Біологічна роль вуглеводів

Вуглеводи є важливою складовою частиною живих організ­мів. У тваринних організмах їх вміст становить ≈ 2 %, а у рос­лин­них – ≈ 80 % сухої маси. Це первинні продукти фотосинтезу. Вони синтезуються у листках рослин з води та вуглекислого газу з участю хлорофілу та сонячної енергії і, таким чином, слу­жать немов би містком між мінеральними й органічними спо­лу­ками. Організми людей і тварин не здатні синтезувати вуглеводи із неорганічних речовин і одержують їх тільки з різними харчо­вими продуктами, в основному, рослинного походження.

Вуглеводи займають важливе місце в харчуванні людини, так як забезпечують по кількості калорій приблизно 60-70 % хар­чового раціону (енергетична функція). Людина масою 60-70 кг за добу в середньому споживає 500 г вуглеводів. У результаті їх повного окислення до вуглекислого газу та води в клітинах ор­га­нізму звільняється приблизно 8 373 кДж (≈2 000 кКал), що скла­дає 2/3 енергії, яка необхідна людині. 1 ккал = 4,186 кДж. При окисленні 1 г вуглеводів виділяється ≈ 4 кКал енергії. Ця енер­гія зберігається в макроергічних зв’язках аденозинтри­фосфорної кислоти (АТФ) з наступним перетворенням у різні види енергії, які забезпечують життєдіяльність організмів: механічна, осмотична, хімічна, електрична робота, теплота.

У сполуках з ліпідами, білками і нуклеїновими кислотами ву­глеводи утворюють складні високомолекулярні комплекси, які входять до складу субклітинних структур, що є основою живої матерії. Велика кількість вуглеводів у зв’язаному з білками виді (глікопротеїди) міститься у речовині клітини і у міжклітинній речовині, у білках крові, у деяких білкових гормонах. Проміжні продукти окислення вуглеводів служать вихідними речовинами для синтезу багатьох інших органічних сполук (білків, жирів та ін.). Вуглеводи необхідні для нормального окислення жирів і біл­ків.

При більш детальному розгляді біологічної ролі конкретних представників вуглеводів можна відмітити наступне. Найбільше значення із пентоз мають рибоза і дезоксирибоза, які входять до складу нуклеїнових кислот (ДНК і РНК). Із гексоз найбільш важ­ливими як у харчовому, так і у фізіологічному відношеннях, є глюкоза, фруктоза і галактоза. Глюкоза – складова частина кро­ві і тканин організму людини і тварин, фруктоза і галактоза – важливі проміжні продукти обміну речовин.

Велику роль у обміні речовин відіграють ефіри фосфорної кислоти, такі як глюкозо–1–фосфат та глюкозо–6–фосфат. Із ди­сахаридів у організмах людини і тварин утворюється тільки лак­тоза, місцем синтезу якої є молочні залози. Полісахарид гліко­ген у тканинах та печінці людини і тварин виконує роль депо глюкози (як крохмаль у рослинах) і тому називається тваринним крохмалем. Пектинові речовини входять до складу оболонок рос­­линних клітин (≈5 %). Джерелом їх є фрукти. Кислі мукопо­лі­сахариди виконують в організмах багато функцій. Так, нап­рик­лад, гіалуронова кислота, до складу якої входять D–глюку­ро­нова кислота і 2–ацетамідо–2–дезокси–D–глюкоза, зустрічається у всіх видах з’єднувальної тканини за винятком роговиці ока і хрящів. Так як її молекулярна маса більша від одного мільйона, то розчини навіть при малій концентрації (0,2 %) зберігають структурність і в’язкість. Це тісно пов’язано з біологічною функ­­цією цієї кислоти, яка полягає у тому, що сітковидні струк­тури з’єднувальної тканини, до складу яких вона входить, пере­ш­коджають вільному переміщенню великих часток. У суглобах ця кислота виконує роль мастильного матеріалу. Полісахарид гепарин одер­жують із печінки. До його складу входять глюкозамін, глю­ку­ронова кислота і сульфат. Він може утворювати солеподібні сполуки з білками, гальмувати звертання крові, сприяє звіль­нен­ню з тканин ліпопротеїнази, яка розщеплює ліпопротеїдний комп­лекс крові. Нейтральні мукополісахариди є міцним вугле­водно-білковим комплексом. Вони входять до складу шкіри, з’єд­нувальної тканини, глюкопротеїдів крові.

Формули найважливіших у біологічному відношенні моноса­харидів наводяться нижче.

Найпростіші моносахариди – триози: диоксиацетон і гліце­ри­новий альдегід утворюються у процесі обміну вуглеводів:

D – гліцериновий альдегід (альдоза)	диоксиацетон (кетоза)

Велике біологічне значення мають пентози рибоза і дезокси­ри­боза:

β – рибоза	β – 2 – дезоксирибоза

Із гексоз найбільш важливими у фізіологічному значенні є глю­коза, фруктоза і галактоза:

α – D – глюкоза	α – D – фруктоза	α – D – галактоза (у вільному стані немає)

При реакціях відновлення глюкози і галактози утворюються сахароспирти (відповідно сорбіт і галактит, або дульцит):

сорбіт	галактит

При окисленні глюкози і галактози утворюються сахарокис­ло­ти (відповідно глюкуронова і галактуронова), які мають ве­ли­ке біологічне значення:

D – глюкуронова кислота	D – галактуронова кислота

При реакціях заміщення гідроксильної групи при другому ву­глецевому атомі у моносахаридах утворюються аміноцукри, які широко розповсюджені у бактеріальних, тваринних і рослинних організмах, наприклад:

глюкозамін

Велику біологічну роль відіграють ефіри фосфорної кислоти глюкозо–1–фосфат і глюкозо–6–фосфат:

глюкозо–1–фосфат	глюкозо–6–фосфат

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВУГЛЕВОДИ

Моносахариди – білі, кристалічні, розчинні у воді речовини, мають солодкий смак, оптично активні.

Моносахариди поділяються:

1. за кількістю атомів вуглецю моносахариди поділяються на: тріози, тетрози, пентози, гексози.

2. за хімічним складом: багатоатомні, альдегідо – або кетоноспиртони (альдози та кетози).

Найбільш поширені

-альдози: D-рибози, D-дезоксирибози, D-глюкоза, D-манози, D-галактози;

-кетози: D-фруктоза, D-рибулоза, D-седогептумзи.

Характерна оптична ізомерія.

Моносахариди, що мають два чи більше асиметричних атоми вуглецю, поділяються на D- і L- форми.

Альдози та кетози L-форми є дзеркальним відображенням відповідної D-форми. Більшість природних моносахаридів за стереометричною конфігурацією належать до сполук D- форми. Набагато рідше трапляються природні сполуки L-форми, наприклад, L-маноза, L-фруктоза, L-сорбоза.

Стереоізомери моносахаридів, які різняться просторовим розміщенням водню та гідроксильної групи біля атомів вуглецю, що перебуває в х- положенні щодо альдегідної групи, називаються епімерами.

Моносахариди можуть перебувати в двох формах:

Лінійній (ланцюговій) або ациклічній (з відкритим вуглецевим ланцюгом) і циклічній (кільцевій). Обидві форми перебувають у динамічній рівновазі, а їх взаємоперехід має назву кільцево-ланцюгової таутомерії. Процес взаємоперетворень в розчині циклічних і ациклічних форм, називається мутаротацією.

Гексози: С₆Н₁₂О₆

L-D (+) Глюкоза або денстроза.

За хімічним складом є альдозою. Трапляється в циклічній або ациклічній формі. Завдяки циклічній структурі глюкоза утворює L-і D- форми, які взаємно перетворюються, змінюючи кут обертання: це явище одержало назву мутаротації.

Глюкоза значно поширена в тваринних і рослинних організмах, входить до складу крові, цереброспінальної рідини. В крові людини та тварин міститься 4,4 – 6,0 ммоль/г вільної глюкози, а також її фосфорильованих похідних. Велика кількість глюкози міститься в плодах, листі та квітках рослин, найбільше – в плодах винограду, тому її називають виноградним цукром. Входить до складу полісахаридів: глікогену, крохмалю, целюлози; дисахаридів: мальтози, сахарози, целобіози, лактози, тощо. Під час окислення альдегідної групи глюкози утворюється глюконова кислота; первинної спиртової групи – глюкуронова, а альдегідної та спиртової групи – двоосновна цукрова кислота (глюкарова). Внаслідок відновлення глюкози утворюється спирт D-сорбіт.

(циклічна форма)

D(-)-фруктоза. Існує в циклічній і ациклічній формах. У вільному стані фруктоза трапляється у плодах, тому її ще називають плодовим цукром. Вона міститься в бджолиному меді (близько 45%), входить до складу дисахароду сахарози та полісахариду інуліну. Вона в 2,5 разів солодша за глюкозу та в 1,7 рази – за сахарозу.

Фруктоза нестійка до нагрівання, дії кислот, лугів і швидко зазнає деструкції, наприклад, під час нагрівання з розчинами мінеральних кислот.

Цю реакцію покладено в основу методу ідентидикації фруктози. Внаслідок відновлення фруктози утворюється суміш двох епімерів – маніту та сорбіту.

Фосфорні ефіри фруктози є проміжними продуктами вуглеводного обміну. Фруктозу використовують у харчовій промисловості, нею заміщують глюкозу при цукровому діабеті.

-D-фруктоза

Маноза D (+) належить до альдогексоз, є правообертаючою, може перебувати в ациклічній і циклічній формах. У вільному стані трапляється рідко (шкірка апельсина), звичайно входить до складу природних складних вуглеводів, які називаються мананами. Маноза виявляється в сироватці крові людини і тварин, білках слини, слизу, кишечній та суглобовій рідинах, в бактеріальних полісахаридах.

Маноза зброджується дріжджами і може використовуватись як компоненти поживного середовища для деяких мікроорганізмів.

(ациклічна форма) (циклічні форми)

D-маноза

D (+) – Галактоза (цереброза).

Альдогексоза: правообертаюча, може перебувати в ациклічній і циклічній формах.

Галактоза разом з глюкозою входить до складу дисахариду лактози (молочного цукру).

В організмі людини і тварин вона є складовою ліпідів нервової тканини і глікопротеїдів; у рослинних тканинах – фрагментом структури полісахариду агар – агару, різного слизу, а також глікозидів.

Під дією ферментів галактоза може перетворюватись на глюкозу, яка розщеплюється чи відкладається у вигляді глікогену.

Галактоза використовується як поживне середовище для деяких мікроорганізмів, а також у кондитерській промисловості.

Н Н

(ациклічна форма) (циклічні форми)

D-галактоза

Олігосахариди. Полімерні вуглеводи, молекули яких утворюються з 2 – 10 залишків моносахаридів, які зв’язані зв’язками та характеризуються відносно невисокою молекулярною масою. Більшість олігосахаридів оптично активні, добре розчинні у воді, легко кристалізуються і, як правило, солодкі на смак.

Дисахариди. Найбільш поширені олігосахариди. Емпірична формула С₁₂Н₂₂О₁₁.

Залишки моносахаридів з’єднані за допомогою кисневого містка.

Для дисахаридів типу мальтози характерні реакції на альдегідні чи кетонні групи. Такі дисахариди мають відновні властивості, можлива кільчасто – ланцюгова таутомерія.

Головні представники – сахароза, мальтоза, ланоза та целобіоза.

Сахароза – буряковий або тростиновий цукор ( -глюкопіранозил 1,2- -фруктофуранозид - харчовий). Він складається з -D-глюкози та -D-фруктози. Сахароза – один з найпоширеніших у природі й практично найбільш важливих дисахаридів. Багато сахарози міститься в стеблах, корінні, бульбах і плодах рослин. У коренеплодах цукрових буряків її накопичується до 24%, у стеблах цукрової тростини – близько 20%. Сахароза – солодка на смак, добре розчинна у воді. Вона обертає площину поляризованого проміння вправо на 66,5⁰. Оскільки гексози, які утворюються під час гідролізу сахарози, мають протилежні кути обертання (глюкоза + 52,5⁰, а фруктоза - 92⁰), сумарний кут обертання після гідролізу стає від’ємним. Тому процес розщеплення сахарози на глюкозу та фруктозу, називається інверсією цукру, а гідролізована сахароза – інвертованим цукром. Інверсію можна спостерігати при виробництві кондитерських виробів.

Під впливом специфічних мікроорганізмів сахароза зазнає спиртового, молочно-кислого, масляно-кислого та інших видів бродіння.

ОН

Лактоза – молочний цукор ( -галактопіранозил-1-4- - глюкопіраноза). Лактоза міститься в молоці людини і тварин, виявлена в пилкових трубочках деяких рослин. Лактоза складається з - глюкози та -галактози, а зв’язок між ними утворюється за рахунок напівацетального гідроксилу галактози та спиртового гідроксилу четвертого атома глюкози. Лактоза має відновні властивості.

Лактоза добре засвоюється організмом. У тонкому кишечнику під дією ферменту лактази ( - галактозидази) вона розщеплюється на глюкозу та галактозу.

Мальтоза – солодовий цукор ( -глюкопіранозил)1- 4 ( - глюкопіраноза). Вона належить до сахаридів типу глікозидоглюкоз, складається з двох залишків молекул глюкози та має відновні властивості, оскільки зв’язки між молекулами утворюються за рахунок взаємодії напівацетального гідроксилу однієї і здебільшого спиртового гідроксилу, який знаходиться біля четвертого атома С, другої глюкози, внаслідок чого один напівацетальний гідроксил залишається вільним.

Мальтоза у вільному стані не трапляється. Вона є проміжним продуктом розпаду полісахаридів (крохмалю та глікогену) під дією ферментів амілаз. Її водні розчини мутаротують. Рівноважний кут питомого обертання мальтози становить 136⁰. Під дією ферменту мальтози вона гідролізується з утворенням двох молекул L- глюкози.

Полісахариди – високомолекулярні сполуки, побудовані з великої кількості залишків моносахаридів і їх похідних. Залежно від природи моносахаридів, які входять до складу полісахаридів, розрізняють гомополісахариди та гетерополісахариди.

Гомополісахариди побудовані із залишків моносахарид одного типу (крохмаль, глікоген, клітковина (целюлоза), який складається із залишків молекул глюкози.

Гетерополісахариди складаються із залишків моносахарид двох чи кількох типів (гепарин, гіалуронова кислота та ін.).

Полісахариди мають величезне біологічне значення: запасні поживні речовини (крохмаль, глікоген); структурна та запасна функції (целюлоза, хондроїтипсірчана кислота, тощо); будівельний і поживний матеріал (манани, галактани); регуляція проникності життєво важливих речовин (гіалуронова кислота); антикоагулянти крові в організмі людини та тварин (гепарин); основний енергетичний матеріал організму.

Хімічна структура різноманітна. Мономерні одиниці сполучені між собою глікозидними звя’зками, які утворюються переважно за рахунок глікозидного гідроксилу одного моносахариду та гідроксилу спиртової групи, розташованого біля четвертого атома вуглецю (лінійних полісахаридів) чи четвертого та шостого атомів вуглецю (розгалуджених полісахаридів), другої молекули моносахариду. У зв’язку з такою структурою молекули полісахаридів практично не мають вільних глікозидних радикалів і характеризуються реакційною здатністю лише за вільними спиртовими гідроксилами.

Крохмаль – продукт фотосинтезу та головна поживна речовина рослин. Він відкладається в різних органах рослин у вигляді зерен кульовидної форми. Найбільше його міститься в зернах рису (близько 30%), пшениці (75-80%) і в бульбах кортоплі (25%).

Головним моносахаридом, з якого синтезується крохмаль, є залишки D- глюкози, послідовно сполучені між собою L-1,4 і L-1,6- глюкозидними зв’язками.

Крохмаль – білий порошок, нерозчинний у воді, без смаку та запаху, в гарячій воді утворюється колоїдний розчин, який внаслідок взаємодії з розчином йоду набуває синього забарвлення.

Короткочасне нагрівання порошкоподібного крохмалю призводить до його розкладу на простіші сахариди так звані декстрини. Після цього підвищується розчинність крохмалю у воді. Декстринізація крохмалю посилюється під час нагрівання з 10%-м розчином сірчаної кислоти. Тривалий гідроліз призводить до ступінчастого розкладу крохмалю до глюкози. Продукти взаємодії крупномолекулярних декстринів з йодом мають червоний колір, а низькомолекулярних – безбарвні. Крохмаль гідролізується за такою схемою:

+Н₂О амілаза +Н₂О декстрин аза +Н₂О мальтаза

2 (С₆Н₁₀О₅)n декстрини n С₁₂Н₂₂О₁₁ n С₆Н₁₂О₆

мальтоза глюкоза

Процеси декстринізації та оцукрення крохмалю використовують у спиртовій та харчовій промисловості. Крохмаль є оптично активним, кут його оптичного обертання становить + 195⁰.

Природний крохмаль складається з двох різних фракцій, які різняться за будовою та властивостями (25% амілази й 75% амілопектину).

Молекула амілази має ниткоподібну лінійну структуру з молекулярною масою близько 60000.

У амілопектині ланцюги розгалуджені й містять 8-20 залишків глюкози. Амілопектин має еферичні молекули. Його молекулярна маса коливається від 100 тис. до 1 млн.

У шлунково – кишковому тракті за участю ферментів крохмаль розкладається на молекули глюкози, які використовуються як енергетичний матеріал і частково перетворюється на глікоген печінки та м’язів. Глікоген – макромолекули якого складаються із залишків глюкози. Він є резервною поживною речовиною в організмі людини і тварин. Глікоген відкладається переважно в печінці та м’язах. Вміст глікогену в печінці тварин становить 15%, а у м’язах 2-4%.

А – будова амілози; Б – будова амілопектину; В – будова глікогену

Целюлоза або клітковина (С₆Н₁₀О₅)_n.

Головна структура клітковини стінок рослин зумовлює їх еластичність і міцність. Целюлоза синтезується в рослинах. У листі міститься близько 30% целюлози, в деревині – 50%, а у волосках насіння бавовнику –до 80%. Молекули целюлози складаються із залишків β- глюкози, з’єднаних глікозирним зв’язком.

Целюлоза в чистому стані – біла волокниста речовина, без запаху і смаку, нерозчинна у воді, ефірі та спирті. За звичайних умов вона стійка до дії розведених кислот, лугів і слабких окислювачів. Стійкість целюлози до дії розчинників зумовлена її структурою. Продуктом гідролізу целюлози в присутності концентрованих кислот є тільки β- глюкоза.

Пектинові речовини. Основою структури молекул пектинових речовин є ланцюжок із з’єднаними між собою 4- глікозирними зв’язками залишків галактуронової кислоти, карбоксили якої стерифіковані метиловим спиртом.

Пектинові речовини містяться в плодах, коренеплодах і стеблах майже всіх рослин у вигляді нерозчинної комплексної сполуки – протопектину. В процесі дозрівання плодів останній перетворюється на розчинний пектин під дією ферменту протопектонази.

Пектинові речовини використовують в кондитерській, консервній і фармацевтичній промисловості.

Анаеробне перетворення може розпочинаться з глікогену або глюкози. У першому випадку його називають глікогеноліз, у другому – гліколіз. В обох процесах спочатку утворюється глюкозо-6- фосфат (різними шляхами), а потім його перетворення проходить однаково.

В процесі біохімічних перетворень поступово руйнується вуглецевий ланцюг глюкози з утворенням молочної кислоти, синтезується також макроергічна сполука АТФ, тобто друга стадія гліколізу проходить з виділенням енергії.

Під час глікогенолізу утворюється молекули АТФ, органічні частини АТФ використовуються для синтезу глікогену, тому в енергетичному відношенні вони майже рівні. У нижчих організмів процес перетворення вуглеводів завершується утворенням С₂Н₅ОН (спиртове бродіння).

С ₆Н₁₂О₆ С₂Н₅ОН + СО₂

Крім цього існує молочнокисле, пропіоновокисле, маслянокисле бродіння, тощо.

Аеробне перетворення.

Під час аеробного розкладання вуглеводню:

С ₆Н₁₂О₆ + 6О₂ 6Н₂О + 6СО₂ + Q

Загальний енергетичний ефект аеробного розкладання 1 молекули глюкози до кінцевих продуктів – СО₂ і Н₂О – становить 38 мол. АТФ, тобто 1596 кДж енергії.

Отже, основним джерелом енергії для організму є аеробне окислення органічних сполук.

При наявності О₂ анаеробний процес (гліколіз або спиртове бродіння) замінюється енергетично більш економним процесом – аеробним. За цих умов при менших витратах субстрату (глюкози) організм дістає значно більшу кількість енергії. Цей ефект називається ефектом Пастера (на честь дослідника, який відкрив це явище).

Аеробне і анаеробне перетворення вивчали українські вчені: Паладін і В.О. Енгельгард.