Моносахариды представляют собой простейшие углеводы, состоящие из
одной молекулы сахара, не гидролизующихся на более простые углеводы. Их
общая формула CₙH₂ₙOₙ, где n ≥ 3. Ключевой особенностью
является наличие карбонильной группы (альдегидной или
кетонной) и нескольких гидроксильных групп, что обуславливает их
химическую активность.
Классификация по числу атомов углерода:
- Триозы (C₃H₆O₃): пример — глицеральдегид,
дигидроксиацетон.
- Тетрозы (C₄H₈O₄): эритроза, треоза.
- Пентозы (C₅H₁₀O₅): рибоза, ксилоза.
- Гексозы (C₆H₁₂O₆): глюкоза, фруктоза,
галактоза.
- Гептозы (C₇H₁₄O₇): редко встречающиеся, участвуют в
биохимических циклах.
Классификация по типу карбонильной группы:
- Альдозы — содержат альдегидную группу (-CHO) на
первом атоме углерода; обладают восстанавливающими свойствами.
- Кетозы — содержат кетонную группу (C=O) на втором
или третьем атоме углерода; менее реакционноспособны по отношению к
окислению, чем альдозы.
Пространственная
конфигурация и изомерия
Моносахариды проявляют стереоизомерию, обусловленную
наличием нескольких хиральных центров. Каждый хиральный атом углерода
может существовать в двух конфигурациях (D и L).
Ключевые понятия:
- Энантиомеры D и L — зеркальные изомеры; для
природных моносахаридов доминируют D-формы.
- Диастереомеры — не зеркальные, но отличаются
конфигурацией одного или нескольких хиральных центров.
- Пирранозные и фуранозные формы — циклические
структуры с пяти- или шестичленными кольцами, возникающие за счёт
внутримолекулярной реакции альдегидной или кетонной группы с
гидроксилом.
- Аномеры α и β — различие конфигурации на аномерном
углероде после циклизации; α — гидроксил противоположен CH₂OH группы, β
— на той же стороне.
Физические свойства
- Растворимость: большинство моносахаридов хорошо
растворимы в воде за счёт образования водородных связей.
- Кристаллическая структура: глюкоза и фруктоза
кристаллизуются в виде игольчатых или моноклинных кристаллов.
- Вязкость и сладость: фруктоза слаще глюкозы,
благодаря особенностям пространственной структуры и способности к
взаимодействию с вкусовыми рецепторами.
- Оптическая активность: обусловлена хиральностью
молекулы; способность вращать плоскость поляризованного света.
Химические свойства
Восстановительные свойства:
- Альдозы окисляются до соответствующих кислот (например, глюкоза →
глюконовая кислота).
- Тест Фелинга и Толленса используют восстановительные свойства
альдоз.
Реакции с основаниями и кислотами:
- Образование сложных эфиров, ацеталей и кеталей.
- Этерификация гидроксильных групп.
- Изомеризация под действием щелочей (например, изомеризация глюкозы в
фруктозу в щелочной среде).
Реакции дегидратации и разложения:
- При нагревании с кислотами образуются гидроксиметилфурфуролы.
- Термодеструкция ведёт к образованию углеродистой массы.
Гликозидное образование:
- Взаимодействие с алкоголями и фенолами приводит к образованию
гликозидов.
- Ацетали и кетали стабилизируют молекулу в циклической форме, защищая
от окисления.
Биологическая роль
Моносахариды являются основным источником энергии
для клеток:
- Глюкоза участвует в гликолизе, трикарбонатном цикле и дыхательной
цепи, обеспечивая синтез АТФ.
- Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеотидов и нуклеиновых
кислот.
- Фруктоза и галактоза метаболизируются через специализированные пути
в печени.
Функции как структурных компонентов:
- Пентозы — составные элементы РНК и ДНК.
- Гексозы — исходные молекулы для синтеза гликопротеинов и
гликолипидов.
- Моносахариды участвуют в построении сложных полисахаридов: крахмала,
гликогена, целлюлозы.
Методы получения и анализа
Из природных источников:
- Экстракция из фруктов, овощей, меда.
- Гидролиз дисахаридов (сахароза, лактоза) с использованием кислот или
ферментов.
Химический синтез:
- Ребуджеров синтез гексоз.
- Изомеризация и восстановление соответствующих сахаров.
Аналитические методы:
- Тонкослойная хроматография (ТЛХ) и
высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) для
разделения изомеров.
- Спектроскопия ЯМР и ИК-спектроскопия для
определения конфигурации и структуры.
- Оптическая плотность и ротация поляризованного
света для измерения оптической активности.
Ключевые химические
реакции моносахаридов
| Тип реакции |
Примеры |
| Окисление |
Глюкоза → глюконовая кислота |
| Восстановление |
Глюкоза → сорбит |
| Изомеризация |
Глюкоза ↔︎ Фруктоза |
| Реакции с аммиаком |
Образование гликозиламина |
| Ацетилирование |
Замещение гидроксилов на ацетильные группы |
Моносахариды выступают как универсальные метаболические
промежуточные соединения и как структурные элементы
биомолекул, что делает их фундаментальными для биохимии и
органической химии одновременно.