Углеводы и их роль в жизнедеятельности клетки
Вещества, входящие в состав организмов
Все вещества, входящие в состав организма, делятся на два класса: органические и неорганические соединения (см. Рис. 1).
Рис. 1. Вещества, входящие в состав организмов
К неорганическим соединениям относятся вода и минеральные вещества.
К органическим соединениям относятся:
- малые органические соединения (мономеры), молекулярная масса которых колеблется от 100 до 350. Например: моносахариды, жирные кислоты, нуклеотиды. Малые органические молекулы присутствуют в клетке как в свободном виде, так и в связанном виде, то есть входят в состав биополимеров.
- большие органические молекулы (биополимеры), молекулярная масса которых колеблется от 
до 
. Это белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, липиды.
Классификация углеводов
Углеводы – важный класс органических соединений, который встречается повсеместно: в растительных организмах, животных организмах и микроорганизмах. В растительных организмах на долю углеводов приходится 80-90 %, в животных организмах – 1-5 %, в микроорганизмах – 12-30 %.
Рис. 2. Классификация углеводов
Различают три основных класса углеводов: моносахариды, олигосахариды и полисахариды (см. Рис. 2).
Моносахариды
Бесцветные, кристаллические вещества, легко растворимые в воде и имеющие сладкий вкус.
Из моносахаридов наибольшее значение для живых организмов имеют:
1. Рибоза (см. Рис. 3). Входит в состав нуклеиновых кислот РНК, АТФ.
Рис. 3. Рибоза
2. Дезоксирибоза (см. Рис. 4). Входит в состав ДНК.
Рис. 4. Дезоксирибоза
3. Глюкоза (см. Рис. 5). Один из наиболее распространенных природных сахаров, находится как в свободном, так и в связанном виде. В свободном виде быстро увлекается в энергетический метаболизм, то есть служит основным источником энергии в клетке. Является мономером многих олигосахаридов и полисахаридов, например крахмала и тростникового сахара.
Рис. 5. Глюкоза
4. Галактоза (см. Рис. 6). Входит в состав молочного сахара – лактозы.
Рис. 6. Галактоза
5. Фруктоза (см. Рис. 7). Входит в состав олигосахаридов, например сахарозы. В свободном виде содержится в клетках растений.
Рис. 7. Фруктоза
Олигосахариды
Сахароподобные вещества, которые характеризуются сравнительно небольшой молекулярной массой, хорошей растворимостью в воде, легкой кристаллизацией, сладким вкусом. Количество структурных единиц, которые входят в состав олигосахаридов, – от двух до десяти.
Из олигосахаридов наиболее широко распространены дисахариды:
1. Сахароза (тростниковый сахар) – сахар, который люди употребляют в повседневной жизни (см. Рис. 8). Сахароза содержится в большинстве растений, но особенно много ее в сахарном тростнике и сахарной свекле.
Рис. 8. Сахароза
2. Лактоза (молочный сахар) (см. Рис. 9). Содержится в молоке и молочных продуктах.
Рис. 9. Лактоза
3. Мальтоза (солодовый сахар) (см. Рис. 10). В большом количестве содержится в проросших или прорастающих зернах ячменя, ржи и пшеницы.
Рис. 10. Мальтоза
Являются высокомолекулярными веществами, состоящими из остатков моносахаров со степенью полимеризации выше 10. То есть количество моносахаридных звеньев может составлять до нескольких сотен или тысяч.
Из полисахаридов наибольшее значение для живых организмов имеют крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин. Эти полисахариды не сладкие, не растворимы или плохо растворимы в воде, не кристаллизуются. Они играют роль резерва пищи и энергии (крахмал и гликоген), используются в качестве строительного материала (целлюлоза, хитин).
1. Крахмал (см. Рис. 11) – основной полисахарид в клетках растений. Он построен из остатков глюкозы. Организм человека хорошо усваивает крахмал, в составе зерновых и картофеля он потребляется в огромных количествах.
Рис. 11. Крахмал
2. Гликоген (см. Рис. 12) – полисахарид животного происхождения. Построен из остатков глюкозы. Гликоген у человека накапливается в печени и мышцах.
Рис. 12. Гликоген
3. Целлюлоза (см. Рис. 13) представляет собой линейный полисахарид, построенный из остатков глюкозы. Из целлюлозы построены клеточные стенки растений, и она выполняет структурную функцию.
Рис. 13. Целлюлоза
4. Хитин (см. Рис. 14) – это азотосодержащий полисахарид (аминополисахарид). Хитин является вторым после целлюлозы по распространенности структурным полисахаридом. По химическому строению, физико-химическим свойствам и выполняемым функциям хитин близок к целлюлозе. Хитин – это аналог целлюлозы в животном мире.
Рис. 14. Хитин
Кленовый сироп
Кленовый сироп (см. Рис. 15) – это сконцентрированный сок сахарного клена. Представляет собой раствор сахаров, в котором преобладает сахароза (65 %), а в небольших количествах содержится глюкоза и фруктоза.
Рис. 15. Кленовый сироп
Сок собирают из отверстий, проделанных в стволе дерева ранней весной. Его вытесняет диоксид углерода, образующийся в результате ряда процессов метаболизма и выделяющийся из раствора, когда дерево прогревается на весеннем солнце. Коричневый цвет кленового сиропа обуславливается не только наличием сахарозы, но и наличием аминокислот.
Лактазная недостаточность
Многие люди, у которых по генетическим причинам отсутствует фермент лактаза, не могут усваивать молоко, так как они не могут разрушить лактозу (молочный сахар). В организме взрослого человека наличие этого фермента – скорее исключение, чем правило. Такой фермент типичен для жителей Северной Европы, в отличие от уроженцев Африки и Азии.
При попадании лактозы в неразрушенном состоянии в толстый кишечник на нее «набрасываются» бактерии, которые используют ее в пищу. В результате этого в кишечнике образовываются различные газы, происходит увеличение давления, и возникают кишечные расстройства.
Особенности целлюлозы
Хотя целлюлоза, как и крахмал, является полисахаридом, человеческий организм ее усваивать не может, так как в организме человека отсутствует фермент целлюляза. Этот фермент перерабатывает целлюлозу.
Жвачные животные, которые постоянно используют траву в качестве пищи, способны переваривать целлюлозу с помощью различных микроорганизмов, проживающих в желудке и выделяющих целлюлязу.
Кролики, которые питаются грубой растительной пищей, изобрели способ многократного переваривания целлюлозы путем заглатывания собственных экскрементов.
Функции углеводов
1. Энергетическая
Углеводы обеспечивают до 70 % потребности организма в энергии. При окислении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж энергии.
2. Запасающая
Крахмал и гликоген являются запасными полисахаридами. Они являются временным хранилищем глюкозы.
3. Структурная
Целлюлоза и ряд других полисахаридов используются в качестве строительного материала. Целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений, хитин входит в состав клеточных стенок грибов, а также используется для построения наружного скелета у членистоногих.
4. Защитная
Например, камеди (смолы, выделяющиеся при повреждении стволов и веток растений), препятствующие проникновению в раны болезнетворных микроорганизмов, являются производными моносахаридов.