Ваш браузер устарел. Рекомендуем обновить его до последней версии.

Углеводы

Обширная группа полигидроксикарбонильных соединений, входящих в состав всех живых организмов; к углеводам относят также многие производные, получаемые при химической модификации этих соединений путем окисления, восстановления или введения различных заместителей.

Термин «углеводы» возник потому, что первые известные представители углеводов по составу отвечали формуле СmН2nОn (углерод+вода); впоследствии были обнаружены природные углеводы с другим элементным составом.

Классификация и распространение

Углеводы принято делить на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды обычно представляют собой полигидроксиальдегиды (альдозы) или полигидроксикетоны (кетозы) с линейной цепью из 3-9 атомов углерода, каждый из которых (кроме карбонильного) связан с группой ОН. Простейший моносахарид, глицериновый альдегид, содержит один асимметрический атом углерода и известен в виде двух оптических антиподов (D и L). Прочие моносахариды имеют несколько асимметрических атомов С; их рассматривают как производные D- или L-глицеринового альдегида и относят к D- или L-ряду в соответствии с абсолютной конфигурацией асим. атома С, наиболее удаленного от карбонильной группы. Различия между изомерными моносахаридами в каждом ряду обусловлены относительной конфигурацией остальных асим. центров.

Характерное св-во моносахаридов в р-рах - мутаротация, т. е. установление таутомерного равновесия между ациклической альдегидо- или кетоформой, двумя пятичленными (фуранозными) и двумя шестичленными (пиранозными) полуацетальными формами. Две пиранозы (как и две фуранозы) отличаются друг от друга конфигурацией (α или β) нового асим. (аномерного) центра, возникающего из карбонильного атома С при циклизации.

Полулегальный (гликозидный) гидроксил циклических форм моносахаридов резко отличается от прочих групп ОН моносахарида значительно большей склонностью к р-циям нуклеофильного замещения. Такие р-ции приводят к образованию гликозидов (остаток нуклеофила в гликозиде - например спирта, меркаптана - носит название агликон). В тех случаях, когда агликоном служит другая молекула моносахарида, образуются олиго- и полисахариды. При этом каждый остаток моносахарида может в принципе иметь пиранозную или фуранозную форму, α- или β-конфигурацию гликозидного центра и быть связанным с любой из гидроксильных групп соседнего моносахарида. Поэтому число различных по строению полимерных молекул, к-рые теоретически можно построить даже из остатков только одного моносахарида, представляет собой астрономическую величину.

К наиболее обычным и распространенным в природе моносахаридам относят D-глюкозу, D-галактозу, D-маннозу, D-фруктозу, D-ксилозу, L-арабинозу и D-рибозу. Из представителей других классов моносахаридов часто встречаются: 1) дезоксисахора, в молекулах которых одна или несколько групп ОН заменены атомами Н (напр., L-рамноза, L-фукоза, 2-дезокси-D-рибоза); 2) аминосахара, где одна или несколько групп ОН заменены на аминогруппы (напр., 2-амино-2-дезокси-D-глюкоза, или D-глюкозамин); 3) многоатомные спирты (полиолы, альдиты), образующиеся при восстановлении карбонильной группы моносахаридов (D-сорбит из D-глюкозы, D-маннит из D-маннозы, и др.); 4) уроновые кислоты - альдозы, у которых группа СН2ОН окислена в карбоксильную (напр., D-глюкуроновая к-та); 5) разветвленные сахара, содержащие нелинейную цепь углеродных атомов (напр., апиоза, или 3-С-гидроксиметил-D-глицеро-тетроза); 6) высшие сахара с длиной цепи более шести атомов С (напр., D-седогептулоза и сиаловые к-ты).

За исключением D-глюкозы и D-фруктозы свободные моносахариды встречаются в природе редко. Обычно они входят в состав разнообразных гликозидов, олиго- и полисахаридов и могут быть получены из них после кислотного гидролиза. Разработаны многочисл. методы хим. синтеза редких моносахаридов исходя из более доступных.

Олигосахариды содержат в своем составе от 2 до 10-20 моносахаридных остатков, связанных гликозидными связями. Наиболее распространены дисахариды, выполняющие ф-цию запасных в-в: сахароза в растениях, трегалоза в насекомых и грибах, лактоза в молоке млекопитающих. Известны многочисл. гликозиды олигосахаридов, к которым относят различные физиологически активные в-ва, напр. сердечные гликозиды, нек-рые сапонины (в растениях), многие антибиотики (в грибах и бактериях), гликолипиды.

Полисахариды - высокомолекулярные соединения, линейные или разветвленные молекулы которых построены из остатков моносахаридов, связанных гликозидными связями. В состав полисахаридов могут входить также заместители неуглеводной природы (остатки алифатических кислот, фосфат, сульфат). В свою очередь цепи высших олигосахаридов и полисахаридов могут присоединяться к полипептидным цепям с образованием гликопротеинов.

Особую группу составляют биополимеры, в молекулах которых остатки полиолов, гликозилполиолов, нуклеозидов или моно- и олигосахаридов соединены не гликозидными, а фосфодиэфирными связями. К этой группе относят тейхоевые кислоты бактерий, компоненты клеточных стенок некоторых дрожжей, а также нуклеиновые кислоты, в основе которых лежит поли-D-рибозофосфатная (РНК) или поли-2-дезокси-D-рибозофосфатная (ДНК) цепь.

Физико-химические свойства

Обилие полярных функциональных групп в молекулах моносахаридов приводит к тому, что эти в-ва легко растворимы в воде и не растворимы в малополярных орг. р-рителях. Способность к таутомерным превращениям обычно затрудняет кристаллизацию моно- и олигосахаридов, однако если такие превращения невозможны (напр., как в гликозидах и невосстанавливающих олигосахаридах типа сахарозы), то в-ва кристаллизуются легко. Многие гликозиды с малополярными агликонами (напр., сапонины) проявляют св-ва поверхностно-активных веществ.

Полисахариды - гидрофильные полимеры, многие из них образуют высоковязкие водные р-ры (растительные слизи, гиалуроновая к-та), а в ряде случаев (в результате своеобразной межмолекулярной ассоциации) - прочные гели (агар, альгиновые кислоты, каррагинаны, пектины). Некоторые полисахариды образуют высокоупорядоченные надмолекулярные структуры, препятствующие гидратации отдельных молекул; такие полисахариды (напр., хитин, целлюлоза) не раств. в воде.

Биологическая роль

Функции углеводов в живых организмах чрезвычайно многообразны. В растениях моносахариды являются первичными продуктами фотосинтеза и служат исходными соединениями для биосинтеза гликозидов и полисахаридов, а также других классов в-в (аминокислот, жирных к-т, фенолов и др.). Эти превращения осуществляются ферментами, субстратами для которых служат, как правило, богатые энергией фосфорилированные производные сахаров, гл. обр. нуклеозиддифосфат-сахара.

Углеводы запасаются в растениях (в виде крахмала), животных, бактериях и грибах (в виде гликогена), где служат энергетическим резервом. Источником энергии являются р-ции расщепления глюкозы, образующейся из этих полисахаридов, по гликолитическому или окислительному пути. В виде гликозидов в растениях и животных осуществляется транспорт различных метаболитов. Полисахариды и более сложные углеводсодержащие полимеры выполняют в живых организмах опорные ф-ции. Жесткая клеточная стенка у высших растений представляет собой сложный комплекс из целлюлозы, гемицеллюлоз и пектинов. Армирующим полимером в клеточной стенке бактерий служат пептидогликаны (муреины), а в клеточной стенке грибов и наружных покровах членистоногих - хитин. В организме животных опорные ф-ции выполняют проте-гликаны соединительной ткани, углеводная часть молекул которых представлена сульфатированными мукополисахаридами. Эти в-ва участвуют в обеспечении специфических физ.-хим. св-в таких тканей, как кости, хрящи, сухожилия, кожа. Будучи гидрофильными полианионами, эти полисахариды способствуют также поддержанию водного баланса и избирательной ионной проницаемости клеток. Аналогичные ф-ции в морских многоклеточных водорослях выполняют сульфатированные галактаны (красные водоросли) или более сложные сульфатир. гетерополисахариды (бурые и зеленые водоросли); в растущих и сочных тканях высших растений эту ф-цию выполняют пектины.

Особенно ответственна роль сложных углеводов в образовании клеточных поверхностей и мембран и придании им специфических св-в. Так, гликолипиды - важнейшие компоненты мембран нервных клеток и оболочек эритроцитов, а липополисахариды - наружной оболочки грамотрицательных бактерий. Углеводы клеточной поверхности часто определяют специфичность иммунологических р-ций (групповые в-ва крови, бактериальные антигены) и взаимодействие клеток с вирусами. Углеводные структуры принимают участие и в др. высокоспецифич. явлениях клеточного взаимодействия, таких, как оплодотворение, узнавание клеток при тканевой дифференциации, отторжение чужеродных тканей и т. д.

Практическое использование

Углеводы составляют главную часть пищевого рациона человека, в связи с чем широко используются в пищевой и кондитерской пром-сти (крахмал, сахароза и др.). Кроме того, в пищевой технологии применяют структурир. в-ва полисахаридной природы, не имеющие сами по себе пищевой ценности - гелеобразователи, загустители, стабилизаторы суспензий и эмульсий (альгинаты, агар, пектины, растит, галактоманнаны и др.).

Превращения моносахаридов при спиртовом брожении лежат в основе процессов получения этанола, пивоварения, хлебопечения; др. виды брожения позволяют получать из сахаров биотехнол. методами глицерин, молочную, лимонную, глюконовую к-ты и мн. др. в-ва.

Глюкозу, аскорбиновую к-ту, углеводсодержащие антибиотики, гепарин широко применяют в медицине. Целлюлоза служит основой для получения вискозного волокна, бумаги, некоторых пластмасс, взрывчатых веществ и др. Сахарозу и растительные полисахариды рассматривают как перспективное возобновляемое сырье, способное в будущем заменить нефть в пром. орг. синтезе. Моносахариды используют в качестве доступных хиральных исходных соединений для синтеза сложных природных в-в неуглеводной природы.

Система комментирования SigComments

Не нашли что искали? Вы можете оставить заявку, в форме обратной связи.

Портал Gosstanart.info не осуществляет коммерческой деятельности, не сотрудничает с рекламодателями, производителями товаров и компаниями предоставляющими услуги. Просьба, не обращаться с коммерческими предложениями! Вся информация, представленная на портале, результат независимых исследований и является свободно распространяемой информацией.

Главная  Новости портала   Черный список   Архив   Обратная связь