โมโนแซ็กคาไรด์: ไรโบส, ดีออกซีไรโบส, กลูโคส, ฟรุกโตส แนวคิดของไอโซเมอร์เชิงพื้นที่ของคาร์โบไฮเดรต
บรรยายคาร์โบไฮเดรต
ชื่อนี้หมายถึงสารที่กระจายอยู่ทั่วไปในธรรมชาติ พวกมันเกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตของพืชอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาเคมีที่ซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์จากอากาศและพลังงานแสงอาทิตย์ และปฏิกิริยานั้นเกิดขึ้นจากการมีส่วนร่วมของเมล็ดคลอโรฟิลล์ที่อยู่ในส่วนที่เป็นสีเขียวของพืช
ดังนั้นคาร์โบไฮเดรต (น้ำตาล) จึงเป็นหนึ่งในกลุ่มสารประกอบอินทรีย์ตามธรรมชาติที่สำคัญและแพร่หลายที่สุด สูตรทั่วไป C m H 2 n O n (มและ น³3).
ในสิ่งมีชีวิตในพืชมากถึง 80% (น้ำหนักแห้ง) และในสิ่งมีชีวิตในสัตว์ - มากถึง 2% (น้ำหนักแห้ง) เป็นคาร์โบไฮเดรต
ในร่างกายของสัตว์และมนุษย์ คาร์โบไฮเดรต (น้ำตาล) มาพร้อมกับหลากหลาย ผลิตภัณฑ์อาหารต้นกำเนิดผัก tk. น้ำตาลไม่สามารถสังเคราะห์ได้ในสิ่งมีชีวิตที่มาจากสัตว์
ในพืช คาร์โบไฮเดรตจะเกิดขึ้นระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงจากน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ (ดูด้านบน):
คาร์โบไฮเดรตมีโครงสร้างที่แตกต่างกันสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม: คาร์โบไฮเดรตเชิงเดี่ยวและเชิงซ้อน
คาร์โบไฮเดรตเชิงเดี่ยว (โมโนแซ็กคาไรด์) เป็นสารประกอบที่ไม่สามารถไฮโดรไลซ์ให้เกิดขึ้นอีกได้ คาร์โบไฮเดรตเชิงเดี่ยว.
คาร์โบไฮเดรตเชิงซ้อน (พอลิแซ็กคาไรด์) เป็นสารประกอบที่สามารถไฮโดรไลซ์เพื่อสร้างคาร์โบไฮเดรตเชิงเดี่ยว
โมโนแซ็กคาไรด์: ไรโบส, ดีออกซีไรโบส, กลูโคส, ฟรุกโตส แนวคิดของไอโซเมอร์เชิงพื้นที่ของคาร์โบไฮเดรต รูปแบบวัฏจักรของโมโนแซ็กคาไรด์
โมเลกุลของโมโนแซ็กคาไรด์สามารถมีอะตอมของคาร์บอนได้ตั้งแต่สามถึงเก้าอะตอม ชื่อของโมโนแซ็กคาไรด์ทุกกลุ่ม ตลอดจนชื่อตัวแทนของแต่ละคน ลงท้ายด้วย -ose ขึ้นอยู่กับจำนวนของอะตอมของคาร์บอนในโมเลกุล โมโนแซ็กคาไรด์จะถูกแบ่งออกเป็นเตโทรส เพนโทส เฮกโซส ฯลฯ เฮกโซสและเพนโทสมีความสำคัญมากที่สุด
ไรโบสและดีออกซีไรโบส
เพนโทสมักพบในธรรมชาติ ในจำนวนนี้ ไรโบสและดีออกซีไรโบสเป็นที่สนใจอย่างมากเพราะ พวกมันเป็นส่วนหนึ่งของกรดนิวคลีอิก
ชื่อ "ดีออกซีไรโบส" แสดงว่าเมื่อเทียบกับไรโบสแล้ว มีหมู่ OH น้อยกว่าหนึ่งหมู่ในโมเลกุล
โมเลกุลของไรโบสและดีออกซีไรโบสสามารถมีได้ทั้งโครงสร้างแบบเส้นตรงและแบบวงกลม:
ตัวแทนที่สำคัญที่สุดของเฮกโซสคือ กลูโคสและ ฟรุกโตส,ในตัวอย่างเราจะพิจารณาโครงสร้าง ระบบการตั้งชื่อ ไอโซเมอร์ และคุณสมบัติของโมโนแซ็กคาไรด์
โครงสร้าง
กลูโคสและฟรุกโตสเป็นไอโซเมอร์และมีสูตรโมเลกุล C 6 H 12 O 6
โครงสร้างของโมโนแซ็กคาไรด์ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ปฏิกิริยา:
1) การลดลงของกลูโคสด้วยไฮโดรเจนไอโอไดด์ซึ่งเป็นผลมาจากปฏิกิริยานี้ทำให้เกิด 2-iodohexane
2) กลูโคสทำปฏิกิริยากับสารละลายแอมโมเนียของซิลเวอร์ออกไซด์ ซึ่งบ่งชี้ว่ามีกลุ่มอัลดีไฮด์อยู่ในโมเลกุลของกลูโคส:
(C 5 H 11 O 5) SON + 2OH® (C 5 H 11 O 5) COONH 4 + 2Ag¯ + 3NH 3 + H 2 O
3) กลูโคสถูกออกซิไดซ์โดยน้ำโบรมีนเป็นกรดกลูโคนิก:
(C 5 H 11 O 6) COOH + Br 2 + H 2 O® (C 5 H 11 O 5) COOH + 2HBr
4) เมื่อกลูโคสทำปฏิกิริยากับคอปเปอร์ไฮดรอกไซด์ สารละลายจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงิน ซึ่งเป็นปฏิกิริยาเชิงคุณภาพสำหรับโพลีไฮดริกแอลกอฮอล์ จากการทดลองเชิงปริมาณพบว่าในโมเลกุลของกลูโคส 5 หมู่ไฮดรอกซิล ดังนั้นกลูโคสจึงเป็นแอลกอฮอล์อัลดีไฮด์แบบเพนตะไฮดริก
5) การปรากฏตัวของกลุ่มแอลกอฮอล์ 5 กลุ่มยังพบได้ในโมเลกุลของฟรุกโตส แต่ด้วยปฏิกิริยาออกซิเดชันที่รุนแรง ฟรุกโตสจะสร้างกรดไฮดรอกซีสองชนิดที่มีอะตอมของคาร์บอนสองและสี่อะตอม พฤติกรรมนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับคีโตน ดังนั้น ฟรุกโตสจึงเป็นโพลีไฮดริกคีโตแอลกอฮอล์:
ดังนั้นโมโนแซ็กคาไรด์จึงเป็นโพลีไฮดริกอัลดีไฮด์หรือคีโตแอลกอฮอล์
อย่างไรก็ตาม ข้อเท็จจริงจากการทดลองจำนวนหนึ่งไม่สามารถอธิบายได้ภายในกรอบของโครงสร้างของโมโนแซ็กคาไรด์ดังกล่าว: 1) โมโนแซ็กคาไรด์ไม่ได้ให้ลักษณะปฏิกิริยาบางอย่างของอัลดีไฮด์; โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกมันไม่ก่อตัวเป็นสารประกอบไบซัลไฟต์เมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับ NaHSO 3 ;
2) เมื่อทำการวัดกิจกรรมทางแสงของสารละลายน้ำตาลกลูโคสที่เตรียมใหม่ ปรากฎว่าตกเมื่อเวลาผ่านไป
3) เมื่อโมโนแซ็กคาไรด์ถูกทำให้ร้อนด้วยเมทิลแอลกอฮอล์ต่อหน้า HCl ผลึกไกลโคไซด์จะตกตะกอน ซึ่งถูกไฮโดรไลซ์ได้ง่ายเพื่อสร้างโมเลกุลของแอลกอฮอล์หนึ่งโมเลกุล
ข้อเท็จจริงทั้งหมดเหล่านี้ได้รับการอธิบายเมื่อมีข้อเสนอแนะว่าโมโนแซ็กคาไรด์แต่ละชนิดสามารถมีอยู่ในรูปแบบต่างๆ ของเทาโทเมอริก ในการแก้ปัญหา นอกจากโซ่คลี่แล้ว ยังมีรูปแบบวัฏจักรที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิสัมพันธ์ภายในโมเลกุลของกลุ่มอัลดีไฮด์และกลุ่มไฮดรอกซิลที่อะตอมของคาร์บอนตัวที่ 5:
การปรากฏตัวของรูปแบบวงกลมจะอธิบายถึงความผิดปกติข้างต้นทั้งหมดดังนี้:
1) รูปแบบวัฏจักรของโมโนแซ็กคาไรด์มีอิทธิพลเหนือกว่าในการแก้ปัญหา ไม่ใช่รูปแบบเปิด ปริมาณมาก;
2) การเปลี่ยนแปลงของกิจกรรมทางแสงเกี่ยวข้องกับการสร้างความสมดุลระหว่างรูปแบบเปิดและวงจร
การก่อตัวของไกลโคไซด์อธิบายได้จากการมีอยู่ของไกลโคซิดิกหรือไฮดรอกซิลเฮมิแอซีทัล ซึ่งมีปฏิกิริยามากกว่าไฮดรอกไซด์อื่นๆ ดังนั้นจึงทำปฏิกิริยากับแอลกอฮอล์ได้ง่ายเพื่อสร้างไกลโคไซด์ Haworth แนะนำให้แสดงรูปวัฏจักรของน้ำตาลเพื่อให้มองเห็นทั้งวงแหวนและองค์ประกอบแทนที่ได้อย่างชัดเจน:
รูปแบบวัฏจักรของโมโนแซ็กคาไรด์อาจมีอะตอมของวงแหวนห้าหรือหกอะตอม เรียกน้ำตาลที่มีวงจรหกสมาชิก ไพราโนส,ตัวอย่างเช่น กลูโคส - กลูโคปีราโนส เรียกรูปแบบวัฏจักรของน้ำตาลที่มีสมาชิก 5 ตัว ฟูราโนสกลูโคสที่มีวัฏจักรห้าสมาชิกคือกลูโคฟูราโนส และฟรุกโตสที่มีวัฏจักรห้าสมาชิกคือฟรุกโตฟูราโนส
ระบบการตั้งชื่อและไอโซเมอร์ของโมโนแซ็กคาไรด์ชื่อของโมโนแซ็กคาไรด์มีชื่อภาษากรีกสำหรับตัวเลข
อะตอมและจุดสิ้นสุด -ose (ดูด้านบน)
การมีอยู่ของอัลดีไฮด์และหมู่คีโตนนั้นถูกระบุโดยการเพิ่มคำว่า aldose, ketose กลูโคส - อัลโดเฮกโซส, ฟรุกโตส - คีโตเฮกโซส
Isomerism เกิดจากการมี:
1) กลุ่มอัลดีไฮด์หรือคีโตน
2) อะตอมของคาร์บอนที่ไม่สมมาตร
3) เอกภาพ (tautomerism) (เช่น สมดุลระหว่างรูปแบบต่างๆ ของโมเลกุล)
การได้รับโมโนแซ็กคาไรด์
1) ในธรรมชาติ กลูโคสและฟรุกโตส (รวมถึงโมโนแซ็กคาไรด์อื่น ๆ) เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสง:
จากสิ่งนี้ เราสามารถสรุปได้ว่าโมโนแซ็กคาไรด์จำนวนหนึ่งเกิดขึ้นในธรรมชาติในรูปแบบอิสระ ตัวอย่างเช่น พบฟรุกโตสและกลูโคสในผลไม้ ฟรุกโตส - ในน้ำผึ้ง เป็นต้น
2) การไฮโดรไลซิสของพอลิแซ็กคาไรด์ ตัวอย่างเช่น ในการผลิต กลูโคสมักได้มาจากการไฮโดรไลซิสของแป้งในที่ที่มีกรดซัลฟิวริก:
3) การเกิดออกซิเดชันที่ไม่สมบูรณ์ของโพลีไฮดริกแอลกอฮอล์
4) การสังเคราะห์จากฟอร์มาลดีไฮด์ต่อหน้าแคลเซียมไฮดรอกไซด์ (เสนอโดย A. M. Butlerov ในปี 2404):
โมโนแซ็กคาไรด์เป็นของแข็งที่สามารถตกผลึก ดูดความชื้น และละลายน้ำได้ง่าย สารละลายที่เป็นน้ำมีปฏิกิริยาเป็นกลางต่อกระดาษลิตมัส ส่วนใหญ่มีรสหวาน พวกมันละลายได้ไม่ดีในแอลกอฮอล์ไม่ละลายในอีเทอร์
กลูโคสเป็นสารผลึกไม่มีสี มีรสหวาน ละลายน้ำได้สูง มันถูกแยกออกจากสารละลายในรูปของผลึกไฮเดรต C 6 H 12 O 6 H 2 O
คุณสมบัติทางเคมี
คุณสมบัติทางเคมีของโมโนแซ็กคาไรด์เกิดจากการมีหมู่ฟังก์ชันต่างๆ ในโมเลกุลของพวกมัน
1. ออกซิเดชันของโมโนแซ็กคาไรด์:
(C 5 H 11 O 6) SON + 2OH® (C 6 H 11 O 5) COONH 4 + 2Ag¯ + 3NH 3 + H 2 O
2. ปฏิกิริยาของแอลกอฮอล์ไฮดรอกไซด์:
a) ปฏิกิริยากับคอปเปอร์ (II) ไฮดรอกไซด์เพื่อสร้างคอปเปอร์ (II) แอลกอฮอล์
b) การก่อตัวของอีเทอร์
c) การก่อตัวของเอสเทอร์เมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับกรดคาร์บอกซิลิก - ปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชัน ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาระหว่างกลูโคสกับกรดอะซิติกหรือกรดคลอไรด์:
3. การก่อตัวของไกลโคไซด์ (ดูด้านบน)
4. การหมัก การหมักเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนซึ่งโมโนแซ็กคาไรด์ถูกย่อยสลายภายใต้อิทธิพลของจุลินทรีย์ต่างๆ แยกแยะการหมัก:
ก) แอลกอฮอล์:
คุณสมบัติทางเคมีของกลูโคสแสดงไว้ในตาราง 41.
การประยุกต์ใช้กลูโคส
กลูโคสเป็นผลิตภัณฑ์ทางโภชนาการที่มีคุณค่า ในร่างกายจะผ่านการเปลี่ยนแปลงทางชีวเคมีที่ซับซ้อน ในขณะที่มีการปลดปล่อยพลังงานซึ่งสะสมอยู่ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งดำเนินไปตามลำดับ ดังนั้นพลังงานจึงถูกปลดปล่อยออกมาอย่างช้าๆ (ดูรูปที่ 51)
สิ่งที่สำคัญอย่างยิ่งคือกระบวนการหมักกลูโคส ตัวอย่างเช่นเมื่อกะหล่ำปลีดอง, แตงกวา, นมเปรี้ยว, การหมักกรดแลคติกของกลูโคสเกิดขึ้นเช่นเดียวกับเมื่อให้อาหาร การหมักกลูโคสด้วยแอลกอฮอล์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในทางปฏิบัติเช่นในการผลิตเบียร์
ฟรุกโตส
ฟรุกโตสมีสูตรโมเลกุลเหมือนกับกลูโคส (C 6 H 12 O 6) แต่ไม่ใช่โพลีออกซีอัลดีไฮด์ แต่เป็นโพลีออกซีคีโตน โมเลกุลของฟรุกโตสประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนที่ไม่สมมาตรสามอะตอม และโครงร่างของพวกมันจะเหมือนกับของอะตอมที่สอดคล้องกันในโมเลกุลของกลูโคส ดังนั้นฟรุกโตสจึงเป็นไอโซเมอร์และเป็น "ญาติสนิท" ของกลูโคส ละลายน้ำได้สูง มีรสหวาน (หวานกว่ากลูโคสประมาณ 3 เท่า)
ฟรุกโตสยังพบได้บ่อยที่สุดในรูปแบบวัฏจักร (a- หรือ b-) แต่แตกต่างจากกลูโคสในรูปแบบห้าสมาชิก ในสารละลายที่เป็นน้ำของฟรุกโตส จะเกิดสมดุลต่อไปนี้:
ฟรุกโตสและกลูโคสพบในปริมาณมากในผลไม้รสหวาน น้ำผึ้งผึ้ง
จากโมโนแซ็กคาไรด์ เมื่อหมู่ไฮดรอกซิลถูกแทนที่ด้วยหมู่อะมิโน (-NH 2) จะเกิดน้ำตาลอะมิโนขึ้น ในร่างกายมนุษย์ น้ำตาลอะมิโนที่สำคัญที่สุดได้แก่ กลูโคซามีนและกาแลคโตซามีน:
พวกเขาเป็นส่วนหนึ่งของคาร์โบไฮเดรตเชิงซ้อนของ mucopolysaccharides ซึ่งทำหน้าที่ป้องกันและลักษณะเฉพาะของเมือก, น้ำวุ้นตาของดวงตา, น้ำไขข้อของข้อต่อ, ระบบการแข็งตัวของเลือด ฯลฯ
สารสำคัญเชิงหน้าที่หลายชนิดเกิดจากกลูโคสในกระบวนการออกซิเดชันหรือรีดิวซ์: กรดแอสคอร์บิก ซอร์บิทอลแอลกอฮอล์ กลูโคนิก กลูคูโรนิก กรดเซียลิก และกรดอื่นๆ
2.1.4. ไรโบสและดีออกซีไรโบส
คาร์โบไฮเดรตอิสระเหล่านี้หายาก บ่อยครั้งที่พวกเขาเป็นส่วนหนึ่งของสารที่ซับซ้อนเช่น ใช้ในร่างกายในกระบวนการพลาสติก ดังนั้น ไรโบสจึงเป็นส่วนหนึ่งของนิวคลีโอไทด์ (ATP, ADP, AMP) และ RNA รวมถึงโคเอนไซม์จำนวนมาก (NADP, NAD, FAD, FMN, CoA) Deoxyribose เป็นส่วนหนึ่งของ DNA ในร่างกาย ไรโบสและดีออกซีไรโบส (เช่น เพนโทสอื่นๆ) จะอยู่ในรูปแบบวัฏจักร
2.1.5. กลีเซอราลดีไฮด์และไดไฮดรอกซีอะซีโตน
พวกมันก่อตัวขึ้นในเนื้อเยื่อของร่างกายระหว่างการเผาผลาญกลูโคสและฟรุกโตส ในฐานะที่เป็นไอโซเมอร์ ไตรโอสเหล่านี้มีความสามารถในการแปลง:
ในเนื้อเยื่อของร่างกายในกระบวนการเผาผลาญคาร์โบไฮเดรตและไขมันจะเกิดฟอสฟอริกเอสเทอร์ของกลีเซอรอลดีไฮด์และฟอสโฟไดออกซีอะซีโตน ฟอสโฟกลีเซอรัลดีไฮด์เป็นสารตั้งต้นพลังงานสูงของการเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพ ในกระบวนการออกซิเดชั่นนั้น จะเกิด ATP, กรดไพรูวิค (PVA) และกรดแลคติค (แลคเตต)
โมโนแซ็กคาไรด์ทำปฏิกิริยาทางเคมีได้ง่ายดังนั้นจึงไม่ค่อยพบในสิ่งมีชีวิตในสภาวะอิสระ โอลิโกแซ็กคาไรด์เป็นอนุพันธ์ของโมโนแซ็กคาไรด์ที่สำคัญอย่างยิ่งต่อร่างกาย
2.2. โอลิโกแซ็กคาไรด์
เหล่านี้เป็นคาร์โบไฮเดรตเชิงซ้อนที่สร้างขึ้นจากโมโนแซ็กคาไรด์จำนวนเล็กน้อย (ตั้งแต่ 2 ถึง 10) ถ้าโมโนแซ็กคาไรด์ตกค้าง 2 ตัวเชื่อมกันด้วยพันธะ 1,4 หรือ 1,2-ไกลโคซิดิก ไดแซ็กคาไรด์จะเกิดขึ้น ไดแซ็กคาไรด์หลัก ได้แก่ ซูโครส มอลโทส และแลคโตส สูตรโมเลกุลคือ C 12 H 22 O 12
2.2.1. ซูโครส
ซูโครส- (น้ำตาลอ้อยหรือหัวบีท) ประกอบด้วยกลูโคสและฟรุกโตสที่เหลือซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยพันธะ 1,2-glycosidic ซึ่งเกิดจากปฏิสัมพันธ์ของกลุ่มไฮดรอกซิลของอะตอมคาร์บอนตัวแรกของกลูโคสและกลุ่มไฮดรอกซิลที่สอง อะตอมของคาร์บอนฟรุกโตส
ซูโครสเป็นส่วนประกอบหลักของน้ำตาลในอาหาร ในกระบวนการย่อยอาหาร ภายใต้อิทธิพลของเอนไซม์ซูคราส จะแตกตัวเป็นกลูโคสและฟรุกโตส
2.2.2. มอลโตส
มอลโตส- (น้ำตาลผลไม้) ประกอบด้วยกลูโคสสองโมเลกุลที่เชื่อมกันด้วยพันธะ 1,4-ไกลโคซิดิก:
พบมอลโตสจำนวนมากในสารสกัดจากมอลต์ของธัญพืช ธัญพืชที่แตกหน่อ เกิดขึ้นในทางเดินอาหารระหว่างการย่อยสลายแป้งหรือไกลโคเจน ในระหว่างการย่อยอาหาร จะแตกตัวเป็นกลูโคสสองโมเลกุลภายใต้อิทธิพลของเอนไซม์มอลเทส
2.2.3. แลคโตส
แลคโตส- (น้ำตาลนม) ประกอบด้วยโมเลกุลของกลูโคสและกาแลคโตสซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยพันธะ 1,4-glycosidic:
แลคโตสถูกสังเคราะห์ขึ้นในต่อมน้ำนมในระหว่างการให้นมบุตร ในระบบย่อยอาหารของมนุษย์ แลคโตสจะถูกย่อยสลายโดยแลคเตสเป็นกลูโคสและกาแลคโตส การบริโภคแลคโตสเข้าสู่ร่างกายด้วยอาหารมีส่วนช่วยในการพัฒนาแบคทีเรียกรดแลคติกซึ่งยับยั้งการพัฒนากระบวนการเน่าเสีย อย่างไรก็ตามในผู้ที่มีกิจกรรมต่ำของเอนไซม์แลคเตส (ในประชากรผู้ใหญ่ส่วนใหญ่ในยุโรป, ตะวันออก, ประเทศอาหรับ, อินเดีย) การแพ้นมจะพัฒนา
ไดแซ็กคาไรด์ที่พิจารณามีรสหวานหากความหวานของซูโครสเท่ากับ 100 ความหวานของแลคโตสจะเท่ากับ 16, มอลโตส -30, กลูโคส -70, ฟรุกโตส -170 นอกจากนี้ยังมีคุณค่าทางโภชนาการสูง ดังนั้นจึงไม่แนะนำสำหรับผู้ที่เป็นโรคอ้วนและโรคเบาหวาน พวกมันถูกแทนที่ด้วยสารเทียม เช่น ขัณฑสกร ซึ่งมีรสหวาน (ความหวานของขัณฑสกรคือ -40,000) แต่ร่างกายไม่ดูดซึม
คาร์โบไฮเดรตในธรรมชาติส่วนใหญ่อยู่ในรูปของพอลิแซ็กคาไรด์และแบ่งออกเป็นสองกลุ่มใหญ่ๆ คือ โฮโม- และเฮเทอโรโพลีแซ็กคาไรด์
คาร์โบไฮเดรตเป็นส่วนหนึ่งของเซลล์และเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตทั้งพืชและสัตว์ พวกมันมีความสำคัญอย่างยิ่งในฐานะแหล่งพลังงานในกระบวนการเมแทบอลิซึม
คาร์โบไฮเดรตเป็นส่วนประกอบอาหารหลักในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ตัวแทนที่รู้จักกันดี - กลูโคส - พบได้ในน้ำผักผลไม้และโดยเฉพาะอย่างยิ่งในองุ่น (เพราะฉะนั้นชื่อ - น้ำตาลองุ่น) เป็นส่วนประกอบสำคัญของเลือดและเนื้อเยื่อของสัตว์ และเป็นแหล่งพลังงานโดยตรงสำหรับปฏิกิริยาของเซลล์
คาร์โบไฮเดรตเกิดขึ้นในพืชในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงจากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ สำหรับมนุษย์ แหล่งคาร์โบไฮเดรตหลักคืออาหารจากพืช
คาร์โบไฮเดรตแบ่งออกเป็น โมโนแซ็กคาไรด์และ โพลีแซคคาไรด์โมโนแซ็กคาไรด์จะไม่ถูกไฮโดรไลซ์เพื่อสร้างคาร์โบไฮเดรตที่เรียบง่ายขึ้น พอลิแซ็กคาไรด์ที่ไฮโดรไลซ์สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นผลิตภัณฑ์ของพอลิคอนเดนเซชันของโมโนแซ็กคาไรด์ โพลีแซ็กคาไรด์เป็นสารประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง โมเลกุลขนาดใหญ่ประกอบด้วยโมโนแซ็กคาไรด์ตกค้างนับแสน กลุ่มกลางระหว่างโมโนและโพลีแซคคาไรด์คือ โอลิโกแซ็กคาไรด์(จากภาษากรีก. โอลิโก- เล็กน้อย) มีน้ำหนักโมเลกุลค่อนข้างเล็ก
ส่วนประกอบสำคัญของชื่อข้างต้น - แซคคาไรด์- เกี่ยวข้องกับชื่อสามัญของคาร์โบไฮเดรตที่ยังคงใช้อยู่ในปัจจุบัน - ซาฮาร่า
11.1. โมโนแซ็กคาไรด์
11.1.1. โครงสร้างและสเตอริโอไอโซเมอร์
โมโนแซ็กคาไรด์โดยทั่วไปเป็นของแข็งที่ละลายน้ำได้สูง ละลายได้น้อยในแอลกอฮอล์ และไม่ละลายในตัวทำละลายอินทรีย์ส่วนใหญ่ โมโนแซ็กคาไรด์เกือบทั้งหมดมีรสหวาน
โมโนแซ็กคาไรด์สามารถมีอยู่ได้ทั้งแบบเปิด (ออกโซ) และแบบไซคลิก ในการแก้ปัญหา รูปแบบไอโซเมอร์เหล่านี้อยู่ในสมดุลไดนามิก
เปิดแบบฟอร์มโมโนแซ็กคาไรด์ (โมโนแซ็กคาไรด์) เป็นสารประกอบที่ทำหน้าที่ต่างกัน โมเลกุลของพวกมันประกอบด้วยคาร์บอนิล (อัลดีไฮด์หรือคีโตน) และหมู่ไฮดรอกซิลหลายกลุ่มพร้อมกัน เช่น โมโนแซ็กคาไรด์เป็นสารประกอบโพลีไฮดรอกซีคาร์บอนิล - โพลีไฮดรอกซีอัลดีไฮด์และ โพลีไฮดรอกซีคีโตนพวกมันมีโซ่คาร์บอนที่ไม่แตกแขนง
โมโนแซ็กคาไรด์แบ่งตามลักษณะของหมู่คาร์บอนิลและความยาวของสายโซ่คาร์บอน เรียกว่าโมโนแซ็กคาไรด์ที่มีหมู่อัลดีไฮด์ อัลโดส,และกลุ่มคีโตน (มักจะอยู่ในตำแหน่งที่ 2) - คีโตซิส(ต่อท้าย -โอเซ่ ใช้แทนชื่อโมโนแซ็กคาไรด์ เช่น กลูโคส กาแล็กโทส ฟรุกโตส เป็นต้น) โดยทั่วไป โครงสร้างของอัลโดสและคีโตซิสสามารถแสดงได้ดังนี้
ขึ้นอยู่กับความยาวของสายโซ่คาร์บอน (3-10 อะตอม) โมโนแซ็กคาไรด์แบ่งออกเป็นสามกลุ่ม, เทโทรส, เพนโทส, เฮกโซส, เฮปโทส ฯลฯ ที่พบมากที่สุดคือเพนโทสและเฮกโซส
สเตอริโอไอโซเมอร์โมเลกุลของโมโนแซ็กคาไรด์มีศูนย์กลางของไคราลิตีหลายแห่ง ซึ่งเป็นสาเหตุของการมีอยู่ของสเตอรีโอไอโซเมอร์จำนวนมากที่สอดคล้องกับสูตรโครงสร้างเดียวกัน ตัวอย่างเช่น ในอัลโดเฮกโซสมีอะตอมของคาร์บอนที่ไม่สมมาตรสี่อะตอมและสเตอรีโอไอโซเมอร์ 16 ตัว (2 4) ที่สอดคล้องกัน เช่น อิแนนทิโอเมอร์ 8 คู่ เมื่อเทียบกับอัลโดสที่สอดคล้องกัน คีโตเฮกโซสมีคาร์บอนไครัลน้อยกว่าหนึ่งอะตอม ดังนั้นจำนวนของสเตอรีโอไอโซเมอร์ (2 3) จึงลดลงเหลือ 8 (อิแนนทิโอเมอร์ 4 คู่)
โมโนแซ็กคาไรด์รูปแบบเปิด (ไม่เป็นวัฏจักร) แสดงเป็นสูตรฟิสเชอร์โปรเจกชัน (ดู 7.1.2) ห่วงโซ่คาร์บอนในนั้นเขียนในแนวตั้ง ในอัลโดส กลุ่มอัลดีไฮด์จะอยู่ด้านบน ในคีโตส ซึ่งเป็นกลุ่มแอลกอฮอล์ปฐมภูมิที่อยู่ติดกับหมู่คาร์บอนิล จากกลุ่มเหล่านี้เริ่มนับจำนวนโซ่
ระบบ D,L ใช้เพื่อแสดงถึงสเตอริโอเคมี การกำหนด monosaccharide ให้กับ D- หรือ L-series นั้นดำเนินการตามการกำหนดค่าของ chiral center ซึ่งอยู่ห่างจากกลุ่ม oxo มากที่สุด โดยไม่คำนึงถึงการกำหนดค่าของศูนย์อื่น ๆ !สำหรับเพนโทสศูนย์ "กำหนด" ดังกล่าวคืออะตอม C-4 และสำหรับเฮกโซส - C-5 ตำแหน่งของกลุ่ม OH ที่จุดศูนย์กลางสุดท้ายของ chirality ทางด้านขวาบ่งชี้ว่าโมโนแซ็กคาไรด์เป็นของ D-series ทางด้านซ้าย - ไปยัง L-series นั่นคือโดยการเปรียบเทียบกับมาตรฐานสเตอริโอเคมี - glyceraldehyde (ดู 7.1 2).
เป็นที่ทราบกันว่าระบบ R,S เป็นระบบสากลสำหรับการกำหนดโครงสร้างสเตอริโอเคมีของสารประกอบที่มีจุดศูนย์กลางของไคริลิตี้หลายแห่ง (ดู 7.1.2) อย่างไรก็ตาม ความยุ่งยากของชื่อที่เป็นผลลัพธ์ของโมโนแซ็กคาไรด์จำกัดการใช้งานจริงของมัน
โมโนแซ็กคาไรด์ธรรมชาติส่วนใหญ่อยู่ในกลุ่ม D-series ในบรรดาอัลโดเพนโตสมักพบ D-ribose และ D-xylose และมักพบ D-ribulose และ D-xylulose ในคีโตเพนโทส
ชื่อสามัญสำหรับคีโตซีสเกิดจากการแนะนำคำต่อท้าย -เซนต์ ในชื่อของอัลโดสที่เกี่ยวข้อง: ไรโบสสอดคล้องกับ ไรบูโลส,ไซโลส - ไซลูโลส(ชื่อ "ฟรุกโตส" ไม่เป็นไปตามกฎนี้ ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับชื่อของอัลโดสที่เกี่ยวข้อง)
ดังที่เห็นได้จากสูตรข้างต้น สเตอรีโอไอโซเมอริก d-อัลโดเฮกโซส รวมทั้ง d-อัลโดเพนโทส และ d-คีโตเพนโทส เป็นไดแอสเตอริโอเมอร์ ในหมู่พวกเขามีความแตกต่างในการกำหนดค่าของศูนย์ chirality เพียงแห่งเดียว ไดแอสเทอรีโอเมอร์ที่แตกต่างกันในการกำหนดค่าของอะตอมคาร์บอนที่ไม่สมมาตรเพียงหนึ่งอะตอมเรียกว่า อีพิเมอร์ Epimers เป็นกรณีพิเศษของไดแอสเทอรีโอเมอร์ ตัวอย่างเช่น d-glucose และ d-galactose นั้นแตกต่างกัน
จากกันโดยการกำหนดค่าของอะตอม C-4 เท่านั้น กล่าวคือ พวกมันเป็นอีพิเมอร์ที่ C-4 ในทำนองเดียวกัน d-กลูโคสและ d-mannose เป็นอีพิเมอร์ที่ C-2 ในขณะที่ d-ไรโบสและ d-xylose เป็นอีพิเมอร์ที่ C-3
แต่ละ aldose ของ d-series สอดคล้องกับ enantiomer ของ l-series ที่มีโครงแบบตรงกันข้ามของศูนย์กลางของ chirality ทั้งหมด
รูปแบบวงจร โมโนแซ็กคาไรด์รูปแบบเปิดสะดวกสำหรับการพิจารณาความสัมพันธ์เชิงพื้นที่ระหว่างสเตอริโอไอโซเมอร์โมโนแซ็กคาไรด์ ในความเป็นจริงโมโนแซ็กคาไรด์มีโครงสร้าง hemiacetals วัฏจักรการก่อตัวของโมโนแซ็กคาไรด์ในรูปแบบวัฏจักรสามารถคิดได้ว่าเป็นผลมาจากอันตรกิริยาภายในโมเลกุลของหมู่คาร์บอนิลและไฮดรอกซิล (ดูข้อ 9.2.2) ที่มีอยู่ในโมเลกุลโมโนแซ็กคาไรด์
หมู่ hemiacetal ไฮดรอกซิลในเคมีคาร์โบไฮเดรตเรียกว่าไกลโคซิดิกคุณสมบัติของมันแตกต่างอย่างมากจากกลุ่มไฮดรอกซิล (แอลกอฮอล์) อื่น ๆ
อันเป็นผลมาจากการหมุนเวียนทำให้เกิดวงแหวน furanose (ห้าสมาชิก) และ pyranose (หกสมาชิก) ที่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์มากขึ้น ชื่อของวัฏจักรมาจากชื่อของสารประกอบเฮเทอโรไซคลิกที่เกี่ยวข้อง - ฟิวแรนและไพแรน
การก่อตัวของวัฏจักรเหล่านี้เกี่ยวข้องกับความสามารถของสายโซ่คาร์บอนของโมโนแซ็กคาไรด์ที่จะรับเอาโครงสร้างก้ามปูที่ค่อนข้างดีมาใช้ (ดู 7.2.1) เป็นผลให้อัลดีไฮด์ (หรือคีโตน) และไฮดรอกซิลที่หมู่ C-4 (หรือที่หมู่ C-5) อยู่ใกล้กันในอวกาศ นั่นคือหมู่ฟังก์ชันเหล่านั้นอันเป็นผลมาจากอันตรกิริยาของการเกิดวัฏจักรภายในโมเลกุล หากหมู่ไฮดรอกซิลที่ C-5 ทำปฏิกิริยาในอัลโดเฮกโซส จะเกิดเฮมิอะซีทัลที่มีวงแหวนไพราโนสที่มีสมาชิกหกอะตอม วัฏจักรที่คล้ายกันในคีโตเฮกโซสนั้นได้มาจากการมีส่วนร่วมของกลุ่มไฮดรอกซิลที่ C-6 ในปฏิกิริยา
ในชื่อของรูปแบบวัฏจักรพร้อมกับชื่อของโมโนแซ็กคาไรด์ ขนาดของวัฏจักรจะแสดงด้วยคำว่า ไพราโนส หรือ ฟูราโนส ถ้าหมู่ไฮดรอกซิลที่ C-4 เกี่ยวข้องกับการหมุนเวียนของอัลโดเฮกโซส และที่ C-5 สำหรับคีโตเฮกโซส จะได้เฮเมียอะซีทัลที่มีวงแหวนฟูราโนสห้าสมาชิก
ในรูปแบบวัฏจักรจะมีการสร้างศูนย์กลางของ chirality เพิ่มเติม - อะตอมของคาร์บอนที่เคยเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มคาร์บอนิล (สำหรับอัลโดสนี่คือ C-1) เรียกอะตอมนี้ว่า ความผิดปกติและสเตอริโอไอโซเมอร์สองตัวที่สอดคล้องกัน α- และ เบต้า-อะโนเมอร์(รูปที่ 11.1) Anomers เป็นกรณีพิเศษของ epimers
การกำหนดค่าที่แตกต่างกันของอะตอมของคาร์บอน anomeric เกิดขึ้นเนื่องจากความจริงที่ว่ากลุ่มอัลดีไฮด์เนื่องจากการหมุนรอบพันธะ С-1-С-2 σ-bond ถูกโจมตีโดยอะตอมออกซิเจนนิวคลีโอฟิลิกจากด้านต่างๆ กัน (ดูรูปที่ 11.1 ). เป็นผลให้เกิด hemiacetals ที่มีการกำหนดค่าตรงกันข้ามกับศูนย์ anomeric
ใน α-anomer การกำหนดค่าของ anomeric center จะเหมือนกับการกำหนดค่าของ "terminal" chiral center ซึ่งกำหนดว่าเป็นของ d- หรือ l -series ในขณะที่สำหรับ β-anomer มันตรงกันข้าม ในสูตร Fisher projection สำหรับโมโนแซ็กคาไรด์ง - อนุกรมใน α-anomer มีหมู่ไกลโคซิดิค OH ตั้งอยู่ ด้านขวา,และใน β-anomer - ซ้ายจากห่วงโซ่คาร์บอน
ข้าว. 11.1.ตัวอย่างการก่อตัวของ α-และ β-อะโนเมอร์ d-กลูโคส
สูตร Haworth รูปแบบวัฏจักรของโมโนแซ็กคาไรด์ถูกบรรยายเป็นสูตรเปอร์สเปคทีฟของฮาเวิร์ธ ซึ่งวงจรจะแสดงเป็นรูปหลายเหลี่ยมแบนตั้งฉากกับระนาบของภาพวาด อะตอมของออกซิเจนอยู่ในวงแหวน pyranose ที่มุมขวาสุดในวงแหวน furanose - ด้านหลังระนาบวงแหวน สัญลักษณ์สำหรับอะตอมของคาร์บอนในรอบไม่ได้ระบุ
เพื่อส่งต่อไปยังสูตร Haworth สูตร Fisher cyclic จะถูกแปลงเพื่อให้อะตอมของออกซิเจนในวัฏจักรอยู่บนเส้นตรงเดียวกันกับอะตอมของคาร์บอนที่รวมอยู่ในวัฏจักร สิ่งนี้แสดงไว้ด้านล่างสำหรับ a-d-glucopyranose โดยการเรียงสับเปลี่ยนสองครั้งที่อะตอม C-5 ซึ่งไม่เปลี่ยนการกำหนดค่าของศูนย์ที่ไม่สมมาตรนี้ (ดู 7.1.2) ถ้าสูตรฟิชเชอร์ที่แปลงแล้ววางในแนวนอน ตามกฎสำหรับการเขียนสูตร Haworth ดังนั้นองค์ประกอบแทนที่ทางด้านขวาของ เส้นแนวตั้งโซ่คาร์บอนจะอยู่ใต้ระนาบของวัฏจักร และโซ่ที่อยู่ทางซ้ายจะอยู่เหนือระนาบนี้
ใน d-aldohexoses ในรูปแบบ pyranose (และใน d-aldopentoses ในรูปแบบ furanose) กลุ่ม CH 2 OH อยู่เหนือระนาบของวัฏจักรเสมอ ซึ่งทำหน้าที่เป็นสัญลักษณ์อย่างเป็นทางการของ d-series หมู่ไกลโคซิดิกไฮดรอกซิลของ a-anomers ของ d-aldoses อยู่ใต้ระนาบของวงแหวน และของ β-anomers นั้นอยู่เหนือระนาบ
เพื่อความง่าย สูตรของ Haworth มักจะไม่แสดงสัญลักษณ์ของอะตอมไฮโดรเจนและพันธะกับอะตอมของคาร์บอนในวัฏจักร หากเรากำลังพูดถึงส่วนผสมของอะโนเมอร์หรือสเตอริโอไอโซเมอร์ที่มีการกำหนดค่าที่ไม่รู้จักของศูนย์อะโนเมอร์ ตำแหน่งของกลุ่ม OH glycosidic จะถูกระบุด้วยเส้นหยัก
ง-กลูโคไพราโนส
ตามกฎที่คล้ายกัน การเปลี่ยนแปลงจะดำเนินการสำหรับคีโตสซึ่งแสดงไว้ด้านล่างโดยใช้ตัวอย่างหนึ่งในอะโนเมอร์ของรูปแบบฟูราโนสของดี-ฟรุคโตส
11.1.2. Cyclo-oxo-tautomerism
ในสถานะของแข็ง โมโนแซ็กคาไรด์จะอยู่ในรูปวัฏจักร ขึ้นอยู่กับตัวทำละลายที่ทำให้ d-กลูโคสตกผลึกใหม่ โดยได้รับเป็น a-d-glucopyranose (จากแอลกอฮอล์หรือน้ำ) หรือเป็น β-d-glucopyranose (จาก pyridine) พวกมันต่างกันในมุมการหมุนเฉพาะ [a] D 20 คือ +112? a-anomer และ +19? ที่เบต้า-อะโนเมอร์ สำหรับสารละลายที่เตรียมใหม่
ของอโนเมอร์แต่ละตัว เมื่อยืนอยู่จะสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงในการหมุนเฉพาะจนกระทั่งถึงมุมการหมุนคงที่ที่ +52.5° ซึ่งเท่ากันสำหรับทั้งสองสารละลาย
การเปลี่ยนแปลงในเวลาของมุมการหมุนของระนาบโพลาไรซ์ของแสงโดยสารละลายของคาร์โบไฮเดรตเรียกว่าการกลายพันธุ์
สาระสำคัญทางเคมีของการกลายพันธุ์คือความสามารถของโมโนแซ็กคาไรด์ที่จะดำรงอยู่เป็นส่วนผสมที่สมดุลของเทาโทเมอร์ - รูปแบบเปิดและวงจร เรียกการทาโทเมอริซึ่มประเภทนี้ว่า ไซโคล-ออกโซ-เทาโทเมอริซึม
ในการแก้ปัญหา ความสมดุลระหว่างสี่ tautomers ของวัฏจักรของโมโนแซ็กคาไรด์ถูกสร้างขึ้นผ่านรูปแบบเปิด - รูปแบบ oxo การสลับระหว่าง a- และ β-anomers เข้าด้วยกันผ่านรูปแบบ oxo ระดับกลางเรียกว่า อะโนเมอไรเซชัน
ดังนั้น d-กลูโคสจึงมีอยู่ในสารละลายในรูปของเทาโทเมอร์: รูปแบบ oxo และ a- และ β-anomers ของรูปแบบ pyranose และ furanose cyclic
ส่วนผสมของทอโทเมอร์ถูกครอบงำด้วยรูปแบบไพราโนส รูปแบบออกโซ รวมทั้งเทาโทเมอร์ที่มีวงแหวนฟูราโนสมีอยู่ในปริมาณเล็กน้อย อย่างไรก็ตามสิ่งที่สำคัญไม่ใช่เนื้อหาที่สมบูรณ์ของ tautomer หนึ่งหรืออีกอันหนึ่ง แต่เป็นความเป็นไปได้ของการเปลี่ยนแปลงซึ่งกันและกันซึ่งนำไปสู่การเติมเต็มจำนวนของแบบฟอร์ม "จำเป็น" ตามที่ใช้ไป
niya ในกระบวนการใด ๆ ตัวอย่างเช่น แม้จะมีเนื้อหาในรูปออกโซเล็กน้อย แต่กลูโคสก็เข้าสู่ปฏิกิริยาที่มีลักษณะเฉพาะของหมู่อัลดีไฮด์
การเปลี่ยนรูปเทาโทเมอร์ที่คล้ายกันเกิดขึ้นในสารละลายที่มีโมโนแซ็กคาไรด์ทั้งหมดและโอลิโกแซ็กคาไรด์ที่รู้จักมากที่สุด ด้านล่างนี้คือแผนภาพการเปลี่ยนแปลงของเทาโทเมอร์ของตัวแทนที่สำคัญที่สุดของคีโตเฮกโซส - ดี-ฟรุคโตส ซึ่งมีอยู่ในผลไม้ น้ำผึ้ง และซูโครสบางส่วน (ดู 11.2.2)
11.1.3. โครงสร้าง
อย่างไรก็ตาม สูตรเชิงพรรณนาของ Haworth ไม่ได้สะท้อนถึงรูปทรงเรขาคณิตที่แท้จริงของโมเลกุลโมโนแซ็กคาไรด์ เนื่องจากวงแหวนห้าและหกสมาชิกไม่ใช่ระนาบ ดังนั้น วงแหวนไพราโนสที่มีสมาชิก 6 อะตอม เช่น ไซโคลเฮกเซน จึงเลือกใช้โครงสร้างเก้าอี้ที่เหมาะสมที่สุด (ดู 7.2.2) ในโมโนแซ็กคาไรด์ทั่วไป กลุ่มแอลกอฮอล์ปฐมภูมิขนาดใหญ่ CH 2 OH และหมู่ไฮดรอกซิลส่วนใหญ่อยู่ในตำแหน่งเส้นศูนย์สูตรที่ดีกว่า
ในบรรดาอะโนเมอร์สองตัวของ d-glucopyranose สารละลายนี้ถูกครอบงำโดย β-anomer ซึ่งองค์ประกอบแทนที่ทั้งหมด รวมทั้ง hemiacetal hydroxyl นั้นอยู่ในเส้นศูนย์สูตร
ความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์สูงของ d-glucopyranose เนื่องจากโครงสร้างของมัน อธิบายถึงการกระจายตัวของ d-glucose ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในธรรมชาติท่ามกลางโมโนแซ็กคาไรด์
โครงสร้างเชิงโครงสร้างของโมโนแซ็กคาไรด์เป็นตัวกำหนดการจัดเรียงเชิงพื้นที่ของสายโซ่โพลีแซ็กคาไรด์ ก่อตัวเป็นโครงสร้างทุติยภูมิ
11.1.4. โมโนแซ็กคาไรด์ที่ไม่ใช่แบบคลาสสิก
โมโนแซ็กคาไรด์ที่ไม่ใช่แบบคลาสสิกคือสารประกอบจำนวนหนึ่งที่มีโครงสร้าง "สถาปัตยกรรม" ร่วมกันกับโมโนแซ็กคาไรด์ "คลาสสิก" แบบธรรมดา (อัลโดสและคีโตส) แต่แตกต่างกันในการปรับเปลี่ยนหมู่ฟังก์ชันหนึ่งหมู่ขึ้นไป หรือในกรณีที่ไม่มีบางหมู่ พวกเขา. ในสารประกอบดังกล่าวมักไม่มีกลุ่ม OH พวกเขาตั้งชื่อโดยการเพิ่มคำนำหน้าชื่อของโมโนแซ็กคาไรด์ดั้งเดิม deoxy- (หมายความว่าไม่มีหมู่ OH) และชื่อของหมู่แทนที่ "ใหม่"
ดีออกซีชูการ์.น้ำตาล deoxy ที่พบมากที่สุดคือ 2-deoxy-D-ribose เป็นส่วนประกอบโครงสร้างของ DNA cardiac glycosides ธรรมชาติ (ดู 15.3.5) ที่ใช้ใน cardiology ประกอบด้วยสารตกค้างของน้ำตาล dideoxy เช่น digitoxoses (digital cordial glycosides)
น้ำตาลอะมิโน.อนุพันธ์เหล่านี้ประกอบด้วยหมู่อะมิโนแทนที่จะเป็นหมู่ไฮดรอกซิล (ปกติอยู่ที่ C-2) มีคุณสมบัติพื้นฐานและสร้างผลึกเกลือด้วยกรด ตัวแทนที่สำคัญที่สุดของน้ำตาลอะมิโนคืออะนาล็อกของ d-glucose และ d-galactose ซึ่งมักใช้คำศัพท์กึ่งเล็กน้อย
ชื่อสามัญคือ d-glucosamine และ d-galactosamine ตามลำดับ กลุ่มอะมิโนในพวกมันสามารถอะซิเลตได้ด้วยอะซิติกที่ตกค้าง บางครั้งกรดซัลฟิวริก
อัลดิเตส.ถึง aldites ก็เรียก แอลกอฮอล์น้ำตาล,รวมถึงโพลีไฮดริกแอลกอฮอล์ที่มีหมู่ไฮดรอกซิลแทนที่จะเป็นหมู่ออกโซ =O แต่ละ aldose สอดคล้องกับหนึ่ง aldit ในชื่อที่ใช้ต่อท้าย -มัน แทน -ozya,เช่น d-mannite (จาก d-mannose) Aldites มีโครงสร้างที่สมมาตรมากกว่า aldoses ดังนั้นจึงพบสารประกอบ meso (สมมาตรภายใน) เช่น xylitol
กรดน้ำตาลโมโนแซ็กคาไรด์ซึ่งแทนหน่วย CH 2 OH ประกอบด้วยกลุ่ม COOH มีชื่อสามัญ กรดยูริกชื่อของพวกเขาใช้รวมกัน - กรดยูริก แทนคำต่อท้าย -ozyaอัลโดสที่สอดคล้องกัน โปรดทราบว่าหมายเลขสายโซ่มาจากอะตอมของคาร์บอนอัลดีไฮด์ ไม่ใช่จากคาร์บอกซิล เพื่อรักษาความสัมพันธ์ทางโครงสร้างกับโมโนแซ็กคาไรด์ดั้งเดิม
กรดยูริกเป็นส่วนประกอบของพอลิแซ็กคาไรด์จากพืชและแบคทีเรีย (ดู 13.3.2)
กรดน้ำตาล
โมโนแซ็กคาไรด์ที่มีหมู่คาร์บอกซิลแทนหมู่อัลดีไฮด์ถูกจัดประเภทเป็น กรดอัลโดนิกหากมีหมู่คาร์บอกซิลอยู่ที่ปลายทั้งสองด้านของโซ่คาร์บอน สารประกอบดังกล่าวจะมีชื่อสามัญ กรดอัลดาริกในการตั้งชื่อของกรดประเภทนี้จะใช้การรวมกันตามลำดับ - กรดโอนิก และ - กรดรุนแรง
กรดอัลโดนิกและกรดอัลดาริกไม่สามารถสร้างรูปแบบ tautomeric cyclic เนื่องจากไม่มีหมู่อัลดีไฮด์ กรดอัลดาริก เช่นเดียวกับอัลไดต์ สามารถมีอยู่ในรูปของสารประกอบมีโซ (ตัวอย่างคือกรดกาแลคตาริก)
กรดแอสคอร์บิก (วิตามินซี) บางที วิตามินที่เก่าแก่และได้รับความนิยมมากที่สุดนี้อาจมีโครงสร้างคล้ายกับโมโนแซ็กคาไรด์ และเป็นกรด γ-แลคโตน (I) วิตามินซี
พบในผลไม้ โดยเฉพาะผลไม้รสเปรี้ยว เบอร์รี่ (โรสฮิป ลูกเกดดำ) ผัก นม มีการผลิตในเชิงพาณิชย์ในปริมาณมากจาก d-กลูโคส
กรดแอสคอร์บิกมีคุณสมบัติเป็นกรดค่อนข้างแรง (พี.เค.เอ 4,2) เนื่องจากหนึ่งในกลุ่มไฮดรอกซิลของชิ้นส่วนเอนไดออล ในระหว่างการก่อตัวของเกลือ วงแหวน γ-lactone จะไม่เปิดขึ้น
กรดแอสคอร์บิกมีคุณสมบัติในการรีดิวซ์ที่แข็งแกร่ง เกิดขึ้นระหว่างการเกิดออกซิเดชัน กรดดีไฮโดรแอสคอร์บิกคืนสภาพเป็นกรดแอสคอร์บิกได้ง่าย กระบวนการนี้ทำให้เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ในร่างกาย
11.1.5. คุณสมบัติทางเคมี
โมโนแซ็กคาไรด์เป็นสารที่มีปฏิกิริยาสูง โมเลกุลของพวกมันมีศูนย์กลางปฏิกิริยาที่สำคัญที่สุดดังต่อไปนี้:
Hemiacetal ไฮดรอกซิล (เน้นสี);
กลุ่มไฮดรอกซิลแอลกอฮอล์ (อื่น ๆ ทั้งหมดยกเว้น hemiacetal);
กลุ่มคาร์บอนิลในรูปแบบไซคลิก
ไกลโคไซด์ไกลโคไซด์รวมถึงอนุพันธ์ของคาร์โบไฮเดรตรูปแบบวัฏจักรที่หมู่เฮมิแอซีทัลไฮดรอกซิลถูกแทนที่ด้วยหมู่ OR ส่วนประกอบที่ไม่ใช่คาร์โบไฮเดรตของไกลโคไซด์เรียกว่า อะไกลโคนความสัมพันธ์ระหว่าง anomeric center (ใน aldoses คือ C-1, ใน ketoses - C-2) และกลุ่ม OR เรียกว่า glycosidic Glycosides เป็น acetals ในรูปแบบวงจรของ aldose หรือ ketosis
ไกลโคไซด์จะถูกแบ่งออกเป็นขึ้นอยู่กับขนาดของวัฏจักรออกไซด์ ไพราโนไซด์และ ฟูราโนไซด์ Glucoside glycosides เรียกว่า glucosides, riboses เรียกว่า ribosides เป็นต้น ในชื่อเต็มของ glycosides ชื่อของอนุมูล R การกำหนดค่าของศูนย์ anomeric (α- หรือ β-) และชื่อของกากคาร์โบไฮเดรตจะถูกระบุตามลำดับ ด้วยการแทนที่คำต่อท้าย -โอเซ่ บน -โอไซด์ (ดูตัวอย่างในรูปแบบปฏิกิริยาด้านล่าง)
ไกลโคไซด์เกิดจากปฏิกิริยาของโมโนแซ็กคาไรด์กับแอลกอฮอล์ภายใต้สภาวะการเร่งปฏิกิริยาด้วยกรด ในกรณีนี้ เฉพาะกลุ่ม hemiacetal OH เท่านั้นที่เข้าสู่ปฏิกิริยา
สารละลายของไกลโคไซด์ไม่กลายพันธุ์
การเปลี่ยนโมโนแซ็กคาไรด์เป็นไกลโคไซด์เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนซึ่งดำเนินการผ่านปฏิกิริยาที่ต่อเนื่องกัน โดยทั่วไปเขา
มีเหตุผลสำหรับการเตรียม acyclic acetals (ดู 5.3) อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการย้อนกลับของปฏิกิริยาในสารละลาย รูปแบบของเทาโทเมอร์ของโมโนแซ็กคาไรด์ตั้งต้นและไอโซเมอริกไกลโคไซด์สี่ชนิด (α-และ β-อะโนเมอร์ของฟูราโนไซด์และไพราโนไซด์) สามารถอยู่ในภาวะสมดุลได้
เช่นเดียวกับอะซิตัลทั้งหมด ไกลโคไซด์จะถูกไฮโดรไลซ์ด้วยกรดเจือจาง แต่ไม่สามารถต้านทานการไฮโดรไลซิสในตัวกลางที่เป็นด่างเล็กน้อยได้ การไฮโดรไลซิสของไกลโคไซด์ทำให้เกิดแอลกอฮอล์และโมโนแซ็กคาไรด์ที่สอดคล้องกัน และเป็นปฏิกิริยาย้อนกลับต่อการก่อตัวของพวกมัน การย่อยสลายด้วยเอนไซม์ของไกลโคไซด์รองรับการสลายตัวของพอลิแซ็กคาไรด์ที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตของสัตว์
อีเทอร์เชิงซ้อนโมโนแซ็กคาไรด์ถูกอะซิเลตได้ง่ายโดยแอนไฮไดรด์ของกรดอินทรีย์ ก่อตัวเอสเทอร์ด้วยการมีส่วนร่วมของหมู่ไฮดรอกซิลทั้งหมด ตัวอย่างเช่น เมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับอะซิติกแอนไฮไดรด์ จะได้อนุพันธ์ของอะซิติลของโมโนแซ็กคาไรด์ เอสเทอร์ของโมโนแซ็กคาไรด์จะถูกไฮโดรไลซ์ทั้งในสภาวะที่เป็นกรดและ สภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง.
เอสเทอร์ของกรดอนินทรีย์มีความสำคัญอย่างยิ่งโดยเฉพาะเอสเทอร์ของกรดฟอสฟอริก - ฟอสเฟต พบได้ในสิ่งมีชีวิตทั้งพืชและสัตว์และเป็นโมโนแซ็กคาไรด์ในรูปแบบเมแทบอลิซึม ที่สุด บทบาทสำคัญฟอสเฟตของดี-กลูโคสและดี-ฟรุกโตสเพลย์
เอสเทอร์ของกรดซัลฟิวริก - ซัลเฟต - เป็นส่วนหนึ่งของพอลิแซ็กคาไรด์ของเนื้อเยื่อเกี่ยวพัน (ดู 11.3.2)
การกู้คืน.เมื่อโมโนแซ็กคาไรด์ลดลง (หมู่อัลดีไฮด์หรือคีโตนของพวกมัน) จะเกิดอัลไดต์ขึ้น
เฮกซาไฮดริกแอลกอฮอล์ -ง-กลูไซต์(ซอร์บิทอล)และ ง-แมนนิทอล- ได้มาจากการฟื้นฟูกลูโคสและแมนโนสตามลำดับ Aldit ละลายน้ำได้ง่าย มีรสหวาน บางชนิด (ไซลิทอลและซอร์บิทอล) ใช้แทนน้ำตาลสำหรับผู้ป่วยโรคเบาหวาน
เมื่อทำการกู้คืน aldose จะได้รับโพลีออลเพียงตัวเดียว เมื่อทำการกู้คืนคีโตซีส จะได้ส่วนผสมของโพลีออลสองตัว ตัวอย่างจากง - ฟรุกโตสจะเกิดขึ้นดี-กลูไซต์และดี-แมนนิทอล
ออกซิเดชัน.ปฏิกิริยาออกซิเดชันถูกใช้เพื่อตรวจหาโมโนแซ็กคาไรด์ โดยเฉพาะกลูโคส ในของเหลวทางชีวภาพ (ปัสสาวะ เลือด)
ในโมเลกุลโมโนแซ็กคาไรด์ อะตอมของคาร์บอนใดๆ สามารถออกซิไดซ์ได้ แต่หมู่อัลดีไฮด์ของอัลโดสในรูปแบบเปิดนั้นออกซิไดซ์ได้ง่ายที่สุด
สารออกซิแดนท์อย่างอ่อน ( น้ำโบรมีน) เป็นไปได้ที่จะออกซิไดซ์หมู่อัลดีไฮด์เป็นหมู่คาร์บอกซิลโดยไม่กระทบต่อหมู่อื่น ที่
สิ่งนี้ทำให้เกิดกรดอัลโดนิก ดังนั้นเมื่อออกซิไดซ์ง - กลูโคสได้มาจากน้ำโบรมีนง - กรดกลูโคนิก ในทางการแพทย์ใช้เกลือแคลเซียมแคลเซียมกลูโคเนต
การกระทำของตัวออกซิไดซ์ที่แรงกว่า เช่น กรดไนตริก โพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต และแม้แต่ไอออน Cu 2 + หรือ Ag + ทำให้เกิดการสลายตัวของโมโนแซ็กคาไรด์ในระดับลึกพร้อมกับการแตกตัวของพันธะคาร์บอน-คาร์บอน ห่วงโซ่คาร์บอนจะถูกรักษาไว้ในบางกรณีเท่านั้น เช่น ระหว่างออกซิเดชัน d-กลูโคสใน d -กรดกลูคาริกหรือง - กาแลคโตสเป็นกรดกาแลคตาร์ (เมือก)
กรดกาแลคตาริกที่ได้จะละลายได้น้อยในน้ำและตกตะกอน ซึ่งใช้ในการตรวจจับกาแลคโตสด้วยวิธีนี้
อัลโดสถูกออกซิไดซ์อย่างง่ายดายโดยสารประกอบเชิงซ้อนของทองแดง(II) และเงิน ตามลำดับ ด้วยรีเอเจนต์ของ Fehling และ Tollens (ดูเพิ่มเติมที่ 5.5) ปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดขึ้นได้เนื่องจากมีรูปแบบอัลดีไฮด์ (เปิด) ในส่วนผสมของเทาโทเมอร์
เนื่องจากความสามารถในการลดไอออน Cu 2 + หรือ Ag + จึงเรียกโมโนแซ็กคาไรด์และอนุพันธ์ที่มีกลุ่มอัลดีไฮด์ที่มีศักยภาพการคืนค่า
ไกลโคไซด์ไม่แสดงความสามารถในการรีดิวซ์และไม่ให้ผลการทดสอบในเชิงบวกกับรีเอเจนต์เหล่านี้ อย่างไรก็ตาม คีโตสสามารถลดไอออนบวกของโลหะได้ เนื่องจากในตัวกลางที่เป็นด่าง พวกมันจะถูกแยกออกเป็นอัลโดส
ออกซิเดชันโดยตรงของหน่วย CH 2 OH ของโมโนแซ็กคาไรด์เข้าไปในหมู่คาร์บอกซิลนั้นเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากการมีอยู่ของหมู่อัลดีไฮด์มีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชัน ดังนั้น ในการแปลงโมโนแซ็กคาไรด์ให้เป็นกรดยูริก โมโนแซ็กคาไรด์ที่มีหมู่อัลดีไฮด์ที่ได้รับการป้องกันจะถูกออกซิไดซ์ ตัวอย่างเช่น ในรูปของ ไกลโคไซด์
การก่อตัวของกรดกลูโคโรนิกไกลโคไซด์ - กลูคูโรไนด์- เป็นตัวอย่างของกระบวนการสังเคราะห์ทางชีวภาพ การผันคำกริยา,เช่น กระบวนการผูกมัด ยาหรือเมแทบอไลต์ของพวกมันกับสารอาหาร รวมถึงสารพิษ ตามด้วยการขับออกจากร่างกายด้วยปัสสาวะ
11.2. โอลิโกแซ็กคาไรด์
โอลิโกแซ็กคาไรด์เป็นคาร์โบไฮเดรตที่สร้างขึ้นจากโมโนแซ็กคาไรด์ตกค้างหลายตัว (ตั้งแต่ 2 ถึง 10) ซึ่งเชื่อมกันด้วยพันธะไกลโคซิดิก
โอลิโกแซ็กคาไรด์ที่ง่ายที่สุดคือไดแซ็กคาไรด์ (ไบโอแซ็กคาไรด์) ซึ่งประกอบด้วยโมโนแซ็กคาไรด์สองตัวและไกลโคไซด์ (ฟูลอะซีตัล) ซึ่งหนึ่งในสารตกค้างทำหน้าที่เป็นอะไกลโคน ความสามารถของไดแซ็กคาไรด์ในการไฮโดรไลซ์ในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดด้วยการก่อตัวของโมโนแซ็กคาไรด์นั้นสัมพันธ์กับธรรมชาติของอะซีตัล
การจับโมโนแซ็กคาไรด์ตกค้างมีสองประเภท:
เนื่องจากหมู่โมโนแซ็กคาไรด์หนึ่งหมู่และหมู่แอลกอฮอล์ของหมู่อื่น ๆ (ในตัวอย่างด้านล่าง ไฮดรอกซิลที่ C-4); เป็นกลุ่มของรีดิวซ์ไดแซ็กคาไรด์
ด้วยการมีส่วนร่วมของกลุ่ม hemiacetal OH ของโมโนแซ็กคาไรด์ทั้งสอง เป็นกลุ่มของไดแซ็กคาไรด์ที่ไม่รีดิวซ์
11.2.1. ลดไดแซ็กคาไรด์
ในไดแซ็กคาไรด์เหล่านี้ หนึ่งในโมโนแซ็กคาไรด์ที่ตกค้างเกี่ยวข้องกับการสร้างพันธะไกลโคซิดิกเนื่องจากหมู่ไฮดรอกซิล (ส่วนใหญ่มักจะอยู่ที่ C-4) ไดแซ็กคาไรด์มีกลุ่มไฮดรอกซิล hemiacetal อิสระซึ่งเป็นผลมาจากความสามารถในการเปิดวงแหวน
คุณสมบัติรีดิวซ์ของไดแซ็กคาไรด์ดังกล่าวและการกลายพันธุ์ของสารละลายนั้นเกิดจากไซโคล-ออกโซ-เทาโทเมอริซึม
ตัวแทนของการรีดิวซ์ไดแซ็กคาไรด์ ได้แก่ มอลโตส เซลลูโลส แลคโตส
มอลโตสไดแซ็กคาไรด์นี้เรียกอีกอย่างว่าน้ำตาลมอลต์ (จาก lat. มอลทัม- มอลต์). เป็นผลิตภัณฑ์หลักของการสลายแป้งโดยการทำงานของเอนไซม์ β-อะไมเลส ซึ่งหลั่งจากต่อมน้ำลาย และยังมีอยู่ในมอลต์ (เมล็ดธัญพืชที่แตกหน่อแล้วตากแห้งและบด) มอลโตสมีรสหวานน้อยกว่าซูโครส
มอลโตสเป็นไดแซ็กคาไรด์ซึ่งส่วนที่เหลือของโมเลกุล d-glucopyranose สองตัวเชื่อมโยงกันด้วยพันธะ a(1^4)-glycosidic
อะตอมของคาร์บอนอะโนเมอริกที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของพันธะนี้มีโครงแบบ a และอะตอมของอะโนเมอร์ที่มีหมู่ไฮดรอกซิล hemiacetal สามารถมีทั้งโครงแบบ α- และ β (a- และ β-มอลโตส ตามลำดับ)
ในชื่อที่เป็นระบบของไดแซ็กคาไรด์ โมเลกุล "ตัวแรก" จะได้รับส่วนต่อท้าย -โอซิล และ "วินาที" จะรักษาส่วนต่อท้าย -โอเซ่ นอกจากนี้ ชื่อเต็มยังระบุถึงโครงร่างของอะตอมของคาร์บอนอโนเมอร์ทั้งสอง
เซลลูไบโอสไดแซ็กคาไรด์นี้เกิดจากการย่อยสลายเซลลูโลสโพลีแซคคาไรด์ที่ไม่สมบูรณ์
เซลลูไบโอสเป็นไดแซ็กคาไรด์ที่สิ่งตกค้างของโมเลกุล d-glucopyranose สองโมเลกุลเชื่อมโยงกันด้วยพันธะ β(1-4)-ไกลโคซิดิก
ความแตกต่างระหว่างเซลโลบีโอสและมอลโตสคืออะตอมของคาร์บอนอะโนเมอริกที่เกี่ยวข้องกับการสร้างพันธะไกลโคซิดิกมีโครงสร้างแบบ β
มอลโตสถูกตัดออกโดยเอนไซม์ α-กลูโคซิเดส ซึ่งไม่มีฤทธิ์ต่อเซลลูโลส Cellobiose สามารถแยกออกได้ด้วยเอนไซม์ β-glucosidase แต่เอนไซม์นี้ไม่มีอยู่ในร่างกายมนุษย์ ดังนั้นเซลลูโลสโพลีแซคคาไรด์ที่สอดคล้องกันจึงไม่สามารถแปรรูปในร่างกายมนุษย์ได้ สัตว์เคี้ยวเอื้องสามารถกินเซลลูโลส (เส้นใย) ของหญ้าได้ เนื่องจากพวกมันอยู่ในนั้น ระบบทางเดินอาหารแบคทีเรียมีเบต้า-กลูโคซิเดส
ความแตกต่างของการกำหนดค่าระหว่างมอลโทสและเซลลูไบโอสยังทำให้เกิดความแตกต่างทางโครงสร้าง: พันธะ α-ไกลโคซิดิกในมอลโตสนั้นอยู่ในแนวแกน และพันธะ β-ไกลโคซิดิกในเชลโลไบโอสจะอยู่ในแนวเส้นศูนย์สูตร สถานะเชิงโครงสร้างของไดแซ็กคาไรด์เป็นสาเหตุหลักของโครงสร้างเชิงเส้นของเซลลูโลส ซึ่งรวมถึงเซลลูโลสและโครงสร้างขดของอะมิโลส (แป้ง) ที่สร้างขึ้นจากหน่วยมอลโตส
แลคโตสพบในนม (4-5%) และได้จากหางนมหลังจากแยกนมเปรี้ยว (เพราะฉะนั้นชื่อ "น้ำตาลนม")
แลคโตสเป็นไดแซ็กคาไรด์ที่ d-galactopyranose และ d-glucopyranose ตกค้างเชื่อมโยงกันด้วยพันธะ P(1-4)-glycosidic
อะตอมของคาร์บอนอโนเมอริกของ d-galactopyranose ที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของพันธะนี้มีโครงแบบ β อะตอมที่ไม่ปกติของชิ้นส่วนกลูโคไพราโนสสามารถมีทั้งโครงแบบ α- และ β (α- และ β-แลคโตส ตามลำดับ)
11.2.2. ไดแซ็กคาไรด์ที่ไม่รีดิวซ์
ไดแซ็กคาไรด์ที่ไม่รีดิวซ์ที่สำคัญที่สุดคือ ซูโครสแหล่งที่มาของมันคืออ้อย หัวผักกาดน้ำตาล (มากถึง 28% ของวัตถุแห้ง) พืชและน้ำผลไม้
น้ำตาลซูโครสเป็นไดแซ็กคาไรด์ที่สารตกค้าง a-d-glucopyranose และ β-d-fructofuranose เชื่อมโยงกันด้วยพันธะไกลโคซิดิกที่ค่าใช้จ่ายของหมู่เฮมิอะซีทัลไฮดรอกซิลของโมโนแซ็กคาไรด์แต่ละกลุ่ม
เนื่องจากโมเลกุลของซูโครสไม่มีหมู่เฮมิแอซีทัลไฮดรอกซิล จึงไม่สามารถเกิดไซโคลออกโซเทาโทเมอริซึมได้ สารละลายน้ำตาลซูโครสไม่กลายพันธุ์
11.2.3. คุณสมบัติทางเคมี
ในทางเคมี โอลิโกแซ็กคาไรด์คือไกลโคไซด์ และรีดิวซ์โอลิโกแซ็กคาไรด์ก็มีคุณลักษณะของโมโนแซ็กคาไรด์เช่นกัน เนื่องจากมีกลุ่มอัลดีไฮด์ที่มีศักยภาพ (ในรูปแบบเปิด) และเฮมิแอซีทัลไฮดรอกซิล สิ่งนี้กำหนดพฤติกรรมทางเคมีของพวกมัน พวกมันเข้าสู่ปฏิกิริยาหลายอย่างที่เป็นลักษณะของโมโนแซ็กคาไรด์: พวกมันก่อตัวเป็นเอสเทอร์พวกมันสามารถถูกออกซิไดซ์และรีดิวซ์ภายใต้การกระทำของรีเอเจนต์เดียวกัน
ปฏิกิริยาที่มีลักษณะเฉพาะที่สุดของไดแซ็กคาไรด์คือการไฮโดรไลซิสด้วยกรด ซึ่งนำไปสู่การแตกแยกของพันธะไกลโคซิดิกด้วยการก่อตัวของโมโนแซ็กคาไรด์ (ในรูปแบบเทาโทเมอร์ทั้งหมด) โดยทั่วไป ปฏิกิริยานี้คล้ายคลึงกับการไฮโดรไลซิสของอัลคิลไกลโคไซด์ (ดู 11.1.5)
11.3. โพลีแซคคาไรด์
โพลีแซ็กคาไรด์ประกอบขึ้นเป็นอินทรียวัตถุจำนวนมากในชีวมณฑลของโลก มีหน้าที่ทางชีวภาพที่สำคัญสามประการ ทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบโครงสร้างของเซลล์และเนื้อเยื่อ พลังงานสำรอง และสารป้องกัน
โพลีแซคคาไรด์ (ไกลแคน) เป็นคาร์โบไฮเดรตที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง ตามลักษณะทางเคมี พวกมันคือโพลีไกลโคไซด์ (โพลีอะซีทัล)
หลักการโครงสร้างของพอลิแซ็กคาไรด์ไม่แตกต่างจากรีดิวซ์โอลิโกแซ็กคาไรด์ (ดูข้อ 11.2) แต่ละลิงค์ของโมโนแซ็กคาไรด์นั้นเชื่อมต่อกันด้วยพันธะไกลโคซิดิกกับลิงค์ก่อนหน้าและที่ตามมา ในเวลาเดียวกัน กลุ่มไฮดรอกซิล hemiacetal มีไว้สำหรับการสื่อสารกับลิงค์ถัดไป และกลุ่มแอลกอฮอล์กับลิงค์ก่อนหน้า ความแตกต่างอยู่ที่จำนวนของโมโนแซ็กคาไรด์ที่ตกค้างเท่านั้น: โพลีแซ็กคาไรด์สามารถมีได้หลายร้อยหรือหลายพัน
ในโพลีแซ็กคาไรด์ที่มาจากพืช พันธะ (1-4)-ไกลโคซิดิกพบได้บ่อยที่สุด และในโพลีแซ็กคาไรด์ที่มาจากสัตว์และแบคทีเรียมีพันธะประเภทอื่น ที่ปลายด้านหนึ่งของสายโซ่โพลีเมอร์คือโมโนแซ็กคาไรด์รีดิวซ์ เนื่องจากสัดส่วนของมันในโมเลกุลขนาดใหญ่ทั้งหมดมีขนาดเล็กมาก พอลิแซ็กคาไรด์จึงไม่แสดงคุณสมบัติการรีดิวซ์
ธรรมชาติของไกลโคซิดิกของพอลิแซ็กคาไรด์กำหนดไฮโดรไลซิสของมันในสภาวะที่เป็นกรดและความเสถียรในตัวกลางที่เป็นด่าง การไฮโดรไลซิสที่สมบูรณ์นำไปสู่การก่อตัวของโมโนแซ็กคาไรด์หรืออนุพันธ์ของพวกมัน ไม่สมบูรณ์ - ไปสู่โอลิโกแซ็กคาไรด์ระดับกลางจำนวนหนึ่งรวมถึงไดแซ็กคาไรด์
พอลิแซ็กคาไรด์มีน้ำหนักโมเลกุลมาก พวกมันมีลักษณะเฉพาะในระดับที่สูงขึ้นของการจัดโครงสร้างของโมเลกุลขนาดใหญ่ ตามแบบฉบับของสารโมเลกุลขนาดใหญ่ ควบคู่ไปกับโครงสร้างหลัก เช่น ด้วยลำดับของโมโนเมอร์ที่ตกค้าง โครงสร้างทุติยภูมิมีบทบาทสำคัญ ซึ่งถูกกำหนดโดยการจัดเรียงเชิงพื้นที่ของสายโซ่โมเลกุลขนาดใหญ่
สายโซ่โพลีแซคคาไรด์สามารถแตกกิ่งหรือไม่แยกกิ่งก็ได้ (เชิงเส้น)
โพลีแซ็กคาไรด์แบ่งออกเป็นกลุ่ม:
โฮโมโพลีแซคคาไรด์ประกอบด้วยสารตกค้างของโมโนแซ็กคาไรด์หนึ่งตัว
เฮเทอโรโพลีแซคคาไรด์ ประกอบด้วยโมโนแซ็กคาไรด์ที่หลงเหลืออยู่
โฮโมโพลีแซคคาไรด์ประกอบด้วยโพลีแซ็กคาไรด์จำนวนมากจากพืช (แป้ง เซลลูโลส เพกติน) สัตว์ (ไกลโคเจน ไคติน) และแบคทีเรีย (เด็กซ์ทรานส์)
เฮเทอโรโพลีแซคคาไรด์ซึ่งรวมถึงโพลีแซ็กคาไรด์จากสัตว์และแบคทีเรียจำนวนมากมีการศึกษาน้อย แต่มีบทบาททางชีววิทยาที่สำคัญ เฮเทอโรโพลีแซคคาไรด์ในร่างกายเกี่ยวข้องกับโปรตีนและสร้างสารเชิงซ้อนซูปราโมเลกุลเชิงซ้อน
11.3.1. โฮโมโพลีแซคคาไรด์
แป้ง.โพลีแซ็กคาไรด์นี้ประกอบด้วยโพลีเมอร์สองประเภทที่สร้างจาก d-glucopyranose: อะมิโลส(10-20%)และ อะมิโลเพคติน(80-90%). แป้งก่อตัวขึ้นในพืชระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงและถูก "เก็บ" ไว้ในหัว ราก เมล็ดพืช
แป้งเป็นสารอสัณฐานสีขาว ใน น้ำเย็นไม่ละลายน้ำ พองตัวในความร้อนและบางส่วนค่อยๆ ละลาย ด้วยความร้อนอย่างรวดเร็วของแป้งเนื่องจากความชื้นที่มีอยู่ (10-20%) การแยกไฮโดรไลติกของสายโซ่โมเลกุลขนาดใหญ่ออกเป็นชิ้นเล็ก ๆ เกิดขึ้นและเกิดส่วนผสมของโพลีแซคคาไรด์ที่เรียกว่า เดกซ์ทรินเด็กซ์ทรินสามารถละลายในน้ำได้ดีกว่าแป้ง
กระบวนการสลายแป้งนี้หรือ พิษ,ดำเนินการในการอบ แป้งแป้งที่ถูกแปลงเป็นเดกซ์ทรินจะย่อยได้ง่ายกว่าเนื่องจากมีการละลายที่มากกว่า
อะมิโลสเป็นโพลีแซคคาไรด์ที่ d-กลูโคปีราโนสตกค้างเชื่อมโยงกันด้วยพันธะ a(1-4)-ไกลโคซิดิก นั่นคือ มอลโทสเป็นชิ้นส่วนไดแซ็กคาไรด์ของอะมิโลส
ห่วงโซ่อะมิโลสไม่แตกแขนงรวมถึงกลูโคสตกค้างถึงหนึ่งพันตัว น้ำหนักโมเลกุลสูงถึง 160,000 หน่วย
จากการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์พบว่าโมเลกุลขนาดใหญ่ของอะไมโลสถูกพับเป็นเกลียว (รูปที่ 11.2) มีหน่วยโมโนแซ็กคาไรด์หกหน่วยสำหรับแต่ละรอบของเกลียว โมเลกุลที่มีขนาดเท่ากัน เช่น โมเลกุลของไอโอดีนสามารถเข้าไปในช่องด้านในของเกลียวเกิดเป็นสารประกอบเชิงซ้อนที่เรียกว่า รวมการเชื่อมต่อคอมเพล็กซ์อะมิโลสไอโอดีนเป็นสีน้ำเงิน ใช้สำหรับวัตถุประสงค์ในการวิเคราะห์เพื่อตรวจหาทั้งแป้งและไอโอดีน (การทดสอบไอโอดีนของแป้ง)
ข้าว. 11.2.โครงสร้างเกลียวของอะมิโลส (ดูตามแกนเกลียว)
อะมิโลเพกตินซึ่งแตกต่างจากอะมิโลสคือมีโครงสร้างแตกแขนง (รูปที่ 11.3) น้ำหนักโมเลกุลสูงถึง 1-6 ล้าน
ข้าว. 11.3.โมเลกุลขนาดใหญ่ที่แตกแขนงของอะมิโลเพคติน (วงกลมสี - บริเวณที่แตกแขนงของโซ่ด้านข้าง)
อะมิโลเพคตินเป็นพอลิแซ็กคาไรด์ที่แตกแขนงในสายโซ่ซึ่งสารตกค้าง D-กลูโคไพราโนสเชื่อมโยงกันด้วยพันธะ α(1^4)-ไกลโคซิดิก และที่จุดแตกแขนงด้วยพันธะ α(1^6) ระหว่างจุดกิ่งมีกลูโคส 20-25 ตกค้าง
การไฮโดรไลซิสของแป้งในระบบทางเดินอาหารเกิดขึ้นภายใต้การทำงานของเอนไซม์ที่ทำลายพันธะไกลโคซิดิก a(1-4)- และ a(1-6) ผลิตภัณฑ์สุดท้ายของการไฮโดรไลซิสคือกลูโคสและมอลโตส
ไกลโคเจนในสิ่งมีชีวิตของสัตว์ โพลีแซ็กคาไรด์นี้เป็นอะนาล็อกเชิงโครงสร้างและหน้าที่ของแป้งพืช มีโครงสร้างคล้ายกับอะมิโลเพคติน แต่มีสายโซ่แตกแขนงมากกว่า โดยปกติระหว่างจุดกิ่งจะมี 10-12 หน่วย บางครั้งถึง 6 หน่วยกลูโคส อาจกล่าวได้อย่างมีเงื่อนไขว่าการแตกแขนงของโมเลกุลไกลโคเจนเป็นสองเท่าของอะมิโลเพคติน การแตกแขนงที่แข็งแรงมีส่วนช่วยในการทำงานด้านพลังงานของไกลโคเจน เนื่องจากมีเพียงสารตกค้างจำนวนมากเท่านั้นที่สามารถแยกโมเลกุลกลูโคสในปริมาณที่ต้องการได้อย่างรวดเร็ว
น้ำหนักโมเลกุลของไกลโคเจนมีขนาดใหญ่ผิดปกติและสูงถึง 100 ล้าน โมเลกุลขนาดใหญ่ขนาดนี้มีส่วนช่วยในการทำงานของคาร์โบไฮเดรตสำรอง ดังนั้นไกลโคเจนโมเลกุลขนาดใหญ่จึงไม่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์และยังคงอยู่ภายในเซลล์จนกว่าจะมีความต้องการพลังงาน
การไฮโดรไลซิสของไกลโคเจนในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดนั้นเกิดขึ้นได้ง่ายมากด้วยผลผลิตเชิงปริมาณของกลูโคส ใช้ในการวิเคราะห์เนื้อเยื่อเพื่อหาปริมาณไกลโคเจนจากปริมาณกลูโคสที่เกิดขึ้น
เช่นเดียวกับไกลโคเจนในสิ่งมีชีวิตของสัตว์ อะมิโลเพคตินซึ่งมีโครงสร้างแตกแขนงน้อยกว่า มีบทบาทเช่นเดียวกับพอลิแซ็กคาไรด์สำรองในพืช นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่ากระบวนการเมแทบอลิซึมในพืชดำเนินไปช้ากว่ามากและไม่จำเป็นต้องมีการไหลเข้าของพลังงานอย่างรวดเร็ว เนื่องจากบางครั้งจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตในสัตว์ (สถานการณ์ที่ตึงเครียด ความเครียดทางร่างกายหรือจิตใจ)
เซลลูโลส.พอลิแซ็กคาไรด์นี้เรียกอีกอย่างว่าเซลลูโลส เป็นพอลิแซ็กคาไรด์จากพืชที่มีมากที่สุด เซลลูโลสมีความแข็งแรงเชิงกลสูงและทำหน้าที่เป็นวัสดุรองรับสำหรับพืช ไม้ประกอบด้วยเซลลูโลส 50-70%; ฝ้ายเป็นเซลลูโลสเกือบบริสุทธิ์ เซลลูโลสเป็นวัตถุดิบที่สำคัญสำหรับอุตสาหกรรมหลายประเภท (เยื่อและกระดาษ สิ่งทอ ฯลฯ)
เซลลูโลสเป็นโพลีแซคคาไรด์เชิงเส้นซึ่งสารตกค้าง d-glucopyranose เชื่อมโยงกันด้วยพันธะ P(1-4)-glycosidic ส่วนไดแซ็กคาไรด์ของเซลลูโลสคือเซลลูโลส
ห่วงโซ่โมเลกุลขนาดใหญ่ไม่มีสาขา แต่มีกลูโคสตกค้าง 2.5-12,000 ซึ่งสอดคล้องกับน้ำหนักโมเลกุลจาก 400,000 ถึง 1-2 ล้าน
การกำหนดค่าβของอะตอมของคาร์บอน anomeric นำไปสู่ความจริงที่ว่าโมเลกุลขนาดใหญ่ของเซลลูโลสมีโครงสร้างเชิงเส้นอย่างเคร่งครัด สิ่งนี้อำนวยความสะดวกโดยการก่อตัวของพันธะไฮโดรเจนภายในสายโซ่ เช่นเดียวกับระหว่างสายโซ่ที่อยู่ติดกัน
การบรรจุแบบโซ่ดังกล่าวให้ความแข็งแรงเชิงกลสูง ปริมาณเส้นใย ไม่ละลายน้ำ และความเฉื่อยทางเคมี ซึ่งทำให้เซลลูโลสเป็นวัสดุที่ดีเยี่ยมสำหรับการสร้างผนังเซลล์ของพืช เซลลูโลสไม่ถูกทำลายโดยเอนไซม์ปกติของระบบทางเดินอาหาร แต่จำเป็นสำหรับสารอาหารตามปกติในฐานะใยอาหาร
ความสำคัญในทางปฏิบัติอย่างยิ่งคืออนุพันธ์ของอีเทอร์ของเซลลูโลส: อะซิเตต (ไหมเทียม), ไนเตรต (สารระเบิด, คอลโลไซลิน) และอื่น ๆ (เส้นใยวิสโคส, กระดาษแก้ว)
11.3.2. เฮเทอโรโพลีแซคคาไรด์
โพลีแซคคาไรด์ของเนื้อเยื่อเกี่ยวพัน ในบรรดาโพลีแซคคาไรด์ของเนื้อเยื่อเกี่ยวพัน chondroitin ซัลเฟต (ผิวหนัง, กระดูกอ่อน, เส้นเอ็น), กรดไฮยาลูโรนิก (น้ำวุ้นตา, สายสะดือ, กระดูกอ่อน, ของเหลวในข้อต่อ), เฮปาริน (ตับ) ได้รับการศึกษาอย่างเต็มที่ ตามโครงสร้างแล้ว พอลิแซ็กคาไรด์เหล่านี้มีลักษณะทั่วไปบางประการ: สายโซ่ที่ไม่แตกแขนงประกอบด้วยไดแซ็กคาไรด์ตกค้าง ซึ่งรวมถึงกรดยูริก (d-glucuronic, d-galacturonic, l-iduronic - epimer ของกรด d-glucuronic ที่ C-5) และน้ำตาลอะมิโน (N-อะซิติลกลูโคซามีน, N-อะซิติลกาแลคโตซามีน). บางส่วนมีกรดกำมะถันตกค้าง
โพลีแซคคาไรด์ของเนื้อเยื่อเกี่ยวพันบางครั้งเรียกว่ากรด mucopolysaccharides (จาก lat เมือก- เมือก) เนื่องจากมีกลุ่มคาร์บอกซิลและกลุ่มซัลโฟ
คอนดรอยตินซัลเฟต ประกอบด้วย N-acetylated chondrosin disaccharide ตกค้างที่เชื่อมโยงกันด้วยพันธะ β(1-4)-glycosidic
N-Acetylchondrosine สร้างขึ้นจากสารตกค้างง -กรดกลูคูรอนิกและเอ็น-อะเซทิล-ด -กาแลคโตซามีนเชื่อมกันด้วยพันธะ β(1-3)-ไกลโคซิดิก
ตามชื่อที่แนะนำ โพลีแซคคาไรด์เหล่านี้คือเอสเทอร์ของกรดซัลฟิวริก (ซัลเฟต) กลุ่มซัลเฟตสร้างพันธะเอสเทอร์กับกลุ่มไฮดรอกซิลของ N-acetyl-D-galactosamine ที่อยู่ในตำแหน่ง 4 หรือ 6 ดังนั้น chondroitin-4-sulfate และ chondroitin-6-sulfate จึงมีความแตกต่าง น้ำหนักโมเลกุลของ chondroitin ซัลเฟตคือ 10-60,000 หน่วย
กรดไฮยาลูรอนิค พอลิแซ็กคาไรด์นี้สร้างขึ้นจากสารตกค้างไดแซ็กคาไรด์ที่เชื่อมกันด้วยพันธะ β(1-4)-ไกลโคซิดิก
ส่วนไดแซ็กคาไรด์ประกอบด้วยสารตกค้างง - เชื่อมโยงกรดกลูคูโรนิกและ N-อะซิติล-ดี-กลูโคซามีนβ (1-3)-พันธะไกลโคซิดิก
เฮ ในเฮปาริน หน่วยไดแซ็กคาไรด์ที่เกิดซ้ำประกอบด้วยสารตกค้างของ d-glucosamine และหนึ่งในกรดยูริก - d-glucuronic หรือ l-iduronic ในแง่ปริมาณกรด l-iduronic มีอำนาจเหนือกว่า พันธะ α(1-4)-ไกลโคซิดิกเกิดขึ้นภายในชิ้นส่วนไดแซ็กคาไรด์ และพันธะ α(1-4) เกิดขึ้นระหว่างชิ้นส่วนไดแซ็กคาไรด์หากชิ้นส่วนสิ้นสุดในกรด l-iduronic และ β(1-4)- พันธะถ้า d -กรดกลูโคโรนิก
กลุ่มอะมิโนของกลูโคซามีนที่ตกค้างส่วนใหญ่เป็นซัลเฟต และบางส่วนถูกอะซิติเลต นอกจากนี้ ยังพบกลุ่มซัลเฟตบนสารตกค้างจำนวนหนึ่งของกรด l-iduronic (ในตำแหน่งที่ 2) และกลูโคซามีน (ในตำแหน่งที่ 6) สิ่งตกค้างของกรด d-glucuronic จะไม่เกิดซัลเฟต โดยเฉลี่ยแล้ว ไดแซ็กคาไรด์ 1 ชิ้นมีหมู่ซัลเฟต 2.5-3 หมู่ น้ำหนักโมเลกุลของเฮปารินคือ 16-20,000 หน่วย
เฮพารินป้องกันการแข็งตัวของเลือด เช่น แสดงคุณสมบัติต้านการแข็งตัวของเลือด
เฮเทอโรโพลีแซคคาไรด์จำนวนมาก รวมทั้งที่กล่าวถึงข้างต้น ไม่พบแบบอิสระ แต่อยู่ในรูปแบบที่จับกับสายพอลิเปปไทด์ สารประกอบโมเลกุลขนาดใหญ่ดังกล่าวถูกจัดประเภทเป็นโพลิเมอร์ชีวภาพแบบผสม ซึ่งคำนี้ใช้อยู่ในปัจจุบัน ไกลโคคอนจูเกต
ประกอบด้วยคาร์บอน 5 อะตอม (เพนโทส) ซึ่งเกิดจากไรโบสเมื่อสูญเสียออกซิเจนไป 1 อะตอม เชิงประจักษ์ สูตรเคมี deoxyribose C 5 H 10 O 4 และเนื่องจากการสูญเสียอะตอมของออกซิเจน จึงไม่สอดคล้องกับสูตรทั่วไปสำหรับโมโนแซ็กคาไรด์ (CH 2 O) n โดยที่ n เป็นจำนวนเต็ม
คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี
สูตรของดีออกซีไรโบสในรูปแบบเส้นตรงสามารถแสดงได้ดังนี้: H-(C=O)-(CH2)-(CHOH) 3 -H. อย่างไรก็ตาม มันยังมีอยู่ในรูปของวงแหวนปิดของอะตอมของคาร์บอน
Deoxyribose เป็นของแข็งไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และละลายได้ดีในน้ำ น้ำหนักโมเลกุล 134.13 กรัม/โมล จุดหลอมเหลว 91 °C ได้มาจากไรโบส-5-ฟอสเฟตเนื่องจากการทำงานของเอนไซม์ที่เหมาะสมระหว่างปฏิกิริยารีดักชันทางเคมี
ความแตกต่างระหว่างไรโบสและดีออกซีไรโบส
ดังที่ได้กล่าวไปแล้วและตามชื่อที่ระบุคือดีออกซีไรโบส สารเคมีซึ่งมีองค์ประกอบอะตอมแตกต่างจากไรโบสโดยมีออกซิเจนเพียงอะตอมเดียว ดังที่แสดงในรูปด้านล่าง ดีออกซีไรโบสไม่มีหมู่ OH ไฮดรอกซิลบนอะตอมของคาร์บอนตัวที่สอง
ดีออกซีไรโบสเป็นส่วนหนึ่งของห่วงโซ่ในขณะที่ไรโบสเป็นส่วนหนึ่งของกรด)
เป็นที่น่าสนใจที่จะสังเกตว่าโมโนแซ็กคาไรด์อาราบิโนสและไรโบสเป็นสเตอริโอไอโซเมอร์ นั่นคือพวกมันแตกต่างกันในการจัดเรียงเชิงพื้นที่เมื่อเทียบกับระนาบของวงแหวนของกลุ่ม OH ใกล้กับอะตอมของคาร์บอนตัวที่ 2 Deoxyarabinose และ deoxyribose เป็นสารประกอบเดียวกัน แต่ใช้ชื่อที่สองเนื่องจากโมเลกุลนี้ได้มาจากไรโบส
ดีออกซีไรโบสและข้อมูลทางพันธุกรรม
เนื่องจากดีออกซีไรโบสเป็นส่วนหนึ่งของสายดีเอ็นเอ จึงมีบทบาทสำคัญ - แหล่งข้อมูลทางพันธุกรรม ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ ซึ่งรวมถึงดีออกซีไรโบสด้วย โมเลกุลของดีออกซีไรโบสเชื่อมโยงนิวคลีโอไทด์หนึ่งไปยังอีกนิวคลีโอไทด์ในสายโซ่ DNA ผ่านกลุ่มฟอสเฟต
เป็นที่ทราบกันดีว่าการไม่มีหมู่ไฮดรอกซิล OH ในดีออกซีไรโบสทำให้มีความยืดหยุ่นเชิงกลของสายโซ่ DNA ทั้งหมดเมื่อเปรียบเทียบกับ RNA ซึ่งในทางกลับกันทำให้โมเลกุล DNA สร้างสายโซ่คู่และอยู่ในรูปแบบที่กะทัดรัดภายใน นิวเคลียสของเซลล์
นอกจากนี้ เนื่องจากความยืดหยุ่นของพันธะระหว่างนิวคลีโอไทด์ที่เกิดจากโมเลกุลดีออกซีไรโบสและกลุ่มฟอสเฟต สายโซ่ DNA จึงยาวกว่า RNA มาก ข้อเท็จจริงนี้ทำให้เราเข้ารหัสได้ ข้อมูลทางพันธุกรรมมีความหนาแน่นสูง