Общая характеристика углеводов (полисахаридов)

Введение

Данная тема была актуальна во все времена, так как, полисахариды – это сложные углеводы. Углеводы имеют большое биологическое значение в организме человека и выполняют ряд жизненно важных функций. Углеводам в питании человека принадлежит чрезвычайно важная роль. Они являются главным источником энергии для человеческого организма, необходимой для жизнедеятельности всех клеток, тканей и органов, особенно мозга, сердца, мышц. Углеводные запасы человека очень ограничены, содержание их не превышает 1% массы тела. При интенсивной работе они быстро истощаются, поэтому углеводы должны поступать с пищей ежедневно. Продукты питания должны не только удовлетворять потребности человека в основных питательных веществах и энергии, но и выполнять профилактические и лечебные цели. Правильное питание необходимо потому, что сам организм человека вырабатывать витамины не способен, поэтому их содержание в организме целиком и полностью зависит от поступления пищи. Организация здорового питания – сложный и многофакторный процесс, который можно реализовать, только опираясь на глубокие знания, стройную научную концепцию и продуманную научно – техническую политику. Витаминизация позволяет повысить качество пищевых продуктов, сократить расходы на медицину, обеспечить социально незащищенные слои населения витаминами, восполнить их потери, происходящие при получении пищевого продукта на стадиях технологического процесса или кулинарной обработки.

Общая характеристика углеводов (полисахаридов)

Согласно принятой в настоящее время классификации углеводы подразделяются на три основные группы: моносахариды, олигосахариды, полисахариды. Полисахариды 1-го порядка: дисахариды, трисахариды. Дисахариды, наряду с полисахаридами, являются одним из основных источников углеводов в пищи человека и животных. Среди дисахаридов особенно широко известны мальтоза, сахароза и лактоза.[2] Одним из наиболее распространенных дисахаридов является сахароза – обычный пищевой сахар. Среди природных трисахаридов наиболее известна раффиноза. Она находится в значительных количествах в сахарной свекле и во многих других растениях, в частности в бобовых. Полисахариды 2-го порядка: гомополисахариды, гетерополисахариды. Полисахариды (полиозы, гликаны) – высоомолекулярные соединения, содержат в составе своей молекулы десятки и даже тысячи циклических моносахаридных звеньев, соединенных гликозидными связями, некоторые полисахариды содержат также остатки серной, фосфорной и жирных кислот. Присутствуют во всех организмах, выполняя функции запасных (крахмал, гликоген), опорных (целлюлоза, хитин), защитных (камеди, слизи) веществ.[1] Участвуют в иммунных реакциях, обеспечивают сцепление клеток в тканях растений и животных. Составляют основную массу органического вещества в биосфере. Полисахариды обычно являются смесями компонентов, различающихся степенью полимеризации. Химическая классификация полисахаридов основана на строении составляющих их моносахаридов - гексоз (глюкоза, галактоза, манноза), пентоз (арабиноза, ксилоза), а также аминосахаров (глюкозамин, галактозамин), дезоксисахаров (рамноза, фукоза), уроновых кислот и др. К гидроксильным (ОН) и аминогруппам (NH₂) моносахаридов в молекулах природных полисахаридов могут быть присоединены остатки кислот (уксусной, пировиноградной, молочной, фосфорной, серной) или спиртов (обычно метилового). Гомополисахариды построены из остатков только одного моносахарида (например, глюканы, фруктаны), гетерополисахариды - из остатков двух и более различных моносахаридов (например, арабиногалактаны, глюкуроноксиланы). Многие распространённые полисахариды или группы полисахаридов носят давно укоренившиеся название: целлюлоза, крахмал, хитин, пектиновые вещества и др. (иногда название полисахариды связано с источником его выделения: нигеран - из гриба Aspergillus niger, одонталан - из водоросли Odontalia corymbifera). Полисахариды, в отличие от др. классов биополимеров, могут существовать как в виде линейных, так и разветвленных структур. К линейным полисахаридам относятся целлюлоза, амилоза, мукополисахариды. Тип структуры полисахаридов определяет в значительной степени их физико-химические свойства, в частности растворимость в воде. Такие линейные регулярные (т.е. содержащие лишь один тип межмоносахаридной связи) полисахариды, как целлюлоза и хитин, нерастворимы в воде, т.к. энергия межмолекулярного взаимодействия выше энергии гидратации. Высокоразветвлённые, не обладающие упорядоченной структурой полисахариды хорошо растворимы в воде. Химические реакции, известные в ряду моносахаридов, - ацилирование, алкилирование, окисление гидроксильных и восстановление карбоксильных, а также введение новых групп и др., осуществимы и в случае полисахариды, хотя степень протекания реакций, как правило, ниже.[1] Химически модифицированные полисахариды зачастую обладают новыми, ценными для практики свойствами, отсутствовавшими у исходного соединения. Большинство полисахаридов устойчиво к щелочам; при действии кислот происходит их деполимеризация - гидролиз. В зависимости от условий кислотного гидролиза получают или свободные моносахариды или олигосахариды. Молекулы гетерополисахаридов, содержащих разные по кислотоустойчивости типы гликозидных связей, удаётся расщеплять избирательно. Для этой цели используют и специфические ферменты. Установление строения низкомолекулярных продуктов расщепления облегчает задачу установления строения самого полисахарида. Она сводится к определению структуры т.н. повторяющихся звеньев, из которых, как полагают (это доказано на ряде примеров), построены все полисахариды. Исследование вторичной структуры полисахаридов проводится с помощью физико-химических методов, в частности рентгеноструктурного анализа, который с успехом был применен, например, при исследовании целлюлозы. Весьма разнообразны биологические функции полисахаридов: крахмал и гликоген - резервные полисахариды растений и животных; целлюлоза растений и хитин насекомых и грибов - опорные полисахариды; гиалуроновая кислота, присутствующая в оболочке яйцеклетки, синовиальной жидкости, стекловидном теле глаза, - высокоэффективный «смазочный материал»; камеди и слизи растений и капсулярные полисахариды микроорганизмов выполняют защитную функцию; высокосульфатированный полисахарид гепарин - ингибитор свёртывания крови. Фрагменты полисахаридов в смешанных углеводсодержащих биополимерах (гликопротеидах, липополисахаридах), присутствующих в поверхностном слое клетки, обусловливают специфические иммунные реакции организма. Внеклеточные полисахариды и др. углеводсодержащие биополимеры обеспечивают межклеточное взаимодействие, скрепление клеток растений (пектиновые вещества) и животных (гиалин). Биосинтез полисахариды протекает главным образом с участием нуклеозиддифосфатсахаров, служащих донорами моносахаридных (реже - дисахаридных) остатков, которые переносятся на соответствующие олигосахаридные фрагменты строящегося полисахарида. Биосинтез гетерополисахаридов происходит путём последовательного включения моносахаридов из соответствующих нуклеозиддифосфатсахаров в полисахаридную цепь.[1] Известен и др. механизм, реализующийся при построении полисахаридов бактериальных антигенов; вначале с участием липидных и нуклеотидных переносчиков сахаров синтезируются специфические, т.н. повторяющиеся звенья, из которых под действием фермента полимеразы происходит синтез полисахаридов. Разветвленные полисахариды типа гликогена и амилопектина образуются путём внутримолекулярной ферментативной перестройки линейного полисахарида. В живых организмах полисахариды, служащие основными резервами энергии, расщепляются внутри и внеклеточными ферментами с образованием моносахаридов и их производных, распадающихся далее с высвобождением энергии. Накопление и распад гликогена в печени человека и высших животных - способ регулирования уровня глюкозы в крови. Мономерные продукты образуются или непосредственно путём последовательного отщепления от молекулы полисахарида, или в результате ступенчатого распада полисахариды с промежуточным образованием олигосахаридов. Основные представители полисахаридов – крахмал и целлюлоза, построены из остатков одного моносахарида – глюкозы. Крахмал и целлюлоза имеют одинаковую молекулярную формулу: (C₆ H₁₀ O₅)_n, но совершенно различные свойства. Это объясняется особенностями их пространственного строения.[1] Крахмал состоит из остатков a-глюкозы, а целлюлоза - из b-глюкозы, которые являются пространственными изомерами и отличаются лишь положением одной гидроксильной группы. Крахмал - белый под микроскопом зернистый порошок, нерастворимый в холодной воде, в горячей воде набухает, образует коллоидный раствор (крахмальный клейстер); с раствором йода дает синюю окраску. Крахмал является главным запасным питательным веществом. Крахмал образуется в результате фотосинтеза в листьях растений, откладывается «про запас» в клубнях, корневищах, зернах. В желудочном тракте человека и животного крахмал поддается гидролизу и превращается в глюкозу, которая усваивается организмом. Крахмал является составной частью пищи человека. Пищеварительные соки содержат несколько разных ферментов, которые при низкой температуре и доводят гидролиз крахмала до глюкозы:

(С₆ Н₁₀ О₅) -------(С₆ Н₁₀ О₅)х---------С₁₂ Н₂₂ О₁₁ ---------С₆ Н₁₂ О₆

крахмал ряд декстрин мальтоза глюкоза

Еще быстрее декстринизация идет в присутствии кислоты:

Н₂ SО₄ t

(С₆ Н₁₀ О₅)n------------n Н₂ О---------------n С₆ Н₁₂ О₆

Ферментативный гидролиз (разложение путем брожения) крахмала имеет промышленное значение в производстве этилового спирта из зерна и картофеля. Процесс начинается с превращением крахмала в глюкозу, которую затем сбраживают. Используя специальные культуры, дрожжей и изменяя условия, можно направить брожение и в сторону получения бутилового спирта, ацетона, молочной, лимонной и глюконовой кислот. Подвергая крахмал гидролизу кислотами, можно получить глюкозу в виде чистого кристаллического препарата или в виде патоки - окрашенного нескристаллизирующего сиропа.[1] Наибольшее значение крахмал имеет в качестве пищевого продукта: в виде хлеба, картофеля, круп, являясь главным источником в нашем рационе питания. Кроме того, чистый крахмал применяется в пищевой промышленности в производстве кондитерских и кулинарных изделий, колбас. Значительное количество крахмала употребляется для приклеивания тканей, бумаги, картона, производства канцелярского клея. В аналитической химии крахмал служит индикатором в йодометрическом методе титрования. Для этих случаев лучше применять очищенную амилозу, т.к. ее растворы не загустевают, а образуемая с йодом окраска более интенсивна. При нагревании сухого крахмала до 200-250°С происходит частичное его разложение и получается смесь менее сложных чем крахмал полисахаридов (декстрин и другие). Целлюлоза - (клетчатка) (от лат. cellula -- клетка) - главная составная часть клеточных оболочек растений. Целлюлоза высокомолекулярный углевод, являющийся главной составной частью оболочек растительных клеток.[1] Целлюлоза состоит из остатков молекул глюкозы, которая и образуется при кислотном гидролизе целлюлоза:

(C₆ H₁₀ O₅)_n + nH₂ O = nC₆ H₁₂ O₆

Серная кислота и йод окрашивают целлюлозу в синий цвет. Один же йод - только в коричневый цвет. Кроме целлюлозы, в состав клеточных оболочек входят еще несколько других углеводов, известных под общим именем гемицеллюлоз, извлекаемых из клеточных оболочек 1%-м раствором соляной или серной кислоты при нагревании. Один из относящихся сюда углеводов - парагалактан, дающий при гидратации галактозу. В клеточных оболочках имеются еще и другие гемицеллюлозы, дающие маннозу, арабинозу и ксилозу. С возрастом многие клеточные оболочки перестают давать реакцию на целлюлозу, потому что одни подвергаются одревеснению, другие опробковению и т. д. Почти чистой клетчаткой является хлопок, который идет на изготовление ткани. Целлюлоза древесины дает бумагу. Целлюлозу и ее эфиры используют для получения искусственного волокна (вискозный, ацетатный, медноаммиачный шелк, искусственная шерсть), пластмасс, кинофотопленок, лаков, бездымного пороха и т. д. Гликоген - основной запасной гомополисахарид человека и высших животных, иногда называемый животным крахмалом; построен из остатков a-D-глюкозы. В большинстве органов и тканей гликоген является энергетическим запасным материалом только для этого органа, но гликоген печени играет важнейшую роль в поддержании постоянства концентрации глюкозы в крови в организме в целом. Особенно высоко содержание гликогена именно в печени (до 6--8% и выше), а также в мышцах (до 2% и выше). В 100 мл крови здорового взрослого человека содержится около 3 мг гликогена. Встречается гликоген также в некоторых высших растениях, грибах, бактериях, дрожжах. Величина молярной массы гликогена колеблется в зависимости от вида животного, органа, физиологического состояния, времени года, способа выделения и составляет от 10⁷ до 10⁹ и более. Гликоген представляет собой белый аморфный порошок, растворимый в воде, оптически активен, раствор гликогена опалесцирует. Из раствора гликоген осаждается спиртом, ацетоном, танином, сульфатом аммония и др. Гликоген практически не обладает восстанавливающей (редуцирующей) способностью. Поэтому он устойчив к действию щелочей, под влиянием кислот гидролизуется сначала до декстринов, а при полном кислотном гидролизе - до глюкозы. Различные препараты гликогена окрашиваются йодом в красный (желто-бурый) цвет. Гликоген в клетках находится как в растворенном состоянии, так и в виде гранул. В цитоплазме гликоген быстро обменивается, и его содержание зависит от соотношения активностей ферментов синтезирующих (гликогенсинтетазы) и расщепляющих гликоген (фосфорилазы), а также от снабжения тканей глюкозой крови. Декстран (гомополисахарид) углевод C₁₂ H₂₀ O₁₀ получаемый из крахмала путем нагревания до 210°, действием слабых кислот, действием фермента диастаза, находимого в проросших семенах. Декстран, стекловидное бесцветное вещество, не кристаллизующееся, при растирании дает белый порошок, не имеет ни вкуса, ни запаха, легко растворим в воде, растворы нейтральны. В спирте декстран не растворим, йодом не окрашивается. Главное применение декстрана в красильном производстве для сгущения красок и протрав. Применяется также для приготовления клеящих средств, а также в пищевой, легкой промышленности и литейном производстве. Пентозаны – целлюлозоподобные полисахариды, построенные из ксилозы, арабинозы и других пентоз. Особенно богаты пентозанами скорлупа орехов, подсолнухов, кукурузные кочерыжки, солома, рожь. Инулин – высокомолекулярный углевод, растворимый в воде, осаждающийся из водных растворов при добавлении спирта. Содержится в большом количестве в клубнях земляной груши и георгина, в корнях одуванчика, цикория, в артишоках. В этих растениях инулин заменяет крахмал.