Јаглехидрат

Јаглехидратите, уште познати и како глициди или шеќери се органски соединенија чијашто молекула е изградена од трите биогени елементи: јаглерод, водород и кислород. Имаат општа хемиска формула C_n(H₂O)_n. Тие се универзална и мошне битна состојка на сите живи организми. Карактеристично за јаглехидратите е што можат да се сврзат со други органски материи и да градат комплекси (со белковините градат гликобелковини, со липидите градат гликолипиди и слично).

Во клетката, јаглехидратите се јавуваат како главен извор на енергија, а претставуваат и важен градбен материјал на клеточните структури и лесно можат да се складираат како резервни материи. Се среќаваат во два вида:

Прости (основни органски соединенија), каде спаѓаат моносахаридите и
Сложени (производни јаглехидрати), од кои оние со мала молекулска маса се олигосахариди, а тие со голема - полисахариди.

Класификација и особини на јаглехидратите

D-Гликоза, пример за алдоза, претставена со Фишерова проекција.

Фруктоза, пример за кетоза. Кето групата е кислородот поврзан со двојна врска за вториот јаглероден атом.

Јаглехидратите можат теориски да настанат од полихидроксилните алкохоли со блага оксидација. Доколку притоа се оксидира примарната алкохолна група, настануваат алдехид-алкохоли, а со оксидација на вторичните алкохолни групи се добиваат кетон-алкохоли. И во двата случаи настануваат карбонилна или оксо група. Алкохолите со алдехидна функција се викаат алдози, а оние со кето група се кетози.

Најпрост јаглехидрат е гликолалдехид, кој настанува со оксидација на двохидроксилниот алкохол гликол. Гликолалдехидот има и јаглехидратна и алкохолна функција. Според ова, едно соединение можеме да го класифицираме како јаглехидрат доколку ги има двете наведени функции. Првите два јаглеродни атоми во молекулата на еден јаглехидрат мораат да бидат распоредени како на пример кај гликозата и фруктозата (види ги формулите десно).

Моносахариди, олигосахариди и полисахариди

Моносахаридите се прости јаглехидрати. Тие со хидролиза не се делат на попрости јаглехидрати. Претставуваат градбени единки на олиго- и полисахаридите.

Олигосахаридите се јаглехидрати кои се изградени од најмногу шест молекули на моносахариди. Тие при хидролиза се делат на моносахаридите од кои се изградени. Ако меѓусебно се сврзат две молекули на моносахариди со издвојување на вода настанува дисахарид, ако се сврзат три молекули, настанува трисахарид итн. Од олигосахаридите најважни се дисахаридите (сахароза, малтоза, лактоза и други).

Јаглехидратите чии молекули се изградени од повеќе (над шест) моносахариди се викаат полисахариди. Најважни полисахариди се скроб, гликоген, целулоза и други.23% од човечкото тело се состои од јаглехидрати.

Оптичка активност на јаглехидратите

Декстрогири и левогири соединенија

Во својата молекула моносахаридите имаат хирални јаглеродни атоми (асиметрични јаглеродни атоми). Така, триозите имаат еден, тетрозите два, а хексозите четири хирални С-атоми. Овие атоми најчесто се обележуваат со ѕвездичка покрај нив. Бројот на можните моносахариди се зголемува поради асиметријата на С-атомите за вредноста 2ⁿ, каде n е бројот на хирални С-атоми. На пример, постојат два глицериналдехиди (D и L облик), четири тетрози, осум пентози и шеснаесет хексози.

Соединенијата кои имаат хирални (асиметрични) атоми во својата структура или, пак, се самите хирални (асиметрични), ја вртат рамнината на поларизираната светлина за определен агол. Ако вртењето е во правец на стрелките на часовникот, соединенијата се обележуваат со + (и се вели дека тие се декстрогири соединенија), а во спротивен правец со - (и се вели дека тие се левогири соединенија). Вртењето на поларизираната светлина се мери со посебни апарати наречени полариметри.

L и D јаглехидрати

Оваа поделба на јаглехидратите е условена од просторната конфигурација на јаглехидратното соединение. Таа се јавила како резултат на полесно паметење на јаглехидратите со повеќе хирални центри.

Кога хидроксилната група на асиметричниот (хирален) јаглероден атом која се наоѓа најдалеку од алдехидната или кето групата е сместена надесно од него, велиме дека таа е D-јаглехидрат. Ако пак таа се наоѓа лево од најоддалечениот хирален С-атом, јаглехидратот е во L-форма. Оваа поделба е чисто теориска.

Хетероциклични јаглехидрати

Преминување на гликозата од Фишерова проекција во Хавортова проекција.

Алдехидната група на првиот јаглероден атом и хидроксилната група на петтиот С-атом кај јаглехидратите можат да реагираат меѓусебно бидејќи се просторно блиску. Кога на алдехидната група се адира хидроксилна (алкохолна) група, се добива соединение наречено полуацетал. Ваква меѓумолекулска реакција настанува кога јаглехидратите се наоѓаат во воден раствор. Притоа, доаѓа до образување на полуацетални петто- или шесточлени прстени кои содржат кислород како хетероатом. Петточлените прстени се деривати на фуранот и се нарекуваат фуранози, додека шесточлените се деривати на пиранот и се викаат пиранози. Во слободна состојба, моносахаридите се наоѓаат во пиранозен облик, додека фуранозниот облик на шеќерите се среќава кај олиго- и полисахаридите (сахароза, рибоза и нуклеинските киселини).

Хетероцикличните форми на јаглехидратите можат да се напишат и во вид на проекциони формули на тој начин што со долга црта се поврзуваат првиот и петтиот или првиот и четвртиот јаглероден атом преку кислородот, во зависност од тоа каде настанал кислородниот мост. Пишувањето на ваквите формули се чини грешка, бидејќи не може да се види дека првиот јаглероден атом е блиску до петтиот, а токму на таков начин би можело да дојде до хемиска реакција меѓу алдехидната и хидроксилната (алкохолна) група.

Хавортови формули

На предлог на Haworth, хетероцикличните форми на шеќерите се претставуваат со перспективни формули од кои јасно се гледа нивната петто- или шесточлена градба. При пишувањето на Хавортовите перспективни формули се замислува дека прстенот нормално лежи на рамнината на хартијата (или, пак, компјутерскиот монитор), кислородниот мост е позади, CH₂OH групата е над рамнината. Супституционите групи се пишуваат горе (ако се со лева просторна конфигурација), односно долу (ако се со десна просторна конфигурација). Обично во Хавортовите формули не се пишуваат С-атомите, бидејќи се забележува само нивниот реден број. При пишувањето на овие формули, секогаш треба да се имаат на ум некои правила, како:

Кога кислородот лежи зад рамнината на компјутерскиот монитор, а првиот јаглероден атом десно (вака најчесто се пишува), тогаш кај сите декстрогири шеќери, -CH₂OH групата лежи горе и
Кај β-D-гликозата сите -OH групи имаат транс положба, што значи тие се наоѓаат наизменично горе и долу.

Хиралност; α и β форми

α и β аномери на гликозата. Се забележува дека позицијата на аномерниот јаглерод (црвен или зелен) се наоѓа или на спротивна страна (α), или на иста страна (β) со CH₂OH групата сврзана за 5-С-атом.

Со реакцијата помеѓу алдехидната и хидроксилната група и со затворањето во прстен настанува и првиот хирален јаглероден атом. Тој се наоѓа на положба 1 и за него сега се сврзани четири различни супституенти, па се можни два изомерни (аномерни) форми на моносахариди, α и β форма.

α и β-D-гликоза се изолирани и тие се разликуваат не само по специфичниот агол на скршнување на поларизираната светлина, туку и по други физички константи, што значи дека се прави изомери.

Во воден раствор, D-гликозата има и α и β форма кои се наоѓаат во рамнотежа и преоѓаат еден во друг преку алдехидниот облик кога рамнотежата ќе се помести.

Преоѓањето на α-D-гликозата во β-D-гликоза и обратно се одвива по менувањето на аголот на скршнување на поларизираната светлина. Оваа појава била забележана пред објаснувањето на структурата на јаглехидратите и е наречена мутаротација. Таа се јавува кога искристализираната α-D-гликоза изолирана од воден раствор (со агол на скршнување +113°) ја раствораме во вода. Аголот на скршнување се намалува од +113° до 52,8°. Намалувањето на аголот на скршнување настанува по преминувањето на α-D-гликозата во β-D-гликоза и по воспоставувањето на рамнотежа помеѓу овие два облика на гликозата, аголот на скршнување изнесува 52,8°. Скршнувањето од 52,8° одговара на смеса која се состои од 37% α-D-гликоза и 63% β-D-гликоза.

Иста појава се случува кога се раствора β-D-гликоза искристализирана од пиридин и чиј специфичен агол на скршнување е +19°. Со растворањето на β-обликот, аголот на специфичното скршнување на поларизираната светлина се зголемува од +19° до 52,8°.