Классификация углеводов и их краткая характеристика

Согласно принятой в настоящее время классификации углеводы подразделяют на три основные группы: моносахариды (альдозы и кетозы), олигосахариды (дисахариды, трисахариды и т. д.) и полисахариды (гомополисахариды, состоящие их моносахаридных единиц только одного типа и гетерополисахариды, состоящие из двух или более типов мономерных звеньев)

Среди моносахаридов широко известны глюкоза, фруктоза, галактоза, арабиноза, ксилоза и D-рибоза.

Глюкоза (виноградный сахар) в свободном виде содержится в ягодах и фруктах (в винограде до 8%; в сливе, черешне 5-6%; в меде 36%). Из молекул глюкозы построены крахмал, гликоген, мальтоза; глюкоза явля­ется составной частью сахарозы, лактозы.

Фруктоза (плодовый сахар) содержится в чистом виде в пчелином меде (до 37%), винограде (7,7%), яблоках (5,5%); является составной частью сахарозы.

Галактоза — составная часть молочного сахара (лактозы), которая со­держится в молоке млекопитающих, растительных тканях, семенах.

Арабиноза содержится в хвойных растениях, в свекловичном жоме, входит в пектиновые вещества, слизи, гумми (камеди), гемицеллюлозы.

Ксилоза (древесный сахар) содержится в хлопковой шелухе, кукуруз­ных кочерыжках. Ксилоза входит в состав пентозанов. Соединяясь с фос­фором, ксилоза переходит в активные соединения, играющие важную роль во взаимопревращениях сахаров.

В ряду моносахаридов особое место занимает D-рибоза. Она слу­жит универсальным компонентом главных биологически активных мо­лекул, ответственных за передачу наследственной информации, — рибонуклеиновой (РНК) и дезоксирибонуклеиновой (ДНК) кислот; входит она и в состав АТФ и АДФ, с помощью которых в любом живом организ­ме запасается и переносится химическая энергия. Замена в АТФ одного из фосфатных остатков на пиридиновый фрагмент приводит к образова­нию еще одного важного агента НАД — вещества, принимающего не­посредственное участие в протекании жизненно важных окислительно-восстановительных процессов. Еще один ключевой агент — рибулозо-1,5-дифосфат. Это соединение участвует в процессах ассимиляции диоксида углерода растениями.

Олигосахариды. Это полисахариды 1-го порядка, молекулы которых со­держат от 2 до 10 остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями. В соответствии с этим различают дисахариды, трисахариды и т.д.

Дисахариды — сложные сахара, каждая молекула которых при гидро­лизе распадается на две молекулы моносахаридов. Дисахариды, наряду с полисахаридами, являются одним из основных источников углеводов в пище человека и животных. По строению дисахариды являются гликозидами, в которых две молекулы моносахаридов соединены гликозидной связью.

Среди дисахаридов особенно широко известны мальтоза, сахароза и лактоза. Мальтоза, являющаяся a-глюкопиранозил-(1,4)-a-глюкопиранозой, образуется в качестве промежуточного продукта при действии амилаз на крахмал (или гликоген).

Одним из наиболее распространенных дисахаридов является сахаро­за — обычный пищевой сахар. Молекула сахарозы состоит из одного ос­татка a-D-глюкозы и одного остатка b-D-фруктозы.

В отличие от большинства дисахаридов, сахароза не имеет свободно­го полуацетального гидроксила и не обладает восстанавливающими свой­ствами.

Лактоза содержится только в молоке и состоит из b-D-raлактозы и D-глюкозы.

Среди природных трисахаридов наиболее известна раффиноза (со­держащая остатки фруктозы, глюкозы и галактозы). Она находится в зна­чительных количествах в сахарной свекле и во многих других растениях, в частности, в бобовых.

Полисахариды можно разделить на две группы: гомополисахариды, состоя­щие из моносахаридных единиц только одного типа, и гетерополисаха-риды, для которых характерно наличие двух или более типов мономер­ных звеньев.

С точки зрения функционального назначения полисахариды могут быть разделены на структурные и резервные полисахариды. Важным структурным полисахаридом является целлюлоза, а главные резервные полисахариды — гликоген и крахмал (у животных и растений соответ­ственно).

Крахмал представляет собой комплекс двух гомополисахаридов: ли­нейного — амилозы и разветвленного — амилопектина, общая формула которых (С₆Н₁₀О₅)_п. Как правило, содержание амилозы в крахмале со­ставляет 10—30%, амилопектина 70—90%. Полисахариды крахмала пост­роены из остатков глюкозы, соединенных в амилозе и в линейных цепях амилопектина a-1,4-связями, а в точках ветвления амилопектина — меж­цепочными a-1,6-связями.

Крахмал составляет по весу главную составную часть пищи человека. Хлеб, картофель, крупы, овощи — главный энергетический ресурс его организма.

Гликоген — полисахарид, широко распространенный в тканях живот­ных, близкий по своему строению к амилопектину. Молекула гликогена, как и молекула амилопектина, построена из сильно разветвленных це­почек (разветвление через каждые 3—4 звена) с общим количеством глюкозидных остатков 5-50 тыс (с молекулярной массой 1-10 млн).

Целлюлоза ( или клетчатка) является одним из наиболее распростра­ненных растительных гомополисахаридов. Она выполняет роль опорно­го материала растений, из нее строится жесткий скелет стеблей, листьев. В чистом виде она известна в виде ваты и фильтровальной бумаги (пис­чая и все другие виды бумаги проклеиваются). Древесина наполовину состоит из клетчатки и, кроме того, содержит связанный с нею лигнин — высокомолекулярное вещество фенольного характера. Целлюлоза пред­ставляет собой полимер, содержащий 600—900 остатков глюкозы (сред­няя молекулярная масса 1—1,5 млн).

В молекуле целлюлозы остатки глюкозы соединены b-(1,4)-гликозидными связями, что определяет линейную структуру полимера. Целлюло­за не расщепляется обычными ферментами желудочно-кишечного трак­та млекопитающих, а при действии фермента целлюлазы, выделяемого из кишечной флоры травоядных, распадается на целлодекстрины (оли-гоцеллосахариды) и целлобиозу.

Декстраны — гомополисахариды, построенные из остатков D-глю­козы с доминирующим типом гликозидной связи; a-(1,6)-боковые разветвления, присоединяются к центральной цепи в положениях 3 и 4. Декстран образуется из сахарозы под действием специфического фермента - декстрансахаразы, вырабатываемого бактериями. В зависимости от при­меняемого штамма бактерий, синтезируются декстраны различной сте­пени разветвленности. Декстраны служат для получения молекулярных сит-сефадексов разных марок.

Пентозаны — целлюлозоподобные полисахариды, построенные из ксилозы, арабинозы и других пентоз. Особенно богаты пентозанами скор­лупа орехов, подсолнухов, кукурузные кочерыжки, солома, рожь.

Инулин — высокомолекулярный углевод, растворимый в воде, осаждающийся из водных растворов при добавлении спирта. При гидро­лизе с помощью кислот образует фруктофуранозу и небольшое количе­ство глюкопиранозы. Содержится в большом количестве в клубнях зем­ляной груши и георгина, в корнях одуванчика, кок-сагыза и цикория, в артишоках, в корнях, листьях и стеблях каучуконосного растения гваю­лы (Parthenium argentatum). В этих растениях инулин заменяет крахмал.

В растениях, плесневых грибах и дрожжах содержится особый фер­мент — инулаза, который гидролизует инулин с образованием фруктозы.

Слизи и гумми (камеди) — группа коллоидных полисахаридов, к ко­торым принадлежат растворимые в воде углеводы, образующие чрез­вычайно вязкие и клейкие растворы. Типичными представителями этой группы являются гумми, выделяемые в виде наплывов вишневыми, сливовыми или миндальными деревьями в местах повреждения ветвей и стволов. Слизи содержатся в большом количестве в льняных семенах и в зерне ржи. Именно их наличием объясняется высокая вязкость упот­ребляемого в медицине отвара из льняных семян или же водной бол­тушки ржаной муки.

Слизи ржаного зерна почти на 90% состоят из пентозанов. Эти слизи чрезвычайно сильно набухают в воде и дают весьма вяз­кие растворы.

Камеди находят широкое применение в производстве, поскольку они обладают такими ценными свойствами, как повышенная вязкость, клей­кость, набухаемость и т. д. Камеди (гуммиарабинотрагакант) применя­ются в качестве связующих веществ и загустителей, служат эмульгатора­ми, основой для косметических и фармацевтических кремов и паст, ста­билизаторами в пищевой промышленности.

Пектиновые вещества, содержащиеся в растительных соках и плодах, представляют собой гетерополисахариды, построенные из остатков галактуроновой кислоты, соединенных a-(1,4)-гликозидными связями. Карбоксильные группы галактуроновой кислоты в той или иной степе­ни этерифицированы метиловым спиртом. В зависимости от этого су­ществует следующая классификация пектиновых веществ:

— протопектин — нерастворимое в воде соединение сложного хими­ческого состава (в протопектине длинная цепь полигалактуроновой кис­лоты связана с другими веществами: целлюлозой, арабаном, галактаном и другими полиозами, а также с белковыми веществами);

— пектиновые кислоты — это полигалактуроновые кислоты, в малой степени этерифицированные остатками метанола;

— пектин представляет собой почти полностью этерифицированную пектиновую кислоту.

Пектиновые вещества составляют основу фруктовых гелей. Пектины растворимы в воде, образуют коллоидные растворы. Протопектины нерастворимы в воде. Молекулярная масса 20—30 тыс.

Гемицеллюлозы - это разнообразные по химической струк­туре гетерополисахариды растений: глюкоманнаны, галактоманнаны и ксиланы, содержащие в боковых цепях арабинозу, глюкозу и т.д. В расте­ниях гемицеллюлозы, как правило, сопутствуют целлюлозе и лигнину, причем ксиланы и глюкоманнаны прочно адсорбируются на поверхнос­ти целлюлозы.

Гемицеллюлозы, выделяемые из различных растений, отличаются по структуре.