Углеводы. Классификация углеводов

Термин “углеводы”, предложенный в XIX столетии, был основан на предположении, что все углеводы содержат три элемента – углерод, водород и кислород, соотношение последних как в воде, и элементарный состав можно выразить формулой Сn (Н₂О)m. Однако по мере открытия новых углеводов обнаружили, что не все они удовлетворяют этой формуле.

Термин “углеводы” устарел и не отражает ни химической природы, ни состава этих соединений, однако предложенный для них термин "глициды” не получил распространения. Характерным отличительным признаком углеводов является наличие в их составе не менее двух гидроксильных групп и карбонильной (альдегидной или кетонной) группы, т. е. углеводы это полиоксикарбонильные соединения и их производные.

Углеводы - наиболее распространенный в природе класс органических соединений. Функции углеводов в клетках весьма разнообразны. Они служат источником и аккумулятором энергии клеток, выполняя структурную роль, они в виде гликозамингликанов входят в состав межклеточного матрикса, участвуют во многих метаболических процессах.

Моносахариды - это углеводы, которые не подвергаются гидролизу, т.е. не распадаются на более простые сахара. Олигосахариды - сложные углеводы, которые содержат от 2 до 10 остатков моносахаридов.

Полисахариды являются высокомолекулярными соединениями, макромолекулы которых содержат сотни и тысячи моносахаридных остатков либо одного типа (гомополисахариды), либо разных типов (гетерополисахариды).

2.2. Моносахариды

В основе классификации моносахаридов лежат два признака:

Наличие функциональных групп.

Количество атомов углерода в составе моносахаридов.

В зависимости от положения в молекуле карбонильной группы моносахариды разделяются на альдозы и кетозы. Альдозы содержат альдегидную группу, тогда как кетозы содержат кетогруппу.

В зависимости от числа углеродных атомов выделяются следующие группы моносахаридов: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы

и т.д.

Открытые (незамкнутые) формы моносахаридов изображаются в виде проекционных формул Фишера. Молекулы моносахаридов содержат несколько центров хиральности (С*) и принадлежат к соединениям L- или D-ряда.

Относительная конфигурация моносахаридов определяется по конфигурационному стандарту – глицериновому альдегиду.

Моносахариды относятся к D-ряду, если ОН-группа при нижнем хиральном атоме углерода стоит справа и к L-ряду, если ОН группа стоит слева. Поэтому гидроксил, стоящий при нижнем хиральном атоме, называется D-, L-определяющим.

В водном растворе находятся как открытые, так и циклические формы моносахаридов. Циклические формы пятичленные (фуранозные) и шестичленные (пиранозные) гетероциклы.

Названия циклов происходят от названия родственных соединений – фурана и пирана

Циклические формы моносахаридов являются полуацеталями. Они образуются за счет внутримолекулярного взаимодействия между карбонильной и гидроксильной группами моносахарида. В циклической форме возникает новый центр хиральности,а также новый гидроксил – полуацитальный. Это приводит к образованию еще пары изомеров, которые называются аномерами.

Для циклических форм моносахаридов приняты перспективные формулы Хеуорса, в которых циклы изображаются в виде плоских многоугольников, лежащих перпендикулярно плоскости рисунка. Атом кислорода располагается в пиранозном цикле в дальнем правом углу, в фуранозном – за плоскостью цикла. Символы атомов углерода в циклах не пишутся.

Для перехода от Фишеровских проекционных формул к формулам Хеуорса нужно иметь в виду следующее: атомы и группы атомов находящиеся в формулах Фишера слева от углеродной цепи, в формулах Хеуорса располагаются над плоскостью цикла; заместители расположенные справа – под плоскостью.

Учитывая выше изложенное наиболее важные моносахариды в формулах Хеуорса имеют следующий вид.

Производные моносахаридов

Модификация имеющихся групп или введение новых заместителей в молекулу моносахаридов дает различные их производные. Они используются для построения разнообразных полимерных углеводов. Некоторые из производных являются промежуточными продуктами обмена.

Сиаловые кислоты во многом определяют взаимодействие лиганда с рецепторами клеточных мембран. Изменение содержания сиаловых кислот на клеточной поверхности сопровождает дифференцировку клеток и развитие патологического процесса. Избыточным количеством сиаловых кислот на поверхности мембран объясняют многие свойства опухолевых клеток, десиалирование рецепторов мембран гепатоцита приводит к развитию атеросклероза.

2.3. Олигосахариды

К олигосахаридам относятся сложные углеводы, имеющие от 2 до 10 звеньев моносахаридов соединенных гликозидными связями. Среди наиболее распространенных олигосахаридов следует отметить дисахариды – мальтозу, лактозу, сахарозу. Они отличются друг от друга составом моносахаридов, типом гликозидной связи, свойствами.

Лактоза и мальтоза относятся к восстанавливающим дисахаридам. Гликозидная связь в них образуется за счет полуацетальной (гликозидной) ОН-группы одного моносахарида и спиртовой группой другого моносахарида. В этих дисахаридах имеется свободная полуацетальная окси-группа. Они обладают восстанавливающими свойствами, т.е. дают положительную реакцию Троммера с гидроксидом меди (II), что сопровождается образованием осадка кирпично-красного цвета (оксида меди-I-(Сu₂О)).

В отличие от мальтозы и лактозы сахароза относится к невосстанавливающим дисахаридам, т.к. гликозидная связь в молекуле сахарозы образуется за счет полуацетальных ОН-групп обоих моносахаридов. Поэтому сахароза не содержит свободного гликозидного гидроксила, она не может переходить в открытую карбонильную форму и поэтому не дает реакции на альдегидную группу (реакцию Троммера).

Мальтоза (солодовый сахар) образуется при расщеплении крахмала в кишечнике. Содержится в больших количествах в солоде и солодовых экстрактах, отсюда и получила свое название "солодовый сахар". В растворе мальтоза может быть в открытой и циклической форме. Мальтоза состоит из остатков ?, D-глюкопиранозы и D-глюкозы, связь между ними ? (1> 4) гликозидная.

Лактоза – молочный сахар; важнейший дисахарид молока. В коровьем молоке содержится до 5% лактозы, в женском молоке – до 8%. Лактоза состоит из ?, D-галактопиранозы и D-глюкозы, связь ?-1,4-гликозидная, поскольку в лактозе содержится свободный полуацетальный гидроксил, она относится к восстанавливающим сахарам

Лактоза применяется в фармацевтической промышленности при изготовлении порошков и таблеток, т.к. она менее гигроскопична чем сахар

Сахароза - растворимый дисахарид сладкого вкуса. Содержится в сахарной свекле, сахарном тростнике. Сахароза не содержит свободного полуацетального гидроксила, поэтому относится к невосстанавливающим сахарам.

2.4. Гомополисахариды (ПС).

Структурные различия между полисахаридами определяются:

- строением моносахаридов, составляющих цепь

- типом гликозидных связей, соединяющих мономеры в цепь

- последовательностью остатков моносахаридов в цепи.

В зависимости от строения остатков моносахаридов полисахариды делятся на гомополисахариды, макромолекулы которых состоят из моносахаридных остатков одного вида, гетерополисахариды содержат разные моносахариды.

В зависимости от выполняемых функций ПС делят на 3 группы:

- резервные ПС, выполняющие энергетическую роль. Эти ПС служат источником глюкозы. ПС 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 ПС;

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

К гомополисахаридам относятся крахмал, гликоген, клетчатка.

Крахмал – главный резервный полисахарид растений, образуется в растениях в процессе фотосинтеза и запасается в клубнях картофеля, зернах злаковых растений до 45%от массы сухого вещества. Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов, построенных из остатков альфа, D-глюкопиранозы: амилозы (10-20%) и амилопектина (80-90%), общая формула крахмала (С₆Н₁₀О₅)_n.

Амилоза имеет линейное строение, остатки ?, D- глюкопиранозы в ней соединены с помощью ? (1> 4) гликозидных связей.

Длина цепей 200-300 звеньев молекулярная масса 160 тыс Д. Макромолекула амилозы свернута в спираль.

Синяя окраска при добавлении йода к раствору крахмала обусловлена наличием такой спирали.

Амилопектин – разветвленный полисахарид с молекулярной массой около 1 млн. Да примерно через 20-25 моносахаридных звеньев у него имеются точки ветвления, образованные альфа (1> 6)-гликозидными связями. Коллоидные растворы амилопектина дают с йодом красно-фиолетовое окрашивание.

Гликоген – представляет главный энергетический и углеводный резерв человека и животных. Особенно велико его содержание в печени (до 10%) и мышцах (до 4 %).

Гликоген – это разветвленный полимер, образованный остатками ?, D-глюкопиранозы. В цепи связи между ними ? (1> 4)-гликозидные, а в точках ветвления альфа (1> 6)-гликозидные, т.е. гликоген напоминает амилопектин, однако он имеет большую степень ветвления чем амилопектин и придает ему большую компактность. Молекулярная формула гликогена (С₆Н₁₀О₅)_n.

Целлюлоза (клетчатка) – основной структурный полисахарид растений. Она нерастворима в воде, химически инертна. Целлюлоза состоит из остатков бета – глюкопиранозы. Связи между ними ? (1> 4)-гликозидные. Целлюлоза не перваривантся в организме человека, так как в пищеварительном тракте нет ферментов, гидролизующих ? (1> 4)-гликозидные связи, однако она необходима как компонент для нормального пищеварения.

2.5. Гетерополисахариды

Гликозамингликаны – линейные отрицательно заряженные гетерополисахариды. Раньше их называли мукополисахаридами, так как они обнаруживались в слизистых секретах (мукоза) и придавали этим секретам вязкие смазочные свойства. Эти свойства обусловлены тем, что гликозамингликаны могут связывать большие количества воды, в результате чего межклеточное вещество приобретает желеобразный характер.

Гликозамингликаны представляют собой длинные неразветвленные цепи гетерополисахаридов, построеныые из повторяющихся дисахаридных единиц – димеров. Одним мономером этих димеров является гексуроновая (глюкуроновая, галактуроновая) кислота, вторым мономером могут быть гексозамины (глюкозамин или галактозамин), аминогруппа которых обычно ацетилирована.

Основными гликозамингликанами являются: гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты, кератансульфаты, гепарин.

Гиалуроновая кислота построена из повторяющихся единиц, включающих глюкуроновую кислоту и N - ацетилглюкозамин .

Гиалуроновая кислота связывает воду, поэтому межклеточное пространство приобретает характер желеобразного «матрикса», способного поддерживать клетки. Структура гиалуроновой кислоты в виде геля является своеобразным биологическим фильтром, задерживая крупные частицы и молекулы, попавшие в организм. В клетках организма содержится специальный фермент – гиалуронидаза, который, выделяясь в межклеточное пространство, может повышать межклеточную проницаемость. Поэтому гиалуронидазу называют фактором проницаемости. В здоровом организме гиалуроновая кислота и гиалуронидаза находятся в равновесии. При некоторых заболеваниях активность фермента повышается и гиалуроновая кислота разрушается. Гиалуронидазу секретируют некоторые патогенные микроорганизмы, это способствует распространению патологического роцесса на соседние ткани. Препараты этого фермента используются в медицинской практике для рассасывания рубцов.

Глюкуроновая кислота содержится в разных органах. Много ее в коже, стекловидном теле глаза, хрящах, синовиальной жидкости суставов. В тканях и жидкостях ГК образует комплекс с белком. Однако доля белка колеблется от 2 до 20 – 30 %.

Хондроитинсульфаты.

Это гетерополисахариды линейного строения, состоящие из большого количества димерных фрагментов, в состав которых входят 2 углеводных компонента: глюкуроновая кислота и сульфатированный N – ацетилгалактозамин.

Гепарин состоит из повторяющихся единиц, содержащих глюкуроновую кислоту, и N – ацетилглюкозамин, сульфатированный в 4 – или 6 – положении глюкозного остатка.

Гепарин – естественный антикоагулянт (противосвертывающее средство), синтезируется в печени. Он обнаруживается на поверхности многих клеток, однако является внутриклеточным компонентом тучных клеток.

В отличие от остальных гетерополисахаридов, гепарин не является структурным компонентом межклеточного вещества. Он вырабатывается тучными клетками соединительной ткани и выделяется при их распаде (цитолизе) в межклеточное пространство и кровеносное русло. В крови гепарин нековалентно соединяется со специфическими белками. Комплекс гепарина с гликопротеинами плазмы прявляет противосвертывающую активность.

Кератансульфаты – наиболее гетерогенные гликозамингиканы, отличаются друг от друга по суммарному содержанию углеводов и распределению в разных тканях. Кератансульфаты обнаружены в роговице глаза, хрящевой ткани, костях, межпозвонковых дисках

Липиды

Липиды

Термин «ЛИПИДЫ» объединяет вещества, обладающие общим физическим свойством – гидрофобностью, т.е. нерастворимостью в воде. По структуре липиды – соединения разного химического строения. Их разделяют на классы, в которые объединяют молекулы, имеющие сходное химическое строение и общие биологические свойства.

Основную массу липидов в организме составляют жиры – триацилглицеролы, служащие формой депонирования энергии.

ФОСФОЛИПИДЫ – большой класс липидов, содержащих остаток фосфорной кислоты, придающей им свойства амфифильности. Благодаря этому свойству фосфолипиды формируют бислойную структуру мембран, в которую погружены белки.

СТЕРОИДЫ, представленные в животном мире холестеролом и его производными, выполняют разнообразные функции.

4.1. Жирные кислоты и ацилглицеролы.

ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ.

Жирные кислоты – структурные компоненты различных липидов. Жирные кислоты липидов человека представляют собой углеводородную неразветвленную цепь на одном конце которой находится карбоксильная группа, а на другом – метильная группа. Большинство жирных кислот в организме содержит четное число атомов углерода от 16 до 20. Среди них есть насыщенные – пальмитиновая и стеариновая кислоты. Жирные кислоты, содержащие двойные связи, называют ненасыщенными – моноеновые (с одной двойной связью) и полиеновые (с двумя и большим числом двойных связей).

Двойные связи в жирных кислотах в организме человека имеют цис-конфигурацию.

Насыщенные кислоты

Пальмитиновая С₁₅Н₃₁СООН

СН₃ – (СН₂)­₁₄СООН

Стеариновая С₁₇Н₃₅СООН

СН₃ – (СН₂)­₁₆СООН

Непредельные

Олеиновая С₁₇Н₃₃СООН (моноеновая)

СН₃ – (СН₂)­₇ – СН = СН – (СН₂)₇ – СООН

Полиеновые

Линолевая С₁₇Н₃₁СООН (2 двойные связи)

Линоленовая С₁₇Н₂₉СООН (3 двойные связи)

Арахидоновая С₁₉Н₂₉СООН (4 двойные связи)

Большинство жирных кислот синтезируется в организме, однако полиеновые кислоты (линолевая и линоленовая) не синтезируются и должны поступать с пищей. Эти жирные кислоты называют незаменимыми или эссенциальными.

Основную массу липидов в организме составляют триацилглицеролы – жиры, которые являются сложными эфирами трехатомного спирта глицерола и жирных кислот. Глицерол может быть связан с одной или двумя жирными кислотами, образуя моно- и диацилглицеролы, которые образуются на промежуточных этапах распада и синтеза триацилглицеролов.

В молекуле природного жира содержатся разные жирные кислоты. Жиры, содержащие преимущественно насыщенные кислоты, являются твердыми (говяжий, бараний жиры), а содержащие большое количество ненасыщенных жирных кислот – жидкими. Жидкие жиры или масла обычно имеют растительное происхождение. Так, например, говяжий и бараний жиры содержат от 50 до65% насыщенных кислот. В подсолнечном масле преобладает линолевая кислота (до 68%), а в оливковом масле содержится в основном олеиновая кислота (до 85%). Из животных пищевых жиров наиболее насыщен бараний жир, который практически не содержит незаменимых кислот. Ценными пищевыми жирами являются рыбий жир и растительные масла, содержащие полиеновые жирные кислоты. В организме рыб незаменимые жирные кислоты не синтезируются, рыбы получают их с пищей (водосли, планктон).

по заместительной номенклатуре названия триацилглицеролов строятся путем перечисления ацильных остатков начиная с первого атома углерода с добавлением суффикса – оил и слова глицерол. Например, ацильный остаток стеариновой кислоты называется – стеароил, пальмитиновой – пальмитоил, олеиновой – олеоил, линолевой – линолеоил, линоленовой – линоленоил. Тривиальная номенклатура нейтральных жиров основана на названиях входящих в их состав жирных кислот.

Триацилглицерол является смешанным, если содержит радикалы разных жирных кислот. Если в триацилглицероле содержится радикалы одинаковых кислот, он является простым.

4.2. Фосфолипиды и сфинголипиды

4.2.1.ФОСФОЛИПИДЫ

Фосфолипиды – группа липидов, содержащих в своем составе остаток фосфорной кислоты. Фосфолипиды делят на глицерофосфолипиды, основу которых составляет глицерол и сфингофосфолипиды – производные аминоспирта сфингозина. Фосфолипиды являются основой всех клеточных мембран, образуют поверхностный гидрофильный слой липопротеинов крови.

Глицерофосфолипиды – это производные глицерола, в котором первый и второй атомы углерода связаны сложно-эфирными связями с остатками жирных кислот, а третий атом углерода этерифицирован фосфорной кислотой, к которой в свою очередь могут быть присоединены различные заместители, чаще всего аминоспирты. Основой фосфолипидов является фосфатидная кислота.

небольшом количестве, но является промежуточным продутом на пути синтеза триацилглицеролов и глицерофосфолипидов.

У глицерофосфолипидов первый атом углерода глицерола этерифицирован предельными жирными кислотами, второй непредельными, чаще полиеновыми.

Основные глицерофосфолипиды: фосфатидилэтаноламин, фосфатидилхолин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозит. Строение их однотипно и отличаются они только компонентом, связанным с фосфорной кислотой.

Фосфатидилинозиты

Фосфотидилхолины и фосфотидилэтаноламины в наибольшем количествевстречаются в организме человека, эти две группы глицерофосфолипидовметаболически связаны друг с другом и являются главными липидными компонентамимембран клеток.

Сфинголипиды

Сфинголипиды – производные аминоспирта сфингозина. Аминоспирт сфингозинсостоит из 18 атомов углерода, содержит гидроксильные группы и аминогруппу.Примером сфинголипидов служат церамиды и сфингомиелины.

Вцерамидахспирт сфингозинсвязан с жирными кислотами необычной (амидной связью), а гидраксильные группыспособны взаимодействовать с другими радикалами. Следует отметить, что жирныекислоты, входящие в состав церамидов содержат большое количество атомов углерода– от 18 до 26.

СфингомиелиныN–ацильные производныесфингозина, аминогруппа в которых ацилирована жирной кислотой, а гидроксил упервого атома углерода ацилирован фосфорилхолиновой группой, поэтому их можно отнести кфосфолипидам.

В клетке сфингомиелины – основные компоненты миелина и мембран клетокмозга и нервной ткани. Некоторые патологические состояния связаны с изменениемсодержания сфингомиелинов. Так, увеличение содержания сфингомиелинов в стенкахаорты отмечено при атеросклерозе.

Церамиды - основа большой группы липидов –гликолипидов, которые содержат в своем составе углеводный компонент. Гликолипидынаходятся в основном в мембранах клеток нервной ткани – это цереброзиды иганглиозиды.

Церебразиды имеют в своем составе моносахариды чаще галактозу илиглюкозу. Ганглиозиды наиболее сложные по составу липиды. Они содержат несколькоуглеводных остатков, среди которых присутствуетN-ацетилнейраминовая кислота.

Стероиды

Стероиды – производныециклопентанпергидрофенантрена. В организме основной стероид – холестерол,остальные стероиды – его производные. Холестерол входит в состав мембран ивлияет на структуру бислоя, увеличивая её жесткость. Из холестероласинтезируются желчные кислоты, стероидные гормоны и витамин Д3. Нарушение обменахолестерола приводит к развитию атеросклероза.

Холестерол может бытьэтерифицирован по гидроксильной группе с жирными кислотами, образуя эфирыхолестерола.

В неэтерифицированном виде холестерол входит в состав мембран различныхклеток. В крови 2/3 холестерола находится в этерифицированной форме и 1/3 – ввиде свободного холестерола. Эфиры холестерола служат формой его депонирования внекоторых клетках (печени, коры надпочечников, половых желез).

§ 1.8.1. Жирорастворимые витамины

§ 1.8.2. Водорастворимые витамины

§ 1.8.3. ВИТАМИНОПОДОБНЫЕ ВЕЩЕСТВА.