Углеводы, раздел «Биолог»
Углеводы — самые распространенные на нашей планете органические вещества. Они представляют собой первичные продукты фотосинтеза и исходные продукты биосинтеза других веществ в растениях. Углеводы содержатся в клетках всех живых организмов.
Углеводы делят на простые (моносахариды, от греческого слова monos — один) и сложные. Сложные углеводы делят на две подгруппы: олигосахариды (от греческого слова oligos — немногий) — сахароподобные сложные углеводы, содержащие от 2 до 10 молекул моносахаридов, и несахароподобные сложные углеводы — высшие полисахариды (от греческого слова polys — многий), состоящие из сотен и тысяч моносахаридов.
Среди моносахаридов по характеру карбонильной группы различают альдозы (содержат альдегидную группу) и кетозы (содержат кетонную группу), а по числу углеродных атомов — триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т. д. Наиболее распространены в природе пентозы и гексозы (рис. 1). Обычно моносахариды содержат неразветвленную цепь углеродных атомов, но встречаются и с разветвленной цепью. Кроме карбонильной и гидроксильных групп в молекулу моносахарида могут входить Ич другие группы: аминогруппа содержится в аминосахарах, карбоксильная группа — в уроновых кислотах. Широко распространены дез-оксисахара, в которых гидроксильная группа заменена водородом (рис. 2).
У моносахаридов высокая реакционная способность, и поэтому в живых организмах они часто находятся в виде эфиров фосфорной кислоты или более сложных веществ — глико-зидов. В свободном виде встречаются в основном лишь глюкоза и фруктоза, главным образом в растениях, особенно во фруктах. Глюкоза есть и в крови млекопитающих. В крови человека постоянно содержится 0,1% глюкозы. В клетке она служит универсальным иеточни ком энергии.
В настоящее время известно несколько сотен моносахаридов и их производных. Это структурные единицы сложных углеводов и других биологически активных веществ. Альдопен-тозы — рибоза и дезоксирибоза входят в состав полимерных цепей нуклеиновых кислот — РНК и ДНК. Фосфорнокислые эфиры моносахаридов играют важнейшую роль в процессе фотосинтеза. С превращениями моносахаридов связано обеспечение клетки энергией, обезвреживание и выведение из организма ядовитых веществ, проникающих извне или образующихся в процессе обмена веществ, например при распаде белков.
Олигосахариды составляют промежуточную группу между моносахаридами и высшими полисахаридами. Известно большое число природных и синтетических олигосахаридов с не-разветвленными и разветвленными цепями. В свободном состоянии олигосахариды (главным образом группы сахарозы) широко представлены в растительном мире, где они играют роль резервных углеводов. В женском и коровьем молоке содержится дисахарид лактоза (молочный сахар) и группа родственных олигосахаридов.
Высшие полисахариды, состоящие из остатков одного моносахарида, называют гомо-полисахаридами, а из остатков разных моносахаридов — гетерополисахаридами. Даже в самых сложных полисахаридах редко содержится больше 5—6 различных видов моносахаридов. Наиболее часто это глюкоза, галактоза, манноза, арабиноза или ксилоза.
Из полисахаридов состоит большая часть сухой массы высших наземных растений и водорослей. Самый распространенный гомополи-сахарид — целлюлоза. Ее линейные молекулы построены из остатков глюкозы. Из целлюлозы (клетчатки) состоят клеточные стенки растений. Ежегодно на нашей планете образуется около 100 млрд. т целлюлозы, что составляет 1/4 часть от общей массы синтезируемого «живого вещества». Целлюлоза имеет большое народнохозяйственное значение. Ее используют для производства бумаги, вискозного шелка, целлофана. Текстильная промышленность перерабатывает целлюлозные волокна: хлопок, леи. Широко применяются эфиры целлюлозы.
Наряду с целлюлозой в построении клеточных стенок растений участвуют гемицел-люлозы и пектиновые вещества, которые играют роль цементирующего материала. Пектиновые вещества составляют большую часть межклеточного вещества. Особенно богата ими мякоть плодов. Эти вещества используют в кондитерской промышленности для приготовления мармелада, желе.
Главную опорную функцию у многих беспозвоночных выполняет наружный скелет — кутикула. Внутренний слой ее образован полисахаридом хитином. По строению и свойствам хитин похож на целлюлозу, но цепи его построены не из глюкозы, а из глюкозамина (рис. 2). Хитин замещает частично или полностью целлюлозу в клеточных стенках грибов. Очищенный хитин — белое вещество, похожее на бумажную массу.
Клеточные стенки бактерий построены из сложных гликопротеинов.
Некоторые полисахариды используются живыми клетками в качестве энергетических запасов, при необходимости они легко превращаются в моносахариды — непосредственный источник энергии. К запасным питательным веществам относятся крахмалоподобные полисахариды — крахмал высших растений, гликоген животных и ряда низших растений.
Крахмал — самый распространенный запасный полисахарид растений. Он накапливается преимущественно в семенах, луковицах, клубнях и сердцевине стебля растений. В зернах злаков (пшеницы, риса, кукурузы) содержится до 70% крахмала. Крахмальные зерна у различных растений разной формы и величины (рис. 3). Крахмал состоит из двух полисахаридов: амилозы и амилопектина. Молекула амилозы имеет линейную структуру. Молекулы амилопектина крупнее, они разветвлены. Крахмал — ценный пищевой продукт. Его много в хлебе, крупах, картофеле.
Гликоген — резервный полисахарид, общий для всех животных организмов. Особенно много его в печени и мышцах. Гликоген похож на амилопектин. Молекулы его имеют много боковых цепей, они плотные, по форме напоминают шар (рис. 4). При гидролизе гликогена, как и крахмала, образуется глюкоза, служащая источником энергии.
Большинство полисахаридов животных соединено с белками или липидами. При этом образуются гликопротеины и гликолипиды, выполняющие многочисленные важные функции. Гликопротеинами являются «групповые вещества» крови. Они содержатся в оболочках эритроцитов и в других клетках, а также в секреторных жидкостях организмов и определяют их групповую принадлежность. Исключительно велико биологическое значение глико-протеина гепарина. Он препятствует свертыванию крови в кровеносных сосудах, а также участвует в регулировании обмена липидов. Гликопротеины принимают участие в иммунных реакциях организма (см. Иммунитет), в организме животных — в явлении оплодотворения. У биологически активных белков — ферментов найдены углеводные компоненты.
Углеводсодержащие биополимеры выполняют и защитные функции. Все поверхности, на которых происходит соприкосновение клеток организма животных с внешней средой, покрыты слоем слизи. Главный компонент ее — гликопротеины. Слизь предохраняет клетки от механического повреждения, облегчает движение пищи по пищеварительному тракту и обладает иммунологической активностью.
Гликолипиды принимают участие в построении клеточных мембран. Чрезвычайно богата гликолипидами нервная ткань млекопитающих. При нарушении обмена гликолипидов наблюдают заболевания нервной системы. Полагают, что за счет углеводных групп возрастает разнообразие типов клеточной поверхности, а это играет важную роль при соединении клеток между собой в процессе образования тканей и органов.
