабым сладким вкусом. Сбраживается лактозными дрожжами до молочной кислоты.

Целлобиоза С12Н22О11 состоит из двух остатков D-глюкопиранозы, соединенных между собой гликозиднойсвязью. Она служит структурным компонентом полисахарида целлюлозы и образуется из нее при гидролизе под действием фермента целлюлазы. Этот фермент продуцируется рядом микроорганизмов, а также он активен в прорастающих семенах.

Запасные полисахариды

Крахмал (С6Н10О5)n является важнейшим представителем полисахаридов в растениях. Этот запасной полисахарид используется растениями как энергетический материал. Крахмал в животном организме не синтезируется, аналогичным запасным углеводом у животных является гликоген.Крахмал в больших количествах содержится в эндосперме злаков — 65-85 % его массы, в картофеле — до 20 %.

Крахмал не является химически индивидуальным веществом. В его состав кроме полисахаридов входят минеральные вещества, в основном представленные фосфорной кислотой, липиды и высокомолекулярные жирные кислоты — пальмитиновая, стеариновая и некоторые другие соединения, адсорбированные углеводной полисахаридной структурой крахмала.

(В клетках эндосперма крахмал находится в виде крахмальных зерен. В запасающих тканях различных органов — клубнях, луковицах более крупные крахмальные зерна откладываются в запас в амилопластах как вторичный (запасной) крахмал. Крахмальные зерна имеют слоистую структуру.)

Строение углеводных компонентов крахмала

Углеводная часть крахмала состоит из двух полисахаридов:

1. Амилозы; Строение :В молекуле амилозы остатки глюкозы связаны гликозидными связями, образуя линейную цепочку. У амилозы различают восстанавливающий конец и невосстанавливающий .Линейные цепи амилозы, содержащие от 100 до нескольких тысяч остатков глюкозы, способны спирально свертываться и таким образом принимать более компактную форму . В воде амилоза растворяется хорошо, образуя истинные растворы, которые неустойчивы и способны к ретроградации — самопроизвольному выпадению в осадок.

2. Амилопектина. Строение :Амилопектин представляет собой разветвленный компонент крахмала. Он содержит до 50 000 остатков глюкозы, соединенных между собой главным образом гликозидными связями (линейные участки молекулы амилопектина). В каждой точке разветвления молекулы глюкозы (D-глюкопиранозы) образуют 1,6гликозидную связь, которая составляет около 5 % общего числа гликозидных связей молекулы амилопектина .Каждая молекула амилопектина имеет один восстанавливающий конец и большое количество невосстанавливающих концов . Структура амилопектина трехмерна, его ветви расположены по всем направлениям и придают молекуле сферическую форму. Амилопектин в воде не растворяется, образуя суспензию, но при нагревании или под давлением образует вязкий раствор — клейстер. С йодом суспензия амилопектина дает красно-бурую окраску, йод при этом адсорбируется на молекуле амилопектина, поэтому цвет суспензии обусловлен окраской самого йода.

Гликоген и фитогликоген (растительный гликоген) содержится в зерне кукурузы. По строению фитогликогенблизок к запасному полисахариду животных организмов — гликогену, получившему название животного крахмала.

Инулин относится к запасным полисахаридам растений. Он представляет группу молекулярных форм приблизительно одинакового размера. Инулин как запасной полисахарид откладывается в подземных запасающих органах растений — в клубнях топинамбура, георгина, корневищах артишока. Причем в качестве энергетического запаса вещества он предпочтительнее крахмала.

Леваны – это временные запасные полисахариды злаковых растений. Они обнаружены в листьях, стеблях и корнях растений и расходуются в период созревания зерна на синтез крахмала. Как и инулин, леван содержит концевой остаток сахарозы. Полисахаридная цепь инулина и левана не имеет восстанавливающих концов — их аномерные углеродные атомы заняты в образовании гликозидной связи.(Из других запасных полисахаридов известны галактоманнаны в семенах сои, глюкоманнаны, откладываемые в запас некоторыми растениями тропиков, но химическая структура их полностью не установлена.)

Структурные полисахариды

Целлюлоза (С6Н10О5) – полисахарид второго порядка, является основным компонентом клеточных стенок. Целлюлоза состоит из остатков D-глюкозы. Среди других полисахаридов, из которых состоит клеточная стенка растений, он относится к микрофибриллярным полисахаридам, так как в клеточных стенках молекулы целлюлозы соединены в структурные единицы, получившие название микрофибрилл. Последняя состоит из пучка молекул целлюлозы, расположенных по ее длине параллельно друг другу.

Распространение целлюлозы : Содержание целлюлозы в растениях колеблется в широких пределах: в волокнах хлопчатника 90 %, древесине 50, листьях табака 10, семенах злаковых культур 3…5, подсолнечника 2, ягодах винограда 1 %.(В среднем на одну молекулу целлюлозы приходится около 8000 остатков глюкозы.)

Свойства целлюлозы :Целлюлоза не растворяется в воде, но в ней набухает. Свободные гидроксильные группы способны замещаться на радикалы — метильный—СН3 или ацетальный с образованием простой или сложноэфирной связи. Это свойство играет большую роль при изучении строения целлюлозы, а также находит применение в промышленности при производстве искусственного волокна, лаков, искусственной кожи и взрывчатых веществ.

Гемицеллюлозы — полисахариды второго порядка, образующие вместе с пектиновыми веществами и лигнином матрикс клеточных стенок растений, заполняющий пространство между каркасом стенок, сложенных из целлюлозных микрофибрилл.

Гемицеллюлозы подразделяют на три группы:1. Ксиланы;2. Маннаны;3. Галактаны.