Целлюлоза (клетчатка) – растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом на Земле.
Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенку растительных клеток. Используется в производстве бумаги, искусственных волокон, пленок, пластмасс, лакокрасочных материалов, бездымного пороха, взрывчатки, твердого ракетного топлива, для получения гидролизного спирта и др.
В большом количестве целлюлоза содержится в тканях древесины (40-55%), в волокнах льна (60-85%) и хлопка (95-98%).
Цепи целлюлозы построены из остатков β-глюкозы и имеют линейное строение.
Рисунок 9
Молекулярная масса целлюлозы - от 400 000 до 2 млн.
Рисунок 10
· Целлюлоза относится к наиболее жесткоцепным полимерам, в которых практически не проявляется гибкость макромолекул. Гибкость макромолекул - это их способность обратимо (без разрыва химических связей) изменять свою форму.
Химический состав, отличный от целлюлозы, имеют хитин и хитозан, но они близки к ней по структуре. Отличие заключается в том, что при втором атоме углерода а-D-глюкопиранозных звеньев, связанных 1,4-ликозидными связями, ОН-группа заменена группами –NHCH 3 COO в хитине и группой –NH 2 в хитозане.
Целлюлоза содержится в коре и древесине деревьев, стеблях растений: хлопок содержит более 90 % целлюлозы, деревья хвойных пород - свыше 60 %, лиственных - около 40%. Прочность волокон целлюлозы обусловлена тем, то они образованы монокристаллами, в которых макромолекулы упакованы параллельно одна другой. Целлюлоза составляет структурную основу представителей не только растительного мира, но и некоторых бактерий.
С химической точки зрения хитин является поли(N -ацетоглюкозамином). Вот его структура:
Рисунок 11
В животном мире в качестве опорных, структурообразующих полимеров полисахариды «используются» лишь насекомыми и членистоногими. Наиболее часто для этих целей применяется хитин, который служит для построения так называемого внешнего скелета у крабов, раков, креветок. Из хитина деацетилированием получается хитозан, который, в отличие от нерастворимого хитина, растворим в водных растворах муравьиной, уксусной и соляной кислот. В связи с этим, а также благодаря комплексу ценных свойств, сочетающихся с биосовместимостью, хитозан имеет большие перспективы широкого практического применения в ближайшем будущем.
Крахмал относится к числу полисахаридов, выполняющих роль резервного пищевого вещества в растениях. Клубни, плоды, семена содержат до 70% крахмала. Запасаемым полисахаридом животных является гликоген, который содержится преимущественно в печени и мышцах.
Функцию запасаемого питательного продукта выполняет инулин, который содержится в спарже и артишоках, что придает им специфический вкус. Его мономерные звенья пятичленны, поскольку фруктоза относится к кетозам, в целом же этот полимер построен так же, как полимеры глюкозы.
Лигнин (от лат. lignum - дерево, древесина) - вещество, характеризующее одеревеневшие стенки растительных клеток. Сложное полимерное соединение, содержащееся в клетках сосудистых растений и некоторых водорослях .
Молекула лигнина
Рисунок 12
Одеревеневшие клеточные оболочки обладают ультраструктурой, которую можно сравнить со структурой железобетона: микрофибриллы целлюлозы по своим свойствам соответствуют арматуре, а лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, - бетону . Молекула лигнина состоит из продуктов полимеризации ароматических спиртов; основной мономер - конифериловый спирт.
Древесина лиственных пород содержит до 20 % лигнина, хвойных - до 30 %. Лигнин - ценное химическое сырьё, используемое во многих производствах.
Прочность стволов и стеблей растений, помимо скелета из целлюлозных волокон, определяется соединительной растительной тканью. Значительную ее часть в деревьях составляет лигнин - до 30 %. Его строение точно не установлено. Известно, что это относительно низкомолекулярный (М~ 10 4) сверхразветвленный полимер, образованный в основном из остатков фенолов, замещенных в орто-положении группами -ОСНз, в пара-положении группами -СН=СН-СН 2 ОН. В настоящее время накоплено громадное количество лигнинов как отходов целлюлозно-гидролизной промышленности, но проблема их утилизации не решена. К опорным элементам растительной ткани относятся пектиновые вещества и, в частности пектин, находящийся в основном в стенках клеток. Его содержание в кожуре яблок и белой части кожуры цитрусовых доходит до 30%. Пектин относится к гетерополисахаридам, то есть сополимерам. Его макромолекулы в основном построены из остатков D-галактуроновой кислоты и ее метилового эфира, связанных 1,4-гликозидными связями.
Рисунок 13
Из пентоз значение имеют полимеры арабинозы и ксилозы которые образуют полисахариды, называемые арабинами и ксиланами. Они, наряду целлюлозой, определяют типичные свойства древесины.
Упомянутый выше пектин относится к гетерополисахаридам. Помимо него, известны гетерополисахариды, входящие в состав животного организма. Гиалуроновая кислота входит в состав стекловидного тела глаза, а также жидкости, обеспечивающей скольжение всуставах (она находится в суставных сумках). Другой важный полисахарид животных - хондроитинсульфат - содержится в ткани и хрящах. Оба полисахарида часто образуют в организме животных сложные комплексы с белками и липидами.
Белки
Белки (полипептиды) – биополимеры, построенные из остатков α-аминокислот, соединенных пептидными (амидными) связями.
Углеводы - органические вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, причем водород и кислород находятся в них, как правило, в таком же соотношении, как и в молекуле воды (2: 1).
Общая формула углеводов - С n (Н 2 О) m , т. е. они как бы состоят из углерода и воды, отсюда и название класса, которое имеет исторические корни. Оно появилось на основе анализа первых известных углеводов. В дальнейшем было установлено, что имеются углеводы, в молекулах которых не соблюдается указанное соотношение (2: 1), например дезоксирибоза - С 5 Н 10 О 4 . Известны также органические соединения, состав которых соответствует приведенной общей формуле, но которые не принадлежат к классу углеводов. К ним относятся, например, формальдегид СН 2 О и уксусная кислота СН 3 СООН.
Однако название «углеводы» укоренилось и в настоящее время является общепризнанным для этих веществ.
Углеводы по их способности гидролизоваться можно разделить на три основные группы: моно-, ди- и полисахариды.
Моносахариды - углеводы, которые не гидролизуются (не разлагаются водой). В свою очередь, в зависимости от числа атомов углерода, моносахариды подразделяются на триозы (молекулы которых содержат три углеродных атома), тетрозы (четыре углеродных атома), пентозы (пять), гексозы (шесть) и т. д.
В природе моносахариды представлены преимущественно пентозами и гексозами .
К пентозам относятся, например, рибоза - С 5 Н 10 О 5 и дезоксирибоза (рибоза, у которой «отняли» атом кислорода) - С 5 Н 10 О 4 . Они входят в состав РНК и ДНК и определяют первую часть названий нуклеиновых кислот.
К гексозам , имеющим общую молекулярную формулу С 6 Н 12 О 6 , относятся, например, глюкоза, фруктоза, галактоза.
Дисахариды - углеводы, которые гидролизуются с образованием двух молекул моносахаридов, например гексоз. Общую формулу подавляющего большинства дисахаридов вывести несложно: нужно «сложить» две формулы гексоз и «вычесть» из получившейся формулы молекулу воды - С 12 Н 22 О 11 . Соответственно можно записать и общее уравнение гидролиза:
К дисахаридам относятся:
1. Сахароза (обычный пищевой сахар), которая при гидролизе образует одну молекулу глюкозы и молекулу фруктозы. Она содержится в большом количестве в сахарной свекле, сахарном тростнике (отсюда и названия - свекловичный или тростниковый сахар), клене (канадские первопроходцы добывали кленовый сахар), сахарной пальме, кукурузе и т. д.
2. Мальтоза (солодовый сахар), которая гидролизуется с образованием двух молекул глюкозы. Мальтозу можно получить при гидролизе крахмала под действием ферментов, содержащихся в солоде, - пророщенных, высушенных и размолотых зернах ячменя.
3. Лактоза (молочный сахар), которая гидролизуется с образованием молекул глюкозы и галактозы. Она содержится в молоке млекопитающих (до 4-6 %), обладает невысокой сладостью и используется как наполнитель в драже и аптечных таблетках.
Сладкий вкус разных моно- и дисахаридов различен. Так, самый сладкий моносахарид - фруктоза - в 1,5 раза слаще глюкозы, которую принимают за эталон. Сахароза (дисахарид), в свою очередь, в 2 раза слаще глюкозы и в 4-5 раз - лактозы, которая почти безвкусна.
Полисахариды - крахмал, гликоген, декстрины, целлюлоза и т. д. - углеводы, которые гидролизуются с образованием множества молекул моносахаридов, чаще всего глюкозы.
Чтобы вывести формулу полисахаридов, нужно от молекулы глюкозы «отнять» молекулу воды и записать выражение с индексом n: (С 6 Н 10 О 5) n , ведь именно за счет отщепления молекул воды в природе образуются ди- и полисахариды.
Роль углеводов в природе и их значение для жизни человека чрезвычайно велики. Образуясь в клетках растений в результате фотосинтеза, они выступают источником энергии для клеток животных. В первую очередь это относится к глюкозе.
Многие углеводы (крахмал, гликоген, сахароза) выполняют запасающую функцию, роль резерва питательных веществ .
Кислоты РНК и ДНК, в состав которых входят некоторые углеводы (пентозы-рибозы и дезоксирибоза), выполняют функции передачи наследственной информации.
Целлюлоза - строительный материал растительных клеток - играет роль каркаса для оболочек этих клеток. Другой полисахарид - хитин - выполняет аналогичную роль в клетках некоторых животных: образует наружный скелет членистоногих (ракообразных), насекомых, паукообразных.
Углеводы служат в конечном итоге источником нашего питания: мы потребляем зерно, содержащее крахмал, или скармливаем его животным, в организме которых крахмал превращается в белки и жиры. Самая гигиеничная одежда изготовлена из целлюлозы или продуктов на ее основе: хлопка и льна, вискозного волокна, ацетатного шелка. Деревянные дома и мебель построены из той же целлюлозы, образующей древесину.
В основе производства фото- и кинопленки - все та же целлюлоза. Книги, газеты, письма, денежные банкноты - все это продукция целлюлозно-бумажной промышленности. Значит, углеводы обеспечивают нас всем необходимым для жизни: пищей, одеждой, кровом.
Кроме того, углеводы участвуют в построении сложных белков, ферментов, гормонов. Углеводами являются и такие жизненно необходимые вещества, как гепарин (он играет важнейшую роль - предотвращает свертывание крови), агар-агар (его получают из морских водорослей и применяют в микробиологической и кондитерской промышленности - вспомните знаменитый торт «Птичье молоко»).
Необходимо подчеркнуть, что единственным видом энергии на Земле (помимо ядерной, разумеется) является энергия Солнца, а единственным способом ее аккумулирования для обеспечения жизнедеятельности всех живых организмов является процесс фотосинтеза , протекающий в клетках живых растений и приводящий к синтезу углеводов из воды и углекислого газа. Именно при этом превращении образуется кислород, без которого жизнь на нашей планете была бы невозможна:
Моносахариды. Глюкоза
Глюкоза и фруктоза - твердые бесцветные кристаллические вещества. Глюкоза содержится в соке винограда (отсюда название «виноградный сахар») вместе с фруктозой, которая содержится в некоторых фруктах и плодах (отсюда название «фруктовый сахар»), составляет значительную часть меда. В крови человека и животных постоянно содержится около 0,1 % глюкозы (80-120 мг в 100 мл крови). Большая ее часть (около 70 %) подвергается в тканях медленному окислению с выделением энергии и образованием конечных продуктов - углекислого газа и воды (процесс гликолиза):
Энергия, выделяемая при гликолизе, в значительной степени обеспечивает энергетические потребности живых организмов.
Превышение содержания глюкозы в крови уровня 180 мг в 100 мл крови свидетельствует о нарушении углеводного обмена и развитии опасного заболевания - сахарного диабета.
Строение молекулы глюкозы
О строении молекулы глюкозы можно судить на основании опытных данных. Она реагирует с карбоновыми кислотами, образуя сложные эфиры, содержащие от 1 до 5 остатков кислоты. Если раствор глюкозы прилить к свежеполученному гидроксиду меди (II), то осадок растворяется и образуется ярко-синий раствор соединения меди, т. е. происходит качественная реакция на многоатомные спирты. Следовательно, глюкоза является многоатомным спиртом. Если же подогреть полученный раствор, то вновь выпадет осадок, но уже красноватого цвета, т. е. произойдет качественная реакция на альдегиды. Аналогично, если раствор глюкозы нагреть с аммиачным раствором оксида серебра, то произойдет реакция «серебряного зеркала». Следовательно, глюкоза является одновременно многоатомным спиртом и альдегидом - алъдегидоспиртом. Попробуем вывести структурную формулу глюкозы. Всего атомов углерода в молекуле C 6 H 12 O 6 шесть. Один атом входит в состав альдегидной группы :
Остальные пять атомов связываются с пятью гидроксигруппами.
И наконец, атомы водорода в молекуле распределим с учетом того, что углерод четырехвалентен:
Однако установлено, что в растворе глюкозы помимо линейных (альдегидных) молекул существуют молекулы циклического строения, из которых состоит кристаллическая глюкоза. Превращение молекул линейной формы в циклическую можно объяснить, если вспомнить, что атомы углерода могут свободно вращаться вокруг σ-связей, расположенных под углом 109° 28′. При этом альдегидная группа (1-й атом углерода) может приблизиться к гидроксильной группе пятого атома углерода. В первой под влиянием гидрокси- группы разрывается π-связь: к атому кислорода присоединяется атом водорода, и «потерявший» этот атом кислород гидроксигруппы замыкает цикл:
В результате такой перегруппировки атомов образуется циклическая молекула. Циклическая формула показывает не только порядок связи атомов, но и их пространственное расположение. В результате взаимодействия первого и пятого атомов углерода появляется новая гидроксигруппа у первого атома, которая может занять в пространстве два положения: над и под плоскостью цикла, а потому возможны две циклические формы глюкозы:
а) α-форма глюкозы - гидроксильные группы при первом и втором атомах углерода расположены по одну сторону кольца молекулы;
б) β-форма глюкозы - гидроксильные группы находятся по разные стороны кольца молекулы:
В водном растворе глюкозы в динамическом равновесии находятся три ее изомерные формы - циклическая α-форма, линейная (альдегидная) форма и циклическая β-форма:
В установившемся динамическом равновесии преобладает β-форма (около 63 %), так как она энергетически предпочтительнее - у нее OH-группы у первого и второго углеродных атомов по разные стороны цикла. У α-формы (около 37 %) OH-группы у тех же углеродных атомов расположены по одну сторону плоскости, поэтому она энергетически менее устойчива, чем β-форма. Доля же линейной формы в равновесии очень мала (всего около 0,0026 %).
Динамическое равновесие можно сместить. Например, при действии на глюкозу аммиачного раствора оксида серебра количество ее линейной (альдегидной) формы, которой в растворе очень мало, пополняется все время за счет циклических форм, и глюкоза полностью подвергается окислению до глюконовой кислоты.
Изомером альдегидоспирта глюкозы является кетоноспирт - фруктоза :
Химические свойства глюкозы
Химические свойства глюкозы, как и любого другого органического вещества, определяются ее строением. Глюкоза обладает двойственной функцией, являясь и альдегидом , и многоатомным спиртом , поэтому для нее характерны свойства и многоатомных спиртов, и альдегидов.
Реакции глюкозы как многоатомного спирта.
Глюкоза дает качественную реакцию многоатомных спиртов (вспомните глицерин) со свежеполученным гидроксидом меди (II), образуя ярко-синий раствор соединения меди (II).
Глюкоза, подобно спиртам, может образовывать сложные эфиры.
Реакции глюкозы как альдегида
1. Окисление альдегидной группы . Глюкоза как альдегид способна окисляться в соответствующую (глюконовую) кислоту и давать качественные реакции альдегидов.
Реакция «серебряного зеркала»:
Реакция со свежеполученным Cu(OH) 2 при нагревании:
Восстановление альдегидной группы . Глюкоза может восстанавливаться в соответствующий спирт (сорбит):
Реакции брожения
Эти реакции протекают под действием особых биологических катализаторов белковой природы - ферментов.
1. Спиртовое брожение:
издавна применяемое человеком для получения этилового спирта и алкогольных напитков.
2. Молочнокислое брожение:
которое составляет основу жизнедеятельности молочнокислых бактерий и происходит при скисании молока, квашении капусты и огурцов, силосовании зеленых кормов.\
Химические свойства глюкозы - конспект
Полисахариды. Крахмал и целлюлоза.
Крахмал - белый аморфный порошок, не растворяется в холодной воде. В горячей воде он разбухает и образует коллоидный раствор - крахмальный клейстер.
Крахмал содержится в цитоплазме растительных клеток в виде зерен запасного питательного вещества. В картофельных клубнях содержится около 20 % крахмала, в пшеничных и кукурузных зернах - около 70 %, а в рисовых - почти 80 %.
Целлюлоза (от лат. cellula - клетка), выделенная из природных материалов (например, вата или фильтровальная бумага), представляет собой твердое волокнистое вещество, нерастворимое в воде.
Оба полисахарида имеют растительное происхождение, однако играют в клетке растений разную роль: целлюлоза - строительную, конструкционную функцию, а крахмал - запасающую. Поэтому целлюлоза является обязательным элементом клеточной оболочки растений. Волокна хлопка содержат до 95 % целлюлозы, волокна льна и конопли - до 80 %, а в древесине ее содержится около 50 %.
Строение крахмала и целлюлозы
Состав этих полисахаридов можно выразить общей формулой (C 6 H 10 O 5) n . Число повторяющихся звеньев в макромолекуле крахмала может колебаться от нескольких сотен до нескольких тысяч. Целлюлоза же отличается значительно большим числом звеньев и, следовательно, молекулярной массой, которая достигает нескольких миллионов.
Различаются углеводы не только молекулярной массой, но и структурой. Для крахмала характерны два вида структур макромолекул: линейная и разветвленная. Линейную структуру имеют более мелкие макромолекулы той части крахмала, которую называют амилозой, а разветвленную структуру имеют молекулы другой составной части крахмала - амилопектина.
В крахмале на долю амилозы приходится 10- 20 %, а на долю амилопектина - 80-90 %. Амилоза крахмала растворяется в горячей воде, а амилопектин только набухает.
Структурные звенья крахмала и целлюлозы построены по-разному. Если звено крахмала включает остатки α-глюкозы , то целлюлоза - остатки β-глюкозы , ориентированные в природные волокна:
Химические свойства полисахаридов
1. Образование глюкозы. Крахмал и целлюлоза подвергаются гидролизу с образованием глюкозы в присутствии минеральных кислот, например серной:
В пищеварительном тракте животных крахмал подвергается сложному ступенчатому гидролизу:
Организм человека не приспособлен к перевариванию целлюлозы, так как не имеет ферментов, необходимых для разрыва связей между остатками β-глюкозы в макромолекуле целлюлозы.
Лишь у термитов и жвачных животных (например, коров) в пищеварительной системе живут микроорганизмы, вырабатывающие необходимые для этого ферменты.
2. Образование сложных эфиров . Крахмал может образовывать эфиры за счет гидроксигрупп, однако эти эфиры не нашли практического применения.
Каждое звено целлюлозы содержит три свободных спиртовых гидроксигруппы. Поэтому общую формулу целлюлозы можно записать таким образом:
За счет этих спиртовых гидроксигрупп целлюлоза и может образовывать сложные эфиры, которые широко применяются.
При обработке целлюлозы смесью азотной и серной кислот получают в зависимости от условий моно-, ди- и тринитроцеллюлозу:
Применение углеводов
Смесь моно- и динитроцеллюлозы называют коллоксилином . Раствор коллоксилина в смеси спирта и диэтилового эфира - коллодий - применяют в медицине для заклеивания небольших ран и для приклеивания повязок к коже.
При высыхании раствора коллоксилина и камфары в спирте получается целлулоид - одна из пластмасс, которая впервые стала широко использоваться в повседневной жизни человека (из нее делают фото- и кинопленку, а также различные предметы широкого потребления). Растворы коллоксилина в органических растворителях применяются в качестве нитролаков. А при добавлении к ним красителей получаются прочные и эстетичные нитрокраски, широко используемые в быту и технике.
Как и другие органические вещества, содержащие в составе молекул нитрогруппы, все виды нитроцеллюлозы огнеопасны. Особенно опасна в этом отношении тринитроцеллюлоза - сильнейшее взрывчатое вещество. Под названием «пироксилин» она широко применяется для производства оружейных снарядов и проведения взрывных работ, а также для получения бездымного пороха.
С уксусной кислотой (в промышленности для этих целей используют более мощное этерифицирующее вещество - уксусный ангидрид) получают аналогичные (ди- и три-) сложные эфиры целлюлозы и уксусной кислоты, которые называются ацетилцеллюлозой :
Ацетилцеллюлозу используют для получения лаков и красок, она служит также сырьем для изготовления искусственного шелка. Для этого ее растворяют в ацетоне, а затем этот раствор продавливают через тонкие отверстия фильер (металлических колпачков с многочисленными отверстиями). Вытекающие струйки раствора обдувают теплым воздухом. При этом ацетон быстро испаряется, а высыхающая ацетилцеллюлоза образует тонкие блестящие нити, которые идут на изготовление пряжи.
Крахмал , в отличие от целлюлозы, дает синее окрашивание при взаимодействии с йодом. Эта реакция является качественной на крахмал или йод в зависимости от того, наличие какого вещества требуется доказать.
Справочный материал для прохождения тестирования:
Таблица Менделеева
Таблица растворимости
Подобно другим растительным волокнам, хлопок на 90 % состоит из целлюлозы, которая представляет собой полимер глюкозы и является основным компонентом клеточной стенки растений. Слово “полимер” у многих ассоциируется с синтетическими волокнами и пластмассами, однако в природе тоже существует множество полимеров. Это слово происходит из греческого языка: poly - “много”, а meros означает часть, или звено, так что полимер - это соединение многих звеньев. Полимеры глюкозы, иначе называемые полисахаридами, можно классифицировать на основании функции, выполняемой ими в организме. Структурные полисахариды, такие как целлюлоза, обеспечивают прочность тканей и систем, а запасные полисахариды являются формой хранения глюкозы. Структурные полисахариды состоят из звеньев β-глюкозы, запасные - из α-глюкозы. Мы упоминали в третьей главе, что в β-структуре OH-группа у углерода С1 находится над поверхностью глюкозного кольца, а в α-структуре - под поверхностью кольца.
Структура β-глюкозы
Структура α-глюкозы
Разница между β- и α-глюкозой может показаться незначительной, однако она ответственна за чрезвычайно важное различие в функции полисахаридов, образованных из тех и других звеньев глюкозы: группа OH над кольцом - структурная функция, под кольцом - запасная. В химии часто случается, что незначительные, казалось бы, изменения в структуре молекулы оказывают очень серьезное влияние на свойства вещества. Полимеры α- и β-глюкозы являются прекрасной иллюстрацией.
Как в структурных, так и в запасных полисахаридах звенья глюкозы соединены друг с другом через атом углерода С1 одного звена и атом углерода С4 соседнего звена. При соединении происходит удаление атома водорода с одной стороны и OH-группы с другой стороны и образование молекулы воды. Такой процесс называют конденсацией, а образующиеся в результате полимеры - конденсационными полимерами.
Реакция конденсации (удаление молекулы воды) между двумя молекулами β-глюкозы. На свободном конце каждой молекулы этот процесс может повториться.
Каждый свободный конец молекулы способен еще раз вступить в реакцию конденсации, в результате чего образуются протяженные цепи глюкозных звеньев, в которых оставшиеся OH-группы распределены вокруг цепей.
Удаление молекул воды между атомами C1 и С4 у двух соседних молекул β-глюкозы с образованием длинной полимерной цепи целлюлозы. На рисунке показано пять глюкозных звеньев.
Структура участка цепи целлюлозы. Атомы кислорода, соединенные с каждым атомом С1 (указаны стрелками), находятся в β-положении, т. е. расположены над поверхностью глюкозного кольца слева от них в каждом случае.
Многие свойства хлопка, обеспечившие ему успех, объясняются уникальной структурой целлюлозы. Длинные цепи целлюлозы лежат вплотную друг к другу, образуя жесткие, нерастворимые в воде волокна, из которых состоят клеточные стенки растений. Рентгеноструктурный анализ и электронная микроскопия - основные методы изучения физической структуры веществ - показывают, что цепи целлюлозы уложены в пучки. Форма β-связи позволяет цепям целлюлозы укладываться вплотную друг к другу. Эти пучки скручиваются и формируют волокна, видимые невооруженным глазом. На поверхности пучков располагаются OH-группы, не принимающие участия в образовании цепей целлюлозы, и эти OH-группы способны притягивать молекулы воды. Поэтому целлюлоза может захватывать воду, что объясняет высокую сорбционную способность хлопка и других продуктов на основе целлюлозы. Утверждение, будто “хлопок дышит”, имеет отношение не к вентиляции, а к способности поглощать влагу. В жару выступающий на теле пот впитывается в одежду из хлопчатобумажной ткани, а при его испарении тело охлаждается. Одежда из нейлона или полиэстера не впитывает влагу, пот не уходит с тела, и мы испытываем дискомфорт.
Участок цепи структурного полимера хитина, входящего в состав раковин моллюсков. Группа OH у атома С2 в каждом остатке глюкозы заменена группой NHCOCH 3 .
Хлопковое поле. Фото Питера Лекутера
Примером другого структурного полисахарида является хитин, из которого сложены панцири крабов, креветок и лобстеров. Хитин, подобно целлюлозе, является β-полисахаридом. От целлюлозы он отличается только заместителем у атома углерода С2 в каждом звене глюкозы: вместо OH-группы здесь располагается амидная группа (NHCOCH 3). Таким образом, звеном хитина является остаток глюкозы с группой NHCOCH 3 у атома углерода С2. Такая молекула называется N-ацетилглюкозамином. Возможно, эта информация интересна не всем, но если у вас артрит или какое-либо иное заболевание суставов, это название должно быть вам знакомо. N-ацетилглюкозамин и родственное ему соединение глюкозамин (оба получают из раковин моллюсков) являются хорошими лекарствами от артрита. По-видимому, эти вещества стимулируют замену хрящевой ткани в суставах.
В организме млекопитающих нет пищеварительных ферментов, способных расщеплять β-связи в структурных полисахаридах, поэтому они не могут использовать структурные полисахариды в качестве источника пищи, несмотря на то, что в растительных клетках в виде целлюлозы заключены миллиарды остатков глюкозы. Однако некоторые бактерии и простейшие синтезируют ферменты, расщепляющие такие связи и способные разделять полимерные цепи на составляющие их молекулы глюкозы. В пищеварительной системе некоторых животных постоянно обитают такие микроорганизмы, позволяющие их хозяевам питаться растениями. Например, у лошадей бактерии живут в слепой кишке - большом отростке в месте соединения тонкой и толстой кишок. Жвачные животные, к которым относятся коровы и овцы, обладают четырехкамерным желудком, в одной из частей которого обитают симбиотические бактерии. Коровы и овцы иногда срыгивают и повторно пережевывают пищу - это дополнительная адаптация, призванная повысить эффективность расщепления β-связей.
У кроликов и некоторых других грызунов бактерии-помощники живут в толстой кишке. Поскольку всасывание основной доли пищи происходит в тонкой кишке, предшествующей толстой, такие животные получают продукты расщепления β-связей путем поедания собственных экскрементов. Когда питательные вещества проходят по пищеварительной системе во второй раз, тонкая кишка всасывает глюкозу, высвободившуюся при первом прохождении. Нам это может показаться достаточно неприятным способом решения проблемы ориентации OH-групп, однако такая система неплохо работает. В организме некоторых насекомых, включая термитов, муравьев-древоточцев и других поедающих древесину насекомых, также живут микроорганизмы, позволяющие им питаться целлюлозой, что иногда приводит к плачевным для человека результатам. Но даже для нас, неспособных переваривать целлюлозу, она все равно является важным пищевым продуктом. Дело в том, что растительные волокна, состоящие из целлюлозы и других неусвояемых веществ, помогают продвижению пищи по пищеварительному тракту.
Запасные полисахариды
В нашем организме нет фермента, способного расщеплять β-связи, однако есть пищеварительный фермент, который расщепляет α-связи. А α-связи, как мы видели, встречаются в запасных полисахаридах, таких как крахмал и гликоген. Один из основных пищевых источников глюкозы, крахмал, содержится в корнях, клубнях и семенах многих растений. Он состоит из двух слабо различающихся полисахаридов, которые являют собой полимеры α-глюкозы. От 20 до 30 % крахмала представлено амилозой - неразветвленным полисахаридом, состоящим из нескольких тысяч звеньев глюкозы, соединенных через атом С1 одного остатка глюкозы и атом С4 соседнего остатка. Единственное различие между целлюлозой и амилозой заключается в том, что в первом случае остатки глюкозы соединены между собой β-связью, а во втором - α-связью. Однако функции целлюлозы и амилозы совершенно различны.
Участок цепи амилозы, образованной путем соединения остатков α-глюкозы с выделением молекул воды. Альфа-связь в молекуле означает, что атом кислорода (показан стрелкой) расположен под поверхностью кольца глюкозы, в котором задействован атом С1.
На долю амилопектина приходятся оставшиеся 70 или 80 % массы крахмала. Амилопектин также состоит из длинных цепей α-глюкозы, соединенных через атомы С1 и С4, однако он представляет собой разветвленную молекулу, имеющую перекрестные сшивки между атомом С1 в одном остатке глюкозы и атомом С6 в другом остатке. Эти перекрестные сшивки встречаются через каждые 20–25 остатков глюкозы. Наличие миллионов остатков глюкозы в связанных между собой цепях делает амилопектин одной из самых крупных молекул, обнаруженных в природе.
Участок структуры амилопектина. Стрелкой показана перекрестная α-связь между атомом С1 и атомом С6, приводящая к образованию разветвленной структуры.
Альфа-связи в крахмале не только позволяют нам переваривать его, но и отвечают за другие важные свойства этого вещества. Цепи амилозы и амилопектина образуют спирали, а не плотно упакованные линейные структуры, как в целлюлозе. Молекулы воды, обладающие достаточной энергией, могут проникать внутрь спирали, поэтому крахмал растворим в воде, а целлюлоза - нет. Любой человек, имевший дело с крахмалом, знает, что его растворимость в воде зависит от температуры. Если нагреть суспензию крахмала в воде, его гранулы начинают впитывать больше воды, и при определенной температуре молекулы крахмала разделяются, образуя сеть распределенных в воде длинных нитей (так называемый гель). Мутная суспензия становится прозрачнее и гуще. Повара используют такие крахмалсодержащие вещества, как мука, тапиока и кукурузный крахмал, для придания соусам необходимой густоты.
В тканях животных сахара запасаются в виде гликогена, образующегося главным образом в клетках печени и скелетных мышц. Гликоген очень похож на амилопектин, но поперечные α-связи между атомами С1 и С6 встречаются в нем чаще - через каждые десять остатков глюкозы. В результате молекула получается сильно разветвленной. Для животных это чрезвычайно важно, и вот почему. У неразветвленной цепи только два конца, а разветвленная цепь, состоящая из того же количества остатков глюкозы, имеет гораздо больше концов. Когда нужно быстро получить энергию, можно одновременно отщеплять несколько остатков глюкозы от нескольких концов. Растениям, в отличие от животных, не приходится внезапно растрачивать энергию, убегая от хищников или преследуя добычу, так что хранение энергии в виде малоразветвленного амилопектина и неразветвленной амилозы вполне подходит для более медленных метаболических процессов в растениях. Это небольшое химическое различие, связанное лишь с числом, даже не с типом перекрестных сшивок, является основой одного из важнейших различий между растениями и животными.
Характер ветвления полисахаридных цепей крахмала (амилоза и амилопектин) и гликогена. Чем сильнее разветвлен полимер, тем больше концов цепей доступно для фермента и тем быстрее высвобождается глюкоза.
Похожая информация.
Полисахариды получаются с помощью поликонденсации моносахаридов. Общая формула (С 6 Н 10 О 5) n . Простейшие представители - крахмал и целлюлоза.
Крахмал получается в процессе фотосинтеза и откладывается в корнях и семенах. Это белый порошок, нерастворимый в холодной воде, а в горячей образует коллоидный раствор .
Крахмал - природный полимер, образованный остатками α -глюкозы. Он модет быть в 2х формах: амилоза и амиопектин.
Амилоза - это линейный полимер, растворимый в воде, в котором остатки глюкозы связаны через 1 и 4 атомы углерода .
Линейная полимерная цепь свернута в спираль. Комплекс амилозы и йода дает синее окрашивание. Эта реакция является качественной для обнаружения йода.
Амилопектин нерастворим в воде и разветвлен:
Химические свойства полисахаридов.
При нагревании в кислой среде крахмал подвергается гидролизу. Конечным продуктом является глюкоза:
Эта реакция имеет промышленное значение.
Целлюлоза.
Целлюлоза является основным продуктом растительных клеток. Древесина состоит из целлюлозы, а хлопок и лен - это почти 100%-я целлюлоза. Это природный полимер:
Химические свойства целлюлозы.
1. Целлюлоза подвергается гидролизу в кислой среде при нагревании. Конечный продукт - глюкоза.
2. Характерна реакция образования сложных эфиров:
Тринитрат целлюлозы - взрывчатое вещество, на его основе делают порох.
(С 6 Н 10 О 5) n
(n варьируется от 100 до нескольких тысяч)
Важнейшие представители
Целлюлоза, крахмал, гликоген
Строение целлюлозы
Целлюлоза (клетчатка) - самый распространенный полисахарид. Древесина примерно на 50% состоит из целлюлозы, а хлопок и лен представляют практически чистую целлюлозу.
Макромолекулы целлюлозы состоят из большого числа (от нескольких сотен до 10-14 тыс.) остатков β-глюкозы, связанных (β-1,4-гликозидными связями. Биозный фрагмент целлюлозы:
Структурное звено целлюлозы:
Химические свойства целлюлозы
1. Гидролиз (в кислой среде)
2. Образование сложных зфиров
(Тринитрат целлюлозы - основа бездымного пороха.)
(Триацетат целлюлозы - сырье для изготовления ацетатных волокон)
3. Горение
(C 6 H 10 O 5) n + 6nO 2 → 6nCO 2 + 5nH 2 O
Строение крахмала
Крахмал - растительный полисахарид, состоящий из двух фракций: амилопектина и амилозы.
Макромолекулы амилозы имеют линейное строение и состоят из большого числа остатков α-глюкозы, связанных α-1,4-гликозидными связями. Молекулярная масса амилозы колеблется от 150 тыс. до 500 тыс.
Биозный фрагмент амилозы:
Макромолекулы амилопектина сильно разветвлены и состоят из фрагментов амилозы (около 20 моносахаридных остатков), связанных между собой α- 1,6-гликозидными связями. Молекулярная масса 10 6 -10 9 .
Фрагмент макромолекулы амилопектина:
Химические свойства крахмала
1. Гидролиз (кислотный или ферментативный)
2. Качественная реакция на крахмал
(C 6 H 10 O 5) n + I 2 → Адсорбционный комплекс амилозы с йодом синего цвета.
Гликоген
Это животный полисахарид, имеющий сходное строение с амилопектином, но отличающийся от него большей разветвленностью цепей, а также большей молекулярной массой.