Раздел II. Углеводы. Углевод-белковые комплексы

Углеводы широко представлены в растениях и животных, где они выполняют как структурные, так и метаболические функции. В растениях в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды синтезируется глюкоза, которая далее запасается в виде крахмала или превращается в целлюлозу – структурную основу растений. Животные способны синтезировать ряд углеводов из жиров и белков, но большая часть углеводов поступает с пищей растительного происхождения (крахмал).

К углеводам относятся соединения, обладающие разнообразными и часто, совершенно различными свойствами. Среди них есть вещества низкомолекулярные и высокомолекулярные, кристаллические и аморфные, растворимые в воде и нерастворимые в ней, гидролизуемые и негидролизуемые, способные легко окисляться и сравнительно устойчивые к действию окислителей и т.д. Это многообразие качеств находится в тесной связи с химической природой углеводов, со строением их молекул; оно предопределяет то или иное участие углеводов в процессах жизнедеятельности и построении тканей животных и растительных организмов.

Во всех без исключения организмах углеводы служат материалом, при окислении которого выделяется энергия, необходимая для поддержания и осуществления химических реакций. Такие углеводы рассматривают как резервные (крахмал, гликоген, инулин). Наряду с этим промежуточные продукты окисления углеводов могут использоваться для синтеза других органических соединений («заменимых» аминокислот, глицерина, жирных кислот и др.). Перечисленные функции углеводов (структурная, энергетическая, метаболическая) рассматриваются как канонические.

Однако в последнее время было выяснено, что углеводам принадлежат и многие неканонические (нестандартные) функции. Многие углеводы и углеводсодержащие биополимеры обладают уникальным строением и специфичностью. Например, выполняют транспортную функцию – переносят гидрофоб­ные вещества и металлы (транскортин, церуллоплазмин, гаптоглобин, трансферрин), участвуют в свертываемости крови (протромбин, фибриноген), защитную функцию (иммуноглобулины, интерферон), ферментативную (холинэстераза, рибонуклеаза В), гормональную (гонадотропин, кортико­тропин), рецепторную, антигенную, определяют группу крови, играют роль антифризов, обладают термостабильностью, входят в состав белков-слизей (муцин, гастромукопротеин, урогликопротеины), а также в состав межклеточ­ного пространства, то есть составляют основную часть соединительной ткани (гликозаминогликаны или старое название – мукополисахариды). Комплекс гликозаминогликанов с белками называют протеогликаны.

2.1. Структура биологически важных углеводов. Распространение в природе (в том числе в пищевом сырье)

2.1.1. Моносахариды (простые углеводы)

Все простые углеводы – кристаллические вещества, хорошо растворимы в воде и имеют, как правило, сладкий вкус.

Классификация

Существует несколько видов классификации углеводов:

1. по количеству углеродных атомов в углеродном скелете: триозы, тетрозы (эритрозы), пентозы, гексозы, гептозы;

2. по функциональным группам: альдозы и кетозы;

3. по положению полуацетального или гликозидного гидроксила в циклической таутомерной форме: α и β формы моносахаридов (или аномеры);

4. по принадлежности к D- или L-стериохимическому ряду. Природные сахара относятся в основном к D-ряду (правовращающим), что, по-видимому, связано с особенностями их первичного биосинтеза в растениях.

Альдопентозы. Представители.

D-ликсоза D-ксилоза D-арабиноза

D-рибоза α-D-рибоза (циклическая форма)

D-дезоксирибоза α-D-дезоксирибоза

(циклическая форма)

Альдогексозы. Представители.

D-глюкоза L-глюкоза

(ациклическая форма) (ациклическая форма)

α -D-глюкоза β- D-глюкоза

Ниже представлена эпимеризация глюкозы, а α-D-галактоза и α-D-манноза являются эпимерами глюкозы. Данные три альдогексозы наиболее распространены в природе и пищевом сырье:

α-D-галактоза α-D-глюкоза α-D-манноза

Кетопентозы, кетогексозы и кетогептозы. Представители

Из перечисленных ниже кетоз наибольшее значение имеет фруктоза.

Таблица 3

Физиологически важные пентозы

Сахар	Местонахождение	Биохимическое значение
D-рибоза и D-дезоксирибоза	Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), нуклеотиды (АТФ, АДФ, АМФ и др.) в пище животного и растительного происхож­дения	Структурные элементы ДНК и РНК, коферментов (НАД+, НАДФ+, ФАД, КоА). Синтези­руются в пентозофосфатном цикле из глюкозы
D-рибулоза	Образуется в ходе метаболизма	Промежуточное соединение пентозофосфатного пути окисления глюкозы
D-арабиноза	Гуммиарабик, сливовая и вишневая мякоть	Компоненты гликопротеинов пентозаны

Окончание таблицы 3

Сахар	Местонахождение	Биохимическое значение
D-ксилоза	Древесная смола, гликозаминогликаны	Компоненты простетической группы гликопротенов и протеогликанов, пентозаны, гемицеллюлозы
D-ликсоза	Сердечная мышца	Компонент миксофлавина, выделенного из сердечной мышцы человека и животного
L-ксилулоза	Во всех тканях	Метаболит при синтезе уроновых кислот

Таблица 4

Физиологически важные гексозы

Сахар	Источник	Биологическая роль
D-глюкоза	Фруктовые соки. Гидролиз крахмала, тростникового сахара, мальтозы и лактозы	«Основной сахар» организма. Использует­ся тканями на энергетические и пластические цели
D-фруктоза	Фруктовые соки. Мёд. Гидролиз тростникового сахара и инулина (из иерусалимских артишоков)	Может превращаться в глюкозу в печени и клетках эпителия кишечника
D-галактоза	Лактоза (молоч­ный сахар)	Может превращаться в глюкозу в печени и затем использовать­ся в процессах метаболизма. Синтезируется в молочных железах из глюкозы (входит в состав лактозы молока). Компонент простетической группы гликолипидов, гликопротеинов и протео­гликанов
D-манноза	Гидролиз растительных маннанов и камедей	Компонент простетической группы гликопро­теинов и протеогликанов, синтезируется из глюкозы

Производные моносахаридов

При окислении и восстановлении глюкозы образуются следующие соединения:

β–D–глюкуроновая кислота (возможны варианты: маннуроновая кислота и галактуроновая кислота)

β–L–идуроновая кислота

β–L–фукоза

D–сорбит (спирт)

D–глюкоза

D–глюконовая кислота (глюконат)

Аминосахара (гексозамины)

Широко распрастранены в природе.

α-2-глюкозамин α-2-галактозамин α-2-маннозамин

Аминогруппа в них может быть ацетилирована:

N-ацетил-глюкозамин N-ацетил-галактозамин

Образование нейраминовой кислоты и N-ацетилнейраминовой кислоты (сиаловой кислоты):

Биологическая роль производных моносахаридов рассмотрена в теме «Гликопротены и протеогликаны (углевод-белковые комплексы)».