Вуглеводи, обширна група органічних сполук, що входять до складу всіх живих організмів. Перші відомі представники цього класу речовин по складу відповідали загальній формулі C m H 2n O n , тобто вуглець + вода (звідси назва); пізніше до В. стали відносити також їх багаточисельні похідні з іншим складом, що утворюються при окисленні, відновленні або введенні заступників.
Перетворення В. відомі з прадавніх часів, оскільки вони лежать в основі процесів бродіння, обробки деревини, виготовлення паперу і тканин з рослинного волокна. Тростинний цукор (сахарозу) можна вважати першою органічною речовиною, виділеною в хімічно чистому вигляді. Хімія В. виникла і розвивалася разом з органічною хімією ; творець структурної теорії органічних сполук А. М. Бутлеров — автор першого синтезу сахароподобного речовини з формальдегіду (1861). Структури простих цукрів з'ясовані в кінці 19 ст в результаті фундаментальних досліджень німецьких учених Г. Киліані і Е. Фішера, заснованих на стереохимічеських виставах Я. Р. Вант-Гоффа і що блискуче їх підтвердили. У 20-і рр. 20 ст роботами англійського ученого У. Н. Хоуорса були закладені основи структурної хімії полісахаридів. З 2-ої половини 20 ст відбувається стрімкий розвиток хімії і біохімії В., обумовлене їх важливим біологічним значенням і що базується на сучасній теорії органічної хімії і новітній техніці експерименту.
Класифікація і поширення вуглеводів. В. прийнято ділити на три основні групи: моносахариди, олігосахариди і полісахариди. Звичайними моносахаридами є поліокси-альдегіді (альдози) або полпоксикетони (кетоза) з лінійним ланцюгом атомів вуглецю (m = 3—9), кожен з яких (окрім карбонільного вуглецю) пов'язаний з гідроксильною групою. Простий з моносахаридів — гліцериновий альдегід — містить один асиметричний атом вуглецю і відомий у вигляді двох оптичних антиподів (D і L). Інші моносахариди мають декілька асиметричних атомів вуглецю; їх розглядають як похідні D- або L-гліцсрінового альдегіду і відносять відповідно до абсолютної конфігурацією при ( т— 1) -му атомі вуглецю до D- або l-ряду. Відмінності між моносахаридами в кожному ряду обумовлені відносною конфігурацією останніх асиметричних центрів (див. Ізомерія ) . Характерна властивість моносахаридів в розчинах — здібність до мутаротації, тобто встановленню таутомерної рівноваги (див. Таутомерія ) між ациклічною альдегидо- або кетоформою, двома пятічленнимі (фуранознимі) і двома шестичленними (піранознимі) циклічними напівацетальними формами (див. схему). Піранози (як і фуранози), що утворюються, розрізняються конфігурацією (а або b) що виникає при циклізації асиметричного центру в карбонільного атома вуглецю (на схемі помічений зірочкою).
Співвідношення між таутомерними формами в рівновазі визначається їх термодинамічною стійкістю (для звичайних цукрів переважають піранозниє форми). Напівацетальний гидроксил різко відрізняється від інших гідроксильних груп моносахариду по здібності до реакцій нуклеофільного заміщення. Такі реакції зі всілякими спиртами приводять до утворення глікозидів (залишок спирту в глікозиді називають агліконом). У тих випадках, коли агліконом служить молекула моносахариду, утворюються оліго- і полісахариди. При цьому кожен залишок моносахариду може мати піранозную або фуранозную структуру, a- або b-конфігурацію глікозідной зв'язку і бути пов'язаним з будь-якою з гідроксильних груп сусіднього моносахариду. Тому число тих, що розрізняються будовою полімерних молекул, які можна побудувати навіть лише з одного моносахариду, величезно.
До найбільш типових моносахаридів відносяться D -глюкоза, D-маноза, D-галактоза, D-фруктоза, D-ксилоза, L-арабіноза . До моносахаридів відносяться також: дезоксисахара, в молекулах яких один або декілька гидроксилов замінено атомами водню ( L-рамноза, L-фукоза, 2-дезокси-d-рібоза); аміноцукри, в молекулах яких один або декілька гидроксилов замінено на аміногрупи (D-глюкозамін, d-галактозамін); багатоатомні спирти, або альдіти, що утворюються при відновленні карбонільних груп моносахаридів (сорбіт, Маніт); уроновиє кислоти, тобто моносахариди, в яких первинна спиртна група окислена до карбоксильної; розгалужені цукру, такі, що містять нелінійний ланцюг вуглецевих атомів (апіоза, L-cтрептоза); вищі цукру з довжиною ланцюга більше шести атомів вуглецю (седогептулоза, сиаловиє кислоти ) . За винятком d-глюкозі і d-фруктозі, вільні моносахариди зустрічаються в природі рідко. Зазвичай вони входять до складу всіляких глікозидів, оліго- і полісахаридів і можуть бути отримані з них кислотним гідролізом. Розроблені методи хімічного синтезу рідких моносахаридів, виходячи з доступніших.
Олігосахариди містять в своєму складі 2—10 моносахаридів, зв'язаних глікозіднимі зв'язками. Найбільш поширені в природі дісахаріди сахароза, трегалоза, лактоза . Відомі багаточисельні глікозиди олі-госахарідов, до яких відносяться різні фізіологічно активні речовини (наприклад, флавоноїди, сердечні глікозиди, сапоніни, багато антибіотиків, гліколіпіди ) .
Полісахариди — високомолекулярні, лінійні або розгалужені з'єднання, молекули яких побудовані з моносахаридів, зв'язаних глікозіднимі зв'язками. До складу полісахаридів можуть входити також заступники невуглеводної природи (залишки фосфорної, сарною і жирних кислот). У свою чергу ланцюги полісахаридів можуть приєднуватися до білок з утворенням глікопротеїдів . Окрему групу складають біополімери, в молекулах яких залишки моно- або олігосахаридів сполучені один з одним не глікозіднимі, а фосфодіефірнимі зв'язками; до цієї групи відносяться тейхоєвиє кислоти з клітинних стінок грампозитивних бактерій, деякі полісахариди дріжджів, а також нуклеїнові кислоти, в основі яких лежить полірібозофосфатная (РНК) або поли-2-дезоксирибозофосфатная (ДНК) ланцюг.
Физико-хімічні властивості вуглеводів. Завдяки великій кількості полярних (гідроксильних, карбонільною і ін.) груп в молекулах моносахаридів вони добре растворіми в воді і нерастворіми в неполярних органічних розчинниках (бензолі, петролейном ефірі і ін.). Здібність до таутомерних перетворень зазвичай утрудняє кристалізацію моносахаридів. Якщо такі перетворення неможливі, як в глікозидах або олігосахаридах типа сахарози, речовини кристалізуються легко. Багато глікозидів з малополярними агліконамі (наприклад, сапоніни) проявляють властивості поверхнево-активних з'єднань. Полісахариди є гідрофільними полімерами, молекули яких здібні до асоціації з освітою високов'язких розчинів (рослинною слизи, гіалуронова кислота ) ; при певному співвідношенні вільних і асоційованих ділянок молекул полісахариди дають міцні гелі (агар, пектинові речовини ) . В окремих випадках молекули полісахаридів утворюють високовпорядковані надмолекулярні структури, нерозчинні у воді (целюлоза, хітин ) .
Біологічна роль вуглеводів. Роль В. у живих організмах надзвичайно багатообразна. У рослинах моносахариди є первинними продуктами фотосинтезу і служать вихідними з'єднаннями для біосинтезу всіляких глікозидів, полісахаридів, а також речовин ін. класів (амінокислот, жирних кислот, поліфенолов і так далі). Ці перетворення здійснюються відповідними ферментними системами, субстратами для яких служать, як правило, багаті енергією фосфорильовані похідні цукрів, головним чином нуклеозіддіфосфатсахара. В. запасаються у вигляді крохмалю у вищих рослинах, у вигляді глікогену в тваринах, бактеріях і грибах і служать енергетичним резервом для життєдіяльності організму (див. Бродіння, Гліколіз, Окислення біологічне ) . У вигляді глікозидів в рослинах і тваринах здійснюється транспорт різних продуктів обміну речовин. Багаточисельні полісахариди або складніші угльоводсодержащие полімери виконують в живих організмах опорні функції. Жорстка клітинна стінка у вищих рослин побудована з целюлози і геміцеллюлоз, у бактерій — з пептідоглікана; у побудові клітинної стінки грибів і зовнішнього скелета членистоногих бере участь хітин. У організмі тварин і людину опорні функції виконують що сульфатуються мукополісахаріди сполучної тканини, властивості яких дозволяють забезпечити одночасно збереження форми тіла і рухливість окремих його частин; ці полісахариди також сприяють підтримці водного балансу і виборчої катіонної проникності кліток. Аналогічні функції в морських багатоклітинних водоростях виконують галактани, що сульфатуються (червоні водорості) або складніші гетерополі-сахаріді, що сульфатуються (бурі і зелені водорості); у зростаючих і соковитих тканинах вищих рослин аналогічну функцію виконують пектинові речовини. Особливо важливу і до кінця ще не вивчену роль грають складні В. у утворенні специфічних клітинних поверхонь і мембран. Так, гліколіпіди — найважливіші компоненти мембран нервових клітин, ліпополісахариди утворюють зовнішню оболонку грамнегативних бактерій. В. клітинних поверхонь часто визначають явище імунологічній специфічності, що строго доведене для групових речовин крові і ряду бактерійних антигенів . Є дані, що вуглеводні структури беруть участь також в таких високоспецифічних явищах клітинної взаємодії, як запліднення, «пізнавання» кліток при тканинній диференціації і відторгненні чужорідної тканини і так далі
Практичне значення вуглеводів. В. складають велику (часто основну) частину харчового раціону людини (див. Живлення ) . У зв'язку з цим вони широко використовуються в харчовій і кондитерській промисловості (крохмаль, сахароза, пектинові речовини, агар). Їх перетворення при спиртному бродінні лежать в основі процесів здобуття етилового спирту, пивоваріння, хлібопечення; ін. типи бродіння дозволяють отримати гліцерин, молочну, лимонну, глюконову кислоти і ін. речовини. Глюкоза, аскорбінова кислота, сердечні глікозиди, угльоводсодержащие антибіотики, гепарин широко застосовуються в медицині. Целюлоза служить основою текстильної промисловості, здобуття штучного целюлозного волокна, паперу, пластмас (див. Етроли ) , вибухових речовин (див. Нітрати целюлози ) і ін.
Найважливіші питання хімії і біохімії У.— удосконалення методів встановлення будови і синтезу природних В., з'ясування зв'язку між їх структурою і функцією в організмі, а також доріг біосинтезу — розробляються хімічними і біохімічними науковими центрами поряд з ін. актуальними проблемами органічної хімії, біохімії і молекулярної біології. Дослідженням лише в області В. присвячені спеціалізовані міжнародні видання: щорічник «Advances in Carbohydrate chemistry and biochemistry» (з 1945) і журнал «Carbohydrate research» (з 1965). див.(дивися) також статті Бродіння, З'єднання природні, Вуглеводний обмін, фотосинтез .
Літ.: Хімія вуглеводів, М., 1967; Методи хімії вуглеводів, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1967; Глікопротеїни [т. 1—2], пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1969; Carbohydrates, ed. by G. О. ASPINALI, L. — Baltimore [1973]; Industrial gums, eds. R. L. Whistler and J. N. Bemiller, 2 ed., N. Y. — L., 1973.
