Проверьте себя (экспресс – тест)

1. Белки – биополимеры, мономерами которых являются:

а) карбоновые кислоты; б) амины; в) β-аминокислоты;

г) α-аминокислоты; д) амиды карбоновых кислот.

 

2. В белках аминокислотные остатки связаны между собой:

а) сложноэфирными связями; б) водородными связями;

в) пептидными связями; г) ангидридными связями;

д) гликозидными связями.

 

3. К основным аминокислотам относят:

а) аланин б) лизин в) тирозин

г) глутамин д) триптофан

 

4. В изоэлектрической точке пептиды имеют:

а) отрицательный заряд

б) положительный заряд

в) нулевой заряд

 

5. Заряд дипептида лизилпролина в кислой среде равен:

а) 0; б) 2+; в) 1+; г) 2-; д) 1-.

 

6. Какое определение неправильно характеризует белки?

а) это высокомолекулярные пептиды;

б) это бифункциональные полимеры;

в) это ферменты;

г) это полипептиды, образованные остатками α-аминокислот.

 

7. Первичная структура – это…

а) последовательность аминокислот в белке;

б) аминокислотный состав белка;

в) молекулярная формула белка;

г) строение α-спирали белка.

 

8. Какое взаимодействие не влияет на формирование третичной структуры?

а) водородные связи между функциональными группами;

б) гидрофобное взаимодействие между углеводородными радикалами;

в) дисульфидная связь между цистеиновыми остатками;

г) пептидная связь.

 

9. Денатурация белков приводит к разрушению …..

а) пептидных связей; б) первичной структуры;

в) водородных связей; г) вторичной и третичной структуры.

 

10. Укажите общую качественную реакцию на белки и пептиды:

а) ксантопротеиновая реакция; б) биуретовая реакция;

в) реакция Льюиса; г) реакция Миллона.

 

11. Какое из перечисленных веществ не относится к белкам?

а) гемоглобин; б) инсулин;

в) пенициллин; г) рибонуклеаза.

 

12. Укажите, важнейшую на ваш взгляд, биологическую функцию белков?

а) катализ биохимических процессов;

б) транспорт белков;

в) регуляция иммунной системы живых организмов;

г) обеспечение строительного материала для тканей.

 

Раздел 2. Углеводы

Углеводы (сахара) наряду с белками являются одной из наиболее важных и распространенных групп природных органических соединений. Они составляют до 80% массы сухого вещества растений и около 2% сухого вещества животных организмов (в печени 5-10%; скелетные мышцы 1-3%; сердечная мышца – 0,5%; головной мозг – 0,2%).

Важными природными источниками углеводов являются гликозиды – они широко распространены в природе и представляют собой соединения углеводов с другими классами соединений (фенолами, спиртами и др.)

Животные организмы не способны синтезировать сахара и получают их с различными пищевыми продуктами растительного происхождения.

В растениях углеводы образуются из оксида углерода (IV) и воды в процессе фотосинтеза, осуществляемого за счет солнечной энергии с участием зеленого пигмента растений – хлорофилла:

hυ

6 СО₂ + 6 Н₂О С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂ ↑

2867 кДж/моль

Классификация и строение

Углеводы – полигидроксикарбонильные соединения и их производные.

Свое название углеводы (гидраты углерода) получили потому, что соотношение водорода и кислорода в молекулах первых известных представителей было 2:1, вследствие чего их рассматривали как соединения углерода с водой:

 

С₆Н₁₂О₆ = 6 С * 6 Н₂О глюкоза

С₁₂Н₂₂О₁₁ = 12 С * 11 Н₂О сахароза

 

По мере развития химии углеводов оказалось, что это представление ошибочно. Так, существуют углеводы (рамноза С₆Н₁₂О_5, дезоксирибоза С₅Н₁₀О₄ и др.), в которых соотношение водорода и кислорода иное. Но прежнее название сохранилось.

Классификация углеводов основана на их способности к гидролизу и может быть представлена схемой (схема 1).

 

 

схема 1

Простые углеводы или моносахариды – углеводы, не подвергающиеся гидролизу с образованием более простых соединений, являются основой олигосахаридов и полисахаридов.

Олигосахариды – сложные углеводы, распадающиеся при гидролизе на несколько остатков моносахаридов (как правило, от двух до десяти остатков).

Полисахариды – сложные углеводы, распадающиеся при гидролизе на множество остатков моносахаридов (от сотен до тысяч остатков) (схема 1).

Моносахариды

Моносахариды по химическому составу являются либо полигидроксиальдегидами, либо полигидроксикетонами.

Моносахариды, в состав которых входит альдегидная группа (-СОН), называют альдозами, а кетонная (>С = О) – кетозами.

Для более быстрого и удобного написания конфигурации моноз Э. Фишер предложил изображать их проекционными формулами. Углеродная цепь изображается вертикальной линией, на концах которой пишут первую и последнюю функциональные группы (альдегидную группу всегда пишут вверху). Поэтому общие формулы альдоз и кетоз выглядят следующим образом:

 

 

В названии моноз учитывается не только наличие альдегидной или кето-группы, но и число атомов углерода. Поэтому выделяют:

 

Наиболее распространены в природе пентозы и гексозы.

Выделенные звездочкой атомы углерода являются асимметрическими. Асимметрическим называется атом углерода, соединенный с четырьмя разными заместителями. Вещества, в составе которых есть асимметрические атомы углерода, обладают особым видом пространственной изомерии – стереоизомерией и оптическойизомерией. Стереоизомеры отличаются пространственной конфигурацией атомов водорода и гидроксогруппы при асимметрическом атоме углерода. Число стереоизомеров равно 2ⁿ, где n – число асимметрических атомов углерода. Например, альдогексоза общей формулой С₆Н₁₂О₆ с четырьмя асимметрическими атомами углерода может быть представлена любым из 16 возможных стереоизомеров, восемь из которых относятся к D – ряду, а восемь – к L – ряду.

Родоначальниками D- и L-рядов можно условно считать D- и L-глицериновые альдегиды. Принадлежность моносахарида к D- и L-ряду определяется положением водорода и гидроксила у наиболее удаленного от альдегидной или кетонной группы асимметрического углеродного атома:

Стереоизомеры отличаются физико-химическими свойствами и биологической активностью.

Наиболее важные моносахариды:

Альдозы

Альдозы, отличающиеся друг от друга конфигурацией лишь у асимметрического атома углерода, соседнего с карбонильной группой, называются эпимерами (например, D – глюкоза и D - манноза).

Монозы с пятью и более атомами углерода могут осуществлять не только в линейной (цепной), но и в циклической (кольчатой) форме. Циклизация происходит за счет разрыва двойной связи в карбонильной группе, перемещения атома водорода к освободившейся валентности карбонильного кислорода и замыканию кольца углеродных атомов с образованием внутренних циклических α- или β-полуацеталей:

 

В циклических формах моноз на один асимметрический атом углерода больше, чем в открытых, поэтому у них в два раза большее число оптических изомеров (за счет α- или β-форм). Изомер, в изображении которого полуацетальный гидроксил находится справа от С- цепи, называется α-формой, а слева – β-формой.

Структурные формулы в проекции Фишера не способен дать всесторонний геометрический образ полуацетальной структуры, так как они не отражают реальных пространственных углов между химическими связями. В 1929 году Хеуорс предложил рассматривать полуацетальные формы моноз как производные гидрированных гетероциклов пирана и фурана:

Моносахариды, имеющие пятичленное кольцо, как у фурана, называют фуранозами, а имеющие шестичленное кольцо – относят к производным пирана и называют пиранозами.

Пяти- и шестичленные циклические структуры изображаются при этом в виде плоских циклических систем, гидроксильные группы у каждого атома углерода ориентированы либо вверх, либо вниз.

Для преобразовывания формул D–моноз в проекции Фишера в формулу Хеуорса надо придерживаться следующих правил:

1) Все группы, расположенные справа от углеродной цепи в формулах Фишера, в формулах Хеуорса занимают положение под плоскостью кольца (внизу).

2) Группы, расположенные в формулах Фишера слева от углеродной цепи, располагают над плоскостью кольца (вверху).

3) Атом кислорода всегда располагают в правом верхнем углу.

4) Концевую группу –СН₂ОН в проекции Хеуорса направляют вверх.

 

α-D-глюкоза D-глюкоза β-D-глюкоза

 

В растворе линейные и циклические формы моносахаридов существуют одновременно и способны самопроизвольно превращаться друг в друга. Такие изомерные формы называют кольчато-цепными таутомерами. Преобладают, как правило, циклические изомеры моносахаридов; они используются организмами для построения олиго- и полисахаридов, мононуклеотидов и других молекул. Через линейную форму происходит переход α-формы в β-форму.

Рентгеноструктурные исследования моносахаридов показали, что пиранозы существуют в виде кресловидной конформации (аналогично конформации «кресло» для циклогексана), причем такой, в которой максимально возможное число объемистых заместителей (четыре) расположено экваториально.

Так, α-D-глюкопираноза имеет вид:

Свойства моносахаридов

Моносахариды – полифункциональные соединения со смешанными функциями. Их химические свойства определяются наличием в молекуле карбонильной группы, спиртовых гидроксилов и полуацетального гидроксила.

Окисление

а) при осторожном окислении альдоз бромной водой образуются одноосновные полиоксикислоты с тем же числом атомов углерода – альдоновые кислоты (глюкоза глюконовая кислота,

манноза манноновая кислота и т.д.):

 

б) при более сильном окислении концентрированной азотной кислотой образуются двухосновные оксикислоты – сахарные кислоты (глюкоза глюкосахарная кислота):

 

Восстановление

При восстановлении моносахаридов они переходят в многоатомные спирты (D-глюкоза сорбит; D – ксилоза ксилит):

Реакция со спиртами

Среди реакций, которые обусловлены свойствами моносахаридов как циклических многоатомных спиртов, особую роль играет полуацетальный гидроксил.

Так, при нагревании моносахаридов с низшими спиртами в присутствии НСl атом водорода в гликозидном гидроксиле замещается на алкильный радикал с образованием простого эфира – гликозида:

- D- глюкопираноза -D- глюкопиранозид

Остальные спиртовые гидроксилы в этих условиях во взаимодействие не вступают.

О – гликозиды широко распространены в растительном мире. В большинстве природных гликозидов в качестве сахарной компоненты выступает D – глюкоза и почти все они являются β-глюкозидами. Несахарная компонента называется агликоном и обладает сложным строением. Обычно гликозиды классифицируют по агликоновой компоненте.

Важное значение имеют и азотсодержащие, так называемые N – гликозиды, в которых агликон связан с монозой через атом азота (в том числе нуклеозиды).

В гликозидах отсутствует полуацетальный гидроксил, поэтому они не способны к таутомерии и не проявляют восстанавливающих свойств.

 

Брожение моносахаридов

Брожение – это расщепление сахаров под влиянием биологических катализаторов – ферментов. Процессы брожения протекают сложными путями – через ряд промежуточных продуктов. Различные микроорганизмы вызывают определенные виды брожения. Например:

а) спиртовое брожение

С₆Н₁₂О₆ 2 С₂Н₅ОН + 2 СО₂ ↑

этанол

б) маслянокислое брожение

С₆Н₁₂О₆ СН₃ – (СН₂)₂ – СООН + 2Н₂ + 2 СО₂ ↑

масляная кислота

в) молочнокислое брожение

С₆Н₁₂О₆ 2 СН₃ – СН – СООН

|

ОН молочная кислота

г) лимоннокислое брожение

ОН

|

С₆Н₁₂О₆ НООС – СН₂ – С – СН₂ – СООН + 2Н₂О

|

СООН

лимонная кислота

 

 

Производные моносахаридов

Большую группу производных моносахаридов составляют фосфорные эфиры, которые образуются в ходе превращений углеводов в тканях.

Некоторые из них:

 

 

В природе широко распространены два аминопроизводных моносахарида: глюкозамин и галактозамин, которые существуют как в линейной, так и в циклической форме. Глюкозамин входит в состав многих полисахаридов, содержащихся в тканях животных и человека; галактозамин является компонентом гликопротеинов и гликолипидов:

 

 

В состав полисахаридов входит глюкуроновая кислота.

По химической природе аскорбиновая кислота близка к моносахаридам L-ряда и является внутренним циклическим эфиром (лактоном) одной из альдоновых кислот:

Получают синтетически из D-глюкозы. Содержится в соке лимона, черной смородины, плодах шиповника, свежей капусте.