🗊Презентация Углеводы. Химический состав углеводов

УГЛЕВОДЫ ТАМБОВЦЕВА Р.В. Д.б.н., профессор РГУФКСМиТ Москва

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ УГЛЕВОДОВ УГЛЕВОДЫ – это класс органических веществ, в состав которых входят атомы углерода (С), водорода (Н) и кислорода в соотношении 1 : 2 : 1. Общая формула углеводов – Сn H2n On или (CH2O)n, где n = 3-9 атомов углерода Согласно Международной классификации, углеводы называются ГЛИЦИДАМИ В состав отдельных углеводов могут входить другие химические элементы: N, S, P. По химическому строению углеводы являются АЛЬДЕГИДОСПИРТАМИ (альдозы) или КЕТОСПИРТАМИ (кетозы) АЛЬДОЗЫ содержат одну функциональную группу при первом углеродном атоме и несколько гидроксильных групп (-ОН) при других атомах углерода. КЕТОЗЫ содержат одну кетогруппу при втором углеродном атоме и гидроксильные группы. Примером альдолаз является глюкоза, а кетоз – фруктоза. Содержание углеводов в организме человека относительно небольшое до 2-3% общей массы тела. Углеводы откладываются в печени в виде гликогена (от 5 до 10% общей массы), скелетных мышцах (1-3%), сердце (до 0,5%). Запасы гликогена в организме взрослого человека с массой тела 70 кг составляют в среднем 500 г. Свободная глюкоза содержится в крови (4,5-5г) В углеводах запасаются около 2000 ккал энергии, за счет которой организм может физически работать в течение 30 минут – 1 часа. В организме человека углеводы синтезируются в незначительном количестве в процессе ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗА. Основное их количество поступает в организм с продуктами питания. Углеводы находятся преимущественно в продуктах растительного происхождения, так как их первичный синтез осуществляется в зеленых растениях в процессе фотосинтеза. Суточная потребность человека в углеводах – 300-400 г, а спортсменов – 400-700 г.

СХЕМА ФОТОСИНТЕЗА

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ – при распаде углеводов высвобождаемая энергия рассеивается в виде тепла или накапливается в молекулах АТФ. Углеводы обеспечивают около 50-60% суточного энергопотребления организма, а при мышечной деятельности на выносливость – до 70%. При окислении 1 г углеводов выделяется 17 кДж энергии (4,1 ккал). В качестве основного энергетического источника в организме используется свободная глюкоза или запасенные углеводы в виде гликогена. ПЛАСТИЧЕСКАЯ – углеводы (рибоза, дезоксирибоза) используются для построения АТФ, АДФ и других нуклеотидов, а также нуклеиновых кислот. Они входят в состав некоторых ферментов. Отдельные углеводы являются структурными компонентами клеточных мембран. Продукты превращения глюкозы (глюкуроновая кислота, глюкозамин) входят в состав полисахаридов и сложных белков хрящевой и других тканей. ЗАПАС ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ – углеводы накапливаются в скелетных мышцах, печени и других тканях в виде гликогена. Запасы гликогена зависят от массы тела, функционального состояния организма, характера питания. Систематическая мышечная деятельность приводит к увеличению запасов гликогена, что повышает энергетические возможности организма. СПЕЦИФИЧЕСКАЯ – отдельные углеводы участвуют в обеспечении специфичности групп крови, выполняют роль антикоагулянтов, являются рецепторами ряда гормонов или фармакологических веществ, оказывают противоопухолевое действие. ЗАЩИТНАЯ – сложные углеводы входят в состав компонентов иммунной системы; мукополисахариды находятся в слизистых веществах, которые покрывают поверхность сосудов носа, бронхов, пищеварительного тракта, мочеполовых путей и защищают от проникновения бактерий и вирусов, а также от механических повреждений. РЕГУЛЯТОРНАЯ – клетчатка пищи не расщепляется в кишечнике, но активирует перистальтику кишечника, ферменты пищеварительного тракта, улучшают пищеварение, усвоение питательных веществ.

КЛАССЫ УГЛЕВОДОВ

МОНОСАХАРИДЫ МОНОСАХАРИДЫ – это простые углеводы, которые при гидролизе не распадаются на более простые молекулы. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле моносахариды делятся на ТРИОЗЫ (С3Н6О3), ТЕТРОЗЫ (С4Н8О4), ПЕНТОЗЫ (С5Н10О5), ГЕКСОЗЫ (С6Н12О6), ГЕПТОЗЫ (С7Н14О7). Другие моносахариды в природе не встречаются, но могут быть получены синтетически. Наиболее важную роль в организме человека выполняют представители гексоз – глюкоза и фруктоза, пентоз – рибоза и дезоксирибоза, триоз – глицериновый альдегид и диоксиацетон. ГЛЮКОЗА и ФРУКТОЗА – это основные энергетические субстраты организма человека. Они имеют одинаковый молекулярный состав (С6Н12О6), но разную структуру молекулы, так как различаются наличием функциональных групп. Глюкоза содержит альдегидную группу, а фруктоза – кетогруппу, т.е. они являются изомерами по положению карбонильной группы (С=0) Для моносахаридов характерна также пространственная изомерия или стереоизомерия, т.к. они содержат асимметричные атомы углерода (отмечены *), которые связаны с 4 различными атомами. Выделяют D-форму и L-форму глюкозы и других моносахаридов. В них гидроксильная группа при 4 атоме углерода занимает разное пространственное положение.

Организм человека может усваивать только D-форму моносахаридов, в то время как аминокислоты используются организмом только в виде L-изомеров. Внутритканевые ферменты способны различать оптические изомеры веществ. Стереоизомерами глюкозы являются ГАЛАКТОЗА и МАННОЗА: ГАЛАКТОЗА входит в состав ЛАКТОЗЫ – основного дисахарида молока. В печени под действием ферментов может превращаться в глюкозу. В водной среде ГЛЮКОЗА и ФРУКТОЗА находится в основном в циклической форме. Циклизация молекулы происходит за счет внутримолекулярного взаимодействия альдегидной группы в молекуле глюкозы или кетогруппой в молекуле фруктозы с одной гидроксильной группой этого же моносахарида:

Циклические формы моносахаридов приобретают биологически реактивную гидроксильную группу при С1 – или С2 – атоме углерода, которая называется ГЛИКОЗИДНЫМ ГИДРОКСИЛОМ. Она играет важную роль в химических превращениях этих моносахаридов, в частности участвует в образовании ди- и полисахаридов, фосфорных эфиров. Например: глюкоза участвует в обмене веществ и энергии в виде фосфорного эфира глюкозо-1-фосфат, запускающего процесс распада глюкозы и синтеза полисахаридов. Для моносахаридов характерно образование и других фосфорных эфиров: глюкозо-6-фосфат, фруктозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-дифосфат. Фосфорилированные формы глюкозы и фруктозы в процессе их метаболизма способны взаимопревращаться, а также распадаться до триоз – фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона:

Из моносахаридов при замещении гидроксильных групп на аминогруппу (- NH2) образуются аминосахара. В организме человека наиболее важными аминосахарами являются ГЛЮКОЗАМИН и ГАЛАКТОЗАМИН: ГЛЮКОЗАМИН и Галактозамин входят в состав сложных углеводов мукополисахаридов, которые выполняют защитную и специфические функции, характерные для слизей, стекловидного тела глаз, синовиальной жидкости суставов, системы свертывания крови и др. Из глюкозы в процессе ее восстановления или окисления образуются многие функционально важные вещества: аскорбиновая кислота (витамин С), спирт сорбит, глюконовая, глюкуроновая, сиаловые и другие кислоты.

РИБОЗА и ДЕЗОКСИРИБОЗА – это углеводы, которые в свободном виде встречаются редко. Чаще они входят в состав сложных веществ, т.е. используются в организме в пластических процессах. РИБОЗА участвует в биосинтезе нуклеотидов (АТФ, АДФ, АМФ и др.) и РНК, а также многих коферментов (НАД, НАДФ, ФАД, ФМН, КоА). Дезоксирибоза участвует в биосинтезе дезоксирибонуклеотидов, которые являются структурным компонентом ДНК. Спирт рибитол, производное рибозы, входит в состав витамина В12 и некоторых дыхательных ферментов. Рибоза и дезоксирибоза являются альдозами. В молекуле дезоксирибозы отсутствует атом О2 при втором атоме углерода. Изомером положения функциональной карбонильной группы в рибозе является рибулоза: В организме рибоза и другие пентозы находятся также в циклической D-форме: Рибоза и рибулоза синтезируются в тканях организма при окислении глюкозы в пентозном цикле. Дезоксирибоза образуется из рибозы при ее дезоксигенировании.

ГЛИЦЕРИНОВЫЙ АЛЬДЕГИД и ДИОКСИАЦЕТОН – образуются в тканях организма в процессе катаболизма глюкозы и фруктозы. Являясь изомерами они способны к взаимопревращению: В тканях организма в процессе метаболизма углеводов и жиров образуются фосфорные эфиры глицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона. Фосфоглицериновый альдегид является высоэнергетическим субстратом биологического окисления. В процессе его окисления образуется молекула АТФ и продукты окисления – пировиноградная кислота (ПВК) и молочная кислота:

ПРОИЗВОДНЫЕ МОНОСАХАРИДОВ Большую группу производных моносахаридов составляют фосфорные эфиры, которые образуются в ходе превращений углеводов в тканях. Пример: В природе широко распространены 2 аминопроизводных моносахаридов – глюкозамин и галактозамин: В состав полисахаридов входит глюкуроновая кислота:

РЕАКЦИИ МОНОСАХАРИДОВ Присутствие гидроксильных, альдегидных и кетонных групп позволяет моносахаридам вступать в реакции, характерные для спиртов, альдегидов и кетонов. МУТАРОТАЦИЯ – взаимопревращение аномерных форм моносахаридов. а – и бета – формы аномеров находятся в растворе в состоянии равновесия. При достижении этого равновесия происходит мутаротация – размыкание и замыкание пиранового кольца и изменение положения Н- и ОН-групп при 1 углероде моносахарида. ОБРАЗОВАНИЕ ГЛИКОЗИДОВ – при образовании гликозидной связи аномерная ОН-группа одного моносахарида взаимодействует с ОН-группой другого моносахарида или спирта. При этом происходят отщепление молекулы воды и образование О-гликозидной связи. ЭТЕРИФИКАЦИЯ – Это реакция образования эфирной связи между ОН-группами моносахаридов и различными кислотами. ОКИСЛЕНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ – при окислении концевых групп глюкозы –СНО и -СН2ОН образуются три разных производных. При окислении группы – СНО образуется глюконовая кислота. При окислении – СН2ОН образуется глюкуроновая кислота. Если окисляются обе концевые группы, то образуется сахарная кислота.

РЕАКЦИИ МОНОСАХАРИДОВ

ОЛИГОСАХАРИДЫ Наиболее распространенными в природе олигосахаридами являются ДИСАХАРИДЫ ДИСАХАРИДЫ – это группа, состоящая из небольшого (от 2 до 10) моносахаридов. В дисахаридах 2 остатка моносахаридов соединены между собой 1,4- или 1,2-гликозидными связями. Основные дисахариды – САХАРОЗА, МАЛЬТОЗА, ЛАКТОЗА. Молекулярная формула – С12Н22О11. САХАРОЗА Сахароза состоит из остатка глюкозы и фруктозы, соединенных между собой 1,2-гликозидной связью, которая образуется при взаимодействии гидроксильной группы в 1 атоме углерода глюкозы и гидроксильной группы при 2 атоме углерода фруктозы: Сахароза является основным компонентом пищевого сахара. В процессе пищеварения под воздействием фермента сахарозы она распадается на глюкозу и фруктозу МАЛЬТОЗА Мальтоза состоит из двух остатков глюкозы, соединенных между собой 1,4-гликозидной связью: Мальтоза образуется в ЖКТ в процессе гидролиза крахмала или гликогена пищи. При пищеварении она расщепляется на молекулы глюкозы под воздействием фермента мальтазы. Много мальтозы содержится в солодовых экстрактах злаковых, проросших зернах.

ЛАКТОЗА (молочный сахар) состоит из остатков глюкозы и галактозы, которые соединены между собой 1,4-гликозидной связью: Лактоза синтезируется в молочных железах в период лактации. В коровьем молоке содержание ее составляет 5%, в женском молоке – 6%. В системе пищеварения человека лактоза расщепляется под воздействием фермента лактазы на глюкозу и галактозу. Поступление лактозы в организм с пищей способствует развитию молочнокислых бактерий, подавляющих в кишечнике развитие гнилостных процессов. Однако у людей, имеющих низкую активность фермента лактазы, развивается интолерантность к молоку. Сахароза (пищевой сахар), имеет сладкий вкус и высокую питательную ценность. Поэтому они не рекомендуются для питания людей, страдающих ожирением и диабетом. Их заменяют искусственными веществами, например сахарином, которые имеют сладкий вкус, но не усваиваются организмом.

ПОЛИСАХАРИДЫ ПОЛИСАХАРИДЫ – это сложные углеводы, состоящие из многих сотен или тысяч связанных между собой остатков моносахаридов, в основном остатков глюкозы. Основные гомополисахариды, выполняющие важную биологическую роль и состоящие из молекул глюкозы являются: крахмал и клетчатка растений, гликоген человека и животных. Эти полисахариды не обладают сладким вкусом, плохо растворяются в воде, образуя коллоиды. Они имеют общую молекулярную формулу (С6Н10О5)n, однако различаются количественным составом и строением молекул. НЕЙТРАЛЬНЫЕ КРАХМАЛ – резервный полисахарид растений, состоящий из большого числа остатков D-глюкозы (до 300). Является основным полисахаридом пищи, поставщиком глюкозы в организм человека. Молекулярная масса крахмала – 50000 до 300000. По строению не однороден и представляет смесь спиралевидных цепей амилозы (10-20%) и разветвленных цепей амилопектина (80-90%). Остатки глюкозы в амилозе связаны между собой 1,4-гликозидной связью, а в точках ветвления амилопектина – 1,6-гликозидными связями. Коллоидные частицы (мицеллы) амилозы дают с иодом синее окрашивание. АМИЛОЗА хорошо растворяется в воде, тогда как амилопектин не растворяется и образует коллоидный раствор – клейстер. При частичном разрушении структуры крахмала образуются соединения с меньшей молекулярной массой (декстрины), которые также хорошо растворяются в воде. Основные ферменты, расщепляющие крахмал пищи – амилазы слюны и сока поджелудочной железы. АМИЛОПЕКТИН – разветвленный полисахарид с mm 1 млн. Через 12 моносахаридных звеньев у него имеются точки ветвления, образованные а-(16) – гликозидными связями. Пектин – природный сорбент

АМИЛОЗА Спиралевидная конформация молекулы амилозы АМИЛОПЕКТИН

Схема строения цепей крахмала –амилозы (а), амилопектина (б) и участка молекулы гликогена (в)

ГЛИКОГЕН ГЛИКОГЕН – главный резервный полисахарид всех тканей человека и животных. Встречается гликоген в небольших количествах у бактерий и растений. Имеет большую молекулярную массу – 1-20 х 10 7, отличается большой разветвленностью цепей по сравнению с амилопектином. Гликоген состоит из большого количества молекул глюкозы (до 30000), соединенных между собой гликозидными связями. Благодаря такой структуре гликоген способен растворяться в воде. Накапливается (депонируется) гликоген в печени (около 100 г) и скелетных мышцах (около 400 г), создавая запас глюкозы в организме. Концентрация гликогена в тканях зависит от: Состава пищи Характера мышечной деятельности Факторов окружающей среды (жара, гипоксии). При недостаточном поступлении углеводов с пищей или интенсивной мышечной деятельности запасы гликогена снижаются При избыточном поступлении глюкозы с пищей запасы гликогена восстанавливаются. Гликоген печени используется для поддержания уровня глюкозы в крови в периоды между приемом пищи или интенсивности ее окисления, а гликоген скелетных мышц – для энергообеспечения самих мышц.

В молекуле гликогена выделяют внутренние и наружные ветви, а также цепи А, В и С. Цепь А – наружная, не несет других ветвей, она присоединяется к цепям В, образующим внутренние ветви. Цепь С – стержневая , содержащая единственный восстанавливающий остаток глюкозы.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЛИКОГЕНА ПЕЧЕНИ И СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ

ЦЕЛЛЮЛОЗА – структурный гомополисахарид растений, придающий им прочность и эластичность mm 5х 104 – 5 х 105. Он имеет линейное строение, но отличается от альфа-амилозы типом гликозидной связи. Это неразветвленный полимер, состоящий из большого числа остатков глюкозы. Целлюлоза образует вторичную стенку растительных клеток в виде микрофибрилл, которые цементируются другими полисахаридами или лигнином (аморфный ароматический полимер). Это позволяет растительной стенке выдерживать внутреннее давление 2 х 10 3 кПа (20 атм). В организме человека целлюлоза не расщепляется, но она необходима для регуляции перистальтики и активности ферментов тонкого кишечника. Расщепляет целлюлозу специальный фермент – целлюлаза, который отсутствует в ЖКТ человека. КИСЛЫЕ ГЕТЕРОПОЛИСАХАРИДЫ или МУКОПОЛИСАХАРИДЫ От лат.mucos – слизь. Мукополисахариды – это большая группа полисахаридов разного химического строения и состава, которые содержатся в коже, сухожилиях хрящах, оболочках клеток, межклеточной и синовиальной жидкости – сильно гидратированные, желеподобные, липкие вещества, имеющие значительный отрицательный заряд. Все они находятся в межклеточном веществе, но не в свободном виде, а связаны с белками. Гиалуроновая кислота Хондроитинсульфаты Дерматансульфат Кератансульфат Гепарин и гепарансульфат

ГИАЛУРОНОВАЯ КИСЛОТА Гиалуроновая кислота – несульфатированный гетерополисахарид с линейной структурой и самой большой молекулярной массой из всех гетерополисахаридов. Она служит биологическим цементом, заполняя пространства между клетками. Сетка гиалуроновой кислоты в виде геля является биологическим фильтром, задерживая микробные и иные крупные молекулы, попадающие в организм. Она участвует в связывании воды в организме, придает внутрисуставной жидкости смазочные свойства, уменьшает трение при сгибании суставов. Разрыв гликозидных связей в цепях гиалуроновой кислоты вызывает ее деполимеризацию. В результате фильтрующая система нарушается, между клетками проникают различные молекулы, скапливается межклеточная вода (наступает отек). В клетках организма имеется специальный фермент – гиалуронидаза, который, выделяясь в межклеточное пространство, может повышать межклеточную проницаемость. Поэтому гиалуронидазу называют фактором проницаемости. При оплодотворении яйцеклетки выделяемая сперматозоидом гиалуронидаза способствует проникновению его внутрь клетки. Стекловидное тело и пуповина новорожденных также богаты гиалуроновой кислотой. В структурном отношении молекула представляет собой линейный полисахарид, образованный дисахаридными повторяющимися звеньями, состоящими из остатков D-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-D-глюкозамина, соединенных бета-1,3-гликозидной связью. Повторяющиеся дисахаридные звенья гиалуроновой кислоты связаны между собой бета-1,4-связью:

ХОНДРОИТИНСУЛЬФАТЫ - Наиболее распространенные кислые гетерополисахариды в тканях человека и животных. Mm 6 х 104. В комплексе с белком коллагеном входят в состав хрящей, костей, сердечных клапанов, стенок кровеносных сосудов, кожи, сухожилий, роговицы глаз. Повторяющееся дисахаридное звено в хондроитинсульфате из глюкуроновой кислоты и N-ацетитилгалактозаминосульфата; звенья соединены друг с другом бета-1,3- и бета- 1,4 – гликозидными связями, подобно связям в гиалуроновой кислоте: ГЕПАРИН - в отличие от других гетерополисахаридов не являются структурными компонентами межклеточного вещества. Они вырабатываются тучными клетками соединительной ткани и выделяются при их распаде (цитолизе) в межклеточную среду и кровяное русло. В крови гепарин нековалентно связан со специфическими белками. Комплекс гепарина с гликопротеидом плазмы проявляет противосвертывающую активность, а комплекс с ферментом липопротеидлипазой расщепляет липиды, находящихся в крови в виде хиломикронов. Гепарин содержится в крови, печени, легких, селезенке, щитовидной железе и в других тканях и органах. Молекула гепарина состоит из глюкуроновой кислоты и альфа-глюкозамина в виде двойного сульфопроизводного, соединенных между собой а-1,4-гликозидными связями.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ПОЛИСАХАРИДОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ – крахмал и гликоген являются «депо» углеводов в клетке и при необходимости быстро расщепляются на легкоусваиваемый источник энергии – глюкозу. ОПОРНАЯ – хондроитинсульфат выполняет опорную функцию в костной ткани. СТРУКТУРНАЯ – гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат и гепарин являются структурными межклеточными веществами. ГИДРООСМОТИЧЕСКАЯ и ИОНРЕГУЛИРУЮЩАЯ – гиалуроновая кислота благодаря высокой гидрофильности и отрицательному заряду связывает межклеточную воду и катионы, регулируя осмотическое давление. ЗАЩИТНАЯ – участие в свертывании крови.

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ