Углеводы. Строение и функции
 Скачать 4.44 Mb.
|
УГЛЕВОДЫ. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИУглеводы — важный класс природных веществ — встречаются повсеместно в растительных, животных и бактериальных организмах. Углеводы — это не очень удачный термин, поскольку так называют большое число соединений, обладающих различной химической структурой и биологическими функциями. Более 100 лет назад этим термином было предложено называть природные соединения, состав которых соответствовал формуле (СН50 )n, т. е. гидраты углерода. По мере открытия новых углеводов оказалось, что не все они соответствуют этой формуле, а некоторые представители других классов обладают такой же формулой, например уксусная кислота. Основоположником учения о химии углеводов является немецкий ученый Э. Фишер, первым установивший во второй половине XIX в. структуру нескольких моносахаров. Большой вклад в развитие учения об углеводах внесли отечественные ученые А. М. Бутлеров, А. А. Колли, Н. Н. Кочетков и др. Структурная химия углеводов подробно излагается в курсах органической химии, в настоящем учебнике приведены лишь краткие сведения о структуре и физико-химических свойствах углеводов, особенно важных для последующего изложения курса биохимии. Углеводы включают соединения, начиная с низкомолекулярных, содержащих всего несколько атомов углерода, до веществ, молекулярная масса которых достигает нескольких миллионов. Их делят на три класса в зависимости от числа остатков сахаров: моносахариды , олигосахариды и полисахариды. Моносахариды, или простые сахара, содержат только одну структурную единицу. Моносахариды — это полигидроксиальдегиды или полигидроксикетоны. Олигосахариды состоят из нескольких (от 2 до 10) остатков моносахаридов, соединенных О-гликозидными связями. Полисахариды являются высокомолекулярными веществами, состоящими из остатков моносахаридов, соединенных О-гликозидными связями, со степенью полимеризации выше Функции углеводов В биосфере на долю углеводов приходится больше, чем всех другие органических соединений вместе взятых. В растениях они составляют 80—90% из расчета на сухое вещество; в животном организме на их долю приходится 2% массы тела. Однако значение углеводов велико для всех видов живых организмов. Природные углеводы выполняют две основные функции: являются источником углерода, который необходим для синтеза белков, нуклеиновых кислот, липидов и др.; обеспечивают до 70% потребности организма в энергии. При окислении 1 г углеводов выделяется —16,9 кДж энергии. Другими функциями углеводов являются следующие. Резервная. Крахмал и гликоген представляют собой форму хранения питательных веществ, выполняя функцию временного депо глюкозы. Структурная. Целлюлоза и другие полисахариды растений образуют прочный остов; в комплексе с белками и липидами они входят в состав биомембран всех клеток. Защитная. Кислые гетерополисахариды выполняют роль биологического смазочного материала, выстилая трущиеся поверхности суставов, слизистой пищеварительных путей, носа, бронхов, трахеи и др. Особое значение имеет специфическая функция углеводов — участие в образовании гибридных (комплексных) молекул, а именно гликопротеинов и гликолипидов. Так, гликопротеины служат маркерами в процессах узнавания молекулами и клетками друг друга, определяют антигенную специфичность, обусловливают различия групп крови, выполняют рецепторную, каталитическую и другие функции. Гидроосмотическая и ионрегулирующая – гетерополисахариды обладают высокой гидрофильностью, отрицательным зарядом и, таким образом, удерживают Н2О, ионы Са2+, Mg2+, Na+ в межклеточном веществе, обеспечивают тургор кожи, упругость тканей, Кофакторная – гепарин является кофактором липопротеинлипазы плазмы крови (участие в обмене липопротеинов) и фермента антикоагулянтной системы крови - антитромбина III. КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕВОДОВ Моносахариды подразделяются на альдозы и кетозы в зависимости от наличия альдегидной или кетогруппы. Альдозы и кетозы, в свою очередь, разделяются в соответствии с числом атомов углерода в молекуле: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д. Олигосахариды делятся по числу моносахаридов в молекуле: дисахариды, трисахариды и т.д. Полисахариды подразделяют на гомополисахариды, т.е. состоящие из одинаковых моносахаров, и гетерополисахариды, состоящие из различных моносахаров. МОНОСАХАРИДЫ Моносахариды – это углеводы, которые не могут быть гидролизованы до более простых форм углеводов. В свою очередь они подразделяются: на стереоизомеры по конформации асимметричных атомов углерода – например, L- и D-формы, в зависимости от расположения НО-группы первого атома углерода – α- и β-формы, в зависимости от числа содержащихся в их молекуле атомов углерода – триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы, октозы, в зависимости от присутствия альдегидной или кетоновой группы – кетозы и альдозы. ПРОИЗВОДНЫЕ МОНОСАХАРИДОВ В природе существуют многочисленные производные моносахаров К ним, например, относятся: Уроновые кислоты – дериваты гексоз, имеющие в 6 положении карбоксильные группы, например, глюкуроновая, галактуроновая, идуроновая, аскорбиновая кислоты. Аминосахара – производные моносахаров, содержащие аминогруппы, например, глюкозамин или галактозамин. Эти производные обязательно входят в состав дисахаридных компонентов гетерополисахаридов. Ряд антибиотиков (эритромицин, карбомицин) содержат в своем составе аминосахара. Гликозиды – соединения, образующиеся путем конденсации моносахарида (свободного или в составе полисахарида) с гидроксильной группой другого соединения, которым может быть любой моносахарид или вещество неуглеводной природы (агликон), например, метанол, глицерол, стерол, фенол ДИСАХАРИДЫ Дисахариды – это углеводы, которые при гидролизе дают две одинаковые или различные молекулы моносахарида. Сахароза – пищевой сахар, в которой остатки α-глюкозы и β-фруктозы связаны α1,2-гликозидной связью. Присутствует в большинстве фруктов, в ягодах и в некоторых овощах, в наибольшем количестве содержится в сахарной свекле и сахарном тростнике, в моркови, ананасах, сорго. Мальтоза – промежуточный продукт гидролиза крахмала и гликогена, в ней два остатка α-глюкозы связаны α1,4-гликозидной связью, содержится в солоде, проростках злаков. Лактоза – содержится в молоке (до 4-6%), в ней остаток β-галактозы связан с α- или β-глюкозой β1,4-гликозидной связью. В некоторых ситуациях (например, беременность) может появляться в моче. Целлобиоза – промежуточный продукт гидролиза целлюлозы в кишечнике, в ней остатки β-глюкозы связаны β1,4-гликозидной связью. Здоровая микрофлора кишечника способна гидролизовать до 3/4 поступающей сюда целлюлозы до свободной глюкозы, которая либо потребляется самими микроорганизмами, либо всасывается в кровь ПОЛИСАХАРИДЫ Выделяют гомополисахариды, состоящие из одинаковых остатков моносахаров (крахмал, гликоген, целлюлоза) и гетерополисахариды (гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты), включающие разные моносахара. ГОМОПОЛИСАХАРИДЫ Крахмал – гомополимер αD-глюкозы. Находится в злаках, бобовых, картофеле и некоторых других овощах. Синтезировать крахмал способны почти все растения. Двумя основными компонентами крахмала являются амилоза (15-20%) и амилопектин (80-85%). Амилоза представляет собой неразветвленную цепь с молекулярной массой от 5 до 500 кДа, в которой остатки глюкозы соединены исключительно α1,4-гликозидными связями. Амилопектин содержит α1,4- и α1,6-гликозидные связи, имеет массу не менее 1 млн Да и является разветвленной молекулой, причем ветвление происходит за счет присоединения небольших глюкозных цепочек к основной цепи посредством α1,6-гликозидных связей. Каждая ветвь имеет длину 24-30 остатков глюкозы, веточки возникают примерно через 14-16 остатков глюкозы в цепочке. Гликоген – резервный полисахарид животных, находится в цитоплазме многих типов клеток, но в наибольшей мере в гепатоцитах и миоцитах. Структурно он схож с амилопектином, но длина веточек меньше – 11-18 остатков глюкозы, он более разветвлен – через каждые 8-10 остатков. За счет этих особенностей гликоген более компактно уложен, что немаловажно для животной клетки. Целлюлоза состоит из остатков β-глюкозы, единственной связью в целлюлозе является β1,4-гликозидная связь. Она является наиболее распространенным органическим соединением биосферы, около половины всего углерода Земли находится в ее составе. В отличие от предыдущих полисахаридов целлюлоза является внеклеточной молекулой, имеет волокнистую структуру и абсолютно нерастворима в воде ГЕТЕРОПОЛИСАХАРИДЫ Основными представителями гликозаминогликанов является гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфаты и дерматансульфаты, гепарин. Большинство из них характеризуется наличием повторяющихся дисахаридных остатков. Гиалуроновая кислота состоит из повторяющихся дисахаридных звеньев: глюкуроновая кислота и N-ацетилглюкозамин, соединенные β1,3-гликозидной связью. Хондроитин-4- сульфат включает повторяющееся дисахаридное звено: глюкуроновая кислота и 4-сульфатN-ацетилгалактозамин, соединенные β1,3-гликозидной связью. Дисахариды включают в себя уроновую кислоту и аминосахар. Дублируясь, дисахариды образуют олиго- и полисахаридные цепи – гликаны. В биохимии используются синонимы – кислые гетерополисахариды (имеют много кислотных групп) и гликозаминогликаны (производные глюкозы, содержат аминогруппы). Эти молекулы входят в состав протеогликанов (мукополисахаридов) – сложных белков, функцией которых является заполнение межклеточного пространства и удержание здесь воды, также они выступают как смазочный и структурный компонент суставов, хрящей, кожи. В частности, гиалуроновая кислота находится в стекловидном теле глаза, в синовиальной жидкости, в межклеточном пространстве. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УГЛЕВОДОВ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ Экспериментальная биология: для хроматографии используются декстраны – резервный полисахарид дрожжей и бактерий, состоящий из остатков αглюкозы. В декстранах основным типом связи является α1,6-гликозидная, а в местах ветвления – α1,2-, α1,3-, α1,4-гликозидные связи. 2. Лабораторная диагностика: полисахарид фруктозы инулин, содержащийся в корнях георгинов, артишоков, одуванчиков, является легко растворимым соединением. В медицинской практике используется для определения очистительной способности почек – клиренса. 3. Клиническая медицина: o декстраны используются как компонент кровезаменителей, например, в виде вязкого раствора на 0,9% NaCl, сердечные гликозиды применяются в кардиологии, в качестве агликона они содержат стероиды, при заболеваниях позвоночника и суставов широкое применение нашли препараты, содержащие хондроитинсульфат и глюкозамины, при нарушении функции кишечника используются кристаллическая целлюлоза, лактулоза, хитин (полимер β1,4-N-ацетилглюкозамина) как стимуляторы перистальтики, целлюлоза и хитин могут использоваться и в качестве адсорбента, гепарин и его производные назначаются в качестве антикоагулянтов при сосудистых проблемах, инфекционные заболевания лечатся гликозидными антибактериальными средствами, например, стрептомицин, эритромицин ВНЕШНИЙ ОБМЕН УГЛЕВОДОВ Потребность в углеводах взрослого организма составляет 350-400 г в сутки, при этом целлюлозы и других пищевых волокон должно быть не менее 30-40 г. С пищей в основном поступают крахмал, гликоген, целлюлоза, сахароза, лактоза, мальтоза, глюкоза и фруктоза, рибоза. РОТОВАЯ ПОЛОСТЬ Здесь находится кальций-содержащий фермент α-амилаза. Оптимум ее рН 7,1-7,2, активируется ионами Cl– . Являясь эндогликозидазой, она беспорядочно расщепляет внутренние α1,4-гликозидные связи и не влияет на другие типы связей. В ротовой полости крахмал и гликоген способны расщепляться α-амилазой до декстринов и мальтозы. Дисахариды ничем не гидролизуются. ЖЕЛУДОК Из-за низкой рН амилаза инактивируется, хотя некоторое время расщепление углеводов продолжается внутри пищевого комка КИШЕЧНИК Для переваривания полисахаридов в полости тонкого кишечника работают совместно панкреатические ферменты: α-амилаза, разрывающая внутренние α1,4-связи, изомальтаза, разрывающая α1,6-связи изомальтозы, олиго-1,6-глюкозидаза, действующая на точки ветвления крахмала и гликогена. Кроме полостного, имеется еще и пристеночное пищеварение, которое осуществляют: сахаразо-изомальтазный комплекс (устаревшее название сахараза) – в тощей кишке гидролизует α1,2-, α1,4-, α1,6-гликозидные связи, расщепляет сахарозу, мальтозу мальтотриозу, изомальтозу, гликоамилазный комплекс – находится в нижних отделах тонкого кишечника и расщепляет α1,4-гликозидные связи в олигосахаридах, β-гликозидазный комплекс (устаревшее название лактаза) – гидролизует β1,4- гликозидные связи между галактозой и глюкозой (лактозу). У детей активность лактазы очень высока уже до рождения и сохраняется на высоком уровне до 5-7 лет, после чего снижается Спасибо за внимание! |