Химическая структура, свойства и функция углеводов

Общее понятие об углеводах

Фруктоза была впервые выделена из «медовой воды» в 1792 году, глюкозу открыли чуть позже, в 1802 году. Химия полисахаридов получила развитие после того, как в 1811 году впервые был осуществлен гидролиз крахмала.

Химическое строение

Все углеводы отвечают единой химической характеристике: они состоят только из углерода, кислорода и водорода, при этом соотношение атомов водорода и кислорода в них такое же, как в молекулах воды. 

Молекулы моносахаридов состоят из нескольких гидроксильных групп и одной карбонильной. Самый известный моносахарид — глюкоза. Название происходит от греческого слова «гликис», «сладкий». Глюкоза принадлежит к классу альдегидоспиртов. Особенность строения глюкозы в том, что она существует в виде двух оптических изомеров, молекулы которых зеркально отображают друг друга: D- и L-форма. Интересно, что в природных соединениях обнаружен только D-изомер глюкозы, в отличие от аминокислот, которые встречаются в природе только в L-форме. Исследуя глюкозу, ученые, в частности Эмиль Герман Фишер, пришли к выводу, что большая часть ее молекул в природе существует в форме не альдегидоспирта, а полуацеталей — циклических производных, образующихся при взаимодействии альдегидной группы молекулы с гидроксильной у пятого атома углерода. Полуацетали D- или L- глюкозы встречаются в двух изомерных формах, различающихся взаимным расположением заместителей, например α-D-глюкоза и β-D-глюкоза. Их называют аномерами. Исследования показали, что в кристаллической D-глюкозе молекулы находятся только в виде полуацеталей, а в растворе D-глюкозы в виде альдегидоспирта содержится около 36% полуацеталя в α-форме и 64% в β-форме. Из водного раствора D-глюкоза всегда кристаллизуется в виде α-изомера, в то время как из горячего уксуснокислого раствора выделяется β-изомер.

Подобно глюкозе, изомерная ей фруктоза легко образует циклические полуацетали, только состоят они преимущественно из пятичленных циклов. Крахмал, образующийся из глюкозы — энергетический резерв растений, быстро перерабатывающийся в легко усваиваемый моносахарид. В состав крахмала входят амилоза и амилопектин. 

Функции углеводов в организме человека

Попадая в организм, дисахариды(например, сахароза и лактоза) и полисахариды (крахмал и проч.) под действием специальных ферментов гидролизуются с образованием глюкозы и фруктозы. Организм перерабатывает глюкозу и фруктозу, превращая их в углекислоту и воду, и таким образом получает энергию для всех идущих в нем процессов.

Классификация по свойствам

Строительная функция углеводов

Мукополисахариды, соединения углеводов с белками, являются важной составляющей суставной смазки у животных и человека. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав РНК и ДНК.

Энергетическая функция углеводов

В организме любого животного должно постоянно содержаться определенное количество глюкозы: например, в крови человека — около 15 граммов. При окислении 1 грамма глюкозы или сахарозы выделяется примерно 16 кДж энергии. Ежедневно человеку необходимо потреблять около 500 граммов сахаров, но эта потребность обычно удовлетворяется сложными углеводами, содержащими крахмал. Рекомендуемая максимальная доза чистой сахарозы в сутки — 75 граммов. 

Структурная функция углеводов

Часть углеводов является структурными элементами клеток и входит в состав многих сложных молекул: гормонов, ферментов, иммунных веществ. Например, гликопротеины на поверхности клеток способствуют избирательности межклеточного взаимодействия и обеспечивают иммунный ответ. Гепарин служит ингибитором свертывания крови и предотвращает возникновение тромбов.

Регуляторная функция углеводов

Клетчатка, содержащаяся в овощах и фруктах, перерабатывается только полезной микрофлорой кишечника и в процессе стимулирует его стенки, улучшая перистальтику. Кроме того, углеводы регулируют осмотическое давление крови, которое зависит от количества содержащейся в ней глюкозы.

Запасающая функция

Когда организм получает углеводы вдоволь, их избыток может откладываться. Хранить глюкозу в чистом виде живым организмам довольно обременительно: ее не слишком большие молекулы легко покидают клетки. Поэтому живые организмы составляют новые соединения из молекул глюкозы: растения запасают углеводы в виде крахмала, а животные и грибы — в виде более легко растворимого гликогена. Запасы гликогена в человеческом организме, как правило, невелики — 150–200 граммов. Основное место складирования — печень. Если углеводов в пище недостаточно или они плохо усваиваются, начинается расщепление гликогена. Так временно восполняется дефицит. Когда запасы гликогена истощаются, материалом для синтеза глюкозы становятся жиры и белки.