В клетках каких организмов содержится большое количество углеводов
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
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.
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.
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:
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.
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).
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
Углеводами называют природные органические вещества, формула которых
содержит в своем составе углерод и воду. Углеводы способны давать
нашему организму энергию, необходимую для его полноценной жизнедеятельности.
По своей химической структуре, углеводы делятся на простые
и сложные.
- 1 К простым углеводам относятся углеводы, содержащиеся
в молоке; фруктах и сладостях –
моно- и олигосахариды. - 2 Сложными же углеводами являются такие соединения
как крахмал, гликоген
и целлюлоза. Они содержатся в злаковых, кукурузе,
картофеле и животных клетках.
Продукты богатые углеводами:
Указано ориентировочное количество в 100 г продукта
Сахар-рафинад
99,9 г
Мармелад
79,4 г
Пряники
77,7 г
Соломка сладкая
69,3 г
Повидло яблочное65 г
Овсяные хлопья «Геркулес»
61,8 г
Пшеничная мука
61,5 г
| Крахмал | 83,5 | Крупа ячневая | 71,7 | Подосиновики сушеные | 33 | Мак | 14,5 | |||
| Мука рисовая | 80,2 | Крупа пшено | 69,3 | Соя | 26,5 | Инжир | 13,9 | |||
| Крупа рисовая | 73,7 | Баранки | 68,7 | Чечевица | 24,8 | Миндаль | 13,6 | |||
| Крупа манная | 73,3 | Крупа овсяная | 65,4 | Шиповник свежий | 24 | Рябина садовая | 12,5 | |||
| Мука ржаная | 76,9 | Сдобная выпечка | 60 | Кешью | 22,5 | Шелковица | 12,5 | |||
| Крупа кукурузная | 75 | Шиповник сушеный | 60 | Бананы | 22 | Черешня | 12,3 | |||
| Сушки | 73 | Нут | 54 | Мука соевая | 22 | Грецкий орех | 10,2 | |||
| Сухари пшен. | 72,4 | Хлеб ржаной | 49,8 | Кедровый орех | 20 | Арахис | 9,7 | |||
| Мука кукурузная | 72 | Подберезовики сушен. | 37 | Виноград | 17,5 | Какао бобы | 10 | |||
| Мука гречневая | 71,9 | Зародыши пшеницы | 33 | Хурма | 15,9 | Белые сушеные грибы | 9 |
Суточная потребность в углеводах
Для того чтобы чувствовать себя комфортно, необходимо, чтобы каждая клетка нашего организма получала положенную ей норму энергии.
Без этого мозг не сможет выполнять свои аналитико-координационные функции, а, следовательно, не передаст соответствующую команду мышцам, которые также окажутся бесполезными.
В медицине такое заболевание называется кетозом.
Чтобы этого не допустить, необходимо обязательно включать в свой ежедневный рацион требуемое количество углеводов.
Для человека, ведущего активный образ жизни, их суточное количество должно быть не ниже 125 грамм.
Если же ваш образ жизни менее активен, допускается употребление меньшего количества углеводов, но их количество не должно быть ниже 100 грамм / сутки.
Потребность в углеводах возрастает:
Являясь главными источниками энергии, поступающей в организм с пищей, углеводы в первую очередь, используются во время активной умственной и физической деятельности.
Следовательно, во время серьезных производственных нагрузок потребность в углеводах максимальна. Увеличивается потребность в углеводах и при беременности, а также в период кормления ребенка грудью.
Потребность в углеводах снижается:
Низкая производительность труда, пассивный образ жизни снижают энергозатраты организма, а, следовательно, и потребность в углеводах.
Проводя выходные дни перед телевизором, читая художественную литературу или занимаясь сидячей работой, не требующей серьезных энергозатрат,
можно спокойно уменьшить количество углеводов в предельно допустимых нормах, без вреда для организма.
Усваиваемость углеводов
Как было уже сказано выше, углеводы делятся на простые и сложные.
По степени усваиваемости – на быстро-, медленно-
и неусваиваемые организмом углеводы.
К числу первых относятся такие углеводы, как глюкоза,
фруктоза и галактоза.
Эти углеводы относятся к классу так называемых моносахаридов
и быстро усваиваются организмом. Продукты, содержащие быстро-усваиваемые
углеводы: мед, карамель, бананы,
шоколад, финики и т.д.
Самым важным углеводом для нас является глюкоза.
Именно она отвечает за энергетическое обеспечение организма. Но если
вы спросите, что же происходит с фруктозой и галактозой,
то не волнуйтесь, они не пропадают даром. Под воздействием физико-химических
реакций, проходящих в организме, они трансформируются опять таки в
молекулы глюкозы.
Теперь, что касается сложных углеводов. Они, как уже было
сказано выше, содержатся в животных клетках и тканях растений и усваиваются
обычно медленно. Растительные углеводы в свою очередь подразделяются
на перевариваемые и неперевариваемые. К перевариваемым относится крахмал,
который состоит из глюкозных молекул, выстроенных особым способом,
так что для их расщепления требуется больше времени.
Целлюлоза же, несмотря на то, что она также относится
к углеводам, энергию для нашего организма не поставляет, так как является
нерастворимой частью растительной клетки. Однако она также принимает
активное участие в процессе пищеварения.
Вы, вероятно, видели на полках магазинов, аптек, либо у дистрибьюторов
сетевых компаний препараты, которые содержат растительную
клетчатку. Именно она и является растительной целлюлозой,
которая, действует как ершик, очищая стенки нашего пищеварительного
тракта от всевозможных загрязнений. Гликоген же стоит особняком. Высвобождаясь
по мере необходимости, он исполняет роль своеобразного хранилища глюкозы,
которая откладывается в гранулированном виде в цитоплазме клеток печени,
а также в мышечной ткани. Когда же в организм поступает очередная
порция углеводов, то часть из них тут же преобразуется в гликоген,
так сказать «на черный день». То, что не было трансформировано в молекулы
гликогена, поступает на переработку, целью которой является получение
энергии.
Полезные свойства углеводов и их влияние на организм
Углеводы не только являются отличным
пищевым источником энергии для организма, но также входят в строение
клеточных оболочек, очищают организм от шлаков (целлюлоза), участвуют
в защите организма от вирусов и бактерий, играя немаловажную роль
в создании крепкого иммунитета. Применяются в различных видах производства.
В пищевой промышленности, например, используется крахмал, глюкоза
и пектиновые вещества. Для производства бумаги, тканей, а также
как пищевая добавка, используется целлюлоза. Спирты,
получившиеся путем сбраживания углеводов, применяются в медицине
и фармакологии.
Какие углеводы предпочесть?
В питании необходимо соблюдать долевое количество быстро- и медленно-усваиваемых углеводов. Первые хороши в том случае,
когда необходимо быстро получить некое количество энергии, предназначенной для выполнения определенной работы.
Например, для того, чтобы быстрее и лучше подготовиться к экзаменам. В этом случае можно употребить определенное количество
быстро усваиваемых углеводов (мед, шоколад, конфеты и т.д.). Употребляют «быстрые» углеводы и спортсмены во время выступлений и после, для быстрого восстановления сил.
Если же выполнение работы может занять длительное время, то в данном случае употреблять лучше «медленные» углеводы.
Поскольку, для их расщепления требуется большее количество времени, то и выделение энергии растянется на весь период работы.
Если же в данном случае употребить быстро-усваиваемые углеводы, притом в количестве, необходимом для выполнения длительной работы, может произойти непоправимое.
Энергия выделится быстро и массированно. А большое количество неуправляемой
энергии, это как шаровая молния, способная нанести непоправимый
вред здоровью. Часто от такого выброса энергии страдает нервная
система, в которой может произойти элементарное замыкание, как и
в обычных электросетях. В этом случае она начинает сбоить и человек
превращается в нервное создание, которое не способно выполнять точные
действия с участием мелкой моторики рук.
Опасные свойства углеводов и предостережения
Признаки нехватки углеводов в организме
Депрессия, апатия, упадок сил могут стать первыми сигналами нехватки углеводов в организме. Если питание не нормализовать,
скорректировав рацион необходимым количеством углеводистых продуктов, состояние может ухудшиться.
Следующий этап – это разрушение жизненно важных белков организма. Все это вызывается токсическим повреждением мозга,
страдающего от недостатка углеводов. Медики называют такое заболевание кетозом.
Признаки избытка углеводов в организме
Гиперактивность, лишний вес, дрожь в теле и неспособность сконцентрироваться
могут указывать на избыток углеводов в организме. В первую очередь, от переизбытка углеводов страдает нервная система.
Вторым же органом, страдающим от переизбытка энергии, является поджелудочная
железа. Она расположена в левом подреберье. Тело железы представляет
собой удлиненное образование длинной 14-22 см и шириной 3-9 см.
Помимо того, что она производит панкреатический сок, богатый ферментами,
необходимыми для пищеварения, она также участвует и в углеводном
обмене. Это происходит благодаря так называемым островкам Лангенгартса,
которые покрывают всю внешнюю поверхность железы. Они производят
вещество, именуемое в простонародье инсулином. Именно этот гормон
поджелудочной железы отвечает, будут ли у человека проблемы с углеводами или нет.
Частое и неумеренное употребление продуктов, повышающих уровень инсулина в крови («быстрых» углеводов)
может стать причиной диабета II типа, гипертонии и сердечно-сосудистых заболеваний.
Что такое гликемический индекс?
Сегодня большое внимание уделяется гликемическому индексу продуктов
питания. Чаще всего такими данными пользуются спортсмены и другие
люди, мечтающие быть здоровыми и обрести стройные формы. Гликемическим
индексом (ГИ) называется показатель того, насколько пища
повышает уровень сахара в крови. За абсолютную величину взята глюкоза,
с ГИ равным 100%. К продуктам с высоким ГИ чаще всего относится пища,
содержащая простые углеводы, сложно-углеводистые продукты имеют, как
правило, низкий ГИ.
Многим из вас известно заболевание под названием диабет.
Некоторых оно, к счастью, миновало, а другие люди вынуждены в течение
долгих лет пить делать себе уколы инсулина. Вызывается такое заболевание
недостаточным количеством гормона инсулина в организме.
Что же происходит, когда количество поступившей глюкозы выше необходимого
уровня? На ее переработку направляются дополнительные порции инсулина.
Но необходимо учесть, что островки Лангенгартса, отвечающие за его
производство, обладают одной неприятной особенностью. Когда инсулин,
содержащийся в том или ином островке, устремляется на встречу порции
углеводов, сам островок съеживается, и больше он инсулин не производит.
Казалось бы, что на его место должны прийти другие островки, продолжившие
его великую миссию. Но нет, в результате современной экологии, наш
организм утратил возможность к продуцированию новых островков. Поэтому,
чтобы Вас не застал диабет, на самом пике вашей жизни, не стоит употреблять
большое количество быстро усваиваемых углеводов. Лучше подумать о
тех углеводах, которые не причинят вам вреда, а их употребление принесет
вам хорошее настроение и активный образ жизни на долгие годы.
Углеводы в борьбе за стройность и красоту
Желающим оставаться стройными и подтянутыми, диетологи рекомендуют
употреблять в пищу медленно усваиваемые углеводы, которые содержатся
в овощах, включая бобовые, в некоторых фруктах и крупах. Эти продукты
дольше усваиваются организмом и, следовательно, надолго сохраняется
чувство сытости.
Что касается энергетической ценности углеводов, то она вычисляется
следующим образом.
Поскольку 1 грамм углеводов способен произвести энергии в количестве
4,1 килокалории, то при активном образе жизни (суточная норма – 125
грамм), человек получит от употребляемых углеводов 512,5 килокалорий.
Менее активному человеку потребуется всего лишь 410 килокалорий, при
суточной норме углеводов 100 грамм.
Углеводы и здоровье
Ниже мы представляем примерный перечень продуктов, на которые следует
обратить свое особое внимание. Это медленно усваиваемые углеводы,
которые могут принести максимальную пользу вашему здоровью.
На первом месте у нас стоят овсяная,
рисовая и гречневая каши. Затем идут ржаной и пшеничный хлеб из муки
грубого помола. Далее наш перечень продолжают горох и фасоль.
И завершается он картофелем и макаронными изделиями из твердых сортов
пшеницы.
Что же касается «быстрых» углеводов, то вместо тортиков и пирожных,
съешьте лучше один банан, немного фиников, изюма, или ложечку гречневого
либо липового меда. Этого количества будет достаточно для выполнения
краткой, но требующей большого количества энергии работы.
Ну а мы завершаем, и надеемся, что ваш разум и чувство меры сберегут
ваше здоровье на долгие годы. Здоровья вам и долголетия!
Мы собрали самые важные моменты о углеводах в этой иллюстрации и
будем благодарны, если вы поделитесь картинкой в социальной сети или
блоге, с ссылкой на эту страницу:
Рейтинг:
9.7/10
Голосов:
10
Достоверность информации
10
Другие популярные нутриенты:
Источник