Углеводы — основной источник энергии для всех живых организмов, включая человека. Это органические соединения, состоящие из карбонильных (-CO) гидроксильных (-OH) групп, в зависимости от числа которых они подразделяются на моно-, ди- и полисахариды. К моносахаридам относится и глюкоза (формула вещества C6H12O6).
Строение молекулы и физические свойства
Глюкоза принадлежит к сложным моносахаридам (ряд полиоксиальдегидов). В чем состоит особенность таких сахаров: они содержат не один, а несколько асимметричных атомов углерода, причем у каждого из них возможны две разные конфигурации заместителей. Молекула может существовать в виде двух циклических форм (альфа и бета). Их различие состоит в пространственном нахождении одной из гидроксильных групп. Поэтому структурная формула соединения может быть записана таким образом:
- O = CH — CHOH — CHOH — CHOH — CHOH — CH2OH.
- CH2OH (CHOH)4 — COH.
Кроме того, соединение может находиться и в линейном виде (D-глюкоза). Именно в такой форме она наиболее часто существует в природе. А вот ее зеркальный антипод — L-глюкоза — встречается крайне редко.
Соединение известно человечеству с самых давних времен — с6н12о6 кристаллизуется из меда (он состоит из нее и фруктозы), которым подслащивали блюда еще в древности. Кроме того, она содержится в соке множества фруктов и ягод.
Но в чистом виде она была получена впервые в XVIII веке — немецкий химик Маргграф выделил ее из виноградного сока. Позже, в начале XIX века, подобный опыт повторил и французский ученый Пруст: он осадил кристаллы альфа-глюкозы из винограда. Именно эти эксперименты и стали причиной того, что глюкоза получила дополнительное название «виноградный сахар» (декстроза).
По своим физическим свойствам глюкоза — белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, не имеющее никакого специфического запаха, сладкое на вкус (однако ее сладость много слабее, чем у сахарозы). Молекулярная масса равна 180,16 г/моль.
С точки зрения химии: соединение хорошо растворяется в воде, взаимодействует с некоторыми солями (например, с хлоридом цинка ZnCl), серной кислотой (H2SO4), реактивом Швейцера (аммиачный раствор гидроокиси меди).
Получение вещества
Существует несколько способов получения этого вещества. Но в основе большинства из методов промышленного синтеза лежат реакции:
- Гидролиза с участием полисахаридов (крахмал) — (C6H10O)n +nH2O → nC6H12O6 — взаимодействие протекает под влиянием повышенных температур и катализаторов, в качестве которых могут выступать ферменты или кислоты. Причем ферментативный способ — это «дополнение» к кислотному.
- Разложение дисахаридов под воздействием воды — C12H22O11 (мальтоза) + H2O → 2C6H12O6, или C12H22O11 (сахароза) + H2O → C6H12O6 (глюкоза) + C6H12O6 (фруктоза).
- Формозной реакцией (Бутлерова) — 6HC-OH (формальдегид или муравьиный альдегид) → C6H12O6 — реакция протекает в щелочной среде, под воздействием гашеной извести (формула Ca (OH)2).
В природе она образуется в растениях (процесс фотосинтеза): 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2. Но для человека глюкоза тоже важна, так как участвует в метаболических процессах.
Химические характеристики
Соединение «суммирует» в себе свойства альдегидов (в составе есть группа -C-O-H), и спиртов (есть гидроксогруппа-OH). Поэтому оно может себя вести двояко. Основные реакции:
- Окисление кислотами. Реакция взаимодействия с азотной кислотой: C6H12O6 + HNO3 → C6H10O8 — в результате образуется глюкаровая (сахарная) кислота.
- Взаимодействие со щелочами — C6H12O6 + 2Cu (OH)2 → C6H12O7 (глюконовая кислота) + Cu2O + 2H2O.
- Восстановительные реакции: C6H12O6 + H2 → C6H14O6 (сорбит). Процесс протекает при повышенной температуре и с участием катализатора, в качестве которого используют никель (Ni).
- Качественная реакция на глюкозу («серебряное зеркало») — таким способом ее отличают от фруктозы — C6H12O6 + Ag2O (аммиачный раствор) → C6H12O7 + 2Ag (осадок). Особенность состоит в том, что глюкоза содержит альдегидную группу, поэтому при взаимодействии будет происходить «осаживание» серебра. Для фруктозы такой процесс невозможен.
- Брожение. Существует несколько разновидностей: молочнокислое, спиртовое, масляное, дрожжевое — все зависит от ферментов, под действием которых происходит процесс — C6H12O6 → 2C2HOH (этанол) + 2CO2; C6H12O6 → C3H7-COOH (масляная кислота) + 2H2 + CO2; C6H12O6 → 2C3H6O3 (молочная кислота).
Молочнокислое брожение происходит при скисании молока, квашении капусты, силосования трав и других подобных случаях. Образующаяся молочная кислота предохраняет полученный продукт от порчи, препятствуя развитию процессов гниения.
Примечание: брожение — очень сложная цепь химических превращений, в результате которых образуются более простые вещества.
Функции и применение
Одна из наиболее важных функций глюкозы в живых организмах — обеспечение их энергией. Образование этого вещества в процессе фотосинтеза из углекислого газа (CO2) и воды (H2O) идет за счет солнечной активности, которая как бы «запасается впрок» в декстрозе.
При окислении декстрозы (протекает постепенно) «собранная» энергия высвобождается и используется для обеспечения процессов жизнедеятельности. Конечными продуктами этой реакции являются CO2 и H2O (как при горении):
C6H12O6 + O2 → 6CO2 + 6H2O.
Глюкоза, полученная фотосинтезом, служит исходным веществом для образования молекул большинства других важных для функционирования организмов соединений. Это ее вторая биохимическая функция.
Виноградный сахар используется во многих отраслях промышленности. Например, без него нельзя обойтись в пищевой отрасли: кондитерском деле, изготовлении сладких и алкогольных напитков (спиртовое брожение при производстве пива), при выпечке хлеба, и прочем. Другие варианты применения глюкозы:
- Медицина — в качестве общеукрепляющего лечебного средства при истощениях, интоксикации, сердечной слабости (моногидрат декстрозы нормализует сократительную функцию миокарда), для купирования шокового состояния, активизации работы печени, в качестве парентерального питания и так далее.
- Текстильная промышленность — при крашении и печатании изображений.
- Химическая и фармацевтическая отрасль — для консервирования крови, приготовления медикаментов (она входит в состав противошоковых и кровезаменяющих средств), при синтезе аскорбиновых и глюконовых кислот, а также ряда производных сахаров.
- При производстве зеркал, елочных украшений — серебрение.
А еще глюкоза незаменима и в микробиологии: именно она используется в качестве питательной среды для получения кормовых дрожжей. Важна она и для сельского хозяйства, например, при производстве меда ею подкармливают пчел.
