Вуглеводи, будова та
біологічна роль
Вуглеводи
- обов'язковий компонент їжі і повинні бути присутні в раціоні харчування
людини. Вуглеводи складають по масі найбільшу частину раціону харчування людини.
Кількість і співвідношення вуглеводних компонентів в їжі грають важливу роль в
харчуванні людини, в збереженні здоров'я і профілактиці основних захворювань
сучасної людини.
.
Вуглеводи –органічні сполуки, які утворюються в рослинах як первинні продукти
фотосинтезу та є важливою складовою частиною живих організмів.
Фотосинтез
·
Джерелом вуглеводів для всіх живих організмів є фотосинтез, що
здійснюється рослинами.
·
Фотосинтез як відновлення діоксиду карбону з використанням сонячної
енергії
·
х CО2 + у Н2О + сонячна енергія = = Сх (Н2О)у
+ х О2
·
Вуглеводи є своєрідним депо енергії. Ця енергія звільняється в
тваринних організмах в результаті метаболізму вуглеводів, що полягає з хімічної
точки зору в їх окисненні.
·
Сх (Н2О)у + х О2 = х CО2 + у Н2О + енергія
·
вуглеводи
·
Частина цієї енергії перетворюється в тепло, а більша частина – в нову
хімічну форму - аденозинтрифосфат (АТФ), яка потім витрачається у процесах
життєдіяльності (скорочення м”язів, передача нервових імпульсів і т.д.)
Вуглеводи
за хімічною будовою - це поліоксиальдегіди, поліоксикетони, їх полімери та
похідні. Назва «Вуглеводи» не відповідає хімічний будові і поряд з нею
вживаються інші: "Цукри", "Сахариди", “Глікани”. Вуглеводи
поділяють на моносахариди (прості цукри), олігосахариди (олігомери, що
складаються з кількох залишків моносахаридів) та полісахариди (полімери, що
складаються з багатьох залишків моносахаридів).
·
Вуглеводи - це обширний клас органічних сполук.
·
У клітинах рослин вуглеводів припадає на частку до 90% всіх
сухих речовин.
·
Вуглеводи утворюються в рослинах у ході фотосинтезу, завдяки
асиміляції хлорофілом вуглекислого газу повітря під дією сонячного
випромінювання. Кисень, що утворюється при цьому, виділяється в атмосферу.
·
Вуглеводи були першими харчовими речовинами, хімічна
структура яких була розшифрована хіміками.
·
Оскільки вуглеводи краще за інші харчові речовини підлягають
перетворенням із звільненням відповідної кількості енергії, вони особливо
важливі у харчуванні як джерела енергії у разі інтенсивної фізичної праці.
·
Під час великого м'язового напруження у тренованих людей до
50% енергетичних витрат покривається за рахунок вуглеводів, а у нетренованих -
майже виключно за рахунок вуглеводів.
·
Важливу роль відіграють вуглеводи у діяльності центральної
нервової системи, оскільки вони є основним джерелом енергії для нервової
тканини. Тканина головного мозку споживає глюкози у середньому у 2 рази більше,
ніж м'язи, і в 3 рази більше, ніж нирки.
Про важливу роль вуглеводів у діяльності мозку свідчить і той факт, що
запаси глікогену у мозковій тканині порівняно стабільні, вони витрачаються лише
у надзвичайних випадках.
фізіологічні
функції:
-
Енергетична. Джерело енергії. Для людини. Під
час окиснення 1г виділяється 16,9 кДж (4ккал) енергії.
-
Пластична. З вуглеводів синтезуються органічні
та нк.
-
Регуляторна. Регулюють осмотичні процеси;
протидіють накопленню кетонових тіл під час окиснення жирів.
-
Опорна. У комплексі з білками входять до
складу хрящових тканин.
Захисна. Важлива роль вуглеводів в захисних
реакціях організму, особливо, які відбуваються в печінці. Взаємодіють в печінці
з багатьма отруйними сполуками, переводячи їх в нешкідливих і легко розчинних
речовини. Глюкуронова кислота сполучаючись із токсичними речовинами, утворює
нетоксичні складні ефіри. Захисна функція – в’яжучі секрети, які виділяються
різними залозами і багаті на мукополісахариди, захищають стінки деяких
порожнистих органів від механічних пошкоджень і від проникнення патогенних
бактерій і вірусів.
-
Спеціалізована. Деякі вуглеводи та їх похідні мають
біологічну активність, виконуючи в організмі спеціалізовані функції. Гепарин
попереджає зсідання крови в судинах,
гіалуронова кислота запобігає прониканню бактерій через клітинну
оболонку. виконують (окремі представники) в організмі особливі функції,
наприклад, беруть участь у проведенні нервових імпульсів, утворенні антитіл,
забезпечують специфічність груп крові, нормальну діяльність центральної
нервової системи.
Вуглеводневі запаси
людини дуже обмежені, під час інтенсивної праці швидко витрачаються, тому ВВ
повинні потрапляти в організм є їжею кожен день. Добова потреба 400-500г.
2. 
Моносахариди
не підлягають гідролітичному розщепленню з утворенням менших молекул
вуглеводів. Їх загальна формула СnН2nOn. За кількістю
атомів карбону в молекулі моносахариди поділяються на групи. Найбільш
поширеними є гексози (6 С) та пентози (5 С). Під час їх перетворення в живих
організмах утворюються тріози (З С), тетрози (4 С), гептози (7 С).
За
розміщенням карбонільної групи моносахариди поділяють на ряди структурних
ізомерів: альдози та кетози. Найпростішими їх представниками є альдотріоза
гліцериновий альдегід і кетотріоза діксиацетон:
Фізичні та хімічні властивості
Моносахариди
представляють собою безбарвні кристалічні тверді речовини, солодкі на смак,
добре розчинні у воді. Вони вступають у різні реакції, властиві для
карбонільної та поліоксигруп. Розглянемо ті з них, які мають важливе значення
для їх біологічної функції.
Глюкоза (виноградний цукор) широко поширена в природі: міститься в
зелених частинах рослин, виноградному соку, насінні, фруктах, ягодах, меді. У
чистому вигляді з їжею споживається близько 15-
Організм
людини строго регулює концентрацію глюкози в крові на рівні 100-120 мг/100 мл
навіть в стані голоду, коли глюкоза крові поповнюється за рахунок гідролізу
запасів глікогену або перетворення на глюкозу амінокислот. Після їди рівень
глюкози в крові підвищується в порівнянні з рівнем натщесерце за рахунок
вуглеводів їжі, а потім поступово знижується до початкового рівня, оскільки
глюкоза використовується тканинами для отримання енергії або для запас
вуглеводів у формі глікогену. Стан, при якому вміст глюкози в крові
підвищується більше 160 мг/100 мл, називають гіперглікемією. Вона
спостерігається при цукровому діабеті, коли порушується вироблення інсуліну
острівцями підшлункової залози і тканини втрачають здатність утилізувати
глюкозу з крові. В результаті глюкоза виділяється з сечею.
При
зниженні концентрації глюкози в крові до 60 мг/100 мл і менш розвивається
гіпоглікемія, що супроводжується відчуттям голоду і слабкості. Стан легкої, так
званої реактивної гіпоглікемії переживає кожна людина через декілька годинників
після їди.
Підвищення
концентрації глюкози після прийому солодкої їжі викликає посилене вироблення
гормону підшлункової залози інсуліну. Це супроводжується падінням рівня глюкози
через деякий час навіть нижче початкового натщесерце, тобто розвивається
гіпоглікемія.
Відновленою формою глюкози є спирт сорбітол, який
знайдений в яблуках, грушах, персиках і деяких овочах. Він підтримує рівень
глюкози в крові більш тривалий час, що зменшує вірогідність розвитку
гіпоглікемії і ослабляє відчуття голоду. Проте сорбітол може викликати здуття
живота і пронос, що перешкоджає його широкому використанню в живленні. Сорбіт
знайшов застосування як подсластитель в жувальній
гумці.
Фруктоза (фруктовий цукор, левулоза) у вільному стані міститься в меді, фруктах і ягодах, насінні, зелених
частинах рослин. Входить до складу сахарози і високомолекулярного полісахариду
інуліну. Фруктоза солодше цукру (сахарози) і знаходить застосування у
виробництві напоїв і інших продуктів. У печінці фруктоза перетворюється на
глюкозу, а це означає, що використання фруктози хворими діабетом також не може
бути безмежним. Фруктоза у меншій мірі викликає розвиток карієсу, чим цукор.
Використання фруктози в живленні обмежується економічними міркуваннями, за
ціною вона дорожча, ніж цукор, а переваги перед цукром не так вагомі, щоб
витіснити цукор.
Глюкоза
і фруктоза мають велике значення в харчовій промисловості, будучи важливим
солодким компонентом продуктів харчування і початковим матеріалом для процесів
бродіння.
Галактоза
входить до складу лактози - молочного цукру. Це єдиний моносахарид
тваринного походження.
Пентоза
(п'ятивуглецеві моноцукру) - арабіноза, рибоза, ксилоза, представлені в природі
головним чином як структурні компоненти складних полісахаридів (геміцеллюлоз,
пектинових речовин), а також нуклеїнові кислоти і інші природні полімери.
Арабіноза міститься в хвойних рослинах, входить
до складу пектинових речовин, слизу, камеді, геміцелюлози.
Ксилоза входить до складу пентозанів.
D-рибоза - є
універсальними компонентом головних біологічно активних молекул, які
відповідають за передачу спадкової інформації. РНК та ДНК, входить до складу
АТФ та АДФ за допомогою яких в любому живому організмі запасається та
переноситься хімічна енергія.
Циклічні
напівацетальні форми моносахаридів.
Це припущення вперше було
запропоновано Коллі; одержало розвиток в працях Толленса, Скраупа, Фішера і
англійця Хеуорса. Зараз це безперечно доведено.
Утворюються циклічні
форми моносахаридів із їх гідрокарбонільних форм.
Утворення
піранозних та фуранозних поуацетальних форм:
В
альдозах карбонільна група (при першому атомі вуглецю) може взаємодіяти зі
спиртовою групою 5 (о – положення) або 4 ( -положення) атому “С”. При цьому
подвійний зв'язок карбонільної групи розривається, атом водню з ОН-групи
переходить до карбонільного кисню, а кисень цього гідроксилу з’єднується з 1-м
атомом вуглецю. При взаємодії карбонільної групи зі спиртовою в о-положенні
утворюється шестичленне кільце, а при взаємодії в –положенні – п’ятичленне.
Утворений
гідроксил при першому атомі «С» називається полуацетальним або глікозидним
гідроксилом.
Ізомерія гідроксокарбонільних форм визначається:
1.
положенням карбонільної групи;
2.
наявністю асиметричних атомів вуглецю.
Атоми
вуглецю в молекулах моносахаридів нумерують, починаючи з того кінця ланцюгу на якому
знаходиться або до якого ближче карбонільна група.
Наявність
асиметричних атомів в молекулі обумовлює оптичну ізомерію моносахаридів.
Наприклад, в альдогексозі є 4 асиметричних вуглецевих атомів. Таким чином
можливе існування 24=16 стереоізомерних альдогексоз, серед яких є 8
пар дзеркальних стереоізомерів, так як дзеркальні стереоізомери однакові за
фізичними і хімічними властивостями, то вони мають одну і ту ж назву. Але, щоб
показати на протилежність їх просторової конфігурації, до цієї назви додають
букву D або L. Напрямок обертання площини поляризації кожного антиподу позначають
знаками “+” або “-“. Наприклад, дзеркальні ізомери однієї з найважливіших
альдогектоз називаються D(+) – глюкоза та L(-) – глюкоза.
Кожний
з пари дзеркальних ізомерів є діастереоізомером всіх інших 14 альдогексоз.
В
кожній парі дзеркально ізомерних моносахаридів D-ізомер це той, в проекційній формулі
якого ОН-група при найбільш віддаленому від карбонільної групи асиметричному
атомі вуглецю повернена праворуч.
Діастереоізомерні альдози, які відрізняються конфігурацією
груп тільки при другому атомі вуглецю, тобто в α-положенні до альдегідної групи,
називають епімерами. Наприклад, D-глюкоза та D-маноза.
Дзеркальні їх ізомери, тобто L-ізомери, мають протилежну
конфігурацію груп при всіх асиметричних атомах вуглецю. L-клюкоза є повне дзеркальне зображення D-глюкози.
Такий
спосіб віднесення дзеркально ізомерних моносахаридів до D- та L- ряду засновано на зіставленні їх
просторової будови з будовою гліцеринового альдегіду, який за пропозицією М.О.
Розанова прийнято за еталон сполук D- та L-рядів.
Належність
моносахаридів до D- або L-ряду має велике біологічне значення. Річ у тому, що в природі як у
рослинних, так і у тваринних організмів у більшості випадків утворюються тільки
D-ізомери
моносахаридів. Майже всі L-ізомери одержані тільки синтетичним шляхом. Тваринні
організми застосовують моносахариди лише D-ряду.
З
альдегідопентоз відмітимо D-арабінозу, D-рибозу, D-дезоксирибозу.
Напівацетальні
форми зображують у вигляді перспективних формул Хеуорса.
Якщо
глікозидній гідроксил у першого вуглецевого атомів повернутий по відношенню до
площини кільця вправо, то це буде α-форма моносахариду, якщо вліво –
β-форма.
α-
і β-форми відрізняються одна від одної протилежним розміщенням груп лише
при одному асиметричному (полуацетальному) вуглецевому атому, вони є
діастереоізомерами.
Моносахариди
в кристалічному вигляді існують в полуацетальних формах з 6 атомів.
Природна
D-глюкоза є
α-D-глюкопіранозою. При розчиненні у воді вона таутомірно перетворюється в
гідро карбонільну форму, а остання переходить у всі 4 циклічні полуацетарні
форми. Між цими всіма формами у розчині встановлюється динамічна рівновага за
переважанням циклічних α- та β-піраноз. Розчинення у воді
супроводжується оптичним ефектом, який назвали явищем мутаротації – кут
обертання розчину моносахариду, який тільки приготували, після того як він
постоїть, поступово змінюється, поки не досягне постійної цифри, характерної
для такого моносахариди. Наприклад, для D-глюкози цей кут дорівнює +52,7о.
Фуранозні форми моносахаридів термодинамічно менш вигідні,
ніж піранозніо, оскільки
в практично плоскому п'ятичленному циклі замісники
змушені перебувати в нестабільній
конформації. Навпаки, шестичленні цикли мають кріслоподібну
форму, в якій замісники при
сусідніх атомах вуглецю займають більш вигідні положення.
Існують два типи кріслоподібної
конформації: піранози-1С4 і 4C1
(цифри у верхніх і нижніх індексах показують
номери атомів С, що знаходяться
відповідно у верхніх і нижніх положеннях крісла). Для
більшості альдогексоз D-ряду
кращим є крісло 4C1
з екваторіальної групою
СН2ОН і тільки для D-ідози в рівновазі переважає
конформація 1С4 (вплив аксільних груп
ОН):
На відносну стійкість α-і β-форм крім просторових чинників впливають диполь-дипольні взаємодії. Вперше здійснено перегрупувальний ефект, в результаті якого замісник при аномерному атомі прагне зайняти аксіальне положення (особливо в малополярних розчинниках), і D2-ефект, що полягає в підвищеній нестабільності конформера з екваторіальним замісником у аномерного атома при наявності аксіального гідроксилу в положенні 2 (внаслідок взаємного відштовхування атомів О; дивись формули Ньюмена):
Крім того, на відносну стійкість α-і
β-форм впливають водневі зв'язки, які можуть відігравати стабілізуючу роль у відносно малополярних розчинниках, і деякі ін
фактори.
Крім звичайних відомо кілька груп моносахаридів,
що відрізняються своєрідним набором функціональних груп
або структурою вуглецевого
ланцюга. До них відносяться
дезоксицукри (одна абодекілька груп
ОН заміщені на атоми
Н), аміноцукри (одна
або декілька груп ОН заміщені на аміногрупи), уронові кислоти (група
СН2ОН окислена в карбоксильну), розгалужені
цукри (мають розгалужену вуглецевий ланцюг з метильною,
гідроксиметильною або альдегідною групою в
якості відгалужень), вищі 2-кето-З-дезоксіальдонові кислоти, в тому числі сіалові
кислоти - похідні 2-кето-3,5-дідез-окси-5-аміно-D-гліцеро-D-галактононової
(нейрамінової) кислоти (формула VI).
Аміноцукри,
органічні
сполуки, в молекулах яких містяться групи, характерні для цукрів,
— альдегідна (CHO) або кетонна (CO) група, декілька гідроксильних (ОН) і одна
або декілька аміногруп (NН2 ). Вуглецевий ланцюг ваміноцукрів може
бути нерозгалуженим або розгалуженим. Як похідні моносахаридів,аміноцукри
володіють відновлюючими властивостями і дають реакції цукрів, але проявляють і
властивості органічних основ. Аміноцукри широко поширені в природі,
зустрічаються у всіх тканинах тварин, рослин, в мікроорганізмах, у складі
складних білків і ліпідів, полісахаридів, глікозидів іін..; вони входять до
складу багатьох гормонів, антибіотиків і інших біологічно активних речовин. Найбільш поширені глюкозамін
і галактозамін
. Багато амінів отримані синтетично.
Методи
одержання моносахаридів.
1. В природі вуглеводів
утворюються в рослинах із діоксину вуглецю, який вони поглинають з повітря.
Вони є результатом фотосинтезу – ряд багатьох дуже складних реакцій які
протікають в рослинах під впливом енергії сонця при каталітичній дії хлорофілу
(зеленої речовини рослин) та каротиноїдів. Фотосинтез рослин можна представити
сумарним рівнянням:
nCO2 + mH2O → CnH2mOm + nO2
В тваринні організми
вуглеводи потрапляють з їжею, головним чином рослинного походження. Важливе
джерело одержання моносахаридів є природні полісахариди. При їх гідролізі в
присутності мінеральних кислот утворюються різні гексози та пентози. Деякі
моносахариди зустрічаються в природі у вільному стані (наприклад, D-глюкоза та D-фруктоза містяться в соках різних
фруктів, овочів, ягід, входять до складу меду).
Здійснені й різні способи
синтетичного одержання моносахаридів:
Окислення багатоатомних
спиртів.
При цьому одержують суміш
альдоз (при окисленні первинних спиртових груп) та кетоз (при окисленні
вторинних).
Хімічні
властивості моносахаридів.
1.Відновлення.
Моносахариди
відновлюються до багатоатомних спиртів гідрогеном в присутності каталізатора:
D-глюкоза D-сорбітол
При відновленні глюкози
воднем при наявності каталізатора утворюється шестиатомний спирт — D-сорбітол:
Сорбітол вперше був виділений з плодів горобини.
•
Приблизно в два рази менш солодкий, ніж сахароза.
•
Не підвищує вмісту глюкози в крові, тому його використовують
як замінник сахарози в харчуванні людей, хворих на цукровий діабет.
•
Використовують для виробництва аскорбінової кислоти (вітаміну
С).
2. Окиснення.
Усі моносахариди
легко окиснюються. При цьому залежно від характеру окиснювача можуть
утворюватися одноосновні (альдонові) або двохосновні (сахарні) кислоти.
а) М'які окиснювачі, наприклад, бромна вода, при
кімнатній температурі окиснюють тільки альдегідну групу моносахариду.
D-глюкоза за таких умов
окиснюється до D-глюконової кислоти, кальцієва сіль якої — глюконат кальцію —
використовується в медицині.
б) У лужному середовищі
окиснення моносахаридів відбувається з розщепленням їх вуглецевого ланцюга.
Утворюються продукти, які виявляють сильні відновні властивості. Слабкі
окиснювачі, як оксид срібла Ag2O, гідроксид міді Сu(ОН)2, реактив Фелінга
при легкому нагріванні з альдозами відновлюються до металічного срібла і
оксиду міді (I).
Розчини моносахаридів мають відновні властивості. Сильні окиснювачі, наприклад,
концентрована НNO3, крім альдегідної групи окиснюють також первинну спиртову
групу моносахаридів і перетворюють їх на двохосновні сахарні кислоти.
При окисненні слабким
окисником в нейтральному або слабоко-кислому середовищі у альдогексоз
окиснюється лише альдегідна група, що приводить до утворення альдонових кислот.
Дана реакція може використовуватись як якісна для виявлення альдегідоспиртів в
присутності кетоспиртів. Глюконова кислота є природним продуктом обміну
речовин, а її сіль - глюконат кальцію застосовується як медичний препарат.
При дії енергійного
окисника в кислому середовищі (концентрованої азотної кислоти) одночасно з
альдегідною групою окиснюється також первинна гідроксильна група на
протилежному кінці вуглецевого ланцюга і утворюється альдарова кислота.
В певних умовах, зокрема
при дії ферментів в організмі, альдогексози окиснюються до уронових кислот:
У більшості хребетних
зв’язування (кон’югація) з глюкуроновою кислотою є найбільш важливим шляхом
знешкодження токсичних речовин.
Важливими продуктами
окиснення похідних моносахаридів в організмі є сіалові кислоти: мурамова і
нейрамінова, які містять дев’ять атомів карбону:
Окиснення моносахаридів
аміачним розчином оксиду аргентум або гідроксидом купрум при нагріванні
відбувається дуже легко. При цьому в лужному середовищі вуглецевий ланцюг
частково руйнується. Тому ці реакції властиві не лише для альдоз, але і для
кетоз.
3. Взаємодія із спиртами.
Хімічні
властивості циклічної форми моносахариду в першу чергу визначаються наявністю
глікозидного гідроксилу. Цей гідроксил виявляє набагато більшу реакційну
здатність, ніж інші гідроксили.
Тому із спиртами реагує тільки глікозидний гідроксил моносахаридів,
інші гідроксили за цих умов у реакцію не
вступають. У результаті реакції утворюються ацеталі - прості ефіри
моносахаридів, які називаються глікозидами
Моносахариди, як
багатоатомні спирти, утворюють розчинні комплекси з гідроксидами кальцію і
купрум. За рахунок гідроксильних груп моносахариди утворюють сполуки типу
етерів, причому глікозидний гідроксил відрізняється від інших вищою реакційною
здатністю. Похідні, в яких гідроген в глікозидному гідроксилі заміщений на
радикал, називають глікозидами:
На
відміну від етерів глікозиди легко гідролізуються в присутності кислот або
ферментів.
Глікозиди часто
зустрічаються в живій природі. Це високоактивні речовини. До них належать
рослинний індикан, з якого вироблявся фарбник індиго, дигитоксин, який
використовується для стимуляції серцевого м'яза, антибіотики, такі як
стрептоміцин, цереброзиди нервової тканини тварин. Глікозидний зв’язок існує і
в нуклеотидах між залишками пентози і азотистої основи.
В жорстких умовах етери
утворюють і спиртові гідроксильні групи. Ці зв’язки більш міцні.
Моносахариди
здатні утворювати естери. В живих системах моносахариди та їх похідні функціонують
у вигляді неповних фосфорнокислих естерів, наприклад:
При взаємодії
моносахаридів з амінами гідроксил заміщується на аміногрупу. Так, вище згаданий
зв’язок в нуклеотидах є N-глікозидним. В природних вуглеводах поширені
2-амінопохідні гексоз та їх N-ацетилпохідні, наприклад:
Карбонільні групи
ланцюгових форм моносахаридів вступають без участі каталізаторів
(неферментативно) в реакції з аміногрупами білків. Цей процес відбувається в
декілька стадій і приводить до утворення продуктів з характерним кольором
смаженого м'яса, названих продуктами Майара на честь біохіміка, який відкрив їх
у 1912 р. Процеси глікозування приводять у хворих діабетом до порушення
згортання крові, еластичності сполучної тканини та багатьох інших функцій.
Завдяки продуктам Майара шкіра діабетиків та людей похилого віку має буруватий
відтінок. Вони утворюють скоринку при смаженні.
Кетози відрізняють від
альдоз за допомогою реакції Селіванова, в якій вони значно швидше від альдоз в
кислому середовищі утворюють з резорцином забарвлені в рожево-червоний колір
продукти. До речі, проміжний продукт цього процесу - фурфурол, або його
похідні, зумовлюють характерний аромат свіжовипеченого хліба:
Моносахариди та їх
похідні виконують важливі біологічні функції. Це перші органічні речовини, які
утворюються з вуглекислого газу в процесі фотосинтезу. Вони використовуються як
найбільш мобільне джерело енергії, так як легко вступають в окисно-відновні
перетворення. При повному окисненні
Олігосахариди
- молекули яких містять від 2 до 10 залишків моносахаридів, які сполучені
глікозидними зв’язком. Розрізняють дисахариди, три…
Дисахариди
Найбільше
значення в харчуванні людини мають дисахариди - сахароза, лактоза і мальтоза. До складу всіх три входить глюкоза в
комбінації з однією з молекул - фруктози, галактозы або глюкози.
Дисахариди – складні вуглеводи, кожна молекула
яких при гідролізі розпадається на дві молекули
моносахаридів.
Вони поділяються на дві групи - відновлюючі та невідновлюючі
залежно від способу сполучення двох залишків моносахаридів між собою. Відновлюючі проявляють окисно-відновні
властивості. Дисахарид може утворювати відкриту форму, яка містить карбонільну
групу, і вступати в окисно-відновні реакції.
Сахароза (тростинний
або буряковий цукор) складається з глюкози і фруктоза, яка і утворюється при її
гідролізі. Цей дисахарид
складається із залишків D-глюкози і D-фруктози, сполучених зв'язком 1®2.
Сахароза - найбільш відомий і широко вживаний в
живленні і харчовій промисловості звичайний цукор. У цукровому бурякові
міститься від 15 до 22% сахарози, в цукровому очереті - 12-15%. Це головні джерела
її промислового отримання. Оскільки цукровий очерет і цукровий буряк
накопичують більшу кількість енергії на одиницю площі зростання, чим будь-яка
інша рослина, то цукор є одним з найбільш дешевих джерел енергії в їжі людини.
Сахароза, внаслідок своєї
хімічної інертності, накопичується у великих кількостях в багатьох рослинах і
служить в них формою транспорту. Найбільше її міститься в цукровому буряку і
тростині. Невідновлюючий дисахарид трегалоза міститься в клітинних стінках спор
і бактерій і забезпечує їх гідратований стан, що сприяє виживанню в
екстремальних умовах.
Невідновлюючі дисахариди:
Мальтоза (солодовий цукор) складається з двух залишків
глюкози. Мальтоза міститься в пророслому зерні і особливо у великих кількостях
- в солоді і солодових екстрактах. При виробництві пива відбувається
зброджування мальтози в етиловий спирт. Мальтоза - один з основних компонентів
крохмальної патоки, широко використовуваної в харчовій промисловості. Вона є проміжним продуктом обміну
полісахаридів крохмалю та глікогену.
Відновлюючі
дисахариди:
Дисахариди,
які не мають вільної глікозидної групи, а отже і не проявляють окисно-відновних
властивостей. Їх називають невідновлюючими. Живими організмами вони
використовуються як невеликі гідрофільні і хімічно стійкі молекули. Вони
зв’язують воду, легко в ній розчиняються і, при цьому, хімічно не змінюються.
Лактоза (молочний цукор) складається із залишків галактози і глюкози. Лактозу
отримують з молочної сироватки - відходу при виробництві масла і сиру. У коров'ячому
молоці міститься 4,6% лактози. Лактоза не бере участь в спиртному бродінні, але
під впливом молочнокислих дріжджів піддається гідролізу з подальшим
зброджуванням моносахаридів, що утворилися, в молочну кислоту (молочнокисле
бродіння). Лактоза сприяє всмоктуванню кальцію і шлунково-кишковому тракті.
Лактоза, яка утворюється із залишків галактози
і глюкози із зв'язком b-1®4 між
ними, міститься у молоці ссавців (2 - 6 %). Лактоза
міститься у молоці та молочних продуктах, що складає 1/3 сухих речовин.
Гідроліз лактози в кишечнику відбувається повільно, обмежуються процеси
бродіння та нормалізується діяльність кишкової мікрофлори. Крім того, наявність
лактози в КШТ сприяє розвитку молочнокислих бактерій, які є антагоністами
патогенної мікрофлори, гнилісних мікро організмів.
Деякі
люди не можуть вживати молоко із-за непереносимості лактози, тому що в
кишечнику у них відсутній фермент лактаза, що розщеплює лактозу на глюкозу і
галактозу. Особливо часто це спостерігається у жителів Азії, Африки і Близького
Сходу. Національні кухні азіатських народів не мають молочних блюд або блюд,
підготовлюваних з молоком. Непереносимість лактози зустрічається також серед
дорослих європейців. Нерозщеплена лактоза потрапляє в товстий кишечник, де за
участю бактерій відбувається її окислення з виділенням великої кількості газів
і продуктів окислення. При цьому наголошуються дискомфорт, метеоризм, спазми і
болі в животі, спостерігається пронос. Уникнути явищ, пов'язаних з
непереносимістю лактози, дозволяють кисломолочні продукти (кисле молоко, кефір,
йогурт, ацидофілін, ряжанка), в яких лактоза вже частково переварена
молочнокислими бактеріями.
Складні вуглеводи. Полісахариди.
За
будовою:
·
Гомополісахариди, складаються
з моносахаридних залишків одного типу;
·
Гетерополісахариди, для яких характерна наявність двох або
більше типів мономерних ланок.
·
За
функціональним значенням:
·
Структурні – целюлоза.
·
Резервні – глікоген, крохмаль.
Складні вуглеводи, або полісахариди, розділяють на
групу засвоєних крохмальних полісахаридів і групу некрохмальних незасвоєних
полісахаридів, або харчових волокон.
Полісахариди, що засвоюються
Крохмаль - резервний
полісахарид, головний компонент зерна і продуктів його переробки, картоплі і
овочів. Це найбільш важливий по своїй харчовій цінності вуглевод їжі. Крохмалем
є суміш полімерів двох типів, побудованих із залишків глюкози: амілози і
амілопектину.
Це
полімер, утворений a-D-глюкопіранозою. Крохмаль
складається з двох фракцій - амілози і амілопектину. Амілоза, на долю якої припадає біля 25% крохмалю, має молекулярну
масу від 30 тис. до 500 тис. і утворює нерозгалужені ланцюги із зв'язками a-1®4:
Довгі ланцюги амілози
укладаються у спіраль, на кожен виток якої припадає по 6-7 ланок.
Якісною
реакцією на амілозу є взаємодія в розчині з йодом, молекули якого поміщаються у
витках спіралі з утворенням комплексу синьо-фіолетового кольору. При нагріванні
слабкі взаємодії комплексу руйнуються, спіраль розкручується і забарвлення
зникає, а при охолодженні структура відтворюється і забарвлення з'являється
знову.
Амілопектин, на долю якого припадає біля 75 % маси крохмалю, має
молекулярну масу від 100 тис. до 1 млн. і,
на відміну від амілози, - розгалужену будову із додатковими зв'язками a-1®6 в
точках галуження: 
Точки галуження в
амілопектині знаходяться через 20-30 ланок.
До високо крохмальних
овочів належать картопля, батат, пастернак. При гідролізі амілоза і амілопектин
утворюють коротші фрагменти – декстрини - корисний полісахарид, який н-д
накопичує кукурудза цукрова. Ця речовина розчинна у воді і легко засвоюється
організмом. Амілопектин і декстрини з йодом дають червоно-фіолетове
забарвлення.
В рослинах,
багатоклітинних водоростях, бактеріях існують інші резервні полісахариди,
побудовані за подібним планом, наприклад інулін,
який складається із залишків фруктози. Інуліноподібні речовини накопичуються в
артишоку, вівсяному корені, скорцонері, цикорних салатах, топінамбурі, часнику
та стахісі. Крохмаль та інулін під дією ферментів слини та шлунку
перетворюється на глюкозу. Застосування цих овочів дуже важливе у
профілактичному та лікувальному харчуванні людей із цукровим діабетом.
Під
дією травних ферментів крохмаль не піддається гідролизу. В ході гідролізу послідовно здійснюється деполімеризація крохмалю з
утворенням декстрину, потім мальтози, а при повному гідролізі - глюкози.
Гідроліз крохмалю відбувається при отриманні багатьох харчових продуктів -
патоки, глюкози, хлібобулочних виробів, спирту і так далі
Крохмаль
сирих продуктів перетравлюється важко, оскільки знаходиться усередині рослинних
клітин, що мають міцні стінки. При нагріванні у воді (приготування їжі)
клітинні стінки розриваються набухаючим крохмалем, і він стає доступним травним
ферментам.
Глікоген (тваринний крохмаль) також складається із залишків глюкози.
У тварин формою
відкладення поживних речовин є глікоген. Особливо багато його в печінці (до
15%) та м’язах (2 – 4%). Молекули глікогену нагадують за будовою амілопектин, але
ще більш розгалужені. На схемі показано, що розгалужений полісахарид має один
редукуючий кінець (1), кілька нередукуючих (2). Точки галуження (3) в глікогені
розташовані через кожні 10-15 ланок:
Молекулярна маса
глікогену становить від 270 тис. до 10 млн. Його зерна в тваринних тканинах
значно менші, ніж у крохмалю. Тому він легко утворює колоїдний розчин, який з
йодом дає червоно-фіолетове забарвлення.
Глікоген - важливий запасний енергетичний
матеріал організму тварин і людини, що відкладається в печінці і м'язах. При
необхідності крохмаль перетворюється на глюкозу. У організмі дорослої людини
може запасатися близько
У
м'ясі і печінці як продуктах не міститься глікоген, оскільки він перетворюється
на молочну кислоту в процесі забою тварин і зберігання продуктів.
Останніми
роками все більш широке застосування в харчовій промисловості знаходять модифіковані
крохмалі, властивості яких в результаті різноманітних
видів дії (фізичного, хімічного, біологічного) відрізняються від властивостей
натурального крохмалю харчових продуктів. Модифікація крохмалю дозволяє істотно
змінити його властивості (гідрофільність, здатність до клейстеризації,
гелеутворення), а отже, і його використання. Модифіковані крохмалі знайшли
застосування в хлібопекарській і кондитерській промисловості, зокрема для
отримання безбілкових продуктів харчування.
Некрохмальні полісахариди
Існує
група полісахаридів, відмінних від крохмалю, які не перетравлюються травними
ферментами і не засвоюються. У фізіологічному сенсі вони об'єднуються в групу харчових волокон.
Клітковина
(целюлоза) - найпоширеніший високомолекулярний
некрохмальний полісахарид. Це основний компонент і опорний матеріал клітинних
стінок рослин. Клітковина нерозчинна у воді і в звичайних умовах не піддається
гідролізу кислотами.
Целюлоза (клітковина), як і крохмаль чи
глікоген, складається з ланок глюкози, однак, на відміну від них, містить
залишки b-D-глюкопіранози. Тому, при утворенні зв'язків 1®4 між
ланками, вони повертаються по відношенню одна до другої на 180°, як ми це
бачили на прикладі целобіози. Наявність b-(1®4) зв'язків у молекулі полімеру і
визначає принципову відмінність його властивостей та функцій від резервних
полісахаридів:
Целюлоза має молекулярну
масу від 100 тис. до 1 млн. Вона не розчиняється у воді. Завдяки своїй
стійкості це найбільш поширений в світі біополімер.
Целюлоза
виконує структурну функцію в рослинному світі – основна складова частина
оболонок рослинних клітин. Деревина на 50% складається з целюлози, а льон,
вовна - це майже чиста целюлоза.
Крім целюлози відомі і
інші структурні полісахариди. Міцні нерозчинні панцири багатьох комах,
ракоподібних утворені хітином, який є полімером N-ацетил-D-глюкозаміну із
зв’язками b-(1®4) між ланками:
В плодах рожкового дерева
(каратах) міститься полігалактоманан, який зумовлює їх виняткову твердість і
постійність маси (0,2 г), з чим пов’язане використання у давнину каратів
як міри цих якостей.
Складну будову має
структурний полісахарид стінок бактерій муреїн. В його молекулі чергуються
залишки N-ацетил-D-глюкозаміну (Х) і N-ацетилмурамової кислоти (Y), з’єднаної з тетрапептидом (1). Між
собою залишки сполучаються b(1®4)-зв’язками. Ланцюги з’єднуються між
собою за допомогою поперечних пентапептидних зшивок (2):
При дії пеніциліну
формування цих зшивок порушується, що робить клітинну стінку неповноцінною.
Геміцеллюлози
- це група високомолекулярних полісахаридів, утворюючих спільно з целюлозою
клітинні стінки рослинних тканин. Присутні в оболонках зерна, кукурудзяних
качанах, соняшниковому лушпинні. Вони розчиняються в лужних розчинах і
піддаються гідролізу під дією кислот легше, ніж целюлоза.
До
геміцеллюлоз іноді відносять агар (суміш агарози
і агаропектину) - полісахарид, присутній у водоростях і вживаний в
кондитерській промисловості.
Пектини
- група високомолекулярних полісахаридів,
що входять до складу клітинних стінок і міжклітинних утворень рослин разом з
целюлозою, гемицеллюлозой, лігніном.
Міститься також в клітинному соку. Найбільша кількість пектинових речовин
знаходиться в плодах і коренеплодах. Отримують пектини з яблучних вичавків,
буряка, кошиків соняшнику, цитрусових. Розрізняють нерозчинні пектини
(протопектин), які входять до складу первинної клітинної стінки і міжклітинної
речовини, і розчинні, такі, що містяться в клітинному соку.
При
дозріванні і зберіганні плодів нерозчинні форми пектину переходять в розчинні,
з цим пов'язано розм'якшення плодів при дозріванні і зберіганні. Перехід
нерозчинних форм пектину в розчинних відбувається при тепловій обробці
рослинних продуктів.
Пектинові
речовини здатні утворювати гелі у присутності кислоти і цукру, на чому
засновано використання пектину як студнеобразующего речовина для
виробництва мармеладу, пастили, желе і джемів, а також в хлібопеченні,
сироварінні.
Некрохмальні
полісахариди не перетравлюються ферментами, які знаходяться в
шлунково-кишковому тракті. Проте смороду розглядаються не як баластні і даремні
речовини їжі, а як що мають важливе значення для нормальної функції
шлунково-кишкового тракту і профілактики багатьох захворювань людини.
Камеді. Речовини або суміші речовин вуглеводного характеру. Фруктові дерева у
місці пошкодження кори виділяють камбіальний сік, з якого під дією світла,
повітря та бактерій утворюються клеєподібні речовини — камеді. Камеді при
розчиненні у воді утворюють дуже в'язкі та клейкі розчини; камеді тропічної акації
— гуміарабік — застосовують як клей. Згущувачі,
стабілізатори, желе утворюючі речовини
Слизи - дуже важлива група полісахаридів, джерелом є Овочі. Ці речовини мають рослинне, тваринне та мікробіологічне походження. У воді легко утворюють в’язкі розчини. Слизи рослин — це клеєподібні речовини, що містяться у насінні злаків, бобових, масляних та інших рослин. За хімічним складом та будовою нагадують камеді. Багато слизів містять зерна жита та льону, звідки їх екстрагують водою. Слизи дуже набухають у воді і утворюють в'язкі розчини. Слиз овочевих рослин — гідрофільні полісахариди, які накопичуються в насінні, корінцях та інших продуктових органах у слизових ходах. За хімічним складом нейтральний слиз подібний до геміцелюлози, а кислий — до камеді. Слиз відіграє важливу роль під час набухання та проростання насіння. Наприклад, уже через декілька годин посіяне насіння кавуна покривається слизовою оболонкою і для такої насінини уже не страшні різкі перепади вологості ґрунту. Найбільшим шаром слизу покривається насіння васильків (базиліку), льону та подорожнику, що навіть перешкоджає висіванню намоченого насіння. Овочеві рослини з великою кількістю слизу дуже корисні для приготування дієтичних страв, які лікують гастрити та виразки шлунку. Такі овочі дає бамія (окра, гомбо) з родини Мальвові. Користь цього продукту добре розумів видатний російський письменник та лікар А.Чехов і тому він завіз бамію з середземноморських країн. Великі слизисті оболонки навколо насіння утворює кавун слизистонасінний та момордіка.
Пектинові речовини знаходяться
в харчових продуктах, н-д фрукти, овочі. Назва походить від гр.» пектос» -
желированний, застивший. Завдяки властивості утв. желеподібні продукти
використовується під час виробництва конд.виробів, фруктових желе, мармелад,
джемів. Пектин входить до групи харчових волокон, має детоксикуючі властивості
- дуже цікаву фізіологічну особливість — набухають, зв’язують іони важких
металів, радіонуклідів і виводять їх з організму. Ці властивості пектину надають
можливість використовувати їх як цінну добавку під час виробництва харчових
продуктів лікувально-профілактичного призначення. Для сучасних умов забруднення
оточуючого середовища та їжі — це чудове багатство овочів! Профілактична норма
пектину для пересічного мешканця України повинна становити 2—4 г на добу, а в
важких умовах забруднення — до 10
г .
Глікозиди: (від грец.
γλυκύς- солодкий та είδο -
вигляд) - продукти конденсації циклічних форм вуглеводів (моно- або олігосахаридів) та компонента невуглеводної
природи (аглікону), яким можуть бути стероїди, феноли або алкалоїди. Специфічна дія глікозиду зумовлена типом аглікону. Це здебільшого кристалічні сполуки,
майже завжди гіркі на смак, мають специфіч. запах. Особливо багаті на глікозиди
рослини, але виявлені вони і в opганізмах тварин. Беруть участь у процесах
обміну речовин.
Найважливіші глікозиди:
амігдалін, який міститься
в листках і кісточках гіркого мигдалю, абрикоса, персика, сливи;
синігрин - у гірчиці та
хроні;
соланін - у картоплі, та антоціани — барвні речовини рослин.
До групи глікозидів в
організмі тварин і людини належать цереброзиди мозку і нуклеозиди. Деякі глікозиди (стрептоміцин, азонін, строфантин) застосовують
у медицині.
Гетерополісахариди — полімери, побудовані з
великої кількості різних моносахаридних одиниць та їх
похідних. У біохімії та
фізіології людини і тварин найбільше значення мають гетерополісахариди
глікозамінглікани.
Глікозамінглікани — гетерополісахариди,
побудовані з дисахаридних залишків які повторюються. Моносахаридними
компонентами дисахаридних залишкі глікозамінгліканів є найчастіше гексуронові
кислоти (глюкуронован або іноді ідуронова тощо)та N-ацетилпохідні гексозамінів
(глюкозаміну, галактозаміну).
До глікозамінгліканів належать численні тваринні біополімери, що складають
міжклітинний матрикс сполучної тканини, який заповнює простір між окремими
клітинами. Застаріла назва цих сполук — мукополісахариди — вказує, що
сполук даного класу були вперше виділені з муцину— компоненту слизів, що
є змазуючою речовиною, яка виконує функцію фізіологічного мастила. Найбільш
вивченими гліюзамінгліканами є гіалуронова
кислота, хондроїтинсульфати, дерматансульфати, кератансульфати,
гепарансульфати, які входять до складу шкіри, сухожиль, хрящ суглобів,
забезпечуючи механічну міцність та пружність органів, еластичність іх
сполучень. Глікозамінглікан
гепарин є природним антикоагулянтом.
Глікозамінглікани
є поліаніонними молекулами. Щонайменше один із моносахаридних компонентів у молекулах глікозамінгліканів несе кислотне угруповання -
карбоксильну або сульфатну групу, що забезпечує їх високу гідрофільність, тобто
здатність утримувати в біологічних тканинах значну кількість води.
Усі глікозамінглікани виконують свої біохімічні
та фізіологічні функції будучи зв"язаними з білками. Ковалентні
комплекси глікозамінгліканів сполучної тканини (гіалуронової кислоти,
хондроїтинсульфатів тощо) з білками отримали назву - протеогчіканів, що є представниками мішаних біополімерів (глікокон"югатів).
. Структурні компоненти
глікозамінгліканів
|
Глікозамінглікан
|
Склад
дисахаридної одиниці |
|
Гіалуронова кислота |
D-глюкуронат + N-ацетилглюкозамін |
|
Хондроїтинсульфати |
D-глюкуронат + N-ацетилгалактозамінсульфат
|
|
Дерматансульфати |
D-ідуронат +
N-ацетилгалактозамінсульфат (або D-глюкуронат) |
|
Кератансульфати |
D-галактоза +
N-ацетилглюкозамінсульфат |
|
Гепарансульфати та Гепарин |
D-глюкуронат +
N-ацетилглюкозамінсульфат(або D-ідуронат) |
Найбільше значення мають кислі ГАГ: гіалуронова і
хондроітинсульфатна кислоти і гепарин.
Гіалуронова кислота. Молекула цього
гетерополісахариду побудована з великої кількості залишків глюкуронової кислоти
і N-ацетилглюкозаміну
в співвідношенні 1:1, зв"язаних між собою 1,3-глікозидними зв"язками,
тобто структурною одиницею гіалуронової кислоти є дисахарид, який складається
з глюкуронової кислоти і N-ацетилглюкозаміну:
Ці фрагменти, з"єднуючись один з одним зв"язком 1,4, утворюють
високомолекулярну молекулу гіалуронової кислоти лінійної будови з молекулярною
масою від 270 до 500 тис.
Ця
кислота поширена в тканинах і органах людини і тварин. Особливо багато її в
склоподібному тілі ока, сухожиллях, синовіальній рідині
суглобів. Вона входить до складу оболонки клітин, зокрема жіночої статевої
клітини - яйцеклітини. Тому проникнення в яйцеклітину,а
отже і запліднення її можливе лише у випадку розщеплення гіалуронової кислоти.
Таку здатність має чоловіча статева клітина - сперматозоїд, який містить фермент гіалуронідазу (гіалуронат-ліазу), за
допомогою якого і руйнується оболонка.
Гіалуронова кислота здатна зв"язувати
воду і тим самим утримувати її в міжклітинному просторі. Вона надає також синовіальній
рідині мастильні властивості, зменшуючи тертя при згинанні суглобів.
Гіалуронова кислота входить до складу основної речовини сполучної тканини,
надаючи їй високу міцність і захисні властивості, оскільки одним із механізмів
проникнення бактерій в організм людини або тварин є розщеплення бактеріальними
ферментами гіалуронової кислоти клітинної оболонки. Це спостерігається також
при дії на організм різних фізичних чинників, наприклад, радіоактивного
випромінювання. У результаті посилюється розщеплення гіалуронової кислоти, що
веде до підвищення проникності тканин і зниження опірності органі .
Хондроїтинсульфатна кислота також є гетерополісахаридом.
Молекула її побудована з фрагментів глюкуронової кислоти і
N-ацетилгалактозамінсульфату, сполучених між собою 1,3-глікозидними зв"язками:
Такі фрагменти, так само як і в гіалуроновій кислоті, з"єднуються між
собою 1,4-зв"язками,
створюючи молекулу хондроїтинсульфатної кислоти з молекулярною масою 50-100
тис.
Хондроїтинсульфатна кислота - обов"язкова
складова частина хрящів (до 40% у перерахунку на суху масу), кісток, основної
речовини сполучної тканини, серцевих клапанів, стінок кровоносних судин, шкіри
й ін., тобто в організмі вона виконує опорні функції. Крім того, хондроїтинсульфатна
кислота бере участь в іонному обміні і регуляції надходження в клітину поживних
речовин.
Гепарин - кислий
гетерополісахарид, що складається із залишків глюкуронової кислоти і
глюкозаміну, із молекулярною масою до 20 000. Він міститься у різних
органах і тканинах тварин. Особливо багато його в печінці (до 100 мг на
Гепарин є потужним антикоагулянтом, у мізерно малих
кількостях запобігає зсіданню крові. Його використовують у медицині для профілактики і лікування тромбозів, а також як стабілізатор
крові при її збереженні і переливанні.
Кератансульфати (англ.
keratan sulfate, KS) - полімерні сульфатовані
глікозаміноглікани. Містяться в кістковій
і хрящовій тканини, рогівці.
Глікановий ланцюг кератансульфатів являє собою сульфований по оксиметильній
групі полі-N-ацетиллактозамін.
Одним кінцем глікановий ланцюг пов'язаний з
білком, який називають основним; він
зазвичай є частиною клітинної
поверхні або компонентом позаклітинного матриксу.
За типом зв'язку з білком кератансульфати діляться на два типи: кератансульфати
I типу, що утворюють N-глікозільний зв'язок з аспарагіновим залишком білка (N-глікани), і
кератинсульфати II типу, що утворюють O-глікозильного зв'язок з сериновим або
треоніновим залишками білка (O-глікани ).
У різних тканинах описано безліч основних білків, до яких приєднується кератансульфати;
подібне об'єднання білка з ланцюжком глікозаміноглікану називають протеогліканами. Вперше кератансульфат був
виділений в 1939 році з
екстрактів рогівки. На початку
1950х років було вивчено його хімічну будову, і
один з дослідників, Карл Мейер, назвав речовина
кератосульфат.
Подібно іншим глікозаміногліканам,
кератансульфат є лінійним полімером. Основна дисахаридна структура, складова
кератансульфатів:
[-3Galβ1-4GlcNAcβ1-]. На
відміну від інших глікозаміногліканів, до складу дисахаридної ланки у
кератансульфатів не належать уронові кислоти, їх місце займає D-галактоза.
Другим компонентом є N-ацетилглюкозамін.
Спочатку кератансульфати підрозділили на два класи за місцем виявлення в
організмі: клас I (KSI) знаходили в рогівці, клас II (KSII) - в хрящі. Було
відзначено, що рогівковий кератансульфат відрізняється від хрящового за
способом зв'язку з основним білком. Проте пізніше виявилося, що і в рогівці, і
в хрящі, і в інших тканинах зустрічаються обидва типи зв'язку, і тепер
кератансульфати класифікують не за локалізації, а саме за структурою зв'язку:
KSI зв'язаний через азот з аспарагіновоим залишком білка, KSII зв'язаний через
кисень з сериновим або треоніновим залишком. При аналізі протеогліканів мозку
відзначений третій тип з'єднання: KSIII, який зв'язується з основним білком
через манозу (KS-Man-O-Ser).У рогівці, за даними одного порівняльного
дослідження, міститься в 10 разів більше кератансульфатів, ніж в хрящі, і в 2-4
рази більше, ніж у будь-якій іншій тканині.
Дерматансульфат по розчинності
і ряду властивостей близький іншим хондроітінсульфатам.
Дерматансульфат являє собою ізомер хондроїтин-4 - сульфату,
до якого замість залишків D-глюкуронової кислоти входять залишки
L-ідуронової кислоти, однак абсолютна конфігурація зв'язків залишається тією
ж самою. Періодична ланка (43)
цього полісахариду відрізняється від повторюваної
ланки хондроітин-4-сульфату тільки конфігурацією
карбоксигрупи при С-5 у
кожному другій моносахаридній ланці. Несульфатована форма
дерматансульфата (ізомер хондроїтину і гіалуронової кислоти) і дерматан-6-сульфат
(ізомер хондроїтин-6-сульфату) в природі не виявлені, але це не виключає можливості
їх існування. Дерматан може бути отриманий хімічним
десульфуруванням дерматансульфата.
Отримання дерматансульфату
у великих масштабах проводиться з
легеневої тканини великої рогатої худоби, причому
вихідною сировиною служать залишкові розчинів одержувані
при промисловому виробництві гепарину. Про біологічну
роль дерматансульфату майже
нічого невідомо. Роль цього
глікозаміноглікану не може бути зведена тільки до стабілізації
колагенових волокон, так як дерматансульфат виявляється
і в тканинах ектодермального
походження, що не містять колагену.
Хондроітінсульфат В, або дерматансульфат,
спочатку був виділений зі шкіри свині, а потім
виявлений в сухожиллях, клапанах серця і аорті.
Він міститься також у селезінці, мозку, де становить 50% загальної
кількості кислих полісахаридів.
Вміст дерматансульфату, мабуть, збільшується з віком.
Хондроітинсульфат В XI, званий також
дерматансульфат І:
(3-гепарином, відрізняється від
хондроітинсульфатів А і С моносахаридним складом: замість D-глюкуронової кислоти він містить її епімер по С5 - L-ідуроноу кислоту;
в іншому будова хондроітінсульфата
В схожа з хондроітинсульфатом
А IX, що доведено
отриманням з цих двох
полісахаридів однієї і тієї ж 4 5-ненасиченої альдобіоуронової
кислоти. Остаточним доказом
присутності ідуронової кислоти
стало десульфатування дерматансульфату і відновлення карбоксильної групи, що призвело до утворення полімеру L-ідози tfD - галактозамін
(II), звідки було
виділено похідне ідози. Однак пізніше було виявлено в дерматансульфаті поряд
з ідуроновою кислотою малі кількості D-глюкуронової
кислоти. [
Вуглеводи в харчових
продуктах.
З точки зору харчової
цінності вуглеводи поділяють на
- ті, що
засвоюються: моно та олігосахариди.
- не засвоюються:
целюлоза, геміцелюлоза, інулін, пектин,
камеді, слизи.
В травному тракті
вуглеводи, які засвоюються – розщеплюються, всмоктується, а потім або
утилізуються (глюкоза) або перетворюються на жир, або відкладаються на тимчасове
зберігання (глікоген). Накопичення жиру особливо характерно під час надлишку в
дієті простих ВВ та відсутності витрати енергії. Засвоювані швидко
перетравлюються в шлунку. Це — моноцукри (глюкоза, галактоза, маноза, ксилоза,
фруктоза), дисахариди (цукроза, або сахароза, лактоза, мальтоза) та
α-глюканові полісахариди (крохмаль, декстрин і глікоген). Споживання
рафінованих вуглеводів призводить до однієї з найпоширеніших хвороб світу —
цукрового діабету, яку ще називають „хворобою кондитерів“.
Моносахариди та
олігосахариди потрапляють в організм людини з продуктами: кондвироби, напої,
морозиво. Беручи до уваги, що сахароза
сприяє зростанню вмісту в крові глюкози, конд.вироби є найменш цінними із
вуглеводневих продуктів.
Вуглеводи,
які не засвоюються в організмі людини не утилізуються, але вони досить важливі
для травлення і складають так звані харчові волокна (ХВ).
Роль
ХВ в травленні:
-
стимулюють моторну функцію кишечнику;
-
запобігають всмоктуванню холестерину;
-
позитивно впливають на нормалізацію складу мікрофлори
кишечнику, уповільнюють гнілістні процеси;
-
впливають на ліпідний обмін, порушення якого призводить до
ожиріння; адсорбують жовчні кислоти;
-
сприяють зниженню вмісту
та видалення токсичних речовин.
Серед незасвоюваних
вуглеводів важливе значення мають клітковина (целюлоза), геміцелюлоза,
протопектин, лігнін, пектини, слиз та камеді. Вони складають основу харчових
волокон. Клітковина і геміцелюлоза є структурними компонентами оболонки клітин.
Вони мають здатність зв’язувати воду (
При недостатній кількості
в їжі не засвоюваних вуглеводів спостерігається збільшення серцево-судинних
захв., злоякісних утворювань товстої кишки. Добова норма ХВ 20-25г. джерело ХВ:
пшеничні висівки, овочі, фрукти.
Функції
вуглеводів у харчових продуктах.
Гідрофільність – здатність зв’язувати воду і
контролювати активність води в харчових продуктах - одна із головних
властивостей вуглеводів, корисних для харчування. Гідрофільність обумовлена
наявністю багато чисельних ОН-груп. Ці групи взаємодіють з молекулою води, що
приводить до сольватації та розчиненню вуглеводів та інших їх полімерів.
Завдяки цій властивості вирішується питання потрібно лімітувати надходження
вологи чи контролювати її втрату. Н-д, заморожені пекарські продукти не повинні
містити великої кількості вологи, тому доцільно замість сахарози
використовувати мальтозу, лактозу. В інших випадках потрібний контроль активності води, щоб запобігти
втраті вологи під час зберігання . (це застосування гігроскопічних вуглеводів,
фруктових сиропів, інвертного цукру.)
Зв’язування ароматичних
речовин. Для більшості харчових
речовин, під час добування яких використовуються різні види сушіння, вуглеводи
є важливими компонентом, що сприяє збереженню кольору та летких ароматичних
речовин (АР), сутність цього пояснюється заміною взаємодії сахароз-вода на
взаємодію сахароза-ароматична речовина.
Сахароза-вода +
ароматична речовина + сахароза-ароматична речовин + вода.
Леткі АР – багато
чисельна група карбонільних сполук, похідних карбонових кислот. Здатність
зв’язувати ароматичних речовин більш виявляють дисахариди. Ефективним фіксатори
аромату є великі вуглеводневі молекули, гуміарабік. Утворюючи плівку навколо АР
він запобігає витрачанню вологи за рахунок випарування та хім. Окиснення. Також
фіксує аромати желатин.
Солодкість. Відчуття солодкого смаку під час
вживання вуглеводів характеризує ще одну важливу функцію їх в харчових
продуктах
Хоч вуглеводи не
належать до незамінних чинників харчового раціону, зниження їх споживання до
50-
Обмін
вуглеводів.
Вуглеводи надходять до
нас в організм у вигляді складних полісахаридів - крохмалю, дисахаридів і
моносахаридів. Основна кількість вуглеводів надходить у вигляді крохмалю.
Розщепившись до глюкози, вуглеводи всмоктуються й через ряд проміжних реакцій
розпадаються на вуглекислий газ і воду. Ці перетворення вуглеводів і остаточне
окислювання супроводжуються звільненням енергії, що і використовується
організмом. Розщеплення складних вуглеводів - крохмалю й солодового цукру,
починається вже в порожнині рота, де під впливом птіаліну й мальтози крохмаль
розщеплюється до глюкози. У тонких кишках всі вуглеводи розщеплюються до
моносахаридів.
В
результаті розщеплювання різних дисахаридов утворюються
три моносахариди — глюкоза, фруктоза і галактоза, які і
всмоктуються в КШ тракті. Вони поступають в
печінку, де фруктоза і галактоза
перетворюються на глюкозу, що накопичується у вигляді глікогену.
Глікоген — це не що інше, як скупчення молекул
глюкози, які хімічно з'єднуються між собою і у такому вигляді зберігаються в
організмі. Роль печінки у накопиченні вуглеводів встановив французький фізіолог
Клод Бернар. Він визначив вміст глюкози в крові, що входить в печінку і
виходить з неї після їди, і знайшов, що
концентрація цукру в крові, що притікає, набагато вища, ніж в тій, що
відтікала. Аналіз печінки показав, що одночасно з цим з'являється новий
глікоген. Пізніше печінка знову перетворює глікоген на глюкозу, і тоді
концентрація глюкози в крові, що відтікала, стає вищою, ніж в крові, що
притікає до печінки. Таким чином, Клод Бернар встановив, що печінка підтримує
концентрацію глюкози в крові на більш менш постійному рівні у будь-який час
доби.
Печінка
може містити достатній запас глікогену для постачання крові глюкозою протягом
12—24 година; після цього печінка для підтримки нормального рівня глюкози в
крові повинна перетворювати на глюкозу інші речовини, головним чином
амінокислоти. При достатньому надходженні в організм білків печінка здатна
перетворювати на глюкозу до 60 % амінокислот їжі. Оскільки глюкоза служить
основним джерелом енергії для всіх кліток, її вміст в крові повинен
підтримуватися вище певного мінімального рівня, що становить близько 60
міліграма на 100 мл крові. При падінні змісту
глюкози нижче за цей рівень першим починає страждати головний мозок, оскільки
його клітини на відміну від більшості інших клітин організму не здатні запасати
скільки-небудь істотні кількості глюкози і не можуть використовувати як джерела
енергії жири і амінокислоти. Коли рівень глюкози у крові низький, дифузія цієї
речовини з крові в клітини, де вона піддається окисленню, відбувається
недостатньо швидко, щоб забезпечити мозок необхідним «паливом». Це приводить до
симптомів, схожих на ті, які спостерігаються при недоліку кисню: до
запоморочення свідомості, судом, втрати свідомості і смерті. Всякий раз, коли
клітини головного мозку (або будь-які інші клітки) виявляються позбавленими
глюкози або кисню, вони не можуть здійснювати процеси обміну, що доставляють
енергію для нормального функціонування цих кліток. Решта тканин зазвичай теж
отримує для цієї мети глюкозу з крові, але вони здатні у разі потреби
використовувати і інші речовини. М'язові клітини, подібно до клітин печінки,
також можуть перетворювати глюкозу на резервний глікоген, але глікоген м'язів
служить тільки місцевим запасом «палива»: він витрачається для м'язової роботи,
але не може бути використаний для регулювання рівня глюкози в крові. У печінці
міститься фермент — глю-козо-6-фосфатаза,
перетворюючий глюкозо-6-фо-сфат у вільну
глюкозу, що поступає в кров. У м'язових клітках цей фермент відсутній. Глюкоза
не тільки накопичується у вигляді глікогену або окислюється для отримання
енергії, але і може бути перетворена на резервний жир. Коли надходження глюкози
перевищує безпосередню потребу в цій речовині, печінка перетворює глюкозу на
жир, який може бути використаний як джерело енергії коли-небудь потім. Давно
відомо, що споживання великих кількостей крохмалю або дисахаридів сприяє
відкладенню жиру; наприклад, згодовувавши великій рогатій худобі і свиням крохмаль
у вигляді кукурудзи і пшениці, людина отримує жири — вершкове масло і сало. Але
лише недавно завдяки використанню радіоактивних або стабільних ізотопів вдалося
точно показати, що певний вуглецевий або водневий атом, введений в організм у
складі вуглеводу, може бути виявлений у складі жирів адипозної (жирової)
тканини і печінці. Як гліцерин, так і жирні кислоти, що входять до складу
молекули ліпідів, можуть синтезуватися з вуглецевого ланцюга глюкози. Функція
печінки у вуглеводному обміні регулюється складною взаємодією чотирьох
гормонів, що виробляються відповідно підшлунковою залозою, мозковою речовиною
наднирків, корою наднирків і гіпофізом.
Перетворення
вуглеводів під час виробництва харчових продуктів:
Реакції утворення коричневих продуктів. Під час смаження овочів на поверхні
утворюється рум’яна кірочка внаслідок декстринізації (розщеплювання) крохмалю,
карамелізації (глибокого розщеплювання) вуглеводів і меланоїдових утворень.
Крохмаль розщеплюється з
утворенням розчинних у воді речовин – піродекстринів коричневого кольору,
вуглеводи – з утворенням темнозабарвлених речовин – Меланіни (темнозабарвлені
речовини) утворюються внаслідок сполучення азотистих речовин з цурками.
Внаслідок карамелізації кількість цукру в овочах зменшується, а на поверхні
утворюється добре підсмажена кірочка. Потемніння харчових продуктів
відбувається в результаті реакцій окиснення і не окиснення. Окислювальне або
ферментативне потемніння – це реакція між фенольним субстратом та киснем, що
каталізується ферментом поліфенолоксидазою. Потемніння на зрізах яблук, груш,
бананів – не пов’язано з вуглеводами. Неокислювальне або не ферментативне
потемніння в харчових продуктах відбувається достатньо поширено. Це явище
пов’язано з реакціями вуглеводів – карамелізація та взаємодією вуглеводів з
білками або амінами – реакція Майяра
У
сирих овочах клітини рослинної тканини зв’язані між собою протопектином, який при тепловій
обробці переходить у розчинну речовину – пектин.
При цьому зв’язок між клітинами послаблюється й овочі розм’якшуються.
Тривалість теплової обробки овочів залежить від стійкості протопектину, а також
навколишнього середовища. Так, наприклад, у кислому середовищі і середовищі з
великою кількістю солей кальцію перехід протопектину в пектин сповільнюється і
овочі погано розм’якшуються. Овочі краще варити у м’якій воді, яка містить
незначну кількість солей кальцію.
Гідроліз вуглеводів. Гідроліз має важливе значення не тільки для процесів
одержання харчових продуктів, а також і для процесів зберігання. В останньому
випадку реакції гідролізу викликають небажані зміни кольору або у випадку
полісахаридів приводять до недієздатності утворювати гелі (драглі).
Процеси глікозування.
Карбонільні групи ланцюгових форм моносахаридів вступають без участі
каталізаторів (неферментативно) в реакції з аміногрупами білків. Цей процес
відбувається в декілька стадій і приводить до утворення продуктів з характерним
кольором смаженого м'яса, названих продуктами Майара на честь біохіміка, який
відкрив їх у 1912 р. Процеси глікозування приводять у хворих діабетом до
порушення згортання крові, еластичності сполучної тканини та багатьох інших
функцій. Завдяки продуктам Майара шкіра діабетиків та людей похилого віку має
буруватий відтінок. Вони утворюють скоринку при смаженні.
Процеси бродіння – процес, який
використовується в харчових технологіях при виробництві хліба, пива, квасу,
спирту, вина та інших продуктів
Спиртове
бродіння
Бродіння під впливом
дріжджових грибів. Так добувають етиловий спирт і спирти з великою
кількістю атомів вуглецю в молекулі (включаючи ізомери амілового спирту, або пентанолу, С5Н11ОН). Етиловий спирт
утворюється з вуглеводів (глюкози), а вищі спирти — з білків:
§
Молочнокисле із однієї молекули гексози - дві молекули молочної кислоти.
§
Відомі дві групи
молочнокислих бактерій.
Ø
У першу з них входять гомоферментативні бактерії, які
утворять тільки молочну кислоту.
Ø
Молочнокислі бактерії другої групи (гетероферментативні бактерії)
утворять, крім молочної, ще й оцтову кислоту, а також етиловий спирт (нерідко в
досить значних кількостях), вуглекислий газ, мурашину кислоту і деякі інші
продукти.
§
Співвідношення між цими продуктами залежить від багатьох умов
(температура, рН середовища і т.д.). Найчастіше це обумовлено спільною
діяльністю молочнокислих бактерій із дріжджами. Такого роду спільні «закваски»
часто створюються штучно і широко використовуються у випічці хлібу — при готуванні житнього хліба, у
виробництві хлібного квасу і ряду молочнокислих продуктів (сир, кефір, кисляк,
кумис і ін.).
§
Велике застосування знаходить молочнокисле бродіння у
виробництві молочної кислоти, використовуваної в ряді галузей харчової промисловості.
§
Методи
визначення вуглеводів у харчових продуктах.
Моно- та олігосахариди.
Для визначення використовують відновлюючи здатність. Спочатку екстрагують з
харчових продуктів 80% етанолом. Спиртові екстракти випарюють під вакуумом,
розводять гарячою водою та фільтрують. Продукти, збагачені білками та фенольними
сполуками, додатково обробляють нейтральним розчином ацетату свинцю. Осад
відфільтровують, а у фільтраті визначають відновлюючі вуглеводи з використанням
реактиву Фелінга, гексаціаноферрату калію або йодометричним методом. Для визначення сахарози проводять спочатку її
гідроліз. Якісний та кількісний аналіз окремих вуглеводів проводять методом
газорідинної, іонообмінної або рідинної хроматографією.
Полісахариди, які
засвоюються. Визначення крохмалю, як
правило, базується на визначенні глюкози, яку одержують під час гідролізу
хімічними методами, або на здатності розчинів обертати площину поляризації
світла. Крохмаль вивільняють від моно- та олігосахаридів екстракцією 80%
етанолу, потім проводять видалення крохмалю з продуктів будь-яким способом(розчинення
спочатку в холодній, потів у гарячій воді), звільняють від білків білковими
осаджувачами. Якісне визначення крохмалю проводять шляхом визначення глюкози
після ферментативного або кислотного гідролізу. Можна застосовувати
поляриметричний метод.
Для визначення декстринів
їх вилучають теплою (40С) водою, осаджують 80% розчином етанолу, проводять
гідроліз та визначають глюкозу.
Полісахариди, які не
засвоюються. Загальну кількість
харчових волокон (лігнін + Полісахариди, які засвоюються) визначають гравіметрично.
Спочатку розчиняють крохмаль та білки за допомогою ферментів, імітуючи
розщеплення їх у КШТ людини (А-амілаз, пепсин, панкреатин), розчинні ХВ
осаджують спиртом, фільтрують, осад зважують.
Пектин. Визначення засновано на вилученні із
харчового продукту (екстракція з наступним кип’ятінням), осадженні (хлоридом
кальцію) та зважуванні. Крім зважування можна також визначати комплексометрично
з трилоном Б і за отриманими даними розраховувати вміст пектину.
Клітковина. Гідроліз при певних умовах та отримання залишку, який не піддається гідролізу
зважують.
З точки зору харчової
хімії всі вуглеводи, незалежно від того прості чи складні, мають велике
значення не тільки як ті що засвоюються чи не засвоюються людиною речовини. Але
і у відношенні їх важливого значення в харчових продуктах та харчових
технологіях. Вуглеводи, особливо крохмаль та сахароза, забезпечують основну
частину калорійності раціону та суттєво впливають на сенсорне оцінювання
харчових продуктів. Вуглеводи вносять вагомий вклад в текстуру продуктів,
оскільки вони здатні впливати на в’язкість, кристалізацію, гелеутворення,
стабільність. Вони впливають на приємні відчуття у ротовій порожнині завдяки
солодкості, на колір та аромат харчових продуктів завдяки їх здатності вступати
в хімічні перетворення з утворенням зафарбованих та ароматичних речовин. Під
час виробництва багатьох харчових продуктів вуглеводи складають один із
головних сировинних ресурсів для фізичних, хімічних, біохімічних та
мікробіологічних процесів, керування якими надасть можливостей отримати широкий
спектр продуктів харчування різного призначення та з різними властивостями.
Якісні реакції
альдегідів
* реакція срібного дзеркала (реакція Тромера)
При взаємодії альдегідів з аміачним комплексом Аргентуму
спостерігається утворення осаду срібла у вигляді блискучого шару на поверхні
хімічного посуду:
В дану реакцію
(на відміну від інших карбонових
кислот) вступає і метанова
(мурашина) кислота:
В реакцію
срібного дзеркала вступають також глюкоза
і фруктоза
* реакція з гідроксидом Купруму(ІІ) (реакція
Фелінга)
При нагріванні гідроксиду Купруму(ІІ)
з альдегідами
блакитний осад замінює забарвлення на червоний в наслідок утворення оксиду
Купруму(І):
Реактив Фелінга – розчин купрум(ІІ) сульфату і сегнетової солі в 10 %-му
розчині натрій гідроксиду. Його готують безпосередньо перед використанням.
У пробірку
вносять 2 краплі водного розчину купрум(ІІ) сульфату
(розчин А) та 2 краплі лужного розчину сегнетової солі – калій натрій тартрату
(розчин Б). Спостерігають виділення блакитного осаду ку-прум(ІІ)
гідроксиду, який зі сегнетовою сіллю утворює водорозчинний комплекс синього
кольору:
Далі в пробірку додають 3
краплі 5 %-го розчину глюкози і нагрівають суміш до кипіння. Спостерігають
поступове знебарвлення розчину та утворення червоно-коричневого осаду купрум(І)
оксиду:
* реакція зі спиртовим
розчином йоду
При взаємодії крохмалю зі спиртовим
розчином йоду спостерігається поява темно-синього забарвлення. Дану реакцію використовують
як для визначення крохмалю, так і для визначення йоду.
У пробірку вносять 5 крапель
0,5 %-го розчину крохмального клейстеру та 1 краплю розчину йоду в калій
іодиді. Спостерігають появу інтенсивно-синього забарвлення розчину. Вважають,
що крохмаль утворює з йодом сполуки-включення (клатрати), забарвлені в
характерні кольори – синій (λмакс = 620 – 680 нм) для амілози та червоний
(λмакс = 520 – 555 нм) для амілопектину. Молекули амілози в цих комплексах
утворюють навколо молекули йоду спіраль, кожний виток якої містить
6 залишків глюкози. При нагріванні забарвленого розчину крохмалю з йодом
забарвлення зникає, а при охолодженні з’являється
знову, що пов’язано, очевидно, з розкручуванням спіралі амілози (зміни
просторової будови клатрату).