Лекция - Химия углеводов

Химия углеводов

1. Строение, свойства, функции в организме

2. Моносахариды

3. Полисахариды

4. Образование углеводов в процессах фотосинтеза

Углеводы – биохимические соединения, образующиеся в растениях в качестве первичных продуктов фотосинтеза. Их название происходит от общей формулы этой группы веществ – С_n(H₂O)_n, в которую входят углерод, водород и кислород (соотношение атомов водорода и кислорода в них такое же, как в воде).

В растениях углеводы составляют 80-90% массы, причем в разных частях содержание их различно. Так, в зеленых частях растений оно составляет 2,5-6%, в клубнях картофеля и корнеплодах – 10-20%, в зернах злаков – до 70%.

В составе организма человека и животных углеводы присутствуют в меньшем количестве, чем белки и липиды, и составляют всего 2% от массы сухих веществ.

Однако для человека их значение очень велико. Об этом свидетельствуют важные разнообразные функции, которые выполняют углеводы.

Энергетическая функция. Углеводы на 60% обеспечивают организм энергией. При окислении 1 г углеводов выделяется 4 ккал (16,7 кДж) энергии.

Пластическая функция. Углеводы принимают участие в синтезе многих веществ, необходимых для жизнедеятельности организма, таких, как нуклепротеины, сложные ферменты, мукополисахариды.

Функция питательных веществ. Углеводы обладают способностью откладываться в организме в виде гликогена – запасного углевода, который расходуется по мере необходимости. Гликоген в основном сосредоточен в печени и мышцах. При полноценном питании в печени может накапливаться до 10% гликогена от массы печени, в мышцах – до 2%. При голодании запасы гликогена снижаются до 0,2%.

Защитная функция. Вязкие секреты (слизи), выделяемые различными железами, богаты мукополисахаридами. Они предохраняют стенки полых органов от механических повреждений, от проникновения патогенных бактерий и вирусов.

Регуляторная функция. Представитель углеводов – клетчатка имеет грубую структуру. Попадая с пищей в желудочно-кишечный тракт, она вызывает механические раздражение стенок желудка и кишечника, повышает их активность и способствует опорожнению (повышает перистальтику желудка и кишечника).

Специфическая функция. Отдельные представители углеводов выполняют особые функции в организме, например, участвуют в проведении нервных импульсов, образовании антител, обеспечении специфичности групп крови, нормальной деятельности центральной нервной системы.

По современной классификации углеводы подразделяются на три основные группы в зависимости от их состава, структуры и свойств: моносахариды, олигосахариды и полисахариды (СЛАЙД).

Моносахариды. Углеводы этой группы содержат карбонильную группу (альдегидную или кетонную), являются производными многоатомных спиртов. Они имеют состав C_nH_2nO_n.

Моносахариды отличаются различным характером строения и пространственным расположением функциональных групп. По характеры функциональных групп они подразделяются на альдозы и кетозы.

Моносахариды могут существовать в двух формах: линейной (ациклической) с открытой углеродной цепью и циклической (кольцевой). Обе формы находятся в динамическом равновесии, их взаимопереход называется таутомерией.

По числу атомов в цепи моносахаридов различают: биозы, триозы, тетрозы, пентозы, гексозы. Наибольшее значение в организме человека и животных имеют триозы, пентозы и гексозы.

В обмене углеводов в тканях участвуют две триозы (глицериновый альдегид и диоксиацетон), являющиеся продуктами окисления трехатомного спирта глицерина. Общая их формула С₃Н₆О₃. Триозы образуются в организме в виде фосфорных эфиров в реакциях гликолиза, спиртового брожения, а также из глицерина, входящего в состав липидов.

Общая формула пентоз – С₅Н₁₀О₅. Они синтезируются растениями и входят в состав многих соединений организмов животных. Наиболее важными являются арабиноза, ксилоза, рибоза и дезоксирибоза.

Арабиноза содержится в растительных слизях, петиновых веществах

D-ксилоза входит в состав растительных полисахаридов, особенно много ее в древесине, соломе, кукурузных початках, оболочках зерна.

Эта пентоза имеет сладкий вкус, поэтому ее используют в кондитерской промышленности и при выращивании кормовых дрожжей. При окислении из нее образуется ксилановая кислота, а затем триоксиКсилолГлутаровая, используемая в пищевой промышленности в качестве заменителя лимонной кислоты. Из ксилозы получают пятиатомный спирт ксилит, применяемый в диетическом питании больных ожирением и сахарным диабетом для замены сладких углеводов.

Общая формула гексоз – С₆Н₁₂О₆. Они встречаются в свободном состоянии, а также в дисахаридах и в полисахаридах. К ним относится глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза.

Глюкоза содержится в крови, лимфе, церебральной жидкости. Они широко распространена в продуктах растительного происхождения, в большом количестве находится в плодах, семенах, листьях и цветах растений, особенно ее много (17-20%) в плодах винограда. Глюкоза входит в состав полисахаридов (гликогена, крахмала, клетчатки), дисахаридов (мальтозы, сахарозы, лактозы), При окислении первичной спиртовой группы из глюкозы образуется глюкуроновая кислота, а при восстановлении – шестиатомный спирт D-сорбит. Эту реакцию используют при промышленном производстве сорбита – заменителя сладких углеводов в питании людей, страдающих ожирением и сахарным диабетом.

Из глюкозы также получают препараты аскорбиновой кислоты.

Фруктоза относится к сладким углеводам: они в 2,5 раза слаще глюкозы и в 1,7 раза – сахарозы. В свободном виде фруктоза встречается в плодах, пчелином меде (45%); является составной частью дисахарида сахарозы и полисахарида инулина.

В организме человека большую роль играю фосфорные эфиры фруктозы, являющиеся промежуточными продуктами углеводного обмена. Фруктозу используют в питании больных сахарным диабетом и тучных людей.

Манноза в свободном виде редко встречается (например, в кожуре апельсинов) и обычно входит в состав сложных углеводов – маннанов. В организме человека и животных содержится в крови, слюне, слизи кишечника, в суставной жидкости.

Образующийся при восстановлении маннозы шестиатомный спирт маннит присутствует в соке некоторых тропических растений и водорослей. Поскольку эта гексоза сбраживается дрожжами, ее вводят в состав питательных сред для некоторых микроорганизмов.

Галактоза является составной частью дисахарида лактозы и трисахарида раффинозы.

Галактоза содержится в липидах нервной ткани и гликопротеинах человека и животных. Она является фрагментом полисахарида агар-агара, слизей, гликозидов. Под действием ферментов галактоза может превращаться в глюкозу. Ее используют в качестве питательной среды для некоторых микроорганизмов, а также в кондитерской промышленности.

Олигосахариды. В составе их молекул находится от 2 до 10 остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями. В эту группу входят дисахариды, трисахариды, тетрасахаридов.

Дисахариды – сложные сахара, каждая молекула которых при гидролизе распадается на две молекулы моносахаридов. Формула С₁₂Н₂₂О₁₁. Среди дисахаридов наибольшее значение имеют мальтоза, лактоза, сахароза, целлобиоза. Наряду с полисахаридами дисахариды являются основными углеводами в пище человека и животных.

Мальтоза или солодовый сахар содержат два остатка глюкозы. Мальтоза образуется как промежуточный продукт при действии амилаз на крахмал или гликоген.

Сахароза – пищевой (свекловичный, тростниковый) сахар – наиболее важный и широко распространенный дисахарид. Сахароза состоит из глюкозы и фруктозы.

Сахарозы много в стеблях, корнях, клубнях и плодах растений. В сахарной свекле ее накапливается до 24%, в стеблях тростника – до 20%. Процесс расщепления сахарозы на глюкозу и фруктозу называется инверсией сахара, а гидролизованная сахароза – инвертным сахаром.

Сахароза подвергается спиртовому, кисломолочному и маслянокислому брожению.

Лактоза – молочный сахар состоит из галактозы и глюкозы. Она содержится в молоке и молочных продуктах, в пыльцевых трубочках некоторых растений.

Лактоза хорошо усваивается организмом после расщепления в тонком кишечнике под действием фермента лактазы. При врожденном или приобретенном дефиците этого фермента возникает непереносимость молока, которая проявляется вздутием кишечника за счет повышенного газообразования, нарушением функции кишечника (жидкий стул).

Целлобиоза образуется при ферментативном гидролизе целлюлозы под действием фермента, продуцируемого микроорганизмами, целлюлазы.

Среди природных трисахаридов наибольшее значение имеет рафиноза, содержащая фруктозу, глюкозу и галактозу. В значительном количестве она находится в сахарной свекле, семенах хлопка, морских водорослях, грибах и других растениях. Рафиноза подвергается гидролизу под действием сахаразы и галактозидазы.

Типичным представителем тетрасахаридов является стахиоза, состоящая из двух остатков галактозы, одной молекулы глюкозы и одной – фруктозы. В больших количествах содержится в луковицах и корнях некоторых растений, в семенах бобовых.

Полисахариды. Это высокомолекулярные углеводы, состоящие из большого числа моносахаридов. Они обладают гидрофильными свойствами и при растворении в воде образуют коллоидные растворы. Полисахариды подразделяются на гомо- и гетерополисахариды.

Наиболее важными гомополисахаридами являются крахмал, гликоген, клетчатка (целлюлоза), а также пектиновые вещества.

В состав гомополисахаридов входят моносахариды одного типа. Например, крахмал и гликоген построены только из молекул глюкозы, инулин – из фруктозы.

Крахмал представляет собой смесь амилозы (10-30%) и амилопектина (70-90%), общая формула которых – (С₆Н₁₀О₅)_n. Крахмал является продуктом фотосинтеза и основным питательным веществом растений. Он накапливается в виде крахмальных зерен в листьях, клубнях, плодах. Велико содержание крахмала в семенах пшеницы (75-80%), значительно ниже в рисе (30%), клубнях картофеля (25%).

Гидролитическое расщепление крахмала происходит постепенно, с образованием промежуточных продуктов – декстринов и мальтозы, при полном гидролизе выделяется глюкоза.

Декстрины – обломки молекул крахмала и гликогена – растворимые вещества, легко усваивающиеся организмом человека. Частичный гидролиз крахмала протекает при варке продуктов растительного происхождения и при хлебопечении.

При ферментативном гидролизе крахмала в пищеварительном тракте также образуются декстрины, часть их (после употребления пищи, богатой углеводами) всасывается стенками тонкого кишечника и поступает в кровь. Амилопектин подвергается гидролизу амилазами.

Гликоген («животный крахмал») – главный резервный полисахарид человека и высших животных. По своему строению он близок к амилопектину и состоит из остатков глюкозы. При гидролизе гликоген расщепляется на декстрины, мальтозу, затем глюкозу.

В наибольшем количестве гликоген присутствует в печени (до 15% массы), мышцах (2-4%), содержание его в остальных органах (головной мозг, сердечная мышца) невелико. При недостатке глюкозы он быстро расщепляется и восстанавливается ее нормальный уровень в крови. В клетках гликоген связан с белком цитоплазмы и частично с внутриклеточными мембранами.

Инулин состоит, в основном, остатков молекул фруктозы. Являясь резервным энергетическим материалом растений, инулин накапливается в клубнях земляной груши, георгин, цикория. При гидролизе он расщепляется до фруктозы. Инулин сладок на вкус, поэтому его используют в диете больных сахарным диабетом для замены сахарозы и крахмала.

Целлюлоза (клетчатка) С₆Н₁₀О₅ широко распространена в растительном мире. Они является основной структурой стенок клеток, обусловливая их прочность и эластичность.

При частичном гидролизе целлюлозы выделяется дисахарид целлобиоза, а при полном гидролизе образуется глюкоза.

Клетчатка не переваривается в желудочно-кишечном тракте человека из-за отсутствия в ней глюкозидазы. Однако он необходима для нормального пищеварения, так как стимулирует двигательную активность кишечника и желчного пузыря, улучшает продвижение пищевой кашицы по пищеварительному каналу, усиливает выделение желчи из желчного пузыря, способствует формированию каловых масс и выделению их из кишечника.

При недостаточном содержании клетчатки в пищевом рационе у человека развиваются запоры, возникают условия, способствующие раздражению слизистой оболочки кишечника и ее воспалению.

При взаимодействии клетчатки с кислотами и спиртами образуются различные эфиры. С помощью этих реакций получают целлофан, целлулоид, фотопленку, взрывчатые вещества.

К полисахаридам относится и хитин. Он входит в состав низших растений, в частности грибов, и беспозвоночных животных. Является их структурным элементом.

Пектиновые вещества – полисахариды растительного происхождения. Они представляют собой высокомолекулярные соединения, находящиеся в большом количестве в ягодах, фруктах и овощах. В качестве мономерных остатков содержат галактуроновую кислоту.

Пектиновые вещества неоднородны и встречаются в виде протопектина, пектина и пектиновой кислоты.

Пектиновая кислота представляет собой полигалактуроновую кислоту.

Пектин – это сложный эфир метилового спирта и пектиновой кислоты. Пектин в чистом виде – это белый порошок без вкуса и запаха, хорошо растворимый в воде. В растительных тканях ¼ часть пектиновых веществ находится в виде растворимого пектина, который входит в состав клеточного сока, а ¾ - представлены нерастворимым в воде протопектином.

Протопектин образует межклеточную прослойку в растительной ткани и обусловливает твердость последней.

Характерным свойством многих полисахаридов является их способность к гелеобразованию в водных растворах. Высокой желирующей способностью отличается пектин ряда сортов яблок, апельсинов, айвы, черной смородины. Пектин овощей характеризуется низкой способностью образовывать гели.

Получение пектиновых гелей в присутствии сахарозы является основой кондитерских производств, таких, как изготовление варенья, конфитюров, мармеладов, пастилы, желе.

Желирующая способность пектина в присутствии сахара увеличивается в кислых растворах. Так, для желатирования 750 г кислого раствора сахара достаточно 1 г пектина.

Процесс созревания плодов, овощей и ягод, а также их размягчение при тепловой кулинарной обработке связаны с превращениями пектиновых веществ. Во время развития растительных тканей в них накапливается нерастворимый протопектин.

При созревании и хранении плодов и овощей содержание протопектина постепенно уменьшается и одновременно накапливается растворимый пектин. Этот процесс катализируется ферментом протопектиназой. При этом ткани растительного материала становятся мягче и нежнее. Тепловая обработка продуктов растительного происхождения ослабляет сцепление между клетками, так как протопектин превращается в пектин и консистенция ткани размягчается.

Пектиновые вещества играют большую роль в питании: они способствуют нормальному пищеварению, так как стимулируют двигательную активность кишечника, выводят из организма соли тяжелых металлов, связывают избыток холестерина, выполняют роль противорадиационных соединений.

Гетерополисахариды, глюкозамины и мукополисахариды состоят из различного вида моносахаридов (глюкозы, галактозы) и их производных (аминосахаров, гексуроновых кислот), В их составе обнаружены и другие вещества: азотистые основания (в составе глюкозаминов), органические кислоты.

Мукополисахариды представляют собой желеподобные липкие вещества. Они выполняют различные функции, в том числе структурную, защитную, регуляторную. Мукополисахариды составляют основную массу межклеточного вещества тканей, входят в состав кожи, хрящей. В организме мукополисахариды встречаются в комплексе с белками (гликопротеины) и жирами (гликолипиды).

Самые распространенные гетерополисахариды – гиалуроновая кислота, хондроитинсерная кислота, гепарин, сиаловые кислоты.

Гиалуроновая кислота входит в состав соединительной ткани в качестве основного «цементирующего» компонента клеток и межклеточного вещества. В связи с этим ей принадлежит важная роль в формировании барьерных функций организма, что способствует защите его от инфекций, ионизирующей радиации, она также участвует в обмене воды в организме. Гиалуроновая кислота распадается под действием специфического фермента гиалуронидазы, которая содержится в тканях. Это приводит к нарушению структуры межклеточного вещества, в его составе обнаруживаются «трещины» и увеличивается проницаемость для воды и других веществ. Этот фермент находится в пчелином и змеином ядах. Гиалуронидазу содержат также и некоторые бактерии, что облегчает их проникновение в клетку. При ряде заболеваний, особенно при лучевой болезни, усиливается расщепление этой кислоты, что ослабляет функцию соединительной ткани и повышает проницаемость клеточных мембран. Это увеличивает вероятность попадания микрофлоры в организм.

Хондроитинсерная кислота – высокомолекулярное соединение. Она входит в состав хрящевой и костной тканей в виде комплексов с белком коллагеном и выполняет опорные функции. Кроме того, данная кислота участвует в регуляции процессов проницаемости клеточных мембран, способствует отложению кальция в костях.

Гепарин содержится в печени, легких, стенках крупных сосудов. В крови он связывается с белками и препятствует свертыванию крови, выполняя функцию антикоагулянта. Кроме того, гепарин обладает противовоспалительным действием, влияет на обмен калия и натрия, выполняет антитоксическую функцию.

Сиаловые кислоты обнаружены в слюне и других пищеварительных соках, слизистых секретах носовой полости. При воспалительных заболеваниях уровень сиаловых кислот повышается.