Углеводы – классификация и свойства в таблице, общая формула

Общее описание

Другое название углеводов – сахара. Углеводы имеют два определения:

• с точки зрения биологии – биологически активные вещества, являющиеся источником энергии для живых организмов, в том числе человека;
• с точки зрения химии – органические соединения, состоящие из нескольких карбонильных (-СО) и гидроксильных (-ОН) групп.

Элементы, образующие углевод:

• углерод;
• водород;
• кислород.

Общая формула углеводов – Cn(H2O)m. Минимальное количество атомов углерода и кислорода – три. Соотношение водорода и кислорода всегда 2:1, как в молекуле воды.

Источником углеводов является процесс фотосинтеза. Углеводы составляют 80 % сухой растительной массы и 2-3 % – животной. Углеводы входят в состав АТФ – универсального источника энергии.

Классификация углеводов

Углеводы существуют в нескольких формах: моносахаридов, олигосахаридов (в том числе дисахаридов) и полисахаридов.

Моносахариды

Это простые сахара, одна из важнейших групп углеводов. В зависимости от функциональных групп моносахариды делятся на два класса:

• альдозы с альдегидной группой;
• кетозы с кетонной группой.

Углеводородная цепь может иметь 3 или более атомов углерода (триоза, тетроз, пентоза, гексоза, гептоза и т. д.). Существуют ациклические и циклические формы моносахаридов (фуранозы или пиранозы). Наиболее распространенными моносахаридами являются D-глюкоза, D-галактоза, D-фруктоза, D-ксилоза, L-арабиноза.

• Фруктоза — это изомер глюкозы, также состоящий из 6 атомов углерода, но с другой структурой. Фруктозу также называют фруктовым сахаром, потому что она содержится во фруктах, овощах и меде. Растворим в воде. Слаще глюкозы. Он входит в состав дисахарида сахарозы и многих полисахаридов.
• Галактоза — это альдогексоза, D- и L-анантиомеры которой встречаются в природе. D-галактоза входит в состав дисахаридов лактозы и галактолипидов. Галактоза — это продукт переваривания лактозы в тонком кишечнике. Он классифицируется как быстро метаболизирующийся моносахарид. В тканях человека и других млекопитающих он используется тканями как энергосодержащее соединение или как соединение, необходимое для синтеза гликоконъюгатов (протеогликанов, гликопротеинов, гликолипидов). Как энергетическое соединение, метаболизм галактозы происходит по так называемому пути Лелуара. Превращение галактозы в глюкозо-1-фосфат осуществляется 3 ферментами — галактокиназой, галактозо-1-фосфатуридилтрансферазой и UDP-глюкозо-4-эпимеразой. Снижение активности этих ферментов является причиной патологии, известной как галактоземия.

Помимо карбонильных и гидроксильных моносахаридов, молекула может иметь атом водорода вместо группы -ОН (дезоксисахарид), аминогруппу (аминосахарид), меркаптогруппу -SH (тиосахарид), -COOH. (уроновые кислоты) и др.

В природе свободные моносахариды редки (за исключением D-глюкозы и D-фруктозы). Они, как мономеры, входят в состав олиго- и полисахаридов, смешанных биополимеров (гликопротеинов, гликолипидов), связываясь друг с другом или с другими молекулами гликозидными связями.

Природные мукополисахариды активно участвуют в клеточном метаболизме. Моносахариды, участвуя в различных биохимических превращениях, снабжают клетки высокоэнергетическими соединениями, участвуют в процессах детоксикации и высвобождения токсичных веществ, в синтезе аминокислот и сложных биополимеров.

В живых клетках центральным путем биосинтеза моносахаридов является глюконеогенез. В гетеротрофных клетках источником глюкозы могут быть продукты превращения аминокислот, молочной кислоты и других соединений. При нарушении метаболизма определенного моносахарида его концентрация увеличивается в биологических жидкостях организма. Это важный диагностический признак для определения галактоземии, диабета, мелитурии, фруктоземии.

Углеводы олигосахариды

Олигосахариды (от греч. ὀλίγος — немногий) — углеводы, образующиеся в результате реакции конденсации между несколькими (от двух до 10) молекулами моносахаридов. В зависимости от числа молекул моносахаридов, различают: дисахариды, трисахариды, тетрасахариды и т. д. Наиболее распространены среди них дисахариды. Свойства олигосахаридов:

• растворяются в воде;
• мало растворяются в низших спиртах;
• почти не растворяются в других обычных растворителях;
• белые или бесцветные;
• кристаллизуются, но не все, некоторые существуют в форме некристаллических сиропов;
• их сладкий вкус уменьшается по мере увеличения числа остатков моносахаридов.

Связь, образующаяся между двумя моносахаридами, называется гликозидной (тип ковалентной связи, реакция конденсации).

Образование гликозидных связей

Дисахариды

Дисахариды — это полуацетали, т.е. у. О-гликозиды, в которых остаток второй молекулы моносахарида представляет собой агликон. В зависимости от природы образования гликозидной связи дисахариды делятся на восстанавливающие и невосстанавливающие дисахариды.

• Восстанавливающие дисахариды (гликозилглюкозы) образуются в результате реакции полуацетального гидроксила одного моносахарида со спиртовым гидроксилом другого моносахарида. Такая молекула дисахарида содержит свободный полуацеталь гидроксил, следовательно, они характеризуются таутомерией оксоцикла и восстанавливающими свойствами.
• Невосстанавливающие дисахариды (гликозилгликозиды) образуются в результате реакции полуацетальных гидроксилов моносахаридов. Эти дисахариды не имеют свободного полуацетального гидроксила, поэтому они не обладают восстанавливающими свойствами, существует только циклическая форма.

Сахароза — это один из наиболее распространенных в природе углеводов растительного происхождения. Содержится в соках и плодах различных растений. Сахароза представляет собой дисахарид, состоящий из α-D-глюкан пиранозы и β-D-фруктофуранозы, связанных 1,2-гликозидной связью, молекулярная формула C 12 H 22 O 11.

Сахароза

Сахароза — сладкий, консервант и стимулирующий нервную систему продукт, который хорошо растворяется в воде, но медленно (быстро при нагревании). Молекула сахарозы образуется в результате реакции двух гликозидных гидроксилов, так что остатки глюкозы и фруктозы в молекуле сахарозы находятся в форме ацеталей. Молекула сахарозы не содержит свободной полуацетальной гидроксигруппы, поэтому имеет только циклическую структуру, не обладает мутаротационным и редуцирующим действием.

Углеводы полисахариды

Полисахариды — это углеводы, образующиеся в результате реакции поликонденсации множества (нескольких десятков и более) молекул моносахаридов. Полисахариды (от греч. полис — много) могут включать остатки одинаковых или разных моносахаридов.

Свойства полисахаридов:

• не растворяются или плохо растворяются в воде;
• не образуют ясно оформленных кристаллов;
• не имеют сладкого вкуса.

Многие микроорганизмы легко разлагают до глюкозы крахмал, но большинство из них не способны переварить целлюлозу или другие полисахариды, такие как хитин. Эти углеводы могут усваиваться только некоторыми бактериями и протистами. Жвачные животные и термиты, к примеру, используют микроорганизмы для переваривания целлюлозы.

Даже при том, что эти сложные углеводы не очень легко усваиваемы, они важны для питания. Их называют пищевыми волокнами, так как они улучшают пищеварение и способствуют лучшей перистальтике кишечника. Основная функция пищевых волокон — способствовать всасыванию других питательных веществ.

Полисахариды различаются между собой составом мономеров, длиной и степенью разветвленности цепей. Они могут иметь линейную неразветвленную (целлюлоза, хитин), разветвленную (гликоген) и смешанную структуру (крахмал представляет собой смесь полисахаридов — примерно на 80 % (по массе) он состоит из разветвленного амилопектина и на 20 % из линейного полисахарида амилозы).

В функциональном отношении различают полисахариды резервного, структурного и защитного назначения. Типичные резервные полисахариды — крахмал и гликоген. К структурным полисахаридам относят целлюлозу (клетчатку). Защитную функцию у животных обеспечивают гепарин и гиалуроновая кислота.

Крахмал

Крахмал — одно из важнейших питательных веществ. Это резервный полисахарид растений (C6 H10 O6)n. Почти все растительные клетки могут синтезировать крахмал, но в разном количестве и с разной интенсивностью.

Крахмалом богаты крупы, клубневые овощи — картофель, бобовые. В них он образует зерна различной формы и размера, характерные для каждого вида растений. Самые крупные зерна крахмала есть в картофеле, самые мелкие – в ржи, пшенице, ячмене и рисе.

Крахмал

Крахмал состоит из двух гомополисахаридов глюкозы: α-амилозы и амилопектина. При длительном гидролизе крахмал разлагается до глюкозы.

• α-Амилоза представляет собой линейный полимер глюкозы, в котором молекулы глюкозы связаны между собой (1,4) гликозидными связями. Амилоза составляет 15-20% молекулы крахмала.
• Амилопектин имеет разветвленную цепь.

В неразветвленных структурах молекулы глюкозы связаны между собой (1,4) гликозидными связями, а в структурах разветвления – α- (1,6) гликозидными связями. Амилопектин составляет 80-85% молекулы крахмала.

Связи между молекулами глюкозы, на которые влияет фермент амилаза, при различных способах приготовления пищи разрушаются, и свойства крахмала меняются, так что один тип крахмала легко переваривается, а другой проходит непереваренным в пищеварительный тракт.

Быстро и медленно усваиваемые крахмалы перевариваются в тонком кишечнике, а устойчивый крахмал, непереваренный, попадает в толстую кишку, где ферментируется.

Хитин

Хитин (фр. chitine, от др.-греч. χιτών: хитон — одежда, кожа, оболочка) — структурный полисахарид, найденный в кутикуле членистоногих и ряда других беспозвоночных (червей, кишечнополостных), клеточных оболочках некоторых грибов и протист. Кроме углерода, водорода и кислорода в его молекулах содержится азот (C8H13NO5)n, этим он отличается от целлюлозы. Состоит из остатков N-ацетилглюкозамина, связанных между собой β-гликозидными связями. Усваивать хитин способны немногие организмы, например некоторые бактерии. Но многие существа продуцируют фермент хитиназу, вероятно в качестве защиты от плесени.

Целлюлоза

Целлюлоза — полимер, в котором мономер глюкоза соединяется между собой по типу β. Это основной структурный полисахарид клеточной стенки растений, в нём аккумулируется около 50% всего углерода биосферы. Содержание целлюлозы в древесине — до 50%, в волокнах семян хлопчатника — до 98%.

Молекулы целлюлозы не ветвятся, а собираются в очень прочные волокна из параллельно уложенных цепочек, связанных в пучки водородными соединениями. Они нерастворимы в воде, внешне похожи на часть крахмала — амилозу, с одним отличием — цепи целлюлозы, соединённые по β типу в большинстве живых организмах не расщепляются, так как у них отсутствует нужный для этого фермент целлюлаза. Из-за того, что целлюлоза не может быть разорвана в пищеварительном тракте животных, она может работать как биологический структурный материал. Но некоторым жвачным, например, коровам, переваривать целлюлозу помогают симбиотические микроорганизмы.

Целлюлоза является пищей не только для коров, но и для грибов, микроорганизмов, некоторых протист и животных (термиты). Микроорганизмы, способные расщеплять целлюлозу, входят также в состав микрофлоры толстого кишечника человека.

Физические свойства

Моносахариды и олигосахариды имеют схожие физические свойства:

• кристаллическое строение;
• сладкий вкус;
• растворимость в воде;
• прозрачность;
• нейтральная pH в растворе;
• низкие температуры плавления и кипения.

Полисахариды – более сложные вещества. Они нерастворимы и не имеют сладкого привкуса. Целлюлоза – разновидность полисахарида, входящая в состав клеточных стенок растений. Аналогичный целлюлозе хитин входит в состав грибов и панцирей членистоногих. Крахмал накапливается в растениях и распадается на простые углеводы, которые являются источником энергии. В животных клетках резервную функцию выполняет гликоген.

Химические свойства

В зависимости от структуры каждому углеводу характерны особые химические свойства. Моносахариды, в частности глюкоза, подвергаются многоступенчатому окислению (в отсутствии и присутствии кислорода). В результате полного окисления образуется углекислый газ и вода:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 +6H2O.

В отсутствии кислорода под действием ферментов происходит брожение:

• спиртовое – C6H12O6 → 2C2H5OH (этанол) + 2CO2;
• молочнокислое – C6H12O6 → 2CH3-CH(OH)-COOH (молочная кислота).

Иначе с кислородом взаимодействуют полисахариды, сгорая до углекислого газа и воды:

(C6H10O5)n + 6O2 → 6nCO2 + 5nH2O.

Олигосахариды и полисахариды разлагаются до моносахаридов при гидролизе:

• C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6;
• (C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6.

Глюкоза реагирует с гидроксидом меди (II) и аммиачным раствором оксида серебра (реакция серебряного зеркала):

• CH2OH-(CHOH)4-CH=O + 2Cu(OH)2 → CH2OH-(CHOH)4-COOH + Cu2O↓ + 2H2O;
• CH2OH-(CHOH)4-CH=O + 2[Ag(NH3)2]OH → CH2OH-(CHOH)4-COONH4 + 2Ag↓ +3NH3 + H2O.

Рис. 3. Реакция серебряного зеркала.

Значение углеводов

Основное значение углеводов связано с их энергетической функцией.

В результате их ферментативного расщепления и окисления освобождается энергия, которую впоследствии использует клетка.

Полисахариды играют роль запасных продуктов и источников энергии (крахмал, гликоген), которые легко мобилизируются, а также используются как строительный материал (целлюлоза, хитин).

Полисахариды – удобные запасные вещества по ряду причин:

• благодаря нерастворимости в воде они не действуют на клетку ни осмотически, ни химически, что достаточно важно, поскольку они могут долго храниться в живой клетке;
• находясь в твёрдом обезвоженном состоянии полисахариды увеличивают полезную массу запасных веществ за счёт экономии их объёма.

При этом вероятность употребления этих продуктов различными микроорганизмами (и болезнетворными), грибами, которые, как известно, не способны заглатывать пищу, а всасывают питательные вещества всей поверхностью тела, существенно уменьшается. В конце концов в случае необходимости запасные полисахариды легко превращаются путём гидролиза на простые сахара.

Углеводы выполняют в клетке ряд функций. Полисахариды накопляются как запасные питательные вещества (гликоген – в клетках печени и мышцах, крахмал – в клубнях и корневищах растений);

Энергетическая функция связана с освобождением энергии при окислении молекул углеводов (при окислении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии);

Структурная функция связана с наличием в растительных клетках целлюлозной оболочки, которая выполняет роль внешнего скелета. Углеводы входят в состав гликокаликса животных клеток.

Основные углеводные источники для организма

Главными источниками углеводов из пищи являются: фрукты, ягоды и другие плоды, из приготовленных — хлеб, макароны, крупы, сладости. Картофель содержит углеводы в виде крахмала и пищевых волокон. Чистым углеводом является сахар. Мёд, в зависимости от своего происхождения, содержит 70—80 % глюкозы и фруктозы.

Ежедневная потребность в углеводах

Суточная норма будет для каждого человека разной.

В интернете некоторые сайты утверждают, что норма углеводов — 3–5 г на 1 кг веса. В действительности всё сложнее. Норму необходимо рассчитывать для каждого человека индивидуально.

Потребность зависит от пола, возраста, веса, уровня активности и т. д. Кроме того, большое значение имеют ваши цели на данный момент. Например, при похудении и наборе мышечной массы необходимо абсолютно разное количество углеводов в день.

В качестве примера проведены расчёты для мужчины и женщины 30 лет, среднего роста с низкой активностью. Смотрите таблицу ниже.

В случае с набором веса взята средняя активность (3 тренировки в неделю).

Учитывая ваш пол, вес и цель, связанную с весом, можете определить свою потребность в углеводах. Конечно, показатель примерный, но погрешность будет не сильно большой.

При наборе мышечной массы организм нуждается в большом количестве энергии. В этом случае рекомендуется делать упор на продукты с высоким содержанием углеводов. Безусловно, не забывая о белках и жирах.

Недостаток углеводов

Недостаток может стать причиной слабости, усталости, раздражительности, апатии. К тому же в качестве источника энергии начнут расходоваться мышечная ткань и жировые запасы, а также белки и жиры, поступающие с пищей.

Избыток углеводов

Избыточное их количество — приводит к набору лишних килограммов.

Злоупотребление простыми углеводами способно привести к сахарному диабету, артериальной гипертонии, инсулинорезистентности, сердечно-сосудистым и онкологическим заболеваниям.

Сложные углеводы, наоборот, способны предотвратить эти и другие заболевания. Большую роль здесь играет клетчатка.

Когда потребность возрастает

Поскольку углеводы — главный источник энергии, потребность в них возрастает при увеличении умственных и физических нагрузок. Если вы решили заняться спортом, набрать мышечную массу, или ваша новая работа предполагает тяжёлые физические нагрузки — увеличивайте количество углеводсодержащей пищи.

Польза и вред углеводов

Основная польза поступает всё же от сложных, медленных углеводов. Продукты, их содержащие, как правило, богаты ещё и витаминами, минералами, антиоксидантами и аминокислотами. Всё это необходимо организму человека для осуществления различных метаболических процессов, функций:

• Восполнение энергетических запасов. Следует знать, что углеводы выполняют данную функцию лишь при совместной работе с белками и жирами. Именно поэтому важно соблюдать «правило тарелки», следить за тем, чтобы продукты сочетались между собой. Для этого необходимо придерживаться принципов правильного, здорового питания. Ни одна диета не способна обеспечить организм питательными компонентами в должной степени.
• Улучшение работы центральной нервной системы. Функционирование клеток головного мозга во многом зависит от количества глюкозы. Если её достаточно, человек чувствует себя хорошо, а при резком её снижении наблюдается упадок, появляются рассеянность, недомогания в виде головокружения, сонливости.
• Увеличение мышечных тканей. Рост мышц происходит за счёт протеина при участии углеводов. Если уровень глюкозы в крови недостаточен, происходит разрушение клеток, замедление метаболических процессов.
• Регуляция деятельности желудочно-кишечного тракта. Медленные углеводы, в большинстве своём, богаты клетчаткой и растительными волокнами, которые не перевариваются, не разлагаются под действием ферментов. Они способствуют очищению кишечника, создают благоприятные условия для размножения полезных бактерий.

Углеводы играют очень важную роль в работе организма. Поэтому ни в коем случае нельзя исключать их из рациона, как того требуют различные диеты.

Ваша оценка?

Петр Иваныч

Возможно этот человек ответит на ваши вопросы

Задать вопрос