Полисахариды

Полисахариды — высокомолекулярные вещества, построенные из сотен и тысяч остатков моносахаридов или их производных. Химическое строение полисахаридов однообразно: они представля­ют собой линейные или разветвленные полимеры, мономеры кото­рых связаны глюкозид глюкозными связями.

Различают гомополисахариды и гетерополисахариды. Молеку­лы гомополисахаридов построены из множества одинаковых моносахаридных остатков. В составе гетерополисахаридов содержатся моносахаридные остатки нескольких видов.

Гомополисахариды. Это твердые, неплавкие, нелетучие вещест­ва, не обладающие выраженным кристаллическим строением, не обладающие сладким вкусом. Многие гомополисахариды не рас­творяются в воде или растворяются с образованием коллоидных растворов. Они широко распространены в растительном мире и в меньшей мере — в животном. Наиболее важное биологическое зна­чение имеют полимеры глюкозы — крахмал, гликоген и клетчатка Их состав может быть выражен формулой (С₆Н₁₀0₅)n, однако чис­ло мономеров в них различно. В растениях часто встречаются так­же полимер фруктозы — инулин и пектиновые вещества, постро­енные из многократно повторяющихся производных галактуроновой кислоты.

Крахмал в больших количествах содержится в зернах злаков, клубнях картофеля, во всех зеленых частях растений, где он обра­зуется как продукт фотосинтеза. Растительный крахмал неодноро­ден. Имеются две его разновидности: амилоза, составляющая 15—25% природного крахмала, и амилопектин — 75—85%- Они построены из одинаковых мономеров, но структура их различна.

В молекуле амилозы глюкозные остатки связаны кислородны­ми «мостиками», образовавшимися между первым углеродным атомом одного остатка и четвертым углеродным атомом другого.

Глюкозные остатки образуют неразветвленную цепь с молекулярным весом около 16000—160000 у.е. (100—1000 глюкозных остатков). Эта цепь в пространстве закручивается в спи­раль, а молекула в целом имеет фибриллярную (нитевидную) форму

Амилоза хорошо растворима в воде.

Амилопектин имеет молекулы с разветвленной цепью 1-4-глюкозныx остатков, образованной за счет связи между шестым углерод­ным атомом одного остатка и первым углеродным атомом другого.

Молекулярная масса амилопектина—100000—1000000 (600—3000 глюкозных остатков). В каждой ветви амилопектина 18-20 мономеров, тоже расположенных в пространстве по спирали.

Разветвленные цепи амилопектина дополнительно скручены в клубок так, что полярные гидроксильные группы, способные взаимодействовать с водой, на­ходятся внутри клубка, поэтому амилопектин в холодной воде не растворяется. В горячей воде клубок раскручивается, полярные группы оказываются на поверх­ности, и амилопектин образует коллоидный раствор — клейстер.

При частичном разрушении крахмала образуются хорошо растворимые декстрины, обладающие приятным запахом (при варке пищи, хлебопечении).

Гликоген, или животный крахмал. По своей структуре близок к амилопектину. Молекулярный вес его 1000000 – 5000000 у.е. (6000—30 000 глюкозных остатков). Степень ветвления у него больше, чем у амилопектина, а сами ветви короче: они содержат 10—12 глюкозных остатков. Гликоген растворяется в горячей воде с образованием коллоидных растворов. Гликоген не однородное вещество, а смесь полисахаридов разного молекулярного веса и разной степени ветвления. Часть его находится в соеди­нении с белками. Наибольшее количество гликогена содержится в печени и мышцах.

Крахмал и гликоген могут депонироваться в организме и использоваться как источники энергии для процессов жизнедея­тельности. Молекулы их постоянно меняют свои размеры. При не­хватке в организме свободной глюкозы от концов цепи отщепля­ются глюкозные остатки, и молекула сильно уменьшается. При избытке свободной глюкозы длина полимерных цепей увеличива­ется путем присоединения к их концам глюкозных остатков.

Клетчатка (целлюлоза) — главная составная часть клеточных стенок растений. Почти чистой клетчаткой является вата, льня­ное волокно, фильтровальная бумага. Молекула клетчатки пред­ставляет собой длинную неразветвленную цепь глюкозных остатков с молекулярным весом от 100 000 до 500 000 у.е. Между цепями молекул образуются водородные связи при участии гидроксильных групп, в результате чего возникают волокнистые структуры, не растворимые ни в холодной, ни в горячей воде.

Гетерополисахариды. В организмах животных и человека гете-рополисахариды содержатся в основном в соединительных тканях, хрящах, слизистых выделениях, оболочках клеток. К ним относят­ся гиалуроновая кислота, хондроитинсерная кислота, гепарин.

Гиалуроновая кислота — линейный полимер глюкуроновой кис­лоты и ацетилглюкозамина. Она является склеивающим вещест­вом для клеточных стенок, входит в их состав, участвуя в распре­делении жизненно необходимых веществ в тканях, обнаруживается в синовиальной жидкости и стекловидном теле глаза.

Хондроитинсерная кислота содержит в своем составе глюкуро-новую кислоту и сернокислый эфир ацетилгалактозамина. Она об­наружена в составе клеточных оболочек, хрящей, костной ткани, роговицы глаза.

Гепарин состоит из тех же компонентов, что и хондроитинсерная кислота, но имеет иную структуру. Он содержится во внеклеточ­ном веществе печени, легких, стенок артерий, препятствует свер­тыванию крови, принимает участие в защите организма от ин­фекций.

Химические свойства полисахаридов определяются свободными спиртовыми группами и особенностями глюкозидных связей между остатками моносахаридов. Свободных карбонильных групп в поли­сахаридах практически нет, поэтому реакции альдегидов и кетонов им не свойственны. Благодаря спиртовым группам они могут образовывать сложные эфиры с кислотами, что находит примене­ние в производстве искусственных волокон. Глюкозидные связи между остатками моносахаридов могут подвергаться гидролизу или фосфоролизу, т. е. расщепляться водой или фосфорной кисло­той. И гидролиз, и фосфоролиз протекают ступенчато. Промежу­точными продуктами гидролиза крахмала и гликогена являются декстрины и мальтоза, конечным — глюкоза. При фосфоролизе от молекулы полисахарида отщепляются моносахаридные остатки в виде фосфорных эфиров:

Путем гидролиза протекают главным образом процессы пище­варения, путем фосфоролиза — внутриклеточный распад полисаха­ридов. Специфической реакцией крахмалов является является образование цветных комплексов с йодом. У амилозы они окрашены в синий, у амилопектина - в фиолетовый, у гликогена - в красно-бурый цвет.

Углеводы служат источниками энергии: при окислении 1 г уг­левода освобождается 17,1 кДж энергии. Такие сложные углеводы, как сахароза, лактоза, крахмал, инулин, гликоген, являются за­пасными питательными веществами. Клетчатка у растений, хитин у насекомых и ракообразных, гиалуроновая кислота и некоторые другие углеводы у животных и человека придают живым тканям механическую прочность. Углеводы используются также как строи­тельный материал для более сложных молекул нуклеиновых кис­лот, сложных белков и жироподобных веществ — гликолипидов. В отсутствие углеводов невозможно нормальное окисление жиров и белков в живых организмах.

Зеленые растения способны синтезировать углеводы из угле­кислого газа и воды в процессе фотосинтеза с использованием энергии солнечного света. Животные и человек такой способно­стью не обладают, поэтому должны получать углеводы с пищей, около 65% пищевого рациона.