Көмірсулардың классификациясы: моносахаридтер, дисахаридтер, полисахаридтер. Көмірсулардың химиялық құрылымы, қасиеттері мен қызметтері. Биология, 10 сынып, дидактикалық материал.

Көмірсулар туралы жалпы мәліметтер

Көмірсулар табиғатта өте кең таралған және адам өмірінде аса маңызды роль атқарады. Олар қоректі заттардың құрамына кіреді, адамға қажетті энергия негізінен осы көмірсулармен толтырылады.

Ақуыздың биосинтезіне және тұқым қуалау қасиеттерінің берілуіне қажетті нуклеин қышқылдары осы көмірсулардың туындыларынан құралған. Әсіресе көмірсулар туындыларының фотосинтез процесінде маңызы зор.

Фотосинтез процесі деп қарапайым заттардан (Н₂О және СО₂) күн сәулесінің энергиясын пайдаланып жасыл пигмент хлорофильдің қатысуы арқылы көмірсулардың түзілуін айтады.

Фотосинтездің сызба нұсқасы:

Реакция нәтижесінде түзілген глюкоза өсімдік организмінде түзілетін басқа заттардың (крахмал, май) негізі болып табылады.

Барлық өсімдіктер әлемінде жүріп жатқан фотосинтез процесінің үлкен экологиялық маңызы бар. Себебі жер шарының өсімдіктері 550 млрд тонна СО₂ сіңіріп, 400 млрд тонна оттегіні бөліп  шығарады.

Кейбір көмірсуларды химиялық жолмен өңдеу арқылы маталар, қопарылғыш заттар және т.б. алады.

Көмірсулардың жалпы формуласы: С_mH_2nO_n, олардың қасиеттері оксиальдегидтер меноксикетондарғажуық. Өсімдіктердің құрғақ  заттарының 80%, жануарлардың 20 % көмірсулар үлесіне тиеді.

Моносахаридтер

Көмірсулар негізінен үш топқа бөлінеді: моносахаридтер, дисахаридтер, полисахаридтер.

Моносахаридтер деп молекуласында бір карбонил (альдегид немесе кетон) және бірнеше гидроксил топтары бар қосылыстарды атайды. Альдегид тобы бар моносахаридтер альдоздар, ал кетон тобы бар моносахаридтер кетоздар деп аталады.

Көмірсулар молекуласындағы көміртегі атомының санына байланысты былай бөлінеді:

3 көміртегі атомы болса - триоза – глицеральдегид және диоксиацетон;

4 көміртегі атомы болса - тетроза – эритроза және эритрулоза;

5 көміртегі атомы болса - пентоза – рибоза және рибулоза;  

6 көміртегі атомы болса - гексоза – глюкоза және фруктоза.

Бұлардың ішінде ең көп тарағандары пентозалар мен гексозалар.

Биологиялық маңызы зор гексозаларға: глюкоза (жүзім қанты) – альдоза (альдоспирт), фруктоза (жеміс қанты)- кетоза (кетоспирт) жатады.

Моносахаридтер - қатты заттар, суда жақсы ериді, дәмі тәтті, реакция ортасы  бейтарап. Монозалардың ациклді түрімен қатар циклді түрлері бар. Моносахаридтердің циклді түрлерін жарты ацетальді дейді. Сулы ерітінділерде екі циклді формалар – пираноза және фураноза болады.

Алты мүшелі цикл альдегид тобы ОН тобымен әрекеттескенде түзіледі, егер С₅ болса, альдогексоза, С₆ болса, кетогексоза түзіледі. Осындай циклдер пираноздар деп аталады.Бес мүшелі альдогексоз  циклі түзілу үшін С₄, ал С₅ болса, кетогексоздар – фураноздар түзіледі.

 Мысалы, глюкоза сулы ерітіндіде 5 таутомерлік форма түрінде болуы мүмкін: ашық, альфа- мен бета-пираноза және альфа- мен бета-фураноза. Таутамерияның осындай түрі цикло-оксо-таутомерия деп аталады.

Циклді формаға ауысатын моносахарид ерітінділері ерекше қасиетке ие: олардың ерітінділері тұрған кезде моносахаридтің бір формасы екінші формаға біртіндеп ауысады. Мұндай жаңадан дайындалған моносахарид ерітіндісінің оптикалық белсенділігінің өзгеру құбылысынмутаротация деп атайды.

Химиялық қасиеттері

Моносахаридтердің химиялық қасиеттері оның құрамындағы гидроксо- және альдегид (немесе фруктозадағы кето-)  топтарына байланысты.

1. Спирттер сияқты моносахаридтер сілтілермен әрекеттесіп, алкоголяттар немесе сахараттар түзеді. Мысалы: қалыпты температурада глюкоза мыс (II) гидроксидімен әрекеттесіп, көк түсті мыс сахаратын түзеді.

2. Тотығу реакциясы. Барлық гексоза - альдозалар жеңіл тотығады. Олар альдегидтер сияқты күміс айна реакциясына түседі және Фелинг сұйығын тотықсыздандырып қызыл түсті мыс (І) оксидін береді. Бұл реакция альдоздар мен кетоздарды анықтауға қолданылатын сапалық реакцияларға жатады, глюкозанда альдегид тобы бар екендігін дәлелдейді.

3. Қосып алу реакциясы. Гексоза - альдозалар қосып алу реакциясына бейімді. Олар сутегіні қосып алып, көп атомды спирттер түзеді.

Моносахаридтерді тотықсыздандыруға сутек, натрий боргидриді және катализатор (палладий, никель) қолданылады.

4. Орын басу реакциясы. Моносахаридтерді фенилгидразинмен қыздырғанда, суда қиын еритін - озазондар түзеді. Бұл реакция карбонил тобын алу үшін пайданылады.

5. Гликозидтер түзілуі. Реакция кезінде жай эфирлер сияқты заттар түзіледі, оларды гликозидтер дейді.

6. Сілтілердің әсерінен өзгеруі. Моносахаридтер сілтілік ортада оңай енольдық түріне өтеді. Глюкоза, манноза және фруктоза енольдық түріне өткенде олардың бірінші және екінші көміртегі атомдарындағы бір бірінен айырмашылықтары жоғалады. Сондықтан, енольдық түрінен барлық үш моносахаридтер түзіледі.

7.Ферменттер (энзимдер) қатысында көмірсулар ашиды:

С₆Н₁₂О₆  ®  2 СН₃ – СНОН-СООН – сүт қышқылды ашу

8. Май қышқылды ашу С₆Н₁₂О₆  ®  2СО₂ + 2Н₂ + СН₃-(СН₂)₂СООН

9. Спиртті ашу  С₆Н₁₂О₆  ®  2СО₂  +  2 С₂Н₅ОН

Дисахаридтер және полисахаридтер, құрылысы. Физикалық және химиялық қасиеттері

Дисахаридтер деп гидролиздегенде екі молекула моносахаридтерге ыдырайтын көмірсуларды атайды. Дисахаридтерге сахароза (тағам ретінде қолданылатын қант), мальтоза, лактоза (сүт қанты) және целлюбиоза жатады. Олардың жалпы формуласы С₁₂Н₂₂О₁₁. Табиғатта ең көп тараған дисахарид- сахароза. Осы дисахаридтер гидролизденгенде келесі моносахаридтер түзіледі.

Сахароза +Н₂О →  глюкоза + фруктоза

Лактоза +Н₂О  → глюкоза + галактоза

Мальтоза+ Н₂О →  глюкоза + глюкоза

Мальтоза. Бос күйінде табиғатта кездеспейді, крахмал толық гидролизбегенде түзіледі. Мальтоза гидролизденіп екі глюкозаның молекуласын түзеді.

Целлобиоза. Мальтоза тәріздес дисахарид, айрмашылығы тек β-глюкозадан тұрады. Табиғатта клетчатканың құрамында кездеседі, сондықтан клетчатканы гидролиздеу арқылы алады.

Сахароза табиғатта өсімдіктерде өте жиі кездеседі. Ол гидролизденіп, глюкоза мен фруктозаға ыдырайды.

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О  →  С₆Н₁₂О₆   +     С₆Н₁₂О₆

  Сахароза           глюкоза        фруктоза

Сахароза ақ түсті, дәмі тәтті, суда жақсы еритін кристалды зат. Сахарозада бос жартылай ацетальды гидроксил топтары болмағандықтан, оның тотықсыздандырғыш қасиеті жоқ. Сахароза тотықсыздандырылмайтын дисахаридке жатады.

Сахорозаның химиялық қасиеттері оның құрамындағы функционалдық топтарға байланысты. Сахарозаның құрамында гидроксотоптарының болуына байланысты ол глюкоза сияқты мыс гидроксидімен әрекеттесіп, көк түсті мыс сахаратын түзеді. Ал қышқылдарымен әрекеттесіп, күрделі эфирлер түзіледі. Сахарозада альдегид тобы болмағандықтан ол күміс (І) оксидімен әрекеттеспейді.

Лактоза (сүт қанты). Тек сүтте ғана кездесетін дисахарид.

Лактозаны сүт сарысуын кристалдау арқылы алады. Лактозаның тәттілігі қанттан 6 есе төмен, суда жақсы еритін, өте нәрлі зат. Лактоза гидролизденген глюкоза мен галактозаға ыдырайды.

Лактозаның молекуласындағы альдегид тобын тотықтырып, лактобион қышқылын алуға болады. Қыздырғанда лактоза күміс оксидінің аммиактағы ерітіндісімен күміс айна реакциясына түседі, ал Фелинг сұйығымен әрекеттескенде реакцияның нәтижесінде мыс (І) оксиді бөлініп шығады. Сондықтан ол тотықсыздандырылатын дисахаридке жатады.

Полисахаридтер деп гидролизденгенде n - молекула моносахаридтерге ыдырайтын жоғары молекулалық көмірсуларды атайды.   Полисахаридтердің маңызды өкілдеріне крахмал, гликоген, клетчатка жатады. Жалпы формуласы (С₆Н₁₀О₅)_n. Полисахаридтер үлкен молекулалы қосылыстар, суда ерімейді.

Крахмал (С₆Н₁₀О₅)_n - табиғатта ең көп тараған көмірсу, адамдар мен жануарлар үшін негізгі қоректік зат. Крахмал суда ерімейтін ақ ұнтақ, ыстық суда ісініп, клейстер түзеді, йодпен әрекеттескенде көк түс пайда болады. Крахмал түйіршіктері екі полисахаридтен: амилозадан (10-20%) және амилопектиннен (80-90%) тұрады.

Амилаза – сызықты мономер, 200-350 мономер буындарынан тұрады, D-глюкопиранозды қалдықтары α – 1,4-глюкозидті байланыспен байланысқан:

Амилопектин – тармақталған структуралы полимер, молекуласында 1000 және одан да көп D-глюкоза қалдығы бар. Полисахаридтер тізбегінде глюкоза қалдықтары α – 1,4-глюкозидті байланыстармен қосылған, ал бүйректегі тармақтары негізгі тізбекпен α – 1,6-глюкозидті байланыспен байланысқан. 

Крахмалды кондитер өндірісінде, этил, бутил спирттерін алуға, лимон қышқылын, глицерин алуға қолданады.

Крахмал гидролизденгенде аралық заттар, ерімтал крахмал декстриндерге, содан кейін мальтозаға ыдырайды.

Организмде крахмал ас қорытатын жолдарда ферменттердің әсерінен гидролизденіп глюкоза мен мальтозаға ыдырайды. Крахмал көп атомды спирттерге тән реакцияларға түседі, жай және күрделі эфирлер түзеді.

Гликоген. Бұл көмірсу крахмалдың аналогы. Крахмал негізінде өсімдіктерде болса, гликоген адам мен жануарлар бауырының тканьдерінде глюкозадан түзіледі. Гликоген ақ түсті ұнтақ, йодпен әрекеттескенде қою қызыл түске боялады. Ол крахмал тәрізді гидролизденеді.

Клетчатка (целлюлоза). Клетчатка немесе целлюлоза формуласы (С₆Н₁₀О₅)_n барлық өсімдіктердің құрамында болады, олар клетка қабықшасын түзеді. Клетчатка суда, эфирде, спиртте ерімейді, сұйытылған қышқылдар мен сілтілердің ерітінділеріне төзімді болады.

   Клетчатка тек қана Швейцар реактивінде (сұйытылған Сu(OH)₂, концентрлі  NH₃ және концентрлі H₂SO₄) ериді. Таза клетчатка молекулалық массасы 100 000 және одан да астам, түссіз, иіссіз, талшықты, ақ түсті зат. Целлюлозаның әр буынында 3 гидроксил тобы болады, олар минералды қышқылдармен, органикалық қышқылдармен күрделі эфир түзуге қатысады:

С₆Н₇О₂(ОН)₃ +  3HNO₃® С₆Н₇О₂(NО₂)₃ + 3Н₂О

Тринитроцеллюлоза алынады, егер бір не екі гидроксил топтары қышқылдарға алмасса, сәйкесінше нитро-, динитроцеллюлоза түзіледі.

Сірке қышқылымен әрекеттесіп, ацето-, диацето-, триацетоцеллюлоза түзеді. Целлюлоза толық тотығу реакциясына түссе, көмір қышқыл газы және су түзіледі:

(С₆Н₁₀О₅)_n + nO₂  → 6 nСO₂  +  5 n Н₂O

Тапсырма -1.

1.__________________ деп молекуласында бір карбонил (альдегид немесе кетон) және бірнеше гидроксил топтары бар қосылыстарды атайды.

2.____________ тобы бар моносахаридтер альдоздар, ал ___________ тобы бар моносахаридтер кетоздар деп аталады.

3.Көмірсулар молекуласындағы көміртегі атомының санына байланысты былай бөлінеді:

3 көміртегі атомы болса - ___________– глицеральдегид және диоксиацетон;

4 көміртегі атомы болса - __________ – эритроза және эритрулоза;

5 көміртегі атомы болса - __________ – рибоза және рибулоза;  

6 көміртегі атомы болса -___________ – глюкоза және фруктоза.

4.______________  деп гидролиздегенде екі молекула моносахаридтерге ыдырайтын көмірсуларды атайды.

Олардың жалпы формуласы ____________.

Сахароза +Н₂О →  _____________+_______________

Лактоза +Н₂О  → _______________+______________

Мальтоза+ Н₂О →  ______________+______________

5.________________  деп гидролизденгенде n - молекула моносахаридтерге ыдырайтын жоғары молекулалық көмірсуларды атайды.   Полисахаридтердің маңызды өкілдеріне __________, _____________, ______________  жатады. Жалпы формуласы (С₆Н₁₀О₅)_n.

6. Тотығу реакциясы. Барлық гексоза - альдозалар жеңіл тотығады. Олар альдегидтер сияқты күміс айна реакциясына түседі және Фелинг сұйығын тотықсыздандырып қызыл түсті ________________ береді.

Жауап

1.Моносахаридтер деп молекуласында бір карбонил (альдегид немесе кетон) және бірнеше гидроксил топтары бар қосылыстарды атайды.

2.Альдегид тобы бар моносахаридтер альдоздар, ал кетон тобы бар моносахаридтер кетоздар деп аталады.

3. Көмірсулар молекуласындағы көміртегі атомының санына байланысты былай бөлінеді:

3 көміртегі атомы болса - триоза – глицеральдегид және диоксиацетон;

4 көміртегі атомы болса - тетроза – эритроза және эритрулоза;

5 көміртегі атомы болса - пентоза – рибоза және рибулоза;  

6 көміртегі атомы болса - гексоза – глюкоза және фруктоза.

4.Дисахаридтер деп гидролиздегенде екі молекула моносахаридтерге ыдырайтын көмірсуларды атайды. Олардың жалпы формуласы С₁₂Н₂₂О₁₁.

Сахароза +Н₂О →  глюкоза + фруктоза

Лактоза +Н₂О  → глюкоза + галактоза

Мальтоза+ Н₂О →  глюкоза + глюкоза

5.Полисахаридтер деп гидролизденгенде n - молекула моносахаридтерге ыдырайтын жоғары молекулалық көмірсуларды атайды.   Полисахаридтердің маңызды өкілдеріне крахмал, гликоген, клетчатка жатады. Жалпы формуласы (С₆Н₁₀О₅)_n. Полисахаридтер үлкен молекулалы қосылыстар, суда ерімейді.

1. Спирттер сияқты моносахаридтер сілтілермен әрекеттесіп, алкоголяттар немесе сахараттар түзеді. Мысалы: қалыпты температурада глюкоза мыс (II) гидроксидімен әрекеттесіп, көк түсті мыс сахаратын түзеді.

2. Тотығу реакциясы. Барлық гексоза - альдозалар жеңіл тотығады. Олар альдегидтер сияқты күміс айна реакциясына түседі және Фелинг сұйығын тотықсыздандырып қызыл түсті мыс (І) оксидін береді. Бұл реакция альдоздар мен кетоздарды анықтауға қолданылатын сапалық реакцияларға жатады, глюкозанда альдегид тобы бар екендігін дәлелдейді.