Рибоза, свойства, получение и применение

Углеводы (на англ. carbohydrate, hydrates — гидрат, carbon — углерод) — это органические соединения, которые имеют эмпирическую формулу, состоящую только из углерода, водорода и кислорода.

Функции моносахаридов и олигосахаридов в пищевых продуктах

Как и для белков у углеводов главной функциональной особенностью является гидрофильность. Гидрофильность углеовдов обусловлена наличием многочисленных ОН-групп, которые взаимодействуют с молекулами воды, что приводит к растворению углеводов.

Эффект связывания воды в значительной степени зависит от структуры углевода. Так, например, фруктоза значительно более гигроскопична, чем глюкоза, хотя они имеют и одинаковое число гидроксильных групп. А сахароза гораздо более гигроскопична чем лактоза или мальтоза. Различная водосвязывающая способность углеводов позволяет их целенаправленно использовать в различных технологиях.

Например, замороженные пекарские изделия не должны содержать больших количеств абсорбированной влаги, поэтому в этих изделиях целесообразно использовать лактозу или мальтозу. В других случаях, когда нежелательна потеря влаги в продуктах при хранении желательно использовать гигроскопичные сахара, например, фруктозные сиропы.

Углеводы могут связывать летучие ароматические вещества и способствуют сохранению цвета продуктов, что особенно важно в процессах сушки. Способность к связыванию ароматических веществ у олигосахаридов (циклодекстрины, гуммиарабик) выражена в большей степени, чем у моносахаридов.

Под действием высоких температур углеводы в пищевых продуктах участвуют в реакциях образования коричневых веществ – это реакции карамелизации и меланоидинообразования. При этом образуются и ароматические вещества, имитирующие карамельный аромат, аромат ржаного хлеба, шоколада, запах картофеля или жареного мяса. Протекание подобных реакций необходимо учитывать, так как они могут быть и нежелательными.

Важной функцией низкомолекулярных углеводов в пищевых продуктах является их сладость. Если принять сладость сахарозы за 100ед., то сладость глюкозы составит 74ед., фруктозы – 180ед., лактозы – 32ед., а у заменителей сахара аспартам – 180ед, сахарин – 500ед.

Функции углеводов

Углеводы выполняют множество функций в живых организмах. Полисахариды (к примеру, крахмал и гликоген) участвуют в образовании энергии и в качестве конструкционных элементов (к примеру, целлюлоза в растениях и хитин у членистоногих). Рибоза является важнейшим компонентом коферментов и основой генетической молекулы РНК. Дезоксирибоза является компонентом ДНК. Сахариды и их производные включают в себя биомолекулы, играющие ключевую роль в иммунной системе, предотвращении патогенеза, в свертываемости крови и в развитии всего организма.

Липогенез — это преобразование небольшой части (около 30%) съеденных углеводов в жировые отложения. Является абсолютно нормальным и естественным процессом.

Гиперлипогенез — преобразование значительной части углеводов в жировые отложения. Вызывается вследствие нарушения восприимчивости к инсулину, или нарушения его выработки.

СТРОЕНИЕ

В зависимости от характера оксогруппы (альдегидная или кетон- ная), входящей в состав моносахаридов, монозы могут быть альдозами (полигидроксиальдегидами) и кетозами (полигидроксикетонами):

_« 289

Из гексоз наибольшее значение имеют глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза (фруктовый сахар). В состав глюкозы входит альдегидная группа, а фруктозы — кетонная. Поэтому глюкоза — представитель альдоз, а фруктоза — кетоз.

Глюкоза и фруктоза имеют одну и ту же общую формулу СПН2П0П, но различное строение. Таким образом, глюкоза и фруктоза — изомеры:

Формулы показывают различное расположение атомов водорода и гидроксильных групп в пространстве относительно углеродной цепи. Цепь нумеруют с того конца, к которому ближе расположена карбонильная группа (в альдозах нумерация начинается с углерода альдегидной группы). Строение моносахаридов, выраженное этими формулами, соответствует самой простой их форме — цепной, или открытой (ациклической). Она содержит свободную альдегидную или кетонную группу.

Однако молекулы моносахаридов могут существовать не только в виде цепных форм, но и в виде циклических, или полуацеталъных[1]. Эти формы не содержат свободную альдегидную или кетонную группу. Циклическая форма образуется при переходе атома водорода гидроксильной группы, связанной с пятым (С5) или четвертым (С4) углеродным атомом в молекуле глюкозы либо шестым (С6) или пятым (С5) атомом углерода в фруктозе, к кислороду карбонильной группы. Такой переход возможен потому, что, во-первых, карбонильная группа поляризована, а во-вторых, цепная молекула монозы в пространстве расположена так, что один из перечисленных гидроксилов находится рядом с кислородом карбонильной группы. Например, для глюкозы процесс циклизации можно представить так:

При этом возникает кислородный мостик и образуется новый гидроксил, который называют полуацетальным или гликоэидным[2]. Он резко отличается своими свойствами от других гидроксилов. Так, его водород легче, чем в других гидроксильных группах, замещается на алкил, образуя простой эфир. Но этот эфир также легко подвергается омылению, что противоречит свойству простых эфиров (устойчивость к гидролизу). В глюкозе глюкозидный гидроксил находится при первом (Cj) углеродном атоме, а в фруктозе — при втором (Сг).

Предположение о циклическом строении моносахаридов было высказано впервые русским ученым (1870), который также установил и пятиатомность глюкозы.

Пятичленные циклические формы моноз по номенклатуре Хеуорзса называют фуранозами (от названия пятичленного гетероцикла — фура- на), а шестичленные циклические формы — пиранозами (от названия шестичленного гетероцикла — пирана).

Читайте также:  5 забавных способов борьбы с лишним весом

Две формы моносахаридов — цепная и циклическая — являются таутомерными (кольчато-цепная таутомерия) и способны самопроизвольно переходить одна в другую в водных растворах. Такой переход совершается в зависимости от условий проведения реакций и характера реагентов. Например, глюкоза в водном растворе существует в трех формах, способных переходить одна в другую: открытой (альдегидной) и двух циклических — пятичленной и шестичленной:

Фруктоза также существует в виде цепной кетонной и двух циклических форм — пятичленной и шестичленной:

Равновесие всех этих форм наблюдается только в водном растворе [3]. Если равновесие нарушается, то одна форма переходит в другую. В кристаллическом состоянии монозы имеют циклическое строение — преимущественно шестичленное (6-оксидную форму).

Обычно для изображения изомеров моноз (в цепной форме) используют проекционные формулы :

Однако циклическую форму моносахаридов удобнее изображать в виде «перспективных» формул Хеуорзса:

Такое изображение позволяет видеть взаимное расположение атомов водорода и гидроксильных групп относительно плоскости кольца. При этом символы углеродных атомов опускаются. Для большей наглядности изображения часть плоскости кольца, обращенной к читателю, выделяют более жирными линиями.

  • [1] «Полуацетальную» форму легко представить, если вспомнить реакциюобразования полуацеталей при взаимодействии альдегидов со спиртами:
  • [2] Гликозидный — общее название полуацетального гидроксила для всехальдоз и кетоз. В случае глюкозы этот гидроксил называется глюкозидным.
  • [3] Установлено, что в воде 99,8 % молекул глюкозы находятся в одной илидругой циклической форме и только 0,2 % — в открытой, альдегидной форме.

Олигосахариды

Олигосахариды представляют собой сахара, содержащие два или три простых сахара, связанных друг с другом ковалентными связями, называемыми гликозидными.

Гликозидные связи могут быть альфа- или бета-типа.

Олигосахариды

Примеры наиболее важных дисахаридов;

1) Мальтоза (maltose) — состоит из двух молекул α-глюкозы удерживаемых вместе 1-4-гликозидной связью. Мальтозу можно найти в зернах, которые используются в производстве пива.2) Сахароза — состоит из α — глюкозы и α — фруктозы с 1-2 — гликозидной связью между ними. Пример сахарозы — столовый сахар.3) Лактоза (lactose) — состоит из α — глюкозы и α — галактозы. Лактоза обычно содержится в молоке.

Стереоизомерия

Начиная с глицеринового альдегида у всех моносахаридов содержатся хиральные атомы углерода, и для них возможна стереоизомерия.

Диастереомеры – изомеры с одинаковым числом атомов углерода, но разной конфигурацией центров хиральности (D-альдотетрозы, D-альдопентозы и т. д.).

Эпимеры – это диастереомеры, отличающиеся конфигурацией одного центра хиральности (глюкоза и манноза).

Энантиомеры – диастереомеры, отличающиеся конфигурацией всех центров хиральности. Каждому моносахариду D ряда соответствует энантиомер из L ряда:

Читайте также:  Гипоаллергенная диета для кормящих мам меню

D-глюкоза и L-глюкоза являются энантиомерами

С увеличением длины цепи возрастает число стереоизомеров в соответствии с числом хиральных центров.

По конфигурации наиболее удаленного от карбонильной группы хирального атома углерода моносахариды делятся на:

Стереоизомерия
  • D-моносахариды
  • L-моносахариды

Простейшая альдоза, глицериновый альдегид, содержит один хиральный атом С и существует в виде двух оптических изомеров – D и L:

D-глицеральдегид и L-глицеральдегид

Остальные D-альдозы могут быть построены на основе D-глицеральдегида путем последовательной вставки фрагмента СНОН после карбонильной группы:

D-альдоза и L-альдоза

Простейшая кетоза, на основе которой строится D-ряд – дигидроксиацетон. Названия кетоз образуются из названий соответствующих альдоз путем добавления суффикса «ул». У дигидроксиацетона нет центра хиральности и нет стереоизомеров.

дигидроксиацетон

Химические свойства рибозы. Химические реакции (уравнения) рибозы:

Рибоза восстанавливается водородом или амальгамой натрия до соответствующего альдита (рибита) и окисляется по альдегидной группе до соответствующей альдоновой (рибоновой) кислоты, способной циклизоваться в условиях синтеза в рибонолактон. Рибоза с гидразинами образует озазоны.

Рибоза, как и другие моносахариды, в растворах существует в виде равновесной смеси ациклической и циклических: пиранозной и фуранозной форм (аномерные α- и β-рибопиранозы и α- и β-рибофуранозы). Соотношение этих форм в растворе: β-рибопираноза (59 %), α-рибопираноза (20 %), β-рибофураноза (13 %), α-рибофураноза (7 %), ациклическая (0,1 %).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание Полученное из глюкозы соединение С3Н6О3 в реакции с натрием образует соединение состава C3H4Na2O3, с карбонатом кальция — С6Н10СаО6, с этанолом в присутствии серной кислоты — С5Н 10О3. Назовите это соединение и напишите уравнения реакций
Решение При молочнокислом брожении из глюкозы получается молочная (2-гидроксипропановая) кислота:

С6Н12О6 → 2СН3-СН(ОН)-СООН.

В реакции молочной кислоты с натрием участвуют и гидроксильная и карбоксильная группы:

СН3-СН(ОН)-СООН + 2Na → CH3-CH(ONa)-COONa + H2↑

С карбонатом кальция и с этанолом молочная кислота реагирует как обычная карбоновая кислота:

СаСО3 + 2СН3СН(ОН)СООН → (СН3СН(ОН)СОО)2Са + CO2↑ + Н2О,

СН3СН(ОН)СООН+С2Н5ОН → СН3СН(ОН)СООС2Н5+Н2О.

ПРИМЕР 2

Задание Сколько грамм глюкозы потребуется для реакции «серебряного зеркала», если выделяется 4,32 г осадка?
Решение Запишем уравнение реакции:

CH2OH-(CHOH)4-CH=O + Ag2O → CH2OH-(CHOH)4-COOH + 2Ag↓

В осадок выпадает серебро, следовательно, масса выделившегося осадка – это масса серебра. Найдем количество вещества серебра:

M(Ag) = 108 г/моль

v(Ag)=m(Ag)/M(Ag) = 4,32/108 = 0,04 моль

По уравнению реакции количество моль глюкозы равно 1/2 v(Ag) = 0,02 моль. Тогда масса глюкозы, вступившей в реакцию:

M(C6H12O6) = 180 г/моль

m(C6H12O6) = v(C6H12O6)× M(C6H12O6)= 0,02×180=3,6 г

Ответ Масса глюкозы 3,6 г