VI. Химия углеводов
Общая характеристика углеводов
Углеводы очень широко распространены в природе и особенно в растительном мире, где они составляют 70-80% из расчета на сухое вещество. В животном организме содержание углеводов значительно меньше, примерно около 2% веса тела. Однако для организма их значение очень велико. Об этом свидетельствуют важные и крайне разносторонние функции, которые выполняют углеводы:
1. энергетическая функция. Углеводы на 60% обеспечивают организм энергией. При окислении 1 г углеводов выделяется 4,1 ккал энергии;
2. пластическая функция. Углеводы принимают участие в синтезе многих очень важных веществ для организма, таких, как нуклеопротеиды, липоиды, сложные ферменты^ мукополисахариды и т. д. В растениях углеводы выполняют в основном опорную функцию;
3. функция запасных питательных веществ. Углеводы обладают способностью откладываться в организме в виде гликогена, который расходуется по мере надобности. Депо гликогена являются в основном печень и мышцы. При полноценном питании в печени может содержаться до 10% гликогена от веса печени, в мышцах — до 2%. При неблагоприятных условиях, например при голодании, запасы гликогена истощаются и его количество может снизиться до 0,2%;
4. защитная функция. Вязкие секреты (слизи), выделяемые различными железами, богаты мукополисахаридами. Они предохраняют, стенки полых органов от механических повреждений, от проникновения патогенных бактерий и вирусов;
5. регуляторная функция. В пище всегда содержится значительное количество сложного углевода — клетчатки, грубая структура которого вызывает механическое раздражение желудка и кишечника, участвуя таким образом в акте перистальтики;
6. специфическая функция. Отдельные представители углеводов выполняют особые функции в организме, например, участвуют в проведении нервных импульсов, образовании антител, обеспечении специфичности групп крови, нормальной деятельности высшей нервной системы и т. д.
Углеводы принимают участие и в таком "космическом" процессе, как фотосинтез. В связи с этим важное Значение имеет обеспеченность организма необходимым количеством углеводов (суточная потребность в среднем составляет 400-450 г) в основном за счет продуктов питания.
Ниже приводится содержание углеводов в основных пищевых продуктах (в % от веса влажного продукта).
Элементарный состав и химическое строение углеводов
Углеводами называются органические вещества, в состав которых входят углерод, водород и кислород. Водород и кислород в углеводах находятся в основном в таком же соотношении, как и в молекуле воды: на 2 атома водорода приходится 1 атом кислорода. Поэтому эти соединения стали называть углеводами. К ним относятся: глюкоза [С6H12О6 → C6(H2О)6], рибоза [С5Н10О5 → С5(Н2O)5], сахароза [С12Н22O11 → С12(Н2O)11] и др. Однако среди углеводов имеются соединения, не отвечающие такому правилу, такие, как рамноза (С6Н12O5). С другой стороны, среди органических веществ существуют такие, в молекулах которых водород и кислород находятся в том же отношении (2:1), но они не принадлежат к углеводам, например уксусная кислота [СН4O2→С2(Н2O)2].
Таким образом, название "углеводы" не точно соответствует химической структуре веществ этого ряда. Поэтому международная комиссия дала углеводам новое название — "глюциды".
Однако термин "углеводы" так широко вошел в теорию и практику, что им продолжают пользоваться и в настоящее время.
По своему строению углеводы являются альдегидами и кетонами многоатомных спиртов, из которых они могут быть получены окислением первичной или вторичной спиртовой группы.
Из курса органической химии известно, что спирты представляют собой производные углеводородов, в молекуле которых имеются одна или несколько гидроксильных групп — ОН. По числу этих групп спирты бывают одно-, двух-, трехатомными и т. д.
Общая формула спиртов следующая:
R-OH,
где R — углеводородный радикал.
Например, СН3-ОН — метиловый спирт, С2Н5-ОН — этиловый спирт, СН2-ОН-СН-ОН-СН2-ОН — трехатомный спирт глицерин.
В зависимости от расположения гидроксильной группы различают спирты первичные и вторичные. Первичным называется спирт, у которого гидроксил находится при концевом радикале:
Вторичные спирты имеют гидроксильную группу, расположенную у углеводородного радикала, который связан с двумя соседними С-радикалами:
Если гидроксильная группа находится у С-атома, связанного с тремя углеводородными радикалами, то такой спирт называется третичным:
При окислении первичных спиртов образуются альдегиды:
В случае окисления вторичных спиртов получаются кетоны:
Альдегидоспиртом называется соединение, в составе которого имеется и альдегидная, и спиртовая (гидроксильная) группа:
В структуре кетоноспирта обнаружены кетонная и гидроксильная группы:
Классификация углеводов
Углеводы делятся на 3 большие группы:
• моносахариды;
• олигосахариды;
• полисахариды.
Моносахариды — это простые углеводы, которые состоят только из одной молекулы.
Олигосахариды характеризуются тем, что при гидролизе распадаются на 2 и более моносахарида.
Полисахариды — это высокомолекулярные углеводы, состоящие из большого числа моносахаридов. Полисахариды разделяются на гомо- и гетерополисахариды. Гомополисахариды имеют в своем составе моносахариды только одного вида. Так, крахмал и гликоген состоят из большого числа только молекул глюкозы, а инулин — из фруктозы.
Гетерополисахариды представляют собой комплексы различных видов моносахаридов и их производных, соединенных с другими веществами.
Моносахариды
Эти углеводы представляют собой твердые, кристаллические вещества, растворимые в воде, сладкие на вкус. При определенных условиях они легко окисляются. Так, альдегидоспирты окисляются в кислоты, а при действии восстановителей превращаются в соответствующие спирты.
К моносахаридам относится группа простых углеводов, состоящих из одной молекулы с различным числом углеродных атомов (3, 4, 5, 6, 7 и более). В зависимости от числа углеродных атомов, входящих в молекулу, различают: триозы — моносахариды, состоящие из 3 углеродных атомов, тетрозы — из 4 С-атомов, пентозы — из 5 С-атомов, гексозы — из 6 С-атомов и т. д.
Простые углеводы по своему строению являются альдегидами или кетонами многоатомных спиртов: например, альдегид 6-атомного спирта сорбита — глюкоза, а его кетон — фруктоза:
Из триоз в организме человека имеют большое значение глицериновый альдегид и диоксиацетон, которые в процессах обмена веществ участвуют в активной форме, в виде эфиров с фосфорной кислотой:
Пентозы широко представлены в животном мире. Они входят в состав ДНК и РНК, являются составными частями различных ферментов, обеспечивающих окисление углеводов, белков и жиров, биосинтез белка и т. д.
К пентозам относятся: рибоза, дезоксирибоза — составные части нуклеотидов; рибулеза, ксилулеза и др.
Из гексоз наибольшее значение имеют глюкоза, фруктоза и галактоза. По своему химическому строению глюкоза и галактоза являются альдегидоспиртами, а фруктоза — кетоноспиртом.
Глюкоза — виноградный сахар, чрезвычайно широко распространенный в природе. В свободном состоянии глюкоза встречается как в растительных продуктах, так и в животном организме. Она входит в состав важнейших ди- и полисахаридов (сахароза, лактоза, крахмал, гликоген и др.). В организме человека глюкоза выполняет очень важные функции, являясь одним из основных источников энергии, а для нервной ткани и мозга — единственным.
Галактоза является пространственным изомером глюкозы, отличаясь от последней только расположением гидроксильной группы и водорода у четвертого углеродного атома. Она входит в состав лактозы, некоторых полисахаридов, гликолипидов и др. Галактоза в печени под действием ряда ферментов превращается в глюкозу. В молочной железе идет процесс синтеза из глюкозы галактозы, которая необходима для образования молочного сахара — лактозы.
Фруктоза широко распространена в природе и в большом количестве в свободном виде встречается в плодах, в связи с чем ее иногда называют плодовым сахаром. Особенно много фруктозы во фруктах, меде, сахарном тростнике.
Различия в структура фруктозы и глюкозы (фруктоза кетоноспирт, а глюкоза — альдегидоспирт) характеризуют и отличия их свойств. Фруктоза неспособна восстанавливать металлы из их окислов, в отличие от глюкозы она хуже всасывается в кишечнике. В организме фруктоза легко изомеризуется в глюкозу, в виде фосфорных эфиров участвует в обмене веществ.
При изучении гексоз было установлено, что они могут встречаться в циклической форме, которая образуется за счет внутримолекулярных перемещений:
В результате этого первый углеродный атом становится асимметрическим, он обозначается звездочкой(*). Асимметрическим называется такой атом, у которого все валентности заняты различными группировками.
Наличие такого атома обусловливает явление α- и β-изомерии, т. е. различное расположение водорода и гидроксила по отношению к первому углеродному атому:
В организме α- и β-формы глюкозы могут взаимопревращаться. Это явление называется мутаротацией.
В настоящее время установлено, что гексозы присутствуют в организме в виде кольцевых форм, которые впервые предложил Хеуорс:
В процессах обмена веществ углеводы участвуют в организме не в свободном виде, а в активированной форме — в виде эфиров с фосфорной кислотой, которая присоединяется по месту гидроксильных группировок у первого или шестого углеродного атома (или у С1- и С6-атомов).
При окислении шестого углеродного атома гексоз образуются гексуроновые кислоты (из глюкозы — глюкуроновая кислота, из галактозы — галактуроновая и т. д.).
Глюкуроновая кислота выполняет в организме важную функцию — участвует в обезвреживании ядовитых веществ — конечных продуктов распада белков и других соединений.
При замене ОН-группы у С2 на аминогруппу NH2 в гексозах образуются аминосахара, важнейшими из которых являются глюкозамин и галактозамин.
В организме аминосахара часто встречаются в виде соединений с уксусной кислотой по следующему типу:
Олигосахариды
Среди олигосахаридов, имеющих важное значение в организме, следует отметить дисахариды, которые состоят только из двух моносахаридов. К ним относятся сахароза, лактоза, мальтоза, целлобиоза и др.
Сахароза — свекловичный или тростниковый сахар — состоит из молекул глюкозы и фруктозы и является чисто растительным продуктом и важной составной частью питания.
Лактоза — молочный сахар, имеет в своем составе глюкозу и галактозу.
Мальтоза состоит из двух молекул глюкозы и является основным структурным элементом крахмала и гликогена.
Полисахариды
Представителями полисахаридов являются крахмал, клетчатка или целлюлоза, и гликоген.
Полисахариды имеют весьма разветвленную структуру. Эти структуры представлены двумя формами: амилозой и амилопектином.
Амилоза представляет собой неразветвленную цепь, состоящую из остатков глюкозы, связанных между собой по типу связи 1-4, т. е. связи между 1-м углеродным атомом одной молекулы глюкозы и 4-м атомом другой через кислородный мостик.
Амилоза имеет в своем составе 60-300 остатков глюкозы. Она растворима в горячей воде и с йодом дает синее окрашивание.
Схема строения амилозы (неразветвленная цепь)
Амилопектин представляет собой весьма разветвленную структуру, также состоящую из остатков глюкозы. Развет-вленность достигается образованием связей как между 1-м и 4-м углеродным атомом, так и между 1-м и 6-м. В определенной степени по структуре к амилопектину приближается гликоген, однако он еще более разветвлен.
Схема строения амилопектита (разветвленная цепь)
Крахмал — типичный резервный полисахарид растений.
Крахмал откладывается в растениях в виде зернышек, имеющих слоистое строение, которые нерастворимы в холодной воде. В горячей воде они дают коллоидный раствор, называемый в быту крахмальным клейстером. Крахмал на 10-20% состоит из амилозы и на 80-90% — из амилопектина.
Структура крахмала представлена остатками D-глюкозы, соединенными в основном связами 1-4 и в меньшей степени связями 1-6. Количество глюкозных остатков исчисляется несколькими тысячами. Эмпирическая формула крахмала — (С6Н10О5)*х, где х — количество остатков глюкозы. Крахмал, как и белки, обладает гидрофильными свойствами.
Клетчатка, или целлюлоза,- структурный полисахарид растений, состоящий из остатков глюкозы. Клетчатка не расщепляется ферментами желудка и тонкого отдела кишечника. Однако в этих отделах клетчатка выполняет функцию активатора моторики желудка и кишечника за счет своей грубой структуры. В толстом отделе кишечника клетчатка частично расщепляется под действием микроорганизмов.
Рис. 51. Схема строения молекулы гликогена. а — глюкозный остаток (1,4 связи); б — точки ветвления (1,6 связи)
Гликоген — основной запасной углевод организма человека и животных, который часто называют животным крахмалом. По своей структуре гликоген напоминает амилопектин, хотя он разветвлен сильнее (рис. 51). Он состоит примерно из 30 000 остатков глюкозы. В значительных количествах гликоген накапливается в печени, мышцах, сердце и в меньшей степени — в головном мозге.
Общие представления о мукополисахаридах
Мукополисахариды относятся к гетерополисахаридам, т. е. к соединениям, которые имеют в своем составе, кроме углеводов и их производных, другие вещества, например азотистые основания, органические кислоты и т. д. В организме они встречаются в комплексе с белками (мукопротеиды) и жирами (муколипиды),
Мукополисахариды выполняют в организме разнообразные функции. Они участвуют в построении клеточных мембран, входят в состав хрящей, хрусталика глаза, пупочного канатика, клапанов аорты; обеспечивают групповую специфичность крови, составляют основу слизей внутренних полых органов; образуют синовиальную жидкость, являются антикоагулянтами. Мукополисахариды подразделяются на кислые и нейтральные. Кислые мукополисахариды характеризуются наличием гексуроновых кислот. К ним относятся гиалуроновая, хондроитин-серные кислоты, гепарин. В составе нейтральных мукополисахаридов имеются нейраминовая кислота, фукоза и т. д.
Углеводы делятся на 3 большие группы:
• моносахариды;
• олигосахариды;
• полисахариды.
Моносахариды — это простые углеводы, которые состоят только из одной молекулы.
Олигосахариды характеризуются тем, что при гидролизе распадаются на 2 и более моносахарида.
Полисахариды — это высокомолекулярные углеводы, состоящие из большого числа моносахаридов. Полисахариды разделяются на гомо- и гетерополисахариды. Гомополисахариды имеют в своем составе моносахариды только одного вида. Так, крахмал и гликоген состоят из большого числа только молекул глюкозы, а инулин — из фруктозы.
Гетерополисахариды представляют собой комплексы различных видов моносахаридов и их производных, соединенных с другими веществами.
Моносахариды
Эти углеводы представляют собой твердые, кристаллические вещества, растворимые в воде, сладкие на вкус. При определенных условиях они легко окисляются. Так, альдегидоспирты окисляются в кислоты, а при действии восстановителей превращаются в соответствующие спирты.
К моносахаридам относится группа простых углеводов, состоящих из одной молекулы с различным числом углеродных атомов (3, 4, 5, 6, 7 и более). В зависимости от числа углеродных атомов, входящих в молекулу, различают: триозы — моносахариды, состоящие из 3 углеродных атомов, тетрозы — из 4 С-атомов, пентозы — из 5 С-атомов, гексозы — из 6 С-атомов и т. д.
Простые углеводы по своему строению являются альдегидами или кетонами многоатомных спиртов: например, альдегид 6-атомного спирта сорбита — глюкоза, а его кетон — фруктоза:
Из триоз в организме человека имеют большое значение глицериновый альдегид и диоксиацетон, которые в процессах обмена веществ участвуют в активной форме, в виде эфиров с фосфорной кислотой:
Пентозы широко представлены в животном мире. Они входят в состав ДНК и РНК, являются составными частями различных ферментов, обеспечивающих окисление углеводов, белков и жиров, биосинтез белка и т. д.
К пентозам относятся: рибоза, дезоксирибоза — составные части нуклеотидов; рибулеза, ксилулеза и др.
Из гексоз наибольшее значение имеют глюкоза, фруктоза и галактоза. По своему химическому строению глюкоза и галактоза являются альдегидоспиртами, а фруктоза — кетоноспиртом.
Глюкоза — виноградный сахар, чрезвычайно широко распространенный в природе. В свободном состоянии глюкоза встречается как в растительных продуктах, так и в животном организме. Она входит в состав важнейших ди- и полисахаридов (сахароза, лактоза, крахмал, гликоген и др.). В организме человека глюкоза выполняет очень важные функции, являясь одним из основных источников энергии, а для нервной ткани и мозга — единственным.
Галактоза является пространственным изомером глюкозы, отличаясь от последней только расположением гидроксильной группы и водорода у четвертого углеродного атома. Она входит в состав лактозы, некоторых полисахаридов, гликолипидов и др. Галактоза в печени под действием ряда ферментов превращается в глюкозу. В молочной железе идет процесс синтеза из глюкозы галактозы, которая необходима для образования молочного сахара — лактозы.
Фруктоза широко распространена в природе и в большом количестве в свободном виде встречается в плодах, в связи с чем ее иногда называют плодовым сахаром. Особенно много фруктозы во фруктах, меде, сахарном тростнике.
Различия в структура фруктозы и глюкозы (фруктоза кетоноспирт, а глюкоза — альдегидоспирт) характеризуют и отличия их свойств. Фруктоза неспособна восстанавливать металлы из их окислов, в отличие от глюкозы она хуже всасывается в кишечнике. В организме фруктоза легко изомеризуется в глюкозу, в виде фосфорных эфиров участвует в обмене веществ.
При изучении гексоз было установлено, что они могут встречаться в циклической форме, которая образуется за счет внутримолекулярных перемещений:
В результате этого первый углеродный атом становится асимметрическим, он обозначается звездочкой(*). Асимметрическим называется такой атом, у которого все валентности заняты различными группировками.
Наличие такого атома обусловливает явление α- и β-изомерии, т. е. различное расположение водорода и гидроксила по отношению к первому углеродному атому:
В организме α- и β-формы глюкозы могут взаимопревращаться. Это явление называется мутаротацией.
В настоящее время установлено, что гексозы присутствуют в организме в виде кольцевых форм, которые впервые предложил Хеуорс:
В процессах обмена веществ углеводы участвуют в организме не в свободном виде, а в активированной форме — в виде эфиров с фосфорной кислотой, которая присоединяется по месту гидроксильных группировок у первого или шестого углеродного атома (или у С1- и С6-атомов).
При окислении шестого углеродного атома гексоз образуются гексуроновые кислоты (из глюкозы — глюкуроновая кислота, из галактозы — галактуроновая и т. д.).
Глюкуроновая кислота выполняет в организме важную функцию — участвует в обезвреживании ядовитых веществ — конечных продуктов распада белков и других соединений.
При замене ОН-группы у С2 на аминогруппу NH2 в гексозах образуются аминосахара, важнейшими из которых являются глюкозамин и галактозамин.
В организме аминосахара часто встречаются в виде соединений с уксусной кислотой по следующему типу:
Олигосахариды
Среди олигосахаридов, имеющих важное значение в организме, следует отметить дисахариды, которые состоят только из двух моносахаридов. К ним относятся сахароза, лактоза, мальтоза, целлобиоза и др.
Сахароза — свекловичный или тростниковый сахар — состоит из молекул глюкозы и фруктозы и является чисто растительным продуктом и важной составной частью питания.
Лактоза — молочный сахар, имеет в своем составе глюкозу и галактозу.
Мальтоза состоит из двух молекул глюкозы и является основным структурным элементом крахмала и гликогена.
Полисахариды
Представителями полисахаридов являются крахмал, клетчатка или целлюлоза, и гликоген.
Полисахариды имеют весьма разветвленную структуру. Эти структуры представлены двумя формами: амилозой и амилопектином.
Амилоза представляет собой неразветвленную цепь, состоящую из остатков глюкозы, связанных между собой по типу связи 1-4, т. е. связи между 1-м углеродным атомом одной молекулы глюкозы и 4-м атомом другой через кислородный мостик.
Амилоза имеет в своем составе 60-300 остатков глюкозы. Она растворима в горячей воде и с йодом дает синее окрашивание.
Схема строения амилозы (неразветвленная цепь)
Амилопектин представляет собой весьма разветвленную структуру, также состоящую из остатков глюкозы. Развет-вленность достигается образованием связей как между 1-м и 4-м углеродным атомом, так и между 1-м и 6-м. В определенной степени по структуре к амилопектину приближается гликоген, однако он еще более разветвлен.
Схема строения амилопектита (разветвленная цепь)
Крахмал — типичный резервный полисахарид растений.
Крахмал откладывается в растениях в виде зернышек, имеющих слоистое строение, которые нерастворимы в холодной воде. В горячей воде они дают коллоидный раствор, называемый в быту крахмальным клейстером. Крахмал на 10-20% состоит из амилозы и на 80-90% — из амилопектина.
Структура крахмала представлена остатками D-глюкозы, соединенными в основном связами 1-4 и в меньшей степени связями 1-6. Количество глюкозных остатков исчисляется несколькими тысячами. Эмпирическая формула крахмала — (С6Н10О5)*х, где х — количество остатков глюкозы. Крахмал, как и белки, обладает гидрофильными свойствами.
Клетчатка, или целлюлоза,- структурный полисахарид растений, состоящий из остатков глюкозы. Клетчатка не расщепляется ферментами желудка и тонкого отдела кишечника. Однако в этих отделах клетчатка выполняет функцию активатора моторики желудка и кишечника за счет своей грубой структуры. В толстом отделе кишечника клетчатка частично расщепляется под действием микроорганизмов.
Рис. 51. Схема строения молекулы гликогена. а — глюкозный остаток (1,4 связи); б — точки ветвления (1,6 связи)
Гликоген — основной запасной углевод организма человека и животных, который часто называют животным крахмалом. По своей структуре гликоген напоминает амилопектин, хотя он разветвлен сильнее (рис. 51). Он состоит примерно из 30 000 остатков глюкозы. В значительных количествах гликоген накапливается в печени, мышцах, сердце и в меньшей степени — в головном мозге.
Общие представления о мукополисахаридах
Мукополисахариды относятся к гетерополисахаридам, т. е. к соединениям, которые имеют в своем составе, кроме углеводов и их производных, другие вещества, например азотистые основания, органические кислоты и т. д. В организме они встречаются в комплексе с белками (мукопротеиды) и жирами (муколипиды),
Мукополисахариды выполняют в организме разнообразные функции. Они участвуют в построении клеточных мембран, входят в состав хрящей, хрусталика глаза, пупочного канатика, клапанов аорты; обеспечивают групповую специфичность крови, составляют основу слизей внутренних полых органов; образуют синовиальную жидкость, являются антикоагулянтами. Мукополисахариды подразделяются на кислые и нейтральные. Кислые мукополисахариды характеризуются наличием гексуроновых кислот. К ним относятся гиалуроновая, хондроитин-серные кислоты, гепарин. В составе нейтральных мукополисахаридов имеются нейраминовая кислота, фукоза и т. д.
Вопросы для повторения
1. Что такое углеводы?
2. Какие функции в организме выполняют углеводы?
3. Напишите формулы. 3-фосфоглицеринового альдегида, рибозы, глюкозо-1-фосфата, галактозо-6-фосфата, глюкуроновой кислоты, галактозамина.
4. Из каких частей построена молекула крахмала?
5. Что представляют собой амилоза и амилопектин?
6. Какова структура гликогена?
7. Назовите основные функции гликогена?
8. Что является основным депо гликогена в организме?
9. Укажите на основные функции мукополисахаридов. Приведите примеры отдельных представителей.
10. Каково строение сахарозы, мальтозы, лактозы?
ТЕЛЕГРАМКанал с обзорами, анонсами новинок и книжными подборками
Книжный Вестник
Бот для удобного поиска книг (если не нашлось на сайте)
Поиск книг
Свежие любовные романы в удобных форматах
Любовные романы
О психологии, саморазвитии и личностном росте
Саморазвитие
Детективы и триллеры, все новинки
Детективы
Фантастика и фэнтези, все новинки
Фантастика
Отборные классические книги
Классика
ВКОНТАКТЕБиблиотека с любовными романами, которая наверняка придётся по вкусу женской части аудитории
Любовные романы
Библиотека с фантастикой и фэнтези, а также смежных жанров
Фантастика
Самые популярные книги в формате фб2
Топ фб2
книги