Строение, свойства, функции углеводов

Классификация углеводов

Сложно представить жизнь на планете без таких веществ, как углеводы. Они входят в обязательный рацион питания. Можно составить огромный список продуктов, которые содержат углеводы, к примеру, фрукты, овощи, молочная продукция, крупы. Определенные виды соединений полезны для здоровья, а прочие — сопровождаются негативным эффектом. Известно, что углеводы формируют энергетический запас на реализацию внутренних функций человеческого организма, обеспечивают клеточный рост и работу мозга. Путем многолетних исследований ученым удалось определить большое значение глюкозы.

Глюкоза, которую синтезируют углеводы, необходима для человека на постоянной основе. Научный анализ показал содержание углеводов в клеточных образованиях растений и животных. Данные соединения с точки зрения массы представляют собой большую часть в общем составе земной органики. Растительные организмы способны вырабатывать углеводы по результатам фотосинтеза, преобразуя углекислый газ и воду с помощью хлорофилла. Животные лишены подобной способности, поэтому потребляют необходимые вещества в процессе питания растениями.

У представленной выше расшифровки термина существует исключение. Таковым является дезоксирибоза. Соединение записывают с помощью следующего выражения: \(С_{5}Н_{10}O_{4}.\)Заметим, что в данном случае количество кислородных атомов здесь меньше на единицу по сравнению с рибозой.

В зависимости от количества звеньев, входящих в состав структуры вещества, различают следующие виды углеводов:

• моносахариды с единственным звеном в структуре;
• олигосахариды, у которых может быть 2-10 компонентов в структуре;
• полисахариды с n звеньями в структуре соединения.

Приведем несколько характерных примеров для демонстрации разнообразия перечисленных групп углеводов с соответствующими химическими формулами:

Источник: chemege.ru

Исходя из количества углеродных атомов, которое определено для молекулы того или иного углевода, выделяют следующие вещества:

• пентозы состоят из пяти углеродных атомов;
• гексозы включают в свой состав шесть углеродных атомов;
• прочие углеводы.

Предусмотрена еще одна классификация углеводов. В данном случае в качестве критерия группировки используют габариты кольца в циклической форме, характерной для той или иной молекулы:

• пиранозы с кольцевым образованием из шести членов;
• фуранозы с кольцевым образованием из пяти членов.

Известно, что углеводы являются важной частью рациона питания. Данной теме посвящено множество научных исследований. В зависимости от медицинских показаний людям назначают оптимальную диету с определенным содержанием углеводов в порции еды. Однако особое внимание уделяют разновидности этих соединений. Исходя из эффекта, которые углеводы оказывают на организм, поступая с пищей, выделяют следующие виды:

• простые углеводы с высокой скоростью всасываются в кровь и увеличивают содержание сахара;
• сложные углеводы проникают во внутренние системы организма медленнее, чем быстрые аналоги веществ, формируют энергетический запас, который организм использует для реализации жизненно важных функций.

Функции углеводов

Интересный факт заключается в том, что растительные организмы содержат в себе до 80% углеродов в общем весе сухого материала. Для человеческих и животных организмов этот показатель меньше и составляет около 20%. Углеводы необходимы для реализации многих функций организма в процессе его жизнедеятельности. Известно, что питательный рацион людей на 70% сложен из разного типа углеводов.  Аналогично разнообразию видов этих соединений выявлено множество функций, которые осуществляют углеводы, попадая в организм с пищей.

Энергетическая

По данным многочисленных научных исследований и практических наблюдений выявлено, что углеводы служат ключевым энергетическим ресурсом. С помощью веществ, которые поступают в организм с пищей, внутренние системы функционируют так, как это предусмотрено, без отклонений. После участия в определенных химических реакциях соединения преобразуются в энергетический источник. Особое внимание в рассматриваемом процессе уделяют глюкозе, обладающей большим значением для метаболизма.

Строительная

Углеводные соединения включены в структуру внутренних тканей на клеточном уровне. Наиболее часто встречающимся в информационных источниках примером являются нуклеиновые кислоты, то есть ДНК и РНК, в составе которых содержатся углеводы. Благодаря данным структурным элементам, хранится и передается информация по наследству. Углеводы составляют также гликолипиды и гликопротеины. Эти элементы находятся в любых тканевых структурах и внутренних органах в организме человека.

Сигнальная

Сигнальный функционал углеводов заключается в присутствии данных веществ в составе разнообразных чувствительных отростков клеток, то есть рецепторов, и лагандов. Со школьного курса биологии известно о существовании протяженных углеводных цепочек, которые называют гликокаликсом. Соединения входят в состав мембран клеток. Структура по внешнему виду похожа на щупальца, которые отходят в разные стороны. Таким образом, реализовано взаимное воздействие между клетками, а также избирательность относительно попадающих во внутреннее пространство химических элементов и соединений.

Защитная

Углеводы входят в состав слизи и жидкости, сосредоточенной в суставах. Эти субстанции защищают клеточные поверхности от каких-либо деформаций. В тандеме с белками углеводы формируют антитела, интерфероны, компоненты комплемента, что подтверждает большое значение углеводов для функционирования иммунитета. Кроме того, молекулы углеводов являются одними из составных компонентов альбуминов, глобулинов плазмы, факторов свертываемости крови.

Запасающая и прочие функции

Углеводы отвечают за регулировку осмотического давления, что является одной из ключевых характеристик процесса гомеостаза. Запасающая опция рассматриваемых веществ реализована посредством гликогена в печени. Еще одна функция углеводов заключается в детоксикации. В процессе происходит обезвреживание глюкуроновой кислотой токсического непрямого билирубина путем связывания этого соединения. Аналогичное воздействие вещество оказывает на разные продукты гниения. Углеводы также составляют коферменты и прочие вещества, проявляющие активность с биологической точки зрения. При наличии углеводов происходит формирование липидов, аминокислот и прочих соединений.

Свойства, строение углеводов

Рассмотрим наиболее типичные для углеводов химические свойства. Независимо от принадлежности к тому или иному классу, эти вещества участвуют в реакциях горения. Процесс сопровождается образованием углекислого газа и воды. В качестве примера можно ознакомиться с формулой, описывающей горение глюкозы:

\(C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2} \rightarrow 6CO_{2} + 6H_{2}O\)

Углеводы взаимодействуют с концентрированной серной кислотой. В результате соединения лишаются влаги, а по окончании химической реакции выделяется углерод, и остается вода. Подобный процесс можно наблюдать при контакте глюкозы с концентратом серной кислоты:

\(C_{6}H_{12}O_{6} \rightarrow 6C + 6H_{2}O\)

Разновидность углеводов такая, как моносахарид, представляет собой гетерофункциональное соединение с молекулами, которые содержат в себе единственную карбонильную группу (группа альдегида или кетона) и несколько гидроксильных. Данные вещества входят в состав структуры олигосахаридов и полисахаридов. В таблице ниже представлены наиболее известные моносахариды с характерным для них строением:

 

Источник: chemege.ru

Глюкоза представляет собой альдегидоспирт, то есть альдозу. Строение глюкозы представлено на наглядной схеме:

Источник: chemege.ru

Подробнее стоит остановиться на химических свойствах глюкозы. При растворении вещества в воде возникает динамическое равновесие:

Источник: chemege.ru

Качественная реакция на многоатомные спирты представляет собой химическое взаимодействие со свежеосажденным гидроксидом меди (II). В результате гидроксид растворяется, и образуется комплекс синей окраски. Глюкоза взаимодействует с карбонильной группой — CH=O. Рассмотрим несколько типичных примеров.

Реакция «серебряного зеркала»:

Источник: chemege.ru

Взаимодействие с гидроксидом меди (II) в условиях повышения температурного режима:

Источник: chemege.ru

Окислительная реакция при участии бромной воды:

Источник: chemege.ru

Кроме того, глюкоза обладает способностью вступать в химическое взаимодействие с водородом. В этом случае карбонильная группа восстанавливается до спиртового гидроксила, и получается шестиатомный спирт в виде сорбита:

Источник: chemege.ru

Фруктоза представляет собой структурный изомер глюкозы. В соединении присутствует три пары углеродных атомов, единственная кетоновая группа и пять гидроксогрупп. Рассмотрим строение вещества на схеме:

 

Источник: chemege.ru

Фруктоза представлена в виде кристаллов, обладает хорошей растворимостью в водной среде, на вкус отличается повышенной сладостью по сравнению с аналогичными свойствами глюкозы. В свободном виде фруктозу можно обнаружить в таких продуктах питания, как мед и фрукты. Химические способности вещества обусловлены присутствием кетонной и пяти гидроксильных групп. В результате гидрирования фруктозы образуется сорбит.

Дисахариды представляют собой углеводы с молекулами, состоящими из пары моносахаридных остатков, которые соединены с помощью взаимного воздействия гидроксильных групп.  Еще одной разновидностью углеводов является сахароза с химической формулой \(С_{12}Н_{22}О_{11}\). Рассмотрим строение вещества:

Источник: chemege.ru

Сахароза способна вступать в химические реакции гидролиза при контакте с подкисленной водной средой. Такой процесс сопровождается образованием глюкозы и фруктозы:

\(C_{12}H_{22}O_{11} + H_{2}O → C_{6}H_{12}O_{6} + C_{6}H_{12}O_{6}\)

Полисахариды являются высокомолекулярными углеводами натурального происхождения с макромолекулами, состоящими из моносахаридных остатков. Наиболее известны из данного класса соединений крахмал и целлюлоза.

Строение крахмала можно рассмотреть на схеме:

Источник: chemege.ru

Крахмал способен принимать участие в химической реакции гидролиза. Этот процесс можно реализовать опытным путем с помощью доведения крахмала до кипения в кислой среде:

Источник: chemege.ru

Стоит отметить, что химическое воздействие на крахмал не приводит к получению реакции «серебряного зеркала» и восстановлению медного гидроксида (II). Качественная реакция с данным веществом проявляется в виде синей окраски с йодным раствором.

Целлюлозу нередко называют клетчаткой в различных информационных источниках. Вещество является самым распространенным полисахаридом растительного происхождения. Со схемой строения целлюлозы можно ознакомиться на рисунке ниже:

Источник: chemege.ru

Целлюлоза обладает способностью вступать в реакции нитрования. В процессе формируются сложные эфиры с азотной и уксусной кислотами. С помощью химического уравнения можно проследить порядок получения тринитрата целлюлозы:

\((C_{6}H_{7}(OН)_{3})_{n} + 3nHNO_{3} \rightarrow 3nH_{2}O + (C_{6}H_{7}O_{2}(ONO_{2})_{3})_{n}\)

Ацилирование целлюлозы:

\((C_{6}H_{7}(OН)_{3})_{n} + 3n(СH_{3} CO)_{2}O \rightarrow 3nCH_{3}COOH + (C_{6}H_{7}O_{2}(OCOCH_{3})_{3})_{n}\)

Как и крахмал, который был рассмотрен ранее, целлюлоза при помещении в кислую среду способна вступать в химические реакции гидролиза. Результатом подобного взаимодействия является образование глюкозы. В отличие от гидролиза крахмала, этот процесс протекает значительно труднее.