Углеводы в живом организме

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Углеводы в живом организме

1.Функции и классификация углеводов

В количественном отношении углеводы представляют наиболее значительную группу среди природных органических веществ. В живых организмах они выполняют четыре вида функций:

являются источниками: энергии,

источники резервных веществ (крахмал, гликоген),

выполняют опорные функции (клетчатка, хитин),

выполняют специфические функции (мукополисахариды, входящие в состав слизей, компонентов крови).

В химическом отношении углеводы имеют сравнительно простую организацию и представляют собой многоатомные альдегидоспирты или кетоноспирты.

Все встречающиеся в природе углеводы делятся на три группы: моносахариды, олигосахариды, состоящие из нескольких простых сахаров (от 2 до 10), и полисахариды, образующие цепи из большого числа моносахаридных единиц.

2. Основные моносахариды и их производные

Моносахариды классифицируются по числу углеродных атомов в цепи. Сахар, состоящий из двух, трех, четырех, пяти, шести, семи углеродных атомов, соответственно называют биозой, триозой, тетрозой, пентозой, гексозой, гептозой. Окончание «оза» имеют и все моносахариды, включающие альдегидную группу, которые называются альдозами. Моносахариды, содержащие кетонную группу, имеют окончание «улоза». Наибольшее биологическое значение из пентоз имеют рибоза и дезоксирибоза - неотъемлемые составные части ДНК и РНК.

Из гексоз наиболее важны глюкоза, фруктоза, галактоза.

Отдельно следует рассмотреть изомерию моносахаридов, которая зависит от их строения и представлена следующими видами.

1. Структурная изомерия, которая обусловлена наличием различных функциональных групп, примером могут служить глюкоза и фруктоза.

2. Оптическая изомерия, при которой число изомеров (энантиомеров) зависит от количества асимметрических атомов углерода в молекуле и может быть рассчитано по формуле: общее число энантиомеров = 2", где п - число асимметрических центров. Очевидно, число энантиомеров очень велико, так, для глюкозы оно равно 2⁴ = 16. Принадлежность оптических изомеров к D- или L-ряду определяют по положению ОН-группы у атома углерода, наиболее отдаленного от карбонильной группы, и сравнивая конфигурацию моносахаридов с конфигурацией глицеринового альдегида в качестве стандарта.

В природе преобладают моносахариды с D-конфигурацией.

Кроме оптических изомеров, являющихся зеркальными отображениями, моносахариды существуют также в виде диастереомеров, то есть таких изомеров, которые отличаются конфигурацией только одного из асимметрических атомов, такие изомеры называются эпимерами, например, глюкоза и галактоза.

Наличие большого числа различных изомеров (структурных, оптических, пространственных), свойственное углеводам, связано с многообразием реакций и сложностью процессов, в которых принимают участие углеводы. Ферменты, катализирующие обмен углеводов, проявляют специфичность как в отношении их структуры, так и в отношении их изомерии. Так, ферменты специфически катализируют реакции с участием только D-изомеров глюкозы и ее б-аномеров.

Моносахариды часто претерпевают внутримолекулярную конденсацию карбонильной группы и ОН-группы у более отдаленного от функциональной группы атома углерода. При этом образуется циклический полуацеталь или полукеталь для альдоз и кетоз соответственно. На примере глюкозы эти структуры можно представить в следующем виде: в линейной формуле Фишера после перестановок заместителей у пятого атома углерода все находящиеся слева заместители окажутся над плоскостью кольца в циклической формуле Хеуорса, а находящиеся справа заместители - под плоскостью. В результате появляются так называемые б-аномеры (у С-1 ОН-группа находится под плоскостью) и (в-аномеры (у С-1 ОН-группа находится над плоскостью). Схема перехода от линейных проекций Фишера к циклическим структурам Хеуорса показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Образование циклических форм моносахаридов

При образовании циклической структуры углерод карбонильной группы превращается в новый хиральный центр, называемый аномерным углеродным атомом. При линейном изображении моносахаридов структуру с аномерной ОН-группой, расположенной справа от общей цепи атомов, называют б-аномером, а структуру с ОН-группой слева - в-аномером. Реакции образования аномеров обратимы, и аномеры взаимопревращаемы, но в биохимических реакциях участвует один из аномеров, например, б- D -глюкоза, но в-D-рибоза.

При замещении гидроксильной группы у второго углеродного атома на аминогруппу образуются аминосахара. Важнейшие и наиболее распространенные аминосахара - глюкозамин и галактозамин.

При восстановлении соответствующих моносахаридов образуются сахароспирты. Наиболее широко распространены сорбит, маннит, дульцит.

При окислении моносахаридов образуются сахарокислоты. Особенно важное значение имеют три типа кислот: альдоновые, у которых окислена карбонильная группа; уроновые, у которых окислена первичная спиртовая группа; и сахарные кислоты, у которых окислены первичная спиртовая и карбонильная группы.

В биохимическом отношении наиболее важны фосфоглюконовая кислота (эфир альдоновой кислоты), являющаяся промежуточным продуктом в процессе дыхания, и уроновые кислоты.

Глюкуроновая и галактуроновая кислоты широко распространены в растениях как компоненты слизей. D-глюкуроновая кислота в сочетании с фенолами или спиртами встречается в организмах животных и выполняет функцию противоядия против некоторых веществ, которые, соединяясь с глюкуроновой кислотой, выводятся из организма. Кроме того, уроновые кислоты принимают участие в образовании важных в биохимическом отношении полисахаридов.

3. Схема образования олигосахаридов. Сахароза, лактоза, мальтоза (строение и функции)

Олигосахариды состоят из относительно небольшого числа остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями, которые могут быть образованы в следствие замещения полуацетального гидроксила кетозы или альдозы с любым органическим радикалом. Если в реакции участвуют полуацетальные гидроксилы обоих моносахаридов, то образуется продукт, не обладающий восстанавливающими свойствами.

Невосстанавливающие дисахариды:

Восстанавливающие дисахариды:

Сахароза распространена в растениях (свекла, сахарный тростник), в больших количествах содержится в вакуолях клеток.

Мальтоза является продуктом гидролиза крахмала и основной структурной единицей крахмала. Лактоза найдена в составе молока млекопитающих и в пыльце цветков некоторых растений.

4. Строение и функции полисахаридов (крахмал, гликоген, целлюлоза, пектиновые вещества)

Полисахариды - сложные углеводы, представляющие собой полимеры моносахаридов. Степень полимеризации иногда достигает нескольких тысяч. Они могут быть построены из остатков одного и того же моносахарида или остатков разных моносахаридов. От простых сахаров они отличаются многими свойствами: в большинстве случаев они нерастворимы в воде, не обладают сладким вкусом. При растворении в химических реактивах полисахариды образуют коллоидные растворы, так как молекулы их очень велики. Существуют полисахариды, построенные из пентоз или гексоз. Наибольшее значение имеют полисахариды, построенные из гексоз.

В основу классификации полисахаридов положены их химические свойства. Полисахариды делятся также на гомополисахариды и гетерополисахариды. В зависимости от мономера выделяют глюканы, фруктаны и другие.

Гомополисахариды.

Глюканы. Крахмал - наиболее важный по пищевой ценности полисахарид. Он представляет собой запасное вещество растений, откладываемое в клетках корней, клубней и семян в виде характерных зерен, которые могут быть легко выделены после разрушения клеток.

Зерна крахмала нерастворимы в холодной воде и в присутствии йода окрашиваются в синий цвет. В большинстве случаев крахмал состоит из двух компонентов - амилозы и амилопектина, каждый из которых является полимером ?-D-глюкозы. Зерна крахмала покрыты амилопектином, который обычно разрушается в процессе приготовления пищи, после чего крахмал способен образовывать коллоидные растворы и становится доступным действию пищеварительных ферментов (амилаз). При кислотном и щелочном гидролизе крахмал расщепляется на ряд промежуточных продуктов - декстринов. Продукт полного гидролиза крахмала - глюкоза.

По современным данным, молекула амилозы имеет слабо разветвленную структуру, в основном ее рассматривают как прямую цепь, состоящую только из глюкозных остатков, связанных глюкозитными связями между первым и четвертым углеродными атомами. Благодаря 1-4-?-глюкозидным связям цепь амилозы стремится к закручиванию в спираль.

Амилопектин имеет большие молекулярный вес и степень полимеризации молекулы. Молекула с разветвленной структурой, каждая ее цепь значительно короче отдельных цепей амилозы. Для главной цепи характерны ?-1,4-связи, боковые цепи присоединяются ?-1,6-глюкозидными связями.

Соотношение амилозы и амилопектина в крахмале зависит от сорта растений и от того, из какого органа получен крахмал.

Рисунок 2 - Структура крахмала. а - амилоза с характерной для нее спиральной структурой, б - амилопектин.

Гликоген в тканях животных выполняет роль депо глюкозы, так же как и крахмал в растениях, являясь запасным полисахаридом. Он откладывается в основном в печени и мышцах, хотя в малых количествах встречается и в других клетках.

Накапливаемый гликоген откладывается в виде специфических зерен, хорошо растворимых в воде, но ввиду его большого молекулярного веса растворы носят коллоидный характер. С йодом дает окрашивание от фиолетово-бурого до винно-красного. Более яркое окрашивание свидетельствует о высшей степени разветвления и коротких линейных отрезках. По своему строению гликоген близок к амилопектину, но еще более разветвлен. Для гликогена характерна высокая ветвистость, более быстрый распад до глюкозы под влиянием ферментов. Поскольку действию разрушающего фермента подвергаются концы молекулы, то чем больше концов, тем интенсивнее идет разрушение, так же как и обратный процесс ресинтеза молекулы.

Рисунок 3 - Структура гликогена

Целлюлоза (клетчатка) - наиболее широко распространенный структурный полисахарид растительного мира. Он состоит из в-глюкопиранозных мономерных (D-глюкозы), соединенных между собой в-(1>4)-связями. При частичном гидролизе целлюлозы образуются целлодекстрины, дисахарид целлобиоза, а при полном гидролизе D-глюкоза. Молекулярная масса целлюлозы порядка 10⁶ Да. Клетчатка не переваривается ферментами пищеварительного тракта, т.к. набор этих ферментов у человека не содержит гидролаз, расщепляющих в-связи. Целлюлоза выполняет в организме функцию пищевых волокон.

Пектиновые вещества можно охарактеризовать как полимеры, состоящие, главным образом, из остатков галактуроновой кислоты, соединенных ?-1,4-гликозидными связями. Различают три основных класса пектиновых веществ: пектовые кислоты, пектиновые кислоты, протопектин.

Пектовая кислота - наиболее простой представитель веществ этого класса - состоит из остатков галактуроновой кислоты, связанной ?-1,4-связями в неразветвленную цепь:

Пектиновые кислоты можно рассматривать как производные пектовых кислот, у которых ряд свободных карбоксильных групп образуют эфиры с метиловым спиртом. Пектиновые кислоты образуют гели с сахаром и кислотами, их называют пектинами.

Протопектин представляет собой группу нерастворимых пектиновых веществ. Эти вещества легко расщепляются, поэтому состав их неизвестен.

Пектиновые вещества входят в состав клеточных стенок. Содержание их невелико, обычно менее 5%. Богатым их источником служат фрукты. Пектины образуют лиофильные коллоиды, которые удерживают воду и обеспечивают тургор растительных тканей. Пектины также образуют желеподобные вещества, поэтому широко используются в кондитерской промышленности и в фармацевтике. В растениях часто встречаются гомо- полисахариды, состоящие из пентоз, например из ксилозы, особенно в древесине, соломе, початках кукурузы, в оболочках зерен, в отрубях.

углевод олигосахарид гликоген

Литература

1. Казаков Е.Д., Биохимия зерна и хлебопродуктов. [Текст] / Е.Д. Казаков, Г.П. Карпиленко - СПб: ГИОРД, 2005.- 512 с.

2. Комов В.П., Биохимия. [Текст] /В,П. Комов. - СПб.: ГИОРД, 2004. - 465с

3. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3 т. М.: Мир, 1987. 980 с.

4. Луценко Н.Г. Начала биохимии: Кур лекций / РХТУ им. Менделеева Д.И. . - М.: МАЙК «Наука/Интерпериодика», 2002 - 125 с

5. Рис Э.., Введение в молекулярную биологию: от клеток к атомам: Пер. с англ. [Текст] / Э. Рис, М. Стернберг.- М.: Мир, 2002. - 142с.

6. Уайт А., Фендлер Ф., Смит Э., Хилл Р., Леман И. Основы биохимии. В 3 т. - М.: Мир, 1981.

7. Щербаков В.Г., Биохимия. [Текст] / В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов, Т.Н. Прудникова, А.Д. Минакова - СПб.: ГИОРД, 2003. - 440 с.

8. Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М.: НИИ биомед. химии РАМН, 1999. - 372 с

Размещено на Allbest.ru