Какие свойства молекул углеводов могут обеспечивать

Углеводы представляют собой соединения с общей формулой $mathrm{C_nH_{2m}O_m}$ или $mathrm{C_n(H_2O)_m}$, то есть условно состоящие из углерода и воды — отсюда их название. Содержание углеводов в живых клетках различно. В животных клетках содержание углеводов колеблется от 1 до 5 %. В растениях содержание углеводов заметно выше — до 70 % в некоторых запасающих органах, например в клубнях картофеля. Кроме высокого содержания углеводов для растений характерно и большее их разнообразие.

классификация углеводов

Углеводы делятся на две группы — простые углеводы, или моносахариды, и сложные углеводы, которые, в свою очередь, включают в себя дисахариды, олигосахариды и полисахариды.

моносахариды

Какие свойства молекул углеводов могут обеспечивать

Простые углеводы, как правило, представляют собой многоатомные спирты, содержащие ОН-группу у каждого атома углерода, кроме одного, несущего альдегидную или кетогруппу. Это видно на примере глюкозы, которая имеет 6 атомов углерода, при этом первый — в составе альдегидной группы, а остальные несут ОН-группы.

Наиболее распространенными моносахаридами являются глюкоза, или виноградный сахар, и фруктоза, или фруктовый сахар. Они являются изомерами и имеют одну и ту же общую формулу $mathrm{C_6H_{12}O_6}$.

Пентозы и гексозы способны замыкаться в 5- или 6-членные кольца, переходя в циклическую форму.

Какие свойства молекул углеводов могут обеспечивать

Линейная и циклическая формы глюкозы

Длина углеродной цепи в моносахаридах, встречающихся в живых организмах, колеблется от 3 до 8 атомов, хотя большинство из них содержит 3, 5 или 6 атомов углерода. В зависимости от количества атомов углерода моносахариды разделяют на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы, октозы. Моносахариды хорошо растворимы в воде, образуют кристаллы и имеют сладкий вкус.

Большое биологическое значение имеют пентозы рибоза и дезоксирибоза, которые входят в состав РНК и ДНК соответственно.

Структура глюкозы и других гексоз

Многообразие моносахаридов связано в основном с оптической изомерией (см. тему «Хиральность и оптическая изомерия биомолекул»). Так, глюкоза, манноза и галактоза имеют одну и ту же брутто-формулу $mathrm{C_6H_{12}O_6}$, но отличаются расположением функциональных групп в пространстве. Розовым на рисунке выделены группы с отличающейся от глюкозы ориентацией.

Какие свойства молекул углеводов могут обеспечивать

Альдегидная или кетонная группа обычно взаимодействует с одной из спиртовых групп молекулы, образуя циклическую форму. Процесс циклизации глюкозы показан на рисунке. Циклическую форму изображают стандартным способом, в виде плоского кольца. Устойчивы 5-членные и 6-членные циклы. Обратите внимание, что одним из атомов в кольце является кислород, а один из углеродных атомов (6-й) оказывается вне кольца. Глюкоза в основном присутствует в растворе в виде 6-членного кольца.

При изображении циклических сахаров ОН-группы в D-ориентации (те, что смотрят вправо в линейной формуле) оказываются под плоскостью кольца, а ОН-группы в L-ориентации (влево в линейной формуле) — над плоскостью кольца, то есть линейную формулу нужно повернуть вправо, как показано в анимации.

Фруктоза замыкается в 5-членное кольцо, т. к. имеет кетогруппу, расположенную при 2-м атоме, которая взаимодействует с гидроксильной группой при 5-м атоме. Линейная и циклическая формулы фруктозы:

Какие свойства молекул углеводов могут обеспечивать

альфа- и бета-изомеры сахаров

При циклизации моносахаридов возникает оптическая изомерия по тому атому углерода, который содержался в составе альдегидной или кетогруппы (они не имеют оптической изомерии, т. к. в них атом С не тетраэдрический — есть двойная связь, и заместителя всего три). После замыкания в цикл этот С становится тетраэдрическим, и при нем появляется ОН-группа (у глюкозы это атом 1, у фруктозы — 2). Данная ОН-группа называется гликозидным гидроксилом. В какой оптической конфигурации — D или L — этот гидроксил будет находиться? Это происходит случайным образом, поэтому возможны оба варианта, и эти изомеры превращаются друг в друга через линейную форму. Изомер, в котором ОН-группа оказывается в D-ориентации и, соответственно, под плоскостью кольца, называется $alpha$-изомером. Изомер, в котором та же группа оказывается в L-ориентации и над плоскостью кольца — $beta$-изомером. Между собой эти изомеры называются $alpha$- и $beta$-аномерами. Процесс взаимного перехода этих форм друг в друга называется муторотацией.

Какие свойства молекул углеводов могут обеспечивать

В свободном моносахариде они переходят друг в друга, но при образовании связи фиксируется тот или иной вариант, то есть различают $alpha$- и $beta$-связи в олиго- и полисахаридах.

Структура дезоксирибозы и рибозы

Дезоксирибоза отличается от рибозы отсутствием одного кислорода при 2-м атоме С («дез» — без, «окси» — указывает на кислород). Атомы этих сахаров в составе ДНК и РНК нумеруют со штрихами, чтобы в нуклеотидах была сквозная нумерация атомов (без штрихов нумеруют атомы в другой части нуклеотида — азотистом основании).

Какие свойства молекул углеводов могут обеспечивать

дисахариды

Молекулы моносахаридов могут образовывать связи между собой с потерей молекулы воды. В результате образуются олиго- и полисахариды. К олигосахаридам относят растворимые в воде полимеры моносахаридов.

Дисахариды широко распространены в живой природе.

Сахароза (свекловичный, тростниковый сахар), представляющая собой соединение глюкозы и фруктозы, играет важную роль в растениях, где она служит транспортируемой формой углеводов во флоэме. Кроме того, она часто накапливается в качестве запасного вещества. Особенно много ее в сахарном тростнике и свекле, откуда ее получают для использования в пищу.
Другой важный дисахарид — лактоза (или молочный сахар) содержащаяся в молоке млекопитающих. Она состоит из остатков глюкозы и галактозы.
Мальтоза, образованная двумя остатками глюкозы, образуется при расщеплении крахмала и гликогена в пищеварительном тракте животных или при прорастании семян растений.
В природе встречается много других дисахаридов, кроме того, известны олигосахариды, содержащие 3 и 4 остатка моносахаридов.

При описании структуры ди- и полисахаридов существенным является:

полисахариды

Полисахариды нерастворимы в воде и не имеют сладкого вкуса. Так как к одному остатку моносахарида может быть присоединено несколько других остатков, полисахариды могут иметь разветвленную структуру. В живых организмах наиболее широко распространены полимеры глюкозы — крахмал, гликоген и целлюлоза.

Одними из важнейших полисахаридов являются полимеры из остатков глюкозы — крахмал, гликоген и целлюлоза.

Крахмал состоит только из остатков глюкозы. В состав крахмала входят два компонента — линейный компонент, называемый амилозой, и разветвленный — амилопектин. Амилоза имеет спиральную пространственную структуру. Внутрь спирали способны встраиваться молекулы йода, поэтому качественная реакция на крахмал — образование синего йодкрахмального комплекса. Молекулы амилозы и амилопектина содержат несколько тысяч остатков глюкозы. Крахмал служит основным запасным веществом у растений.
У животных и грибов резервную (запасающую) функцию выполняет гликоген — полисахарид, похожий на амилопектин, но отличающийся большей разветвленностью. Крахмал и гликоген накапливаются в клетках в виде гранул.
Целлюлоза представляет собой линейный неветвящийся полимер, содержащий примерно 10 000 остатков глюкозы. Молекулы целлюлозы располагаются параллельно друг другу и образуют между собой множество водородных связей. Таким образом формируются прочные пучки молекул — мицеллы, которые объединяются в волокна (микрофибриллы). Такое строение придает целлюлозе высокую механическую прочность. Целлюзоза встречается в основном у растений, где составляет основу клеточных стенок. Помимо растений целлюлоза обнаружена у оомицетов (группа, которую обычно относили к грибам) и у асцидий. Целлюлоза — самое распространенное на земле органическое вещество.
Близок по строению к целлюлозе хитин. В нем мономерной единицей является N-ацетилглюкозамин — азотсодержащий моносахарид, производное глюкозы. Хитин служит основой клеточных стенок грибов и образует наружный скелет у членистоногих.
Клеточную стенку бактерий образует соединение муреин (от лат. murum — стена). Оно состоит из полисахаридных цепочек, сшитых между собой пептидными мостиками. Поэтому его еще называют пептидогликаном (гликаны — другое название сложных углеводов). Полисахаридные цепочки муреина образованы двумя чередующимися остатками азотсодержащих моносахаридов. Пептидные мостики муреина содержат D-изомеры аминокислот, что является редкостью в живом мире.

Крахмал.
Крахмал включает в себя два компонента: линейный (неветвящийся) — амилозу — и ветвящийся — амилопектин. Цепочки амилозы состоят из остатков глюкозы, соединенных $alpha$-(1-4)-связями. Так как в случае $alpha$-связи каждый следующий мономер поворачивается относительно предыдущего на один и тот же (тетраэдрический) угол, возникает спиральная структура.
Амилопектин включает в себя цепочки, подобные амилозе, которые дополнительно ветвятся за счет $alpha$-(1-6)-связей.
Гликоген.
Устроен подобно амилопектину, с большой частотой ветвления. Пространственная структура напоминает плоскую ветвящуюся спираль.
Центром организации гликогеновой гранулы служит белок гликогенин (на рисунке цветной).
Целлюлоза.
Неветвящийся (линейный) полимер из остатков глюкозы. Остатки глюкозы соединены между собой $beta$-(1-4)-связями. Поскольку $beta$-связь находится над плоскостью глюкозного кольца, а ОН-группа при 4-м атоме глюкозы смотрит вниз (в D-конфигурации), то каждый следующий остаток глюкозы переворачивается «вверх ногами». В результате образуется не спиральная пространственная структура, как в крахмале и гликогене, а линейная.
Часто структуру целлюлозы изображают так, но данная форма записи связи не отражает реального расположения мономеров в пространстве.
Линейные цепочки целлюлозы взаимодействуют друг с другом (за счет образования водородных связей между ОН-группами) и образуют пучки, из которых строится клеточная стенка растений и некоторых других организмов.
Хитин. Линейный $beta$-(1-4)-полимер азотсодержащего моносахарида N-ацетилглюкозамина (производное глюкозы с модификацией у 2-го атома С).
Муреин.

функции углеводов

Функции углеводов в живых организмах многообразны.

Углеводы являются первичными продуктами фотосинтеза, на основе их углеродного скелета образуются практически все другие вещества в клетках автотрофов. Гетеротрофы потребляют эти вещества в качестве пищи.
Энергетическая функция: углеводы являются наиболее удобным источником энергии. Основные пути получения энергии у всех живых организмов рассчитаны на использование глюкозы и фруктозы.
Структурная функция: полисахариды, например целлюлоза и хитин, входят в состав клеточных стенок, хитинового панциря членистоногих. Также полисахариды являются неотъемлемыми компонентами соединительной ткани животных (хрящи, сухожилия и др.).
Запасающая (резервная) функция. Важнейшие резервные углеводы — крахмал (у растений) и гликоген (у животных и грибов).
Транспортная функция: в форме углеводов осуществляется основной транспорт веществ в многоклеточных организмах, например в крови животных (глюкоза) или в флоэме высших растений (сахароза).
Остатки олигосахаридов, находящиеся на поверхности клеток в составе гликопротеинов и гликолипидов, играют важную роль в межклеточном взаимодействии и адгезии — организации клеток в ткани.

Источник

Углеводы — самый важный источник энергии в ежедневном рационе. 1 г моносахаридов и дисахаридов обеспечивает организм 4 ккал.

Виды углеводов

Моносахариды. Это глюкоза, фруктоза и галактоза, из которых для нас наиболее важна глюкоза. Фрукты и овощи имеют низкий уровень свободной глюкозы. Фруктоза содержится в меде и фруктах. В пищевой промышленности фруктозу добывают из кукурузного сиропа.
Дисахариды. Состоят из двух моносахаридов, таких, как сахароза, и полисахаридов, состоящих из более чем 10 дисахаридов, включая крахмал. Количество дисахаридов в сахаре составляет 99%. Сахароза. Это наиболее часто используемый дисахарид. Сахароза гидролизуется до глюкозы и фруктозы. Лактоза, также называемая молочным сахаром, содержится в молоке и молочных продуктах. Лактоза придает молоку сладкий вкус.
Олигосахариды. Рафиноза — это трисахарид, содержащийся в сахарной свекле. Сахаридный стахиоз встречается в бобовых и семенах. У человека нет ферментов, необходимых для их переваривания, но они могут ферментироваться в толстой кишке. Было показано, что фруктоолигосахариды, инулин, способствуют росту бифидобактерий в толстой кишке.

Углеводы включают сахарные спирты, сорбит и ксилит, 1 г которых выделяет 2,4 ккал. Они используются в качестве подсластителей — заменителей сахара — при производстве жевательной резинки, сухих завтраков, лимонадов. Большие количества сахарных спиртов могут вызвать осмотическую диарею.

Заменитель сахара

Моносахариды

Это простые сахара, одна из важнейших групп углеводов. В зависимости от функциональных групп моносахариды делятся на два класса:

альдозы с альдегидной группой;
кетозы с кетонной группой.

Углеводородная цепь может иметь 3 или более атомов углерода (триоза, тетроз, пентоза, гексоза, гептоза и т. д.). Существуют ациклические и циклические формы моносахаридов (фуранозы или пиранозы). Наиболее распространенными моносахаридами являются D-глюкоза, D-галактоза, D-фруктоза, D-ксилоза, L-арабиноза.

Фруктоза — это изомер глюкозы, также состоящий из 6 атомов углерода, но с другой структурой. Фруктозу также называют фруктовым сахаром, потому что она содержится во фруктах, овощах и меде. Растворим в воде. Слаще глюкозы. Он входит в состав дисахарида сахарозы и многих полисахаридов.
Галактоза — это альдогексоза, D- и L-анантиомеры которой встречаются в природе. D-галактоза входит в состав дисахаридов лактозы и галактолипидов. Галактоза — это продукт переваривания лактозы в тонком кишечнике. Он классифицируется как быстро метаболизирующийся моносахарид. В тканях человека и других млекопитающих он используется тканями как энергосодержащее соединение или как соединение, необходимое для синтеза гликоконъюгатов (протеогликанов, гликопротеинов, гликолипидов). Как энергетическое соединение, метаболизм галактозы происходит по так называемому пути Лелуара. Превращение галактозы в глюкозо-1-фосфат осуществляется 3 ферментами — галактокиназой, галактозо-1-фосфатуридилтрансферазой и UDP-глюкозо-4-эпимеразой. Снижение активности этих ферментов является причиной патологии, известной как галактоземия.

Помимо карбонильных и гидроксильных моносахаридов, молекула может иметь атом водорода вместо группы -ОН (дезоксисахарид), аминогруппу (аминосахарид), меркаптогруппу -SH (тиосахарид), -COOH. (уроновые кислоты) и др.

В природе свободные моносахариды редки (за исключением D-глюкозы и D-фруктозы). Они, как мономеры, входят в состав олиго- и полисахаридов, смешанных биополимеров (гликопротеинов, гликолипидов), связываясь друг с другом или с другими молекулами гликозидными связями.

Природные мукополисахариды активно участвуют в клеточном метаболизме. Моносахариды, участвуя в различных биохимических превращениях, снабжают клетки высокоэнергетическими соединениями, участвуют в процессах детоксикации и высвобождения токсичных веществ, в синтезе аминокислот и сложных биополимеров.

В живых клетках центральным путем биосинтеза моносахаридов является глюконеогенез. В гетеротрофных клетках источником глюкозы могут быть продукты превращения аминокислот, молочной кислоты и других соединений. При нарушении метаболизма определенного моносахарида его концентрация увеличивается в биологических жидкостях организма. Это важный диагностический признак для определения галактоземии, диабета, мелитурии, фруктоземии.

Полисахариды

Распространенное название углеводов с более чем 10 моносахаридами в структуре. Он присутствует во многих тканях в качестве структурных элементов или является источником энергии, например, крахмалом, гликогеном, целлюлозой и другими.

Строение полисахаридов

Олигосахариды

Это сложные углеводы, состоящие из 2-10 молекул моносахаридов. Самые простые сложные углеводы — это дисахариды. Они состоят из двух одинаковых или разных молекул моносахаридов.

В природе не так много дисахаридов, которые существуют сами по себе. Наиболее распространенные дисахариды: мальтоза (4 – O-α-D-глюкопиранозил-D-глюкоза), целлобиоза (D-глюкозил-β- (1 → 4) -D-глюкоза), лактоза (β-D-галактопиранозил- (1-4) α-D-глюкопираноза), сахароза (β-D-фруктофуранозил- (2 → 1) -α-D-глюкопиранозид), трегалоза (α-D-глюкопиранозил- (1 → 1) -α-D-глюкопиранозид).

В природе гораздо чаще встречаются фрагменты дисахаридов, входящих в состав многих гликозидов растительного и бактериального происхождения.

Дисахариды

Дисахариды — это полуацетали, т.е. у. О-гликозиды, в которых остаток второй молекулы моносахарида представляет собой агликон. В зависимости от природы образования гликозидной связи дисахариды делятся на восстанавливающие и невосстанавливающие дисахариды.

Восстанавливающие дисахариды (гликозилглюкозы) образуются в результате реакции полуацетального гидроксила одного моносахарида со спиртовым гидроксилом другого моносахарида. Такая молекула дисахарида содержит свободный полуацеталь гидроксил, следовательно, они характеризуются таутомерией оксоцикла и восстанавливающими свойствами.
Невосстанавливающие дисахариды (гликозилгликозиды) образуются в результате реакции полуацетальных гидроксилов моносахаридов. Эти дисахариды не имеют свободного полуацетального гидроксила, поэтому они не обладают восстанавливающими свойствами, существует только циклическая форма.

Сахароза — это один из наиболее распространенных в природе углеводов растительного происхождения. Содержится в соках и плодах различных растений. Сахароза представляет собой дисахарид, состоящий из α-D-глюкан пиранозы и β-D-фруктофуранозы, связанных 1,2-гликозидной связью, молекулярная формула C 12 H 22 O 11.

Сахароза

Сахароза — сладкий, консервант и стимулирующий нервную систему продукт, который хорошо растворяется в воде, но медленно (быстро при нагревании). Молекула сахарозы образуется в результате реакции двух гликозидных гидроксилов, так что остатки глюкозы и фруктозы в молекуле сахарозы находятся в форме ацеталей. Молекула сахарозы не содержит свободной полуацетальной гидроксигруппы, поэтому имеет только циклическую структуру, не обладает мутаротационным и редуцирующим действием.

Инулин

Инулин — это гомополисахарид (C 6 H 10 O 5)n, который некоторые растения хранят в качестве накопителя энергии. Он состоит из остатков D-фруктопиранозы, связанных β- (2 → 1) связью. Концы полимера, как и сахароза, содержат ά-D-глюкозу. Его молекулярная масса не превышает 6000 D. Он относится к фруктанам – полимерам фруктозы.

Инулин содержится в корнях и водных растениях. Обычно растения, накапливающие инулин, не накапливают крахмал. Вкус инулина варьируется: от совершенно безвкусного до сладкого. Он в три-четыре раза менее калорийен, чем многие углеводы. Увеличивает всасывание кальция и, возможно, магния, способствует росту микрофлоры кишечника. Подходит для людей с сахарным диабетом. Чрезмерное количество может вызвать вздутие живота. Может производиться этанол, используемый для производства фруктозы.

Продукты, в которых содержится инулин

Крахмал

Крахмал — одно из важнейших питательных веществ. Это резервный полисахарид растений (C6 H10 O6)n. Почти все растительные клетки могут синтезировать крахмал, но в разном количестве и с разной интенсивностью.

Крахмалом богаты крупы, клубневые овощи — картофель, бобовые. В них он образует зерна различной формы и размера, характерные для каждого вида растений. Самые крупные зерна крахмала есть в картофеле, самые мелкие – в ржи, пшенице, ячмене и рисе.

Крахмал

Крахмал состоит из двух гомополисахаридов глюкозы: α-амилозы и амилопектина. При длительном гидролизе крахмал разлагается до глюкозы.

α-Амилоза представляет собой линейный полимер глюкозы, в котором молекулы глюкозы связаны между собой (1,4) гликозидными связями. Амилоза составляет 15-20% молекулы крахмала.
Амилопектин имеет разветвленную цепь.

В неразветвленных структурах молекулы глюкозы связаны между собой (1,4) гликозидными связями, а в структурах разветвления – α- (1,6) гликозидными связями. Амилопектин составляет 80-85% молекулы крахмала.

Связи между молекулами глюкозы, на которые влияет фермент амилаза, при различных способах приготовления пищи разрушаются, и свойства крахмала меняются, так что один тип крахмала легко переваривается, а другой проходит непереваренным в пищеварительный тракт.

Быстро и медленно усваиваемые крахмалы перевариваются в тонком кишечнике, а устойчивый крахмал, непереваренный, попадает в толстую кишку, где ферментируется.

Таблица – Углеводы в продуктах питания

Наименования продукта	Кол-во углеводов	Кол-во усваиваемых углеводов (в граммах на 100г продукта)
1. Сахарный песок	Огромное	99,8
2. Сахарные изделия, конфеты, карамель леденцовая	Огромное	84 – 95
3. Мармелад, мед, зефир, пряники, печенье	Огромное	77 – 80
4. Рис белый шлифованный	Огромное	77 – 80
5. Манная и перловая крупы, макаронные изделия	Огромное	73 – 74
6. Варенье	Огромное	73 – 74
7. Пшено, крупа гречневая	Огромное	68 – 69
8. Овсяная крупа	Огромное	65
9. Чернослив, урюк	Огромное	65
10. Хлеб ржаной и пшеничный, фасоль, горох	Большое	40-60
11. Шоколад, пирожные, халва, ликеры	Большое	40 – 60
12. Сырки творожные сладкие, мороженое	Среднее	11 – 20
13. Картошка, зеленый горошек, свекла	Среднее	11 – 20
14. Виноград, вишня, черешня, гранаты, яблоки, соки фруктовые, вина десертные	Среднее	11 – 20
15. Кабачок, капуста, морковка, тыква	Мало	5 – 10
16. Арбуз, дыня, персики, абрикосы, апельсин, слива, клубника, смородина, черника, крыжовник	Мало	5 – 10
17. Пиво, лимонад	Мало	5 – 10
18. Молоко, молпродукты	Очень мало	2 – 4,9
19. Огурец, редиска, салат, лук зеленый, помидоры, лимоны, клюква, грибы свежие	Очень мало	2 – 4,9

Пищевые волокна (полисахариды некрахмального происхождения)

Пищевые волокна классифицируются как растворимые и нерастворимые в воде.

Нерастворимые волокна состоят в основном из целлюлозы и гемицеллюлозы. Нерастворимая клетчатка связывается с водой в толстой кишке и набухает. Это способствует перистальтике кишечника, снижает риск запоров и вероятность рака толстой кишки.
Растворимые волокна растворяются и загустевают в воде. Это пектины и слизь. Они обеспечивают чувство сытости, замедляют всасывание желчных кислот за счет увеличения выведения холестерина с калом и регулирования уровня холестерина в крови.

Источники пищевых волокон:

фасоль, горох;
овсяная мука, овсяные отруби, ячмень;
фрукты — яблоки, вишня, цитрусовые;
ягоды — крыжовник, клубника, малина, черная смородина;
овощи — свёкла, морковь.

Количество, состав и структура пектина зависят от вида растения и спелости. Пектин обычно добывают из цитрусовых. В слабокислой среде пектины образуют гелевые структуры, поэтому их широко используют в качестве загустителя в кондитерских изделиях, желе, мармеладе, в качестве наполнителя при производстве лекарств, сладостей, а также при производстве соков и молочных напитков.

Кроме того, пектины легко связываются с солями тяжелых металлов и поэтому используются в профилактических целях для предотвращения отравления тяжелыми металлами.

Рекомендации по потреблению сахара и пищевых волокон:

Рекомендуется, чтобы количество легко усваиваемых углеводов не превышало 60 г/день или не превышало 10% суточного значения энергии.
Взрослым рекомендуется употреблять не менее 18 г некрахмальных пищевых волокон 12-34 г/день.

Поделиться ссылкой:

Источник