3.8 Биологически важные вещества: жиры, белки, углеводы (моносахариды, дисахариды, полисахариды)

Видеоурок 1: Сложные эфиры. Жиры

Лекция: Биологически важные вещества: жиры, белки, углеводы (моносахариды, дисахариды, полисахариды)

Жиры

Данные вещества содержат в своей структуре остатки предельных карбоновых кислот. Формулы жиров можно представить в следующем виде:

Справа от формул изображена модель молекулы тристеарина, она иллюстрирует сложное строение жиров. Жиры по происхождению подразделяются на животные и растительные. Они отличаются своим составом, следовательно, и химическим свойствам.

Насыщение двойных связей в молекулах жидких жиров приводит к их отвердеванию. При гидрировании жидкого растительного масла на никелевом катализаторе появляется твердый жир, называемый маргарином. Уравнение данной реакции условно выглядит так:

Так как жиры представляют собой сложные эфиры, то, следовательно, они вступают в реакции гидролиза: 

Данная реакция проходит под действием водных растворов кислот и щелочей. В случае применения щелочей, гидролиз проходит необратимо. При этом происходит образование глицерина и мыла (стеарат натрия):

Мыло - смесь натриевых или калиевых солей жирных карбоновых кислот. 

Для жиров, содержащих в своей структуре кислотные остатки непредельных карбоновых кислот, присущи все качественные реакции на непредельные соединения. К таким относятся: обесцвечивание раствора перманганата калия и бромной воды. Предельные жиры в реакцию данного типа не вступают. Жир вступает в реакцию и с водным раствором перманганата калия и бромной водой. Это объясняется тем, что он содержит кислотные остатки непредельной карбоновой кислоты – олеиновой. 

В состав белков живых организмов входит всего 20 типов аминокислот, все из которых относятся к альфа-аминокислотам, а аминокислотный состав белков и их порядок соединения друг с другом определяются индивидуальным генетическим кодом живого организма. Одной из особенностей белков является их способность самопроизвольно формировать пространственные структуры характерные только для данного конкретного белка. 

Из-за специфики своего строения белки могут обладать разнообразными свойствами. Белки, имеющие глобулярную четвертичную структуру, в частности белок куриного яйца, растворяются в воде с образованием коллоидных растворов. Белки, обладающие фибриллярной четвертичной структурой, в воде не растворяются. Фибриллярными белками, в частности, образованы ногти, волосы, хрящи. 

Химические свойства белков:

• Гидролиз. Все белки способны вступать в реакцию гидролиза. В случае полного гидролиза белков образуется смесь из α-аминокислот: 

  

• Денатурация. Разрушение вторичной, третичной и четвертичной структур белка без разрушения его первичной структуры называют денатурацией. Денатурация белка может протекать под действием растворов солей натрия, калия или аммония – такая денатурация является обратимой. Денатурация же протекающая под действием излучения (например, нагрева) или обработке белка солями тяжелых металлов является необратимой. Необратимая денатурация белка наблюдается при термической обработке яиц в процессе их приготовления. В результате денатурации яичного белка его способность растворяться в воде с образованием коллоидного раствора исчезает. 

Качественные реакции на белки:

• Биуретовая реакция. Если к раствору, содержащему белок добавить 10%-й раствор гидроксида натрия, а затем небольшое количество 1 %-го раствора сульфата меди, то появится фиолетовое окрашивание. Раствор белка + NаОН(10%-ный р-р) + СuSO4 = фиолетовое окрашивание. 

• Ксантопротеиновая реакция. Растворы белка при кипячении с концентрированной азотной кислотой окрашиваются в желтый цвет. Раствор белка + HNO3(конц.) => желтое окрашивание. 

Биологические функции белков:

• Каталитическая. Ускоряет различные химические реакции в живых организмах. 

• Структурная. Строительные материалы клеток. Ферменты: коллаген, белки клеточных мембран. 

• Защитная. Защищают организм от инфекций. Ферменты: иммуноглобулины, интерферон. 

• Регуляторная. Регулируют обменные процессы. Ферменты: гормоны.  

• Транспортная. Перенос жизненно-необходимых веществ от одних частей организма к другим. Ферменты: гемоглобин переносит кислород. 

• Энергетическая. Снабжает организм энергией. Ферменты: 1 грамм белка может обеспечить организм энергией в количестве 17,6 Дж.

• Моторная (двигательная). Ферменты: миозин (мышечный белок). 

Углеводы

Из формулы углеводов можно предположить то, что данные соединения состоят из углерода и воды, однако это не так, просто соотношение водорода и кислорода в данных соединениях такое же, как и у воды 2:1. Однако следует иметь ввиду, что данное соотношение водорода и кислорода в углеводах непостоянно, к примеру, дезоксирибоза имеет формулу С₅Н₁₀О₄. Также существуют соединения соответстсвующие формуле C_n(H₂O)_m, но к углеводам не относящиеся. Это формальдегид (СН₂О) и уксусная кислота (С₂Н₄О₂). 

Рассмотрим классификацию углеводов. В её основе лежит способность одних углеводных соединений при гидролизе расщепляться на углеводы меньшей молекулярной массы. Исходя из этого, углеводы делят на: 

• простые (моносахариды) и 

• сложные (дисахариды, полисахариды). 

Моносахариды не расщепляются, т.е. не гидролизуются. В зависимости от числа атомов они делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д. Среди них широко распространены в природе пентозы с общей формулой C₅(H₂O)₅ и гексозы C₆H₁₂O₆. Например, среди пентозов, известные вам из курса биологии рибоза C₅H₁₀O₅ и дезоксирибоза C₅H₁₀O₄, входящие в состав РНК и ДНК. Среди гексозов: глюкоза, фруктоза, галактоза, имеющие общую формулу C₆H₁₂O₆. Общей чертой глюкозы и фруктозы является наличие в составе молекул пяти гидроксильных групп. Поэтому они считаются многоатомными спиртами. Отличие состоит в том, что молекула глюкозы содержит альдегидную группу (-CHO), а молекула фруктозы кетонную группу (R—CO—R'). Таким образом, глюкоза - это многоатомный альдегидоспирт, фруктоза – многоатомный кетоспирт. 

Строение молекул глюкозы и фруктозы:

Дисахариды при гидролизе расщепляются на две молекулы моносахаридов. Исходя из общей формулы большинства дисахаридов C₁₂H₂₂O₁₁ уравнение гидролиза выглядит так:

• C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → 2C₆H₁₂O₆ (образовалось две молекулы гексозы).

Полисахариды при полном гидролизе образуют множество моносахаридов, чаще всего глюкозы. К данной группе углеводов относятся: крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин и др. Структура молекулы крахмала:

Химические свойства моносахаридов:  

1. Гидрирование, т.е. взаимодействие с водородом при помощи катализаторов:

• глюкоза: С₆Н₁₂О₆ + Н₂ → С₆Н₁₄О₆ (образовался шестиатомный спирт сорбит);
• фруктоза С₆Н₁₂О₆ + Н₂ → C₆H₁₄O₆ + C₆H₁₄O₆ (образовалась изомерная смесь сорбита и маннита)

2. Качественные реакции глюкозы как альдегида: 

• глюкоза с гидроксидом меди (II): СН₂ОН – (СНОН)₄ – СОН + Сu(ОН)₂ → СН₂ОН – (СНОН)₄ – СООН + Сu₂О↓+ Н₂О

• реакция "серебряного зеркала": HCOOH + 2[Ag(NH₃)₂]OH → CO₂↑ + 2Ag↓ + 2H₂O + 4NH₃↑

В первой реакции наблюдается выпадение кирпично-красного осадка оксида меди (I). Альдегидная группа глюкозы окисляется до карбоксильной – образуется глюконовая кислота. Во второй реакции вместо глюконовой кислоты образуется ее соль – глюконат аммония, т.к. в растворе присутствует растворенный аммиак. Данные реакции из моносахаридов свойственны только глюкозе. 

3. Реакции брожения:

• спиртовое брожение: С₆Н₁₂О₆ → 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ (этиловый спирт и углекислый газ);
• молочнокислое брожение: С₆Н₁₂О₆ → 2СН₃-СН(ОН)-СООН (молочная кислота).

• мальтоза с гидроксидом меди (II): 

• реакция "серебряного зеркала" (окисление мальтозы):

• C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆ 

• (C₆H₁₀O₅)_n + 6_nO₂ → 6_nCO₂ + 5_nH₂O.

• (C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O  →  nC₆H₁₂O₆

• (C₆H₇O₂(OH)₃)_n + 3nCH₃COOH → (C₆H₇O₂(OCOCH₃)₃)_n + nH₂O.