Углеводы

Олигосахариды.

 
Олигосахариды – углеводы, молекулы которых содержат от 2 до 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 одними из основных источников углеводов в пище человека и животных. По строению дисахариды – это гликозиды, в которых 2 молекулы моносахаридов соединены гликозидной связью. 

• Образование гликозидов

При пропускании небольшого количества хлороводорода в раствор D-глюкозы в метаноле происходит реакция, в результате которой образуется смесь аномеров метилацеталя. Ацетали углеводов называют гликозидами. Ацетали глюкозы называют глюкозидами, маннозы – маннозидами, фруктозы – фруктозидами и т.д.

D-глюкпираноза Метил-b-D-глюкопиранозид  Метил-a-D-глюкопиранозид

 

Реакция проходит по следующему механизму:

Гликозиды широко распространены в природе. В коре ивы, например, содержится салицин, обладающий болеутоляющими свойствами.

салицин ванилил-b-D-глюкопранозид

 

Поскольку гликозиды являются ацеталями или кеталями, они вполне устойчивы в щелочной среде, но легко гидролизуются в кислой, превращаясь в углевод и спирт (агликон). Например, при подкислении водного раствора метил-D-глюкопиранозида образуется D-глюкоза в виде смеси двух аномеров и небольшого количества открытой формы:

метил-D-глюкопиранозид D-глюкопираноза агликон

 

Простейшими представителями дисахаридов являются обычный свекловичный или тростниковый сахар - сахароза, солодовый сахар - мальтоза, молочный сахар - лактоза и целлобиоза Общая формула дисахаридов, как правило, C12H22O11.

 

Лактоза — состоит из остатков глюкозы и галактозы. Она активизирует деятельность молочно-кислых бактерий в желудочно-кишечном тракте, противодействующих своим гнилостным родственникам. Большое количество молочного сахара получают из молочной сыворотки, при производстве масла и сыра. Источником этого дисахарида является, например коровье молоко. Многие люди страдают специфическими заболеваниями, связанными с недостаточностью фермента лактазы, расщепляющего лактозу.

 

 

Мальтоза—   состоит из двух остатков глюкозы. Относится к группе восстанавливаемых дисахаридов. Весьма распространена в природе, особенно много в проросших зернах и солоде. Образуется из крахмала и декстринов, а сама в свою очередь первостепенный компонент крахмальной патоки. Гидролиз мальтозы, при котором образуются две молекулы глюкозы, используется в пищевой промышленности при брожении теста.

 

Сахароза - Самый известный в классификации углеводов и широко применяемый в пищевой промышленности сахаристый углевод. При гидролизе расщепляет дисахарид на глюкозу и фруктозу. В мире флоры она содержится практически во всех частях растения: листьях, клубнях, плодах, семенах, стеблях. Сахарная свекла насыщена ею до 22%, сахарный тростник – до 15%. Столь богатые запасы вещества закрепили за сахарозой синонимичные названия.

• Значение олигосахаридов.

 
Наибольшее значение в питании человека имеет сахароза, которая в значительном количестве поступает в организм с пищей. Подобно глюкозе и фруктозе сахароза после расщепления ее в кишечнике под влиянием сахарозы до глюкозы и фруктозы быстро всасывается из желудочно-кишечного тракта в кровь и служит легко утилизируемым источником энергии, а также одним из наиболее важных предшественников гликогена и триглицеридов. 
Биологическая роль олигосахаридов обширна, они входят в структуру клеточных мембран млекопитающих, являются рецепторами для антител, токсинов, гормонов, различных патогенов и вирусов. Установлено, что фермент глюкозилтрансфераза, синтезирующий олигосахариды грудного молока, имеет сходство с ферментом, синтезирующим олигосахариды рецепторов клеточной поверхности млекопитающих. Этим объясняется тот факт, что олигосахариды грудного молока могут блокировать связывание специфических патогенов со структурами рецепторов на поверхности клетки и таким образом ингибировать колонизацию и рост патогенных факторов в течение всего периода грудного вскармливания младенца. Таким образом, ее роль весьма значительна в раннем детском возрасте, когда молоко служит основным продуктом питания. 
Мальтоза (солодовый сахар) — промежуточный продукт расщепления крахмала и гликогена в желудочно-кишечном тракте, происходящего под влиянием амилазы — фермента, выделяемого поджелудочной железой. Образующаяся мальтоза расщепляется затем мальтазой кишечного сока до двух остатков глюкозы. 
В свободном виде в пищевых продуктах мальтоза встречается в меде, солоде, пиве, патоке (мальтозной) и продуктах, изготовляемых с добавлением патоки (хлебобулочные, кондитерские изделия). 

Полисахариды.

Полисахариды - высокомолекулярные вещества, состоящие из большого количества остатков моносахаридов.

Структурные различия между полисахаридами определяются:

• строением моносахаридов, составляющих цепь;

• типом гликозидных связей, соединяющих мономеры в цепи;

• последовательностью остатков моносахаридов в цепи.

В зависимости от строения остатков моносахаридов полисахариды можно разделить на гомополисахариды (все мономеры идентичны) и гетерополисахариды (мономеры различны). Оба типа полисахаридов могут иметь как линейное расположение мономеров, так и разветвлённое.

Гомополисахариды (гликаны), состоящие из остатков одного моносахарида, могут быть гексозами или пентозами, то есть в качестве мономера может быть использована гексоза или пентоза. В зависимости от химической природы полисахарида различают глюканы (из остатков глюкозы), маннаны (из маннозы), галактаны (из галактозы) и другие подобные соединения. К группе гомополисахаридов относятся органические соединения растительного (крахмал,целлюлоза, пектиновые вещества), животного (гликоген, хитин) и бактериального (декстраны) происхождения.

В зависимости от выполняемых ими функций полисахариды можно разделить на 3 основные группы:

• резервные полисахариды, выполняющие энергетическую функцию. Эти полисахариды служат источником глюкозы, используемым организмом по мере необходимости. Резервная функция этих углеводов обеспечивается их полимерной природой. Полисахариды

• менее растворимы, чем моносахариды, следовательно они не влияют на осмотическое давление и поэтому могут накапливаться в клетке, например, крахмал - в клетках растений, гликоген - в клетках животных;

• структурные полисахариды, обеспечивающие клеткам и органам механическую прочность;

• полисахариды, входящие в состав межклеточного матрикса, принимают участие в образовании тканей, а также в пролиферации и дифференцировке клеток. Полисахариды межклеточного матрикса водорастворимы и сильно гидратированы.

В пище человека в основном содержатся полисахариды растительного происхождения - крахмал, целлюлоза. В меньшем количестве поступает полисахарид животных - гликоген.

Крахма́л (C6H10O5)n — смесь двух гомополисахаридов: линейного — амилозы и разветвлённого — амилопектина,мономером которых является альфа-глюкоза. Белое аморфное вещество, не растворимое в холодной воде, способное к набуханию и частично растворимое в горячей воде. Молекулярная масса 105—107 Дальтон. Крахмал, синтезируемый разными растениями в хлоропластах, под действием света при фотосинтезе, несколько различается по структуре зёрен, степени полимеризации молекул, строению полимерных цепей и физико-химическим свойствам. Как правило, содержание амилозы в крахмале составляет 10—30 %, амилопектина — 70—90 %. Молекула амилозы содержит в среднем около 1 000 остатков глюкозы, связанных между собой альфа-1,4-связями. Отдельные линейные участки молекулы амилопектина состоят из 20—30 таких единиц, а в точках ветвления амилопектина остатки глюкозы связаны межцепочечными альфа-1,6-связями. При частичном кислотном гидролизе крахмала образуются полисахариды меньшей степени полимеризации — декстрины (C6H10O5)p, а при полном гидролизе — глюкоза.

Гликоге́н (C6H10O5)n — полисахарид, построенный из остатков альфа-D-глюкозы — главный резервный полисахарид высших животных и человека, содержится в виде гранул в цитоплазме клеток практически во всех органах и тканях, однако, наибольшее его количество накапливается в мышцах и печени. Молекула гликогена построена из ветвящихся полиглюкозидных цепей, в линейной последовательности которых, остатки глюкозы соединены посредством альфа-1,4-связями, а в точках ветвления межцепочечными альфа-1,6-связями. Эмпирическая формула гликогена идентична формуле крахмала. По химическому строению гликоген близок к амилопектину с более выраженной разветвлённостью цепей, поэтому иногда называется неточным термином «животный крахмал». Молекулярная масса 105—108 Дальтон и выше. В организмах животных является структурным и функциональным аналогом полисахарида растений — крахмала. Гликоген образует энергетический резерв, который при необходимости восполнить внезапный недостаток глюкозы может быть быстро мобилизован — сильное разветвление его молекулы ведёт к наличию большого числа концевых остатков, обеспечивающих возможность быстрого отщепления нужного количества молекул глюкозы. В отличие от запаса триглицеридов(жиров) запас гликогена не настолько ёмок (в калориях на грамм). Только гликоген, запасённый в клетках печени(гепатоцитах) может быть переработан в глюкозу для питания всего организма, при этом гепатоциты способны накапливать до 8 процентов своего веса в виде гликогена, что является максимальной концентрацией среди всех видов клеток. Общая масса гликогена в печени взрослых может достигать 100—120 граммов. В мышцах гликоген расщепляется на глюкозу исключительно для локального потребления и накапливается в гораздо меньших концентрациях (не более 1 % от общей массы мышц), тем не менее общий запас в мышцах может превышать запас, накопленный в гепатоцитах.

Целлюло́за (клетча́тка) — наиболее распространённый структурный полисахарид растительного мира, состоящий из остатков альфа-глюкозы, представленных в бета-пиранозной форме. Таким образом, в молекуле целлюлозы бета-глюкопиранозные мономерные единицы линейно соединены между собой бета-1,4-связями. При частичном гидролизе целлюлозы образуется дисахарид целлобиоза, а при полном — D-глюкоза. В желудочно-кишечном тракте человека целлюлоза не переваривается, так как набор пищеварительных ферментов не содержит бета-глюкозидазу. Тем не менее, наличие оптимального количества растительной клетчатки в пище способствует нормальному формированию каловых масс[4]. Обладая большой механической прочностью, целлюлоза выполняет роль опорного материала растений, например, в составе древесины её доля варьирует от 50 до 70 %, а хлопок представляет собой практически стопроцентную целлюлозу.

Хити́н — структурный полисахарид низших растений, грибов и беспозвоночных животных (в основном роговые оболочки членистоногих — насекомых и ракообразных). Хитин, подобно целлюлозе в растениях, выполняет опорные и механические функции в организмах грибов и животных. Молекула хитина построена из остатков N-ацетил-D-глюкозамина, связанных между собой бета-1,4-гликозидными связями. Макромолекулы хитина неразветвлённые и их пространственная укладка не имеет ничего общего с целлюлозой[2].

Пекти́новые вещества́ — полигалактуроновая кислота, содержится в плодах и овощах, остатки D-галактуроновой кислоты связаны альфа-1,4-гликозидными связями. В присутствии органических кислот способны к желеобразованию, применяются в пищевой промышленности для приготовления желе и мармелада. Некоторые пектиновые вещества оказывают противоязвенный эффект и являются активной составляющей ряда фармацевтических препаратов, например, производное подорожника «плантаглюцид».

Мурами́н (лат. múrus — стенка) — полисахарид, опорно-механический материал клеточной стенки бактерий. По химическому строению представляет собой неразветвлённую цепь, построенную из чередующихся остатков N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединённых бета-1,4-гликозидной связью. Мурамин по структурной организации (неразветвлённая цепь бета-1,4-полиглюкопиранозного скелета) и функциональной роли весьма близок к хитину и целлюлозе.

Декстра́ны — полисахариды бактериального происхождения — синтезируются в условиях промышленного производства микробиологическим путём (воздействием микроорганизмов Leuconostoc mesenteroides на раствор сахарозы) и используются в качестве заменителей плазмы крови (так называемые клинические «декстраны»:Полиглюкин и другие).

 

• Значение полисахаридов.

 
Целлюлоза, или клетчатка, является основным компонентом клеточной стенки растительных клеток. Клетчатка составляет от 50 до 70 % древесины. Хлопок представляет собой почти чистую клетчатку. Волокна льна и конопли состоят преимущественно изклетчатки. Наиболее чистыми образцами клетчатки является очищенная вата, получаемая из хлопка, и фильтровальная бумага. 
В крахмале остатки глюкозы связаны 1,4= и 1,6= гликозидными связями. При их расщеплении растения получают глюкозу, необходимую в процессе их жизнедеятельности. Крахмал образуется при фотосинтезе в зеленых листьях в виде зерен. Эти зерна особенно легко обнаружить в микроскопе, используя известковую реакцию с йодом: крахмальные зерна окрашиваются в синий или сине-черный цвет. 
По накоплению крахмальных зерен можно судить об интенсивности фотосинтеза. Крахмал в листьях расщепляется на моносахариды или олигосахариды и переносится в другие части растений, например в клубни картофеля или зерна злаков. Здесь вновь происходит отложение крахмала в виде зерен. Наибольшее содержание крахмала в следующих культурах: 
— рис (зерно) — 62-82 %; 
— кукуруза (зерно) — 65-75 %; 
— пшеница (зерно) — 57-75 %; 
— картофель (клубни) — 12-24 %. 
В текстильной промышленности крахмал используется для производства загустителей красок. Он применяется в спичечной, бумажной, полиграфической промышленности, в переплетном деле. В медицине и фармакологии крахмал идет на приготовление присыпок, паст (густых мазей), а также необходим в производстве таблеток. Подвергая крахмал кислотному гидролизу, можно получить глюкозу в виде чистого кристаллического препарата или в виде патоки — окрашенного некристаллизующегося сиропа. 
Налажено производства модифицированных крахмалов, подвергавшихся специальной обработке или содержащих улучшающие их свойства добавки. Модифицированные крахмалы широко применяются в различных отраслях промышленности. 
Гликоген — более разветвленный, чем крахмал, полисахарид животного происхождения, состоящий из глюкозы. Он играет исключительно важную роль в организмах животных как запасной полисахарид: все процессы жизнедеятельности, в первую очередьмышечная работа, сопровождаются расщеплением гликогена, отдающего сосредоточенную в нем энергию. В тканях организма из гликогена в результате ряда сложных превращений может образовываться молочная кислота. 
Хитин по своей структуре и функции очень близок к целлюлозе. Хитин встречается у некоторых грибов, где он играет в клеточных стенках опорную роль благодаря своей волокнистой структуре, а также у некоторых групп животных (особенно у членистоногих) в качестве важного компонента их наружного скелета. Строение хитина сходно со строением целлюлозы, его длинные параллельные цепи также собраны в пучки.