Свойства и строение углеводов. Функции углеводов

Для организма человека, равно как и остальных живых существ, необходима энергия. Без нее невозможно протекание никаких процессов. Ведь каждая биохимическая реакция, любой ферментативный процесс или этап метаболизма нуждается в энергетическом источнике.

Поэтому значение веществ, предоставляющих организму силы на жизнь, очень велико и важно. Какие же это вещества? Углеводы, белки, жиры. Строение каждого из них различно, они относятся к совершенно разным классам химических соединений, но одна из их функций схожа - обеспечение организма необходимой энергией для жизнедеятельности. Рассмотрим одну группу из перечисленных веществ - углеводы.

Классификация углеводов

Состав и строение углеводов с момента их открытия определялись их названием. Ведь, по ранним источникам, считалось, что это такая группа соединений, в структуре которых присутствуют атомы углерода, связанные с молекулами воды.

Более тщательный анализ, а также накопленные сведения о разнообразии данных веществ позволили доказать, что не все представители имеют только такой состав. Однако этот признак по-прежнему один из тех, что определяет строение углеводов.

Современная классификация данной группы соединений выглядит следующим образом:

1. Моносахариды (рибоза, фруктоза, глюкоза и так далее).
2. Олигосахариды (биозы, триозы).
3. Полисахариды (крахмал, целлюлоза).

Также все углеводы можно разделить на две следующие большие группы:

• восстанавливающие;
• невосстанавливающие.

Строение молекул углеводов каждой группы рассмотрим подробнее.

Моносахариды: характеристика

К данной категории относятся все простые углеводы, которые содержат альдегидную (альдозы) или кетонную (кетозы) группировку и не больше 10 атомов углерода в строении цепи. Если смотреть по количеству атомов в основной цепи, то моносахариды можно разделить на:

• триозы (глицериновый альдегид);
• тетрозы (эритрулоза, эритроза);
• пентозы (рибоза и дезоксирибоза);
• гексозы (глюкоза, фруктоза).

Все остальные представители имеют не столь важное значение для организма, как перечисленные.

Особенности строения молекул

По своему строению монозы могут быть представлены как в виде цепочки, так и в форме циклического углевода. Как это происходит? Все дело в том, что центральный атом углерода в соединении является ассиметрическим центром, вокруг которого молекула в растворе способна вращаться. Так формируются оптические изомеры моносахаридов L- и D-формы. При этом формулу глюкозы, записанную в виде прямой цепочки, можно мысленно ухватить за альдегидную группировку (или кетонную) и свернуть в клубок. Получится соответствующая циклическая формула.

Химическое строение углеводов ряда моноз достаточно простое: ряд углеродных атомов, образующих цепь или цикл, от каждого из которых по разные или по одну сторону располагаются гидроксильные группировки и атомы водорода. Если все одноименные структуры по одну сторону, то тогда формируется D-изомер, если по разные с чередованием друг друга - тогда L-изомер. Если записать общую формулу самого распространенного представителя моносахаридов глюкозы в молекулярном виде, то она будет иметь вид: С₆Н₁₂О₆. Причем эта запись отражает строение и фруктозы тоже. Ведь химически эти две монозы - структурные изомеры. Глюкоза - альдегидоспирт, фруктоза - кетоспирт.

Строение и свойства углеводов ряда моносахаридов тесно взаимосвязаны. Ведь из-за наличия альдегидной и кетонной группировки в составе структуры они относятся к альдегидо- и кетоноспиртам, что и определяет их химическую природу и реакции, в которые они способны вступать.

Так, глюкоза проявляет следующие химические свойства:

1. Реакции, обусловленные наличием карбонильной группы:

• окисление - реакция "серебряного зеркала";
• со свежеосажденным гидроксидом меди (II) - альдоновая кислота;
• сильные окислители способны сформировать двухосновные кислоты (альдаровые), преобразуя не только альдегидную, но и одну гидроксильную группировку;
• восстановление - преобразуется в многоатомные спирты.

2. В молекуле присутствуют и гидроксильные группы, что отражает строение. Свойства углеводов, на которые влияют данные группировки:

• способность к алкилированию - образованию простых эфиров;
• ацилирование - формирование сложных эфиров;
• качественная реакция на гидроксид меди (II).

3. Узкоспецифические свойства глюкозы:

• маслянокислое;
• спиртовое;
• молочнокислое брожение.

Выполняемые функции в организме

Строение и функции углеводов ряда моноз тесно связаны. Последние заключаются, прежде всего, в участии в биохимических реакциях живых организмов. Какую же роль играют моносахариды в этом?

1. Основа для производства олиго- и полисахаридов.
2. Пентозы (рибоза и дезоксирибоза) - важнейшие молекулы, участвующие в образовании АТФ, РНК, ДНК. А они, в свою очередь, главные поставщики наследственного материала, энергии и белка.
3. Концентрационное содержание глюкозы в крови человека - верный показатель осмотического давления и его изменений.

Олигосахариды: строение

Строение углеводов данной группы сводится к наличию двух (диозы) или трех (триозы) молекул моносахаридов в составе. Существуют и те, в составе которых 4, 5 и более структур (до 10), однако самыми распространенными являются дисахариды. То есть при гидролизе такие соединения распадаются с образованием глюкозы, фруктозы, пентозы и так далее. Какие соединения относятся к этой категории? Типичный пример - это сахароза (обычный тростниковый сахар), лактоза (основной компонент молока), мальтоза, лактулоза, изомальтоза.

Химическое строение углеводов этого ряда обладает следующими особенностями:

1. Общая формула молекулярного вида: С₁₂Н₂₂О_11.
2. Два одинаковых или разных остатка монозы в структуре дисахарида соединяются между собой при помощи гликозидного мостика. От характера этого соединения будет зависеть восстанавливающая способность сахара.
3. Восстанавливающие дисахариды. Строение углеводов данного типа заключается в образовании гликозидного мостика между гидроксилом альдегидной и гидроксильной группы разных молекул моноз. Сюда относятся: мальтоза, лактоза и так далее.
4. Невосстанавливающие - типичный пример сахароза - когда мостик формируется между гидроксилами только соответствующих групп, без участия альдегидной структуры.

Таким образом, строение углеводов кратко можно представить в виде молекулярной формулы. Если же необходима подробная развернутая структура, то изобразить ее можно с помощью графических проекций Фишера или формул Хеуорса. А конкретно два циклических мономера (монозы) либо разные, либо одинаковые (зависит от олигосахарида), соединенные между собой гликозидным мостиком. При построении следует учитывать восстанавливающую способность для правильного отображения связи.

Примеры молекул дисахаридов

Если задание стоит в форме: "Отметьте особенности строения углеводов", то для дисахаридов лучше всего сначала указать, из каких остатков моноз он состоит. Самые распространенные типы такие:

• сахароза - построена из альфа-глюкозы и бетта-фруктозы;
• мальтоза - из остатков глюкозы;
• целлобиоза - состоит из двух остатков бетта-глюкозы D-формы;
• лактоза - галактоза + глюкоза;
• лактулоза - галактоза + фруктоза и так далее.

Затем по имеющимся остаткам следует составлять структурную формулу с четким прописыванием типа гликозидного мостика.

Значение для живых организмов

Очень велика и роль дисахаридов, важно не только строение. Функции углеводов и жиров в целом схожи. В основе лежит энергетическая составляющая. Тем не менее для некоторых отдельных дисахаридов следует указать их особое значение.

1. Сахароза - главный источник глюкозы в организме человека.
2. Лактоза содержится в грудном молоке млекопитающих, в том числе в женском до 8 %.
3. Лактулоза получается в лаборатории для использования в медицинских целях, а также добавляется в производстве молочных продуктов.

Любой дисахарид, трисахарид и так далее в организме человека и других существ подвергается моментальному гидролизу с образованием моноз. Именно эта особенность и лежит в основе использования этого класса углеводов человеком в сыром, неизменном виде (свекловичный или тростниковый сахар).

Полисахариды: особенности молекул

Функции, состав и строение углеводов данного ряда имеют большое значение для организмов живых существ, а также для хозяйственной деятельности человека. Во-первых, следует разобраться, какие же углеводы относятся к полисахаридам.

Их достаточно много:

• крахмал;
• гликоген;
• муреин;
• глюкоманнан;
• целлюлоза;
• декстрин;
• галактоманнан;
• муромин;
• пектиновые вещества;
• амилоза;
• хитин.

Это не полный список, а только самые значимые для животных и растений. Если выполнять задание "Отметьте особенности строения углеводов ряда полисахаридов", то в первую очередь следует обратить внимание на их пространственную структуру. Это очень объемные, гигантские молекулы, состоящие из сотен мономерных звеньев, сшитых между собой гликозидными химическими связями. Зачастую строение молекул углеводов полисахаридов представляет собой слоистые композиции.

Существует определенная классификация таких молекул.

1. Гомополисахариды - состоят из одинаковых многократно повторяющихся звеньев моносахаридов. В зависимости от монозы могут быть гексозами, пентозами и так далее (глюканы, маннаны, галактаны).
2. Гетерополисахариды - образованы разными мономерными звеньями.

К соединениям с линейной пространственной структурой следует относить, например, целлюлозу. Разветвленное строение имеет большинство полисахаридов - крахмал, гликоген, хитин и так далее.

Роль в организме живых существ

Строение и функции углеводов этой группы тесно связаны с жизнедеятельностью всех существ. Так, например, растения в виде запасного питательного вещества накапливают в разных частях побега или корня крахмал. Основной источник энергии для животных - опять же полисахариды, при расщеплении которых образуется достаточно много энергии.

Углеводы в строении клетки играют очень значимую роль. Из хитина состоит покров многих насекомых и ракообразных, муреин - компонент клеточной стенки бактерий, целлюлоза - основа растений.

Запасное питательное вещество животного происхождения - это молекулы гликогена, или, как его чаще называют, животного жира. Он запасается в отдельных частях организма и выполняет не только энергетическую, но и защитную функцию от механических воздействий.

Для большинства организмов имеет большое значение строение углеводов. Биология каждого животного и растения такова, что требует постоянного источника энергии, неиссякаемого. А это могут дать только они, причем больше всего именно в форме полисахаридов. Так, полное расщепление 1 г углевода в результате метаболических процессов приводит к высвобождению 4,1 ккал энергии! Это максимум, больше не дает ни одно соединение. Именно поэтому углеводы обязательно должны присутствовать в рационе любого человека и животного. Растения же заботятся о себе сами: в процессе фотосинтеза они формируют внутри себя крахмал и запасают его.

Общие свойства углеводов

Строение жиров, белков и углеводов в целом похоже. Ведь все они являются макромолекулами. Даже некоторые их функции имеют общую природу. Следует обобщить роль и значение всех углеводов в жизни биомассы планеты.

1. Состав и строение углеводов подразумевают использование их в качестве строительного материала для оболочки растительных клеток, мембраны животных и бактериальных, а также образования внутриклеточных органелл.
2. Защитная функция. Характерна для растительных организмов и проявляется в формировании у них шипов, колючек и так далее.
3. Пластическая роль - образование жизненно важных молекул (ДНК, РНК, АТФ и других).
4. Рецепторная функция. Полисахариды и олигосахариды - активные участники транспортных переносов через клеточную мембрану, "стражи", улавливающие воздействия.
5. Энергетическая роль самая значимая. Предоставляет максимум энергии для всех внутриклеточных процессов, а также работы всего организма в целом.
6. Регуляция осмотического давления - глюкоза осуществляет такой контроль.
7. Некоторые полисахариды становятся запасным питательным веществом, источником энергии для животных существ.

Таким образом, очевидно, что строение жиров, белков и углеводов, их функции и роль в организмах живых систем имеют решающее и определяющее значение. Данные молекулы - создатели жизни, они же ее сохраняют и поддерживают.

Углеводы с другими высокомолекулярными соединениями

Также известна роль углеводов не в чистом виде, а в сочетании с другими молекулами. К таким можно отнести такие самые распространенные, как:

• гликозаминогликаны или мукополисахариды;
• гликопротеины.

Строение и свойства углеводов такого вида достаточно сложное, ведь в комплекс соединяются самые разные функциональные группы. Основная роль молекул этого типа - участие во многих жизненных процессах организмов. Представителями являются: гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат, гепаран, кератан-сульфат и другие.

Также существуют комплексы полисахаридов с другими биологически активными молекулами. Например, гликопротеиды или липополисахариды. Их существование имеет важное значение при формировании иммунологических реакций организма, так как они входят в состав клеток лимфатической системы.