Білім берудің және оқытудың әдістері: жұптасып жұмыс істеу, жаттығуларды орындау.
6. Информациялық-дидактикалық блок (аннотация)
Көмірсулар табиғатта кең таралған, олар барлық өсімдіктердің клеткаларында болады. Тірі организмдерде жүретін метоболизм процесінде көмірсулар негізгі энергия беретін көз ретінде саналады. Мысалы, өсімдіктерде жүретін фотосинтез процесінде көмір қышқыл газының күн энергиясының қатысуымен көмірсуларға дейін тотықсызданады. Адамның және жануарлардың организмдерінде бұл энергия қайтадан көмірсуларының тотығу нәтижесінде бөлініп шығады.
Көмірсулар тотыққанда бөлініп шыққан энергияның бір бөлшегі жылуға, екіншісі жаңа химиялық түрге, яғни АТФ жинақталып, кейін әр түрлі тіршілікке қажетті процестердің (бұлшық ет талшықтарының қысқарылуына, нерв импульстарын тасымалдауға және т.б.) жүруіне жұмсалады.
Көмірсулар гидролиздену қабілеттеріне байланысты екі негізгі класқа бөлінеді:
1. Қарапайым көмірсулар немесе қарапайым қанттар, бұларды моносахаридтер немесе моноздар, сонымен қатар гликоздар деп те атайды;
2. Күрделі көмірсулар немесе күрделі қанттар; бұларды полисахаридтер, полиоздар деп атайды.
Моносахаридтер гидролиз процесіне ұшырамайды. Полисахаридтер гидролизденгенде моносахаридтер түзіледі. Полисахаридтерге молекуласы жүздеген немесе мыңдаған моносахаридтерден тұратын жоғары молекулалық қосылыстар жатады. Олардың жалпы формуласы (С6Н10О5)n. Полисахаридтердің ішінде крахмал мен целлюлозаның маңызы зор. Төменгі молекулалық полисахаридтерді, яғни құрамында 2-ден 10-ға дейін моноздар енетін сахаридтерді олигосахаридтер деп атайды. Олигосахаридтер мен полисахаридтер құрамындағы моноз қалдықтарының табиғатына байланысты гомополисахаридтерге және гетегополисахаридтерге бөлінеді.
Моносахаридтер
Моносахаридтер гетереофункциялық қосылыстар. Олардың молекулаларында бір карбонил (альдегид немесе кетон) және бірнеше гидроксил топтары болғандықтан олар полигидроксикарбонил қосылыстарына – полигидрокиальдегидтерге немесе полигидрокикетондарға жатады. Олардың құрамындағы көміртек тізбектері тармақталмаған.
Альдегид тобы бар моносахаридтер альдоздар, ал кетон тобы бар моносахаридтер кетоздар деп аталады.
Моносахаридтер құрамындағы көміртек атомдарының сандарына қарай триоза С3Н6О3, тетроза С4Н8О4, пентоза С5Н10О5, гексоза С6Н12О6, гептоза С7Н14О7 болып бөлінеді. Бұлардың ішінде ең көп тарағандары пентоздар мен гексоздар.
Карбонил топтарының табиғатына және көміртек тізбегінің ұзындығына байланысты моносахаридтер альдопентоз, альдогексоз, кетопентоз, кетогексоз болып бөлінеді.
Моносахаридтер изомериясы карбонил тобының орналасуымен қатар ассимметриялық көміртск атомдарының санына байланысты болады.
Құрамы бірдей альдоздар мен кетоздар карбонил тобының орналасу орнына байланысты бір-біріне изомерлі. Мысалы, альдогексоздың изомері кетогексоз.
Моносахаридтердің оптикалық изомериясы ассиметриялық көміртек атомының санына ғана тәуелді (төменгі формулаларда жұлдызшамен белгіленген).
Мысалы, альдегексозда төрт ассимериялық көміртек атомы болғандықтан оның 16 стереоизомері (2n) болады, оның ішінде 8-і жұп айналық изомерлер (энантиомерлер).
Энантиомерлер – кеңістікті изомерлер, молекулалары бір-біріне өзінің айнадағы бейнесіне симметриялы.
16 изомердің бәрі белгілі, әрқайсысының жеке аттары бар, олардың ішінде табиғатта кездесетіндері синтетикалық жолмен алынғандар да бар.
Альдокетоксозаға сәйкес кетогексоздарда хиральдық (ассиметриялық) көміртек атомының саны бір атомға кем болғанына қарай стереоизомерлердің (23) саны 8-ге дейін (4 жұп энантиомерлерге) азаяды.
Моносахаридтердің ашық тізбекті түрін белгілеуге Фишердің проекциялық формулалары қолданылады. Бұл формулаларда көміртек тізбегі тігінен жазылады. Альдоздарда альдегид тобы жоғары жағына, ал кетоздарда жоғарыдан санағанда екінші көміртек атомымен карбонил тобы көрсетіледі. Нөмірлеу жоғарыдан төмен қарай жүргізіледі.
Айналы изомерлердің физикалық және химиялық қасиеттері бірдей болғандықтан, оларға бірдей атаулар қолданылады. Кеңістік конфигурацияларының қарамақарсылығын көрсету үшін D немес L әріпі қолданылады.
D әріпімен проекциялық формулада ең төменгі ассиметриялық көміртек атомындағы гидроксо топ оң жағында орналасқан қанттар, ал L әрпімен ең төменгі ассиметриялық көміртек атомындағы гидроксотоп сол жағында орналасқан қанттар белгіленеді. Сонымен қатар (+) немесе (-) деген белгі қолданылады; (+) деген белгімен оң жаққа қарай оптикалық айналу бағыты бар моносахаридтер, ал керісінше бағыты барлар (-) деп белгіленеді.
Химиялық құрылымы бірдей, бір немесе бірнеше ассиметриялық көміртек атомының конфигурациясы әр түрлі стереоизомерлерді диастереомерлер дейді. Моносахаридтердің диастереомерлеріне тек бір ассиметриялық көміртек атомының конфигурациясында өзгешелік болса, олар эпимерлер деп аталады. Мысалы, төменде келтірілген D-глюкозаның D-галактозадан айырмашылығы тек қана С-4 конфигурациясында, D-глюкозаның D-монозадан айырмашылығы С-2 конфигурациясында. Сондықтан бұлар эпимерлер болып саналады.
Моносахаридтердің циклды түрлері. Моносахаридтердің кейбір қасиеттерін жоғарыда қаралған ациклды альдегидоспирт формуласымен түсіндіруге болмайды. Мысалы, глюкозадағы альдегид тобы барлық спирттерге тән реакцияларға түспейді; глюкоза бисульфитті қосылыстар және күкіртті фуксин қышқылымен бояулы заттар түзбейді. Сонымен қатар глюкозаның бес гидроксотобының химиялық табиғаты да бірдей емес. Глюкозаны метил спиртімен және хлорлы сутекпен метилдеу реакциясына түсіргенде бір ғана гидроксотоп әрекеттеседі, ал басқа гидроксотоптарды алкилдеу үшін метил иодиді мен күміс оксидін немесе диметилсульфат пен сілтіні қолдану қажет. Осылай алынған пентаметилглюкозаны гидролиздегенле тек бір метил тобы бөлініп шығады, осыдан басқаларының берік байланысқанын көруге болады. Бұл жағдай глюкозаның жоғарыда келтірілген альдегидоспирт түрінде ғана емес, сонымен бірге алты мүшелі тұйықталған тізбек күйде де болатындығымен түсіндіріледі.
Алғаш рет глюкозаның циклды түрі бар екенін болжамды түрде айтқан Мәскеу университетінің профессоры А.А.Колли (1870) болды, кейін тәжірибе арқылы дәлелдеген неміс ғаламы Б.Толленс (1883).
Қатты күйде глюкоза тұйық тізбекті (циклды) болады. Тұйық тізбекті глюкозаның формуласы атомдардың бір-бірімен қосылу ретінен басқа, олардың кеңістікте орналасу ретін де көрсетеді. Тұйық тізбекті глюкоза a және β формалары түрінде болады.
Глюкозаның циклды түрін оксидтік немесе жартылай ацетальды түр деп атайды. Ерітіндіде глюкозаның a мен β циклды және альдегидтік түрлері өзара бір-бірімен жылжымалы тепе-теңдік жағдайда болады. Бұл құбылысты таутомерия деп атайды.
Альдоздарда циклдық тұйықтану бірінші және төртінші немес бесінші, ал кетоздарда екінші және бесінші немесе алтыншы көміртек атомдарының қатысуымен жүреді. Моносахаридтердің циклды түрлерін атағанда, олардың атына пираноза немесе фураноза деген жалғаулар қосылады.
Жоғарыда көрсетілгендей, циклды түрде қосымша хиралды орталық пайда болады, яғни бұрынғы карбонил тобындағы көміртек атомы. Бұл атомды аномерлі атом деп атады, ал осыған тиісті екі стереоизомерлер a- және β-аномерлер болады.
Сонымен, Фишердің формуласында моносахаридтің a-аномерінде гликозидті гидроксил тобы көміртек тізбегінің оң жағында, ал β-аномерінде сол жағында орналасқан.
a- және β-түрлерінде аномерлі көміртек атомдарының конфигурациялары қарама-қарсы. Бірнеше хиралдық орта болғандықтан a- және β- аномерлер энантиомерлерге жатпайды, олар диастереомерлер. Сондықтан олардың қасиеттері де әртүрлі, мысалы, D-глюкопиранозаның a-аномері кристалды зат, оның балқу температурасы 1460С және салыстырмалы айнымалы +1120, ал β-аномердің балқу температурасы 1500С, салыстырмалы айналымы +190. аномерлер эпимерлердің жеке түрі.
Моносахаридтердің циклды түрлерін көрсетуге перспективті Хеуорс формулалары қолданылады. Бұл формулада циклдер жазық көп бұрыш арқылы көрсетіледі. Циклда көміртек атомдары көрсетілмейді.
Хеуорс формуласын пайдаланып глюкозаның таутомериясын жазайық.
Таутомерия
Моносахаридтер қатты күйінде циклды түрде болады. D-глюкозаны ерітіндіден қайта кристалдандыру әдісін қолданып қатты түріне алғанда еріткіштің табиғатына қарай a-D-глюкопираноза (спирт немес су), немесе β-глюкопираноза (пиридин) шығады. β-D-глюкопиранозаға қарағанда a-D-глюкопираноза суда нашар ериді. Олардың салыстырмалы айналым бұрыштары әр түрлі келеді: a-аномердікі +1120, β-аномердікі +190. Әр аномердің жаңа дайындалған ерітіндісі тұрған сайын олардың салыстырмалы айналым бұрыштары бір белгілі тұрақты мөлшерге жеткенше өзгеріп отырады, екі аномердің ерітіндісіне бірдей шама болып +52,50 саналады.
Көмірсулар ерітінділерінің әсерінен уақыт аралығында жарық толқындарының белгілі бір бағыттағы реттелген тербелісінің жазықтағы өзгеруін мутаротация деп атайды. Мутароцияның химиялық мәні тепе-теңдік мөлшерде моносахаридтердің бір-біріне ауысатын ашық және циклды түрлерінің болуында. Таутомерияның бұл түрі цикло-оксо-таутомерия деп аталады.
