Все про углеводы биология: Состав, свойства и функции углеводов — урок. Биология, 9 класс.

Углеводы. Функции и роль углеводов

Слушайте материал об углеводах в аудиоформате. Текстовый вариант смотрите ниже.

• Состав углеводов
• Классификация углеводов
  • Моносахариды
  • Олигосахариды
  • Полисахариды
• Функции углеводов

 

 

Состав углеводов

Углеводы — органические соединения, в состав молекул которых входят атомы углерода, водорода и кислорода. В молекулах большого количества углеводов водород и кислород содержится в таком же соотношении, как и в воде (2:1). Отсюда и происходит их название – углеводы.

Углеводы входят в состав всех живых организмов. В клетках животных содержание углеводов не превышает 10% сухой массы, в клетках растений их значительно больше –до 90%.

 

 

Классификация углеводов

Выделяют три класса углеводов: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

 

Моносахариды

Моносахаридами являются низкомолекулярные соединения, состоящие из одного мономерного остатка. К моносахаридам относятся  рибоза и дезоксирибоза(пентозы), глюкоза, фруктоза и галактоза(гексозы).  Рибоза входит в состав важнейших соединений клетки — РНК, АТФ, витамина В2, ряда ферментов. Дезоксирибоза входит в состав ДНК.

Глюкоза — основной источник энергии для клеток, она содержится в клетках всех живых организмов. Фруктоза в свободном виде присутствует в вакуолях клеток растений. Много фруктозы содержится в ягодах, фруктах, меде.

Свойства моносахаридов: сладкие на вкус, хорошо растворимые в воде.

 

Олигосахариды

Олигосахариды состоят из 2—10 остатков моносахаридов, последовательно соединенных ковалентными связями. В состав молекул олигосахаридов могут входить остатки одного или разных моносахаридов. Большинство олигосахаридов, как и моносахариды, — бесцветные кристаллические соединения, хорошо растворимые в воде и сладкие на вкус.

Олигосахариды, в состав которых входят два остатка моносахаридов, называют дисахаридами. К дисахаридам относятся: сахароза (тростниковый или свекловичный сахар), мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар). В растениях сахароза служит растворимым резервным углеводом, а также транспортной формой продуктов фотосинтеза, которая легко переносится по растению. Мальтоза в больших количествах содержится в прорастающих семенах злаков. Лактоза является важнейшим углеводным компонентом молока млекопитающих.

Мальтоза состоит из двух остатков глюкозы, лактоза состоит из остатка галактозы и остатка глюкозы, сахароза состоит из остатка глюкозы и остатка фруктозы.

 

Полисахариды

Полисахариды (от греч. полис — много) — биополимеры. Молекулы полисахаридов состоят из большого числа (до нескольких тысяч) остатков моносахаридов. В состав полисахарида могут входить остатки одного или разных моносахаридов. В отличие от моно- и олигосахаридов полисахариды практически нерастворимы в воде и не имеют сладкого вкуса. Полисахариды могут иметь линейную, неразветвленную (целлюлоза, хитин) либо разветвленную (гликоген) структуру. К полисахаридам относятся: крахмал, целлюлоза, хитин, гликоген.

Крахмал представляет собой смесь полисахаридов — он состоит из разветвленного амилопектина и линейного полисахарида амилозы. Крахмал синтезируется в клетках растений и состоит из остатков глюкозы. Крахмал запасается в семенах, клубнях, листьях и других органах.

У грибов, животных и человека запасным полисахаридом является гликоген. Он откладывается в мышцах и клетках печени.

В оболочках клеток растений содержится целлюлоза — прочный, волокнистый, нерастворимый в воде полисахарид. Хитин входит в состав покровов членистоногих, в состав клеточной стенки грибов. По структуре он сходен с целлюлозой, однако в составе молекул содержит не только углерод, водород и кислород, но и азот.

 

 

Функции углеводов

1. Энергетическая функция состоит в том, что углеводы под влиянием ферментов легко расщепляются и окисляются с выделением энергии. При полном окислении 1 г углеводов высвобождается 17,6 кДж энергии.
2. Запасающая функция углеводов заключается в том, что полисахариды являются запасными питательными веществами живых организмов, играя роль «хранилищ» энергии. Запасным (резервным) углеводом у растений является крахмал, у животных и грибов — гликоген.
3. Структурная функция углеводов заключается в том, что они используются в качестве строительного материала. Оболочки клеток растений состоят из целлюлозы, которая обладает высокой прочностью. Поэтому они надежно защищают внутриклеточное содержимое и поддерживают форму клеток. Хитин, как уже говорилось, является важным структурным компонентом наружного скелета членистоногих, клеточных оболочек грибов и некоторых протистов
4. Метаболическая роль углеводов состоит в том, что в клетках живых организмов моносахариды являются основой для синтеза многих органических веществ — олиго- и полисахаридов, нуклеотидов, некоторых спиртов
5. Углеводы также выполняют защитную функцию. Так, камеди (смолы, выделяющиеся при повреждении деревьев, например, вишен и слив) являются производными моносахаридов. Они препятствуют проникновению в раны болезнетворных микроорганизмов.

Углеводы. Строение, свойства и функции углеводов

Углеводами называют вещества с общей формулой C_n(H₂O)_m, где n и m могут иметь разные значения. Название «углеводы» отражает тот факт, что водород и кислород присутствуют в молекулах этих веществ в том же соотношении, что и в молекуле воды. Кроме углерода, водорода и кислорода, производные углеводов могут содержать и другие элементы, например азот.

Углеводы — одна из основных групп органических веществ клеток. Они представляют собой первичные продукты фотосинтеза и исходные продукты биосинтеза других органических веществ в растениях (органические кислоты, спирты, аминокислоты и др.), а также содержатся в клетках всех других организмов. В животной клетке содержание углеводов находится в пределах 1-2 %, в растительных оно может достигать в некоторых случаях 85-90 % массы сухого вещества.

Выделяют три группы углеводов:

1. моносахариды или простые сахара;
2. олигосахариды — соединения, состоящие из 2-10 последовательно соединенных молекул простых сахаров (например, дисахариды, трисахариды и т. д.).
3. полисахариды состоят более чем из 10 молекул простых сахаров или их производных (крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин).

Моносахариды (простые сахара)

В зависимости от длины углеродного скелета (количества атомов углерода) моносахариды разделяют на триозы (C₃), тетрозы (C₄), пентозы (C₅), гексозы (C₆), гептозы (C₇).

Молекулы моносахаридов являются либо альдегидоспиртами (альдозами), либо кетоспиртами (кетозами). Химические, свойства этих веществ определяются прежде всего альдегидными или кетонными группировками, входящими в состав их молекул.

Моносахариды хорошо растворяются в воде, сладкие на вкус.

При растворении в воде моносахариды, начиная с пентоз, приобретают кольцевую форму.

Циклические структуры пентоз и гексоз — обычные их формы: в любой данный момент лишь небольшая часть молекул существует в виде «открытой цепи». В состав олиго- и полисахаридов также входят циклические формы моносахаридов.

Кроме сахаров, у которых все атомы углерода связаны с атомами кислорода, есть частично восстановленные сахара, важнейшим из которых является дезоксирибоза.

Олигосахариды

При гидролизе олигосахариды образуют несколько молекул простых сахаров. В олигосахаридах молекулы простых сахаров соединены так называемыми гликозидными связями, соединяющими атом углерода одной молекулы через кислород с атомом углерода другой молекулы.

К наиболее важным олигосахаридам относятся мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар) и сахароза (тростниковый или свекловичный сахар). Эти сахара называют также дисахаридами. По своим свойствам дисахариды блоки к моносахаридам. Они хорошо растворяются в воде и имеют сладкий вкус.

Полисахариды

Это высокомолекулярные (до 10 000 000 Да) полимерные биомолекулы, состоящие из большого числа мономеров — простых сахаров и их производных.

Полисахариды могут состоять из моносахаридов одного или разных типов. В первом случае они называются гомополисахариды (крахмал, целлюлоза, хитин и др.), во втором — гетерополисахариды (гепарин). Все полисахариды не растворимы в воде и не имеют сладкого вкуса. Некоторые из них способны набухать и ослизняться.

Наиболее важными полисахаридами являются следующие.

Целлюлоза — линейный полисахарид, состоящий из нескольких прямых параллельных цепей, соединенных между собой водородными связями. Каждая цепь образована остатками β-D-глюкозы. Такая структура препятствует проникновению воды, очень прочна на разрыв, что обеспечивает устойчивость оболочек клеток растений, в составе которых 26-40 % целлюлозы.

Целлюлоза служит пищей для многих животных, бактерий и грибов. Однако большинство животных, в том числе и человек, не могут усваивать целлюлозу, поскольку в их желудочно-кишечном тракте отсутствует фермент целлюлаза, расщепляющий целлюлозу до глюкозы. В то же время целлюлозные волокна играют важную роль в питании, поскольку они придают пище объемность и грубую консистенцию, стимулируют перистальтику кишечника.

Крахмал и гликоген. Эти полисахариды являются основными формами запасания глюкозы у растений (крахмал), животных, человека и грибов (гликоген). При их гидролизе в организмах образуется глюкоза, необходимая для процессов жизнедеятельности.

Хитин образован молекулами β-глюкозы, в которой спиртовая группа при втором атоме углерода замещена азотсодержащей группой NHCOCH₃. Его длинные параллельные цепи так же, как и цепи целлюлозы, собраны в пучки.

Хитин — основной структурный элемент покровов членистоногих и клеточных стенок грибов.

Функции углеводов

Энергетическая. Глюкоза является основным источником энергии, высвобождаемой в клетках живых организмов в ходе клеточного дыхания (1 г углеводов при окислении высвобождает 17,6 кДж энергии).

Структурная. Целлюлоза входит в состав клеточных оболочек растений; хитин является структурным компонентом покровов членистоногих и клеточных стенок грибов.

Некоторые олигосахариды входят в состав цитоплазматической мембраны клетки (в виде гликопротеидов и гликолипидов) и образуют гликокаликс.

Метаболическая. Пентозы участвуют в синтезе нуклеотидов (рибоза входит в состав нуклеотидов РНК, дезоксирибоза — в состав нуклеотидов ДНК), некоторых коферментов (например, НАД, НАДФ, кофермента А, ФАД), АМФ; принимают участие в фотосинтезе (рибулозодифосфат является акцептором СO₂ в темновой фазе фотосинтеза).

Пентозы и гексозы участвуют в синтезе полисахаридов; в этой роли особенно важна глюкоза.

Читать далее

← Липиды. Строение, свойства и функции липидов

Белки. Структурная организация белковых молекул. Функции белковых молекул →

Глава 4. Углеводы – Введение в молекулярную и клеточную биологию

Изображение 4.1 Такие продукты, как зерновые, овощи, фрукты, бобовые и сладкие сладости, богаты углеводами. (Источник: «gigantfotos»/Unsplash.)

• Моносахариды
• Дисахариды
• Полисахариды
• Функции и преимущества углеводов

Введение

Большинство людей знакомы с углеводами , одним из типов макромолекул, особенно когда речь идет о том, что мы едим. Чтобы похудеть, некоторые люди придерживаются «низкоуглеводной» диеты. Спортсмены, напротив, часто «загружаются углеводами» перед важными соревнованиями, чтобы убедиться, что у них достаточно энергии для соревнований на высоком уровне. Углеводы, по сути, являются неотъемлемой частью нашего рациона; злаки, фрукты и овощи являются естественными источниками углеводов. Углеводы обеспечивают организм энергией, особенно через глюкоза , простой сахар, который является компонентом крахмала и ингредиентом многих основных продуктов питания. Углеводы также выполняют другие важные функции в организме человека, животных и растений.

Углеводы могут быть представлены химической формулой (CH

2 O) _n , где n — количество атомов углерода в молекуле. Другими словами, отношение углерода к водороду и кислороду составляет 1:2:1 в молекулах углеводов. Эта формула также объясняет происхождение термина «углевод»: компонентами являются углерод («карбо») и компоненты воды (отсюда «гидрат»). Углеводы делятся на три подтипа: моносахариды, дисахариды и полисахариды.

К концу этого раздела вы сможете:

• Описывать химическую природу моносахаридов и способы, которыми отдельные моносахариды могут отличаться друг от друга.
• Назовите некоторые распространенные моносахариды.

Моносахариды (моно- = «один»; сахар- = «сладкий») представляют собой простые сахара , наиболее распространенным из которых является

глюкоза . В моносахаридах число атомов углерода обычно колеблется от трех до семи. Большинство названий моносахаридов заканчиваются суффиксом «-оза». Если сахар имеет альдегидную группу (функциональную группу со структурой R-CHO), он известен как альдоза, а если он имеет кетоновую группу (функциональную группу со структурой RC(=O)R’), он известен как кетоза. В зависимости от количества атомов углерода в сахаре они также могут быть известны как триозы (три атома углерода), пентозы (пять атомов углерода) и/или гексозы (шесть атомов углерода). См. Рисунок 4.2  для иллюстрации некоторых моносахаридов.

 

Рисунок 4.2 Моносахариды классифицируются на основе положения их карбонильной группы и количества атомов углерода в основной цепи. Альдозы имеют карбонильную группу (обозначена зеленым цветом) на конце углеродной цепи, а кетозы имеют карбонильную группу в середине углеродной цепи. Триозы, пентозы и гексозы имеют соответственно три, пять и шесть углеродных цепей.

Химическая формула глюкозы C ₆ Н ₁₂ О ₆ . Для человека глюкоза является важным источником энергии. Во время клеточного дыхания энергия высвобождается из глюкозы, и эта энергия используется для производства аденозинтрифосфата (АТФ). Растения синтезируют глюкозу, используя углекислый газ и воду, а глюкоза, в свою очередь, используется для удовлетворения энергетических потребностей растения. Избыток глюкозы часто откладывается в виде крахмала, который катаболизируется (расщепление более крупных молекул клетками) людьми и другими животными, питающимися растениями.

Галактоза (часть лактозы или молочного сахара) и фруктоза (содержащаяся в сахарозе во фруктах) являются другими распространенными моносахаридами. Хотя глюкоза, галактоза и фруктоза имеют одинаковую химическую формулу (C

6 H ₁₂ O ₆ ), они различаются структурно и химически (и известны как изомеры) из-за различного расположения функциональных групп вокруг асимметричный углерод; все эти моносахариды имеют более одного асимметрического углерода ( рис. 4.3 ).

 

Рис. 4.3 Глюкоза, галактоза и фруктоза — все это гексозы. Они являются структурными изомерами, то есть имеют одинаковую химическую формулу (C ₆ H ₁₂ O ₆ ), но атомы связаны друг с другом по-разному.

Глюкоза, галактоза и фруктоза являются изомерными моносахаридами (гексозами), что означает, что они имеют одинаковую химическую формулу, но имеют несколько разные структуры. Глюкоза и галактоза относятся к альдозам, а фруктоза — к кетозе.

Моносахариды могут существовать в виде линейных цепочек или кольцеобразных молекул; в водных растворах они обычно находятся в форме колец (

рис. 4.4 ). Глюкоза в кольцевой форме может иметь два различных расположения гидроксильной группы (ОН) вокруг аномерного углерода (углерод 1, который становится асимметричным в процессе образования кольца). Если гидроксильная группа находится ниже атома углерода номер 1 в сахаре, говорят, что она находится в альфа-положении ( α ), а если выше плоскости, говорят, что она находится в бета-положении ( α ).0030 β ) положение.

 

Рисунок 4.4 Пяти- и шестиуглеродные моносахариды существуют в равновесии между линейной и кольцевой формами. Когда кольцо образуется, боковая цепь, на которой оно замыкается, фиксируется в положении α или β. Фруктоза и рибоза также образуют кольца, хотя они образуют пятичленные кольца, в отличие от шестичленного кольца глюкозы.

Проверка концепции Какие виды сахаров представляют собой глюкоза, галактоза и фруктоза: альдоза или кетоза?

К концу этого раздела вы сможете:

• Описать химическую природу дисахаридов.
• Назовите некоторые распространенные дисахариды и составляющие их моносахариды.
• Назовите тип связи, которая удерживает моносахариды вместе, и определите его в структуре дисахарида.

Дисахариды (ди- = «два») образуются, когда два моносахарида подвергаются реакции дегидратации (также известной как реакция конденсации или синтез дегидратации). В ходе этого процесса гидроксильная группа одного моносахарида соединяется с водородом другого моносахарида, высвобождая молекулу воды и образуя ковалентную связь. Ковалентная связь, образующаяся между молекулой углевода и другой молекулой (в данном случае между двумя моносахаридами), известна как гликозидная связь или гликозидная связь (рис. 4.5). Гликозидные связи могут быть альфа- или бета-типа.

 

Рис. 4.5 Сахароза образуется, когда глюкоза и мономер фруктозы соединяются в реакции дегидратации с образованием гликозидной связи. При этом теряется молекула воды. По соглашению атомы углерода в моносахариде нумеруются от концевого углерода, ближайшего к карбонильной группе. В сахарозе гликозидная связь образуется между углеродом 1 в глюкозе и углеродом 2 во фруктозе.

Распространенные дисахариды включают лактозу, мальтозу и сахарозу ( Рис. 4.6 ). Лактоза – это дисахарид, состоящий из мономеров глюкозы и галактозы. В природе содержится в молоке. Мальтоза, или солодовый сахар, представляет собой дисахарид, образующийся в результате реакции дегидратации между двумя молекулами глюкозы. Наиболее распространенным дисахаридом является сахароза или столовый сахар, который состоит из мономеров глюкозы и фруктозы.

 

Рисунок 4.6 Общие дисахариды включают мальтозу (зерновой сахар), лактозу (молочный сахар) и сахарозу (столовый сахар).

К концу этого раздела вы сможете:

• Описать химическую природу полисахаридов.
• Назовите некоторые распространенные полисахариды и их функции.

Длинная цепь моносахаридов, связанных гликозидными связями, известна как полисахарид (поли- = «много»). Цепь может быть разветвленной или неразветвленной, и она может содержать различные типы моносахаридов. Крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин и пептидогликаны являются основными примерами полисахаридов.

Крахмал представляет собой запасенную форму сахаров в растениях и состоит из смеси амилозы и амилопектина (оба полимеры глюкозы). Растения способны синтезировать глюкозу, а избыток глюкозы сверх непосредственных энергетических потребностей растений хранится в виде крахмала в различных частях растений, включая корни и семена. Крахмал в семенах обеспечивает пищу для зародыша по мере его прорастания, а также может служить источником пищи для людей и животных. Крахмал, потребляемый человеком, расщепляется ферментами, такими как слюнные амилазы, на более мелкие молекулы, такие как мальтоза и глюкоза. Затем клетки могут поглощать глюкозу.

Крахмал состоит из мономеров глюкозы, которые соединены α 1-4 или α 1-6 гликозидными связями. Числа 1-4 и 1-6 относятся к числу атомов углерода двух остатков, которые соединились, чтобы сформировать связь. Как показано на рис. 4.7 , амилоза представляет собой крахмал, образованный неразветвленными цепями мономеров глюкозы (только α 1-4 связи), тогда как амилопектин представляет собой разветвленный полисахарид ( α 1-6 связей в точках ветвления).

 

Рисунок 4.7 Амилоза и амилопектин — две разные формы крахмала. Амилоза состоит из неразветвленных цепей мономеров глюкозы, соединенных α-1,4-гликозидными связями. Амилопектин состоит из разветвленных цепей мономеров глюкозы, соединенных α 1,4 и α 1,6 гликозидными связями. Благодаря способу соединения субъединиц цепи глюкозы имеют спиральную структуру. Гликоген (не показан) похож по структуре на амилопектин, но более разветвлен.

Гликоген представляет собой запасную форму глюкозы у людей и других позвоночных и состоит из мономеров глюкозы. Гликоген является животным эквивалентом крахмала и представляет собой сильно разветвленную молекулу, обычно хранящуюся в клетках печени и мышц. Всякий раз, когда уровень глюкозы в крови снижается, гликоген расщепляется с высвобождением глюкозы в процессе, известном как гликогенолиз.

Целлюлоза является наиболее распространенным природным биополимером. Клеточная стенка растений в основном состоит из целлюлозы; это обеспечивает структурную поддержку клетки. Древесина и бумага в основном целлюлозные по своей природе. Целлюлоза состоит из мономеров глюкозы, связанных β 1-4 гликозидные связи ( рис. 4.8 ).

 

Рисунок 4.8 В целлюлозе мономеры глюкозы связаны в неразветвленные цепи β 1-4 гликозидными связями. Из-за способа соединения субъединиц глюкозы каждый мономер глюкозы переворачивается по отношению к следующему, что приводит к линейной волокнистой структуре.

Как показано на рис. 4.8 , каждый второй мономер глюкозы в целлюлозе перевернут, и мономеры плотно упакованы в виде вытянутых длинных цепочек. Это придает целлюлозе жесткость и высокую прочность на растяжение, что так важно для растительных клеток. В то время как β 1-4 связь не может быть разрушена пищеварительными ферментами человека, травоядные животные, такие как коровы, коалы, буйволы и лошади, способны с помощью специализированной флоры в их желудке переваривать растительный материал, богатый целлюлозой и использовать его в качестве источника пищи. У этих животных некоторые виды бактерий и простейших обитают в рубце (часть пищеварительной системы травоядных) и выделяют фермент целлюлазу. Аппендикс пастбищных животных также содержит бактерии, переваривающие целлюлозу, что придает ей важную роль в пищеварительной системе жвачных животных. Целлюлазы могут расщеплять целлюлозу на мономеры глюкозы, которые могут использоваться животным в качестве источника энергии. Термиты также способны расщеплять целлюлозу из-за присутствия в их телах других организмов, выделяющих целлюлазы.

Хитин образует внешний скелет, называемый экзоскелетом, членистоногих (насекомых, ракообразных и других) ( Рисунок 4. 9 ). Хитин представляет собой азотсодержащий полисахарид, состоящий из повторяющихся звеньев N-ацетил- β -d-глюкозамина, модифицированного сахара. Хитин также является основным компонентом клеточных стенок грибов.

 

Рисунок 4.9 Насекомые имеют твердый внешний скелет, состоящий из хитина, разновидности полисахарида. (кредит: Луиза Докер)

Пептидогилканы являются основным компонентом клеточных стенок бактерий. Подобно хитину, пептидогликаны содержат азотсодержащие сахара, связанные в длинные цепочки. В отличие от хитина, пептидогилканы имеют короткие цепочки аминокислот, присоединенные к сахарам. Эти аминокислоты образуют пептидные связи между молекулами пептидогликана, соединяя нити вместе.

Многие антибиотики, такие как пенициллин и его производные, нацелены на бактериальные пептидогликаны. Общий протокол окрашивания, называемый окрашиванием по Граму, позволяет различать разные типы стенок бактериальных клеток и помогает медицинским работникам определить, какой антибиотик следует использовать. Грамположительные бактерии имеют более толстые клеточные стенки, которые сохраняют больше пурпурной окраски по Граму.

4.4.1 Функции углеводов

Как описано выше, углеводы выполняют множество функций в клетках. Например, дисахариды, крахмал и гликоген служат молекулами-аккумуляторами энергии, поскольку состоят из моносахаридов. Растения, водоросли и некоторые бактерии производят моносахариды, используя энергию солнца в процессе, называемом фотосинтезом . Фотосинтез по существу преобразует энергию солнца в химическую энергию в связях глюкозы. Глюкоза расщепляется на клеточное дыхание или другие пути преобразования его энергии в АТФ, основную молекулу топлива для клеток.

Другие углеводы, включая целлюлозу, хитин и пептидогликаны, являются структурными молекулами. Они образованы из длинных цепочек моносахаридов, сшитых водородными или пептидными связями в прочные волокнистые слои.

Углеводы также можно использовать для создания других сложных молекул. Например, в следующей главе вы узнаете, что ДНК нуклеиновой кислоты содержит сахар, называемый дезоксирибозой. Сахара также можно использовать для производства некоторых аминокислот, которые клетки используют для построения белков.

Важный класс углеводов находится на внешней поверхности многих клеток. Эти углеводы служат маркерами идентичности, помогая клеткам многоклеточных организмов узнавать друг друга и общаться друг с другом (, рис. 4.10, ).

 

Рис. 4.10 Клеточные мембраны состоят из двойного слоя фосфолипидов (желтый) с внедренными в него белками (красный). К некоторым белкам на внешней поверхности клетки прикреплены углеводные цепи (синие). Они помогают клеткам распознавать и общаться друг с другом. (Источник: изображение подготовлено Марией Хрмовой.)

4.4.2 Польза углеводов

Полезны ли углеводы? Людям, которые хотят похудеть, часто говорят, что углеводы вредны для них и их следует избегать. Некоторые диеты полностью запрещают употребление углеводов, утверждая, что низкоуглеводная диета помогает людям быстрее похудеть. Однако углеводы были важной частью рациона человека на протяжении тысячелетий; артефакты древних цивилизаций показывают наличие пшеницы, риса и кукурузы в хранилищах наших предков.

Углеводы должны быть дополнены белками, витаминами и жирами для сбалансированного питания. Углеводы содержат растворимые и нерастворимые элементы. Нерастворимая часть, известная как клетчатка, в основном состоит из целлюлозы. Волокно имеет множество применений; он способствует регулярному опорожнению кишечника, увеличивая его объем, и регулирует скорость потребления глюкозы в крови. Клетчатка также помогает удалять лишний холестерин из организма, связывая холестерин в тонком кишечнике, предотвращая его попадание в кровоток и заставляя его выходить из организма с фекалиями. Диеты, богатые клетчаткой, также снижают риск возникновения рака толстой кишки. Кроме того, употребление пищи, содержащей цельнозерновые продукты и овощи, дает чувство сытости. Как непосредственный источник энергии, глюкоза расщепляется в процессе клеточного дыхания, в результате чего образуется АТФ, энергетическая валюта клетки. Без потребления углеводов снижается доступность «мгновенной энергии». Низкокалорийная диета, богатая цельными зернами, фруктами, овощами и нежирным мясом, в сочетании с большим количеством упражнений и большим количеством воды, является наиболее разумным способом похудеть.

Зарегистрированный диетолог

Ожирение является проблемой здравоохранения во всем мире, и многие болезни, такие как диабет и болезни сердца, становятся все более распространенными из-за ожирения. Это одна из причин, почему все чаще обращаются за советом к зарегистрированным диетологам. Зарегистрированные диетологи помогают планировать программы питания для людей в различных условиях. Они часто работают с пациентами в медицинских учреждениях, разрабатывая планы питания для лечения и профилактики заболеваний. Например, диетологи могут научить пациента с диабетом, как управлять уровнем сахара в крови, употребляя углеводы правильного типа и количества. Диетологи также могут работать в домах престарелых, школах и частных практиках.

Чтобы стать зарегистрированным диетологом, необходимо получить как минимум степень бакалавра в области диетологии, питания, пищевых технологий или в смежных областях. Кроме того, зарегистрированные диетологи должны пройти стажировку под наблюдением и сдать национальный экзамен. Те, кто занимается диетологией, проходят курсы по питанию, химии, биохимии, биологии, микробиологии и физиологии человека. Диетологи должны стать экспертами в области химии и физиологии (биологических функций) пищи (белков, углеводов и жиров).

Углеводы – Биология

Биологические макромолекулы

OpenStaxCollege

[латексная страница]

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Обсуждать роль углеводов в клетках и внеклеточных материалах животных и растений
• Объясните классификацию углеводов
• Перечислите распространенные моносахариды, дисахариды и полисахариды

Большинство людей знакомы с углеводами, одним из типов макромолекул, особенно когда речь идет о том, что мы едим. Чтобы похудеть, некоторые люди придерживаются «низкоуглеводной» диеты. Спортсмены, напротив, часто «загружаются углеводами» перед важными соревнованиями, чтобы убедиться, что у них достаточно энергии для соревнований на высоком уровне. Углеводы, по сути, являются неотъемлемой частью нашего рациона; злаки, фрукты и овощи являются естественными источниками углеводов. Углеводы обеспечивают организм энергией, в частности, за счет глюкозы, простого сахара, который является компонентом крахмала и ингредиентом многих основных продуктов питания. Углеводы также выполняют другие важные функции в организме человека, животных и растений.

Углеводы могут быть представлены стехиометрической формулой (CH ₂ O) _n , где n — число атомов углерода в молекуле. Другими словами, отношение углерода к водороду и кислороду составляет 1:2:1 в молекулах углеводов. Эта формула также объясняет происхождение термина «углевод»: компонентами являются углерод («карбо») и компоненты воды (отсюда «гидрат»). Углеводы делятся на три подтипа: моносахариды, дисахариды и полисахариды.

Моносахариды

Моносахариды (моно- = «один»; сахар- = «сладкий») представляют собой простые сахара, наиболее распространенным из которых является глюкоза. В моносахаридах число атомов углерода обычно колеблется от трех до семи. Большинство названий моносахаридов заканчиваются суффиксом -ose. Если сахар имеет альдегидную группу (функциональную группу со структурой R-CHO), он известен как альдоза, а если он имеет кетоновую группу (функциональную группу со структурой RC(=O)R’), он известен как кетоза. В зависимости от количества атомов углерода в сахаре они также могут быть известны как триозы (три атома углерода), пентозы (пять атомов углерода) и/или гексозы (шесть атомов углерода). См. [ссылка] для иллюстрации моносахаридов.

Моносахариды классифицируются на основе положения их карбонильной группы и количества атомов углерода в основной цепи. Альдозы имеют карбонильную группу (обозначена зеленым цветом) на конце углеродной цепи, а кетозы имеют карбонильную группу в середине углеродной цепи. Триозы, пентозы и гексозы имеют соответственно три, пять и шесть углеродных цепей.

Химическая формула глюкозы C ₆ H ₁₂ O ₆ . Для человека глюкоза является важным источником энергии. Во время клеточного дыхания энергия высвобождается из глюкозы, и эта энергия используется для производства аденозинтрифосфата (АТФ). Растения синтезируют глюкозу, используя углекислый газ и воду, а глюкоза, в свою очередь, используется для удовлетворения энергетических потребностей растения. Избыток глюкозы часто откладывается в виде крахмала, который катаболизируется (расщепление более крупных молекул клетками) людьми и другими животными, питающимися растениями.

Галактоза (часть лактозы или молочного сахара) и фруктоза (содержащаяся в сахарозе во фруктах) являются другими распространенными моносахаридами. Хотя глюкоза, галактоза и фруктоза имеют одинаковую химическую формулу (C ₆ H ₁₂ O ₆ ), они различаются структурно и химически (и известны как изомеры) из-за различного расположения функциональных групп вокруг асимметричный углерод; все эти моносахариды имеют более одного асимметрического углерода ([ссылка]).

Художественное соединение

Глюкоза, галактоза и фруктоза являются гексозами. Они являются структурными изомерами, то есть имеют одинаковую химическую формулу (C ₆ H ₁₂ O ₆ ), но другое расположение атомов.

Что это за сахара, альдоза или кетоза?

Глюкоза, галактоза и фруктоза являются изомерными моносахаридами (гексозами), что означает, что они имеют одинаковую химическую формулу, но имеют несколько разные структуры. Глюкоза и галактоза относятся к альдозам, а фруктоза — к кетозе.

Моносахариды могут существовать в виде линейных цепочек или кольцеобразных молекул; в водных растворах они обычно находятся в кольцевых формах ([ссылка]). Глюкоза в кольцевой форме может иметь два различных расположения гидроксильной группы (ОН) вокруг аномерного углерода (углерод 1, который становится асимметричным в процессе образования кольца). Если гидроксильная группа находится ниже атома углерода номер 1 в сахаре, говорят, что она находится в альфа-положении ( α ), а если выше плоскости, говорят, что она находится в бета-положении ( α ). 0255 β ) положение.

Пяти- и шестиуглеродные моносахариды существуют в равновесии между линейной и кольцевой формами. Когда кольцо формируется, боковая цепь, на которой оно замыкается, фиксируется в положении α или β . Фруктоза и рибоза также образуют кольца, хотя они образуют пятичленные кольца, в отличие от шестичленного кольца глюкозы.

Дисахариды

Дисахариды (ди- = «два») образуются, когда два моносахарида подвергаются реакции дегидратации (также известной как реакция конденсации или синтез дегидратации). В ходе этого процесса гидроксильная группа одного моносахарида соединяется с водородом другого моносахарида, высвобождая молекулу воды и образуя ковалентную связь. Ковалентная связь, образующаяся между молекулой углевода и другой молекулой (в данном случае между двумя моносахаридами), известна как гликозидная связь ([ссылка]). Гликозидные связи (также называемые гликозидными связями) могут быть альфа- или бета-типа.

Сахароза образуется, когда мономер глюкозы и мономер фруктозы соединяются в реакции дегидратации с образованием гликозидной связи. При этом теряется молекула воды. По соглашению атомы углерода в моносахариде нумеруются от концевого углерода, ближайшего к карбонильной группе. В сахарозе гликозидная связь образуется между углеродом 1 в глюкозе и углеродом 2 во фруктозе.

Общие дисахариды включают лактозу, мальтозу и сахарозу ([ссылка]). Лактоза – это дисахарид, состоящий из мономеров глюкозы и галактозы. В природе содержится в молоке. Мальтоза, или солодовый сахар, представляет собой дисахарид, образующийся в результате реакции дегидратации между двумя молекулами глюкозы. Наиболее распространенным дисахаридом является сахароза или столовый сахар, который состоит из мономеров глюкозы и фруктозы.

Общие дисахариды включают мальтозу (зерновой сахар), лактозу (молочный сахар) и сахарозу (столовый сахар).

Полисахариды

Длинная цепь моносахаридов, связанных гликозидными связями, известна как полисахарид (поли- = «много»). Цепь может быть разветвленной или неразветвленной, и она может содержать различные типы моносахаридов. Молекулярная масса может составлять 100 000 дальтон или более в зависимости от количества присоединяемых мономеров. Крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин являются основными примерами полисахаридов.

Крахмал представляет собой хранящуюся в растениях форму сахаров и состоит из смеси амилозы и амилопектина (оба полимеры глюкозы). Растения способны синтезировать глюкозу, а избыток глюкозы сверх непосредственных энергетических потребностей растений хранится в виде крахмала в различных частях растений, включая корни и семена. Крахмал в семенах обеспечивает пищу для зародыша по мере его прорастания, а также может служить источником пищи для людей и животных. Крахмал, потребляемый человеком, расщепляется ферментами, такими как слюнные амилазы, на более мелкие молекулы, такие как мальтоза и глюкоза. Затем клетки могут поглощать глюкозу.

Крахмал состоит из мономеров глюкозы, которые соединены α 1-4 или α 1-6 гликозидными связями. Числа 1-4 и 1-6 относятся к числу атомов углерода двух остатков, которые соединились, чтобы сформировать связь. Как показано в [link], амилоза представляет собой крахмал, образованный неразветвленными цепями мономеров глюкозы (только α 1-4 связи), тогда как амилопектин представляет собой разветвленный полисахарид ( α 1-6 связей в точках ветвления).

Амилоза и амилопектин представляют собой две разные формы крахмала. Амилоза состоит из неразветвленных цепей мономеров глюкозы, соединенных α 1,4 гликозидные связи. Амилопектин состоит из разветвленных цепей мономеров глюкозы, соединенных гликозидными связями α 1,4 и α 1,6. Благодаря способу соединения субъединиц цепи глюкозы имеют спиральную структуру. Гликоген (не показан) похож по структуре на амилопектин, но более разветвлен.

Гликоген является запасной формой глюкозы у людей и других позвоночных и состоит из мономеров глюкозы. Гликоген является животным эквивалентом крахмала и представляет собой сильно разветвленную молекулу, обычно хранящуюся в клетках печени и мышц. Всякий раз, когда уровень глюкозы в крови снижается, гликоген расщепляется с высвобождением глюкозы в процессе, известном как гликогенолиз.

Целлюлоза является наиболее распространенным природным биополимером. Клеточная стенка растений в основном состоит из целлюлозы; это обеспечивает структурную поддержку клетки. Древесина и бумага в основном целлюлозные по своей природе. Целлюлоза состоит из мономеров глюкозы, которые связаны β 1-4 гликозидными связями ([ссылка]).

В целлюлозе мономеры глюкозы связаны в неразветвленные цепи β 1-4 гликозидными связями. Из-за способа соединения субъединиц глюкозы каждый мономер глюкозы переворачивается по отношению к следующему, что приводит к линейной волокнистой структуре.

Как показано на [ссылка], каждый второй мономер глюкозы в целлюлозе перевернут, и мономеры плотно упакованы в виде вытянутых длинных цепей. Это придает целлюлозе жесткость и высокую прочность на растяжение, что так важно для растительных клеток. В то время как связь β 1-4 не может быть разрушена пищеварительными ферментами человека, травоядные животные, такие как коровы, коалы и буйволы, способны с помощью специализированной флоры в их желудке переваривать растительный материал, богатый целлюлозой. и использовать его в качестве источника пищи. У этих животных некоторые виды бактерий и простейших обитают в рубце (часть пищеварительной системы травоядных) и выделяют фермент целлюлазу. Аппендикс пастбищных животных также содержит бактерии, переваривающие целлюлозу, что придает ей важную роль в пищеварительной системе жвачных животных. Целлюлазы могут расщеплять целлюлозу на мономеры глюкозы, которые могут использоваться животным в качестве источника энергии. Термиты также способны расщеплять целлюлозу из-за присутствия в их телах других организмов, выделяющих целлюлазы.

Углеводы выполняют различные функции у разных животных. Членистоногие (насекомые, ракообразные и другие) имеют внешний скелет, называемый экзоскелетом, который защищает их внутренние части тела (как видно у пчелы в [ссылка]). Этот экзоскелет состоит из биологической макромолекулы хитина, который представляет собой полисахарид, содержащий азот. Он состоит из повторяющихся звеньев N-ацетил- β -d-глюкозамина, модифицированного сахара. Хитин также является основным компонентом клеточных стенок грибов; грибы не являются ни животными, ни растениями и образуют собственное царство в области Эукария.

Насекомые имеют твердый внешний скелет, состоящий из хитина, разновидности полисахарида. (кредит: Louise Docker)

Career Connections

Зарегистрированный диетологОжирение является проблемой здравоохранения во всем мире, и многие болезни, такие как диабет и болезни сердца, становятся все более распространенными из-за ожирения. Это одна из причин, почему все чаще обращаются за советом к зарегистрированным диетологам. Зарегистрированные диетологи помогают планировать программы питания для людей в различных условиях. Они часто работают с пациентами в медицинских учреждениях, разрабатывая планы питания для лечения и профилактики заболеваний. Например, диетологи могут научить пациента с диабетом, как управлять уровнем сахара в крови, употребляя углеводы правильного типа и количества. Диетологи также могут работать в домах престарелых, школах и частных практиках.

Чтобы стать зарегистрированным диетологом, необходимо получить как минимум степень бакалавра в области диетологии, питания, пищевых технологий или в смежных областях. Кроме того, зарегистрированные диетологи должны пройти стажировку под наблюдением и сдать национальный экзамен. Те, кто занимается диетологией, проходят курсы по питанию, химии, биохимии, биологии, микробиологии и физиологии человека. Диетологи должны стать экспертами в области химии и физиологии (биологических функций) пищи (белков, углеводов и жиров).

Полезны ли углеводы? Людям, которые хотят похудеть, часто говорят, что углеводы вредны для них и их следует избегать. Некоторые диеты полностью запрещают употребление углеводов, утверждая, что низкоуглеводная диета помогает людям быстрее похудеть. Однако углеводы были важной частью рациона человека на протяжении тысячелетий; артефакты древних цивилизаций показывают наличие пшеницы, риса и кукурузы в хранилищах наших предков.

Углеводы должны быть дополнены белками, витаминами и жирами, чтобы быть частью хорошо сбалансированной диеты. Калорийность грамма углеводов составляет 4,3 ккал. Для сравнения, жиры обеспечивают 9Ккал/г, менее желательное соотношение. Углеводы содержат растворимые и нерастворимые элементы; нерастворимая часть известна как клетчатка, которая в основном представляет собой целлюлозу. Волокно имеет множество применений; он способствует регулярному опорожнению кишечника, увеличивая его объем, и регулирует скорость потребления глюкозы в крови. Клетчатка также помогает выводить из организма избыток холестерина: клетчатка связывается с холестерином в тонком кишечнике, затем присоединяется к холестерину и предотвращает попадание частиц холестерина в кровоток, а затем холестерин выходит из организма с фекалиями. Диеты, богатые клетчаткой, также играют защитную роль в снижении частоты возникновения рака толстой кишки. Кроме того, еда, содержащая цельнозерновые продукты и овощи, дает чувство сытости. Как непосредственный источник энергии, глюкоза расщепляется в процессе клеточного дыхания, в результате чего образуется АТФ, энергетическая валюта клетки. Без потребления углеводов доступность «мгновенной энергии» будет снижена. Исключение углеводов из рациона — не лучший способ похудеть. Низкокалорийная диета, богатая цельными зернами, фруктами, овощами и нежирным мясом, в сочетании с большим количеством упражнений и большим количеством воды, является более разумным способом похудеть.

Ссылка на обучение

Чтобы получить дополнительную информацию об углеводах, изучите раздел «Биомолекулы: углеводы» с помощью этой интерактивной анимации.

Углеводы представляют собой группу макромолекул, которые являются жизненно важным источником энергии для клетки и обеспечивают структурную поддержку клеток растений, грибов и всех членистоногих, включая омаров, крабов, креветок, насекомых и пауков. Углеводы классифицируются как моносахариды, дисахариды и полисахариды в зависимости от количества мономеров в молекуле. Моносахариды связаны гликозидными связями, которые образуются в результате реакций дегидратации, образуя дисахариды и полисахариды с отщеплением молекулы воды на каждую образовавшуюся связь. Глюкоза, галактоза и фруктоза являются распространенными моносахаридами, тогда как распространенные дисахариды включают лактозу, мальтозу и сахарозу. Крахмал и гликоген, примеры полисахаридов, являются запасными формами глюкозы в растениях и животных соответственно. Длинные полисахаридные цепи могут быть разветвленными или неразветвленными. Целлюлоза является примером неразветвленного полисахарида, тогда как амилопектин, входящий в состав крахмала, представляет собой сильно разветвленную молекулу. Хранение глюкозы в виде полимеров, подобных крахмалу гликогена, делает ее несколько менее доступной для метаболизма; однако это предотвращает его утечку из клетки или создание высокого осмотического давления, которое может вызвать чрезмерное поглощение воды клеткой.

[ссылка] Что это за сахара, альдоза или кетоза?

[ссылка] Глюкоза и галактоза являются альдозами. Фруктоза — это кетоза.

Примером моносахарида является ________.

1. фруктоза
2. глюкоза
3. галактоза
4. все вышеперечисленное

D

Целлюлоза и крахмал являются примерами:

1. моносахаридов
2. дисахариды
3. липиды
4. полисахариды

D

Стенки клеток растений содержат в изобилии что из следующего?

1. крахмал
2. целлюлоза
3. гликоген
4. лактоза

B

Лактоза представляет собой дисахарид, образующийся при образовании связи ________ между глюкозой и ________.

1. гликозидные; лактоза
2. гликозидный; галактоза
3. водород; сахароза
4. водород; фруктоза

Б

Опишите сходства и различия между гликогеном и крахмалом.