Студопедия Главная Случайная страница Задать вопрос

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Усвояемые углеводы





Известно более 70 различных моносахаридов, однако только некоторые из них используются в питании. Наибольшей пищевой ценностью обладают альдозы (глюкоза, галактоза, манноза, ксилоза), а также кетозы (фруктоза). Потребление глюкозы и фруктозы – двух наиболее распространенных в природе моносахаридов – достигает 20% общего потребления углеводов. Из кишечника углеводы всасываются в кровь только в виде глюкозы и фруктозы. Глюкозу в качестве питательного материала в организме человека используют в основном нервные клетки, мозговое вещество почек и эритроциты.

Депонируется глюкоза в виде гликогена печени (100 г) и мышц (250 г). В организме постоянный уровень концентрации глюкозы в крови поддерживается с помощью гормонов поджелудочной железы – инсулина и глюкагона.

Животные организмы не способны синтезировать углеводы и получают их из растительных источников.

Углеводы образуются в растениях в процессе фотосинтеза из диоксида углерода и воды с использованием солнечной энергии. В самом общем виде фотосинтез может быть представлен в виде следующей реакции:

Эта энергия высвобождается в животных организмах в результате метаболизма углеводов, заключающегося с химической точки зрения в их окислении:

Сх2О)у + хО2 ¾® хСО2 + уH2О + энергия

Углеводы можно рассматривать как своеобразное «депо» энергии. Часть выделяющейся при метаболизме углеводов энергии превращается в теплоту, а часть – в новую химическую форму, запасаемую в АТФ и затем расходуемую в процессах жизнедеятельности (сокращение мышечных волокон, передача нервного импульса и др.).

Суммарный энергетический эффект аэробного распада глюкозы до конечных продуктов составляет 38 моль АТР (всего образуется 40 моль АТФ, но 2 моля используется для самой реакции).

Анаэробный и аэробный гликолиз энергетически неравноценны. Образование двух моль лактата из глюкозы в ходе анаэробного гликолиза сопровождается синтезом всего двух моль АТР. Анаэробный гликолиз, несмотря на небольшой энергетический эффект, является основным источником энергии для скелетных мышц в начальном периоде интенсивной работы, то есть в условиях, когда снабжение кислородом ограничено. Кроме того, зрелые эритроциты извлекают энергию за счет анаэробного окисления глюкозы, потому что не имеют митохондрий.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕВОДОВ

Классификация углеводов ступенчатая.

Ι В первую очередь, отмечается количество атомов углерода углеводородной части молекулы - тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы и т.д. Наиболее распространенными являются пентозы и гексозы. Нормальные углеводы структурно расходуют один углеродный атом на карбонильную группу, при всех остальных углеродных атомах находится по одной гидроксильной группе.

Классификация углеводов основана на их способности гидролизоваться. Углеводы разделяются на простые и сложные. Простые углеводы иначе называются моносахаридами. Сложные подразделяют на олигосахариды и полисахариды.

Итак, все углеводороды можно разделить на три больших класса:моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

1) Моносахариды(простые сахара, иначе называют мономеры) – это структурная единица любых углеводов, они не могут быть гидролизованы до более простых форм углеводов. По химическому составу монозы являются либо полигидроксиальдегидами, либо полигидроксикетонами. Моносахариды, в состав которых входит альдегидная группа ( ), называют альдозами, а кетонная( ) - кетозами.

2) Олигосахариды – это олигомеры, состоящие из нескольких (не более 10) мономеров – моносахаридов, связанных между собой гликозидной связью. Они делятся по числу моносахаридов в молекуле на дисахариды (или биозы), трисахариды (или триозы), тетрасахариды (тетрозы), пентасахариды (или пентозы), гексасахариды (или гексаозы) и т.д.

3) Полисахариды – название класса сложных высокомолекулярных углеводов, молекулы которых состоят из десятков, сотен или тысяч мономеров – остатков моносахаридов.

Полисахариды (дисахариды) – это углеводы, которые при гидролизе дают «n» одинаковых или различные молекулы моносахарида и связаны друг с другом гликозидной связью.

СТРОЕНИЕ МОНОСАХАРИДОВ

Строение простейших оксиальдегидов и оксикетонов с двумя и тремя атомами углерода вытекает непосредственно из их свойств и способов образования.

 

 

ОЛИГОСАХАРИДЫ

Олигосахариды обладают, как правило, сладким вкусом; при гидролизе каждая молекула олигосахарида распадается на небольшое число молекул моносахарида (от двух до шести). Общеизвестным примером олигосахаридов является тростниковый, или свекловичный, сахар, гидролизующийся с образованием одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы.

В зависимости от числа молекул простых сахаров, образующихся при гидролизе молекулы олигосахарида, различают:

Дисахариды (или биозы),дающие при гидролизе 2 молекулы моносахарида (могут быть одинаковыми и разными):

-сахароза (тростниковый или свекловичный сахар) – при гидролизе распадается на глюкозу и фруктозу;

-лактоза (молочный сахар) – гидролизуется с образованием галактозы и глюкозы;

-мальтоза (солодовый сахар) – распадается на две молекулы d – глюкозы;

Трисахариды (или триозы), дающие при гидролизе 3 молекулы моносахарида ( рафиноза – остаток мальтозы + остаток фруктозы), мелицитоза (остаток сахарозы+ остаток глюкозы) , генцианоза ( остаток мальтозы + фруктозы);

Тетра сахариды (или тетрозы), дающие при гидролизе 4 молекулы моносахарида;

Пентасахариды (или пентозы), дающие при гидролизе 5 молекулы моносахарида и т.д.

Наибольшее значение имеют дисахариды (биозы), т.к чем больше молекулярная масса углеводов, тем менее растворимое вещество и не сладкое на вкус.

Высшие полиозы (высшие полисахариды) сладким вкусом не обладают; при гидролизе каждая молекула полиозы распадается на очень большое число молекул моноз, исчисляемых иногда десятками и сотнями тысяч. Самыми важными представителями высших полиоз, широко распространенными в природе, являются крахмал и целлюлоза.

Полисахариды в природесоставляют главную массу орг. в-ва, находящегося в биосфере Земли. Они выполняют в живых организмах три важнейших типа биол. ф-ций, выступая в роли энергетич. резерва, структурных компонентов клеток и тканей или же защитных в-в.

Хорошо известными резервными полисахаридами являются крахмал, гликоген, фруктаны, галактоманнаны и нек-рые р-глюканы. Эти полисахариды способны быстро гидролизоваться имеющимися в клетках ферментами, и их содержание сильно зависит от условий существования и стадии развития организма.

Структурные полисахариды можно разделить на два класса. К первому относят нерастворимые в воде полимеры, образующие волокнистые структуры и служащие армирующим материалом клеточной стенки (целлюлоза высших растений и нек-рых водорослей, хитин грибов, b-D-ксиланы и b-D-ман-наны нек-рых водорослей и высших растений). Ко второму классу относят гелеобразующие полисахариды, обеспечивающие эластичность клеточных стенок и адгезию клеток в тканях. Характерными представителями этого класса полисахаридов являются сульфатир. гликозаминогликаны (мукополисахариды) соединит. ткани животных, сульфатир. галактаны красных водорослей, альгиновые к-ты, пектины и нек-рые гемицеллюло-зы высших растений.

К защитным полисахаридам относят камеди высших растений (гетеро-полисахариды сложного состава и строения), образующиеся в ответ на повреждение растит. тканей, и многочисл. внеклеточные полисахариды микроорганизмов и водорослей, образующие защитную капсулу или модифицирующие св-ва среды обитания клеток.

ΙΙ Вторая ступень классификации связана с расположением карбонильной группы в углеводородной цепи. Характерной особенностьюкласса углеводов является наличие не менее двух гидроксильных групп и одной карбонильной (альдегидной или кетонной) группы. Следовательно, простейший углевод должен содержать три атома углерода. По числу атомов углерода моносахариды называют триозами, тетрозами, пентозами, гексозами и т.д.

С учетом первой ступени классификации, в названии моноз учитывается как число атомов углерода, так и наличие альдегидной или кетонной группы.

Например, моносахариды, в состав которых входят 6 атомов углерода и альдегидная группа, называются альдогексозами, если же они содержат кето-группу, то кетогексозами.

ΙΙΙ Следующий этап подразделения углеводов определяется пространственным структурным фактором, а именно, наличием асимметрических центров.

Выделенные звездочкой атомы углерода являются асимметрическими.

Асимметрическим называется атом углерода, соединенный с четырьмя разными заместителями (атомами или группами атомов).

Наличие в молекуле асимметрических атомов углерода делает моносахариды оптически активными соединениями, причем величина удельного вращения является характеристическим параметром моносахарида.

Углеводы, в составе которых есть асимметрические атомы углерода, обладают особым видом пространственной изомерии – стереоизомерией или оптической изомерией. Стереоизомеры отличаются пространственной конфигурацией атомов водорода и гидроксильной группы при асимметрическом атоме углерода. Число стереоизомеров равно 2n, где n - число асимметрических атомов углерода.

Например, альдогексоза общей формулы С6Н12О6 с четырьмя асимметрическими атомами может быть представлена любым из 16 возможных стереоизомеров, восемь из которых относятся к D-ряду, а восемь - к L-ряду.

Приведенные выше линейные структурные формулы альдоз и кетоз называются формулами в проекции Фишера.

Для установления конфигурации углевода следует изобразить его проекцию Фишера в таком виде, чтобы группы СНО и СН2ОН занимали соответственно верхнее и нижнее положения на вертикали.

Углевод относятся к L – ряду, если гидроксильная группа при нижнем асимметрическом центре стоит слева, и к D – ряду, если она находится справа от вертикали.

Исторически сложилось так, что глицериновый альдегид, лег в основу D, L – системы для углеводов. В отличие от двух предыдущих примеров L – глицериновый альдегид оказался левовращающим, а его D – форма – правовращающей.

Как видно на слайдах 8,9, молекула альдозы содержит (n-2) асимметрических центра, молекула кетозы – (n-3) таких центра: это значит, что альдогексозы могут существовать в виде 24 (16), конфигурационных изомеров кетогексозы - в виде 23 (8) конфигурационных изомеров.

 

Иерархическая схема стереохимического родства природных альдоз D-ряда

Для перехода от моносахарида D-ряда к L – ряду необходимо изменить на противоположную конфигурацию всех ассиметрических углеродных атомов.

 

Иерархическая схема стереохимического родства природных кетоз D-ряда

Если принять за минимальную альдозу глицериновый альдегид и минимальную кетозу - эритрулозу, мы можем построить иерархическую схему стереохимического родства природных углеводов с учетом того факта, что, в основном, они относятся к D-ряду в проекциях Фишера.

По мере необходимости указывая в скобках знак оптического вращения: (+) – правовращающий или (-) – левовращающий. Следует заметить, что не существует какой-либо связи между знаком вращения оптического изомера и его принадлежностью к D - , так и L – формы могут быть как лево-, так и правовращающими изомерами и наоборот.

Доказательство строения и стереохимического родства восьми D - гексоз и четырех D-пентоз было основано на блестящих работах Эмиля Фишера, за которые он получил Нобелевскую премию по химии в 1901 году.

Относительно особенностей конфигураций D - и L-рядов моносахаров следует отметить два факта:

1. Обозначение D - и L - не находятся во взаимосвязи со знаком их оптического вращения.

2. Живые организмы "не узнают" и "не умеют" усваивать углеводы L-ряда, тогда как синтезировать они их могут. Свойство инертности ферментов к L - сахарам природа часто использует для построения сложных устойчивых молекулярных систем.

Углеводы были открыты до того, как стали понятны молекулярные аспекты химии.

Вначале было найдено, что они содержат только углерод, водород и кислород (причем два последних в том же соотношении, что и в воде), т. е. являются как бы соединениями угля с водой, поэтому им приписали общую формулу Cx(H2O)y, где х и у — целые числа. Позже стало ясно, что такое определение не является точным, так как были выделены другие соединения, которые по химическим и физическим свойствам хотя и подходят к классу углеводов, однако не содержат водорода и кислорода в соотношении 2:1.

Примером таких соединений может служить дезоксирибоза (входит в состав ДНК), имеющая общую формулу C6H10O4. В данном соединении содержание водорода и кислорода не соответствовало отношению 2:1, но оно тем не менее, имеет свойства углеводов.

Дезоксирибоза. Этот углевод в свободном виде встречается редко. Чаще он входят в состав сложных веществ, т. е. используются в организме в пластических процессах. Дезоксирибоза участвует в биосинтезе дезоксирибонуклеотидов, которые являются структурным компонентом ДНК. Спирт рибитол, производное рибозы, входит в состав витамина В12 и некоторых дыхательных ферментов.

Дезоксирибоза является альдозой. В молекуле дезоксирибозы отсутствует атом кислорода при втором атоме углерода.

С другой стороны, молочная кислота имеет общую формулу C2H6O3 (оксикарбоновая кислота), однако не принадлежит к классу углеводов.

Позже были открыты углеводы, которые кроме углерода, водорода и кислорода содержали еще азот и серу.

Например гиалуроновая кислота.

 

 

К настоящему времени известно около семидесяти моносахаридов, двадцатьиз которых встречаются в природе, а остальные получены синтетически; но только некоторые из распространенных в природе сахаров представляют для нас интерес. Всем им присущ сладкий вкус, хорошая растворимость в воде, плохая растворимость (или даже нерастворимость) в органических растворителях, например в спирте или эфире.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1) Охарактеризуйте углеводы и их биологическую роль в организме.

2) Какое свойство углеводов лежит в основе их классификации на моно- ,олиго- и полисахариды. Приведите примеры в виде структурных формул.

3) Как образуется циклическая форма моносахаридов? В чем преимущество таких углеводов перед линейными?

4) Напишите формулы глюкозы, фруктозы и глицеринового альдегида, а также их фосфорные эфиры.

5) Как построены основные дисахариды? Назовите ферменты их гидролиза.

6) В чем отличие строения крахмала и гликогена?

7) Каковы особенности гидролиза углеводов в процессе пищеварения и их всасывания? Приведите схему гидролиза важнейших углеводов пищи. Какие ферменты ускоряют этот процесс в пищеварительной системе? Какие условия необходимы для действия этих ферментов?

8) Каковы механизмы поддержания постоянной концентрации глюкозы в крови?

9) Что такое гликемический индекс? Назовите примеры продуктов с низким, средним и высоким гликемическим индексом.






Дата добавления: 2014-10-22; просмотров: 711. Нарушение авторских прав

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2017 год . (0.012 сек.) русская версия | украинская версия