Углеводы широко распространены как в растительном, так и в животном мире. Они составляют 80 % сухой массы древесины и стеблей растений, также присутствуют в заметных количествах и в организмах

Углеводы

Углеводы широко распространены как в растительном, так и в животном мире. Они составляют 80 % сухой массы древесины и стеблей растений, также присутствуют в заметных количествах и в организмах высших животных. Их важная роль отражена в тех функциях, которые они выполняют.

Энергетическая. Углеводы один из основных источников энергии для организма (~ 60 %). При распаде 1 грамма глюкозы выделяется 17,15 кдж (4,1 ккал). Практически вся энергия для деятельности мозга, клеток крови, мозгового вещества почек и надпочечников образуется в результате окисления глюкозы.

Пластическая. Углеводы обнаруживаются во всех без исключения тканях и органах, входят в состав оболочек клеток. В растениях они служат опорным материалом.

Функция запасных питательных веществ. Углеводы могут накапливаться в организмах в виде крахмала у растений и гликогена у животных, которые расходуются по мере необходимости. Гликоген накапливается в основном в печени и в мышцах.

Защитная. Вязкие секреты (слизи), выделяемые различными железами, содержат полисахариды, которые предохраняют стенки органов (пищевод, кишечник, бронхи) от механических повреждений и проникновения патогенных микробов.

Регуляторная. Наша пища содержит значительное количество клетчатки, грубая структура которой вызывает механическое раздражение слизистой желудка и кишечника, участвуя, таким образом, в передвижении пищи.

Специфическая. Отдельные углеводы участвуют в выполнении особых функций в организме, например, в проведении нервных импульсов, в образовании антител и др. Кроме того, в растениях углеводы участвуют в фотосинтезе.

Общая формула углеводов C_n(H₂O)_n. Они делятся на три группы: моносахариды, олигосахариды и полисариды. К моносахаридам относятся углеводы, которые не могут быть гидролизованы. Дисахариды дают при гидролизе две молекулы моносахаридов, олигосахариды до восьми молекул. Полисахариды являются полимерами, в которых число мономерных звеньев превышает восемь. В природных полисахаридах насчитывается до 1000 – 3000 моносахаридных остатков.

Моносахариды различаются числом атомов углерода в цепи и типом карбонильной группы (альдегидная или кетонная). Моносахариды, состоящие из 3 атомов углерода, называются триозами, из 4 –тетрозами, из 5 – пентозами, из 6 – гексозами. Моносахариды, имеющие альдегидную группу, называются альдозами, кетонную группу – кетозами.

Из триоз наибольшее значение имеют глицериновый альдегид (альдотриоза). Правовращающему глицериновому альдегиду была произвольно придана следующая конфигурация, и его обозначают как D-(+)-глицериновый альдегид:

Пентозы рибоза и дезоксирибоза являются составными частями нуклеиновых кислот.

Наиболее часто в животном и растительном мире встречаются гексозы. К ним относятся глюкоза, галактоза, манноза, фркутоза и др.:

Глюкоза – виноградный сахар – основной углевод растений и животных. В организме человека глюкоза является одним из главных источников энергии. Уровень ее в крови служит показателем углеводного обмена в организме. Глюкоза также является составной частью многих ди- и полисахаридов (лактозы, сахарозы, крахмала, гликогена). В основе процессов брожения, широко применяемых в биотехнологии, лежат превращения глюкозы. Конфигурация каждого моносахарида определяется по наиболее старшему хиральному центру (наиболее удаленному от карбонильной группы, т. е. С-5).

Галактоза (пространственный изомер глюкозы) входит в состав в состав лактозы (молочный сахар), некоторых полисахаридов и гликолипидов. Галактоза в печени легко превращается в глюкозу.

Фруктоза – медовый сахар в большом количестве встречается в меде, подах фруктов, свекле. В организме фруктоза легко изомеризуется в глюкозу.

Молекула глюкозы содержит 4 хиральных атома углерода. Отсюда следует, что возможно существование 2⁴, т.е. 16 оптически активных изомеров альдогексоз. Все эти изомеры известны, некоторые встречаются в природе, другие получены синтетическим путем. Строение глюкозы было установлено Фишером в конце 19 века. Глюкоза обладает свойствами, характерными для альдегидов, например, она образует ряд производных по карбонильной группе: оксим, фенилгидразон, циангидрин. Ее можно восстановить в шестиатомный спирт – сорбит и окислить в мягких условиях до глюконовой (монокарбоновой) кислоты, а в жестких условиях до дикарбоновой кислоты – глюкаровой. Однако, глюкоза проявляет не все свойства, характерные для альдегидов, например не образует бисульфитного производного. Это объясняется тем, что карбонильная группа в глюкозе взаимодействует с гидроксильной группой, которая находится при С-5, с образованием циклического полуацеталя. Шестичленные циклические формы моносахаридов называют пиранозами.

В циклической форме глюкозы возникает новый хиральный атом С-1, вследствие чего глюкоза существует в двух стериоизомерных формах - a- и b-глюкоза, называемых анномерами.

Для большей наглядности Хеуорс предложил изображение циклических форм в виде проекционных формул:

В кристаллическом состоянии обе формы D-глюкопиранозы устойчивы и не подвержены взаимопревращениям. Они различаются значениями угла вращения [a]_D: у a-анномера +112 °, у a-анномера +19 °. У свежеприготовленного водного раствора каждого аномера при стоянии наблюдается постепенное изменение угла вращения до достижения равновесного значения +52,5 °.

Изменение во времени значения угла вращения плоскости поляризации света растворами углеводов называется мутаротацией. Причиной мутаротации является то, что циклические формы полуацеталя (a- и b-анномеры) в водном растворе находятся в равновесии с открытой формой. В равновесной смеси D-глюкопиранозы содержится 36 % a-анномера и 64 % b-анномера. Концентрация открытой формы составляет лишь 0,024 %.

Аналогичные таутомерные превращения происходят в растворах со всеми моносахаридами и большинством известных дисахаридов. Ниже приведена схема таутомерных превращений важнейшего представителя кетогексоз – D-фруктозы, которая образует пятичленную циклическую форму (полукеталь), называемую фуранозой:.

Важно отметить, что в процессах обмена веществ углеводы участвуют в активированной форме, т.е. в виде соединений с фосфорной кислотой. В молекулах гексоз фосфорная кислота присоединяется или к первому, или к шестому, или сразу к двум этим углеродным атомам:

Простейшими олигосахаридами являются дисахариды, из которых наиболее важными являются сахароза, лактоза, мальтоза, целлобиоза. Сахароза представляет собой дисахарид, состоящий из остатков D-глюкозы и D-фруктозы, связанные глюкозидо-глюкозидной связью (a-1, b-2-связь). Гидролиз сахарозы действием кислот или ферментов дает одинаковое количество обеих гексоз. Сахароза не относится к числу восстанавливающих сахаров, и ее растворы не подвергаются мутаротации.

Лактоза (молочный сахар) состоит из глюкозы и галактозы и присутствует в молоке почти всех млекопитающих. Мальтоза (солодовый сахар) является основным структурным компонентом крахмала и гликогена и состоит из двух молекул глюкозы. При ее гидролизе образуются две молекулы глюкозы.

Полисахариды по строению делятся на линейные и разветвленные, а по составу на гетерополисахариды, которые состоят из различных моносахаридов, и гомополисахариды, которые состоят из фрагментов одного и того же моносахарида. Важнейшими гомополисахаридами являются крахмал, гликоген и целлюлоза, построенные из молекул глюкозы. Структура полисахаридов может быть представлена двумя формами амилозой и амилопектином. Амилоза состоит из остатков глюкозы, соединенных в неразветвленную цепь с помощью кислородного мостика между первым атомом углерода одной молекулы и четвертым атомом другой. Молекулярная масса амилозы 400 тыс., т.е. в состав амилозы входит до 1000 моносахаридных субъединиц.

Амилопектин разветвленный полимер, имеющий молекулярную массу от 1 до 6 млн. Состоит из остатков глюкозы, связанных 1,4-гликозиднымы связями и боковых цепей, образованных О-мостиком между первым атомом углерода одной молекулы и шестым атомом углерода другой.

Крахмал – основной полисахарид растений, источник питания животных и человека, содержит 10 – 20 % амилозы и 80 – 90 % амилопектина.

Гликоген – основной запасный углевод организма человека и животных, структурный и функциональный аналог крахмала.

Целлюлоза или клетчатка самый распространенный на Земле углевод растений. Она входит в состав оболочки клетки. В растениях она составляет от 50 до 95 % от общей массы. Особенно богаты целлюлозой волокна хлопка, льна, древесины. Строение целлюлозы сходно со строением крахмала, однако целлюлоза состоит из остатков b-глюкозы, и поэтому целлюлоза не гидролизуется под действием тех ферментов, которые гидролизуют крахмал (амилаза).

Липиды.

В группу липидов объединены соединения, не имеющие общей формулы, нерастворимые в воде и хорошо растворимые в органических растворителях.

Содержание жира в организме человека составляет в среднем 10 20 % от массы тела. Жир можно условно разделить на два вида: протоплазматический (конститутивный) и резервный. Протоплазматический входит в состав всех органов и тканей и практически остается на одном уровне в течение всей жизни, в то время как, количество резервного жира меняется в зависимости от различных факторов.

Биологическое значение липидов в организме велико. Они находятся во всех органах и тканях. В мозге, например, они могут составлять до 50 % веса, в печени до 5 %. Липиды участвуют в построении клеточных мембран.

Жиры обеспечивают 25 – 30 % всей энергии, необходимой организму. При полном окислении 1 грамма жира выделяется 38,9 кдж (9,3 ккал), что в два раза больше по сравнению с углеводами.

Липиды как и углеводы выполняют функцию запасных питательных веществ и используются организмом при их недостаточном поступлении.

Кроме того, липиды принимают участие в процессах терморегуляции, предохраняют кожу от высыхания, защищают органы от сотрясений (жировая подушка вокруг почек, глаз), служат потенциальным резервом эндогенной воды в организме (при окислении 100 грамм жира образуется 107 грамм воды) а также являются источником ненасыщенных жирных кислот.

Классификация липидов

Простые и сложные липиды относятся к омыляемым, а стерины и терпены к неомыляемым липидам. Они не гидролизуются ни в кислой, ни в щелочной среде. К неомыляемым липидам относится холестерин.

Триацилглицериды (триглицериды) представляют собой эфиры глицерина и высших жирных кислот.

Из насыщенных кислот в организме чаще всего встречается пальмитиновая CH₃(CH₂)₁₄COOH и стеариновая CH₃(CH₂)₁₆COOH кислоты. Ненасыщенные кислоты представлены олеиновой СН₃(СН₂)₇СН=СН(СН₂)₇СООН, линолевой СН₃(СН₂)₄СН=СНСН₂СН=СН(СН₂)₇СООН и линоленовой СН₃СН₂СН=СНСН₂СН=СНСН₂СН=СН(СН₂)₇СООН. Линолевая и линоленовые кислоты в организме не синтезируются и поэтому должны регулярно поступать с пищей (растительные масла содержат до 95% этих кислот). Жир называется простым, если R₁=R₂=R₃. Если остатки кислот различны, то такой жир называется смешанным.

Воска объединяют большую группу соединений, представляющих собой сложные эфиры высших одноатомных спиртов и высших жирных кислот. Например, ланолин – вещество состоящее из смеси эфиров холестерина с различными высшими жирными кислотами. Он придает эластичность коже и прочность волосам.

Фосфолипиды (фосфатиды) составляют основу биологических мембран (клеток и клеточных органелл). Они преобладают в составе мозговой ткани, нервов, содержатся в печени, сердце, участвуют в процессах биосинтеза белка, транспортировке липидов по крови.

Глицерофосфатиды можно представить следующей формулой:

где R₁ - насыщенная жирная кислота, R₂ - ненасыщенная жирная кислота, которая всегда присоединяется ко второму атому углерода, с третьим атомом углерода соединен остаток фосфорной кислоты, в котором атом водорода замещен на азотистое соединение типа холина, этаноламина, серина (R₃).

Гликолипиды – это соединения углеводов с липидами. Они входят в состав мозга, нервных волокон. Среди них выделяются цередпрозиды – соединения состоящие из непредельного спирта сфигозина, линоцериновой кислоты (насыщенная С₂₄) и галактозы.

Липопротеиды- это комплексные соединения различных белков с жирами небольшого размера. Наружную оболочку липопротеидов составляют белки, что обеспечивает их способность транспортироваться по крови, а внутри находятся липиды и их производные.

Стерины – это высокомолекулярные циклические спирты, например, холестерин.

Дата добавления: 2015-08-29