Въглехидрати

        Въглехидратите са голяма група органични вещества, изпълняващи важни биологични функции в живите организми.  Изграждането на всички органични вещества на клетката има за основа хлорофилния фотосинтез на въглехидратите в зелените части на растенията. Този процес доказва качествения състав на въглехидратите.

6CO₂ + H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

        Към тях спадат глюкозата, фруктозата, захарозата, нишестето, целулозата и др.

       Названието на въглехидратите е възникнало исторически въз основа на изследванията върху качествения и количествения състав на голям брой отделни представители. Установено е, че във всички случаи те съдържат въглерод, водород и кислород, като съотношението между водорода и кислорода е 2:1, както при водата. Състава им може да бъде изразен с формулата С_n(H₂O)_n, т.е. формално те могат да се разглеждат като хидрати на въглерода.

        Въглехидратите са основна част от храната на живите организми. 80% от сухото вещество на растенията и 20% от това на животните се пада на въглехидратите. Наименованието на въглехидратите е възникнало въз основа на представата, че те са разглеждани като хидрати на въглерода.  По-късно е било установено, че съществуват съединения, които по качествен и количествен състав съответстват на тази формула, но имат различни свойства и следователно те не са въглехидрати (например: оцетна киселина - С₂Н₄О₂, оцетен анхидрид - С₄Н₆О₃ и др). Освен това са познати редица въглехидрати, които не отговарят на общата им формула, но по строеж и свойства се отнасят към този клас съединения (например дезоксирибозата – С₅Н₁₀О₄).

      Понякога въглехидратите се наричат захари,понеже някои техни представители имат сладък вкус.Всички въглехидрати съдържат два типа функционални групи - хидроксилни и алдехидни или кето-групи. Наличието на тези групи определя свойствата им.

Видове въглехидрати:   

        В молекулите на монозахаридите се съдържат: карбонилна група (алдехидна или кетонна) и хидроксилни групи. Според вида на карбонилната група (алдехидна или кетонна) те биват: полихидроксиалдехиди и полихидроксикетони

       Въглехидратите се разделят на три групи: монозахариди (не се хидролизират), олигозахариди (съдържащи от 2 до 10 монозахаридни остатъка) и полизахариди (получават се голям брой монозахаридни остатъка). Докато монозахаридите не могат да се хидролизират, то олигозахаридите и полизахаридите се хидролизират до по-прости захари и в крайния случай до монозахариди. Монозахаридите в зависимост от функционалната природа на карбонилната група се разделят на алдози и кетози. Класификацията на въглехидратите е удобно да се представи със схемата:

     Монозахаридите и олигозахаридите са нискомолекулни, а полизахаридите са високомолекулни вещества.

      Глюкозата (гроздената захар) е въглехидрат ат групата на монозахариди. Химически чистата глюкоза е безцветно кристално вещество със сладък вкус,  разтворимо във вода. В присъствие на примес трудно кристализира, затова търговският продукт е гъста сироповидна течност. При нагряване глюкозата първоначално се стапя и пожълтява, след което карамелизира и най-накрая се овъглява с отделяне на водни пари. Това показва, че глюкозата е изградена от въглерод, водород и кислород. Нейната молекулна формула е С₆Н₁₂О₆. Количественият състав, както и сладкият й вкус, взаимодействието с пряноутаен меден дихидроксид и амонячен ратвор на дисребърен оксид и естерификацията с пет мола оцетен анхидрид са показатели, че глюкозата е хидроксиалдехид. Освен в алдехидна (отворена) форма, тя съществува и в пръстенна форма. Пръстенът е шестатомен. Във воден разтвор цикличната и ацикличната форма са в равновесие:

    Глюкозата е оптично активно вещество. Следователно тя съдържа асиметрични въглеродни атоми.

        Химичните свойства на глюкозата се отнасят до функционалните й групи - пет хидроксилни и една кетонна, както и до цялата молекула .Под дейстнието на ензима цимаза протича спиртна ферментация:

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂

        Фруктозата (овощна захар) е въглехидрат от групата на монозахаридите По физичните си свойства е подобна на глюкозата. Има по-сладък вкус и се различава от нея по това, че се разтваря в етанол. Фруктозата има същия качествен и количествен състав и молекулна маса като глюкозата. Молекулната й формула е С₆Н₁₂О₆. Фруктозата обаче е полихидроксикетон с кетонна група при втория С- атом. Следователно тя е функционален изомер на глюкозата. Молекулите й могат да съществуват в линейна и пръстенна форма – пръстенът е петатомен.

Строеж и свойства на Захароза - Дизахариди

    Захарозата (обикновената захар) е изградена от две монозахаридни остатъка – глюкозен и фруктозен. Чистата захароза е безцветно кристално вещество със сладък вкус и много добра разтворимост във вода. Разтворимостта й в спирт е ограничена. При загряване захарозата се стапя, след това карамелизира, а накрая се овъглява с отделяне на водни пари. Молекулната й формула е  С₁₂Н₂₂О₁₁. Големият брой в молекулата на захарозата се доказва чрез взаимодействието й с меден дихидроксид. При варене с вода, захарозата се хидролизира до глюкоза и фруктоза (в присъствие на катализатор водородни катиони):

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆

      Получената смес се нарича инвертна захар  и се използва като заместител на пчелния мед. Хидролизата и в организмите се извършва под действието на ензима инвертаза.

      Захарозата се използва в хранително- вкусовата промишленост. Употребява се като консервиращо средство, поради антисептичното действие на концентрираните й разтвори.

    Както глюкозата така и захарозата взаимодействат с прясно приготвен меден дихидроксид при обикновена температура, като се получава прозрачен тъмносин разтвор - качествена реакция за многовалентен алкохол със съседни (вицинални) хидроксилни групи.

Полизахариди. Нишесте и целулоза

        Нишесте (C₆H₁₀O₅)_n:

       Нишестето е въглехидрат от групата на полизахаридите. Образува се в зелените части на растенията. След ензимна хидролиза под формата на глюкоза се пренася в семената, корените и други, където се натрупва под формата на малки зрънца. Образуваните нишестени зърна се разграждат под действието на ензими до разтворими захари. Чрез растителните сокове последните се транспортират до корените, семената и др., където ензимно се ресинтезира специфично за растението нишесте. Това нишесте служи като резервна храна. Особено богати на нишесте са оризът (85%), пшеницата (75%), царевицата (72%) картофите (25%). От тях нишестето се добива технически чрез механичното му отмиване с вода.

       Нишестето е бяло прахообразно вещество, без вкус. В гореща вода набъбва и образува колоиден разтвор. При загряване не се стапя, а директно се овъглява. С алкохолен разтвор на йод дава силно оцветяване (качествена реакция за доказването му). Средната молекулна маса на нишестето е от порядъка на 30 000 до 1 000 000. Съставено е от две вещества: амилоза и амилопектин,чиито макромолекули са изградени само от α-глюкозни остатъци. При амилозата макромолекулите са линейни, а при амилопектина разклонени. Под действието на водата в присъствието на киселини нишестето хидролизира (в присъствие на катализатор водородни катиони):

(C₆H₁₀O₅)n + nH₂O → nC₆H₁₀O₆

       В човешкия организъм се хидролизира под действието на ензими, наречени (амилази).

       Нишестето е основна храна за човека и животните. Използва се като суровина за получаване на глюкоза и спирт.

            Целулоза (C₆H₁₀O₅)_n:

        Целулозата е въглехидрат от групата на полизахаридите. Тя е природен полимер, който изгражда стените на растителните клетки, т.е. скелетната част на растенията.

        Целулозата е бяло твърдо вещество, без вкус. Не се разтваря във вода и органични разтворители. Разтваря се в амонячен разтвор на меден дихидроксид. При загряване се овъглява без да се стапя.

        Целулозата има влакнеста структура. Всяко влакно се състои от успоредно разположени макромолекули.При продължително варене при присъствието на минерални киселини или под действието на ензими (целулази) се хидролизира до глюкоза (в присъствие на катализатор водородни катиони):

(C₆H₁₀O₅)_{n +} nH₂O → nC₆H₁₀O₆

        Целулозата е най-разпространеното органично съединение в природата. Най-чиста природна целулоза е памукът, който съдържа целулоза до 98%. Тя е главна съставна част на лена и конопа, както и е основна суровина в  текстилната промишленост, в санитарната техника, в строителството, в мебелната и хартиената промишленост. Дървесината съдържа до 50% целулоза. Ежегодно растенията синтезират около 1011 тона целулоза. Целулозата е бяло влакнесто вещество без вкус. Рентгенографският анализ показва, че тя има кристална структура. Дългите нишковидни целулозни макромолекули са ориентирани по дължината на влакната. Тази структура се нарича влакнеста или фазерна. Отделните макромолекули са свързани чрез водородни връзки в снопчета (нишки).

       Хидролизата на целулозата може да протече и ензимно под действието на ензима целулаза, който я разгражда до дизахарида целобиоза. Хидролизата на целулозата има голямо значение за получаване на глюкоза от дървесни отпадъци.