Дисахариды: строение и свойства¶

Дисахариды — класс органических соединений из группы углеводов, молекулы которых состоят из двух остатков моносахаридов, соединённых между собой гликозидной связью. Общая эмпирическая формула большинства дисахаридов — C₁₂H₂₂O₁₁. Они относятся к олигосахаридам и широко распространены в природе как продукты фотосинтеза и запасные или транспортные формы углеводов.

¶Общая характеристика

Дисахарид образуется в результате реакции конденсации двух молекул моносахаридов с выделением молекулы воды. Связь, возникающая между ними, называется гликозидной (чаще всего 1→4 или 1→2). В зависимости от того, участвует ли в образовании связи полуацетальный (гликозидный) гидроксил обоих мономеров или только одного, дисахариды делятся на восстанавливающие и невосстанавливающие.

Молекулярная масса дисахаридов невелика, они хорошо растворимы в воде, сладкие на вкус, кристаллизуются, но, в отличие от моносахаридов, не проходят через мембраны клеток без предварительного расщепления.

¶Классификация

¶Восстанавливающие дисахариды

У таких соединений гликозидной связью занят полуацетальный гидроксил только одного моносахарида, поэтому второй остаток сохраняет свободную альдегидную или кетонную группу (в циклической форме — полуацетальный гидроксил). Это придаёт им восстанавливающие свойства: они дают реакцию «серебряного зеркала», восстанавливают реактив Фелинга и образуют озазоны.

Типичные представители:

Мальтоза (солодовый сахар) — состоит из двух остатков глюкозы, связь α(1→4). Образуется при расщеплении крахмала.
Лактоза (молочный сахар) — галактоза и глюкоза, связь β(1→4). Содержится в молоке.
Целлобиоза — два остатка глюкозы, связь β(1→4). Промежуточный продукт расщепления целлюлозы.

¶Невосстанавливающие дисахариды

Здесь гликозидной связью связаны полуацетальные гидроксилы обоих мономеров, поэтому свободной карбонильной группы нет и восстановительные реакции не идут.

Главный представитель — сахароза (тростниковый или свекловичный сахар): остаток глюкозы и остаток фруктозы, связь α(1→2). Это основной транспортный углевод растений и важнейший пищевой сахар.

¶Физические и химические свойства

Дисахариды — бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, малорастворимые в спиртах. Сахароза — самый сладкий из распространённых дисахаридов; лактоза заметно менее сладкая, мальтоза по сладости уступает сахарозе.

Химические свойства определяются наличием гликозидных связей и (у восстанавливающих форм) свободной карбонильной группы:

Гидролиз. При нагревании с кислотами или под действием ферментов дисахариды распадаются на моносахариды. Так, сахароза даёт глюкозу и фруктозу (инвертный сахар), лактоза — глюкозу и галактозу.
Окисление и восстановление. Восстанавливающие дисахариды окисляются до соответствующих кислот, вступают в реакции с фенилгидразином.
Образование эфиров и гликозидов. Свободные гидроксильные группы способны к ацилированию и алкилированию.

¶Биологическая роль

Дисахариды выполняют в живых организмах несколько функций:

Энергетическая. При гидролизе до моносахаридов они служат источником энергии в клеточном дыхании.
Транспортная. Сахароза — основная форма переноса углеводов по флоэме у растений.
Запасающая и питательная. Лактоза — важный компонент молока млекопитающих.
Структурная. Целлобиоза образуется при ферментативном разложении целлюлозы.

В организме человека и животных дисахариды расщепляются ферментами тонкого кишечника: мальтаза действует на мальтозу, лактаза — на лактозу, сахараза (инвертаза) — на сахарозу. Недостаток лактазы приводит к непереносимости молока.

¶Применение

Пищевая промышленность. Сахароза используется как подсластитель, консервант и сырьё для получения инвертного сахара, карамели, кондитерских изделий. Лактоза применяется в детском питании и фармацевтике как наполнитель.
Брожение. Сахароза и мальтоза — субстраты для спиртового и молочнокислого брожения в производстве пива, вина, кваса, кисломолочных продуктов.
Фармацевтика. Лактоза и сахароза входят в состав таблеток и порошков как вспомогательные вещества.
Микробиология. Дисахариды используются в питательных средах для идентификации микроорганизмов.

¶Значение в питании

Сахароза — основной источник так называемых добавленных сахаров в рационе человека. Избыточное потребление сахара связывают с риском кариеса, ожирения и метаболических нарушений, поэтому Всемирная организация здравоохранения рекомендует ограничивать долю свободных сахаров в суточном калораже. Лактоза при этом считается физиологически ценной, но у части взрослых людей её усвоение затруднено из-за снижения активности лактазы.

¶Методы определения

Для качественного и количественного анализа дисахаридов применяют:

Хроматографию (бумажную, тонкослойную, высокоэффективную жидкостную) — для разделения смесей сахаров;
Поляриметрию — по величине оптического вращения растворов;
Реакцию Фелинга и метод Бертрана — для восстанавливающих сахаров;
Ферментативные методы — высокоспецифичны для отдельных дисахаридов.

¶Интересные факты

Сахароза не восстанавливает реактив Фелинга, но после гидролиза смесь глюкозы и фруктозы даёт положительную реакцию.
При гидролизе сахарозы знак оптического вращения раствора меняется с положительного на отрицательный — это явление называют инверсией, а продукт — инвертным сахаром.
Мальтоза впервые была выделена из солода, откуда и получила название.
Целлобиоза и мальтоза построены из одной и той же глюкозы, но различаются типом гликозидной связи (β и α), что определяет их разное поведение в организме человека.

Источники: учебники по органической и биологической химии, справочные материалы по углеводам, данные Всемирной организации здравоохранения о потреблении сахаров.