Вуглево́ди — органічні сполуки, що складаються з вуглецю, кисню й водню та за хімічною природою є полігідроксиальдегідами або кетонами (тобто мають кілька гідроксильних груп й одну карбонільну), або перетворюються на них шляхом гідролізу. Більшість вуглеводів мають емпіричну формулу Cn(H2O)m, звідки й походить їхня назва («вуглець» + «вода»). Деякі похідні вуглеводів можуть також містити азот, сірку, фосфор тощо.
Вуглеводи — складова частина клітин усіх живих організмів й один з чотирьох найбільших класів біомолекул разом з білками, ліпідами й нуклеїновими кислотами.
Історія
У 1838 році французький хімік Жан-Батіст Дюма ввів термін «глюкоза» для цукру, отриманого з меду, винограду та крохмалю.У 1840 році Ансельм Пайєн ввів термін «целюлоза» від французького слова «cellule», що означає «клітина». У 1855 році Клод Бернар виділив і ввів термін «глікоген» для крохмалеподібної речовини, що зберігається в печінці ссавців.Jorgens V, Grusser M. Happy Birthday Claude Bernard. Diabetes. 2013;62: 2181-82. 1857 року Вільям Міллер ввів термін «сахароза» для позначення столового цукру, отриманого з цукрової тростини або буряка.Приблизно в цей час було введено термін «вуглевод» (французьке «hydrate de carbone») для позначення глюкозоподібних моносахаридів, емпіричний склад яких можна було б виразити як Cn(H2O)n. У 1866 році Фрідріх Кекуле запропонував назву декстроза для правообертової глюкози.Між 1880-90 роками Герман Еміль Фішер почав працювати над відносними конфігураціями більшості відомих цукрів. У процесі було синтезовано багато нових цукрів, що зумовило необхідність створення нових назв. Разом із колегами він заклав основи термінології, яка використовується й досі: тріоза, тетроза, пентоза та гексоза. Він схвалив пропозицію Армстронга класифікувати цукри на альдози та кетози.https://www.alliedacademies.org/articles/a-history-of-evolution-of-the-terms-of-carbohydrates-coining-the-term-glucogenic-carbohydrates-and-prescribing-in-grams-per-day-fo-10975.html#8
У 1893 році Чарльз Рід встановив біологічний процес синтезу складних вуглецевих сполук з вугільної кислоти у присутності хлорофілу під впливом світла, а Чарльз Барнс ввів термін «фотосинтез».Gest H. History of the word photosynthesis and evolution of its definition. Kluwer Academic Publishers. 2002 ;73:7-10.
Загальний опис Вуглеводи — полігідроксиальдегіди або полігідроксикетони, або ж молекули, які можуть гідролізуватися до них. Загальний термін включає моносахариди, олігосахариди й полісахариди. Більшість із них має загальну формулу Cn(H2O)m.
Моносахариди називають простими цукрами, їхні молекули складаються із однієї полігідроксиальдегідної або кетонної одиниці, що містить переважно від 3 до 9 атомів вуглецю. Найпоширенішим у природі моносахаридом є глюкоза.
Прості цукри можуть об'єднуватись у короткі ланцюжки, найчастіше по два (дисахариди), за допомогою глікозидних зв'язків формуючи таким чином олігосахариди. Типовий приклад дисахариду — сахароза (буряковий або тростинний цукор). Олігосахариди з трьома й більше мономерними ланками у клітинах зазвичай не існують самостійно, а входять до складу сполук з невуглеводними речовинами. Низькомолекулярні вуглеводи (тобто моно- й олігосахариди) об'єднують під назвою цукри, більшість індивідуальних сполук цієї групи мають назви із закінченням «-оза».
Полісахариди — це полімери 20 і більше моносахаридних одиниць, інколи до кількох тисяч, вони можуть бути лінійними (як целюлоза) або розгалуженими (як глікоген).
Більше половини органічного вуглецю на Землі існує у формі вуглеводів, вони є найпоширенішими органічними сполуками на нашій планеті. Щороку фотосинтезуючі організми перетворюють 100 мільярдів тонн вуглекислого газу і води у целюлозу та інші речовини. У рослинах вуглеводи становлять до 80 % сухої речовини, в організмі людини і тварини — до 2 %. Для більшості гетеротрофів окиснення вуглеводів є центральним шляхом отримання енергії клітинами, так у дієті середньостатистичної людини першочерговим джерелом енергії є крохмаль і цукри. Багато полісахаридів виконують структурну роль — входять до складу клітинних стінок рослин, бактерій і грибів, сполучної тканини тварин. Інші вуглеводні полімери беруть участь у змащенні суглобів, забезпеченні розпізнавання і адгезії між клітинами. Вони також можуть входити до більших комплексів разом із білками чи ліпідами, так званих глікокон'югатів. Два моносахариди пентози — рибоза і дезоксирибоза — є структурними компонентами нуклеїнових кислот.
Моносахариди
Моносахариди або монози — найпростіші вуглеводи, вони не піддаються гідролізу. Це безбарвні кристалічні сполуки, добре розчинні у воді, але нерозчинні у неполярних розчинниках, переважно солодкі на смак. Типова будова молекули моносахариду така: нерозгалужений карбоновий скелет, що містить від 3 до 9 атомів, до одного з яких подвійним зв'язком приєднано атом кисню, формуючи карбонільну групу, до решти атомів скелету приєднано одинарними зв'язками гідроксильні групи. Якщо карбонільна група розташована на кінці молекули — сполука є альдозою, а якщо посередині — кетозою. Найпростіші моносахариди — це тріози (містять три атоми вуглецю): гліцеральдегід (альдотріоза) і дигідроксиацетон (кетотріоза). Прості цукри із 4-ма атомами вуглецю називаються тетрозами, з 5-ма — пентозами, 6-ма — гексозами, 7-ма — гептозами і так далі. Найпоширеніші у природі гексози, до цієї групи належить глюкоза (альдогексоза) і фруктоза (кетогексоза).
Стереоізомерія моносахаридів
Усі моносахариди, крім дигідроксиацетону, містять хіральні атоми вуглецю, тобто такі, до яких приєднано 4 різні замісники, через це можливе утворення стереоізомерів, кількість яких рівна 2n, де n — кількість хіральних атомів. Так, для гліцеральдегіду існує два таких ізомери (21), що є точними дзеркальними відображеннями одне одного (енантіомерами) — -гілцеральдегід і -гліцеральдегід. Альдогексози мають 4 хіральні центри, і, відповідно, 16 стереозомерів. У восьми з них положення гідроксильної групи біля найдальшого від альдегідної групи атома вуглецю відповідає такому у -гліцеральдегіду, вони є -ізомерами, решта 8 — -ізомерами. Більшість гексоз живих організмів належать до -ряду. Моносахариди, що відрізняються положенням гідроксильної групи тільки біля одного атома вуглецю, називаються епімерами, наприклад глюкоза й галактоза (відмінність біля C4).
Хімічні властивості
Циклізація Оскільки моносахариди містять карбонільну й спиртові групи, а вони здатні взаємодіяти між собою, то можливі внутрішньомолекулярні реакції, коли це просторово допустимо, а саме в альдотетроз та всіх моносахаридів із кількістю атомів вуглецю більшою 4-ох. При цьому формується ковалентний зв'язок між вуглецем карбонільної групи й киснем однієї з гідроксильних груп, молекула стає циклічною, а згаданий атом вуглецю — асиметричним (хіральним). Через це можливе існування двох стереоізомерів — α і β, у першому новоутворена (напівацетальна чи напівкетальна або глікозидна) гідроксильна група розміщена з протилежного боку до групи -CH2OH біля С5, у другому — з одного боку. Оскільки α- і β-ізомери відрізняються лише розташуванням глікозидного гідроксилу, їх називають аномерами.
Якщо внаслідок циклізації утворюється 6-членний цикл, то сполука називатиметься піранозою (нагадує піранове кільце), якщо 5-членне — фуранозою (нагадує фуранове кільце). Для альдогексоз піранозна форма значно стабільніша, ніж фуранозна, кетогексози і альдотетрози ж можуть формувати тільки 5-членні кільця.
У кристалічному стані моносахариди перебувають у циклічній конфігурації, наприклад глюкоза — у формі α-глюкопіранози. У розчині α- й β-аномери можуть вільно перетворюватися один на один (через лінійну форму). Наприклад, після розчинення у воді α--глюкози з часом встановлюється динамічна рівновага: розчин містить близько третини α-аномеру, двох третин β-аномеру й дуже незначні кількості лінійної й двох фуранозних форм. У процесі встановлення рівноваги змінюється кут обертання розчином площини поляризації світла, що позначають терміном мутаротація. Ізомерні форми сполук, які здатні перетворюватися одна на одну, називають таутомерами.
Відновні властивості Карбонільна група моносахаридів може легко вступати у взаємодію з окисниками, перетворюючись при цьому в карбоксильну. Наприклад, глюкоза та інші прості цукри відновлюють іон Cu2+, продуктами реакції є альдонова кислота, що згодом перетворюється на суміш різних карбонових кислот. Ця взаємодія лежить в основі кількісного методу визначення відновних цукрів з реактивом Фелінга, який тривалий час використовували для виявлення глюкози у сечі під час діагностики цукрового діабету. Альдози, на відміну від кетоз, також вступають в реакцію з реактивом Толленса, відновлюючи іони Ag+ з утворенням так званого «срібного дзеркала».
Алкілювання й ацилювання Гідроксильні групи моносахаридів можуть брати участь в реакціях алкілювання зі спиртами, найактивніше вступає в такі взаємодії глікозидний гідроксил. При алкілюванні останнього утворюються сполуки O-глікозиди, невуглеводна частина яких називається агліконом. Можливе також утворення N-глікозидів, у реакціях з амінами, у цьому випадку аглікон з'єднаний із вуглеводним циклом через атом азоту. Типовим прикладом N-глікозидів є нуклеозиди — сполуки рибози і азотистої основи.
Моносахариди (й інші вуглеводи) також можуть вступати в реакції ацилювання з органічними й неорганічними кислотами, продуктами яких є естери. Особливо важливе значення у природі мають фосфати простих цукрів, такі як глюкозо-6-фосфат.
Різноманітність і значення моносахаридів Серед альдоз тільки -глюкоза часто зустрічається в природі у вільному стані. Її можна знайти у виноградному соку, багатьох фруктах, а також у крові тварин. В організмі людини окиснення глюкози є джерелом енергії для роботи нервової системи, а також великою мірою — для м'язових скорочень. Глюкоза є продуктом гідролізу полісахаридів крохмалю, глікогену й целюлози (під дією ферментів або мінеральних кислот). Інші важливі речовини цього класу — -гліцеральдегід, -рибоза, -маноза і -галактоза — переважно входять до складу більших молекул. Серед кетоз у природі найчастіше зустрічаються дигідроксиацетон, -фруктоза, -рибулоза і -ксилулоза.
Похідні простих цукрів
Крім найпростіших цукрів у природі поширені їх похідні, у яких гідроксильні або карбонільні групи окиснені або заміщені на інші функціональні групи. Наприклад, при окисненні альдегідної групи альдоз утворюються альдонові кислоти, такі як глюконова кислота (похідна глюкози). Продуктом окиснення гідроксильної групи до карбоксильної на протилежному кінці молекули є уронові кислоти, наприклад глюкуронова і галактуронова. Як альдонові, так і уронові кислоти мають виражену схильність до внутрішньої естерифікації з утворенням 5- або 6-членних лактонів. Наприклад, аскорбінова кислота (вітамін C) є γ-лактоном, що синтезується рослинами і більшістю тварин з моносахаридів (глюкози, манози чи галактози).
Альдози й кетози можуть бути відновлені за м'яких умов з утворенням багатоатомних спиртів, таких як рибітол, інозитол, гліцерол і ксилітол.
Поширені в природі фосфоцукри, вони є проміжними продуктами синтезу й розщеплення більшості моносахаридів. Фосфорилювання відбувається щоб активувати цукри для наступних хімічних реакцій, а також щоб затримати їх всередині клітини, оскільки плазматичні мембрани переважно не мають переносників для фосфорильованих форм.
В аміноцукрів на аміногрупу заміщується одна з гідроксильних, найчастіше біля C2, як у глюкозаміну, галактозаміну й манозаміну. Майже завжди ця аміногрупа конденсується із оцтовою кислотою, як у N-ацетилглюкозаміну. Остання сполука входить до складу багатьох структурних полісахаридів, наприклад, у клітинній стінці бактерій. N-ацетилнейрамінова кислота є 9-карбоновим кислотним похідним N-ацетилманозаміну і є компонентом деяких гліколіпідів і глікопротеїнів у тварин.