Функции и элементарный состав углеводов

Углеводы.

Углеводы – это многоатомные спирты, которые содержат в своем составе, кроме спиртовых групп, альдегидную или кетогруппу.

В зависимости от типа группы в составе молекулы различают  альдозы и кетозы.

Углеводы очень широко распространенны в природе, особенно в растительном мире, где составляют 70 – 80 % массы сухого вещества клеток. В животном организме на их долю приходится всего около 2 % массы  тела, однако и здесь их роль не менее  важна.

Углеводы способны откладываться  в виде крахмала в растениях и  гликогена в организме животных и человека. Эти запасы расходуются  по мере надобности. В организме  человека углеводы откладываются в  основном в печени и мышцах, которые  являются его депо.

Среди других компонентов  организма высших животных и человека на долю углеводов приходится 0,5% массы  тела. Однако углеводы имеют большое  значение для организма. Эти вещества вместе с белками в форме протеогликанов лежат в основе соединительной ткани. Углеводосодержащие белки (гликопротеины и мукопротеины) – составная часть слизей организма (защитная, обволакивающая функции), транспортных белков плазмы и иммунологически активных соединений (группоспецифические вещества крови). Часть углеводов выполняет функции «запасного топлива» для получения организмов энергии.

Функции углеводов:

Энергетическая – углеводы являются одним из основных источников энергии для организма, обеспечивая не менее 60% энергозатрат. Для деятельности мозга, клеток крови, мозгового вещества почек практически вся энергия поставляется за счет окисления глюкозы. При полном распаде 1 г углеводов выделяется 4,1 ккал/моль (17,15 кДж/моль) энергии.

Пластическая – углеводы или их производные обнаруживаются во всех клетках организма. Они входят в состав биологических мембран и органоидов клеток, участвуют в образовании ферментов, нуклеопротеидов и т.д. В растениях углеводы служат в основном опорным материалом.

Защитная – вязкие секреты (слизь), выделяемая различными железами, богаты углеводами или их производными (мукополисахаридами и др.). Они защищают внутренние стенки полых органов желудочно-кишечного тракта, воздухоносных путей от механических и химических воздействий, проникновения патогенных микробов.

Регуляторная – пища человека содержит значительное количество клетчатки, грубая структура которой вызывает механическое раздражение слизистой оболочки желудка и кишечника, участвуя, таким образом, в регуляции акта перистальтики.

Специфическая – отдельные углеводы выполняют в организме особые функции: участвуют в проведении нервных импульсов, образовании антител, обеспечении специфичности групп крови и т.д.

Функциональная значимость углеводов определяет необходимость  обеспечения организма этими  питательными веществами. Суточная потребность  в углеводах для человека составляет в среднем 400 – 450 г с учетом возраста, рода трудовой деятельности, пола и  некоторых других факторов.

Элементарный  состав.

Углеводы состоят из следующих  химических элементов: углерода, водорода и кислорода. Большая часть углеводов  имеет общую формулу С_n(H₂O)_n.Углеводы представляют собой соединения, состоящие из углерода и воды, что послужило основанием для их названия. Однако среди углеводов встречаются вещества, не соответствующие приведенной формуле, например рамноза С₆Н₁₂О₅ и др. В то же время известны вещества, состав которых соответствует общей формуле углеводов, но по свойствам они не относятся к ним (уксусная кислота С₂Н₁₂О₂). Поэтому название «углеводы» достаточно условно и не всегда соответствует химической структуре этих веществ.

 

Углеводы – это органические вещества, представляющие собой альдегиды или кетоны многоатомных спиртов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Моносахариды

Моносахариды – это многоатомные алифатические спирты, которые содержат в своем составе альдегидную группу (альдозы) или кетогруппу (кетозы).

Моносахариды представляют собой твердые, кристаллические  вещества, растворимые в воде и  сладкие на вкус. В определенных условиях они легко окисляются, в  результате чего альдегидоспирты превращаются в кислоты, в результате чего альдегидоспирты  превращаются в кислоты, а при  восстановлении – в соответствующие  спирты.

Химические свойства моносахаридов: 

1.Окисление до моно-, дикарбоновых и гликуроновых кислот;

2.Восстановление до спиртов;

3.Образование сложных эфиров;

4.Образование гликозидов;

5.Брожение: спиртовое, молочнокислое, лимоннокислое и маслянокислое.

Моносахариды, которые не могут быть гидролизованы на более  простые сахара. Тип моносахарида зависит от длины углеводородной цепи. В зависимости от числа атомов углерода их подразделяют на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы.

Триозы: глицериновый альдегид и диоксиацетон, они являются промежуточными продуктами распада глюкозы и участвуют в синтезе жиров. обе триозы можно получить из спирта глицерола путем его дегидрирования или гидрирования.

Тетрозы: эритроза – активно участвует в процессах обмена веществ.

Пентозы: рибоза и дезоксирибоза – составные части нуклеиновых кислот, рибулеза и ксилулеза – промежуточные продукты окисления глюкозы.

Гексозы: они наиболее широко представлены в животном и растительном мире и играют большую роль в обменных процессах. К ним относятся глюкоза, галактоза, фруктоза и др.

Глюкоза (виноградный сахар). Является основным углеводом растений и животных. Важная роль глюкозы объясняется тем, что она является основным источником энергии, составляет основу многих олиго- и полисахаридов, участвует в поддержании осмотического давления. Транспорт глюкозы в клетки регулируется во многих тканях гормоном поджелудочной железы - инсулином. В клетке в ходе многостадийных химических реакций глюкоза превращаются в другие вещества (образующиеся при распаде глюкозы промежуточные продукты используются для синтеза аминокислот и жиров), которые в конечном итоге окисляются до углекислого газа и воды, при этом выделяется энергия, используемая организмом для обеспечения жизнедеятельности. По уровню глюкозы в крови обычно судят о состоянии углеводного обмена в организме. При снижении уровня глюкозы в крови или ее высокой концентрации и невозможности использования, как это происходит при диабете, наступает сонливость, может наступить потеря сознания (гипогликемическая кома). Скорость поступления глюкозы в ткани мозга и печени не зависит от инсулина и определяется только концентрацией ее в крови. Эти ткани называются инсулинонезависимыми. Без присутствия инсулина глюкоза не поступит в клетку и не будет использована в качестве топлива.

Галактоза. Пространственный изомер глюкозы, отличающийся расположением ОН-группы у четвертого углеродного атома. Входит в состав лактозы, некоторых полисахаридов и гликолипидов. Галактоза может изомеризоваться в глюкозу (в печени, молочной железе).

Фруктоза (плодовый сахар). В больших количествах находится в растениях, особенно в плодах. Много ее во фруктах, сахарной свекле, меде. Легко изомеризуется в глюкозу. Путь распада фруктозы более короткий и энергетически выгодный, чем глюкозы. В отличие от глюкозы она может без участия инсулина проникать из крови в клетки тканей. По этой причине фруктоза рекомендуется в качестве наиболее безопасного источника углеводов для больных диабетом. Часть фруктозы попадает в клетки печени, которые превращают ее в более универсальное "топливо" - глюкозу, поэтому фруктоза тоже способна повышать уровень сахара в крови, хотя и в значительно меньшей степени, чем другие простые сахара.

По химическому строению глюкоза и галактоза являются альдегидоспиртами, фруктоза — кетоноспиртом. Различия в структуре глюкозы  и фруктозы характеризуют и различии и некоторых их свойствах. Глюкоза  восстанавливает металлы из их окислов, фруктоза таким свойством не обладает. Фруктоза примерно в 2 раза медленнее  всасывается из кишечника по сравнению с глюкозой.

При окислении шестого  углеродного атома в молекуле гексоз образуются гексуроновые(уроновые) кислоты: из глюкозы — глюкуроновая, из галактозы — галактуроновая.

Глюкуроновая кислота принимает активное участие в обменных процессах в организме, например в обезвреживании токсических продуктов, входит в состав мукополисахаридов и т. д. Функция ее заключается в том, что она соединяется в организме с веществами, плохо растворимыми в воде. В результате связываемое вещество становится водорастворимым и выводится с мочой. Такой путь выведения особенно важен для водонерастворимых стероидных гормонов, продуктов их распада, а также для выделения продуктов распада лекарственных веществ. Без взаимодействия с глюкуроновой кислотой нарушаются дальнейший распад и выделение из организма желчных пигментов.

Моносахариды  могут иметь аминогруппу.

При замене в молекуле гексоз ОН-группы второго углеродного атома на аминогруппу образуются аминосахара — гексозамины: из глюкозы синтезируетсяглюкозамин, из галактозы — галактозамин, которые входят в состав клеточных оболочек и муко-полисахаридов как в свободном виде, так и в соединении с уксусной кислотой.

Аминосахарами называются моносахариды, которые на месте ОН-группы несут аминогруппу (—NН₂).

Аминосахара являются важнейшей составной частью гликозаминогликанов.

Моносахариды  образуют эфиры. ОН-группа молекулы моносахарида; как всякая спиртовая группа, может взаимодействовать с кислотой. В промежуточном обмене эфиры сахаров имеют большое значение. Чтобы включиться в обмен веществ, сахар должен стать фосфорным эфиром. При этом фосфорилируются концевые углеродные атомы. У гексоз — это С-1 и С-6, у пентоз — С-1 и С-5 и т.д. Больше двух ОН-групп фосфорилированию не подвергается. Поэтому основную роль играют моно- и дифосфаты сахаров. В названии фосфорного эфира обычно указывают позицию эфирной связи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Олигосахариды

Олигосахариды имеют в своем составе два и более моносахарида. Они встречаются в клетках и биологических жидкостях, как в свободном виде, так и в соединении с белками. Для организма имеют большое значение дисахариды: сахароза, мальтоза, лактоза и др. Эти углеводы выполняют энергетическую функцию. Предполагается, что, входя в состав клеток, они участвуют в процессе «узнавания» клеток.

 

Сахароза (свекловичный или тростниковый сахар). Состоит из молекул глюкозы и фруктозы. Она является растительным продуктом и важнейшим компонентом пищи, обладает наиболее сладким вкусом по сравнению с другими дисахаридами и глюкозой.

Содержание сахарозы в  сахаре составляет 95%. Сахар быстро расщепляется в желудочно-кишечном тракте, глюкоза и фруктоза всасываются  в кровь и служат источником энергии  и наиболее важным предшественником гликогена и жиров. Его часто  называют "носителем пустых калорий", так как сахар - это чистый углевод, он не содержит других питательных  веществ, таких как, например, витамины, минеральные соли.

Лактоза (молочный сахар) состоит из глюкозы и галактозы, синтезируется в молочных железах в период лактации. В желудочно-кишечном тракте расщепляется под действием фермента лактазы. Дефицит этого фермента у некоторых людей приводит к непереносимости молока. Дефицит этого фермента наблюдается примерно у 40% взрослого населения. Нерасщепленная лактоза служит хорошим питательным веществом для кишечной микрофлоры. При этом возможно обильное газообразование, живот "пучит". В кисломолочных продуктах большая часть лактозы сброжена до молочной кислоты, поэтому люди с лактазной недостаточностью могут переносить кисломолочные продукты без неприятных последствий. Кроме того, молочнокислые бактерии в кисломолочных продуктах подавляют деятельность кишечной микрофлоры и снижают неблагоприятные действия лактозы.

Мальтоза состоит из двух молекул глюкозы и является основным структурным компонентом крахмала и гликогена.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полисахариды

Полисахариды — высокомолекулярные углеводы, состоящие из большого числа моносахаридов. Они обладают гидрофильными свойствами и при растворении в воде образуют коллоидные растворы.

Полисахариды  подразделяются на гомо- и гетерополисахариды.

Гомополисахариды. Имеют в составе моносахариды только одного вида. Гак, крахмал и гликоген построены только из молекул глюкозы, инулин — фруктозы. Гомополисахариды имеют весьма разветвленную структуру и представляют собой смесь двух полимеров — амилозы и амилопектина. Амилоза состоит из 60—300 остатков глюкозы, соединенных в линейную цепь при помощи кислородного мостика, образованного между первым углеродным атомом одной молекулы и четвертым углеродным атомом другой (связь 1,4).

Амилоза растворима в горячей воде и дает с йодом синее окрашивание.

Амилопектин — разветвленный полимер, состоящий как из неразветвленных цепей (связь 1,4), так и разветвленных, которые образуются за счет связей между первым углеродным атомом одной молекулы глюкозы и шестым углеродным атомом другой при помощи кислородного мостика (связь 1,6).