Биологические функции углеводов

1. Энергетическая. Углеводы обеспечивают 60–70 % энергозатрат организма. При полном распаде 1 г углеводов выделятся 17,15 кДж энергии. Углеводы входят в состав макроэргических соединений (АТФ, ГТФ и др.). В клетках живых организмов углеводы являются источниками и аккумуляторами энергии.

2. Опорная. Углеводы в растениях (на их долю приходится до 90 % сухого вещества) и некоторых животных (до 20 % сухого вещества) выполняют роль опорного (скелетного) материала, входят в состав многих важнейших природных соединений.

3. Пластическая. Углеводы входят в состав биологических мембран и органоидов клетки.

4. Защитная. Мукополисахариды, входящие в состав вязких секретов (слизей), защищают внутренние стенки сосудов и воздухоносные пути от механических и химических воздействий.

5. Регуляторная. Клетчатка регулирует акт перистальтики.

6. Специфическая. Отдельные углеводы выполняют особые функции: участвуют в проведении нервных импульсов, образовании антител.

7. Генетическая. Пентозы входят в состав ДНК и РНК.

8. Углеводы (пентозы) входят в состав нуклеотидсодержащих коферментов.

9. Трофическая. Так, запасной (резервный) полисахарид гликоген является трофическим включением.

Классификация углеводов

Все углеводы подразделяются на две группы: простые и сложные.

Простыми углеводами называют углеводы, которые не способны гидролизоваться с образованием более простых соединений, в их составе число атомов углерода равно числу атомов кислорода.

Сложные углеводы – углеводы, способные гидролизоваться на более простые. Число атомов углерода у них не равно числу атомов кислорода.

Сложные углеводы очень разнообразны по составу, молекулярной массе и по свойствам. Их делят на две группы: низкомолекулярные сахароподобные (или олигосахариды) и высокомолекулярные (полисахариды).

1. Моносахариды – простые углеводы, при расщеплении которых не сохраняются свойства глюцидов (глюкоза, фруктоза). Почему этот материал здесь, может быть, перенести выше??

2. Олигосахариды – соединения из двух и более моносахаридов (до 10) – сахароза, лактоза, мальтоза.

3. Полисахариды – сложные сахариды, молекула которых состоит из многих моносахаридных остатков (крахмал, альгиновые кислоты, агар).

Моносахариды

Моносахариды подразделяются на: триозы – 3 атома С; тетрозы – 4 атома С; пентозы – 5 атомов С; гексозы – 6 атомов С; гептозы –
7 атомов С; октозы – 8 атомов С.

Моносахариды, содержащие альдегидные группы, называют альдозами, содержащие кетонные группы – кетозами. Название моносахаридов составляется из наименования активной группы и числа атомов С: альдотриоза, кетопентоза и т.д.

Триозы – диоксиацетон, глицеральдегид.

Тетрозы – эритрозы.

Пентозы – арабиноза, рибоза, ксилоза, дезоксирибоза. Арабиноза содержится в свекле. Рибоза и дезоксирибоза – важный структурные компоненты нуклеиновых кислот, входят в состав ДНК, РНК, нуклеотидных коферментов, являются промежуточными продуктами прямого (пентозного) углеводного распада в организме.

Ксилоза – структурный компонент содержащихся в соломе, отрубях, древесине полисахаридов ксилозанов.

Гексозы

CHO CH₂OH CHO CHO

| | | |

H - C - OH CO H - C - OH HO- C - H

| | | |

HO- C - H HO- C - H HO- C - H H - C - OH

| | | |

H - C - OH H - C - OH HO- C - H H - C - OH

| | | |

H - C - OH H - C - OH H - C - OH H - C - OH

| | | |

CH₂OH CH₂OH CH₂OH CH₂OH

Глюкоза Фруктоза Галактоза Манноза

Основной гексозой является глюкоза, участвующая в анаэробном и аэробном углеводном распаде. В печени под воздействием ферментов гексозы превращаются в глюкозу. При окислении гексоз образуются гексуроновые кислоты: глюкоза и галактоза.

Глюкоза (виноградный сахар, декстроза, глюкуроновая кислота) широко распространена в природе: содержится в зеленых частях растений, в виноградном соке, семенах и фруктах, ягодах, меде. Входит в состав важнейших полисахаридов: сахарозы, крахмала, клетчатки, многих гликозидов. Получают глюкозу гидролизом крахмала и клетчатки. Сбраживается дрожжами.

Фруктоза (фруктовый сахар, левулеза) в свободном состоянии содержится в зеленых частях растений, нектаре цветов, семенах, меде. Входит в состав сахарозы, образует высокомолекулярный полисахарид инсулин. Сбраживается дрожжами. Получают из сахарозы, инсулина, трансформацией других моноз методами биотехнологии.

Глюкоза и фруктоза играют большую роль в пищевой промышленности, являясь важным компонентом продуктов питания и исходным материалом при брожении.

Галактоза – компонент лактозы.

Замена у второго атома С– группы ОН на – NH₂ приводит к образованию аминосахароз гексозаминов (глюкозамин, галактозамин).

Гексозамины входят в состав клеточных оболочек и мукополисахаридов в свободном состоянии и в соединении с CH₃COOH.

Олигосахариды

Молекулы олигосахаридов содержат от 2 до 10 моносахаридных остатков. Формула дисахаридов C₁₂H₂₂O₁₁. Для живого организма важны следующие дисахариды: сахароза, мальтоза, лактоза.

1. Сахароза (виноградный сахар, свекловичный тростниковый сахар) построена из глюкозы и фруктозы. В сахарной свекле содержится 15–22 % сахарозы, в сахарном тростнике – 12–15 %.

2. Лактоза (молочный сахар) построена из глюкозы и галактозы, синтезируется в молочных железах;

3. Мальтоза (солодовый сахар) состоит из двух молекул глюкозы.

4. Мальтоза – основной структурный компонент крахмала и гликогена.

5. Трегалоза (грибной сахар) состоит из двух остатков глюкозы. Содержится в дрожжах, грибах, водорослях.

Трисахариды включают три моносахаридных остатка. Одним из представителей трисахаридов является рафиноза (мелитриоза) С₁₈Н₃₂О₁₆. Она содержится в сахарной свекле, семенах хлопчатника, сое, гороха. При кислотном гидролизе из рафинозы образуются глюкоза, фруктоза и галактоза. Под действием фермента сахаразы от рафинозы отщепляется фруктоза и остается дисахарид мелибиоза (С₁₂Н₂₂О₁₁).

Полисахариды

Полисахариды – высокомолекулярные углеводы, состоящие из большого числа моносахаридов (до 6–10 тысяч остатков моноз).

Подразделяются на гомо- и гетерополисахариды.

Гомополисахариды

Гомополисахариды содержат моносахаридные остатки одного вида. К ним относятся крахмал, гликоген, клетчатка.

Крахмал (С₆Н₁₀О₅)_n – резервный полисахарид растений – представляет собой смесь полимеров двух типов, построенных из остатков глюкопиранозы: амилозы и амилопектина.

Амилоза – линейный полимер, содержит от 1 000 до 6 000 остатков глюкозы, молярная масса 16 000–1 000 000. При добавлении иода дают синюю окраску. Содержание амилозы в крахмале 18–25 %.

Амилопектин – полимер, содержащий от 5 000 до 6 000 остатков глюкозы, молекула амилопектина имеет сферическую форму. В крахмале содержится 75–82 % амилопектина. образует При взаимодействии с иодом он дает фиолетовую окраску с красноватым оттенком.

Гликоген (животный крахмал) – запасной углевод животного организма – состоит из 30 000 остатков глюкозы. Накапливается в печени, мышцах, сердце. Восполняет недостаток глюкозы. По своему строению напоминает амилопектин, но более разветвлен и его молекула имеет более компактную упаковку. Гликоген хорошо растворяется в горячей воде, но его растворы при охлаждении не образуют клейстер. Гидролизуется с образованием в качестве конечного продукта глюкозы.

Клетчатка – основной компонент и опорный материал клеточных стенок растений. Так, содержание клетчатки в волосках семян хлопчатника составляет 98 %, древесине – 40–50 %, зернах пшеницы – 3 %, ржи и кукурузе – 2,2 %. Молекула клетчатки имеет линейное строение и состоит из 2 000–3 000 остатков b-D-глюкопиранозы, которые соединены между собой 1-м и 4-м углеродными атомами остатков моноз. Молекулы клетчатки с помощью водородных связей объединены в мицеллы (пучки), состоящие из параллельных цепей. Клетчатка нерастворима в воде и при обычных условиях не гидролизуется кислотами.

Гетерополисахариды

Это комплексы различных видов моносахаридов.

К гетеросахаридам относятся мукополисахариды (гликозамингликаны), содержащие различные виды моносахаридов и их производные, азотистые основания, органические кислоты, образуют комплексы с белками и жирами. К ним относятся:

1. Гиалуроновая кислота, представляющая собой часть межклеточного вещества, обеспечивает скрепление клеток.

2. Хондроитинсерные кислоты – структурные компоненты хрящей, связок, клапанов сердца, антикоагулянтов крови.

3. Гепарин – антикоагулянт, противовоспалительное средство.

4. Сиаловые кислоты (соединения нейраминовой и уксусной кислот), участвующие в построении клеточных оболочек. Повышенный уровень сиаловых кислот в крови используется для диагностики воспалительных заболеваний.

Реакция Майара

Из технологических свойств рыбного сырья, обусловленных присутствием гликозаминогликанов неферментативного покоричневения. Фраза не закончена!! Это объясняется реакцией Майара (сахароаминной реакцией), в ходе которой NH₂-группы аминокислотных остатков белка (аргинина, гистидина, лизина, глицина) реагируют с карбонильными группами углеводов с образованием меланоидинов (высокомолекулярных продуктов с интенсивной коричневой окраской):

R - NH₂ R - N R - NH

| || |

H + C = O H - C C - H

| | |

(CHOH)₄ (CHOH)₄ O (CHOH)₃

| | |

CH₂OH CH₂OH C - H

перегруппировка Шиффово |

Амадори основание CH₂OH

Глюкозиламин

R–NH

|

CH₂

|

C = O пигменты (меланоидины)

|

(CHOH)₃

|

CH₂OH

кетозамин

Пентозы более активны в реакции Майара, чем гексозы. Щелочная среда ускоряет реакцию Майара, кислая – замедляет. Ингибитором реакции покоричневения является SO₂. Реакция происходит при комнатной температуре и на холоде. Если в реакции Майара участвуют незаменимые аминокислоты, биологическая ценность белка понижается.

Реакция покоричневения ухудшает внешний вид и органолептику продуктов, так как при этом образуется CO₂ и появляется карамельный запах.

Раздел 8. Витамины

Витамины (от лат. vita – жизнь) – амины жизни – низкомолекулярные органические соединения, которые, присутствуя в малых количествах, обеспечивают нормальное протекание биохимических процессов. Витамины – незаменимые факторы питания, не синтезируются в организме или синтезируются в незначительном количестве кишечной микрофлорой. Витамины не являются источником энергии.

В 1816 г. Маженди ввел метод кормления молодых животных рационами, состоящими из очищенных веществ. Он установил, что животные не могут оставаться здоровыми, если они получают только основные поддерживающие жизнь вещества. В 1906 г. Ф.Г. Хопкинс рассматривал цингу и рахит как заболевания, связанные с диетическими факторами. Впервые в 1912 г. Хопкинс и Функ выдвинули витаминную теорию. Они постулировали. Что такие заболевания как бери-бери, цинга, рахит возникают из-за отсутствия в рационе специфических пищевых факторов. Функом был получен первый эффективный препара, содержащий незаменимый фактор питания – концентрат вещества из рисовых отрубей, эффективный для лечения бери-бери. Он же для обозначения данного активного фактора впервые применил термин "витамин".

Биологическая функция многих витаминов заключается в том, что они входят в состав коферментов и простетических групп ферментов.

Авитаминоз – комплекс патологических симптомов, развивающихся в результате отсутствия одного из витаминов.

Полиавитаминоз – комплекс патологических симптомов, развивающихся в результате полного отсутствия нескольких витаминов.

Гиповитаминоз – признаки частичной недостаточности витаминов.

Гипервитаминоз – признаки избыточного потребления витаминов.

Диcвитаминоз – несовместимость витаминов.