Загальна характеристика вуглеводів та їх роль в організмі

Вуглеводи - найпоширеніші органічні речовини в природі. У рослинному світі на їх частку припадав 80-90%, з розра­хунку на суху речовину. У тваринних організмах вуглеводів міститься 2% від до маси тіла, причому основна їх кількість зна­ходиться у печінці і м’язах у вигляді запасного полісахариду гліко­гену. Вуглеводи складають основну частину раціону людини. Вони мають важливе значення у життєдіяльності живих організмів, про що свідчать основні функції, які вони виконують.

Енергетична: при окисленні вуглеводів виділяється енергія, яка на 2/3 забезпечує добову потребу людського організму. Окислен­ня 1г вуглеводів супроводиться виділенням 16,9 кДж енергії (4,1 ккал/моль).

Пластична: вуглеводи використовуються на синтез нуклеїно­вих кислот, органічних кислот, а з них можуть синтезуватися замінні амінокислоти, ліпіди.

Опорна: у комплексі з білками вуглеводи входять до складу хрящових тканин (хондроітинсульфати) та інших сполучнотканинних утворень, що виконують опорні функції у людини і тварин. У рослин целюлоза та інші полісахариди входять до складу зовнішніх клітинних мембран і не тільки захищають клітину від пошкод­жень, але і утворюють скелет рослин, їх опорні тканини.

Захисна функція вуглеводів, полягає у тому, що вони входять до складу слизистих речовин слини, шлунково-кишкового соку, міжклітинної рідини, секрету клітин дихальної системи і захища­ють їх від механічних і хімічних подразнень та мікроорганізмів. Таку функцію виконують мукополісахариди.

Регуляторна: клітковина їжі, що міститься у значній кількості продуктів подразнює кишечник і у такий спосіб сприяє перисталь­тиці, і тим самим покращує травлення.

Вуглеводи виконують різні специфічні функції. Наприклад, вуглеводовмісні сполуки (глікопротеїди) зумовлюють відмінності у групах крові, деякі вуглеводовмісні полімери є рецепторами для зв’язування різних токсинів, бактерій, вірусів, гормонів. Важливо відмітити, що при відчепленні від молекул цих речовин вуглеводу специфічні особливості їх зникають.

Вуглеводи виконують функцію запасних поживних речовин. Вони відкладаються в організмі тварин і людини у вигляді глікогену, а у рослин-крохмалю і фруктозамінів і використовуються по мірі потреб (голодування).

У раціоні людини повинно бути 400-450г вуглеводів, потреба у них залежить від віку, статі, характеру трудової діяльності. Про­аналізуйте таблицю 10.

Вуглеводи та їх похідні широко застосовують в медицині (роз­чини глюкози, глюконат кальцію). Велика кількість похідних вуг­леводів, так звані глюкозиди, являють собою групу лікувальних засобів, зокрема серцевих препаратів.

Вуглеводи широко використовують в народному господарстві, у харчовій промисловості, у виробництві штучних волокон, папе­ру, різних пластмас.

Класифікація вуглеводів

Як свідчить сама назва, вуглеводи складаються з атомів карбо­ну (С), гідрогену (Н) і оксигену (О). Причому два останні елемен­ти входять до їх складу у таких співвідношеннях як у воді. Тому загальна формула вуглеводів С_n(Н₂O)_n. Проте далеко не всі пред­ставники цього класу органічних сполук можна вмістити у таку загальну формулу, але назва «вуглеводи» ввійшла в науку і прак­тику і є загальноприйнятою. За хімічною будовою вони с багатоа­томними альдегідо- або кетоноспиртами.

Вуглеводи поділяють на три основні групи:

1. Моносахариди (монози) - вуглеводи, що не гідролізують.

2. Олігосахариди більш складні вуглеводи, молекули яких скла­даються з 2-х, 3-х, 4-х залишків моносахаридів. Гідролізуючи, розпадаються до моносахаридів. Найважливішими серед них є дисахариди.

3. Полісахариди (поліози) - високомолекулярні вуглеводи, мо­лекули яких містять сотні і тисячі залишків моносахаридів. При гідролізі вони розчеплюються до моносахаридів.

Моносахариди. В залежності від кількості атомів вуглецю по­діляються на тріози, тетрози, пентози, гексози. За фізичними вла­стивостями - це білі кристалічні речовини, добре розчинні у воді, солодкі на смак, оптично активні. За хімічною будовою моноса­хариди являються багатоатомними альдегідо-спиртами (альдози) або кетоспиртами (кетози). Молекули моносахаридів містять від З до 10 атомів вуглецю.

Тріози (гліцериновий альдегід і діоксіацетон) і тетрози (ерит­роза) беруть участь у обміні вуглеводів. Гліцериновий альдегід може брати участь у синтезі жирів. Рибоза і дезоксирибоза відігра­ють важливу роль у синтезі нуклеїнових кислот, нуклеопротеїдів.

Проте, найбільше біологічне значення мають моносахариди з 5 і 6 атомами вуглецю, тобто пентози С₅Н₁₀O₅ і гексози С₆Н₁₂O₆.

Гексози - моносахариди дуже поширені у природі як у вільно­му стані, так і як складові частини різних полісахаридів. Найваж­ливішим представникам є глюкоза, вона може існувати у вигляді ациклічної та циклічних форм.

Суха глюкоза являє собою α-форму глюкози, а через деякий час після розчинення перетворюється у β-форму, згодом встановлюється динамічна рівновага: α-глюкози 38%, β-глюкози 62%. Глюкоза, як і більшість цукрів, легко окислюється. Цими власти­востями користуються для виявлення глюкози у біологічних ріди­нах. Наприклад: за однією з методик якісне визначення глюкози у сечі ґрунтується на тому, що при нагріванні з сульфатом міді у лужному середовищі вона окислюється до глюконової кислоти і випадає червоно-бурий осад оксиду міді (1).

C₆H₁₂O₆+2Cu(OH)₂→C₆H₁₂O₇+Cu₂O↓+2H₂O

По рівню глюкози у крові, як правило, оцінюють стан вуглеводного обміну.

Ізомерами глюкози є фруктоза, галактоза.

Фруктоза за хімічною будовою являє собою кетоноспирт:

Відмінності у будові позначаються на її хімічних властивос­тях, зокрема, фруктоза не має відновних властивостей, вона більш солодка і майже у 2 рази повільніше всмоктується з кишечника, порівняно з глюкозою; її застосовують замість, глюкози і цукру при цукровому діабеті.

Галактоза, як і глюкоза, є багатоатомним альдегідоспиртом. Відрізняється від глюкози лише тим, що гідроксогрупа біля 4-го атома вуглецю розміщена з іншої сторони:

Галактоза разом з глюкозою входить до складу молочного цукру-лактози. Вона міститься у глікопротеїдах, гліколіпідах. Галак­тоза в значних кількостях використовується в організмі для синте­зу глікогену.

У процесі обміну речовин при окисленні шостого атома вугле­цю (С) гексози можуть перетворюватись у гексуронові кислоти. Наприклад, глюкоза окислюється в глюкуронову кислоту:

При окисленні галактози утворюється галактуронова кислота, яка входить до складу полісахаридів, міститься у пектинових ре­човинах рослин.

Глюкуронова кислота бере активну участь в обміні речовин, входить у склад полісахаридів сполучної тканини. Вона може знешкоджувати токсичні речовини, які потім виводяться з органі­зму з сечею. Таким самим способом знешкоджуються і виділя­ються деякі лікарські речовини (камфора, ментол). Отже, глюку­ронова кислота виконує захисну роль в організмі.

Важливе біологічне значення мають аміноцукри - глюкозамін і галактозамін, які утворюються при заміні гідроксогрупи другого атома вуглецю на аміногрупу (-NH₂).

Глюкозамін, галактозамін і їх похідні з оцтовою кислотою вхо­дять до складу клітинних мембран, скловидного тіла ока, синові­альної рідини суглобів, мукополісахаридів (слизисті, желеподібні речовини), глікопротеїдів, гліколіпідів. У складі високомолекулярних сполук аміногрупа аміноцукрів часто атецильована.

У процесі обміну речовин глюкоза бере участь у вигляді ефірів фосфатної кислоти:

Приєднуючи залишок фосфатної кислоти від АТФ моносаха­риди активуються аналогічно до глюкози, утворюючи фосфатні ефіри, які відіграють важливу роль в обміні речовин - рибозофосфати, фосфогліцериновий альдегід (фосфат тріози), фосфати тетроз (еритрозо-4-фосфат та ін).

Фосфатні ефіри пентози (рибози) беруть участь у синтезі пу­ринових і піримідинових нуклеотидів.