Struktur monosakarida. Yang paling penting adalah struktur pentosa dan heksosa Pentosa

Pentosa: ribosa dan deoksiribosa- Merupakan bagian dari RNA dan DNA.

Heksosa:(C 6 H 12 O 6) - glukosa - sumber energi utama, membangun membran sel, detoksifikasi.

Manosa- komposisi lendir tubuh.

galaktosa- adalah bagian dari gula susu (laktosa), bagian dari galaktoid (serebrosida - bagian integral dari jaringan saraf).

Fruktosa- gula buah (cara penguraian fruktosa lebih pendek dan lebih bermanfaat secara energi daripada glukosa), (ester fosfat fruktosa adalah produk antara yang penting untuk energi dan sintesis glukosa dari komponen non-karbohidrat; banyak fruktosa ditemukan dalam air mani) .

Dengan struktur kimia, glukosa dan galaktosa adalah alkohol aldehida. Fruktosa adalah alkohol keton. Perbedaan dalam struktur memberikan sifat yang berbeda (glukosa mengembalikan logam dari oksidanya. Ini memastikan fungsi detoksifikasi glukosa. Fruktosa diserap di usus 2 kali lebih lambat dari glukosa, tetapi jalur pemecahan fruktosa lebih pendek dan bermanfaat secara energi).

H O - C - H

H - C - OH

H - C - OH

Glukosa fruktosa

Sifat monosakarida:

1) rasa manis, larut dalam air

2) ketika mengoksidasi 6 atom karbon dalam mol. heksosa terbentuk asam heksuronat: dari glukosa - glukuronat, dari galaktosa - galakturonat.

Asam glukuronat: tanpa interaksi dengan asam glukuronat, ekskresi pigmen empedu dari tubuh terganggu

A) memberikan zat larut => mempromosikan penghapusan zat beracun dari tubuh: hormon steroid yang tidak larut dalam air, produk peluruhan zat obat;

B) adalah bagian dari mukopolisakarida (fungsi pelindung).

3) Mungkin memiliki gugus amino (NH 2) - gula amino terbentuk dari glukosa glukosamin, dari galaktosa galaktosamin.

4) Monosakarida termasuk dalam proses metabolisme hanya dalam bentuk teraktivasi - dalam bentuk ester fosfat. (G-6F).

Beberapa monosakarida membentuk oligosakarida. Di antara oligosakarida, disakarida patut mendapat perhatian khusus. Ini adalah senyawa yang terdiri dari dua molekul monosakarida.

Disakarida yang paling penting.

GULA - tebu (gula bit). Terdiri dari fruktosa dan glukosa. Termanis; dengan pemecahan enzimatik dalam tubuh lebah, madu diperoleh. Karena gugus aldehida dalam sukrosa diblokir, sukrosa tidak memiliki sifat pereduksi.

laktosa - gula susu. Terdiri dari glukosa dan galaktosa. Ini adalah karbohidrat terpenting dalam susu. Ketika bayi baru lahir disusui, mereka adalah sumber utama karbohidrat.

MALTOZA - gula malt. Terdiri dari dua molekul glukosa. Ini terjadi sebagai produk antara dalam pemecahan pati.

Pertanyaan untuk belajar mandiri.

1) Apa yang disebut karbohidrat?

2) Apa fungsi karbohidrat bagi tubuh manusia?

3) Bagaimana klasifikasi karbohidrat?

4) Apa perwakilan dari monosakarida?

5) Apa arti penting dalam tubuh aldosa dan ketosis?

6) Apa pentingnya pentosa dalam tubuh? Perwakilan kunci.

7) Apa pentingnya heksosa dalam tubuh manusia? Perwakilan kunci.

8) Apa peran biologis manosa dalam tubuh?

9) Apa peran asam heksuronat dalam tubuh manusia?

10) Dalam bentuk apa monosakarida termasuk dalam metabolisme?

11) Apa perbedaan antara glukosa dan fruktosa?

12) Apa sifat utama monosakarida?

13) Bagaimana oligosakarida terbentuk?

14) Apa disakarida yang paling penting?

15) Mengapa sukrosa tidak memiliki sifat pereduksi?

16) Mengapa laktosa penting?

Sastra V.S. Kamyshnikov hal. 521 -522

Monosakarida adalah karbohidrat sederhana, sebagian besar rasanya manis, mudah larut dalam air. Tergantung pada jumlah atom karbon dalam molekul, mereka dibagi menjadi triosa, tetrosa, pentosa, heksosa dan heptosa. Karena fakta bahwa molekul monosakarida memiliki gugus aldehida atau keton yang dapat masuk ke dalam reaksi reduksi, mereka disebut gula pereduksi.

Monosakarida yang mengandung gugus aldehida biasa disebut aldosa. Aldosa tanaman yang paling penting termasuk gliserol aldehida, eritrosa, ribosa, xilosa, arabinosa, glukosa, manosa, galaktosa. Monosakarida yang memiliki gugus keton disebut ketosis. Ini termasuk dioksiaseton, ribulosa, xilulosa, fruktosa, sedoheptulosa.

Semua monosakarida, kecuali dioksiaseton, mengandung atom karbon asimetris dan oleh karena itu membentuk stereoisomer yang berbeda dalam sifat optiknya. Ketika cahaya terpolarisasi bidang dilewatkan melalui larutan stereoisomer tersebut, rotasi bidang polarisasi cahaya ke kanan atau ke kiri dengan sudut yang ditentukan secara ketat diamati.

Asimetris mengacu pada atom karbon yang terikat secara kovalen dengan empat kelompok atom yang berbeda. Dalam molekul gliseraldehida ada satu atom karbon asimetris (ditandai dengan tanda bintang), dalam eritrosa - 2, dalam ribosa - 3, dalam glukosa - 4.

Semua monosakarida yang memiliki susunan spasial hidrogen dan gugus hidroksil pada atom karbon asimetris terjauh dari gugus aldehida atau keton (yang terakhir dengan penomoran) adalah sama dengan gliseraldehida dekstrorotatori, disebut sebagai D- sejumlah dan saat menulisnya rumus struktur gugus hidroksil ditunjukkan di sebelah kanan atom karbon asimetris bernomor terakhir (ditandai dengan tanda bintang dalam rumus di bawah). Monosakarida lain di mana orientasi spasial gugus hidrogen dan hidroksil pada atom karbon asimetris terakhir adalah sama dengan aldehida gliserat levorotatory disebut sebagai L- sejumlah dan ketika menulis rumus strukturnya, gugus hidroksil yang terakhir, menurut penomoran atom karbon asimetris, ditunjukkan di sebelah kiri.

Dalam organisme hidup, mereka sebagian besar disintesis dan melakukan fungsi biologis D-bentuk monosakarida dan lebih jarang L-formulir.

Monosakarida dengan 5 dan 6 atom karbon dalam suatu molekul membentuk hemiasetal siklik yang stabil dalam larutan berair sebagai hasil interaksi intramolekul dari gugus aldehida atau keton dengan gugus hidroksil, paling sering terletak di atom karbon kelima atau keenam. Dalam hal ini, atom karbon dari gugus aldehida atau keton (atom karbon hemiasetal) menjadi asimetris, sehingga menimbulkan dua bentuk stereoisomer dengan orientasi spasial yang saling berlawanan dari gugus hidrogen dan gugus hidroksil.

Karena fakta bahwa bentuk siklik beranggota enam dari monosakarida adalah turunan dari senyawa heterosiklik piran, mereka disebut piranozamu. Bentuk siklik beranggota lima dari monosakarida, yang merupakan turunan dari senyawa furan heterosiklik, disebut

Wyut furanosa.

Bentuk aldehida dari heksosa dalam larutan air terutama ada dalam bentuk piranosa, karena struktur enam anggotanya lebih stabil. Fruktosa hadir dalam sel tumbuhan dalam bentuk furanosa. Dalam pentosa, bentuk piranosa dan furanosa terbentuk.

.

Untuk menulis bentuk siklik monosakarida, biasanya digunakan rumus siklik yang diusulkan oleh W. Heworth. Dalam formula ini, struktur siklik piranosa digambarkan sebagai segi enam, di mana garis-garis di latar depan dilambangkan dengan huruf tebal. Di atas dan di bawah bidang segi enam, segmen garis vertikal menunjukkan lokasi hidrogen, gugus hidroksil, dan radikal lainnya. Atom karbon yang membentuk struktur siklik tidak dicatat dalam rumus Hewors.

Di ruang angkasa, bentuk siklik monosakarida dapat eksis dalam bentuk beberapa konformasi. Struktur piranosa paling sering membentuk kursi atau konformasi molekul berbentuk perahu. Konformasi piranosa dalam bentuk "kursi" lebih stabil.

Bentuk pentosa furanosa sangat sering diwujudkan di ruang angkasa dalam bentuk dua konformasi, yang berbeda dalam posisi atom karbon kedua dan ketiga:

Dalam reaksi dengan asam, monosakarida, karena hidroksil alkohol, dapat membentuk ester, banyak di antaranya memainkan peran penting dalam metabolisme organisme. Terutama yang sangat penting secara biologis adalah ester fosfat dari monosakarida yang dibentuk dengan asam ortofosfat. Dalam molekul ester fosfat monosakarida, residu asam fosfat disingkat - (P). Dalam transformasi biokimia, ester fosfat monosakarida berikut paling sering ditemukan.

Karena interaksi gugus hidroksil pada atom karbon hemiasetal, monosakarida dapat membentuk turunan yang disebut glikosida. Bagian non-karbohidrat dari glikosida (aglikon), yang melekat pada atom karbon hemiasetal dari monosakarida, dapat diwakili oleh berbagai senyawa (lihat bab "Glikosida"). Misalnya, ketika b-D-glukosa digabungkan dengan aldehida aromatik vanilin, glikosida terbentuk - glukovanilin.

glukovanilin

Banyak glukovanilin terakumulasi dalam buah vanili. Ketika molekul glukovanilin rusak di bawah aksi enzim hidrolitik, vanilin aldehida terbentuk, yang merupakan zat harum yang digunakan dalam industri makanan dan parfum.

Ketika gugus aldehida dan keton dari monosakarida direduksi, alkohol polihidrat terbentuk. Aldehida gliserat dan dioksiaseton direduksi untuk membentuk alkohol trihidrat - gliserin, ribosa dan ribulosa - untuk membentuk alkohol pentahidrat - ribitol, glukosa dan fruktosa - alkohol heksahidrat - sorbitol, mannosa - manitol, galaktosa - dulsit.

Alkohol yang terbentuk dari monosakarida memiliki rasa manis. Mereka adalah produk metabolisme perantara dan dapat terakumulasi dalam bentuk bebas di beberapa tanaman. Sorbitol pertama kali diisolasi dari buah rowan; juga ditemukan berlimpah dalam buah-buahan dan daun plum, buah persik, aprikot, ceri, apel dan pir.

Manitol ditemukan dalam jumlah yang signifikan dalam sekresi kering pada batang jenis abu tertentu, yang disebut "manna". Ada banyak dalam jamur dan ganggang, bawang, wortel, nanas, terutama di rumput laut - hingga 20% dari berat kering. Dulsit, seperti manitol, diekskresikan pada daun dan kulit beberapa pohon.

Ketika gugus hidroksil dalam molekul monosakarida digantikan oleh atom hidrogen, turunan deoksi gula terbentuk, di mana 2-deoksiribosa dan L-ramnoza:

Deoksiribosa adalah komponen deoksiribonukleotida, dari mana molekul asam deoksiribonukleat (DNA) dibangun. L-ramnose adalah bagian dari banyak getah tanaman dan glikosida, dan dalam bentuk bebas ditemukan di daun sumac.

Dalam molekul turunan amino monosakarida, gugus hidroksil digantikan oleh gugus amino. Di alam, yang paling terkenal D-glukosamin dan D-galaktosamin:

Glukosamin adalah bagian dari beberapa polisakarida jamur dan tumbuhan, dan juga merupakan komponen struktural kitin pada serangga dan krustasea. Galaktosamin adalah komponen struktural dari beberapa glikolipid.

Gugus aldehida dan alkohol primer (-CH₂OH) dari monosakarida dapat mengalami oksidasi untuk membentuk asam karboksilat. Sebagai hasil dari oksidasi heksosa, tiga jenis asam muncul: aldonik, aldonik dan kerusakan. Jika gugus aldehida dari heksosa mengalami oksidasi, yang terakhir diubah menjadi asam aldonat. Misalnya, glukosa menghasilkan asam glukonat, yang merupakan produk antara dalam reaksi siklus pentosa-fosfat (lihat bab "Metabolisme karbohidrat"). Dengan oksidasi simultan gugus aldehida dan alkohol primer, asam hidroksi dibasa terbentuk - asam aldarit. Produk oksidasi glukosa adalah asam glukarat, manosa adalah asam mannarat, galaktosa adalah asam galaktarat. Selama transformasi biokimia monosakarida, hanya gugus alkohol primer yang dapat mengalami oksidasi, dan gugus aldehida tetap tidak berubah, dalam hal ini sintesis asam uronat terjadi. Karena gugus aldehida mereka tidak teroksidasi, mereka dapat membentuk bentuk siklik.

Asam uronat memainkan peran produk antara dalam sintesis dan transformasi monosakarida, berfungsi sebagai dasar struktural untuk sejumlah polisakarida - zat pektin, hemiselulosa, getah tanaman.

Ketika monosakarida dipanaskan dengan asam pekat, mereka mengalami dehidrasi (penghilangan molekul air), akibatnya pentosa diubah menjadi furfural, dan heksosa - menjadi oxymethylfurfural, yang, ketika dikondensasi dengan fenol, memberikan produk berwarna yang digunakan untuk penentuan kolorimetri dari gula.

Klasifikasi

Monosakarida (monosa) diklasifikasikan berdasarkan jumlah atom karbon dan sifat gugus karbonilnya.

Berdasarkan jumlah atom karbon, mereka dibedakan:

- triosa - gula dengan tiga atom karbon,

- tetrosa - dengan empat,

- pentosa - dengan lima,

- heksosa - dengan enam, dll.

Monosakarida yang mengandung gugus aldehid disebut aldosa, dan keton disebut ketosis. Seringkali nama-nama ini digabungkan untuk menunjukkan jumlah atom karbon dan sifat gugus karbonil. Contoh: glukosa adalah aldoheksosa, dan fruktosa adalah ketoheksosa, aldotriosa paling sederhana adalah gliseraldehida, dan ketotriosa paling sederhana adalah dihidroksiaseton:

Tata nama monosakarida

Nama-nama monosakarida dibangun sesuai dengan klasifikasinya dengan akhiran "oza": aldopentosa, ketoheksosa, dll. Monosakarida yang paling umum di alam memiliki nama-nama sepele, misalnya, aldopentosa - ribosa, xilosa, arabinosa, deoksiribosa; aldoheksosa - glukosa, galaktosa; ketoheksosa - fruktosa.

Menurut tata nama IUPAC, setiap aldopentosa memiliki nama 2,3,4,5 - tetrohidroksipentanal; aldoheksosa - 2,3,4,5,6 - pentahidroksiheksanal; ketopentosa -1,3,4,5 - tetrahidroksipentanon-2; ketoheksosa (fruktosa) - 1,3,4,5,6 - pentahydroxyhexanone - 2, dll. Namun, nomenklatur substituen dalam kimia karbohidrat praktis tidak digunakan, dan biasanya menggunakan nama-nama sepele.

Struktur

Butuh ahli kimia lebih dari seratus tahun untuk menjelaskan struktur dan stereokimia monosakarida. Sebagai hasil dari penelitian bertahun-tahun, ditemukan bahwa monosakarida, secara kimiawi, adalah polihidroksialdehida atau polihidroksiketon. Kebanyakan monosakarida memiliki rantai linier atom karbon.

Perwakilan monosakarida yang paling penting dan khas adalah glukosa (gula anggur) dan fruktosa (gula buah). Mereka isomer satu sama lain dan memiliki rumus molekul C 6 H 12 O 6

Struktur monosakarida telah dibuktikan oleh penelitian banyak ilmuwan. Sejumlah reaksi dilakukan untuk membentuk struktur linier monosakarida, keberadaan gugus aldehida dan keton, gugus hidroksil.

Struktur linier dibuktikan dengan reduksi glukosa menjadi 2-iodoheksana di bawah aksi hidrogen iodida. Kehadiran gugus aldehida dibuktikan dengan fakta bahwa asam hidrosianat ditambahkan ke glukosa, serta aldehida (Kiliani, 1887):

,

dimana R - C 5 H 11 O 5

Selain itu, glukosa memberikan reaksi kualitatif pada kelompok aldehida: "cermin perak" ketika berinteraksi dengan OH dan dengan cairan Fehling. Dalam kedua kasus, gugus aldehida dioksidasi menjadi karboksil dan asam glukonat terbentuk:

Pada tahun 1869, A.A. Colley menemukan bahwa glukosa bereaksi dengan lima molekul anhidrida asetat, membentuk lima gugus ester, dan karenanya merupakan alkohol pentahidrat.

Fruktosa, pada reduksi dengan hidrogen iodida, juga menghasilkan 2-iodoheksana, yang membuktikan struktur liniernya.

Adanya gugus karbonil dapat dibuktikan dengan reaksi interaksi dengan asam hidrosianat atau dengan asam hidroklorida hidroksilamin:

Lokasi gugus karbonil dalam rantai karbon dibuktikan dengan fakta bahwa oksidasi fruktosa terjadi dengan pemutusan rantai karbon dan pembentukan asam oksalat dan tartarat:

Seperti glukosa, fruktosa bereaksi dengan lima molekul anhidrida asetat membentuk lima gugus ester, sehingga mengandung lima gugus hidroksil.

2. MONOSAKARIDA

Isomerisme spasial

Menurut dia sifat kimia monosakarida adalah aldehida atau keto alkohol. Perwakilan paling sederhana dari monosakarida, aldotriosa, adalah gliserol aldehida (2,3-dihidroksipropanal).

Mempertimbangkan struktur aldehida gliserat, dapat dilihat bahwa rumus yang diberikan sesuai dengan dua isomer yang berbeda dalam struktur spasial dan merupakan bayangan cermin satu sama lain:

Isomer yang memiliki rumus molekul yang sama, tetapi berbeda dalam susunan atom dalam ruang, disebut spasial, atau stereoisomer... Dua stereoisomer yang berhubungan satu sama lain sebagai objek dan pemantulan spekuler yang tidak bertepatan disebut enansiomer... Jenis isomerisme spasial ini juga disebut optik isomerisme.

Keberadaan enansiomer dalam aldehida gliserat disebabkan oleh keberadaan dalam molekulnya kiral atom karbon, yaitu atom yang terikat pada empat substituen yang berbeda. Jika lebih dari satu pusat kiral hadir dalam sebuah molekul, maka jumlah isomer optik akan ditentukan oleh rumus 2 n, di mana n adalah jumlah pusat kiral. Dalam hal ini, stereoisomer yang bukan enansiomer disebut diastereomer.

Untuk mencitrakan isomer optik pada bidang, gunakan Proyeksi Fisher... Saat membuat proyeksi Fisher, harus diingat bahwa atom atau kelompok atom yang terletak pada garis horizontal harus diarahkan ke pengamat, mis. keluar dari bidang kertas. Atom atau kelompok atom yang terletak pada garis vertikal dan membentuk, sebagai aturan, rantai utama, diarahkan menjauh dari pengamat, mis. melampaui bidang kertas. Untuk isomer gliseraldehida yang dipertimbangkan, proyeksi Fisher akan dibuat sebagai berikut:

Aldehida gliserat diterima sebagai standar untuk menentukan isomer optik. Untuk ini, salah satu isomernya ditunjuk oleh huruf D, dan yang kedua dengan huruf L.

Pentosa dan heksosa

Seperti disebutkan di atas, aldopentosa dan aldoheksosa paling sering terjadi di alam. Mempertimbangkan strukturnya, orang dapat sampai pada kesimpulan bahwa aldopentosa memiliki 3 pusat kiral (ditunjukkan dengan tanda bintang) dan, oleh karena itu, terdiri dari 8 (2 3) isomer optik. Aldoheksosa memiliki 4 pusat kiral dan 16 isomer:

Membandingkan struktur yang terakhir dari gugus karbonil dari pusat kiral karbohidrat dengan struktur aldehida D- dan L-gliserol, semua monosakarida dibagi menjadi dua kelompok: seri D dan L. Perwakilan aldopentosa yang paling penting adalah D-ribosa, D-deoksiribosa, D-xilosa, L-arabinosa, aldoheksosa - D-glukosa dan D-galaktosa, dan ketoheksosa - D-fruktosa. Proyeksi Fischer dari monosakarida bernama dan sumber alaminya diberikan di bawah ini.

Monosakarida ada tidak hanya dalam bentuk terbuka (linier), yang diberikan di atas, tetapi juga dalam bentuk siklus. Kedua bentuk ini (linier dan siklik) mampu secara spontan berubah menjadi satu sama lain dalam larutan berair. Kesetimbangan dinamis antara isomer struktural disebut tautomerisme... Pembentukan bentuk siklik monosakarida terjadi sebagai akibat dari reaksi penambahan intramolekul salah satu gugus hidroksil pada gugus karbonil. Yang paling stabil adalah siklus beranggota lima dan enam. Oleh karena itu, selama pembentukan bentuk siklik karbohidrat, furanosa(beranggota lima) dan piranosa(beranggota enam) siklus. Mari kita perhatikan pembentukan bentuk siklik menggunakan glukosa dan ribosa sebagai contoh.

Selama siklisasi, glukosa sebagian besar membentuk siklus piranosa. Siklus piranosa terdiri dari 5 atom karbon dan 1 atom oksigen. Ketika terbentuk, gugus hidroksil dari atom karbon kelima (C 5) berpartisipasi dalam penambahan.

Di tempat gugus karbonil, muncul gugus hidroksil, yang disebut glikosidik, dan turunan dari gugus glikosida dari karbohidrat adalah glikosida... Fitur spasial lain dari bentuk siklik adalah pembentukan pusat kiral baru (atom C1). Dua isomer optik muncul, yang disebut anomer... Anomer di mana gugus glikosidik terletak dengan cara yang sama seperti gugus hidroksil, yang menentukan rasio monosakarida dengan seri-D atau L, dilambangkan dengan huruf, anomer lainnya dengan huruf. Struktur monosakarida dalam bentuk siklik sering digambarkan dalam bentuk rumus Hewors. Gambar ini memungkinkan Anda untuk melihat pengaturan bersama atom hidrogen dan gugus hidroksil relatif terhadap bidang cincin.

Jadi, dalam larutan, glukosa ada dalam bentuk tiga bentuk yang berada dalam kesetimbangan bergerak, rasio antara kira-kira: 0,025% - bentuk linier, 36% - - dan 64% - - bentuk.

Ribosa terutama membentuk siklus furanosa beranggota lima.

Sifat kimia

Sifat kimia monosakarida ditentukan oleh adanya gugus karbonil dan hidroksil alkohol dalam molekulnya. Mari kita perhatikan beberapa reaksi monosakarida menggunakan glukosa sebagai contoh.

Seperti alkohol polihidrat, glikol, larutan glukosa melarutkan endapan tembaga (II) hidroksida untuk membentuk senyawa kompleks.

Gugus aldehida membentuk alkohol setelah reduksi. Ketika glukosa direduksi, alkohol heksahidrat terbentuk sorbitol:

Sorbitol memiliki rasa manis dan digunakan sebagai pengganti gula. Untuk tujuan yang sama, xylitol, produk reduksi xilosa, juga digunakan.

Dalam reaksi oksidasi, tergantung pada sifat zat pengoksidasi, asam monobasa (aldonat) atau dibasa (glukarat) dapat dibentuk.

Kebanyakan monosakarida adalah gula pereduksi. Mereka dicirikan oleh: reaksi "cermin perak"

dan interaksi dengan cairan Fehling (reduksi Cu (OH) 2 biru menjadi CuOH kuning dan kemudian Cu 2 O jingga).

Kelompok glikosidik dari bentuk siklik monosakarida memiliki reaktivitas yang meningkat. Jadi, ketika berinteraksi dengan alkohol, eter terbentuk - glikosida. Karena glikosida kekurangan hidroksil glikosidik, mereka tidak mampu tautomerisme, yaitu. pembentukan bentuk linier yang mengandung gugus aldehida. Glikosida tidak bereaksi dengan larutan amonia dari perak oksida dan cairan Fehling. Namun, dalam media asam, glikosida mudah dihidrolisis untuk membentuk senyawa awal:

Di bawah aksi sistem enzim mikroorganisme, monosakarida dapat diubah menjadi berbagai senyawa organik lainnya. Reaksi ini disebut fermentasi. Fermentasi alkohol glukosa dikenal luas, akibatnya etil alkohol terbentuk. Jenis fermentasi lain juga dikenal, misalnya asam laktat, asam butirat, asam sitrat, gliserin.