Углеводы — органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Термин «углеводы» возник потому, что первые известные представители по составу отвечали формуле Cm(H2O)n (углерод+вода); впоследствии были обнаружены природные углеводы с другим соотношением атомов в молекуле.
По химической структуре углеводы – кетоноспирты или альдегидоспирты: в их молекулах присутствуют несколько гидроксильных групп (как у многоатомных спиртов) и карбонильная группа (как у альдегидов и кетонов).
Моносахариды (простые углеводы) — бесцветные кристаллические вещества, легко растворимые в воде и обладающие сладким вкусом. Общая формула моносахаридов — СnН2nОn (n = 3 — 9). По числу атомов углерода в молекуле моносахариды делятся на триозы (n = 3), тетрозы (n = 4), пентозы (n =5), гексозы (n = 6) и т. д. В природе чаще всего встречаются пентозы и гексозы. Природные моносахариды с углеродной цепью, содержащей более 9 атомов углерода, не обнаружены.
Моносахариды в природе редко встречаются в свободном состоянии: обычно они являются мономерами более крупных молекул олиго- и полисахаридов, а также входят в виде остатков в состав гликопротеинов, гликолипидов, нуклеиновых кислот и др.
В свободном состоянии в организмах встречаются такие моносахариды, как глюкоза (содержится в плазме крови и соках растений) и фруктоза (в меде и плодах некоторых растений).
| Моносахарид | Формула | Нахождение в клетке и в природе |
|---|---|---|
| Рибоза | С5Н10О5 | В составе РНК, АТФ |
| Дезоксирибоза | C5H10O4 | В составе ДНК |
| Глюкоза | С6Н12О6 | В свободном состоянии в клеточном соке растений и в плазме крови; также в составе гликогена, крахмала, целлюлозы |
| Фруктоза | С6Н12О6 | В мёде, фруктах, ягодах |
| Галактоза | С6Н12О6 | В составе молочного сахара |
У взрослого человека в крови содержится в среднем 6 г глюкозы. Это энергетическое сырьё может обеспечить потребности организма около 15 минут. Организм постоянно вырабатывает новые порции глюкозы и выделяет её в кровь по мере того, как расходуются старые запасы.
Моносахариды — главный источник энергии для процессов, происходящих в клетке. Моносахариды сразу окисляются до двуокиси углерода и воды, тогда как белки и жиры окисляются до тех же продуктов через ряд сложных промежуточных процессов. При более глубоких превращениях в обмене веществ из моносахаридов могут образовываться аминокислоты, липиды и другие органические соединения.
Биосинтез моносахаридов из углекислого газа и воды происходит в растениях в процессе фотосинтеза.
Дисахариды — углеводы, у которых молекула состоит из двух мономеров — моносахаридов. Таким образом, дисахариды являются димерами. Дисахариды, как и моносахариды, имеют сладкий вкус и потому их называют «сахарами».
| Дисахарид | Формула | Мономеры | Нахождение в природе |
|---|---|---|---|
| Сахароза | C12H22O11 | Глюкоза и фруктоза | Фрукты, плоды, ягоды |
| Лактоза | С12Н22О11 | Глюкоза и галактоза | Молоко |
| Мальтоза | C12H22O11 | Глюкоза | Проросшие зёрна (солод) злаков |
В коровьем молоке содержится 4,6% молочного сахара. В женском молоке его больше — 6,5%.
Полисахариды — общее название класса сложных высокомолекулярных углеводов, молекулы которых состоят из десятков, сотен или тысяч мономеров — моносахаридов. Молекулы полисахаридов могут быть линейными или разветвленными, являться гомополимерами (построенными из остатков только одного моносахарида) или гетерополимерами (построенными из остатков двух и более моносахаридов).
К полисахаридам относятся, в частности: крахмал, целлюлоза, хитин, гликоген.
| Полисахарид | Формула, характер молекулы | Молекулярная масса | Мономер | Нахождение в природе |
|---|---|---|---|---|
| Крахмал | (C6H10O5)n Смесь молекул линейного и разветвленного строения | 105 — 109 | Глюкоза | Запасается в клетках растений, особенно в семенах, луковицах, клубнях |
| Гликоген | (C6H10O5)n Молекула разветвленная | 106 — 109 | Глюкоза | Запасается в клетках животных, особенно в печени и мышцах |
| Целлюлоза | (C6H10O5)n Молекула линейная | до 2 х 109 | Глюкоза | Входит в состав клеточных стенок растений и микроорганизмов |
| Хитин | (C8H12O3N)n Молекула линейная | до 260 000 | N-ацетил-глюкозамин | Входит в состав клеточных стенок грибов и некоторых бактерий; образует кутикулу членистоногих |
У человека излишки глюкозы конденсируются в особый вид крахмала — гликоген. Он запасается в печени, мышцах и коже. У хорошо упитанного взрослого человека запасы гликогена в организме могут достигать 350 — 400 граммов. Слово «гликоген» происходит от греческих слов «рождающий сладость».
Функции углеводов в организме
| Запасающая | Запасное питательное вещество – гликоген (у животных и грибов), крахмал (у растений) |
| Энергетическая | Основной источник энергии для организма, при расщеплении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж |
| Строительная | Входят в состав нуклеиновых кислот, образуют межклеточное вещество соединительной ткани. У растений входят в состав клеточной оболочки |
| Защитная | Взаимодействуют в печени со многими ядовитыми соединениями, переводя их в безвредные и легко растворимые вещества. Гепарин предотвращает свертывание крови в сосудах |
| Рецепторная (сигнальная) | Обеспечение коммуникации клеток |
Не всякий сахар — пищевой продукт. Например, «свинцовый сахар» или «сахар-сатурн» — это ацетат свинца (Pb(CH3COO)2·3H2O). «Свинцовый сахар» имеет сладкий вкус, но это сильный яд. Это сладкое белое кристаллическое вещество применяется как протрава при крашении, производстве олиф, для изготовления свинцовых белил, в медицине как примочка при ушибах.
Первые опыты по получению сахара из кукурузы проводились в Болгарии. Из этой культуры был получен сироп высокого качества, имеющий все достоинства фруктозы и не имеющий недостатков сахарозы. Он в 1,7 раза слаще обычного сахара и хорошо воспринимается организмом. Его рекомендуют использовать при сердечно-сосудистых и желудочно-кишечных заболеваниях.