2017-05-04 11:21:21
Углеводы – это вещества с общей формулой Cx(H2O)y; формально это соединения углерода и воды, поэтому они и имеют такое название. Некоторые углеводы имеют другую брутто-формулу: у них иное соотношение этих атомов или же в составе присутствуют азот, фосфор или сера.
Рис. 1. Разнообразие углеводов и выполняемых ими функций.
Углеводы делятся на 3 большие группы в зависимости от количества составляющих их мономерных звеньев: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
Рис. 2. Схема химической классификации углеводов.
Моносахариды – мономерные молекулы. В своем составе имеют альдегидную (-НС=О) или кетонную (>С=О) группу, и в зависимости от этого подразделяются на альдозы и кетозы.
Самые простые моносахариды содержат три атома углерода, такие моносахариды называются триозами. Моносахариды с четырьмя, пятью, шестью и семью атомами углерода называются соответственно тетрозами, пентозами, гексозами и гептозами. Гексозы, к которым относятся альдогексоза глюкоза и кетогексоза фруктоза, наиболее распространенные в природе моносахариды. Моносахариды, в составе которых больше четырех атомов углерода, образуют циклические структуры (см. рис. 3 и описание к нему).
Рис. 3. Циклические и линейные формы глюкозы и фруктозы. Розовым выделена альдегидная группа глюкозы, голубым – кетогруппа фруктозы. В рамку выделена гидроксильная группа, которая может быть, как под плоскостью кольца (как показано на рисунке), так и над ней. Эта гидроксильная группа называется аномерной, а моносахариды, различающиеся только положением этой группы – аномерами. У α-формы аномерный гидроксил находится под плоскостью кольца, у ß-формы – над ней. α- и ß-аномеры могут переходить в друг друга через линейную форму (реакция мутаротации). Таким образом, существует циклическая α- и ß-глюкоза и циклическая α- и ß-фруктоза (аналогично и для других моносахаридов, образующих циклические формы).
Если у атома углерода все заместители разные, то они могут располагаться в пространстве двумя различными способами. Эти два способа отличаются друг от друга как правая и левая рука. Такие атомы углеродов называются хиральными (от древнегреческого χειρ — «рука»).
Рис. 4. Разные заместители у пятого атома глюкозы выделены разными цветами.
У моносахаридов может быть несколько хиральных атомов (на рис. 5 хиральные атомы глюкозы отмечены звездочками). Расположение заместителей относительно самого дальнего от кето- или альдольной группы хирального атома (для глюкозы это пятый атом) определяет принадлежность моносахарида к D- или L-ряду. Шестой атом углерода не является хиральным, т. к. у него не все заместители разные. L- и D-изомеры называются стереоизомерами.
Рис. 5. D- и L-стереоизомеры глюкозы. Хиральные атомы отмечены звездочками. Связи, обозначенные вертикальными чертами, уходят за плоскость рисунка от читателя, связи, обозначенные горизонтальными, обращены к читателю. Молекулы являются зеркальным отражением друг друга.
Большинство углеводов в природе (как мономерных, так и полимерных) имеют D-форму. L-стереоизомеры сравнительно редки. Примером такого углевода является альдопентоза L-арабиноза, встречающаяся у растений:
Рис. 6. L-арабиноза.
Олигосахариды – это полимерные молекулы, состоящие из 2-10 остатков моносахаридов. Моносахариды в составе олигосахарида могут быть одного или нескольких видов. По числу мономерных звеньев делятся на дисахариды, трисахариды, тетрасахариды, пентасахариды и т.д.
Дисахариды
При взаимодействии аномерного атома одного моносахарида с гидроксильной группой другого моносахарида (которая также может быть аномерной) образуются дисахариды. Такая связь называется О-гликозидной («о» означает, что молекулы связаны через атом кислорода).
Рис. 7. Образование мальтозы (дисахарид из двух молекул глюкозы). Аномерная группировка одной глюкозы (выделена красным) реагирует с гидроксильной группой 4-го углерода у другой молекулы (выделена синим). Образуется О-гликозидная связь (зеленый цвет).
Примеры дисахаридов:
Сахароза (моносахариды глюкоза и фруктоза)
Мальтоза (две глюкозы)
Лактоза (глюкоза и галактоза)
Полисахариды – это полимеры с большим количеством мономерных звеньев (моносахаридов). Гомополисахариды содержат мономерные звенья одного вида, гетерополисахариды – разных видов.
Полисахариды могут быть линейными (целлюлоза, амилоза) или разветвленными (гликоген, амилопектин).
Полисахариды выполняют в клетке различные функции. Например, гомополисахариды крахмал и гликоген выполняют запасающую функцию, гомополисахариды целлюлоза и хитин и гетерописахахарид муреин выполняют структурную функцию. Различные гетерополисахариды в межклеточном пространстве животных создают каркас, удерживающий клетки вместе, придают форму тканям и органам.
Рис. 8. Схема классификации полисахаридов.
Некоторые важные полисахариды:
1) Запасающие полисахариды
Крахмал
Вещество, которое называется «крахмал» на самом деле является смесью двух полисахаридов, состоящих из остатков глюкозы. Первый полисахарид – это линейная молекула под названием амилоза, второй – разветвлённый амилопектин.
В амилозе все о-гликозидные связи образованы между гидроксилами у первого атома углерода (аномерный атом) и 4-го (α1 → 4 связи).
Рис. 9. Строение амилозы.
Амилопектин, в отличие от амилозы, разветвлен, в неразветвленных участках молекулы глюкозы связаны α1 → 4 связями. В местах ветвления (через каждые 28-30 мономеров) присутствуют α1 → 6 связи (в линейных областях каждый остаток глюкозы связан с двумя соседями, в местах ветвления – с тремя).
Рис. 10. Строение амилопектина.
Крахмал является запасающим полисахаридом растений. Крахмал имеет важное хозяйственное значение для человека. Он содержится во многих основных продуктах питания (пшеницы, гречиха, рис, картофель и многие другие). Крахмал является наиболее распространенным углеводом в рационе человека. В кишечнике под действием гидролитических ферментов он превращается в глюкозу и в таком виде поступает в кровь.
Гликоген
Гликоген по структуре аналогичен амилопектину, но точек ветвления в нем больше – примерно через каждые 10 остатков глюкозы.
Гликоген – запасной полисахарид животных. У человека он накапливается в основном в печени и в мышцах. В печени может происходить его распад до глюкозы, которая поступает в кровь и снабжает энергией различные органы. Гликоген мышц используется только для нужд самих мышц.
Рис. 11. Включение гликогена в клетках печени.
2) Структурные полисахариды
Целлюлоза
Целлюлоза – структурный компонент клеточной стенки растений. Как и амилоза, целлюлоза является линейным полимером, состоящим из остатков глюкозы. Однако, в отличие от амилозы, глюкозы соединены друг с другом ß1→4 связями (в амилозе - α1→ 4 связи). В организмах большинства животных нет ферментов, которые бы могли разрушить такие связи. Однако многие травоядные имеют в своем пищеварительном тракте симбиотических бактерий, которые могут расщеплять целлюлозу с помощью фермента целлюлазы, и помогают организмам-хозяевам усваивать ее. Кроме симбиотических есть еще и свободноживущие микроорганизмы, которые могут расщеплять целлюлозу, например, некоторые плесневые грибы.
Рис. 12. Строение целлюлозы.
Хитин
Хитин – структурный полисахарид животных и грибов. Из него состоят экзоскелеты членистоногих и клеточные стенки грибов. Это линейный гомополисахарид, по строению похожий на целлюлозу, но вместо гидроксильной группы у второго углерода он содержит амидную группу.
Рис. 13. Строение хитина.
Углеводы могут быть составной частью других биомолекул, например, липидов и белков.
Гликозилирование – это процесс присоединения к белкам или липидам углеводной части. Общее название таких молекул – гликозиды.
Гликолипиды – липиды с углеводной частью – входят в состав мембран и выполняют различные важные свойства: определяют антигенные свойства клеток (например, группы крови) и служат рецепторами.
Рис. 14. Пример гликолипида – галактозилцерамид.
Белки, в состав которых входят углеводы, называются гликопротеинами. Гликопротеины являются важным структурным компонентом клеточных мембран животных и растительных организмов. К гликопротеинам относятся большинство белковых гормонов. Гликопротеинами являются все антитела, интерфероны, компоненты комплемента, белки плазмы крови, молока, рецепторные белки и др.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ ВСЕРОССИЙСКОЙ ОЛИМПИАДЫ ШКОЛЬНИКОВ ПО ТЕМЕ «УГЛЕВОДЫ»
1. В состав полисахаридов человека НЕ входят остатки:
Ответ: 1 и 5.
L-глюкоза и D-фруктоза не используются в организме человека, хотя в растениях запасающий полимер D-фруктозы – инулин – часто встречается.
D-глюкоза широко распространена в организме человека и в полимерно виде представлена, например, гликогеном.
D-глюкуроновая кислота – продукт окисления D-глюкозы. Она входит в состав слизи, слюны, внеклеточного матрикса и гликокаликса.
N-ацетил-(D)-глюкозамин также входит в состав внеклеточного матрикса вместе с гиалуроновой кислотой.
2. Линейную D-глюкозу можно формально рассматривать как соединение углерода и воды с брутто-формулой Сх(Н2О)у. Такой брутто-формуле не подчиняется:
Ответ: 4.
Окисление глюкозы приводит к появлению дополнительного кислородного атома и образованию карбоксильной группы у 6 углерода.
L-глюкоза – стереоизомер D-глюкозы, и брутто-формулы у них одинаковы.
Замыкание в кольцо линейных форм глюкозы (реакция мутаротации) не приводит к появлению или исключению каких-либо атомов, это реакция изомеризации.
Глицерин, структурная формула
3. В сахароспиртах (произвоных моносахаридов) кислород карбонильной группы восстановлен до образования гидроксильной группы. Например, D-глицеральдегид можно восстановить до глицерина. Однако последний не обозначают с помощью букв D и L. Это объясняется тем, что:
Ответ: 2.
Для того чтобы у молекулы были стереоизомеры, хотя бы у одного из углеродов все заместители должны быть различны. Только тогда они могут быть размещены в пространстве двумя разными способами, отличающимися друг от друга как правая и левая ладонь.
Для того чтобы у молекулы имелись стереоизомеры, достаточно даже одного углерода, главное, чтобы заместители были разные.
Наличие или отсутствие альдегидной группы не сказывается на наличии или отсутствии пространственной изомерии. Например, у фруктозы нет альдегидной группы (это кетоза), однако существует D- и L- фруктоза.
От брутто-формулы стереоизомерия также не зависит.
Использованные источники:
1. «Основы биохимии Леннинджера», Нельсон и Кох
2. «Биохимия» под ред. Е. С. Северина
3. Задания теоритического тура ВОШ по биологии
