Моносахариды могут связываться друг с другом.

Классификация и роль углеводов в организме.

 

Углеводы – многоатомные спирты, содержащие альдегидную (альдозы) или кетогруппу (кетозы).

Углеводы, в первую очередь целлюлоза, являются самыми распространёнными органическими соединениями на Земле. В организме млекопитающих на долю углеводов приходится мерее 1% массы тела, однако их роль чрезвычайно велика. Углеводы, будучи компонентом протеогликанов, входят в состав соединительной ткани: углеводсодержащие белки глико- и мукопротеины являются составной частью защитных слизей организма6 углеводы входят в состав транспортных белков плазмы крови и иммунологически активных соединений: они формируют гликокаликс клеток. Углеводы являются основным источником энергии.

По величине молекулярной массы углеводы делят на:

· мносахариды

· олигосахариды (2-10 моносахаридов)

· полисахариды (более 10 моносахаридов)

Моносахарид – это альдегид или кетон многоатомного алифатического спирта. Простейшими моносахаридами являются триозы: глицериновый альдегид (альдоза) и диоксиацетон (кетоза):

Н Н

│ │

С=О Н – С – ОН

│ │

Н – С – ОН С=О

│ │

СН2ОН СН2ОН

d-глицериновый диоксиацетон

альдегид

 

Моносахариды с 4-мя углеродными атомами относятся к эритрозам, с 5-ю – к пентозам, с 6-ю – к гексозам, с 7-ю – к седогептулозам, с 8-ю – к октулозам.

Моносахариды – оптически активные соединения. Их оптическая активность обуславливается асимметричным углеродным атомом (т.е. таким, у которого все 4 валентности связаны с разными радикалами). Таким асимметричным атомом уже обладает самая простейшая альдоза – глицериновый альдегид. Возможны 2 его пространственных варианта, являющихся зеркальным отражением друг друга, которые нельзя совместить при вращении. Их называют пространственными изомерами, или стереоизомерами; при этом стереоизомеры, в проекционной формуле которых ОН-группы расположены справа, называются D-формами (dexter – правый), если ОН-группы расположены слева, - то это L-форма (leavus – левый). Химические свойства у стереоизомеров одинаковы, но оптическая активность (угол вращения плоскости поляризованного света при прохождении его через раствор сахара) различна, т.е. D- и L-формы вращают плоскость поляризованного луча на одну величину, но в противоположном направлении. Экспериментально установлено, что для глицеринового альдегида правовращающей (+) является D-форма. Вращение влево обозначается знаком – .

При удлинении углеродной цепи в моносахаридах число асимметричных атомов углерода увеличивается, при этом количество стереоизомеров будет составлять 2n (n – количество асимметричных атомов С). Так, у гексоз с 4 асимметричными углеродными атомами будет 16 стереоизомеров и 8 различных химически отличающихся соединений. Природа предпочитает стереоизомеры, у которых последний асимметричный атом углерода имеет D-форму, поэтому их называют D-моносахаридами. Ферменты клеток строго различают стереоизомеры, синтезируя и вызывая распад исключительно D-моносахаридов.

Моносахариды могут иметь незамкнутые и циклические формы (5-членное – фуранозное кольцо, 6-членное – пиранозное кольцо). Образование кольца приводит к появлению асимметрии первого углеродного атома: ОН-группа может быть направлена вверх или вниз по отношению к кольцу (соответственно возникают α и β формы), находящиеся в равновесии с формой открытой цепи.

 

Химические свойства различных моносахаридов схожи в силу сходства их строения:

 

  1. Они обладают свойствами восстановителей (благодаря наличию альдегидной группы в составе их молекулы), что даёт возможность проводить качественное и количественное определение сахаров. На этом свойстве базируется о-толуидиновый метод определения уровня глюкозы в крови и реакции (Троммера, Ниландера) определения сахара в моче. Однако эти методы недостаточно специфичны, так как помимо глюкозы цветную реакцию дают и другие редуцирующие сахара.

1.При окислении моносахаридов образуются уроновые кислоты, из которых важнейшей является глюкуроновая кислота, входящая в состав основного вещества соединительной ткани.

2.Моносахариды способны образовывать эфиры, особо важны фосфорные эфиры гексоз (глюкозы, фруктозы, галактозы) и пентоз (рибозы и дезоксирибозы), так как именно фосфорилированные сахара участвуют в реакциях метаболизма.

3.Моносахариды могут присоединять аминогруппу (образуются глюкозамины) и ацетилироваться.

Олигосахариды. Особое значение для питания человека имеют дисахариды: сахароза (глюкоза + фруктоза), мальтоза (2 остатка глюкозы) и лактоза (глюкоза + галактоза). Лактоза, называемая молочным сахаром, - основной углевод молока. Сахароза – тростниковый (свекловичный) сахар; поскольку фруктоза в составе сахарозы представлена 5-членным (фуранозным) кольцом, связанным с альдегидной группой глюкозы, фруктоза не проявляет свойств восстановителя.

Связь, возникающая между моносахаридами, называется гликозидной. Она образуется между ОН-группой 1Содного моносахарида и ОН-группой 4С – другого; при этом вследствие асимметрии первого углеродного атома циклической формы моносахарида могут возникать 2 типа конфигурации: α-гликозидная связь (если обе ОН-группы находятся в одинаковой позиции в структуре ) кольца и β-гликозидная связь (если обе ОН-группы находятся в различных положениях по отношению к кольцу):

Мальтоза: α(1→4) гликозидная связь

β(1→4) гликозидная связь в составе целлюлозы

Ферменты обладают специфичностью по отношению к типу гликозидной связи, что имеет важнейшее значение в питании. Так, амилаза, расщепляющая крахмал и гликоген, является α- гликозидазой. Фермент, расщепляющий β-гликозидные связи, у человека отсутствует, поэтому целлюлоза (состоит из остатков глюкозы, связанных β-гликозидной связью) не переваривается. Термиты и некоторые другие насекомые целлюлозу усваивают.

Целлюлоза (клетчатка) относится к полисахаридам. Наряду с крахмалом она является главным углеводом растений. Важнейшим полисахаридом человека, также построенным из остатков глюкозы, является гликоген. Крахмал и гликоген представлены разветвлёнными цепями глюкозы. По химическому строению целлюлоза, крахмал и гликоген являются гомополисахаридами (структура гликогена описана ниже)

Гетерополисахариды представлены мукополисахаридами, протеогликанами и гликопротеинами (об этом – подробнее в гл. )

Углеводы – это не только источники энергии.

В питании основную биологическую ценность из углеводов составляют крахмал и гликоген, которые легко усваиваются организмом с высвобождением энергии при их распаде. Клетчатка и гетерополисахарид пектин, хотя и не могут расщепляться ферментами кишечника, также весьма важны в питании. Клетчатка стимулирует перистальтику кишечника и выделение желчи, удерживает воду и увеличивает объём каловых масс, предупреждая тем самым появление запоров (профилактика рака прямой кишки), она препятствует всасыванию холестерина пищи, а адсорбция клетчаткой желчных кислот ослабляет их коканцерогенный эффект на слизистую оболочку толстого кишечника. Пектин способен связывать тяжёлые металлы, в том числе и радионуклиды, что уменьшает их поступление в ткани организма. Пектином богаты бананы, яблоки, красная и чёрная смородина.

Биологическая ценность углеводов не исчерпывается их энергетической значимостью (особо отметим, что глюкоза является основным поставщиком энергии для нервной ткани и коркового вещества почек, а для эритроцитов – и единственным). Они выполняют в организме пластическую (структурную) функцию, входя в состав гликопротеинов, межклеточного вещества соединительной ткани, гликокаликса плазматических мембран клеток; моносахариды рибоза и дезоксирибоза являются структурными компонентами нуклеиновых кислот. Анаболическая функция углеводов заключается в том, что они являются основным источником для синтеза жирных кислот, а продукты распада глюкозы (кетокислоты) служат субстратом синтеза гликогенных аминокислот. Обезвреживающая функция углеводов также существенна: УДФ-глюкуроновая кислота в печени связывает многие токсические соединения, придавая им большую гидрофильность и способность растворяться в желчи. Исключительно важна рецепторная функция углеводов – являясь составной частью многочисленных антител, они обеспечивают «узнавание» своих антигенов; углеводы входят в состав рецепторов гормонов и нейромедиаторов, участвуя в регуляции жизнедеятельности клеток.