Строение глюкозы как многоатомного альдегидоспирта

Причем тут гликоген и кетодиета

Глюкоза, которая попала в мозг, но не была немедленно превращена в энергию, становится веществом под названием «гликоген», вы наверняка слышали о нем. Гликоген запасается впрок, так как для нашего тела это самый эффективный способ сохранить полезные калории и обеспечить мозг запасом энергии. Но запас гликогена не бесконечен и хранится не более суток.

Если вы не доедаете сахар, то есть ваш организм не дополучает углеводы (меньше 50г), то запасы гликогена быстро тают, и мозг чувствует потенциальную угрозу. Без паники! У него есть план Б: если углеводов маловато, мозг приказывает печени сжигать пищевой жир и синтезировать новые молекулы — кетоновые тела.

Существует даже специальная кетодиета, которая предписывает употреблять много насыщенных жиров и ограничивать потребление углеводов и клетчаткой. Этот метод вынуждает печень сжигать доступные сахара, прежде чем обратиться к жиру для стабилизации уровня сахара в крови. Не слишком-то гуманно по отношению к своему организму, вам так не кажется?

Да, мозг способен использовать кетоны вместо глюкозы (и это даже способствует похудению), но это исключение, а не правило. Это аварийный механизм выживания вашего организма, не нужно им злоупотреблять!

Строение молекулы

Глюкоза принадлежит к классу альдогексоз, то есть является полигидроксиальдегидом, содержащим шесть атомов углерода, альдегидную группу и пять гидроксильных групп. Четыре атома углерода в её структуре являются хиральными, поэтому существует 16 стереоизомерных альдогексоз: некоторые встречаются в природе, некоторые получены синтетически. Конкретную конфигурацию хиральных центров глюкозы в конце XIX в. установил немецкий химик Эмиль Фишер. Он сделал это при помощи реакций наращивания и деградации углеродной цепи сахаров. Наряду с наиболее распространённым в природе моносахаридом D-глюкозой существует также её энантиомер L-глюкоза,который в природе практически не встречается.

D-глюкоза (слева) и L-глюкоза (справа)

Часто D-глюкозу изображают в линейной форме, однако в действительности D-глюкоза существует в циклической форме, образованной в результате присоединения ОН-группы при углероде С-5 к альдегидной группе. Образующийся при этом циклический полуацеталь устойчив: в растворах и кристаллической форме D-глюкоза более чем на 99 % находится в форме полуацеталя. В общем такую форму называют пиранозной (от названия пирана — шестичленного гетероцикла с одним атомом кислорода), а циклическую D-глюкозу называют D-глюкопиранозой.

При описанной циклизации возникает новый стереоцентр при полуацетальном атоме углерода, поэтому D-глюкопираноза может существовать в виде двух диастереомеров, называемых аномерами: α-D-глюкопиранозы и β-D-глюкопиранозы (или кратко: α-D-глюкозы и β-D-глюкозы; α-аномера и β-аномера). Изображать циклические формы углеводов удобно при помощи проекций Хеуорса — идеализированных шестичленных циклов с заместителями над и под плоскостью цикла.

Наиболее близко к истине структуру молекулы глюкозы можно изобразить, используя конформацию «кресло». В таком представлении все гидроксильные группы D-глюкопиранозы находятся в экваториальных положениях (кроме аномерной, которая может находиться в экваториальном либо аксиальном положении в зависимости от аномера). Экваториальные положения более выгодны по сравнению с аксиальными: это объясняет, почему глюкоза является наиболее распространённым моносахаридом.

В растворах α-D-глюкопираноза и β-D-глюкопираноза существуют в равновесии и взаимопревращаются через образование открытоцепной формы. Равновесная доля α-аномера при 31 °C составляет 38 %, а более устойчивого β-аномера — 62 %. Чистые аномеры можно получить в кристаллическом виде: α-аномер кристаллизуется из воды в виде моногидрата, а β-аномер кристаллизуется из пиридина.

Применение

В медицине

Глюкозу используют при интоксикации (например, при пищевом отравлении и инфекциях), вводят внутривенно струйно и капельно, так как она является универсальным антитоксическим средством.

Глюкозу используют для целей регидратации организма, как источник углеводов, в том числе при парентеральном питании.

Также препараты на основе глюкозы и сама глюкоза используются эндокринологами при определении наличия и типа сахарного диабета у человека (в виде стресс-теста на ввод повышенного количества глюкозы в организм).

Глюкозу применяют в медицине как питательное вещество и компонент кровозаменяющих противошоковых жидкостей. Кроме того, в медицине широко применяется кальциевая соль глюконовой кислоты (глюконат кальция).

Для медицинских целей глюкоза, обычно используется в виде раствора для инъекций или инфузий, а также в виде таблеток.

В пищевой промышленности

В пищевой промышленности глюкоза применяется при выпечке хлеба,в кондитерском деле, а также при производстве сгущённого молока, мороженого, простокваша, кефир. Также для производства спирта, вин, пива.

Строение молекулы глюкозы

О строении молекулы глюкоз можно судить на основании опытных данных. Она реагирует с карбоновыми кислотами, образуя сложные эфиры, содержащие от 1 до 5 остатков кислоты. Если раствор глюкозы прилить к свежеполученному гидроксиду меди(||), то осадок растворяется и получается ярко-синий раствор соединения меди, т. е. происходит качественная реакция на многоатомные спирты. Следовательно, глюкоза является многоатомным спиртом. Если же подогреть полученный раствор, то вновь выпадает осадок, то уже красноватого цвета, т.е. произойдет качественная реакция на альдегиды. Аналогично, если раствор глюкозы разогреть с аммиачным раствором оксида серебра, то произойдет реакция «серебряного зеркала». Следовательно, глюкоза является одновременно многоатомным спиртом и альдегидом —  альдегидоспиртом. Попробуем вывести структурную формулу глюкозы. Всего атомов углерода в молекуле C₆H₁₂O₆  шесть. Один атом входит в состав альдегидной группы:
Остальные пять атомов связываются с гидроксигруппами. И наконец с учетом того, что углерод четырехвалентен, расположим атомы водорода:
или:
Однако установлено, что в растворе глюкозы помимо линейных(альдегидных) молекул существуют молекулы циклического строения, из которых состоит кристаллическая глюкоза. Превращение молекул линейной формы  в циклическую можно объяснить, если вспомнить, что атомы углерода могут свободно вращаться вокруг σ- связей, расположенных под углом 109о 28 при этом альдегидная группа (1-й атом углерода) может приблизиться к гидроксильной группе пятого атома углерода. В первой, под влиянием гидроксигруппы разрывается  π – связь: к атому кислорода присоединяется атом водорода, и «потерявший» этот атом кислород гидроксигруппы  замыкает цикл.
В результате такой перегруппировки атомов образуется циклическая молекула. Циклическая формула показывает не только порядок связи атомов, но и их пространственное расположение. В результате взаимодействия первого и пятого атомов углерода, появляется новая гидроксигруппа у первого атома, которая может занять в пространстве два положения: над и под плоскостью цикла, а потому возможны две циклические формы глюкозы:
1)  α- форма глюкозы – гидроксильные группы при первом и втором атомах углерода расположены по одну сторону кольца молекулы;
2)  β- формы глюкозы – гидроксильные группы находятся по разные стороны кольца молекулы:
В водном растворе глюкозы в динамическом равновесии находятся три ее изомерные формы: циклическая  α- форма, линейная (альдегидная) форма и циклическая β- форма.
В  установившемся динамическом равновесии преобладает β-форма (около 63%), так как она энергетически предпочтительнее —  у нее ОН- группы у первого и второго углеродных атомов по разные стороны цикла. У α-формы (около 37%) ОН-группы у тех же углеродных атомов расположены по одну сторону плоскости, поэтому она энергетически меньше устойчива, чем β-форма. Доля же линейной формы в равновесии очень мала (всего около 0,0026%).
Динамическое равновесие можно сместить. Например, при действии на глюкозу аммиачного раствора оксида серебра количество ее линейной (альдегидной) формы, которой в растворе очень мало, пополняется все время за счет циклических форм, и глюкоза полностью подвергается окислению до глюконовой кислоты.
Изомером альдегидспирта глюкозы является кетоноспирт – фруктоза.

Строение

Вещество глюкоза в химии – это моносахарид, то есть простейший углевод, состоящий из одной молекулы или одной структурной единицы. Глюкозная структурная единица входит в состав более сложный углеводов – дисахаридов и полисахаридов.

Вещество включает функциональные группы:

• одну карбонильную (-С=О);
• пять гидроксильных (-ОН).

Молекула может существовать в виде двух циклов (α и β), отличающихся пространственным расположением одной гидроксильной группы, и в линейной форме (D-глюкоза).

Рис. 1. Циклическая и линейная молекула глюкозы.

Структурная формула глюкозы – O=CH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CH₂OH или CH₂OH(CHOH)₄-COH.

Химические свойства глюкозы. Химические реакции (уравнения) глюкозы:

Основные химические реакции глюкозы следующие:

1. реакции ферментативного брожения глюкозы:

Важнейшим химическим свойством моносахаридов является их ферментативное брожение, т.е. распад молекул на осколки под действием различных ферментов. Брожение происходит в присутствии ферментов, выделяемых дрожжевыми грибками, бактериями или плесневыми грибками. В зависимости от природы действующего фермента соответственно различают реакции следующих видов:

1.1. реакцию спиртового брожения глюкозы:

С₆Н₁₂О₆ → 2С₂Н₅-OН₆ + 2СО₂.

В результате данной реакции образуются этиловый спирт (этанол) и углекислый газ.

Реакция происходит под действием дрожжевых грибков.

1.2. реакцию молочнокислого брожения глюкозы:

С₆Н₁₂О₆ → CH₃CH(OH)COOH.

В результате данной реакции образуется молочная кислота.

Реакция происходит под действием бактерий.

1.3. реакцию маслянокислого брожения глюкозы:

C₆H₁₂O₆ → C₃H₇COOH + 2H₂ + 2CO₂.

В результате данной реакции образуются масляная кислота, водород и углекислый газ.

Реакция происходит под действием бактерий.

Благодаря брожению получают продукты питания – кефир, сыр, алкоголь.

2. реакция глюкозы с водородом:

CH₂OH(CHOH)₄-COH + H₂ → CH₂OH(CHOH)₄-CH₂OH (tо, kat = Ni).

Глюкоза вступает в реакцию с водородом в присутствии катализатора (в качестве которого используется никель) при высокой температуре. В результате реакции образуется шестиатомный спирт (сорбит).

3. качественная реакция на глюкозу (реакция глюкозы с гидроксидом меди): 

CH₂OH(CHOH)₄-COH + 2Cu(OH)₂ → CH₂OH(CHOH)₄-COOH + Cu₂O + 2H₂O.

В молекуле глюкозы имеется несколько гидроксильных групп. Для подтверждения их наличия используют реакцию с гидроксидами металлов, например, с гидроксидом меди, имеющим голубой цвет. Для этого к раствору глюкозы добавляют гидроксид меди. В результате образуются глюконовая кислота, оксид меди (I) и вода, а раствор окрашивается из голубого цвета в красный цвет, т.к. оксид меди (I) обладает красным цветом.

4. качественная реакция «серебряного зеркала» – реакция глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра (I):

C₆H₁₂O₆ + Ag₂O (в аммиачном растворе (NH₃)) → CH₂OH(CHOH)₄-COOH + 2Ag.

В молекуле глюкозы имеется альдегидная группа. Поэтому она при нагревании с аммиачным раствором оксида серебра окисляется и  дает реакцию «серебряного зеркала».

В результате образуются глюконовая кислота и серебро, которое выпадает в осадок. Если реакция проводится в сосуде с чистыми и гладкими стенками, то серебро осаждается на них в виде тонкой плёнки, образуя зеркальную поверхность. При наличии малейших загрязнений серебро выделяется в виде серого рыхлого осадка.

Таким образом, глюкоза обладает восстанавливающими свойствами, т.к. она восстанавливает Ag₂O и Cu(OH)₂.

5. в организме человека глюкоза подвергается сложным биохимическим превращениям:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6H₂O + 6CO₂ + 2800 кДж.

В результате сложных биохимических превращений образуется углекислый газ и вода, при это выделяется энергия 2800 кДж на 1 моль глюкозы.

6. глюкоза не вступает в некоторые реакции, характерные для альдегидов, например, в реакцию с гидросульфитом натрия.

Преимущества вегетарианской диеты

Важно отметить, что автор статьи мясоед. Увеличение потребления источников клетчатки — фруктов и овощей позитивно сказывается на состоянии

Замена мяса другими видами белковых продуктов может разнообразить рацион полезными питательными вещества. Например, соевые бобы являются заменой белка для лакто-ово-вегетарианцев и веганов. Они богаты лизином, лейцином, изолейцином, фенилаланином, кальцием и фосфатом, которые, способствуют повышению гликемического контроля и чувствительности к инсулину

Увеличение потребления источников клетчатки — фруктов и овощей позитивно сказывается на состоянии. Замена мяса другими видами белковых продуктов может разнообразить рацион полезными питательными вещества. Например, соевые бобы являются заменой белка для лакто-ово-вегетарианцев и веганов. Они богаты лизином, лейцином, изолейцином, фенилаланином, кальцием и фосфатом, которые, способствуют повышению гликемического контроля и чувствительности к инсулину .

Большое количество растворимых волокон в рационе может быть полезным для лечения диабета, так как растворимые волокна связывают глюкозу, замедляя её всасывание в кровь .

Более высокое потребление цельного зерна и овощей было обнаружено у вегетарианцев по сравнению с невегетарианцами, эти продукты содержат большое количество клетчатки и магния.

Было обнаружено, что употребление цельных зерен снижает риск развития диабета .

Важно потреблять достаточное количество магния, так как дефицит может ухудшить передачу сигналов инсулина. Еще одним преимуществом растительных продуктов является их меньшая калорийность

Потеря веса способствует сохранению чувствительности к инсулину и контролю гликемии

Еще одним преимуществом растительных продуктов является их меньшая калорийность. Потеря веса способствует сохранению чувствительности к инсулину и контролю гликемии .

Снижение потребления насыщенных жиров — это важный аспект вегетарианской диеты. Вегетарианцы также потребляют меньше насыщенных жиров, и было показано, что замена этих жиров полиненасыщенными жирными кислотами полезна для профилактики диабета и сопутствующих ему осложнений .

Полу-вегетарианцы употребляющие мясо минимально, но регулярно, потребляют насыщенные жиры, что снижает секрецию инсулина и может вызвать апоптоз бета-клеток, тем самым способствуя риску развития сахарного диабета первого типа .

Существуют доказательства того, что омега-3 жирные кислоты, содержащиеся в рыбе, могут снижать секрецию инсулина .

Предполагается, что красное мясо может быть одним из факторов риска развития диабета . В исследовании 2011 года были изучены разные группы людей на предмет взаимосвязи между потреблением необработанного и переработанного красного мяса и частотой возникновения сахарного диабета у взрослых в США . Во всех трех группах наблюдалась положительная связь между риском диабета и потреблением мяса, даже после учета других факторов образа жизни. Это согласуется с предыдущими исследованиями, которые показали, что потребление мяса хотя бы раз в неделю увеличивает риск развития диабета .

История

Вероятно, глюкоза известна человеку с древних времён, поскольку она кристаллизуется из мёда. Однако в чистом виде её выделили гораздо позже: немецкий химик Андреас Маргграф получил её в 1747 году из виноградного сока. Жозеф Луи Пруст в 1801 году осадил кристаллы α-D-глюкозы из того же виноградного сока. Благодаря этим экспериментам за глюкозой закрепилось название виноградного сахара.

Использование глюкозы в качестве подсластителя связано с тем, что во время Наполеоновских войн были заблокированы поставки тростникового сахара из Вест-Индии. Ещё в 1000 году до н. э. в Китае из крахмала (ферментацией риса) получали искусственный подсластитель — дисахарид мальтозу. К концу XVIII в. в Европе было известно, что крахмал можно обработать кислотой и получить сладкое вещество. Именно это позволило К. С. Кирхгофу нагреванием картофельного крахмала с серной кислотой получить сладкое сиропообразное вещество. В результате оптимизации процесса он получил сироп, который кристаллизовался при стоянии. Кроме того, была предпринята попытка прессовать получаемую массу в твёрдый продукт и в таком виде продавать. Однако организовать производство не удалось, поскольку Наполеон потерпел поражение и поставки сахара были восстановлены.

Процесс получения глюкозы исследовал французский химик Соссюр. Он выяснил, что крахмал подвергается гидролизу, при котором разрушаются связи между углеводными фрагментами, причём на каждый разрыв расходуется по одной молекуле воды. Также было обнаружено, что конфеты, производимые из сиропов глюкозы, не такие сладкие, как те, что получают из сахарозы. Поэтому в Германии и других странах Европы было организовано производство глюкозы.

В то время промышленная глюкоза была недостаточно чистой и получалась в виде сиропов. Её приходилось многократно кристаллизовать из воды или использовать органические растворители. Единственной твёрдой формой, которую выпускали в большом количестве, была литая глюкоза: сироп заливали в формы, где он затвердевал.

В 1923 году в США Уильям Б. Ньюкирк (англ. William B. Newkirk) запатентовал промышленный способ получения глюкозы. Этот способ отличался тщательным контролем условий кристаллизации, благодаря чему глюкоза выпадала из раствора в виде чистых, крупных кристаллов.

Глюкоза как препарат

(Clucosum; син. Dextrosum) представляет собой белый мелкокристаллический порошок или бесцветные кристаллы без запаха, сладкого вкуса, хорошо растворяется в воде (1:1,5) и трудно в спирте. Р-ры Г. можно стерилизовать 1 час при 100°, при более высокой температуре (119—121°) — 5—7 мин.

В мед. практике используют изотонические (4,5—5,0%) и гипертонические (10—40%) р-ры Г. Первые вводятся подкожно (от 300 мл и более капельно), внутривенно (капельно), в клизмах (300—2000 мл в сутки капельно), вторые — внутривенно по 20—50 мл на одно введение, можно капельно — до 300 мл в сутки.

Введение Г. в изотоническом р-ре приводит к стимуляции функций всех клеток организма, т. к. улучшается их энергетический баланс. Препараты Г. могут быть дополнительными источниками питания. Организм человека усваивает в среднем за 60 мин. ок. 1 г глюкозы (соответствует 1 д 5% р-ра) на 1 кг веса тела.

Изотонический р-р Г. может использоваться также для пополнения организма водой при обезвоживании. Введение гипертонических р-ров Г. приводит к повышению осмотического давления крови, при этом вода и тканевые вещества устремляются из тканей в кровь, способствуя дегидратации тканей (действие, противоположное действию изотонического р-ра Г.) и удалению из них продуктов метаболизма и чуждых организму веществ. На этом основано применение Г. в качестве детоксикационного средства при отравлениях наркотиками, синильной к-той и ее солями, органическими хим. веществами (краски и др.), препаратами ртути и других металлов.

Следствием внутривенного введения гипертонических р-ров Г. является также стимуляция процессов метаболизма, кардиотонический эффект, расширение сосудов, увеличение диуреза.

Гипертонические р-ры Г. используются для увеличения объема жидкой части крови (напр., при сгущении ее в случае обширных ожогов). При введении в 10—40% р-рах Г. удерживает значительные количества жидкости.

Многостороннее действие и малая токсичность Г. делают ее высокоценным препаратом при болезнях печени (дистрофия и атрофия печени, гепатиты и др.), токсикоинфекциях, разных интоксикациях, инфекционных заболеваниях, нарушениях сердечной деятельности (декомпенсациях), отеках. Г. может использоваться в качестве компонента в кровезамещающих и противошоковых жидкостях, а также для разведения сердечных (строфантин и др.) и иных средств при их внутривенном введении.

Комбинация 40% р-ра Г. с 5% р-ром аскорбината магния (препарат «Магния аскорбинат») применяется при нарушениях мозгового кровообращения, расстройствах сна, вегетативных неврозах. Сочетание 25% р-ра Г. с 1% р-ром метиленового синего рекомендуется при отравлении цианидами.

Г. как препарат выпускается в порошках, таблетках, в ампулах различной емкости (5—40% р-ры).

Библиография Кочетков Н. К. и д р. Химия углеводов, М., 1967; М а л e р Г. Р. и Кордес Ю. Г. Основы биологической химии, пер. с англ., М., 1970, библиогр.; Степаненко Б. Н. Углеводы, Успехи в изучении строения и метаболизма, сер. Итоги науки, М., 1968.

Как поддерживать уровень глюкозы на нужном уровне

Помните, что поддерживать глюкозу на стабильном уровне критически важно для работы вашего мозга, так как он крайне уязвим. Но если переборщить с уровнем сахара в крови, ничего хорошего тоже ждать не следует: чем выше этот уровень, тем выше риск развития деменции

Чтобы снизить риск этого заболевания и заодно сохранить память, необходимо ограничить потребление сахара и количественно и качественно. Самый простой способ — заменить его более полезными и натуральными продуктами.

В этом вам поможет гликемический индекс (ГИ) — показатель, который помогает классифицировать пищевые продукты по их способности повышать уровень сахара в крови. Если сахар из продукта быстро попадает в кровь, ему присваивается высокий индекс, а тем продуктам, которые незначительно поднимают сахар в крови, — низкий индекс.

А еще есть такой показатель как гликемическая нагрузка. Этот показатель показывает не только то, насколько быстро сахар всасывается в кровь, но и сколько клетчатки в нем содержится. Чтобы не запутаться, просто помните, что блюда из белой муки, сладкие напитки, выпечка и конфеты — худшее, что вы можете съесть с очки зрения активности мозга продукты.

Зато за батат, вишню, грейпфрут , тыкву, морковь, чечевицу, нут и черную фасоль мозг скажет вам спасибо! Эти продукты обеспечат вам стабильный уровень сахара и снабдят мозг необходимой глюкозой.

Ваш мозг будет счастлив, если вы начнете регулярно употреблять продукты с низким гликемическим индексом (то есть богатые клетчаткой) и сократите потребление продуктов с высоким ГИ до минимума. Да здравствует клетчатка!

Выводы:

Уровень глюкозы оказывает огромное влияние на метаболизм человека, в связи с чем нарушения данного показателя могут повлечь необратимые патологические изменения во всём организме. Для реализации целей продления жизни и сохранения активного ума мы рекомендуем проверять уровень уровень сахара раз в 3 года, а если вам больше 45 лет, то раз в год.

Для того чтобы сберечь себя, также важно помнить:

• Рафинированные сахара, насыщенные жиры, трансжиры, красное мясо, стресс — плохо.
• Цельные зёрна, бобовые, орехи, клетчатка, рыба, дробное питание, а также спорт — хорошо.
• Именно аэробная нагрузка — отличная профилактика сахарного диабета.

Автор рекомендует лайфхаки-биохаки для гиков:

Рибоза — отличный подсластитель, не вызывает выброс инсулина, используется как биодобавка. Также является строительным блоком РНК, аденозинтрифосфата (АТФ), способствует улучшению митохондриальной функции. В связи с этим может наблюдаться заметный тонизирующий эффект при употреблении, синергирует с кофе .

И рекомендует совсем не настоятельно, а присмотреться, так как подходит не всем:

Метформин — препарат, показанный при сахарном диабете 2го типа. Понижает уровень глюкозы, повышает резистентность к глюкозе. Понижает уровень липопротеинов низкой плотности, триглицеридов, холестерина. Встречаются и побочные действия — в редких случаях лактацидоз, лёгкая анемия, дефицит витамина B12. На данный момент активно исследуется и имеет репутацию препарата против старения. Возможен противораковый эффект .