В данной статье разбираем биоактивные вещества — углеводы. Углеводы служат энергетическим топливом для живых организмов. При сгорании 1 грамма данного вещества выделяются 4 ккал. Их делят на медленные и быстрые. Дадим более научное определение углеводам, определим их структуру, классификацию и значение.
Для начала необходимо дать определение углеводов.
Определение: Углеводы (сахара или сахариды) — биологически активные вещества, состоящие из атомов углерода, водорода и кислорода.
В их состав входят карбонильная группа (альдегидная или кето-группа) и множество гидроксильных группировок.
Отметим, что соотношение атомов водорода и кислорода ровно такое же, как и в молекуле воды. Почти во всех углеводах число атомов углерода равно числу атомов кислорода. Из этого выделим общую формулу сахаров: Сn(H2O)m. В данной формуле n больше трех.
Углеводы образуются в ходе фотосинтеза. Расходуются углеводы практически во всех живых организмах, вовлекаясь в метаболические реакции. Главная ценность углеводов — энергия.
Также необходимо добавить тот факт, что углеводы могут содержать посторонние элементы. В данном случае говориться о производных углеводных соединениях.
Поделим по сложности строение углеводы на моносахариды и полисахариды. Также существует промежуточная группа — дисахариды. Дадим им определения.
Определение: Моносахариды — группа простых углеводов-мономеров, состоящие из от трех до шести атомов углерода.
В зависимости от количества атомов углеводов моносахариды делятся еще на несколько групп:
В природных условиях чаще встречаются пентозы (рибоза, дезоксирибоза) и гексозы (фруктоза, глюкоза). В водном растворе моносахариды сворачиваются в кольцевую форму — циклическую форму, формулы Хеуорса.
Определение: Дисахариды — группа составных сахаров из двух моносахаридов.
Самый известный пример — сахароза. Из нее состоит весь сахар. Сахароза состоит из двух моносахаридов: глюкозы и фруктозы.
Определение: Полисахариды — группа составных сахаров из трех и более моносахаридов. В данной группе не принято говорить о малых количествах звеньев.
Цепи полисахаридов содержат сотни и тысячи элементов. Приведем пару примеров и разберем их.
Определение: Крахмал — растительный углевод, которые запасается в растениях. Он состоит из двух крупных цепей: амилозы и амилопектина. Каждая цепь состоит из элементов — кольцевых структур глюкоз.
Амилопектин представляет собой разветвленную полисахаридную цепочку. Амилоза представлена ровной неразветвленной полисахаридной цепью, которая окружает амилопектин в виде спирали.
Отметим способность крахмала вступать в реакцию с йодом. Йод вклинивается в структуру амилозы и окрашивает углевод в сине-фиолетовый цвет. Данная реакция используется в практике на обнаружение крахмала и определения его количества в продуктах.
Гликоген — животный углевод, которые запасается у животных. Он представлен достаточно большой углеводной цепочкой с многочисленными разветвлениями. Он может содержать около 30 000 звеньев моносахаридов.
Определимся с названиями углеводов. Рассмотрим прямолинейную структуру, не собранную в кольцо. Необходимо учитывать положение гидроксильных группировок относительно углеродной цепи. Так можно поделить углеводы на D-изомеры и L-изомеры.
Приведем пример. В D-глюкозе три гидроксильной группировки располагаются справа, а одна слева. В L-глюкозе все с точностью наоборот. Природными считаются варианты D-моносахаридов.
Рассмотрим циклическую структуру углеводов. Необходимо учесть положение группы у последнего атома углерода. Так выделяют α-сахариды и β-сахариды. В α-сахаридах гидроксильная группировка расположена снизу, а у β-сахаридов сверху. Дальше учитывают конфигурацию цикла: пятиугольная (фураноза) или шестиугольная (пираноза). Остается сложить все вместе и получить полное название. Приводим примеры с глюкозой: α-глюкопираноза и β-глюкопираноза.
Перечислим основные функции углеводов:
Разберемся с основным биологическим значением углеводов — энергетическим. Сахариды становятся выгодными источниками энергии в силу достаточного количества в окружающем мире и постоянного синтеза в растениях, животных.
Моносахариды расщепляются сразу при попадании в организм. Основной моносахарид продуктов — глюкоза. При ее первом этапе ее окисления вырабатываются 2 молекулы АТФ, а на втором (окислительном фосфолировании) — 36 молекул АТФ. Процесс расщепления моносахаридов не занимает много времени.
Избыточные моносахариды отправляются в резервные запасы организма в виде полисахаридов. Так в печени, мышцах и других органах откладывается гликоген. Именно благодаря ему растут мышцы после тренировок. Накопленные запасы затем расходуются на физическую активность и рутинную деятельность.
Таким образом в организме происходит два противоположных процесса: сборка и разборка полимерных сахаров. А также процесс расщепления моносахаридов с выделением энергии.
Остается вопрос об источниках сахаров. Основной источник углеводов в рационе человека — растения. Растительные продукты представлены в основном углеводами. Они образуются в ходе фотосинтеза и откладываются в виде крахмала и целлюлозы. Продукты с большим количеством крахмала — морковь, картофель, свекла.
Подведем небольшой итог. Сахариды являются быстрыми, удобными источниками энергии в больших количествах в окружающем мире.
Разберем структуру еще двух полисахаридов, не входящих в состав организма человека.
Определение: Целлюлоза — линейный полисахарид, состоящий из остатков β-глюкопираноз.
Преимущественно она содержится в клеточных стенках растительных клеток. Целлюлоза является пищей для бактерий, грибов и животных. Большое количество целлюлозы содержится в древесине.
Человеческий желудок не способен переваривать данный сахарид. Жвачные животные способны вырабатывать особый фермент, который расщепляет целлюлозу. Но целлюлоза используется человеком для изготовления бумаги, картона и деревянных изделий.
Определение: Хитин — линейный полисахарид, образованный остатками 2-ацетамидо-2-дезокси-β-D-глюкопиранозы.
Одна гидроксильная группа замещается на сложное соединение, указанное в начале названия остатка.
Хитин содержится в скелете членистоногих преимущественно насекомых. Он ограничивает рост животных, поэтому они периодически сбрасывают экзоскелет, давая развиваться новому. Хитин очень жесткий и прочный. Он не позволяет разбиться насекомым при падении с высокой высоты.
В организме человека хитин не содержится. Зато он находит применение в лечении ряда аллергических и раковых заболеваний.
