Углеводы. Моносахариды. Олигосахариды

 

 

Углеводы наряду с белками – наиболее распространенные соединения, участвующие в построении клетки и используемые в процессе ее жизнедеятельности. Они входят в состав всех живых организмов. Самым богатым источником углеводов служат растения: до 80 % сухой массы тканей растений составляют углеводы. В организмах животных и человека их значительно меньше; наиболее богаты углеводами печень (5–10 %), скелетные мышцы (1– 3 %), сердечная мышца (0,5 %), головной мозг (0,2 %).

Термин «углеводы» возник более 100 лет тому назад и означал «состоящие из углерода и воды», но, даже не отвечая современным представлениям о структуре углеводов, используется и по сей день.

По способности гидролизоваться (разлагаться под действием воды) все углеводы классифицируют на простые (моносахариды), которые не подвергаются гидролизу, и сложные (олигосахариды и полисахариды).

Олигосахариды состоят из небольшого числа моносахаридов (до 10), а полисахариды – более чем из 10 моносахаридов.

Простейший углевод должен содержать три атома углерода. В названиях углеводов указывается количество атомов (3 – триозы, 4 – тетрозы, 5 – пентозы, 6 – гексозы и т. д.) и наличие функциональной группы, например: альдотриозы, кетотриозы и т.п.

Простейшие представители моносахаридов – триозы: глицеральдегид и диоксиацетон.

Монозы с пятью и более углеродными атомами могут существовать не только в линейной (цепной), но и в циклической (кольчатой) форме. Циклизация происходит за счет разрыва двойной связи в карбонильной группе, перемещения атома водорода к освободившейся валентности карбонильного кислорода и замыкания кольца углеродных атомов с образованием внутренних циклических a- или b-полуацеталей.

В природе в равной степени может встречаться и линейная, и кольцевая (циклическая) форма моносахарида, которые самопроизвольно превращаются друг в друга.

Биологические функции моносахаридов:

• энергетическая – моносахариды используются в качестве источников энергии в клетке;

• пластическая – моносахариды и их производные участвуют в построении разнообразных биологических молекул.

Производные моносахаридов. Большую группу производных моносахаридов составляют фосфорные эфиры, которые образуются в ходе превращений углеводов в тканях.

В природе широко распространены два аминопроизводных моносахарида: глюкозамин и галактозамин. Глюкозамин входит в состав многих полисахаридов, содержащихся в тканях животных и человека; галактозамин является компонентом гликопротеинов и гликолипидов.

В состав полисахаридов входит глюкуроновая кислота.Наиболее важное биологическое значение имеют следующие моносахариды и их производные:

1) пентозы – рибоза, дезоксирибоза;

2) гексозы – глюкоза, фруктоза.

Рибоза (С5Н10О5) Входит в состав рибонуклеиновой кислоты, образуя с азотистыми основаниями и фосфорной кислотой нуклеотиды.

Дезоксирибоза (C5H10O4) Этот моносахарид входит в состав нуклеотидов, образующих дезоксирибонуклеиновую кислоту.

Глюкоза (C6H12O6) – шестиатомный сахар (альдогексоза), которую иногда называют «виноградным сахаром», встречается в соке многих фруктов и ягод, в том числе и винограда.

Глюкоза является структурной единицей (кирпичиком) для построения большинства пищевых ди- и полисахаридов. С пищей к нам поступают моно-, ди- и полисахариды. Всасываются в кишечнике моносахариды. Полисахариды в процессе движения по желудочно-кишечному тракту расщепляются на отдельные молекулы моносахаридов и всасываются в кровь в тонком кишечнике. С кровью воротной вены большая часть глюкозы (около половины) из кишечника поступает в печень, остальная глюкоза через общий кровоток транспортируется в другие ткани. Концентрация глюкозы в крови в норме поддерживается на постоянном уровне и составляет 3,33– 5,55 мкмоль/л, что соответствует 80–100 мг в 100 мл крови.

Транспорт глюкозы в клетки регулируется во многих тканях гормоном поджелудочной железы – инсулином. В клетке в ходе многостадийных химических реакций (Цикл Кребса) глюкоза превращается в другие вещества, которые в конечном итоге окисляются до углекислого газа и воды, при этом выделяется энергия, используемая организмом для обеспечения жизнедеятельности. Без присутствия инсулина глюкоза не поступит в клетку и не будет использована в качестве источника энергии. В этом случае в качестве топлива обычно используются жиры.

Фруктоза (C6H12O6) – шестиатомный сахар (кетогексоза). Ее еще называют плодовым сахаром, так как она является одним из самых распространенных углеводов фруктов. В отличие от глюкозы она может без участия инсулина проникать из крови в клетки тканей. Часть фруктозы попадает в клетки печени, где она превращается в более универсальное «топливо» – глюкозу, поэтому фруктоза тоже способна повышать уровень сахара в крови, хотя и в значительно меньшей степени, чем другие простые сахара. Фруктоза легче, чем глюкоза, способна превращаться в жиры. Основным преимуществом фруктозы является то, что она в 2,5 раза слаще глюкозы и в 1,7 – сахарозы. Ее применение вместо сахара позволяет снизить общее потребление углеводов.

Олигосахариды представляют собой короткие полимеры, состоящие из моносахаридных единиц и характеризующиеся сравнительно невысокой молекулярной массой.

В зависимости от количества остатков моносахаридов, входящих в молекулу олигосахаридов, последние делят на дисахариды, трисахариды и т. д. Наибольший интерес представляет группа дисахаридов.

Природные дисахариды построены из двух одинаковых или разных моносахаридных остатков, связанных гликозидной связью.

Простейшими природными представителями дисахаров являются: сахароза (свекольный, или тростниковый, сахар), мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар), целлобиоза (продукт неполного гидролиза целлюлозы). Это бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, сладкие на вкус. Имеют бруттоформулу C12H22O11.

Состав дисахаридов определяется по продуктам их кислотного или ферментативного гидролиза:

C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6

Сахароза + H2O → D-фруктозы + D-глюкозы

Лактоза + H2O → D-глюкозы + D-галактозы

Мальтоза + H2O → D-глюкозы + D-глюкозы

Целлобиоза + H2O → D-глюкозы + D-глюкозы

1.4.3. Полисахариды

Полисахариды – высокомолекулярные углеводы, построенные из большого числа остатков моносахаридов и их производных, связанных гликозидными связями. Если полисахарид состоит из остатков одного вида моносахаридов, то называется гомополисахарид, если из разных, то гетерополисахарид.

Гомополисахариды:   Гетерополисахариды:

крахмал;                          гиалуроновая кислота;

гликоген;                     хондроитинсульфат;

целлюлоза;                     гепарин.

1.4.3.1. Гомополисахариды

Крахмал – белое аморфное вещество, содержащееся в цитоплазме клеток растений в виде крупных гранул.

Крахмал накепливается в семенах, клубнях (40–78 %) и других частях растений (10–25 %). Этот гомополисахарид состоит из остатков D-глюкозы.

При быстром нагревании происходит гидролитическое расщепление макромолекул на более мелкие, образуется смесь полисахаридов, называемых декстринами:

(C6H10O5) n → (C6H10O5) m, где m<n.

Гликоген – резервное питательное вещество организма человека и животных. Иначе его называют «животным крахмалом».

 Гликоген – не однородное вещество, а смесь полисахаридов разной молекулярной массы.

Часть гликогена находится в соединении с белками. Гликоген откладывается в виде гранул в цитоплазме клеток и расщепляется до глюкозы при недостатке ее в организме. Гликоген запасается главным образом в печени (до 6–20 % от массы печени) и в мышцах, где его содержание редко превышает 1–4 %. Функция мышечного гликогена состоит в том, что он является легкодоступным источником глюкозных единиц, используемых в ходе гликолиза в самой мышце. Гликоген печени используется главным образом для поддержания физиологических концентраций глюкозы в крови, прежде всего в промежутках между приемами пищи. Через 12–18 ч после приема пищи запас гликогена в печени почти полностью истощается. Содержание мышечного гликогена заметно снижается только после продолжительной и напряженной физической работы.

Целлюлоза – наиболее распространенный растительный полисахарид. Она встречается в растительном мире в качестве структурного компонента клеточной стенки.

Особенно богаты целлюлозой волокна хлопка (98–99 %).

 Целлюлоза не имеет питательной ценности для высших животных (кроме жвачных) и человека, так как пищеварительные секреты слюны и ферменты желудочно-кишечного тракта не способны расщеплять -1,4-гликозидные связи.

1.4.3.2. Гетерополисахариды

Гетерополисахариды входят в состав соединительной ткани. Их основная функция – связывание и соединение клеток в ткани.

Гиалуроновая кислота – важнейшая составная часть межклеточного вещества тканей животных. Особенно высоко ее содержание в коже, стекловидном теле глаза, сухожилиях и синовиальной жидкости суставов, где она ковалентно связана с белками.

Хондроитинсульфат является составной частью костной ткани, хрящей, сухожилий, роговицы глаз, сердечных клапанов, кровеносных сосудов и других подобных тканей.

Хондроитинсульфаты способствуют заживлению ран и пролежней.

Гепарин – гетерополисахарид, препятствующий свертыванию крови у животных и человека. Гепарин содержится в крови, печени, легких, селезенке, щитовидной железе, некоторых других тканях и органах.

Функции полисахаридов:

• энергетическая – крахмал и гликоген составляют «депо» углеводов в клетке, так как при необходимости они быстро расщепляются на легко усваиваемый источник энергии – глюкозу;

• опорная – хондроитинсульфат выполняет опорную функцию, образуя костную ткань;

• структурная – гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат и гепарин являются структурными межклеточными веществами;

• гидроосмотическая и ионрегулирующая – гиалуроновая кислота, благодаря высокой гидрофильности и отрицательному заряду, связывает межклеточную воду и катионы, регулируя межклеточное осмотическое давление.