Углеводы
Переходя к рассмотрению органических веществ, нельзя не отметить значение углерода для жизни. Вступая в химические реакции, углерод образует прочные ковалентные связи, обобществляя четыре электрона. Атомы углерода, соединяясь между собой, способны образовывать стабильные цепи и кольца, служащие скелетами макромолекул. Углерод также может образовывать кратные ковалентные связи с другими углеродными атомами, а также с азотом и кислородом. Все эти свойства обеспечивают уникальное разнообразие органических молекул.
Макромолекулы , составляющие около 90 % массы обезвоженной клетки, синтезируются из более простых молекул, называемых мономерами . Существуют три основных типа макромолекул: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты ; мономерами для них являются, соответственно, моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды.
Углеводами называют вещества с общей формулой C x (H 2 O) y , где x и y – натуральные числа. Название «углеводы» говорит о том, что в их молекулах водород и кислород находятся в том же отношении, что и в воде.
В животных клетках содержится небольшое количество углеводов, а в растительных – почти 70 % от общего количества органических веществ.
Моносахариды играют роль промежуточных продуктов в процессах дыхания и фотосинтеза , участвуют в синтезе нуклеиновых кислот, коферментов, АТФ и полисахаридов, служат , высвобождаемой при окислении в процессе дыхания. Производные моносахаридов – сахарные спирты, сахарные кислоты, дезоксисахара и аминосахара – имеют важное значение в процессе дыхания, а также используются при синтезе липидов, ДНК и других макромолекул.
Дисахариды образуются в результате реакции конденсации между двумя моносахаридами. Иногда они используются в качестве запасных питательных веществ. Наиболее распространенными из них являются мальтоза (глюкоза + глюкоза), лактоза (глюкоза + галактоза) и сахароза (глюкоза + фруктоза). содержится только в молоке. (тростниковый сахар) наиболее распространена в растениях; это и есть тот самый «сахар», который мы обычно употребляем в пищу.
Целлюлоза также является полимером глюкозы. В ней заключено около 50 % углерода, содержащегося в растениях. По общей массе на Земле целлюлоза занимает первое место среди органических соединений. Форма молекулы (длинные цепи с выступающими наружу –OH-группами) обеспечивает прочное сцепление между соседними цепями. При всей своей прочности, макрофибриллы, состоящие из таких цепей, легко пропускают воду и растворённые в ней вещества и потому служат идеальным строительным материалом для стенок растительной клетки. Целлюлоза – ценный источник глюкозы, однако для её расщепления необходим фермент целлюлаза, сравнительно редко встречающийся в природе. Поэтому в пищу целлюлозу употребляют только некоторые животные (например, жвачные). Велико и промышленное значение целлюлозы – из этого вещества изготовляют хлопчатобумажные ткани и бумагу.
Углеводы - органические соединения, состоящие из углерода, и кислорода. Различают простые углеводы, или моносахариды, например глюкоза, и сложные, или полисахариды, которые делятся на низшие, содержащие немного остатков простых углеводов, например дисахариды, и высшие, имеющие очень большие молекулы из многих остатков простых углеводов. В животных организмах содержание углеводов составляет около 2% сухой массы.
Средняя суточная потребность взрослого человека в углеводах - 500 г, а при интенсивной мышечной работе - 700-1000 г.
Количество углеводов в сутки должно быть по массе 60%, а по - 56% от общего количества пищи.
Глюкоза содержится в крови, в которой ее количество поддерживается на постоянном уровне (0,1-0,12%). После всасывания в кишечнике моносахариды доставляются кровью в , где происходит синтез из моносахаридов гликогена, входящего в состав цитоплазмы. Запасы гликогена откладываются главным образом в мышцах и в печени.
Общее количество гликогена в теле человека массой 70 кг составляет примерно 375 г, из них в мышцах содержится 245 г, в печени - 110 г (до 150 г), в крови и других жидкостях тела - 20 г. В организме тренированного человека гликогена на 40-50% больше, чем у нетренированного.
Углеводы - главный источник энергии для жизнедеятельности и работы организма.
В организме в бескислородных условиях (анаэробных) углеводы распадаются на молочную кислоту, освобождая энергию. Этот процесс называется гликолизом. При участии кислорода (аэробные условия) они расщепляются на углекислоту и , освобождая при этом значительно больше энергии. Большое биологическое значение имеет анаэробный распад углеводов с участием фосфорной кислоты - фосфорилирование.
Фосфорилирование глюкозы происходит в печени при участии ферментов. Источником глюкозы могут быть аминокислоты и жиры. В печени из предварительно фосфорилированной глюкозы образуются огромные молекулы полисахарида - гликогена. Количество гликогена в печени человека зависит от характера питания и мышечной деятельности. С участием других ферментов в печени происходит расщепление гликогена до глюкозы - сахарообразование. Распад гликогена в печени и скелетных мышцах при голодании и мышечной работе сопровождается одновременным синтезом гликогена. Глюкоза, образующаяся в печени, поступает в и с нею доставляется всем клеткам и тканям.
Только небольшая часть белков и жиров освобождает энергию в процессе десмолитического распада и, следовательно, служит непосредственным источником энергии. Значительная часть белков и жиров еще до полного распада предварительно превращается в мышцах в углеводы. Кроме того, из пищеварительного канала продукты гидролиза белков и жиров поступают в печень, где аминокислоты и жиры превращаются в глюкозу. Этот процесс обозначается как глюконеогенез. Основной источник образования глюкозы в печени - гликоген, значительно меньшая часть глюкозы получается путем глюконеогенеза, в процессе которого задерживается образование кетоновых тел. Таким образом, углеводный обмен значительно влияет на обмен , и воды.
Когда потребление глюкозы работающими мышцами возрастает в 5-8 раз, гликоген образуется в печени из жиров и белков.
В отличие от белков и жиров углеводы легко распадаются, поэтому они быстро мобилизуются организмом при больших затратах энергии (мышечная работа, эмоции боли, страха, гнева и др.). Распад углеводов поддерживает постоянство тела и является основным источником энергии мускулатуры. Углеводы необходимы для нормального функционирования нервной системы. Понижение содержания сахара в крови ведет к падению температуры тела, к слабости и утомлению мышц, к расстройствам нервной деятельности.
В тканях используется с освобождением энергии только очень небольшая часть глюкозы, доставляемой кровью. Основной источник углеводного обмена в тканях - гликоген, ранее синтезированный из глюкозы.
Во время работы мышц - основных потребителей углеводов - используются находящиеся в них запасы гликогена, и только после полного израсходования этих запасов начинается непосредственное использование глюкозы, доставляемой к мышцам кровью. При этом расходуется глюкоза, образовавшаяся из запасов гликогена в печени. После работы мышцы возобновляют свой запас гликогена, синтезируя его из глюкозы крови, а печень - за счет всосавшихся моносахаридов в пищеварительном тракте и расщепления белков и жиров.
Например, при увеличении содержания глюкозы в крови выше 0,15-0,16% вследствие обильного содержания её в пище, что обозначается как пищевая гипергликемия, происходит выведение её из организма с мочой – глюкозурия.
С другой стороны, даже при длительном голодании уровень глюкозы в крови не снижается, так как глюкоза поступает в кровь из тканей при распаде находящегося в них гликогена.
Краткая характеристика состава, строения и экологической роли углеводов
Углеводы - это органические вещества, состоящие из углерода, водорода и кислорода, имеющие общую формулу С n (Н 2 O) m (для подавляющего большинства этих веществ).
Величина n или равна m (для моносахаров), или больше ее (для остальных классов углеводов). Вышеприведенная общая формула не соответствует дезоксирибозе.
Углеводы подразделяют на моносахариды, ди (олиго) сахариды и полисахариды. Ниже дается краткая характеристика отдельных представителей каждого класса углеводов.
Краткая характеристика моносахаридов
Моносахариды - это углеводы, общая формула которых С n (Н 2 O) n (исключение составляет дезоксирибоза).
Классификации моносахаридов
Моносахариды - довольно обширная и сложная группа соединений, поэтому они имеют сложную классификацию по различным признакам:
1) по числу углерода, содержащихся в молекуле моносахарида, различают тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы; наибольшее практическое значение имеют пентозы и гексозы;
2) по функциональным группам моносахариды делят на кетозы и альдозы;
3) по числу атомов, содержащихся в циклической молекуле моносахарида, различают пиранозы (содержат 6 атомов) и фуранозы (содержат 5 атомов);
4) исходя из пространственного расположения «глюкозидного» гидроксида (этот гидроксид получается при присоединении атома водорода к кислороду карбонильной группы) моносахариды подразделяют на альфа- и бета-формы. Рассмотрим некоторые наиболее важные моносахариды, имеющие наибольшее биологическое и экологическое значение в природе.
Краткая характеристика пентоз
Пентозы - это моносахариды, молекула которых содержит 5 атомов углерода. Эти вещества могут быть и открытоцепными, и циклическими, альдозами и кетозами, альфа- и бета-соединениями. Среди них наиболее практическое значение имеют рибоза и дезоксирибоза.
Формула рибозы в общем виде С 5 Н 10 О 5 . Рибоза является одним из веществ, из которых синтезируются рибонуклеотиды, из последних в дальнейшем получаются различные рибонуклеиновые кислоты (РНК). Поэтому наибольшее значение имеет фуранозная (5-членная) альфа-форма рибозы (в формулах РНК изображается в форме правильного пятиугольника).
Формула дезоксирибозы в общем виде С 5 Н 10 О 4 . Дезоксирибоза - одно из веществ, из которых синтезируются в организмах дезоксирибонуклеотиды; последние являются исходными веществами для синтеза дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК). Поэтому наибольшее значение имеет циклическая альфа-форма дезоксирибозы, у которой отсутствует гидроксид у второго атома углерода в цикле.
Открытоцепные формы рибозы и дезоксирибозы являются альдозами, т. е. содержат 4 (3) гидроксидные группы и одну альдегидную группу. При полном распаде нуклеиновых кислот рибоза и дезоксирибоза окисляются до углекислого газа и воды; этот процесс сопровождается выделением энергии.
Краткая характеристика гексоз
Гексозы - это моносахара, молекулы которых содержат шесть атомов углерода. Общая формула гексоз С 6 (Н 2 O) 6 или С 6 Н 12 O 6 . Все многообразие гексоз является изомерами, соответствующими приведенной выше формуле. Среди гексоз существуют и кетозы, и альдозы, и альфа- и бета-формы молекул, открытоцепные и циклические формы, пиранозные и фуранозные циклические формы молекул. Наибольшее значение в природе имеют глюкоза и фруктоза, которые кратко рассмотрены ниже.
1. Глюкоза. Как и любая гексоза, она имеет общую формулу С 6 Н 12 O 6 . Она относится к альдозам, т. е. содержит альдегидную функциональную группу и 5 гидроксидных групп (характерных для спиртов), следовательно, глюкоза - это многоатомный альдегидоспирт (эти группы содержатся в открытоцепной форме, в циклической форме альдегидная группа отсутствует, так как превращается в гидроксидную группу, называемую «глюкозидным гидроксидом»). Циклическая форма может быть как пятичленной (фуранозной), так и шестичленной (пиранозной). Наибольшее значение в природе имеет пиранозная форма молекулы глюкозы. Циклическая пиранозная и фуранозная формы могут быть как альфа-, так и бета-формами, что зависит от расположения глюкозидного гидроксида относительно других гидроксидных групп в молекуле.
По физическим свойствам глюкоза - твердое белое кристаллическое вещество сладкого вкуса (интенсивность этого вкуса подобна сахарозе), хорошо растворимое в воде и способное к образованию перенасыщенных растворов («сиропов»). Так как в молекуле глюкозы содержатся асимметрические атомы углерода (т. е. атомы, соединенные с четырьмя различными радикалами), то растворы глюкозы обладают оптической активностью, поэтому различают D-глюкозу и L-глюкозу, имеющие различную биологическую активность.
С биологической точки зрения, наиболее важна способность глюкозы к легкому окислению по схеме:
С 6 Н 12 O 6 (глюкоза) → (промежуточные стадии) → 6СO 2 + 6Н 2 O.
Глюкоза - важное в биологическом смысле соединение, так как оно за счет своего окисления используется организмом в качестве универсального питательного вещества и легкодоступного источника энергии.
2. Фруктоза. Это кетоза, ее общая формула С 6 Н 12 O 6 , т. е. она изомер глюкозы, для нее характерны открытоцепная и циклические формы. Наибольшее значение имеет бета-Б-фруктофураноза или сокращенно - бета-фруктоза. Из бета-фруктозы и альфа-глюкозы получается сахароза. В определенных условиях фруктоза способна превращаться в глюкозу при реакции изомеризации. По физическим свойствам фруктоза напоминает глюкозу, но слаще ее.
Краткая характеристика дисахаридов
Дисахариды - продукты реакции диконденсации одинаковых или различных молекул моносахаридов.
Дисахариды являются одной из разновидностей олигосахаридов (в образовании их молекул участвует небольшое количество молекул моносахаридов (одинаковых или различных).
Важнейшим представителем дисахаридов является сахароза (свекловичный или тростниковый сахар). Сахароза - продукт взаимодействия альфа-D-глюкопиранозы (альфа-глюкозы) и бета-D-фруктофуранозы (бета-фруктозы). Ее формула в общем виде С 12 Н 22 О 11 . Сахароза - один из многочисленных изомеров дисахаридов.
Это белое кристаллические вещество, которое существует в различных состояниях: крупнокристаллическом («сахарные головы»), мелкокристаллическом (сахарный песок), аморфном (сахарная пудра). Хорошо растворяется в воде, особенно в горячей (по сравнению с горячей водой, растворимость сахарозы в холодной воде относительно невелика), поэтому сахароза способна образовывать «перенасыщенные растворы» - сиропы, которые могут «засахариваться», т. е. происходит образование мелкокристаллических суспензий. Концентрированные растворы сахарозы способны образовывать особые стеклообразные системы - карамели, что используется человеком для получения определенных сортов конфет. Сахароза - сладкое вещество, но интенсивность сладкого вкуса у нее меньше, чем у фруктозы.
Важнейшим химическим свойством сахарозы является ее способность к гидролизу, при котором образуется альфа-глюкоза и бета-фруктоза, которые вступают в реакции обмена углеводов.
Для человека сахароза является одним из важнейших продуктов питания, так как она - источник глюкозы. Однако избыточное употребление сахарозы вредно, ибо это приводит к нарушению углеводного обмена, что сопровождается появлением заболеваний: диабета, болезней зубов, ожирению.
Общая характеристика полисахаридов
Полисахаридами называют природные полимеры, являющиеся продуктами реакции поликонденсации моносахаридов. В качестве мономеров для образования полисахаридов могут быть пентозы, гексозы и другие моносахариды. В практическом отношении наиболее важны продукты поликонденсации гексоз. Известны и полисахариды, в молекулах которых содержатся атомы азота, например хитин.
Полисахариды на основе гексоз имеют общую формулу (С 6 Н 10 О 5)n. Они не растворимы в воде, при этом некоторые из них способны образовывать коллоидные растворы. Наиболее важными из данных полисахаридов являются различные разновидности растительного и животного крахмала (последние называют гликогенами), а также разновидности целлюлозы (клетчатки).
Общая характеристика свойств и экологической роли крахмала
Крахмал - это полисахарид, являющийся продуктом реакции поликонденсации альфа-глюкозы (альфа-D-глюкопиранозы). По происхождению различают растительные и животные крахмалы. Животные крахмалы называют гликогенами. Хотя в целом молекулы крахмалов имеют общее строение, одинаковый состав, но отдельные свойства у крахмала, полученного из разных растений, различны. Так, картофельный крахмал отличается от кукурузного крахмала и т. д. Но все разновидности крахмала имеют общие свойства. Это твердые, белые мелкокристаллические или аморфные вещества, «хрупкие» на ощупь, нерастворимые в воде, но в горячей воде способны образовывать коллоидные растворы, которые сохраняют свою стабильность и при охлаждении. Крахмал образует как золи (например, жидкий кисель), так и гели (например, кисель, приготовленный при большом содержании крахмала, представляет собой студнеобразную массу, которую можно резать ножом).
Способность крахмала образовывать коллоидные растворы связана с глобулярностью его молекул (молекула как бы свернута в шар). При контакте с теплой или горячей водой молекулы воды проникают между витками молекул крахмала, происходит увеличение объема молекулы и уменьшение плотности вещества, что приводит к переходу молекул крахмала в подвижное состояние, характерное для коллоидных систем. Общая формула крахмала: (С 6 Н 10 О 5) n , молекулы этого вещества имеют две разновидности, одна из которых называется амилоза (в этой молекуле нет боковых цепей), а другая - амилопектин (молекулы имеют боковые цепи, в которых соединение происходит через 1 - 6 атомы углерода кислородным мостиком).
Важнейшим химическим свойством, обусловливающим биолого-экологическую роль крахмала, является его способность подвергаться гидролизу, образуя в конечном счете либо дисахарид мальтозу, либо альфа-глюкозу (это окончательный продукт гидролиза крахмала):
(С 6 Н 10 О 5) n + nН 2 O → nС 6 Н 12 O 6 (альфа-глюкоза).
Процесс протекает в организмах под действием целой группы ферментов. За счет этого процесса организм обогащается глюкозой - важнейшим питательным соединением.
Качественной реакцией на крахмал является его взаимодействие с йодом, при котором возникает красно-фиолетовое окрашивание. Эта реакция используется для обнаружения крахмала в различных системах.
Биолого-экологическая роль крахмала достаточно велика. Это одно из важнейших запасных соединений в организмах растений, например у растений семейства злаковых. Для животных крахмал - важнейшее трофическое вещество.
Краткая характеристика свойств и эколого-биологической роли целлюлозы(клетчатки)
Целлюлоза (клетчатка) - полисахарид, являющийся продуктом реакции поликонденсации бета-глюкозы (бета-D-глюкопиранозы). Ее общая формула (С 6 Н 10 О 5) n . В отличие от крахмала молекулы целлюлозы строго линейны и имеют фибриллярную («нитчатую») структуру. Различие в структурах молекул крахмала и Целлюлозы объясняет различие их биолого-экологических ролей. Целлюлоза не является ни запасным, ни трофическим веществом, так как не способна перевариваться большинством организмов (исключение составляют некоторые виды бактерий, способных подвергать целлюлозу гидролизу и усваивать бета-глюкозу). Целлюлоза не способна образовывать коллоидные растворы, зато она может образовывать механически прочные нитчатые структуры, обеспечивающие защиту отдельных органоидов клетки и механическую прочность различных растительных тканей. Как и крахмал, в определенных условиях целлюлоза гидролизуется, и конечным продуктом ее гидролиза является бета-глюкоза (бета-D-глюкопираноза). В природе роль этого процесса относительно невелика (но она позволяет биосфере «усвоить» целлюлозу).
(С 6 Н 10 О 5) n (клетчатка) + n(Н 2 O) → n(С 6 Н 12 O 6) (бета-глюкоза или бета-D-глюкопираноза) (при неполном гидролизе клетчатки возможно образование растворимого дисахарида - целлобиозы).
В природных условиях клетчатка (после отмирания растений) подвергается разложению, в результате которого возможно образование различных соединений. За счет этого процесса образуются гумус (органический компонент почвы), различные виды каменного угля (нефть и каменный уголь образуются из отмерших остатков различных животных и растительных организмов в отсутствие , т. е. в анаэробных условиях, в их образовании участвует весь комплекс органических веществ, в том числе и углеводов).
Эколого-биологическая роль клетчатки состоит в том, что она является: а) защитным; б) механическим; в) формообразующим соединением (для некоторых бактерий выполняет трофическую функцию). Отмершие остатки растительных организмов являются субстратом для некоторых организмов - насекомых, грибов, различных микроорганизмов.
Краткая характеристика эколого-биологической роли углеводов
Обобщая рассмотренный выше материал, относящийся к характеристике углеводов, можно сделать следующие выводы об их эколого-биологической роли.
1. Они выполняют строительную функцию как в клетках, так и в организме в целом за счет того, что входят в состав структур, образующих клетки и ткани (особенно это характерно для растений и грибов), например, клеточные оболочки, различные мембраны и т. д., кроме того, углеводы участвуют в образовании биологически необходимых веществ, образующих ряд структур, например в образовании нуклеиновых кислот, составляющих основу хромосом; углеводы входят в состав сложных белков - гликопротеидов, имеющих определенное значение в формировании клеточных структур и межклеточного вещества.
2. Важнейшей функцией углеводов является трофическая функция, состоящая в том, что многие из них являются продуктами питания гетеротрофных организмов (глюкоза, фруктоза, крахмал, сахароза, мальтоза, лактоза и др.). Эти вещества в комплексе с другими соединениями образуют пищевые продукты, используемые человеком (различные крупы; плоды и семена отдельных растений, включающие в свой состав углеводы, являются кормом для птиц, а моносахара, вступая в цикл различных превращений, способствуют образованию как собственных углеводов, характерных для данного организма, так и других органо-биохимических соединений (жиров, аминокислот (но не их белков), нуклеиновых кислот и т. д.).
3. Для углеводов характерна и энергетическая функция, состоящая в том, что моносахара (в частности глюкоза) в организмах легко окисляются (конечным продуктом окисления является СO 2 и Н 2 O), при этом происходит выделение большого количества энергии, сопровождающееся синтезом АТФ.
4. Им присуща и защитная функция, состоящая в том, что из углеводов возникают структуры (и определенные органоиды в клетке), защищающие или клетку, или организм в целом от различных повреждений, в том числе и механических (например, хитиновые покровы насекомых, образующие внешний скелет, оболочки клеток растений и многих грибов, включающих целлюлозу и т. д.).
5. Большую роль играют механическая и формообразующая функции углеводов, представляющие собой способность структур, образованных либо углеводами, либо в сочетании их с другими соединениями, придавать организму определенную форму и делать их механически прочными; так, клеточные оболочки механической ткани и сосудов ксилемы создают каркас (внутренний скелет) древесных, кустарниковых и травянистых растений, хитином образован внешний скелет насекомых и т. д.
Краткая характеристика обмена углеводов в гетеротрофном организме (на примере организма человека)
Важную роль в понимании процессов обмена веществ играет знание о превращениях, которым подвергаются углеводы в гетеротрофных организмах. В организме человека этот процесс характеризуется приведенным ниже схематическим описанием.
Углеводы в составе пищи попадают в организм через ротовую полость. Моносахара в пищеварительной системе практически не подвергаются превращениям, дисахариды - гидролизуются до моносахаридов, а полисахариды подвергаются достаточно значительным превращениям (это относится к тем полисахаридам, которые организмом употребляются в пищу, а углеводы, не являющиеся пищевыми веществами, например, целлюлоза, некоторые пектины, удаляются из организма с каловыми массами).
В ротовой полости пища измельчается и гомогенизируется (становится более однородной, чем до попадания в нее). На пищу воздействует слюна, выделяемая слюнными железами. Она содержит птиалин и имеет щелочную реакцию среды, за счет чего начинается первичный гидролиз полисахаридов, приводящий к образованию олигосахаридов (углеводов с небольшой величиной n).
Часть крахмала может превращаться даже в дисахариды, что можно заметить при длительном пережевывании хлеба (кислый черный хлеб становится сладким).
Пережеванная пища, обильно обработанная слюной и размельченная зубами, через пищевод в виде пищевого комка поступает в желудок, где подвергается воздействию желудочного сока с кислой реакцией среды, содержащего ферменты, воздействующие на белки и нуклеиновые кислоты. В желудке с углеводами практически ничего не происходит.
Затем пищевая кашица поступает в первый отдел кишечника (тонкий кишечник), начинающийся двенадцатиперстной кишкой. В нее поступает панкреатический сок (секрет поджелудочной железы), содержащий комплекс ферментов, способствующих и перевариванию углеводов. Углеводы превращаются в моносахариды, которые растворимы в воде и способны к всасыванию. Пищевые углеводы окончательно перевариваются в тонком кишечнике, а в той его части, где содержатся ворсинки, они всасываются в кровь и поступают в кровеносную систему.
С током крови моносахара разносятся к различным тканям и клеткам организма, но предварительно вся кровь проходит через печень (там она очищается от вредных продуктов обмена). В крови моносахара присутствуют преимущественно в виде альфа-глюкозы (но возможно наличие и других изомеров гексоз, например фруктозы).
Если глюкозы в крови меньше нормы, то часть гликогена, содержащегося в печени, гидролизуется до глюкозы. Избыточное содержание углеводов характеризует тяжелое заболевание человека - диабет.
Из крови моносахариды поступают в клетки, где большая их часть расходуется на окисление (в митохондриях), при котором синтезируется АТФ, содержащая энергию в «удобном» для организма виде. АТФ расходуется на различные процессы, которые требуют энергии (синтез нужных организму веществ, реализация физиологических и других процессов).
Часть углеводов пищи используется для синтеза углеводов данного организма, требующихся для формирования структур клетки, или соединений, необходимых для образования веществ других классов соединений (так из углеводов могут получиться жиры, нуклеиновые кислоты и т. д.). Способность углеводов превращаться в жиры является одной из причин возникновения ожирения - заболевания, влекущего за собой комплекс других заболеваний.
Следовательно, потребление избыточного количества углеводов вредно для человеческого организма, что необходимо учитывать при организации рационального питания.
В растительных организмах, являющихся автотрофами, обмен углеводов несколько иной. Углеводы (моносахара) синтезируются самим организмом из углекислого газа и воды с использованием солнечной энергии. Ди-, олиго- и полисахариды синтезируются из моносахаридов. Часть моносахаридов включается в синтез нуклеиновых кислот. Определенное количество моносахаридов (глюкозы) растительные организмы используют в процессах дыхания на окисление, при котором (как и в гетеротрофных организмах) синтезируется АТФ.
План:
1.Определение понятия: углеводы. Классификация.
2. Состав, физические и химические свойства углеводов.
3.Рспространение в природе. Получение. Применение.
Углеводы – органические соединения, содержащие карбонильные и гидроксильные группировки атомов, имеющие общую формулу C n (H 2 O) m , (где n и m>3).
Углеводы – вещества, имеющие первостепенное биохимическое значение, широко распространены в живой природе и играют большую роль в жизни человека. Название углеводы возникло на основании данных анализа первых известных представителей этой группы соединения. Вещества этой группы состоят из углерода, водорода и кислорода, причем соотношение чисел атомов водорода и кислорода в них такое же, как и в воде, т.е. на каждые 2 атома водорода приходится один атом кислорода. В прошлом столетии их рассматривали как гидраты углерода. Отсюда и возникло русское название углеводы, предложенное в 1844г. К.Шмидтом. Общая формула углеводов, согласно сказанному, С м Н 2п О п. При вынесении «n» за скобки получается формула С м (Н 2 О) n , которая очень наглядно отражает название «угле - воды». Изучение углеводов показало, что существуют соединения, которые по всем свойствам нужно отнести в группу углеводов, хотя они имеют состав, не точно соответствующий формуле С м H 2п О п. Тем не менее старинное название «углеводы», сохранилось до наших дней, хотя наряду с этим названием для обозначения рассматриваемой группы веществ иногда применяют и более новое название – глициды.
Углеводы можно разделить на три группы : 1) Моносахариды – углеводы, способные гидролизоваться с образованием более простых углеводов. К данной группе относятся гексозы (глюкоза и фруктоза), а также пентоза (рибоза). 2) Олигосахариды – продукты конденсации нескольких моносахаридов (например, сахароза). 3) Полисахариды – полимерные соединения, содержащие большое число молекул моносахаридов.
Моносахариды . Моносахариды являются гетерофункциональными соединениями. В их молекулах одновременно содержатся и карбонильная (альдегидная или кетонная), и несколько гидроксильных групп, т.е. моносахариды представляют собой полигидроксикарбонильные соединения - полигидроксиальдегиды и полигидроксикетоны. В зависимости от этого моносахариды подразделяются на альдозы (в моносахариде содержится альдегидная группа) и кетозы (содержится кетогруппа). Например, глюкоза – это альдоза, а фруктоза – это кетоза.
Получение. В свободном виде в природе встречается преимущественно глюкоза. Она же является структурной единицей многих полисахаридов. Другие моносахариды в свободном состоянии встречаются редко и в основном известны как компоненты олиго- и полисахаридов. В природе глюкоза получается в результате реакции фотосинтеза: 6CO 2 + 6H 2 O ® C 6 H 12 O 6 (глюкоза) + 6O 2 Впервые глюкоза получена в 1811 году русским химиком Г.Э.Кирхгофом при гидролизе крахмала. Позже синтез моносахаридов из формальдегида в щелочной среде предложен А.М.Бутлеровым
Углеводы в продуктах питания.Углеводы являются основным и легко доступным источником энергии для организма человека. Все углеводы представляют собой сложные молекулы состоящие из углерода(С), водорода(H) и кислорода(O), название происходит от слов «уголь» и «вода».
Из известных нам основных источников энергии, можно выделить три:
Углеводы (до 2% запасов)
- жиры (до 80% запасов)
- белки (до 18% запасов )Углеводы являются самым быстрым топливом, которое в первую очередь используется для производства энергии, но их запасы очень малы (в среднем 2% от общего объема) т.к. для их накопления требуется много воды (для задержки 1г углеводов нужно 4г воды), а для отложения жиров вода не требуется.
Основные запасы углеводов хранятся в организме в виде гликогена (сложный углевод). Большая его масса содержится в мышцах (около 70%), остальное в печени (30%).
Все остальные функции углеводов а так же их химическое строение вы можете узнатьУглеводы в продуктах питания, классифицируются следующим образом.
Виды углеводов.
Углеводы, в простой классификации делятся на два основных класса: простые и сложные. Простые, в свою очередь состоят из моносахаридов и олигосахаридов, сложные из полисахаридов и волокнистых.
Простые углеводы.
МоносахаридыГлюкоза («виноградный сахар», декстроза).
Глюкоза – наиболее важный из всех моносахаридов, так как она является структурной единицей большинства пищевых ди- и полисахаридов. В организме человека глюкоза является основным и наиболее универсальным источником энергии для обеспечения метаболических процессов. Способностью усваивать глюкозу обладают все клетки организма животных. В то же время, способностью использовать другие источники энергии - например, свободные жирные кислоты и глицерин, фруктозу или молочную кислоту - обладают не все клетки организма, а лишь некоторые их типы. В процессе обмена веществ они расщепляются на отдельные молекулы моносахаридов, которые в ходе многостадийных химических реакций превращаются в другие вещества и в конечном итоге окисляются до углекислого газа и воды – используются как «топливо» для клеток. Глюкоза – необходимый компонент обмена углеводов . При снижении ее уровня в крови или высокой концентрации и невозможности использования, как это происходит при диабете, наступает сонливость, может наступить потеря сознания (гипогликемическая кома).
Глюкоза «в чистом виде», как моносахарид, содержится в овощах и фруктах. Особенно богаты глюкозой виноград – 7,8%, черешня, вишня – 5,5%, малина – 3,9%, земляника – 2,7%, слива – 2,5%, арбуз – 2,4%. Из овощей больше всего глюкозы содержится в тыкве – 2,6%, в белокочанной капусте – 2,6%, в моркови – 2,5%.
Глюкоза обладает меньшей сладостью, чем самый известный дисахарид – сахароза. Если принять сладость сахарозы за 100 единиц, то сладость глюкозы составит 74 единицы.Фруктоза (фруктовый сахар).
Фруктоза является одним из самых распространенных углеводов фруктов. В отличие от глюкозы она может без участия инсулина (гормон, который снижает уровень глюкозы в крови) проникать из крови в клетки тканей. По этой причине фруктоза рекомендуется в качестве наиболее безопасного источника углеводов для больных диабетом. Часть фруктозы попадает в клетки печени, которые превращают ее в более универсальное «топливо» - глюкозу, поэтому фруктоза тоже способна повышать сахара в крови, хотя и в значительно меньшей степени, чем другие простые сахара. Фруктоза легче, чем глюкоза, способна превращаться в жиры. Основным преимуществом фруктозы является то, что она в 2,5 раза слаще глюкозы и в 1,7 – сахарозы. Ее применение вместо сахара позволяет снизить общее потребление углеводов .
Основными источниками фруктозы в пище являются виноград – 7,7%, яблоки – 5,5%, груши – 5,2%, вишня, черешня – 4,5%, арбузы – 4,3%, черная смородина – 4,2%, малина – 3,9%, земляника – 2,4%, дыни – 2,0%. В овощах содержание фруктозы невелико – от 0,1% в свекле до 1,6% в белокочанной капусте. Фруктоза содержится в меде – около 3,7%. Достоверно доказано, что фруктоза, обладающая значительно более высокой сладостью, чем сахароза, не вызывает кариеса, которому способствует потребление сахара.Галактоза (разновидность молочного сахара).
Галактоза в продуктах в свободном виде не встречается. Она образует дисахарид с глюкозой – лактозу (молочный сахар) – основной углевод молока и молочных продуктов.Олигосахариды
Сахароза (столовый сахар).
Сахароза – это дисахарид (углевод состоящий из двух компонентов), образованный молекулами глюкозы и фруктозы. Самый распостраненный вид сахарозы это – сахар. Содержание сахарозы в сахоре – 99.5%, фактически сахар это чистая сахароза.
Сахар быстро расщепляется в желудочно-кишечном тракте, глюкоза и фруктоза всасываются в кровь и служат источником энергии и наиболее важным предшественником гликогена и жиров. Его часто называют «носителем пустых калорий», так как сахар – это чистый углевод и не содержит других питательных веществ, таких, как, например, витамины, минеральные соли. Из растительных продуктов больше всего сахарозы содержится в свекле – 8,6%, персиках – 6,0%, дынях – 5,9%, сливах – 4,8%, мандаринах – 4,5%. В овощах, кроме свеклы, значительное содержание сахарозы отмечается в моркови – 3,5%. В остальных овощах содержание сахарозы колеблется от 0,4 до 0,7%. Кроме собственно сахара, основными источниками сахарозы в пище являются варенье, мед, кондитерские изделия, сладкие напитки, мороженое.Лактоза (молочный сахар).
Лактоза расщепляется в желудочно-кишечном тракте до глюкозы и галактозы под действием фермента лактазы . Дефицит этого фермента у некоторых людей приводит к непереносимости молока. Нерасщепленная лактоза служит хорошим питательным веществом для кишечной микрофлоры. При этом возможно обильное газообразование, живот «пучит». В кисломолочных продуктах большая часть лактозы сброжена до молочной кислоты, поэтому люди с лактазной недостаточностью могут переносить кисломолочные продукты без неприятных последствий. Кроме того, молочнокислые бактерии в кисломолочных продуктах подавляют деятельность кишечной микрофлоры и снижают неблагоприятные действия лактозы.
Галактоза, образующаяся при расщеплении лактозы, превращается в печени в глюкозу. При врожденном наследственном недостатке или отсутствии фермента, превращающего галактозу в глюкозу, развивается тяжелое заболевание - галактоземия, которая ведет к умственной отсталости.
Содержание лактозы в коровьем молоке составляет 4,7%, в твороге – от 1,8% до 2,8%, в сметане – от 2,6 до 3,1%, в кефире – от 3,8 до 5,1%, в йогуртах – около 3%.Мальтоза (солодовый сахар).
Образуется при соединении двух молекул глюкозы. Содержится в таких продуктах как: солод, мед, пиво, патока, хлебобулочные и кондитерские изделия изготовленные с добавлением патоки.Атлетам следует избегать приема глюкозы в чистом виде и продуктов богатых простыми сахарами в больших количествах, так как они запускают процесс образования жира.
Сложные углеводы.
Сложные углеводы состоят в основном из повторяющихся звеньев соединений глюкозы. (полимеры глюкозы)Полисахариды
Растительные полисахариды (крахмал).
Крахмал – основной из перевариваемых полисахаридов, он представляет собой сложную цепочку, состоящую из глюкозы. На его долю приходится до 80% потребляемых с пищей углеводов. Крахмал - это сложный или "медленный" углевод, поэтому он является предпочтительным источником энергии как при наборе массы, так и при похудении. В желудочно-кишечном тракте крахмал поддается гидролизу (разложение вещества под действием воды) расщепляется на декстрины (фрагменты крахмала), а в итоге на глюкозу и уже в таком виде усваивается организмом.
Источником крахмала служат растительные продукты, в основном злаковые: крупы, мука, хлеб, а также картофель. Больше всего крахмала содержат крупы: от 60% в гречневой крупе (ядрице) до 70% - в рисовой. Из злаков меньше всего крахмала содержится в овсяной крупе и продуктах ее переработки: толокне, овсяных хлопьях «Геркулес» - 49%. Макаронные изделия содержат от 62 до 68% крахмала, хлеб из ржаной муки в зависимости от сорта – от 33% до 49%, пшеничный хлеб и другие изделия из пшеничной муки – от 35 до 51% крахмала, мука – от 56 (ржаная) до 68% (пшеничная высшего сорта). Крахмала много и в бобовых продуктах – от 40% в чечевице до 44% в горохе. А так же можно отметить не малое содержание крахмала в картофеле (15-18%).Животные полисахариды (гликоген).
Гликоген - состоит из сильно разветвленных цепочек молекул глюкозы. После приема пищи в кровь начинает поступать большое количество глюкозы и организм человека запасает излишки этой глюкозы в виде гликогена. Когда уровень глюкозы в крови начинает снижаться (например при выполнении физических упражнений), организм с помощью ферментов расщепляет гликоген, в результате чего уровень глюкозы остается в норме и органы (в том числе, мышцы во время тренировки) получают достаточное ее количество для производства энергии. Гликоген откладывается главным образом в печени и мышцах.Он в небольших количествах содержится в животных продуктах (в печени 2-10%, в мышечной ткани – 0,3-1%). Общий запас гликогена составляет 100-120 г. В бодибилдинге имеет значение только тот гликоген, который содержится в мышечной ткани.Волокнистые
Пищевая клетчатка (неусваиваемые, волокнистые)
Пищевая клетчатка или пищевые волокна относится к питательным веществам, которые, подобно воде и минеральным солям, не обеспечивают организм энергией, но играет огромную роль в его жизнедеятельности. Пищевая клетчатка, которая содержится главным образом в растительных продуктах с низким или очень низким содержанием сахара. Обычно она объединяется с другими питательными веществами.Виды клетчатки.
Целлюлоза и Гемицеллюлоза
Целлюлоза присутствует в непросеянной пшеничной муке, отрубях, капусте, молодом горохе, зеленых и восковидных бобах, брокколи, брюссельской капусте, в огуречной кожуре, перцах, яблоках, моркови.
Гемицеллюлоза содержится в отрубях, злаковых, неочищенном зерне, свекле, брюссельской капусте, зеленых побегах горчицы.
Целлюлоза и гемицеллюлоза впитывают воду, облегчая деятельность толстой кишки. В сущности, они «придают объем» отходам и быстрее продвигают их по толстому кишечнику. Это не только предотвращает возникновение запоров, но и защищает от дивертикулеза, спазматического колита, геморроя, рака толстой кишки и варикозного расширения вен.Лигнин
Данный тип клетчатки встречается в злаковых, употребляемых на завтрак, в отрубях, лежалых овощах (при хранении овощей содержание лигнина в них увеличивается, и они хуже усваиваются), а также в баклажанах, зеленых бобах, клубнике, горохе, редисе.
Лигнин уменьшает усваиваемость других волокон. Кроме того, он связывается с желчными кислотами, способствуя снижению уровня холестерина, и ускоряет прохождение пищи через кишечник.Камеди и Пектин
Камеди содержится в овсяной каше и других продуктах из овса, в сушеных бобах.
Пектин присутствует в яблоках, цитрусовых, моркови, цветной и кочанной капусте, сушеном горохе, зеленых бобах, картофеле, землянике, клубнике, фруктовых напитках.
Камеди и пектин влияют на процессы всасывания в желудке и тонком кишечнике. Связываясь с желчными кислотами, они уменьшают всасывание жира и снижают уровень холестерина. Задерживают опорожнение желудка и, обволакивая кишечник, замедляют всасывание сахара после приема пищи, что полезно для диабетиков, так как снижает необходимую дозу инсулина.Зная виды углеводов, и их функции, возникает следующий вопрос –
Какие углеводы и сколько употреблять в пищу?
В большинстве продуктов основным составляющим являются углеводы, поэтому с их получением из пищи ни каких проблем возникнуть не должно, поэтому в суточном рационе большинства людей основную часть составляют именно углеводы.
У углеводов, которые попадают в наш организм с пищей, существует три пути метаболизма:1) Гликогенез (поступившая сложностаставная углеводная пища в наш желудочно-кишечный тракт расщепляется на глюкозу, а затем запасается в виде сложных углеводов – гликогена в клетках мышц и печени, и используется как резервный источник питания, когда концентрация глюкозы в крови низкая)
2) Глюконеогенез (процесс образования в печени и корковом веществе почек (около 10%) - глюкозы, из аминокислот, молочной кислоты, глицерина)
3) Гликолиз (расщепление глюкозы и других углеводов с выделением энергии)Метаболизм углеводов в основном определяется наличием глюкозы в кровотоке, этого важного и универсального источника энергии в организме. Наличие же глюкозы в крови, зависит от последнего приема и питательного состава пищи. То есть если вы недавно позавтракали, то концентрация глюкозы в крови будет высокой, если продолжительное время воздерживаетесь от еды – низкой. Меньше глюкозы – меньше энергии в организме, это очевидно, вот почему на голодный желудок ощущается упадок сил. В то время, когда содержание глюкозы в кровотоке низкое, а это очень хорошо наблюдается в утренние часы, после продолжительного сна, в течении которого вы ни как не поддерживали уровень имеющейся глюкозы в крови порциями углеводной пищи, запускается подпитка организма в состоянии голодания с помощью гликолиза - 75%, и на 25% с помощью глюконеогенеза, то есть расщеплением сложных запасенных углеводов, а так же аминокислот, глицерина и молочной кислоты.
Так же, не мало важное значение в регулировании концентрации глюкозы в крови оказывает гормон поджелудочной железы – инсулин . Инсулин транспортный гормон, он разносит излишки глюкозы в клетки мышц и другие ткани организма, тем самым регулируя максимальный уровень глюкозы в крови. У людей склонных к полноте, которые не следят за своей диетой, излишки поступающих с пищей углеводов в организм инсулин преобразует в жир, в основном это характерно для быстрых углеводов.
Что бы выбрать правильные углеводы из всего разнообразия пищи используется такое понятие как – гликемический индекс .Гликемический индекс – это скорость всасывания поступаемых с пищей углеводов в кровоток и инсулиновая реакция поджелудочной железы. Он показывает влияние продуктов на уровень сахара в крови. Этот индекс измеряется по шкале от 0 до 100, зависит от видов продуктов, разные углеводы по разному усваиваются, какие то быстро, и соответственно у них будет гликемический индекс высокий, какие то медленно, эталоном быстрого всасывания, является чистая глюкоза, у нее гликемический индекс равен 100.
ГИ продукта зависит от некоторых факторов:
- Вид углеводов (простые углеводы обладают высоким ГИ, сложные – низким)
- Количество клетчатки (чем ее больше в пище, тем ниже ГИ)
- Способ обработки продуктов (например при тепловой обработке повышается ГИ)
- Содержание жиров и белков (чем больше их в пище, тем ниже ГИ)Существуют множество различных таблиц определяющих гликемический индекс продуктов, вот одна из них:
Таблица гликемических индексов продуктов позволяет вам принимать правильные решения, выбирая, какие продукты включить в ваш дневной рацион, а какие сознательно исключить.
Принцип простой: чем выше гликемический индекс, тем реже включайте такие продукты в ваш рацион. И наоборот, чем ниже гликемический индекс, тем чаще употребляйте в пищу такие продукты.Однако быстрые углеводы нам тоже пригодятся в таких важных приемах пищи как:
- с утра (после продолжительного сна концентрация глюкозы в крови очень низкая, и ее необходимо восполнить как можно быстрее, что бы не дать организму получать необходимую энергию для жизнедеятельности с помощью аминокислот, путем разрушения мышечных волокон)
- и после тренировки (когда затраты энергии на интенсивный физический труд значительно снижают концентрацию глюкозы в крови, после тренировки идеальный вариант принимать быстрее углеводы, для максимально быстрого восполнения их и препятствию катаболизма)Сколько употреблять углеводов?
В бодибилдинге и фитнесе углеводы должны составлять не меньше 50% от всех питательных веществ (естественно мы не рассматриваем «сушку» или похудение).
Существует масса причин для того, чтобы нагрузить себя большим количеством углеводов, в особенности если речь идет о цельных, необработанных продуктах. Однако в первую очередь вы должны понимать, что у способности организма накапливать их существует некий предел. Представьте себе бензобак: он может вместить в себя лишь определенное количество литров бензина. Если вы попробуете влить в него больше, лишний неизбежно прольется. Как только запасы углеводов преобразовались в необходимое количество гликогена, печень начинает перерабатывать их излишки в жир, который затем хранится под кожей и в других частях тела.
Объем мышечного гликогена, который вы можете хранить, зависит от степени вашей мышечной массы. Подобно тому, как одни бензобаки бывают больше других, отличаются и мышцы у разных людей. Чем вы мускулистее, тем большее количество гликогена может хранить ваш организм.
Чтобы убедиться в том, что вы получаете правильное количество углеводов - не больше положенного, - подсчитайте свое суточное их потребление по следующей формуле. Для наращивания мышечной массы в сутки вам следует принимать -7г углеводов на килограмм собственного веса (умножьте свой вес в килограммах на 7).
Подняв уровень потребления углеводов до необходимого, вы должны добавить дополнительную силовую нагрузку. Обильное количество углеводов при занятиях бодибилдингом обеспечит вас большей энергией, позволяющей заниматься интенсивнее и дольше и достигать лучших результатов.
Рассчитать свой дневной рацион можно подробней изучив эту статью
Общая характеристика, строение и свойства углеводов.
Углеводы – это многоатомные спирты, которые содержат в своем составе, кроме спиртовых групп, альдегидную или кетогруппу.
В зависимости от типа группы в составе молекулы различают альдозы и кетозы.
Углеводы очень широко распространенны в природе, особенно в растительном мире, где составляют 70 – 80 % массы сухого вещества клеток. В животном организме на их долю приходится всего около 2 % массы тела, однако и здесь их роль не менее важна.
Углеводы способны откладываться в виде крахмала в растениях и гликогена в организме животных и человека. Эти запасы расходуются по мере надобности. В организме человека углеводы откладываются в основном в печени и мышцах, которые являются его депо.
Среди других компонентов организма высших животных и человека на долю углеводов приходится 0,5% массы тела. Однако углеводы имеют большое значение для организма. Эти вещества вместе с белками в форме протеогликанов лежат в основе соединительной ткани. Углеводосодержащие белки (гликопротеины и мукопротеины) – составная часть слизей организма (защитная, обволакивающая функции), транспортных белков плазмы и иммунологически активных соединений (группоспецифические вещества крови). Часть углеводов выполняет функции «запасного топлива» для получения организмов энергии.
Функции углеводов:
Энергетическая – углеводы являются одним из основных источников энергии для организма, обеспечивая не менее 60% энергозатрат. Для деятельности мозга, клеток крови, мозгового вещества почек практически вся энергия поставляется за счет окисления глюкозы. При полном распаде 1 г углеводов выделяется 4,1 ккал/моль (17,15 кДж/моль) энергии.
Пластическая – углеводы или их производные обнаруживаются во всех клетках организма. Они входят в состав биологических мембран и органоидов клеток, участвуют в образовании ферментов, нуклеопротеидов и т.д. В растениях углеводы служат в основном опорным материалом.
Защитная – вязкие секреты (слизь), выделяемая различными железами, богаты углеводами или их производными (мукополисахаридами и др.). Они защищают внутренние стенки полых органов желудочно-кишечного тракта, воздухоносных путей от механических и химических воздействий, проникновения патогенных микробов.
Регуляторная – пища человека содержит значительное количество клетчатки, грубая структура которой вызывает механическое раздражение слизистой оболочки желудка и кишечника, участвуя, таким образом, в регуляции акта перистальтики.
Специфическая – отдельные углеводы выполняют в организме особые функции: участвуют в проведении нервных импульсов, образовании антител, обеспечении специфичности групп крови и т.д.
Функциональная значимость углеводов определяет необходимость обеспечения организма этими питательными веществами. Суточная потребность в углеводах для человека составляет в среднем 400 – 450 г с учетом возраста, рода трудовой деятельности, пола и некоторых других факторов.
Элементарный состав. Углеводы состоят из следующих химических элементов: углерода, водорода и кислорода. Большая часть углеводов имеет общую формулу С n (H 2 O ) n .Углеводы представляют собой соединения, состоящие из углерода и воды, что послужило основанием для их названия. Однако среди углеводов встречаются вещества, не соответствующие приведенной формуле, например рамноза С 6 Н 12 О 5 и др. В то же время известны вещества, состав которых соответствует общей формуле углеводов, но по свойствам они не относятся к ним (уксусная кислота С 2 Н 12 О 2). Поэтому название «углеводы» достаточно условно и не всегда соответствует химической структуре этих веществ.
Углеводы – это органические вещества, представляющие собой альдегиды или кетоны многоатомных спиртов.
Моносахариды
Моносахариды – это многоатомные алифатические спирты, которые содержат в своем составе альдегидную группу (альдозы) или кетогруппу (кетозы).
Моносахариды представляют собой твердые, кристаллические вещества, растворимые в воде и сладкие на вкус. В определенных условиях они легко окисляются, в результате чего альдегидоспирты превращаются в кислоты, в результате чего альдегидоспирты превращаются в кислоты, а при восстановлении – в соответствующие спирты.
Химические свойства моносахаридов :
Окисление до моно-, дикарбоновых и гликуроновых кислот;
Восстановление до спиртов;
Образование сложных эфиров;
Образование гликозидов;
Брожение: спиртовое, молочнокислое, лимоннокислое и маслянокислое.
Моносахариды, которые не могут быть гидролизованы на более простые сахара. Тип моносахарида зависит от длины углеводородной цепи. В зависимости от числа атомов углерода их подразделяют на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы.
Триозы : глицериновый альдегид и диоксиацетон, они являются промежуточными продуктами распада глюкозы и участвуют в синтезе жиров. обе триозы можно получить из спирта глицерола путем его дегидрирования или гидрирования.
Тетрозы : эритроза – активно участвует в процессах обмена веществ.
Пентозы : рибоза и дезоксирибоза – составные части нуклеиновых кислот, рибулеза и ксилулеза – промежуточные продукты окисления глюкозы.
Гексозы : они наиболее широко представлены в животном и растительном мире и играют большую роль в обменных процессах. К ним относятся глюкоза, галактоза, фруктоза и др.
Глюкоза (виноградный сахар) . Является основным углеводом растений и животных. Важная роль глюкозы объясняется тем, что она является основным источником энергии, составляет основу многих олиго- и полисахаридов, участвует в поддержании осмотического давления. Транспорт глюкозы в клетки регулируется во многих тканях гормоном поджелудочной железы - инсулином. В клетке в ходе многостадийных химических реакций глюкоза превращаются в другие вещества (образующиеся при распаде глюкозы промежуточные продукты используются для синтеза аминокислот и жиров), которые в конечном итоге окисляются до углекислого газа и воды, при этом выделяется энергия, используемая организмом для обеспечения жизнедеятельности. По уровню глюкозы в крови обычно судят о состоянии углеводного обмена в организме. При снижении уровня глюкозы в крови или ее высокой концентрации и невозможности использования, как это происходит при диабете, наступает сонливость, может наступить потеря сознания (гипогликемическая кома). Скорость поступления глюкозы в ткани мозга и печени не зависит от инсулина и определяется только концентрацией ее в крови. Эти ткани называются инсулинонезависимыми. Без присутствия инсулина глюкоза не поступит в клетку и не будет использована в качестве топлива .
Галактоза. Пространственный изомер глюкозы, отличающийся расположением ОН-группы у четвертого углеродного атома. Входит в состав лактозы, некоторых полисахаридов и гликолипидов. Галактоза может изомеризоваться в глюкозу (в печени, молочной железе).
Фруктоза (плодовый сахар). В больших количествах находится в растениях, особенно в плодах. Много ее во фруктах, сахарной свекле, меде. Легко изомеризуется в глюкозу. Путь распада фруктозы более короткий и энергетически выгодный, чем глюкозы. В отличие от глюкозы она может без участия инсулина проникать из крови в клетки тканей. По этой причине фруктоза рекомендуется в качестве наиболее безопасного источника углеводов для больных диабетом. Часть фруктозы попадает в клетки печени, которые превращают ее в более универсальное "топливо" - глюкозу, поэтому фруктоза тоже способна повышать уровень сахара в крови, хотя и в значительно меньшей степени, чем другие простые сахара.
По химическому строению глюкоза и галактоза являются альдегидоспиртами, фруктоза - кетоноспиртом. Различия в структуре глюкозы и фруктозы характеризуют и различии и некоторых их свойствах. Глюкоза восстанавливает металлы из их окислов, фруктоза таким свойством не обладает. Фруктоза примерно в 2 раза медленнее всасывается из кишечника по сравнению с глюкозой.
При окислении шестого углеродного атома в молекуле гексоз образуются гексуроновые (уроновые) кислоты : из глюкозы - глюкуроновая , из галактозы - галактуроновая .
Глюкуроновая кислота принимает активное участие в обменных процессах в организме, например в обезвреживании токсических продуктов, входит в состав мукополисахаридов и т. д. Функция ее заключается в том, что она соединяется в организме с веществами, плохо растворимыми в воде. В результате связываемое вещество становится водорастворимым и выводится с мочой. Такой путь выведения особенно важен для водоне растворимых стероидных гормонов, продуктов их распада, а также для выделения продуктов распада лекарственных веществ. Без взаимодействия с глюкуроновой кислотой нарушаются дальнейший распад и выделение из организма желчных пигментов.
Моносахариды могут иметь аминогруппу .
При замене в молекуле гексоз ОН-группы второго углеродного атома на аминогруппу образуются аминосахара - гексозамины: из глюкозы синтезируетсяглюкозамин,изгалактозы - галактозамин, которые входят в состав клеточных оболочек и муко- полисахаридов как в свободном виде, так и в соединении с уксусной кислотой.
Аминосахарами называются моносахариды, которые на месте ОН-группы несут аминогруппу (- N Н 2).
Аминосахара являются важнейшей составной частью гликозаминогликанов .
Моносахариды образуют эфиры . ОН-группа молекулы моносахарида; как всякая спиртовая группа, может взаимодействовать с кислотой. В промежуточном обмене эфиры сахаров имеют большое значение. Чтобы вклю читься в обмен веществ, сахар должен стать фосфорным эфиром . При этом фосфорилируются концевые углеродные атомы. У гексоз - это С-1 и С-6, у пентоз - С-1 и С-5 и т.д. Боль ше двух ОН-групп фосфорилированию не подвергается. Поэтому основную роль играют моно- и дифосфаты сахаров. В названии фосфорного эфира обычно указывают позицию эфирной связи.
Олигосахариды
Олигосахариды имеют в своем составе два и более моносахарида. Они встречаются в клетках и биологических жидкостях, как в свободном виде, так и в соединении с белками. Для организма имеют большое значение дисахариды: сахароза, мальтоза, лактоза и др. Эти углеводы выполняют энергетическую функцию. Предполагается, что, входя в состав клеток, они участвуют в процессе «узнавания» клеток.
Сахароза (свекловичный или тростниковый сахар ). Состоит из молекул глюкозы и фруктозы. Она являетсярастительнымпродуктомиважнейшимкомпо нентом пищи, обладает наиболее сладкимвкусомпо сравнению с другими дисахаридами и глюкозой.
Содержание сахарозы в сахаре составляет 95%. Сахар быстро расщепляется в желудочно-кишечном тракте, глюкоза и фруктоза всасываются в кровь и служат источником энергии и наиболее важным предшественником гликогена и жиров. Его часто называют "носителем пустых калорий", так как сахар - это чистый углевод, он не содержит других питательных веществ, таких как, например, витамины, минеральные соли.
Лактоза (молочный сахар) состоитиз глюкозы и галактозы, синтезируется в молочных железах в период лактации. В желудочно-кишечном тракте расщепляется под действием фермента лактазы. Дефицит этого фермента у некоторых людей приводит к непереносимости молока. Дефицит этого фермента наблюдается примерно у 40% взрослого населения. Нерасщепленная лактоза служит хорошим питательным веществом для кишечной микрофлоры. При этом возможно обильное газообразование, живот "пучит". В кисломолочных продуктах большая часть лактозы сброжена до молочной кислоты, поэтому люди с лактазной недостаточностью могут переносить кисломолочные продукты без неприятных последствий. Кроме того, молочнокислые бактерии в кисломолочных продуктах подавляют деятельность кишечной микрофлоры и снижают неблагоприятные действия лактозы.
Мальтоза состоит из двух мо лекул глюкозы и является основным структурным компонентом крахмала и гликогена.
Полисахариды
Полисахариды - высокомолекулярные углеводы, состоящие из большого числа моносахаридов. Они обладают гидрофильными свойствами и при растворении в воде образуют коллоидные растворы.
Полисахариды подразделяются на гомо- и гете рополисахариды.
Гомополисахариды. Имеют в составе моносахариды только одного вида. Гак, крахмал и гликоген пост роены только из молекул глюкозы, инулин - фруктозы. Гомополисахариды имеют весьма разветвленную структуру и представляют собой смесь двух по лимеров - амилозы и амилопектина. Амилоза состоит из 60-300 остатков глюкозы, соединенных в линейную цепь при помощи кислородного мостика, образованного между первым углеродным атомом одной молекулы и четвертым углеродным атомом другой (связь 1,4).
Амилоза растворима в горячей воде и дает с йодом синее окрашивание.
Амилопектин - разветвленный полимер, состоящий как из неразветвленных цепей (связь 1,4), так и разветвленных, которые образуются за счет связей между первым углеродным атомом одной молекулы глюкозы и шестым углеродным атомом другойприпомощикислородногомостика(связь1,6).
Представителями гомополисахаридов являются крахмал, клетчатка и гликоген.
Крахмал (полисахарид растений) – состоит из нескольких тысяч остатков глюкозы, 10-20% которых представлено амилозой, а 80-90% амилопектином. Крахмал нерастворим в холодной воде, а в горячей образует коллоидный раствор, называемый в быту крахмальным клейстером. На долю крахмала приходится до 80% потребляемых с пищей углеводов. Источником крахмала служат растительные продукты, в основном злаковые: крупы, мука, хлеб, а также картофель. Больше всего крахмала содержаткрупы (от 60% в гречневой крупе (ядрице) идо 70% - в рисовой).
Клетчатка , или целлюлоза, - самый распространенный на земле углевод растений, образующийся в количестве примерно 50 кг на каждого жителя Земли. Клетчатка представляет собой линейный полисахарид, состоящий из 1000 и более остатков глюкозы. В организме клетчатка участвует в активации моторики желудка и кишечника, стимулирует выделение пищеварительных соков, создает ощущение сытости.
Гликоген (животный крахмал) является основнымзапаснымуглеводоморганизмачеловека.Он состоит примерно из 30 000 остатков глюкозы, которые образуют разветвленную структуру. В наиболее значительном количестве гликоген накапливается в печени и мышечной ткани, в том числе в мышце сердца. Функция мышечного гликогена состоит в том, что он является легкодоступным источником глюкозы, используемой в энергетических процессах в самой мышце. Гликоген печени используется для поддержания физиологических концентраций глюкозы в крови, прежде всего в промежутках между приемами пищи. Через 12-18 ч после приема пищи запас гликогена в печени почти полностью истощается. Содержание мышечного гликогена заметно снижается только после продолжительной и напряженной физической работы. При недостатке глюкозы он быстро расщепляется и восстанавливает ее нормальный уровень в крови. В клетках гликоген связан с белком цитоплазмы и частично - с внутриклеточными мембранами.
Гетерополисахариды (гликозамингликаны или мукополисахариды) (приставка «муко-» указывает, что они впервые были получены из муцина). Состоят из различного вида моносахаридов (глюкозы, галактозы) и их производных (аминосахаров, гексуроновых кислот). В их составе обнаружены и другие вещества: азотистые основания, органические кислоты и некоторые другие.
Гликозамингликаны представляют собой желеподобные, липкие вещества. Они выполняют различные функции,в томчисле структурную,защитную,регуляторную и др. Гликозамингликаны, например, составляют основную массу межклеточного вещества тканей, входят в состав кожи, хрящей, синовиальной жидкости, стекловидного тела глаза. В организме они встречаются в комплексе с белками (протеогликаны и гликопротсиды) и жирами (гликолипиды), в которых на долю полисахаридов приходится основная часть молекулы (до 90% и более). Для организма имеют значение следующие из них.
Гиалуро новая кислота - основная часть межклеточного вещества, своего рода «биологический цемент», который соединяет клетки, заполняя все межклеточное пространство. Она также выполняет роль биологического фильтра, который задерживает микробы и препятствует их проникновению в клетку, участвует в обмене воды в организме.
Следует отметить, что гиалуроновая кислота распадается под действием специфического фермента гиалуронидазы. При этом нарушается структура межклеточного вещества, в его составе образуются «трещины», что приводит к увеличению его проницаемости для воды и других веществ. Это имеет важное значение в процессе оплодотворения яйцеклетки сперматозоидами, которые богаты этим ферментом. Гиалуронидазу содержат также и некоторые бактерии, что существенно облегчает их проникновение в клетку.
X ондроитинсульфаты - хондроитинсерные кислоты, служат структурными компонентами хрящей, связок, клапанов сердца, пупочного канатика и др. Они способствуют отложению кальция в костях.
Гепарин образуется в тучных клетках, которые встречаются в легких, печени и других органах, и выделяется ими в кровь и межклеточную среду. 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 антигипоксическую функцию.
Особую группу гликозамингликанов представляют соединения, имеющие в своем составе нейраминовые кислоты и производные углеводов. Соединения нейраминовой кислоты с уксусной называются опало выми кислотами. Они обнаружены в клеточных оболочках, слюне и других биологических жидкостях.
