В живой природе широко распространены многие вещества, значение которых сложно переоценить. К примеру, к таковым относятся углеводы. Они чрезвычайно важны в качестве источника энергии для животных и человека, а некоторые свойства углеводов делают их незаменимым сырьем для промышленности.

Что это такое?

Краткие сведения о химическом строении

Если посмотреть на линейную формулу, то в составе этого углевода хорошо заметна одна альдегидная и пять гидроксильных групп. Когда вещество находится в кристаллическом состоянии, то молекулы его могут находиться в одной из двух возможных форм (α- или β-глюкоза). Дело в том, что гидроксильная группа, сцепленная с пятым атомом углерода, может вступать во взаимодействие с карбонильным остатком.

Распространенность в природных условиях

Так как ее исключительно много в виноградном соке, глюкозу нередко называют «виноградным сахаром». Под таким именем ее знали еще наши далекие предки. Впрочем, отыскать ее можно в любом другом сладком овоще или фрукте, в мягких тканях растения. В животном мире ее распространенность ничуть не ниже: приблизительно 0,1% нашей крови - это именно глюкоза. Кроме того, найти можно эти углеводы в клетке практически любого внутреннего органа. Но особенно их много в печени, так как именно там осуществляется переработка глюкозы в гликоген.

Она (как мы уже и говорили) является ценным источником энергии для нашего организма, входит в состав практически всех сложных углеводов. Как и прочие простые углеводы, в природе она возникает после реакции фотосинтеза, которая протекает исключительно в клетках растительных организмов:

6СО 2 + 6Н 2 О хлорофилл С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 - Q

Растения при этом выполняют невероятно важную для биосферы функцию, аккумулируя энергию, которая получается ими от солнца. Что касается промышленных условий, то издревле получали из крахмала, производя его гидролиз, причем катализатором реакции является концентрированная серная кислота:

(С 6 Н 10 О 5)n + nH 2 О H 2 SO 4 , t nC 6 H 12 О 6

Химические свойства

Каковы химические свойства углеводов этого вида? Обладают все теми же характеристиками, которые свойственны сугубо спиртам и альдегидам. Кроме того, имеются у них и некоторые специфические особенности. Впервые синтез простых углеводов (в том числе и глюкозы) был произведен талантливейшим химиком А. М. Бутлеровым в 1861 году, причем в качестве сырья он использовал формальдегид, расщепляя его в присутствии гидроксида кальция. Вот формула этого процесса:

6НСОН ------->С6Н 12 О 6

А сейчас рассмотрим некоторые свойства двух других представителей группы, природное значение которых не менее велико, а потому их изучает биология. Углеводы этих видов играют в нашей повседневной жизни весьма важную роль.

Фруктоза

Формула этого глюкозного изомера - СеН 12 О б. Наподобие «прародителя» может существовать в линейной и циклической форме. Вступает во все реакции, которые характерны для многоатомных спиртов, но, тем самым отличаясь от глюкозы, никак не взаимодействует с аммиачным раствором оксида серебра.

Рибоза

Чрезвычайно большой интерес представляет рибоза и дезоксирибоза. Если вы хоть немного помните программу биологии, то и сами прекрасно знаете о том, что именно эти углеводы в организме входят в состав ДНК и РНК, без которых само существование жизни на планете невозможно. Название «дезоксирибоза» означает, что в ее молекуле на один атом кислорода меньше (если ее сравнивать с обычной рибозой). Будучи сходными в этом отношении с глюкозой, также могут иметь линейное и циклическое строение.

Дисахариды

В принципе, эти вещества по своему строению и функциям во многом повторяют предыдущий класс, а потому нет смысла останавливаться на этом более подробно. Каковы химические свойства углеводов, относящихся к этой группе? Важнейшими представителями семейства являются сахароза, мальтоза и лактоза. Все они могут быть описаны формулой С 12 Н 22 О 11 , так как являются изомерами, но это не отменяет огромных различий в их строении. Так чем характерны сложные углеводы, список и описание которых вы можете увидеть ниже?

Сахароза

Ее молекула имеет в своем составе сразу два цикла: один из них является шестичленным (остаток α-глюкозы), а другой - пятичленный (остаток β-фруктозы). Соединяется все эта конструкция за счет гликозидного гидроксила глюкозы.

Получение и общее значение

Согласно сохранившимся историческим сведениям, еще за три века до Рождества Христова сахар из научились получать в Древней Индии. Только в середине 19-го века оказалось, что куда больше сахарозы с меньшими для этого усилиями можно добыть из сахарной свеклы. В некоторых ее сортах содержится до 22% этого углевода, тогда как в тростнике содержание может быть в пределах 26%, но такое возможно только при идеальных условиях выращивания и благоприятном климате.

Мы уже говорили, что углеводы хорошо растворяются в воде. Именно на этом принципе основано получение сахарозы, когда для этой цели используют аппараты-диффузоры. Чтобы осадить возможные примеси, раствор фильтруют через фильтры, в состав которых входит известь. Чтобы удалить из полученного раствора гидроксид кальция, через него пропускают обычный углекислый газ. Осадок отфильтровывают, а сахарный сироп упаривают в специальных печах, получая на выходе уже знакомый нам сахар.

Лактоза

Этот углевод в промышленных условиях выделяется из обычного молока, в котором в избытке содержатся жиры и углеводы. В нем этого вещества содержится довольно много: так, коровье молоко содержит приблизительно 4-5,5% лактозы, а в молоке женщин ее объемная доля доходит до 5,5-8,4%.

Каждая молекула этого глицида состоит из остатков 3-галактозы и а-глюкозы в пиранозной форме, которые образуют связи посредством первого и четвертого атома углерода.

В отличие от других сахаров, у лактозы есть одно исключительное свойство. Речь идет о полном отсутствии гигроскопичности, так что даже во влажном помещении этот глицид совершенно не отсыревает. Это свойство активно используется в фармацевтике: если в состав какого-то лекарства в порошкообразной форме входит обычная сахароза, то к ней обязательно добавляют лактозу. Она совершенно натуральная и безвредна для человеческого организма, в отличие от многих искусственных добавках, которые препятствуют слеживанию и намоканию. Каковы функции и свойства углеводов этого типа?

Биологическое значение лактозы чрезвычайно велико, так как лактоза является важнейшим питательным компонентом молока всех животных и человека. Что же касается мальтозы, то ее свойства несколько отличны.

Мальтоза

Является промежуточным продуктом, который получается при гидролизе крахмала. Название «мальтоза» получил из-за того что образуется во многом под влиянием солода (по-латински солод - maltum). Широко распространен не только в растительных, но и в животных организмах. В больших количествах образуется в пищеварительном тракте жвачных животных.

и свойства

Молекула этого углевода состоит из двух частей α-глюкозы в пиранозной форме, которые соединены между собой посредством первого и четвертого атомов углерода. На вид представляет собой бесцветные, белые кристаллы. На вкус - сладковатая, прекрасно растворяется в воде.

Полисахариды

Следует помнить, что все полисахариды можно рассматривать с той точки зрения, что они представляют собой продукты поликонденсации моносахаридов. Их общая химическая формула - (С б Н 10 О 5)п. В рамках данной статьи мы рассмотрим крахмал, так как он является наиболее типичным представителем семейства.

Крахмал

Образуется в результате фотосинтеза, в больших количествах откладывается в корнях и семенах растительных организмов. Каковы физические свойства углеводов этого вида? На вид представляет собой белый порошок с плохо выраженной кристалличностью, нерастворимый в холодной воде. В горячей жидкости образует коллоидную структуру (клейстер, кисель). В пищеварительном тракте животных имеется много ферментов, которые способствуют его гидролизу с образованием глюкозы.

Является наиболее распространенным который образован из множества остатков а-глюкозы. В природе одновременно встречаются две его формы: амилоза и амшопектин. Амилоза, будучи линейным полимером, может быть растворена в воде. Молекула состоит из остатков альфа-глюкозы, которые связаны через первый и четвертый атом углерода.

Нужно помнить, что именно крахмал является первым видимым продуктом фотосинтеза растений. В пшенице и других злаковых его содержится до 60-80%, тогда как в клубнях картофеля - всего 15-20%. К слову говоря, по виду крахмальных зерен под микроскопом можно безошибочно определить видовую принадлежность растения, так как они у всех разные.

Если нагреть, его огромная молекула будет быстро разлагаться с образованием мелких полисахаридов, которые известны под названием декстринов. У них с крахмалом одна общая химическая формула (С 6 Н 12 О 5)х, но имеется разница в значении переменной «х», которое меньше значения «n» в крахмале.

Напоследок приведем таблицу, в которой отражены не только основные классы углеводов, но и их свойства.

Основные группы	Особенности молекулярного строения	Отличительные свойства углеводов
Моносахариды	Различаются по числу атомов углерода: Триозы (С3) Тетрозы (С4) Пентозы (С5) Гексозы (С6)	Бесцветные или белые кристаллы, отлично растворяются в воде, сладкие на вкус
Олигосахариды	Сложное строение. В зависимости от вида, содержат 2-10 остатков простых моносахаридов	Внешний вид тот же, чуть хуже растворяются в воде, менее сладкий вкус
Полисахариды	Состоят из очень большого количества остатков моносахаридов	Белый порошок, кристаллическая структура выражена слабо, в воде не растворяются, но имеют свойство в ней разбухать. На вкус нейтральные

Вот каковы функции и свойства углеводов основных классов.

Углеводы – главный источник энергии в организме человека.

Общая формула углеводов Сn(H2O)m

Углеводы - вещества состава См Н2п Оп, имеющие первостепенное биохимическое значение, широко распространены в живой природе и играют большую роль в жизни человека. Углеводы входят в состав клеток и тканей всех растительных и животных организмов и по массе составляют основную часть органического вещества на Земле. На долю углеводов приходится около 80 % сухого вещества растений и около 20 % животных. Растения синтезируют углеводы из неорганических соединений - углекислого газа и воды (СО2 и Н2 О).

Запасы углеводов в виде гликогена в организме человека составляют примерно 500 г. Основная масса его (2/3) находится в мышцах, 1/3 – в печени. В промежутках между приемами пищи гликоген распадается на молекулы глюкозы, что смягчает колебания уровня сахара в крови. Запасы гликогена без поступления углеводов истощаются примерно за 12-18 часов. В этом случае включается механизм образования углеводов из промежуточных продуктов обмена белков. Это обусловлено тем, что углеводы жизненно необходимы для образования энергии в тканях, особенно мозга. Клетки мозга получают энергию преимущественно за счет окисления глюкозы.

Виды углеводов

Углеводы по своей химической структуре можно разделить на простые углеводы (моносахариды и дисахариды) и сложные углеводы (полисахариды).

Простые углеводы (сахара)

Глюкоза – наиболее важный из всех моносахаридов, так как она является структурной единицей большинства пищевых ди- и полисахаридов. 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 является одним из самых распространенных углеводов фруктов. 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 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 в продуктах в свободном виде не встречается. Она образует дисахарид с глюкозой – лактозу (молочный сахар) – основной углевод молока и молочных продуктов.

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.

Сахароза - это дисахарид, образованный молекулами глюкозы и фруктозы. Содержание сахарозы в сахаре 99,5%. То, что сахар – это «белая смерть», любители сладкого знают так же хорошо, как курильщики то, что капля никотина убивает лошадь. К сожалению, обе эти прописные истины чаще служат поводом для шуток, чем для серьезных размышлений и практических выводов.

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.

При соединении двух молекул глюкозы образуется мальтоза - солодовый сахар. Ее содержат мед, солод, пиво, патока и хлебобулочные и кондитерские изделия, изготовленные с добавлением патоки.

Сложные углеводы

Все полисахариды, представленные в пище человека, за редкими исключениями, являются полимерами глюкозы.

Крахмал – основной из перевариваемых полисахаридов. На его долю приходится до 80% потребляемых с пищей углеводов.

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. По этой причине сухие горох, фасоль, чечевицу, нут относят к зернобобовым. Особняком стоят соя, которая содержит только 3,5% крахмала, и соевая мука (10-15,5%). По причине высокого содержания крахмала в картофеле (15-18%) в диетологии его относят не к овощам, где основные углеводы представлены моносахариды и дисахаридами, а к крахмалистым продуктам наравне со злаковыми и зернобобовыми.

В топинамбуре и некоторых других растениях углеводы запасаются в виде полимера фруктозы - инулина. Пищевые продукты с добавкой инулина рекомендуют при диабете и особенно – для его профилактики (напомним, что фруктоза дает меньшую нагрузку на поджелудочную железу, чем другие сахара).

Гликоген - «животный крахмал» - состоит из сильно разветвленных цепочек молекул глюкозы. Он в небольших количествах содержится в животных продуктах (в печени 2-10%, в мышечной ткани – 0,3-1%).

Продукты с высоким содержанием углеводов

Наиболее распространенными углеводами являются глюкоза, фруктоза и сахароза, входящие в состав овощей, фруктов и меда. Лактоза входит в состав молока. Сахар-рафинад представляет собой соединение фруктозы и глюкозы.

Глюкоза играет центральную роль в процессе обмена веществ. Она является поставщиком энергии для таких органов, как головной мозг, почки, и способствует выработке красных кровяных телец.

Человеческий организм не в состоянии делать слишком большие запасы глюкозы и потому нуждается в ее регулярном пополнении. Но это не значит, что нужно есть глюкозу в чистом виде. Гораздо полезнее употреблять ее в составе более сложных углеводных соединений, например, крахмала, который содержится в овощах, фруктах, зерновых. Все эти продукты, кроме того, являются настоящим кладезем витаминов, клетчатки, микроэлементов и других полезных веществ, помогающих организму бороться со многими болезнями. Полисахариды должны составлять большую часть всех поступающих в наш организм углеводов.

Важнейшие источники углеводов

Главными источниками углеводов из пищи являются: хлеб, картофель, макароны, крупы, сладости. Чистым углеводом является сахар. Мёд, в зависимости от своего происхождения, содержит 70-80 % глюкозы и фруктозы.

Для обозначения количества углеводов в пище используется специальная хлебная единица.

К углеводной группе, кроме того, примыкают и плохо перевариваемые человеческим организмом клетчатка и пектины.

Углеводы применяют в качестве:

Лекарственных средств,

Для производства бездымного пороха (пироксилина),

Взрывчатых веществ,

Искусственных волокон (вискоза).

Огромное значение имеет целлюлоза как источник для получения этилового спирта

1.Энергетическая

Основная функция углеводов заключается в том, что они являются непременным компонентом рациона человека, при расщеплении 1г углеводов освобождается 17,8 кДж энергии.

2. Структурная.

Клеточная стенка растений состоит из полисахарида целлюлозы.

3. Запасающая.

Крахмал и гликоген являются запасными продуктами у растений и животных

Историческая справка

· Углеводы используются с глубокой древности - самым первым углеводом (точнее смесью углеводов), с которой познакомился человек, был мёд.

· Родиной сахарного тростника является северо-западная Индия-Бенгалия. Европейцы познакомились с тростниковым сахаром благодаря походам Александра Македонского в 327 г. до н.э.

· Крахмал был известен ещё древним грекам.

· Свекловичный сахар в чистом виде был открыт лишь в 1747 г. немецким химиком А. Маргграфом

· В 1811 г. русский химик Кирхгоф впервые получил глюкозу гидролизом крахмала

· Впервые правильную эмпирическую формулу глюкозы предложил шведский химик Я. Берцеллиус в 1837 г. С6Н12О6

· Синтез углеводов из формальдегида в присутствии Са(ОН)2 был произведён А.М. Бутлеровым в 1861 г.

Заключение

Значение углеводов трудно переоценить. Глюкоза является основным энергетическим источником в организме человека, идет на построение многих важных веществ в организме – гликогена (энергетический резерв), входит в состав клеточных мембран, ферментов, гликопротеидов, гликолипидов, участвует в большинстве реакций, происходящих в организме человека. В то же время именно сахароза является основным источником глюкозы, который поступает во внутреннюю среду. Содержащая практически во всех растительных продуктах питания, сахароза обеспечивает необходимый приток энергетического и незаменимого вещества – глюкозы.

Организму обязательно нужны углеводы (свыше 56% энергии мы получаем за счет углеводов)

Углеводы бывают простые и сложные(из-за строения молекул их так назвали)

Минимальное количество углеводов должно быть не меньше 50-60 г

Углеводы - самые распространенные в природе органические соединения. Они встречаются в свободной и связанной формах в любой растительной, животной и бактериальной клетке. Они состоят из углерода, водорода и кислорода в следующем соотношении - на один атом углерода приходится одна молекула воды. Углеводы, как правило, образуются в зеленых растениях в ходе фотосинтеза.

Все углеводы делят на три группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды содержат 3-9 атомов углерода и к ним относятся такие вещества как глюкоза, фруктоза, галлактоза, рибоза.

Глюкоза (виноградный сахар) - в свободном виде содержится в ягодах и фруктах, из глюкозы состоят крахмал, гликоген и др., она является составной частью сахарозы, лактозы.

Фруктоза (плодовый сахар) - содержится в чистом виде в пчелином меде, винограде, яблоках, так же является составной частью сахарозы.

Олигосахариды - молекулы содержат от 2 до 10 остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями. К олигосахаридам относят сахарозу, мальтозу, лактозу, раффинозу и др. Сахароза представляет собой обычный пищевой сахар, мальтоза содержится только в молоке.

Полисахариды - к ним относят крахмал, гликоген, клетчатка и др.

Крахмал - наиболее распространенный углевод. Различают клубневый (картофель, батат) и зерновой (кукуруза, рис) крахмал. Он откладывается в клетках растений в виде зерен, из которых он легко выделяется механическим воздействием и при промывании водой. Крахмал состоит из двух фракций: амилоза (18-25 %) и амилопектин (75-82 %). В ходе технологической обработки под действием влаги и тепла крахмал способен адсорбировать влагу, набухать, клейстеризоваться, подвергаться деструкции.

Гликоген - углевод животного происхождения, накапливается в печени (около 10 %) и в мышцах (0.3-1 %) как запасной источник энергии. При его расщеплении образуются глюкоза, которая поступает в кровь и доставляется ко всем тканям организма.

Клетчатка - основной материал клеточных стенок растений. Ферменты желудочно-кишечного тракта человека не расщепляют клетчатку, и она относится к пищевым волокнам.

Пектиновые вещества - группа высокомолекулярных полисахаридов, входящих в состав клеточных стенок. Они содержаться в плодах, овощах в виде нерастворимого в холодной воде протопектина и растворимого пектина. Переход нерастворимых форм в растворимые происходит в процессе тепловой обработки. Пектиновые вещества способны образовывать гели в присутствии кислоты и сахара. Пектиновые вещества не усваиваются организмом, но играют в физиологии питания человека и технологии более активную роль, чем клетчатка. Они образуют комплексные соединения с тяжелыми металлами, выводя их из организма, и являются важным профилактическим средством для профилактики различных заболеваний.

Около 52-66% углеводов поступает с зерновыми продуктами, 14-26% с сахарами и сахаропродуктами, 8-10% с клубне-корнеплодами и 5-7% с овощами и фруктами. Количество углеводов в мясе и мясопродуктах сравнительно не велико и составляет около 1-1.5 %. Роль их в мясе определяется участием в биохимических процессах созревания мяса (изменение рН), формирования вкуса и аромата, изменения консистенции.

Углеводы выполняют следующие функции:

являются источниками энергии;

регуляторная (противостоят образованию кетоновых веществ при окислении жиров);

защитная (глюкуроновая кислота соединяясь с токсичными веществами, образует нетоксичные сложные эфиры, которые выводятся из организма);

участвуют в формировании органолептических характеристик продукта.

Среди углеводов есть представители, которые не усваиваются организмом, но выполняют важную физиологическую функцию, которые называются пищевые волокна. Благодаря специфическим функциональным свойствам они активно участвуют в регуляции биохимических процессов органов пищеварения (стимулируют моторную функцию кишечника, препятствуют всасыванию холестерина) и выведения из организма токсических веществ поступающих с водой, пищей и воздухом. Пищевые волокна являются профилактическими веществами таких заболеваний как сахарный диабет, ожирение, ишемическая болезнь сердца.

Углеводы при хранении пищевого сырья, его переработке претерпевают различные изменения, которые зависят от вида углеводов, условий процесса (влажность, температура, рН) и наличия ферментов. Важными превращениями углеводов являются: кислотный и ферментативный гидролиз ди- и полисахаридов, брожение, реакции меланоидинообразования и карамелизации.

Углеводы наряду с белками и липидами являются важнейшими химическими соединениями живых организмов. В организме животных и человека углеводы выполняют весьма важные функции: прежде всего энергетическую (главный вид клеточного топлива), структурную (обязательный компонент большинства внутриклеточных структур), защитную (велико значение полисахаридов в поддержании иммунитета).

Углеводы также используются для синтеза нуклеиновых кислот (рибоза, дезоксирибоза), они являются составными компонентами нуклеотидных коферментов, играющих исключительно важную роль в метаболизме живых существ. В последнее время все большее внимание стали привлекать сложные смешанные биополимеры, содержащие углеводы. К таким смешанным биополимерам относятся, помимо нуклеиновых кислот, гликопептиды и гликопротеиды, гликолипиды и липополисахариды, гликолипопротеиды и т. д. Эти вещества выполняют сложные и важные функции в организме.

В составе тела человека и животных углеводы присутствуют в меньшем количестве (не более 2% от сухой массы тела), чем белки и липиды. В растительных организмах на долю углеводов приходится до 80% сухой массы, поэтому в целом в биосфере углеводов больше, чем всех других органических соединений, вместе взятых.

Впервые термин "углеводы" был предложен профессором Дерптского (ныне Тартуского) университета К. Шмидтом в 1844 г. В то время предполагали, что все углеводы имеют общую формулу C m (Н 2 O) n , т.е. углерод + вода. Отсюда и название "углеводы". Например, глюкоза и фруктоза имеют формулу С 6 (Н 2 О) 6 , тростниковый сахар (сахароза) - С 12 (Н 2 О) 11 , крахмал - [С 6 (Н 2 О) 5 ] n и т. д. В дальнейшем же оказалось, что ряд соединений, принадлежащих по своим свойствам к классу углеводов, содержат водород и кислород в несколько иной пропорции, чем указано в общей формуле (например, дезоксирибоза - С 5 Н 10 О 4 . В 1927 г. Международная комиссия по реформе химической номенклатуры предложила термин "углеводы" заменить термином "глициды", однако он не получил широкого распространения. Старое название "углеводы" укоренилось и прочно удерживается в науке, являясь общепризнанным.

Необходимо отметить, что химия углеводов занимает одно из ведущих мест в истории развития органической химии. Тростниковый сахар можно считать первым органическим соединением, выделенным в химически чистом виде. Произведенный в 1861 г. А. М. Бутлеровым синтез (вне организма) углеводов из формальдегида явился первым синтезом одного из трех основных веществ (белки, липиды, углеводы), входящих в состав живых организмов. Химическая структура простейших сахаров была выяснена в конце XIX века в результате фундаментальных исследований немецких ученых Г. Клиани и Э. Фишера. Значительный вклад в изучение сахаров внесли отечественные ученые А. А. Колли, П. П. Шорыгин и др. В 20-е годы нынешнего столетия работами английского исследователя У. Хеуорса были заложены основы структурной химии полисахаридов. Со второй половины XX века происходит стремительное развитие химии и биохимии углеводов, обусловленное их важным биологическим значением.

Согласно принятой в настоящее время классификации, углеводы подразделяются на три основные группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды можно рассматривать как производные многоатомных спиртов, содержащие карбонильную (альдегидную или кетонную) группу. Если карбонильная группа находится в конце цепи, то моносахарид представляет собой альдегид и называется альдозой; при любом другом положении этой группы моносахарид является кетоном и называется кетозой.

Простейшими представителями моносахаридов являются триозы: глицеральдегид и дигидроксиацетон. При окислении первичной спиртовой группы трехатомного спирта - глицерина - образуется глицеральдегид (альдоза), а окисление вторичной спиртовой группы приводит к образованию дигидроксиацетона (кетоза):

Стереоизомерия моносахаридов . Все моносахариды содержат один или более асимметричных атомов углерода: альдотриозы - 1 центр асимметрии, альдотетрозы - 2, альдопентозы - 3, альдогексозы - 4 и т. д. Кетозы содержат на один асимметричный атом меньше, чем альдозы с тем же числом углеродных атомов. Следовательно, кетотриоза - дигидроксиацетон - не содержит асимметричных атомов углерода. Все же остальные моносахариды могут существовать в виде различных стереоизомеров. Для обозначения стереоизомеров удобны проекционные формулы, предложенные Э. Фишером. Для получения проекционной формулы углеродную цепь моносахарида располагают по вертикали с альдегидной (или кетонной) группой в верхней части цепи, а сама цепь должна иметь форму полукольца, обращенного выпуклостью к наблюдателю (рис. 79).

Общее число стереоизомеров для любого моносахарида выражается формулой: N = 2 n , где N - число стереоизомеров, а n - число асимметричных атомов углерода. Как уже отмечалось, глицеральдегид содержит только один асимметричный атом углерода и поэтому может существовать в виде двух различных стереоизомеров.

Тот изомер глицеральдегида, у которого при проекции модели на плоскость ОН-группа у асимметричного атома углерода расположена с правой стороны, принято считать D-глицеральдегидом, а зеркальное отражение - L-глицеральдегидом:

Альдогексозы содержат четыре асимметричных атома углерода и могут существовать в виде 2 4 = 16 стереоизомеров, представителем которых, например, является глюкоза. Для альдопентоз и альдотетроз число стереоизомеров равно 2 3 = 8 и 2 2 = 4 соответственно.

Все изомеры моносахаридов подразделяются на D- и L-формы (D- и L-конфигурация) по сходству расположения атомных групп у последнего центра асимметрии с расположением групп у D- и L-глицеральдегида. Природные гексозы - глюкоза, фруктоза, манноза и галактоза, принадлежат, как правило, по стереохимической конфигурации к соединениям D-ряда.

Известно также, что природные моносахариды обладают оптической активностью. Способность вращать плоскость поляризованного луча света - одна из важнейших особенностей веществ (в том числе моносахаридов), молекулы которых имеют асимметричный атом углерода или же асимметричны в целом. Свойство вращать плоскость поляризованного луча вправо обозначают знаком (+), а в противоположную сторону - знаком (-). Так, D-глицеральдегид вращает плоскость поляризованного луча вправо, т. е. D-глицеральдегид является D(+)-альдотриозой, а L-глицеральдегид - L(-)-альдотриозой. Однако следует помнить, что направление угла вращения поляризованного луча, которое определяется асимметрией молекулы в целом, заранее не предсказуемо. Моносахариды, относящиеся по стереохимической конфигурации к D-ряду, могут быть левовращающими. Так, обычная форма глюкозы, встречающаяся в природе, является правовращающей, а обычная форма фруктозы - левовращающей.

Циклические (полуацетальные) формы моносахаридов (формулы Толленса). Любой из моносахаридов, обладая рядом конкретных физических свойств (температура плавления, растворимость и т. д.), характеризуется специфической величиной удельного вращения [α] 20 D . Установлено, что величина удельного вращения при растворении любого моносахарида постепенно меняется и лишь при длительном стоянии раствора достигает вполне определенного значения. Так, например, свежеприготовленный раствор глюкозы имеет [α] 20 D = + 112,2°, которое после длительного стояния достигает равновесного значения [α] 20 D = + 52,5°. Изменение удельного вращения растворов моносахаридов при стоянии (во времени) называется мутаротацией. Очевидно, мутаротация должна вызываться изменением асимметрии молекулы, а следовательно, трансформацией ее структуры в растворе.

Явление мутаротации имеет следующее объяснение. Известно, что альдегиды и кетоны легко и обратимо реагируют с эквимолярным количеством спирта с образованием полуацеталей:

Реакция образования полуацеталя может осуществляться и в пределах одной молекулы, если это не связано с пространственными ограничениями. По теории Байера, внутримолекулярное взаимодействие спиртовой и карбонильной групп наиболее благоприятно, если оно приводит к образованию пяти- или шестичленных циклов. При образовании полуацеталей возникает новый асимметричный центр (в случае D-глюкозы - это C 1). Шестичленные кольца сахаров называют пиранозами, а пятичленные - фуранозами. α-Форма - это та, у которой расположение полуацетального гидроксила такое же, как гидроксила (свободного или участвующего в образовании оксидного кольца) у асимметричного углеродного атома, определяющего принадлежность к D- или L-ряду. Иными словами, в формулах с α-модификацией моносахаридов D-ряда полуацетальный гидроксил пишут справа, а в формулах представителей L-ряда - слева. При написании β-формы поступают наоборот.

Часто α- и β-формы называют анамерами (от греч. ана - вверх, кверху от), так как при обычном вертикальном изображении формул альдоз эти формы отличаются конфигурациями у первого углеродного атома.

Таким образом, явление мутаротации связано с тем, что каждый твердый препарат сахара представляет собой какую-либо одну циклическую (полуацетальную) форму, но при растворении и стоянии растворов эта форма через альдегидную превращается в другие таутомерные циклические формы до достижения состояния равновесия. При этом удельное вращение, характерное для исходной циклической формы, постепенно меняется, и, наконец, устанавливается постоянное удельное вращение, характерное для равновесной смеси таутомеров. Например, установлено, что в водных растворах глюкоза находится главным образом в виде α- и β-глюкопираноз, в меньшей степени α- и β-глюкофураноз и совсем небольшое количество - в виде альдегидной формы. При этом следует подчеркнуть, что из различных таутомерных форм глюкозы в свободном состоянии известны лишь α- и β-пиранозы. Существование малых количеств фураноз и альдегидной формы в растворах доказано, но в свободном состоянии они не могли быть выделены вследствие неустойчивости. Ниже приведены таутомерные циклические формы D-глюкозы [показать]

Проекционные формулы Хеуорса

В 20-х годах XX столетия Хеуорс предложил более совершенный способ написания структурных формул углеводов. В отличие от формул Толленса, имеющих контур прямоугольников, формулы Хеуорса - шести- или пятиугольники, причем они изображены в перспективе: кольцо лежит в горизонтальной плоскости. Находящиеся ближе к читателю связи изображают более жирными линиями (углеродные атомы цикла не пишут). Заместители, расположенные справа от остова молекулы при ее линейном изображении, помещают ниже плоскости кольца, а заместители, находящиеся слева, занимают положение выше плоскости кольца. Обратное правило применяют только для того единственного углеродного атома, гидроксильная группа которого участвует в образовании циклического полуацеталя. Так, у D-сахаров группу СН 2 ОН пишут в верхнем положении, а водородный атом при том же углеродном атоме - внизу. Наконец, следует помнить, что при написании структурных формул по Хеуорсу гидроксильная группа при С 1 будет расположена ниже плоскости кольца в α-форме и выше в β-форме [показать]

Конформации моносахаридов . Проекционные формулы Хеуорса не отражают подлинной конформации моносахаридов. Работами Ривса, а затем и многих других авторов показано, что, подобно циклогексану, пиранозное кольцо может принимать две конфигурации - форму кресла и форму лодки. Конфигурация формы кресла обычно более устойчива, и, по-видимому, именно она преобладает в большей части природных сахаров (рис. 80).

Основные реакции моносахаридов,
продукты реакций и их свойства

• Реакции полуацетального гидроксила . Как уже отмечалось, моносахариды как в кристаллическом состоянии, так и в растворе в основном существуют в полуацетальных формах. Полуацетальный гидроксил отличается большей реакционной способностью и может замещаться другими группировками в реакциях со спиртами, карбоновыми кислотами, фенолами и т. д. Соединение, которое действует на полуацетальный гидроксил моносахарида, называют агликоном, а продукт реакции - гликозидом. Соответственно α- и β-изомерам моносахаридов существуют α- и β-гликозиды. Например, при реакции метилового спирта (агликон) с глюкозой (допустим, в β-пиранозной форме) в присутствии неорганических кислот образуется продукт алкилирования - метил-β-D-глюкопиранозид:

  

  При действии на β-D-глюкопиранозу уксусной кислотой образуется продукт ацилирования - ацетил-β-D-глюкопиранозид:

  

  Ацилированию и метилированию способны подвергаться и остальные гидроксильные группы моносахаридов, хотя это требует намного более жестких условий. В тех случаях, когда в качестве агликонов выступают спирты, фенолы или карбоновые кислоты, продукты реакции называют О-гликозидами. Следовательно, метил-β-D-глюкопиранозид и ацетил-β-D-глюкопиранозид являются О-гликозидами (связь с агликоном осуществляется через кислород). Природные О-гликозиды, большинство из которых образуется в результате жизнедеятельности растений, существуют преимущественно в β-форме.

  Весьма важным классом гликозидов являются N-гликозиды, в которых связь с агликоном осуществляется через азот, а не через кислород. Существуют еще S-гликозиды, которые представляют собой производные циклических форм тиосахаридов, в меркаптогруппе (-SH) при C 1 которых атом водорода замещен радикалом. S-Гликозиды содержатся в ряде растений (горчица, черногорка, боярышник и др.).

  N-гликозиды рассматривают как производные сахаров, у которых гликозильная часть молекулы связана через атом азота с радикалом органического соединения, не являющегося сахаром. Как и О-гликозиды, N-гликозиды могут быть построены как пиранозиды или как фуранозиды и иметь α- и β-форму:

  

  К N-гликозидам принадлежат исключительно важные в обмене веществ продукты расщепления нуклеиновых кислот и нуклеопротеидов (нуклеотиды и нуклеозиды), АТФ, НАД, НАДФ некоторые антибиотики и т. п.

• Реакции с участием карбонильной группы. Хотя линейная гидроксикарбонильная форма присутствует в кристаллических препаратах моносахаридов и их растворах в незначительных количествах, все же ее участие в таутомерном равновесии сообщает моносахаридам все свойства, присущие альдегидам (в альдозах) или кетонам (в кетозах). Со способностью альдоз и кетоз присоединять спирты мы уже познакомились (см. выше). Рассмотрим теперь некоторые другие свойства.
• Аминосахара - производные моносахаридов, гидроксильная группа которых (-ОН) замещена аминогруппой (-NН 2). В зависимости от положения аминогруппы (при атомах углерода) в молекуле аминосахара различают 2-амино-, 3-амино-, 4-амино-сахара и т. д. По числу аминогрупп выделяют моноаминосахара и диаминосахара.

  Аминосахара обладают всеми свойствами аминов, обычных моносахаров, а также специфическими свойствами, обусловленными пространственной близостью гидроксильных и аминных групп.

  В организме человека и животных наиболее важными амино-сахарами являются D-глюкозамин и D-галактозамин:

  

  Аминосахара входят в состав мукополисахаридов животного, растительного и бактериального происхождения, являются углеводными компонентами различных гликопротеинов и гликолипидов. В составе этих высокомолекулярных соединений аминогруппа аминосахара чаще всего ацилирована, а иногда сульфирована (см. хондроитин-4-сульфат).

Олигосахариды - углеводы, молекулы которых содержат от 2 до 8-10 остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями. В соответствии с этим различают дисахариды, трисахариды и т. д.

Дисахариды - сложные сахара, каждая молекула которых при гидролизе распадается на две молекулы моносахаридов. Дисахариды наряду с полисахаридами являются одним из основных источников углеводов в пище человека и животных. По своему строению дисахариды являются гликозидами, в которых две молекулы моносахаридов соединены гликозидной связью.

Среди дисахаридов особенно широко известны мальтоза, лактоза и сахароза.

Мальтоза, являющаяся α-глюкопиранозил-(1-4)-α-глюкопиранозой, образуется в качестве промежуточного продукта при действии амилаз на крахмал (или гликоген), содержит два остатка α-D-глюкозы. Название сахара, чей полуацетальный гидроксил участвует в образовании гликозидной связи, оканчивается на "ил".

В молекуле мальтозы у второго остатка глюкозы имеется свободный полуацетальный гидроксил. Такие дисахариды обладают восстанавливающими свойствами.

Одним из наиболее распространенных дисахаридов является сахароза - обычный пищевой сахар. Молекула сахарозы состоит из одного остатка D-глюкозы и одного остатка D-фруктозы. Следовательно, это - α-глюкопиранозил-(1-2)-β-фруктофуранозид:

В отличие от большинства дисахаридов сахароза не имеет свободного полуацетального гидроксила и не обладает восстанавливающими свойствами.

Дисахарид лактоза содержится только в молоке и состоит из D-галактозы и D-глюкозы. Это - α-глюкопиранозил-(1-4)-глюкопираноза:

Поскольку в молекуле лактозы имеется свободный полуацетальный гидроксил (в остатке глюкозы), она принадлежит к числу редуцирующих дисахаридов.

Среди природных трисахаридов важное значение имеют немногие. Наиболее известна рафиноза, содержащая остатки фруктозы, глюкозы и галактозы, которая находится в больших количествах в сахарной свекле и во многих других растениях.

В целом олигосахариды, присутствующие в растительных тканях, разнообразнее по своему составу, чем олигосахариды животных тканей.

С точки зрения общих принципов строения полисахариды можно разделить на две группы, а именно: на гомополисахариды, состоящие из моносахаридных единиц только одного типа, и гетерополисахариды, для которых характерно наличие двух или более типов мономерных звеньев.

С точки зрения функционального назначения полисахариды также могут быть разделены на две группы: структурные и резервные полисахариды. Важным структурным полисахаридом является целлюлоза, а главные резервные полисахариды - гликоген и крахмал (у животных и растений соответственно). Здесь будут рассмотрены только гомополисахариды. Гетерополисахариды описаны в главе "Биохимия соединительной ткани".

Крахмал представляет собой смесь двух гомополисахаридов: линейного - амилозы и разветвленного - амилопектина, общая формула которых (С 6 Н 10 O 5) n [показать] .

Как правило, содержание амилозы в крахмале составляет 10-30%, амилопектина - 70-90%. Полисахариды крахмала построены из остатков глюкозы, соединенных в амилозе и в линейных цепях амилопектина α-1,4-глюкозидными связями, а в точках ветвления амилопектина - межцепочечными α-1,6-глюкозидными связями.

В молекуле амилозы связано в среднем около 1000 остатков глюкозы, отдельные линейные участки молекулы амилопектина состоят из 20-30 таких единиц.

В воде амилоза не дает истинного раствора. Цепочка амилозы в воде образует гидратированные мицеллы. В растворе при добавлении йода амилоза окрашивается в синий цвет. Амилопектин также дает мицеллярные растворы, но форма мицелл несколько иная. Полисахарид амилопектин окрашивается йодом в красно-фиолетовый цвет.

Крахмал имеет молекулярную массу 10 6 -10 7 . При частичном кислотном гидролизе крахмала образуются полисахариды меньшей степени полимеризации - декстрины, при полном гидролизе - глюкоза. Крахмал является наиболее важным для человека пищевым углеводом; содержание его в муке 75-80%, в картофеле 25%.

Гликоген - главный резервный полисахарид высших животных и человека, построенный из остатков α-D-глюкозы. Эмпирическая формула гликогена, как и крахмала (С 6 Н 10 O 5) n . Гликоген содержится практически во всех органах и тканях животных и человека; наибольшее количество его находится в печени и мышцах. Молекулярная масса гликогена 10 7 -10 9 и выше. Его молекула построена из ветвящихся полиглюкозидных цепей, в которых остатки глюкозы соединены α-1,4-глюкозидными связями. В точках ветвления имеются α-1,6-глюкозидные связи. Гликоген по своему строению близок к амилопектину.

В молекуле гликогена различают внутренние ветви - участки полиглюкозидных цепей между точками ветвления, и наружные ветви - участки от периферической точки ветвления до нередуцирующего конца цепи (рис. 81) [показать] . При гидролизе гликоген, подобно крахмалу, расщепляется с образованием сначала декстринов, затем мальтозы и, наконец, глюкозы.

Целлюлоза (клетчатка) - наиболее широко распространенный структурный полисахарид растительного мира.

Целлюлоза состоит из α-глюкозных остатков в их β-пиранозной форме, т. е. в молекуле целлюлозы β-глюкопиранозные мономерные единицы линейно соединены между собой β-1,4-глюкозидными связями.

Классификация и строение углеводов

Современные данные по строению позволили выяснить, что практически все углеводы содержат гидроксильные группы , а также карбонильные группы . Либо альдегидные, либо кетонные, т.е. углеводы являются либо полигидроксиальдегидами, либо полигидроксикетонами.
Полигидроксиальдегиды называют еще альдозами, например, глюкоза.
Полигидроксикетоны называют еще кетозами, например, фруктоза.
Кроме того, что в углеводы входят альдегидные и гидрокси группы, их еще классифицируют по способности к гидролизу, т.е. углеводы делят на три основных типа.

Те углеводы, которые гидролизу не подвергаются, т.е. в результате реакции с водой в присутствии кислотного катализатора не изменяются, называются моносахариды .

Типичные моносахариды – глюкоза и фруктоза.

Углеводы, которые при гидролизе распадаются на несколько моносахаридов, от 2 до 20, называют олигосахариды. Типичные олигосахариды – сахароза, которая при гидролизе превращается в смесь глюкозы и фруктозы.

Сахароза

И, наконец, в природе очень распространены сложные полимерные образования, чаще всего на базе глюкозы. Они уже называются полисахаридами, поскольку при гидролизе такого полисахарида образуются от тысяч до десятков тысяч моносахаридов.

Например, самые распространенные природные полисахариды – это крахмал и целлюлоза, которые составляют основную массу очень многих растительных объектов.

Классификация моносахаридов

Сами моносахариды еще классифицируют по количеству атомов углеродов, входящих в одну молекулу.
Бывают трех углеродные моносахариды, 4, 5, 6.
Наиболее распространены в природе моносахариды с 5 атомами углерода, их называют пентозы . И с 6 атомами углерода, их называют гексозы. Наиболее известны нам гексозы. Это глюкоза и фруктоза. И в школьном курсе принято хорошо помнить название двух пентоз – рибоза и дезоксирибоза, которые входят в состав сложных молекул.

Химические свойства глюкозы

К химическим свойствам углеводов относятся те, которые связаны с их функциональными группами. Поскольку все углеводы содержат спиртовые группы, они, как и полагается спиртам образуют простые и сложные эфиры.

1. Образование эфиров.

2. С гидроксидом меди(II) образуется ярко-синее комплексное соединение глюконата меди.

3. Окисление глюкозы.

продуктами реакции являются глюконовая кислота C5H11O5COOH. Происходит изменение окраски из-за образования красного осадка оксида меди(I) ↓.

Реакция «серебряного зеркала».
↓
Восстановление глюкозы.
(сорбит).
Сорбит используется как заменитель сахара и глюкозы, поскольку он хуже усваивается организмом и не так вреден как избыток сахара. Его добавляют в жевательную резинку и в диетические продукты.
4. Биохимические реакции с участием глюкозы.
А. Спиртовое брожение глюкозы.

Этот процесс является основой выпечки дрожжевого хлеба.
Б. Молочнокислое брожение.
Образуется молочная кислота. Этот процесс происходит при скисании молока, при брожении капусты.
В. Маслянокислое брожение.

Масляная кислота обладает неприятным запахом. Эти продукты называют сивушными маслами.