Углеводы: разнообразие, свойства и функции

В состав клеток входит множество органических соединений, т. е. со­единений, которые отсутствуют в неживой природе — это углеводы, бел­ки, липиды, нуклеиновые кислоты и некоторые другие вещества. Все эти соединения в своей основе имеют атомы углерода, который составляет 50% от сухой массы организмов. Атомы углерода способны вступать друг с другом в прочную ковалентную связь, образуя множество разнообразных цепных или кольцевых молекул. К углеродным скелетам могут присоеди­няться другие группы атомов. В состав клеток входят органические вещества – углеводы, белки, липиды и нуклеиновые кислоты. Они в своем большинстве являются молекулами с большой молекулярной массой, поэтому их называют макромолекулами или высокомолекулярными веществами. Высокомолекулярные органические соединения – белки, нуклеиновые кислоты, сложные углеводы (полисахариды), молекулы которых состоят из большого количества одинаковых или разных по химическому строению повторяющихся цепей, называют биополимерами. Простые молекулы, из остатков которых состоят биополимеры, называют мономерами.

Что такое углеводы?

Химический состав углеводов соответствует формуле (СН₂О) _n, где n равняется трем и более. В зависимости от количества мономеров, входящих в состав молекул, углеводы делят на три основные группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

К менее сложным органическим соединениям, так называемым малым молекулам, относятся простые углеводы (их еще называют моносахари­дами). Они имеют общую формулу C_nH_2nO_n. По числу атомов углерода, входящих в их состав, моносахариды делят на триозы (3 атома), тетрозы (4), пентозы (5), гексозы (6) и так далее до декоз (10). Моносахариды могут существовать в двух формах — линейной, когда углеродная цепочка откры­тая, и циклической, когда она замкнута.

В природе наиболее распространенными моносахаридами являются гек­созы, в частности глюкоза и фруктоза. Сладкий вкус ягод, меда зависит именно от этих соединений. Из пентоз наиболее известны рибоза и дезок- сирибоза, входящие в состав нуклеиновых кислот и аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Олигосахариды – соединения, в которых остатки моносахаридов (от двух до десяти) соединены ковалентными связями. Среди них наиболее распространены дисахариды, образующиеся в результате соединения двух молекул моносахаридов. Например, свекловичный или тростниковый сахар (сахароза) состоит из остатков глюкозы и фруктозы, молочный (лактоза) - глюкозы и галактозы, солодовый (мальтоза) – только из глюкозы. Дисахариды имеют сладкий вкус, они хорошо растворимы в воде.

Углеводы — это вещества, которые образуются в зеленых частях ра­стений на свету из углекислого газа и воды и дают начало другим органи­ческим соединениям живых организмов.

К малым органическим молекулам, кроме моносахаридов, Относятся также аминокислоты и нуклеотиды. Их биологическая роль заключается в том, что они являются структурными единицами огромных по размеру молекул белков и нуклеиновых кислот. Точно так же, как из моносахаридов построены большие по размеру молекулы полисахаридов (их молекулярная масса достигает нескольких миллионов), из аминокислот построены белки, а из нуклеотидов — нуклеиновые кислоты. Вещества, молекулы которых состоят из периодически повторяющихся звеньев, называются полимера­ми. В молекулах полисахаридов роль таких звеньев (так называемых моно­меров) выполняют моносахариды, в молекулах белков — аминокислоты, а мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды.

К числу полисахаридов относят, например, крахмал, целлюлозу, глико­ген, хитин и другие.

Они отличаются друг от друга как по составу, так и по длине, а также степени разветвления цепочек.

Полисахариды почти не растворяются в воде, у них отсутствует слад­кий вкус, присущий моносахаридам. Исключением являются так называе­мые олигосахариды (их еще называют дисахаридами). Их молекулы состо­ят всего из двух моносахаридов, соединенных между собой ковалентными связями. Это такие углеводы, как сахароза (состоит из остатков глюкозы и фруктозы), лактоза (из остатков глюкозы и галактозы), мальтоза (только из остатков глюкозы). Они, как и моносахариды, имеют приятный сладкий вкус и хорошо растворяются в воде.

Одним из самых распространенных полисахаридов является крахмал. Мономерами его полимерной молекулы являются остатки молекул глюко­зы. Он синтезируется в клетках растений и откладывается в виде запасно­го питательного вещества в листьях, семенах, клубнях.

Целлюлоза (ее еще называют клетчаткой) — прочный, волокнистый, нерастворимый в воде полисахарид. Из целлюлозы состоят клеточные стен­ки растений, она составляет основу древесины, коры растений. У грибов, животных и человека резервным полисахаридом является гликоген. Среди структурных полисахаридов известен хитин. Он входит в состав клеточных стенок грибов и некоторых зеленых водорослей, а также покровов члени­стоногих животных.

Функции углеводов важны и разнообразны. Одна из них, пожалуй, самая важная, заключается в обеспечении opганизма энергией. В живых клетках моносахариды расщепляются до двуокиси углерода и воды, что сопровож­дается высвобождением энергии, запасенной в их молекулах в виде хими­ческих связей. Эту энергию клетки используют для своих разнообразных нужд. Преимущества углеводов, по сравнению с другими веществами, спо­собными тоже выполнять энергетическую функцию, заключаются в том, что они являются источником быстро мобилизуемой энергии.

Пластическая функция углеводов состоит в том, что они участвуют в синтезе многих важнейших для организма веществ: нуклеиновых кислот, аминокислот, липидов.

Углеводы выполняют защитную функцию, так как являются основными компонентами оболочек растительных клеток, участвуют в построении наружного скелета членистоногих.

Опорная функция углеводов состоит в том, что они (в частности целлюлоза) образуют прочный остов растений, их механические и опорные ткани.