Углеводы в питании человека

12

Рис. 7-3

 

 

 

 

Фруктоза является кетогексозой (кетогругша находится у второго углеродного атома). Фруктоза так же, как и глюкоза, существует в циклической форме, образуя α- и β-аномеры (рис. 7-4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

Рис. 7-4

 

 

Реакции моносахаридов

 

 Присутствие гидроксильных,  альдегидных и кетонных групп  позволяет моносахаридам вступать  в реакции, характерные для  спиртов, альдегидов или кетонов.  Эти реакции довольно многочисленны.  В данном разделе будут описаны  лишь некоторые из них, причём  в основном имеющие наибольшее  биологическое значение.

 Основные реакции моносахаридов рассмотрены на примере D-глюкозы,(рис. 7-5) хотя надо иметь в виду, что в метаболизме углеводов принимают участие и другие моносахариды, а также их производные.

 

 

 

14

Рис. 7-5

 

 

 

Мутаротация, или аномеризация - взаимопревращение аномерных форм моносахаридов, α- и β-формы аномеров находятся в растворе в состоянии равновесия. При достижении этого равновесия происходит мутаротация - размыкание и замыкание пиранового кольца и, соответственно, изменение расположения Н- и ОН-групп при первом углероде моносахарида.

 

Образование гликозидов

 

 Гликозидная связь имеет  важное биологическое значение, потому что именно с помощью  этой связи осуществляется ковалентное  связывание моносахаридов в составе  олиго- и полисахаридов. При  образовании гликозидной связи  аномерная ОН-группа одного моносахарида  взаимодействует с ОН-группой другого.

 

Строение полисахарида

 

1. Образование α-1,4- и α-1,6-гликозидных связей. Б. Строение линейного полисахарида: 1 - α-1,4-гликозидные связи между мономерами;

 

 

14

2 - невосстанавливающий конец (невозможно  образование свободной карбонильной  группы у аномерного углерода); 3 - восстанавливающий конец (возможно  размыкание цикла с образованием  свободной карбонильной группы  у аномерного углерода).(Рис 7-6)

 

 

Рис. 7-6

 

 

Образование О- и N-гликозидных связей в гликопротеинах

 

1 - N-гликозидная  связь между амидной группой  аспарагина и ОН-группой моносахарида; 2 - О-гликозидная связь между ОН-группой  серина и ОН-группой моносахарида.

Образование глюкозо-6-фосфата происходит в ходе АТФ-зависимой реакции  при участии ферментов, относящихся  к группе киназ. АТФ в данной реакции  выступает как донор фосфатной группы.

 

15

Фосфоэфиры моносахаридов могут  образовываться и без использования  АТФ. Например, глюкозо-1-фосфат образуется из гликогена при участии Н3РО4. Физиологическое значение фос-фоэфиров моносахаридов заключается в  том, что они представляют собой  метаболически активные структуры. Реакция фосфорилирования моносахаридов  важна для метаболизма ещё  и потому, что клеточная мембрана мало проницаема для этих соединений, т.е. клетка удерживает моносахариды благодаря  тому, что они находятся в фосфорилированной  форме.

Окисление и восстановление. При  окислении концевых групп глюкозы -СНО и -СН2ОН образуются 3 различных  производных. При окислении группы -СНО образуется глюконовая кислота. Если окислению подвергается концевая группа -СН2ОН, образуется глюкуроновая кислота. А если окисляются обе концевые группы, то образуется сахарная кислота, содержащая 2 карбоксильные группы. Восстановление первого углерода приводит к образованию сахароспир-та - сорбитола.

 

Олигосахариды

 

 Олигосахариды содержат несколько (от двух до десяти) остатков моносахаридов, соединённых гликозидной связью. Дисахариды - наиболее распространённые олигомерные углеводы, встречающиеся в свободной форме, т.е. не связанной с другими соединениями. По химической природе дисахариды представляют собой гликозиды, которые содержат 2 моносахарида, соединённые гликозидной связью в α- или β-конфигурации. В пище содержатся в основном такие дисахариды, как сахароза, лактоза и мальтоза (рис. 7-8).

Сахароза - дисахарид, состоящий из α-D-глюкозы и β-D-фруктозы, соединённых α,β-1,2-гликозидной связью. В сахарозе обе аномерные ОН-группы остатков глюкозы и фруктозы участвуют в образовании гликозидной связи. Следовательно, сахароза не относится к восстанавливающим сахарам. Сахароза - растворимый дисахарид со сладким вкусом. Источником сахарозы служат растения, особенно сахарная свёкла, сахарный тростник. Последнее объясняет возникновение тривиального названия сахарозы - "тростниковый сахар".

Лактоза - молочный сахар; важнейший дисахарид молока млекопитающих. В коровьем молоке содержится до 5% лактозы, в женском молоке - до 8%. В лактозе аномерная ОН-группа первого углеродного атома остатка D-галактозы связана β-гликозидной связью с четвёртым углеродным атомом D-глюкозы (β-1,4-связь).

 

16

Поскольку аномерный атом углерода остатка глюкозы не участвует  в образовании гликозидной связи, следовательно, лактоза относится к восстанавливающим сахарам.

Мальтоза поступает с продуктами, содержащими частично гидролизованный  крахмал, например, солод, пиво. Мальтоза также образуется при расщеплении  крахмала в кишечнике. Мальтоза состоит  из двух остатков D-глюкозы, соединённых  α-1,4-гликозидной связью.

 

Изомальтоза - промежуточный продукт, образующийся при расщеплении крахмала в кишечнике. Состоит из двух остатков D-глюкозы, но соединены эти моносахариды α-1,6-гликозидной связью.

 

 

Полисахариды

 

 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. 

 

Дисахариды пищи

 

• 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;

 

 

17

• 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.

Крахмал - наиболее важный углеводный компонент пищевого рациона. Это резервный полисахарид растений, содержащийся в наибольшем количестве (до 45% от массы сухого вещества) в зёрнах злаков (пшеница, кукуруза, рис и др.), а также луковицах, стеблях и клубнях растений (в картофеле примерно 65%). Крахмал - разветвлённый полисахарид, состоящий из остатков глюкозы (гомогликан). Он находится в клетках растений в виде гранул, практически нерастворим в воде.

 Крахмал состоит из амилозы и амилопектина.Амилоза - неразветвлённый полисахарид, включающий 200-300 остатков глюкозы, связанных α-1,4-гликозидной связью. Благодаря α-конфигурации глюкозного остатка, полисахаридная цепь имеет конформацию спирали. Синяя окраска при добавлении йода к раствору крахмала обусловлена наличием такой спирали. Амилопектин имеет разветвлённую структуру. В местах ветвления остатки глюкозы соединены α-1,6-гликозидными связями. Линейные участки содержат примерно 20-25 остатков глюкозы. При этом формируется древовидная структура, в которой имеется лишь одна аномерная ОН-группа. Крахмал - высокомолекулярное соединение, включающее сотни тысяч остатков глюкозы. Его молекулярная масса составляет порядка 105-108 Д.

Целлюлоза (клетчатка) - основной структурный полисахарид растений. Это самое распространённое органическое соединение на земле. Доля целлюлозы в клеточных стенках растений составляет 40-50%. Целлюлоза имеет молекулярную массу порядка 106 Д, длина молекулы может доходить до 6-8 мкм.

 Целлюлоза - линейный полисахарид  гомогликан, построенный из остатков  глюкозы, соединённых между собой  β-1,4-гликозидными связями. Пищеварительная  система человека не имеет  ферментов, гидролизующих β-связи  в полисахаридах. Поэтому целлюлоза  - неиспользуемый углевод, но этот  пищевой компонент необходим  для нормального протекания переваривания. 

Гликоген - полисахарид животных и человека. Так же, как крахмал в растениях, гликоген в клетках животных выполняет резервную функцию, но, так как в пище содержится лишь небольшое количество гликогена, он не имеет пищевого значения.

 

18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19

КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕВОДОВ

 

Различают две основные группы углеводов: простые и сложные. К простым  углеводам относятся глюкоза, фруктоза, галактоза, сахароза, лактоза и мальтоза. К сложным - крахмал, гликоген, клетчатка и пектиновые вещества.

Углеводы подразделяются на моносахариды (простые), олигосахариды и полисахариды (сложные).

1. Моносахариды

• глюкоза

• фруктоза

• галактоза

• манноза

2. Олигосахариды

• Дисахариды

• сахароза (обычный сахар, тростниковый или свекловичный)

• мальтоза

• изомальтоза

• лактоза

• лактулоза

3.Полисахариды

• декстран

• гликоген

• крахмал

• целлюлоза

• галактоманнаны

 

Моносахариды (простые углеводы) являются наиболее простыми представителями  углеводов и при гидролизе  не расщепляются до более простых  соединений. Простые углеводы легко  растворяются в воде и быстро усваиваются. Они обладают выраженным сладким  вкусом и относятся к сахарам.

В зависимости от числа углеродных атомов в молекулах моносахариды делятся на триозы, тетрозы, пентозы и гексозы. Для человека наиболее важны гексозы (глюкоза, фруктоза, галактоза и др.) и пентозы (рибоза, дезоксирибоза и др.).

При соединении двух молекул моносахаридов  образуются дисахариды.

 

 

5

Наиболее важной из всех моносахаридов  является глюкоза, так как она  является структурной единицей (кирпичиком) для построения большинства 

пищевых ди - и полисахаридов. Транспорт глюкозы в клетки регулируется во многих тканях гормоном поджелудочной железы - инсулином.

У человека излишки глюкозы в  первую очередь превращаются именно в гликоген - единственный резервный  углевод животных тканей. В организме  человека общее содержание гликогена  составляет около 500 г - это суточный запас углеводов, используемый при  их глубоком дефиците в питании. Длительный дефицит гликогена в печени ведет  к дисфункции гепатоцитов и ее жировой инфильтрации.

Олигосахариды - более сложные соединения, построенные из нескольких (от 2 до 10) остатков моносахаридов. Они делятся  на дисахариды, трисахариды и т.д. Наиболее важны для человека дисахариды - сахароза, мальтоза и лактоза. Олигосахариды, к которым относятся рафиноза, стахиоза, вербаскоза, в основном содержатся в бобовых и продуктах их технологической переработки, например в соевой муке, а также в незначительных количествах во многих овощах. Фрукто-олигосахариды встречаются в зерновых (пшенице, ржи), овощах (луке, чесноке, артишоках, спарже, ревене, цикории), а также в бананах и меде.

К группе олигосахаридов также относятся  мальто-декстрины, являющиеся основными компонентами промышленно производимых из полисахаридного сырья сиропов, паток. Одним из представителей олигосахаридов является лактулоза, образующаяся из лактозы в процессе тепловой обработки молока, например при выработке топленого и стерилизованного молока.

Олигосахариды практически не расщепляются в тонком кишечнике человека из-за отсутствия соответствующих ферментов. По этой причине они обладают свойствами пищевых волокон. Некоторые олигосахариды  играют существенную роль в жизнедеятельности  нормальной микрофлоры толстого кишечника, что позволяет отнести их к  пребиотикам - веществам, частично ферментирующимся некоторыми кишечными микроорганизмами и обеспечивающим поддержание нормального микробиоценоза кишечника.

Полисахариды - высокомолекулярные соединения-полимеры, образованные из большого числа мономеров, в качестве которых выступают  остатки моносахаридов. Полисахариды делятся на перевариваемые и неперевариваемые в желудочно-кишечном тракте человека. В первую подгруппу входят крахмал и гликоген, во вторую - разнообразные соединения, из которых наиболее важны для человека целлюлоза (клетчатка), гемицсллюлоза и пектиновые вещества.