Моносахариды: виды, функции и применение

В последнее время мы часто слышим такие выражения, как вредные и
полезные углеводы, быстрые и медленные, простые и сложные. Эти термины
особенно популярны у людей, ведущих здоровый образ жизни.

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОНОСАХАРИДОВ

Оптические свойства моносахаридов — это способность их растворов отклонять плоскость поляризованного света (луча) вправо или влево.

Поляризованный луч образуется при прохождении монохроматического света (света с определенной длиной волны) через мелкоструктурные решетки, которые называют поляризаторами. Примером поляризатора служит призма Николя. Это кристалл исландского шпата, разрезанный под определенным углом и вновь склеенный канадским бальзамом. Поверхность раздела, покрытую бальзамом, называют плоскостью поляризации.

При прохождении через призму Николя свет попадает на плоскость поляризации. Показатель преломления канадского бальзама настолько велик, что происходит полное внутреннее отражение всего светового потока, кроме одного луча, который проходит через призму. Этот луч называют поляризованным, так как его колебания происходят только в одной плоскости — плоскости колебания поляризованного луча (света). Она перпендикулярна плоскости поляризации призмы.

Оптическая активность органических веществ связана с наличием в их молекулах асимметрического атома углерода — это атом, у которого все четыре заместителя (радикала) различны.

У гексоз таких атомов четыре: второй, третий, четвертый и пятый. Однако на способность отклонять плоскость поляризованного луча влияет лишь гидроксил у последнего (пятого) асимметрического атома углерода.

В зависимости от положения гидроксила у этого атома углерода углевод носят к D- или L-ряду (D от лат. dexter — правый; L от лат. laevus — левый). Если гидроксил справа, то это D-изомер, слева — L-изомер.

Однако форма записи не всегда совпадает с направлением истинного отклонения плоскости поляризованного света. Например, D-фруктоза на самом деле отклоняет его влево. Поэтому приставки D- или L- обозначают только конфигурацию вещества и не связаны с направлением отклонения плоскости поляризованного света.

Для обозначения истинного направления отклонения используют обозначения: (+) — вправо, (-) — влево.

Установлено, что все природные сахара принадлежат к D-ряду, например, D(+) глицериновый альдегид, D(-) рибоза, D(+) галактоза, D(+) глюкоза и др.

СТРОЕНИЕ

В зависимости от характера оксогруппы (альдегидная или кетон- ная), входящей в состав моносахаридов, монозы могут быть альдозами (полигидроксиальдегидами) и кетозами (полигидроксикетонами):

_« 289

Из гексоз наибольшее значение имеют глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза (фруктовый сахар). В состав глюкозы входит альдегидная группа, а фруктозы — кетонная. Поэтому глюкоза — представитель альдоз, а фруктоза — кетоз.

Глюкоза и фруктоза имеют одну и ту же общую формулу СПН2П0П, но различное строение. Таким образом, глюкоза и фруктоза — изомеры:

Формулы показывают различное расположение атомов водорода и гидроксильных групп в пространстве относительно углеродной цепи. Цепь нумеруют с того конца, к которому ближе расположена карбонильная группа (в альдозах нумерация начинается с углерода альдегидной группы). Строение моносахаридов, выраженное этими формулами, соответствует самой простой их форме — цепной, или открытой (ациклической). Она содержит свободную альдегидную или кетонную группу.

Читайте также:  Из какой посуды стоит есть, а какая опасна? Вся правда о посуде

Однако молекулы моносахаридов могут существовать не только в виде цепных форм, но и в виде циклических, или полуацеталъных[1]. Эти формы не содержат свободную альдегидную или кетонную группу. Циклическая форма образуется при переходе атома водорода гидроксильной группы, связанной с пятым (С5) или четвертым (С4) углеродным атомом в молекуле глюкозы либо шестым (С6) или пятым (С5) атомом углерода в фруктозе, к кислороду карбонильной группы. Такой переход возможен потому, что, во-первых, карбонильная группа поляризована, а во-вторых, цепная молекула монозы в пространстве расположена так, что один из перечисленных гидроксилов находится рядом с кислородом карбонильной группы. Например, для глюкозы процесс циклизации можно представить так:

При этом возникает кислородный мостик и образуется новый гидроксил, который называют полуацетальным или гликоэидным[2]. Он резко отличается своими свойствами от других гидроксилов. Так, его водород легче, чем в других гидроксильных группах, замещается на алкил, образуя простой эфир. Но этот эфир также легко подвергается омылению, что противоречит свойству простых эфиров (устойчивость к гидролизу). В глюкозе глюкозидный гидроксил находится при первом (Cj) углеродном атоме, а в фруктозе — при втором (Сг).

Предположение о циклическом строении моносахаридов было высказано впервые русским ученым (1870), который также установил и пятиатомность глюкозы.

Пятичленные циклические формы моноз по номенклатуре Хеуорзса называют фуранозами (от названия пятичленного гетероцикла — фура- на), а шестичленные циклические формы — пиранозами (от названия шестичленного гетероцикла — пирана).

Две формы моносахаридов — цепная и циклическая — являются таутомерными (кольчато-цепная таутомерия) и способны самопроизвольно переходить одна в другую в водных растворах. Такой переход совершается в зависимости от условий проведения реакций и характера реагентов. Например, глюкоза в водном растворе существует в трех формах, способных переходить одна в другую: открытой (альдегидной) и двух циклических — пятичленной и шестичленной:

Фруктоза также существует в виде цепной кетонной и двух циклических форм — пятичленной и шестичленной:

Равновесие всех этих форм наблюдается только в водном растворе [3]. Если равновесие нарушается, то одна форма переходит в другую. В кристаллическом состоянии монозы имеют циклическое строение — преимущественно шестичленное (6-оксидную форму).

Обычно для изображения изомеров моноз (в цепной форме) используют проекционные формулы :

Однако циклическую форму моносахаридов удобнее изображать в виде «перспективных» формул Хеуорзса:

Такое изображение позволяет видеть взаимное расположение атомов водорода и гидроксильных групп относительно плоскости кольца. При этом символы углеродных атомов опускаются. Для большей наглядности изображения часть плоскости кольца, обращенной к читателю, выделяют более жирными линиями.

  • [1] «Полуацетальную» форму легко представить, если вспомнить реакциюобразования полуацеталей при взаимодействии альдегидов со спиртами:
  • [2] Гликозидный — общее название полуацетального гидроксила для всехальдоз и кетоз. В случае глюкозы этот гидроксил называется глюкозидным.
  • [3] Установлено, что в воде 99,8 % молекул глюкозы находятся в одной илидругой циклической форме и только 0,2 % — в открытой, альдегидной форме.
Читайте также:  Dash диета — меню на неделю и рецепты

Основные функции полисахаридов в организме человека

Функция Полисахариды (примеры) Особенности
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ Крахмал и гликоген Накопление углеводов, обеспечение организма энергией.
ЗАПАСАЮЩАЯ Гликоген, крахмал Откладывание углеводов про запас, находится преимущественно в жировой ткани, формируется в клетках мышц, печени и желудка, отчасти в головном мозге.
КОФАКТОРНАЯ Гепарин и синтетические аналоги Являются кофакторами ферментативных соединений, отвечают за снижение свертываемости крови.
ОПОРНАЯ Целлюлоза, хондроитинсульфат Целлюлоза является стеблеобразующей тканью растений, а хондроитинсульфаты выполняют ту же функцию в костной ткани живых организмов.
ГИДРООСМОТИЧЕСКАЯ Кислые гетерополисахариды Способствуют сохранению влаги и ионов с положительным зарядом в клетках.
СТРУКТУРНАЯ Кислые гетерополисахариды Выполняют роль цементирующего состава, дополняют собой межклеточное вещество.
ЗАЩИТНАЯ Кислые гетерополисахариды (в том числе мукополисахариды) Благодаря образованию особого слоя вокруг клеток защищают ткани от различных механических воздействий, внешних вибраций, трения.

Полисахариды и их роль для сохранения энергии

Есть два типа полисахаридов, которые организм использует для хранения энергии: крахмал и гликоген.

Крахмалы служат в качестве краткосрочных хранилищ энергии и сделаны из смеси амилозы и амилопектина. Некоторые общие диетические крахмалы включают рис, картофель, пшеницу и кукурузу.

Гликоген, с другой стороны, действует больше как вариант долгосрочного хранения. Гликоген главным образом произведен печенью и мышцами, но его можно также сделать во время вызванного процесса гликогенезом, что происходит как в головном мозге, так и в желудке.

Полисахариды и их роль в питании

Полисахариды имеют решающее значение, когда дело доходит до правильного питания, потому что они содержат сложные углеводы, которые для многих служат основным источником энергии организма.

Каждая функция организма зависит от углеводов для получения энергии. Но, в то время как тело может производить некоторую энергию, это, конечно, не достаточно, чтобы поддерживать себя.

Если мы не принимаем в достаточном количестве углеводы, то мы должны будем дополнить энергию из прочих источников. Когда вы не получаете достаточно углеводов, вы подвергаете свое тело риску физических симптомов.

Примеры этого включают падение уровня сахара в крови, чувство слабости и головокружение.

Полисахариды, однако, могут помочь вам преодолеть усталость, поддерживать здоровое кровяное давление и уровень сахара в крови, поощрять позитивное настроение, успокаивать раздражение, поддерживать иммунную функцию, способствовать сердечно-сосудистому здоровью и даже увеличивать либидо.

Полисахариды

Полисахариды представляют собой моносахаридные полимеры, которые состоят от нескольких сотен до нескольких тысяч моносахаридных субъединиц, удерживаемых вместе гликозидными связями.

Некоторые полисахариды состоят из прямых цепей, а некоторые из разветвленных. Основными примерами полисахаридов являются крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин.

Читайте также:  Жидкая диета – похудение и очищение организма

Крахмал

Крахмал (starch) является формой сахаров запасаемых растениями и состоит из амилозы и амилопектина которые являются полимерами глюкозы.

Крахмал состоит из мономеров глюкозы, которые соединены α 1-4 или 1-6 гликозидными связями. Цифры 1-4 и 1-6 относятся к номеру атома углерода в мономерах посредством которых они соединены.

Амилоза представляет собой крахмал, образованный неразветвленными цепями мономеров глюкозы (только α 1-4 связи), тогда как амилопектин представляет собой разветвленный полисахарид (α 1-6 связи в точках ветвления).

Гликоген

Гликоген (glycogen) является формой хранения глюкозы у людей и других позвоночных животных и состоит из мономеров глюкозы.

Целлюлоза

Целлюлоза (cellulose) является основным структурным полисахаридом всех растений и является основным компонентом в клеточных стенках.

Полисахариды

Целлюлоза — это неразвлетленный полимер β-глюкозы, который удерживается вместе 1-4 гликозидными связями.

Каждый второй мономер глюкозы в целлюлозе перевернут и мономеры плотно упакованы в длинные цепочки полимера. Это придает целлюлозе ее жесткость и высокую прочность на растяжение, что так важно для растительных клеток.

Хотя связь в целлюлозе не может быть разрушена пищеварительными ферментами человека, травоядные животные, такие как коровы, коалы, буйволы и лошади, способны с помощью специализированной флоры в своем желудке переваривать растительный материал, богатый клетчаткой и использовать его в качестве источника пищи.

Хитин

Целлюлозоподобный полимер существует в жестком экзоскелете насекомых, ракообразных.

Этот полимер известен как хитин (chitin), который представляет собой полисахарид содержащий азот. Он состоит из повторяющихся единиц N-ацетил-β-d-глюкозамина (модифицированного сахара).

Хитин также является основным компонентом грибковых клеточных стенок. Грибы не являются ни животными, ни растениями и образуют подцарство в царстве эукариот.

Углеводы, их строение и функции.

Статьи в категории

  • 20 основных аминокислот, пептидная связь и строение белков
  • Типы нуклеиновых кислот — строение нуклеотида ДНК и РНК. Двойная спираль ДНК
  • Кофакторы и коферменты. Виды витаминов и их биологическая роль.
  • Биологическая роль липидов (триглицериды, фосфолипиды, стероиды). Их строение и функции.
  • Важнейшие органические соединения клетки. Их функциональные группы и структурные единицы — мономеры.

Полисахариды

ОПРЕДЕЛЕНИЕ Крахмал — (С6Н10О5)n – белый порошок, нерастворимый в холодной воде и образующий коллоидный раствор в горячей воде.

Это природный полимер. Его молекулы состоят из линейный и разветвленных цепей, содержащих остатки α-глюкозы. Фрагмент структуры крахмала выглядит следующим образом:

Крахмал способен гидролизоваться при нагревании в кислой среде, причем конечным продуктом гидролиза является глюкоза:

(С6Н10О5)n + nН2О → nC6H12O6

Крахмал дает интенсивное синее окрашивание с йодом — это качественная реакция на йод.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ Целлюлоза – (С6Н10О5)n – природный полимер, молекулы которого состоят только из линейных цепей, содержащих остатки β-глюкозы:

Для целлюлозы также, как и для крахмала характерна способность гидролизоваться при нагревании в кислой среде:

(С6Н10О5)n + nН2О → nC6H12O6

Каждое структурное звено молекулы целлюлозы содержит по три –ОН группы, которые могут реагировать с азотной и уксусной кислотами с образованием сложных эфиров:

(C6H7O2(OH)3)n + 3nCH3COOH → (C6H7O2(OCOCH3) 3)n + 3nH2O

(C6H7O2(OH)3)n + 3nHNO3 →(C6H7O2(ONO2) 3)n + 3nH2O