Краткое содержание: Параграф §8 / Биология 10 класс

Классификация и строение углеводов

Углеводы, или сахара́, представляют собой органические соединения, которые чаще всего имеют общую формулу \( (CH_2O)_n \). Тем не менее, это соотношение не всегда строго соблюдается; например, углевод рибоза имеет состав \( C_5H_{10}O_5 \), а в дезоксирибозе на один атом кислорода меньше — \( C_5H_{10}O_4 \). Название «углеводы» было предложено в 1844 году русским химиком Карлом Шмидтом, и оно является аналогом термина «гидраты углерода».

В растворах углеводы могут существовать в двух основных циклических формах: альфа- и бета-формы. Эти циклические структуры формируются при замыкании цепи, когда гидроксильная группа у первого углеродного атома (аномера) занимает либо положение под плоскостью цикла (альфа-форма), либо над ней (бета-форма). Молекулы с одинаковой химической формулой, но разной пространственной структурой называются изомерами. Связи, образующиеся между альфа- и бета-изомерами, называются, соответственно, альфа- и бета-гликозидными связями.

Моносахариды

В зависимости от числа атомов углерода в молекуле (3, 4, 5, 6 и т. д.), сахара подразделяются на триозы (трехуглеродные), тетрозы (четырехуглеродные), пентозы (пятиуглеродные) и гексозы (шестиуглеродные). В живых организмах углеводы встречаются как в мономерной форме — моносахариды, так и в виде полимеров — ди-, олиго- и полисахариды.

Наибольшее значение среди моносахаридов имеют пентозы (пятиуглеродные) — рибоза и дезоксирибоза, которые входят в состав нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Также важна рибулоза, участвующая в процессе фиксации углекислого газа при фотосинтезе. Среди гексоз (шестиуглеродных) жизненно важны глюкоза, фруктоза и галактоза. Глюкоза является основным и легкоусвояемым источником энергии для всех клеток организма. Она необходима для нормальной работы любой ткани, а её постоянный уровень в крови поддерживается регулирующими системами организма.

Ди- и Олигосахариды

Дисахариды, такие как сахароза (тростниковый или свекловичный сахар), лактоза (молочный сахар) и мальтоза (солодовый сахар), состоят из двух остатков моносахаридов. Сахароза (фруктовый сахар) состоит из остатков глюкозы и фруктозы. Она синтезируется в зеленых листьях растений в процессе фотосинтеза, откладывается в плодах и придает им сладкий вкус. Очищенную сахарозу получают из сахарной свеклы или сахарного тростника.

Лактоза состоит из остатков глюкозы и галактозы и присутствует в молоке млекопитающих. Мальтоза (солодовый сахар) состоит из двух остатков глюкозы и образуется при расщеплении крахмала и гликогена ферментами. Олигосахариды (состоящие из 2-10 мономеров), образованные сахарами, также входят в состав гликолипидов и гликопротеинов, участвуя, например, в формировании гликокаликса животных клеток.

Полисахариды

Полисахариды представляют собой линейные или разветвленные гомополимеры, состоящие из большого числа (сотен или тысяч) повторяющихся мономеров, чаще всего глюкозы, связанных гликозидными связями (чаще всего 1-4 или 1-6). Целлюлоза (клетчатка) является линейным полисахаридом, состоящим из остатков глюкозы, связанных \( \beta-1,4 \)-связями. Она образует клеточные стенки растений и является наиболее распространенным полисахаридом в природе.

Крахмал — основной запасной углевод растений. Гликоген — основной запасной углевод животных и грибов. Оба являются полимерами глюкозы, но гликоген имеет более разветвленную структуру, чем крахмал. Молекулы глюкозы в крахмале связаны \( \alpha-1,4 \)-связями. Расщепление крахмала и гликогена в организме происходит при участии пищеварительных ферментов, образуя сначала мальтозу, а затем глюкозу.

Еще один широко распространенный полисахарид — хитин, линейный полимер, состоящий из остатков производного глюкозы — N-ацетил-\( \beta \)-D-глюкозамина, соединенных \( \beta-1,4 \)-связью. Хитин является структурным элементом наружных покровов членистоногих и входит в состав клеточных стенок грибов и некоторых зеленых водорослей.

Функции углеводов

Углеводы выполняют в живых организмах три основные функции:

• Структурная: Целлюлоза (у растений), хитин (у членистоногих и грибов) и гликокаликс (у животных) обеспечивают механическую прочность и защиту клеток и организмов.
• Защитная: Например, хитин.
• Энергетическая: Глюкоза, крахмал, гликоген и другие углеводы являются основным источником энергии. При окислении 1 грамма углеводов выделяется примерно 17,6 кДж энергии. Расщепление углеводов может происходить как в бескислородных условиях (гликолиз), так и в аэробных условиях (окислительное фосфорилирование в митохондриях), при этом аэробное окисление сопровождается выделением значительно большего количества энергии.

Углеводы и другие органические вещества используются живыми существами как источники энергии, процессы окисления которых в организме (биологическое окисление) отличаются от горения. Горение — это быстрое окисление с интенсивным выделением тепла и света, имеющее низкий коэффициент полезного действия (КПД). Биологическое окисление — это ступенчатый, ферментативно-регулируемый процесс, происходящий при участии клеток. Основная энергия запасается в виде макроэргических связей универсального энергетического вещества — АТФ, которое затем используется клеткой с высоким КПД, недостижимым для тепловых двигателей.