Теми 8-9. Вуглеводи та їх обмін

Нові терміни, поняття:

вуглеводи, енергетична та пластична функції, моносахариди, олігосахариди, дисахариди, полісахариди, глюкоза, фруктоза, глікоген, целюлоза, пектини, перетравлювання, всмоктування, взаємоперетворення, анаеробне та аеробне окиснення, глікогеноліз, гліколіз, цикл Кребса, глюконеогенез, глікогенез.

1. Вуглеводи, їх функції

► Вуглеводи (цукри) - група органічних сполук, склад яких можна зобразити формулою Сn(Н₂О)m або СnН2mОm. Термін "вуглеводи" був запропонований К. Шмідтом у 1844 р. Характерною ознакою вуглеводів є те, що вони містять не менше двох гідроксильних груп і карбонільну (альдегідну або кетонну) групу.

Біологічні функції вуглеводів

Енергетична ►Є джерелом енергії. При окисненні 1г вуглеводів виділяється 17,2 кДж. На 60 % забезпечують організм

людини енергією.

Регуляторна(метаболічна) ► Приймають участь в функціях клітинних мембран циторецепції, міжклітинної взаємодії.

Забезпечують метаболізм жирів. Целюлоза та інші харчові вуглеводи підвищують активність

роботи шлунка і кишечника.

Пластична (структурна) ► Беруть участь у синтезі нуклеопротеїнів, складних ферментів, гліколіпідів, мукополісахаридів.

Резервна ► Вуглеводи відкладаються в організмі у виді глікогену - запасного полісахариду.

Захисна ► Мукополісахариди перешкоджають проникненню патогенних бактерій і вірусів у клітини організму, запобігають

механічному пошкодженню стінок порожнинних органів.

Специфічна ► Беруть участь в утворенні антитіл, забезпечують специфічність груп крові, нормальну діяльність центральної

нервової системи.

!! В основному вуглеводи містяться в рослинних організмах, де відбувається їх фотосинтез. Рослинні організми містять приблизно 80 %, а тваринні - 2 % вуглеводів від сухої маси.

!! Вуглеводи мають велике значення в харчуванні людини. Вони є однією з найважливіших складових їжі людини.

!! Добова потреба людини у вуглеводах становить 450-500 г, в тому числі моно - і дисахаридів - до 100 г.

2. Класифікація вуглеводів

ВУГЛЕВОДИ

Залежно від складу, будови та властивостей вуглеводи розподіляють на три групи: прості (моносахариди) і і складні (оліго- і полісахариди)

Моносахариди ► Поліоксиальдегіди або поліоксикетони, які у розчині знаходяться в динамічній рівновазі з своїми циклічними

а- чи (3-формами, а у кристалічному стані існують виключно у циклічній (піранозній чи фуранозній) формі. Білі

кристалічні речовини, добре розчинні у воді, солодкі на смак, оптично активні.

Олігосахариди ► Вуглеводи, що містять у молекулах від двох до десяти моносахаридних ланок, сполучених

глікозидними зв'язками. Кристалічні речовини, добре розчинні у воді, солодкі на смак. При гідролізі

розкладаються на моносахариди, відрізняються складом моносахаридів та типом глікозидного зв'язку.

Полісахариди ► Високомолекулярні речовини, несолодкі на смак, погано розчиняються у воді, або утворюють колоїдні

розчини. При повному гідролізі утворюють моносахариди.

3. Характеристика основних представників вуглеводів

Моносахариди

► Тріози - гліцериновий альдегід (гліцеральдегід) та дигідроксиацетон, зустрічаються в живих організмах у виді складних

фосфорнокислих естерів (складних ефірів):

► Пентози - арабіноза, ксилаза, рибоза. Ксилоза С₅Н,о0₅ -складова частина геміцелюлоз - полісахаридів, які входять до складу клітинних оболонок рослинних організмів. Рибоза та 2-дезоксирибоза входять до складу нуклеїнових кислот.

►Гексози - глюкоза, фруктоза, галактоза, маноза (С_бН₁₂Об) та їх похідні: аміносахариди, урокові кислоти.

Глюкоза - моносахарид, який належить до групи альдогексоз. У водному розчині установлюється динамічна рівновага кількох гаутомерних форм а- і В-глюкоггіранози.

D-глюкоза α-D-глюкопіраноза

Глюкоза і фруктоза зустрічаються як у вільному стані, наприклад, у плодах, ягодах, меду, так і входять до більш складних вуглеводів, наприклад, сахарози, крохмалю, целюлози, інуліну (фруктозан). Важливу роль відіграє глюкоза в життєдіяльності тваринних організмів та людини. Вона знаходиться у крові, лімфі людини.

Розчини глюкози використовують як лікувальні засоби при багатьох захворюваннях.

Фруктоза найсолодша з моносахаридів. Вона в 2,5 рази солодша за глюкозу і в 1,7 рази - за сахарозу.

Галактоза - моносахарид групи альдогексоз, може існувати у циклічній та ациклічній формах. Відрізняється від

глюкози положенням спиртової групи біля атома вуглецю в четвертому положенні. Входить до складу дисахариду

лактози,

Маноза - моносахарид групи альдогексоз, ізомер глюкози. В розчинах існує у вигляді рівноважної системи ланцюгової та двох циклічних аномерних форм:

У незначних кількостях зустрічається в організмі людини. Вона входить до складу природних полісахаридів - мананів.

З аміносахаридів найбільш поширені глюкозамін (2-дезокси-2-аміно-О-глюкоза) та галактозамін (2-дезокси-2-аміно-D-галактоза), формули яких наведені нижче. Вони входять до складу гетерополісахаридів. З уронових кислот слід виділити глюкуронову та галактуронову D -глюкуронова кислота входить до складу гетерополісахаридів, а D -галактуронова - пектинових речовин.

Дисахариди

• Найбільш поширеними серед дисахаридів є мальтоза (солодовий цукор), лактоза (молочний цукор), сахароза (буряковий цукор), загальна формула яких С11Н22О11.

• За будовою та хімічними властивостями дисахариди розподіляють на відновні та невідновні.

• Молекули відновних дисахаридів можна розглядати як такі, що утворені за рахунок виділення води з напівацетального гідроксилу одного моносахариду й одного з спиртових гідроксилів іншого. Вони мають один напівацетальний гідроксил і подібно до моносахаридів виявляють відновні властивості. До цієї групи належать мальтоза, лактоза.

Мальтоза складається з двох залишків а-Б-глюкози, сполучених 1,4-глікозидним зв'язком:

або

У розчинах мальтоза може існувати в двох таутомерних формах - циклічний (α-D-глюкопіранозил-(1,4)-глюкопіраноза) та альдегідній, які перебувають у динамічній рівновазі:

Мальтоза (циклічна форма) Мальтоза (альдегідна форма)

! Мальтоза у вільному стані не зустрічається. її добувають гідролізом крохмалю ферментами а-амілазами, які містяться у солоді, тобто, у пророслих зернах злаків. Мальтоза виділяється у кристалічному стані, добре розчинна у воді, зброджується дріжджами.

Лактоза, або β-D-галакгопіранозил- (1,4) - D-глюкоігіраноза:

В кристалічному стані лактоза має циклічну будову, а в розчинах існує в двох таутомерних формах - циклічній і альдегідній, які зв'язані між собою динамічною рівновагаю:

Лактоза (циклічна форма) Лактоза (альдегідна форма)

! Лактоза міститься у молоці (4-5 %). Розщеплення лактози в тонкій кишці здійснюється під дією ферментів а, (3-глікозидаз.

► Дисахариди другої групи можна розглядати як такі, молекули яких утворені при виділенні води за рахунок двох

напівацетальних гідроксилів У молекулах таких дисахаридів нема напівацетального гідроксилу і вони не виявляють від­новних

властивостей. Представником цієї групи дисахаридів є сахароза.

Сахароза, або α-D-глюкопіранозил-(1,2)-β-D-фруктофураноза:

або

! Сахароза міститься в листі, насінні та плодах рослин. Особливо багато її у коренеплодах цукрових буряків (16-20 %) та цукровій тростині (14-26%). За участю специфічних мікроорганізмів піддається різним видам бродіння.

Полісахариди

► Залежно від складу розрізняють гомополісахариди та гетерополісахариди. При гідролізі гомополісахариди утворюють однакові, а гетерополісахариди - різні за природою моносахариди.

Гомополісахариди

Крохмаль (С6Н₁₀О₅)n- біла аморфна речовина, у гарячій воді набухає, поступово розчиняється, при охолодженні утворює клейстер. Крохмаль багатьох рослин складається із двох фракцій: амілози (приблизно 25%) та амілопектину (приблизно 75%). Молекули амілози побудовані із залишків α-D-глюкопіранози, сполучених між собою 1,4-глікозидними зв'язками:

Амілоза має нерозгалужені молекули і молекулярну масу 30 - 400 тис, розчиняється у гарячій воді, а при охолодженні випадає в осад. Це дає змогу виділити її. При нагріванні клейстеру не утворює. У молекулі амілопектину залишки молекул глюкози сполучені не тільки за допомогою 1,4-глїкозидних зв'язків, а також у деяких випадках і за допомогою 1,6-глікозидних зв'язків:

Амілопектин має розгалужені молекули і вищу молекулярну масу - понад 2*10⁶. Амілопектин не розчиняється у холодній і погано розчиняється в гарячій воді. Його розчини мають велику в'язкість і при охолодженні перетворюються на гелеподібну масу. Йодом амінопектин забарвлюється у фіолетовий колір, а амілоза -в синій.

Глікоген (С6Н10О₅)n - біла аморфна речовина, розчиняється у воді. Молекула глікогену нагадує молекулу амілопектину, але більш розгалужена і має вищу молекулярну масу (від 200 млн - до кількох мільярдів). Глікоген є резервним полісахаридом тваринних організмів. Він накопичується у тканинах, особливо в печінці (до 20%) та м'язах (до 4 %). Ферментативне розщеплення глікогену здійснюється двома шляхами: гідролізом та фосфоролізом. Гідролітично розщеплюється α- амілазою з утворенням мальтози.

При фосфоролізі глікогену за участю фосфорилази (у печінці) утворюється глкжозо-1-фосфат.

З йодом глікоген дає червоно-фіолетове або червоно-коричневе забарвлення.

Целюлоза (С6Н100₅)п - тверда волокниста речовина, є складовою рослинних організмів. Вона не розчиняється ні у воді, ні у звичайних органічних розчинниках. Молекули целюлози побудовані із залишків β-D-глюкопіранози, сполучених між собою β-1,4-глікозидними зв'язками. В організмі людини целюлоза не засвоюється через відсутність ферменту целюлази. Целюлоза є важливим компонентом їжі, який забезпечує моторну та секреторну функції кишок. У харчовій промисловості застосовується метилцелюлоза як добавка до харчових продуктів.

Пектинові речовини знаходяться у тканинах фруктів, ягід, овочів та інших частинах рослин у виді природних високомолекулярних сполук, молекули яких складаються із залишків α-D-галактуронової кислоти, частково або повністю етерифікованих метиловим спиртом або фосфорною кислотою. Види пектинів розрізняють за ступенем етерифікації та довжиною полігалактуронових ланцюгів. Нерозчинний протопектин переходить у розчинний пектин тільки після обробки розбавленими кислотами або під дією ферменту протопектинази. При дозріванні та зберіганні різних плодів та овочів також спос­терігається утворення протопектину й поступовий його перехід у розчинний пектин. Із водного розчину пектин можна осадити спиртом або ацетоном. Його основу складає метоксшіьована полігалактуронова кислота:

Пектинові речовини (близько 1 %) при додаванні до сиропу сахарози спричиняють утворення драглів, що використовується у харчовій промисловості. їх застосовують при виготовленні мармеладу, пастили, желе. При певних умовах можливе утворення драглів у середовищах без сахарози низькометоксильованими пектинами. Пектинові речовини забезпечують зв'язування та видалення з організму токсичних сполук, іонів важких металів, радіонуклідів.

Гетерополісахариди

Гіалуронова кислота. До складу молекул гіалуронової кислоти входять залишки β-D-глюкуронової кислоти, N-ацетил-β-D-глюкозаміну та оцтової кислоти. Структура гіалуронової кислоти має вигляд:

Її молекулярна маса становить від 270 до 500 тис. Розчин гіалуронової кислоти має високу в'язкість. У тваринних організмах вона є цементуючим компонентом клітин і міжклітинної речовини, захищає клітини від попадання інфекції, отруйних речовин, бере участь у водному та іонному обміні.

Хондроїтинсірчана кислота. До складу молекул хондроїтинсірчаної кислоти входять залишки глюкуронової кислоти, N-ацетил-галактозаміну, оцтової та сірчаної кислоти.

Молекулярна маса складає 40000-50000. Вона входить до складу сполучної тканини, міститься у хрящах тваринних організмів. Із білками утворює комплекси, входить до складу клітинних мембран і зумовлює їх проникність.

Гепарин. Молекули гепарину складаються із залишків глюкуронової кислоти, α - D -глюкозаміну та сірчаної кислоти

Молекулярна маса складає 15000-20000. Гепарин в організмі людини бере участь в обміні ліпідів та білків, перешкоджає згортанню крові, спричиняє розширення судин, знижує кров'яний тиск. Гепарин використовується як антикоагулянт, наприклад, при консервуванні крові.