Эта увлекательная химия

Все эти непонятные, казалось бы, особенности можно объяснить таким образом. Глюкоза существует в виде двух форм: альдегидной и циклической. В первой форме в явном виде присутствует альдегидная группа, она и восстанавливает серебро, она и окисляется в карбоксильную группу. Однако доля этой формы в растворе невелика, и поэтому не идет реакция ни с бисульфитом, ни с фуксинсернистой кислотой. В то же время в циклической форме один из гидроксилов имеет особое, привилегированное положение — он присоединен к атому углерода, который связан еще с одним атомом кислорода. Именно этот гидроксил и образует производное с метиловым спиртом. Этот гидроксил имеет и еще одну интересную особенность — он может находиться внизу или вверху от шестичленного кольца (считаем, что кольцо располагается всегда так, что кислород, входящий в кольцо, находится в дальнем от нас правом углу). Первая форма обозначается буквой α, вторая — β.

Шестнадцать изомеров

Теперь обратим внимание вот на такое обстоятельство. В молекуле глюкозы четыре неравноценных асимметрических атома углерода. Значит, для такого соединения возможно 2⁴ = 16 стереоизомеров, которые образуют 8 пар зеркальных оптических антиподов. Каждое соединение из восьми представляет диастереомер с присущими только ему физическими свойствами (растворимость, температура плавления и т. д.). Глюкоза — лишь один из диастереомеров обширного семейства гексоз, т. е. углеводов с шестью углеродными атомами. Помимо глюкозы в это семейство входят аллоза, альтроза, манноза, гулоза, идоза, галактоза и талоза. Каждое из этих соединений существует в виде двух оптических антиподов, различающихся только знаком вращения плоскости поляризации света (влево или вправо). Вот, например, два антипода глюкозы:

Интересно, что в природе встречается только D- глюкоза, L-антипод был получен синтетически.

Итак, в семействе гексоз шестнадцать сестер — 8 пар близнецов. Близнецы очень похожи друг на друга, пары же сильно разнятся как "характерами", так и "внешностью". (Не нужно еще забывать, что каждое соединение существует в α- и β-формах, которые могут переходить одна в другую. Поэтому общее число форм для альдогексоз увеличивается до 32.)

Назовем еще одно семейство углеводов — пентозы, содержащие в цепи пять углеродных атомов. Все эти углеводы могут быть произведены от глицеринового альдегида путем наращивания углеродной цепи на один, два или три атома. Глицериновый альдегид содержит один асимметрический атом углерода и поэтому существует в виде двух оптических антиподов. Все углеводы, которые производятся удлинением цепи в D — глицериновом альдегиде, относятся к D — ряду. Каждому углеводу D — ряда соответствует оптический антипод, производимый от L — глицеринового альдегида. Из альдегидоспиртов семейства пентозы интерес для нас представляет прежде всего D — рибоза. Мы еще не раз вернемся к этому углеводу: он встречается в некоторых витаминах, коферментах и выполняет важнейшие жизненные функции, являясь составной частью нуклеиновых кислот.

Несколько слов о фруктозе, прежде чем перейти к более сложным углеводам. Этот углевод, как и глюкоза, имеет состав С₆Н₂О₆, но относится к классу многоатомных кетоспиртов. В растворе он существует в виде смеси трех форм — кетонной (ее очень мало) и двух циклических. Молекула фруктозы, кроме того, может существовать и в виде пятичленного кольца. Именно в такой форме фруктоза входит в состав обычного сахара.

Вот сейчас и поговорим об этом "сладком" соединении, а также о некоторых других ему подобных.

О сахаре, крахмале и клетчатке

Глюкоза, фруктоза и ряд других углеводов — это своего рода фрагменты, мономеры, из которых построены длинные цепи полисахаридов — соединений, играющих важную роль в живой природе.

Обычный сахар — первый пример. Молекула сахара, или сахарозы, составлена из двух фрагментов более простых углеводов: α-формы шестичленной циклической глюкозы и β — формы пятичленной циклической фруктозы. Вот как можно изобразить получение молекулы сахарозы:

При "синтезе" сахара мы использовали только две молекулы, соединение которых при помощи особых глюкозидных гидроксилов и дало обычную сахарозу. Но в каждой молекуле глюкозы есть и другие гидроксильные группы, которые могут быть использованы для образования связей. Если соединить в цепочку очень большое число звеньев α — глюкозы, мы получим крахмал:

Отдельные цепи крахмала могут при помощи оставшихся свободных гидроксилов соединяться между собой. Число глюкозных звеньев в макромолекуле крахмала достигает сотен тысяч.

Если для построения такой гигантской молекулы использовать не α-форму глюкозы, а звенья β-глюкозы, то получим целлюлозу, или клетчатку, которая в растениях образует оболочку клеток: