Углеводы - это сахара, крахмалы и волокна, содержащиеся во фруктах, зернах, овощах и молочных продуктах. Несмотря на то, что в модных диетах часто отказываются от них, углеводы - одна из основных групп продуктов питания - важны для здоровой жизни.

«Углеводы - это макроэлементы, а это означает, что они являются одним из трех основных способов получения организмом энергии или калорий», - говорит Пейдж Сматерс, диетолог. Американская диабетическая ассоциация отмечает, что углеводы являются основным источником тела энергии. Они называются углеводами, потому что на химическом уровне они содержат углерод, водород и кислород.

Смартс сказал, что есть три вида макронутриентов: углеводы, белки и жиры. Макроэлементы необходимы для правильного функционирования организма, а организму требуется их большое количество. Все макроэлементы должны быть получены с помощью диеты; Организм сам по себе не может производить макроэлементы.

Рекомендуемая суточная доза углеводов для взрослых составляет 135 грамм. Потребление углеводов для большинства людей должно составлять от 45 до 65 процентов от общего количества калорий. Один грамм углеводов составляет около 4 калорий, поэтому диета в 1800 калорий в день будет равна от 202 до 292 грамма углеводов. Тем не менее, люди с диабетом не должны есть более 200 граммов углеводов в день, а беременным женщинам требуется не менее 175 граммов.

Функция углеводов

Углеводы обеспечивают топливо для центральной нервной системы и энергию для работы мышц. По словам Университета штата Айова, они также предотвращают использование белка в качестве источника энергии и способствуют метаболизму жиров.

Кроме того, «углеводы важны для функционирования мозга», - сказал Сматерс. Они влияют на «настроение, память и т. д., а также это быстрый источник энергии». На самом деле, рекомендуемое количество углеводов основано на количестве углеводов, которые должен потреблять мозг.

Простые и сложные углеводы

Углеводы классифицируются как простые или сложные. Разница между двумя формами заключается в химической структуре и быстром поглощении и переваривании сахара. Простые углеводы перевариваются и поглощаются быстрее и легче, чем сложные углеводы.

Простые углеводы содержат только один или два сахара, таких как фруктоза (содержится во фруктах) и галактоза (в молочных продуктах). Эти одиночные сахара называются моносахаридами. Углеводы с двумя сахарами, такими как сахароза (сахарный стол), лактоза (от молочных продуктов) и мальтоза (содержащаяся в пиве и некоторых овощах), называются дисахаридами.

Простые углеводы также содержатся в конфетах, соде и сиропе. Однако эти продукты производятся с обработанными и очищенными сахарами и не содержат витаминов, минералов или клетчатки. Они называются «пустыми калориями» и могут привести к увеличению веса.

Сложные углеводы (полисахариды) имеют три или более сахара. Их часто называют крахмалистыми продуктами и включают бобы, горох, чечевицу, арахис, картофель, кукурузу, пастернак, хлеб из цельного зерна и крупы.

Смартс отметил, что, хотя все углеводы функционируют как относительно быстрые источники энергии, простые углеводы вызывают всплески энергии гораздо быстрее, чем сложные углеводы из-за более быстрой скорости, с которой они перевариваются и поглощаются. Простые углеводы могут привести к всплескам в уровнях сахара в крови и сахара, в то время как сложные углеводы обеспечивают более устойчивую энергию.

Исследования показали, что замена насыщенных жиров простыми углеводами, такими как во многих пищевых продуктах, связана с повышенным риском сердечных заболеваний и диабета 2 типа.

Смартс предложил следующий совет: «Лучше всего сосредоточиться на том, чтобы в первую очередь использовать сложные углеводы в вашем рационе, включая цельные зерна и овощи».

Сахары, крахмалы и волокна

В организме углеводы разбиваются на более мелкие единицы сахара, такие как глюкоза и фруктоза. Тонкий кишечник поглощает эти более мелкие единицы, которые затем поступают в кровоток и попадают в печень. Печень превращает все эти сахара в глюкозу, которая переносится через кровоток - сопровождается инсулином - и превращается в энергию для основного функционирования организма и физической активности.

Если глюкоза не нужна немедленно для энергии, организм может хранить до 2000 калорий в печени и мышцах в форме гликогена. Когда запасы гликогена заполнены, углеводы хранятся в виде жира. Если у вас недостаточно приема углеводов или в магазинах, организм будет потреблять белок для топлива. Это проблематично, потому что организму нужен белок для мышц. Использование белка вместо углеводов для топлива также создает нагрузку на почки, что приводит к прохождению болезненных побочных продуктов в моче.

Волокно имеет важное значение для пищеварения. Они способствуют здоровому движению кишечника и уменьшают риск хронических заболеваний, таких как ишемическая болезнь сердца и диабет. Однако, в отличие от сахаров и крахмалов, волокна не поглощаются в тонком кишечнике и не превращаются в глюкозу. Вместо этого они переходят в толстую кишку относительно неповрежденными, где превращаются в водород, углекислый газ и жирные кислоты. Институт медицины рекомендует, чтобы люди потребляли 14 граммов клетчатки на каждые 1000 калорий. Источниками волокон являются фрукты, зерно и овощи, особенно бобовые.

Смартс отметил, что углеводы также встречаются естественным образом в некоторых формах молочных продуктов и как крахмалистых, так и некрахмальных овощах. Например, некрахмалистые овощи, такие как салаты, капуста, зеленая фасоль, сельдерей, морковь и брокколи, содержат углеводы. Крахмалистые овощи, такие как картофель и кукуруза, также содержат углеводы, но в больших количествах. По данным Американской диабетической ассоциации, овощи без крахамала обычно содержат только около 5 граммов углеводов на чашку сырых овощей, и большинство этих углеводов поступает из волокон.

Хорошие углеводы против плохих углеводов

Углеводы содержатся в продуктах, которые, как вы знаете, хороши для вас (овощи), и те, которые вредны (пончики). Это привело к мысли, что некоторые углеводы являются «хорошими», а некоторые «плохими». Согласно Healthy Geezer Fred Cicetti, углеводы, которые обычно считаются плохими, включают пирожные, газированные напитки, высоко обработанные пищевые продукты, белый рис, белый хлеб и другие продукты из белой муки. Это продукты с простыми углеводами. Плохие углеводы редко имеют какую-либо питательную ценность.

Обычно считается, что углеводы являются сложными, такими как цельные зерна, фрукты, овощи, бобовые и бобовые. Они не только обрабатываются медленнее, но также содержат щедрость других питательных веществ.

Центр долголетия Pritikin предлагает этот контрольный список для определения того, является ли углевод «хорошим» или «плохим».

Хорошие углеводы:

• Мало или умеренно калорий
• Высокий уровень питательных веществ
• Без рафинированных сахаров и очищенных зерен
• Высокое содержание естественных волокон
• Низкое содержание натрия
• Низкое содержание насыщенных жиров
• Очень мало или отсутствие холестерина и транс-жиров

Плохие углеводы:

• Много калорий
• Много рафинированных сахаров, таких как кукурузный сироп, белый сахар, мед и фруктовые соки
• Много рафинированных зерен, таких как белая мука
• Низкое содержание многих питательных веществ
• Низкое содержание волокон
• Высокий уровень натрия
• Насыщенный жир
• Высокий уровень холестерина и транс-жиров

Гликемический индекс

Гликемический индекс измеряет, насколько быстро и сколько углеводов повышает уровень сахара в крови.

Высокогликемические продукты, такие как выпечка, повышают уровень сахара в крови сильно и быстро; Продукты с низкой гликемией вырабатывают его мягко и в меньшей степени. Согласно исследованиям Гарвардской медицинской школы, некоторые исследования связывают высокогликемические продукты с диабетом, ожирением, сердечными заболеваниями и некоторыми видами рака.

С другой стороны, недавние исследования показывают, что низкогликемическая диета на самом деле не может быть полезной. Исследование, проведенное в 2014 году, опубликованное в JAMA, показало, что взрослые с избыточным весом, употребляющие сбалансированную диету, не наблюдали значительного дополнительного улучшения низкокалорийной диеты с низким гликемическим индексом. Ученые измеряли чувствительность к инсулину, систолическое артериальное давление, холестерин ЛПНП и холестерин ЛПВП и видели, что низкогликемическая диета не улучшала их состояние. Она уменьшал уровень триглицеридов.

Польза углеводов

Правильный вид углеводов может быть невероятно полезен для вас. Мало того, что они необходимы для вашего здоровья, но они несут множество дополнительных преимуществ.

Душевное здоровье

Углеводы могут быть важны для психического здоровья. В исследовании, опубликованном в 2009 году в журнале JAMA Internal Medicine, было обнаружено, что люди на жирной, низкоуглеводной диете в течение года испытывают больше беспокойства, депрессии и гнева, чем люди на диете с низким содержанием жира, с высоким содержанием углеводов. Ученые подозревают, что углеводы помогают в производстве серотонина в мозге.

Углеводы также могут помочь памяти. В исследовании 2008 года в Университете Тафтса женщины с избыточным весом сокращали углеводы полностью из своих диет в течение одной недели. Затем они опробовали когнитивные навыки женщин, визуальное внимание и пространственную память. Женщины на диетах без углеводов показали результаты хуже, чем женщины с избыточным весом, на низкокалорийные диеты, содержащие здоровое количество углеводов.

Потеря веса

Хотя углеводы часто обвиняют в увеличении веса, правильный вид углеводов может фактически помочь вам потерять и поддерживать здоровый вес. Это происходит потому, что многие хорошие углеводы, особенно цельные зерна и овощи с кожей, содержат клетчатку. Трудно получить достаточное количество клетчатки на диете с низким содержанием углеводов. Диетическое волокно помогает вам чувствовать себя полноценным и обычно поставляется в относительно низкокалорийных продуктах.

Исследование, опубликованное в Journal of Nutrition в 2009 году, последовало за женщинами среднего возраста в течение 20 месяцев и показало, что участники, которые съели больше волокон, потеряли вес, в то время как те, кто снизил потребление клетчатки, набрали вес. Еще одно недавнее исследование связано с потерей жира с низким содержанием жиров, а не с низким содержанием углеводов.

Хотя некоторые исследования показали, что диеты с низким содержанием углеводов помогают людям сбросить вес, метаанализ, проведенный в 2015 году и опубликованный в The Lancet, показал, что при длительном анализе с низким содержанием жиров и низким содержанием углеводов диеты имели схожие показатели успеха. Люди потеряли больше веса на ранних этапах, в то время как на низкоуглеводных диетах, но через год все они имели тот же вес.

Хороший источник питательных веществ

Целые, необработанные фрукты и овощи хорошо известны своим содержанием питательных веществ. Из-за этого некоторые из них считаются суперпродуктами - и все эти листовые зелень, яркий сладкий картофель, сочные ягоды, острые цитрусы и хрустящие яблоки содержат углеводы.

Один важный, богатый источник хороших углеводов - цельные зерна. Большое исследование, опубликованное в 2010 году в Журнале Американской диетической ассоциации, показало, что те, кто питается продуктами с содержанием целых зерен, имеют значительно большее количество клетчатки, энергии и полиненасыщенных жиров, а также все микронутриенты (кроме витамина B12 и натрия). Дополнительное исследование, опубликованное в 2014 году в журнале Critical Reviews in Food Science and Nutrition, показало, что цельные зерна содержат антиоксиданты, которые ранее считались практически исключительно фруктами и овощами.

Здоровье сердца

Волокно также помогает снизить уровень холестерина. Пищеварительный процесс требует желчных кислот, которые частично образуются при холестерине. По мере улучшения пищеварения печень вытягивает холестерин из крови, чтобы создать больше желчных кислот, тем самым уменьшая количество ЛПНП, «плохого» холестерина.

Есть исследование в American Journal of Clinical Nutrition, в котором анализируется влияние цельного зерна на пациентов, принимающих лекарства, снижающие уровень холестерина, называемых статинами. Те, кто ежедневно ел более 16 граммов цельного зерна, имели более низкий уровень плохого холестерина, чем те, кто принимал статины, не съедая целые зерна.

Углеводный дефицит

Не получение достаточного количества углеводов может вызвать проблемы. Без достаточного количества топлива организм не получает энергии. Кроме того, без достаточной глюкозы, страдает центральная нервная система, которая может вызвать головокружение или умственную и физическую слабость. Дефицит глюкозы или низкий уровень сахара в крови называют гипогликемией.

Если организм имеет недостаточное потребление углеводов или хранилища, он будет потреблять белок. Это проблематично, потому что организму нужен белок для мышц. По словам Университета Цинциннати, использование белка вместо углеводов также бьет по почкам, что приводит к прохождению болезненных побочных продуктов в моче.

Люди, которые не потребляют достаточно углеводов, также могут страдать от недостаточного количества клетчатки, что может вызвать проблемы с пищеварением и запорами.

Углеводами

Виды углеводов.

Углеводы бывают:

1) Моносахариды

2) Олигосахариды

3) Сложные углеводы

крахмал12.jpg

Основные функции.

Энергетическая.

Пластическая.

Запас питательных веществ.

Специфическая.

Защитная.

Регуляторная.

Химические свойства

Моносахариды проявляют свойства спиртов и карбонильных соединений.

Окисление.

a) Как и у всех альдегидов, окисление моносахаридов приводит к соответствующим кислотам. Так, при окислении глюкозы аммиачным раствором гидрата окиси серебра образуется глюконовая кислота (реакция "серебряного зеркала").

b) Реакция моносахаридов с гидроксидом меди при нагревании так же приводит к альдоновым кислотам.

c) Более сильные окислительные средства окисляют в карбоксильную группу не только альдегидную, но и первичную спиртовую группы, приводя к двухосновным сахарным (альдаровым) кислотам. Обычно для такого окисления используют концентрированную азотную кислоту.

Восстановление.

Восстановление сахаров приводит к многоатомным спиртам. В качестве восстановителя используют водород в присутствии никеля, алюмогидрид лития и др.

III. Специфические реакции

Кроме приведенных выше, глюкоза характеризуется и некоторыми специфическими свойствами - процессами брожения. Брожением называется расщепление молекул сахаров под воздействием ферментов (энзимов). Брожению подвергаются сахара с числом углеродных атомов, кратным трем. Существует много видов брожения, среди которых наиболее известны следующие:

a) спиртовое брожение

b) молочнокислое брожение

c) маслянокислое брожение

Упомянутые виды брожения, вызываемые микроорганизмами, имеют широкое практическое значение. Например, спиртовое – для получения этилового спирта, в виноделии, пивоварении и т.д., а молочнокислое – для получения молочной кислоты и кисломолочных продуктов.

3. Стереоизомерия моносахаридов D- и L-ряды. Открытые и циклические формулы. Пиранозы и фуранозы. α- и β-аномеры. Циклоцепная таутомерия. Явление муторотации.

Способность ряда органических соединений вращать плоскость поляризации поляризованного света вправо или влево называют оптической активностью. Исходя из сказанного выше, следует, что органические вещества могут существовать в виде правовращающих и левовращающих изомеров. Такие изомеры получили название стереоизомеров, а само явление стереоизомерии.

В основе более строгой системы классификации и обозначения стереоизомеров лежит не вращение плоскости поляризации света, а абсолютная конфигурация молекулы стереоизомера, т.е. взаимное расположение четырех обязательно разных замещающих групп, находящихся в вершинах тетраэдра, вокруг локализованного в центре атома углерода, который получил название асимметрического атома углерода или хирального центра. Хиральные или, как их еще называют, оптически активные атомы углерода обозначают в структурных формулах звездочками

Таким образом, под термином стереоизомерия следует понимать различную пространственную конфигурацию заместителей у соединений, имеющих одну и ту же структурную формулу и обладающих одинаковыми химическими свойствами. Такой вид изомерии называют также зеркальной изомерией. Наглядным примером зеркальной изомерии могут служить правая и левая ладони руки. Ниже приведены структурные формулы стереоизомеров глицеринового альдегида и глюкозы.

Если у асимметрического атома углерода в проекционной формуле глицеринового альдегида ОН-группа располагается справа, такой изомер называют D-стереоизомером, а если ОН-группа расположена слева –L-стереоизомером.

В случае тетроз, пентоз, гексоз и других моноз, которые обладают двумя и более асимметрическими атомами углерода, принадлежность стереоизомера к D- или L-ряду определяют по расположению ОН-группы у предпоследнего атома углерода в цепи – он же является последним асимметрическим атомом. Например, для глюкозы оценивают ориентацию ОН-группы у 5-ого атома углерода. Абсолютно зеркальные стереоизомеры называют энантиомерами или антиподами.

Стереоизомеры не отличаются по своим химическим свойствам, но отличаются по биологическому действию (биологической активности). Большая часть моносахаридов в организме млекопитающих относится к D-ряду – именно к этой конфигурации специфичны ферменты, ответственные за их метаболизм. В частности D-глюкоза воспринимается как сладкое вещество, благодаря способности взаимодействовать с вкусовыми рецепторами языка, в то время как L-глюкоза безвкусна, поскольку ее конфигурация не воспринимается вкусовыми рецепторами.

В общем виде строение альдоз и кетоз можно представить следующим образом.

Стереоизомерия. Молекулы моносахаридов содержат несколько центров хиральности, что служит причиной существования многих стереоизомеров, отвечающих одной и той же структурной формуле. Например, в альдогексозе имеются четыре асимметрических атома углерода и ей соответствуют 16 стереоизомеров (24), т. е. 8 пар энантиомеров. По сравнению с соответствующими альдозами кетогексозы содержат на один хиральный атом углерода меньше, поэтому число стереоизомеров (23) уменьшается до 8 (4 пары энантиомеров).

Открытые (нециклические) формы моносахаридов изображают в виде проекционных формул Фишера. Углеродную цепь в них записывают вертикально. У альдоз наверху помещают альдегидную группу, у кетоз - соседнюю с карбонильной первичную спиртовую группу. С этих групп начинают нумерацию цепи.

Для обозначения стереохимии используется D,L-система. Отнесение моносахарида к D- или L-ряду проводят по конфигурации хирального центра, наиболее удаленного от оксогруппы, независимо от конфигурации остальных центров! Для пентоз таким «определяющим» центром является атом С-4, а для гексоз - С-5. Положение группы ОН у последнего центра хиральности справа свидетельствует о принадлежности моносахарида к D-ряду, слева - к L-ряду, т. е. по аналогии со стереохимическим стандартом - глицериновым альдегидом

Циклические формы. Открытые формы моносахаридов удобны для рассмотрения пространственных отношений между стереоизомерными моносахаридами. В действительности моносахариды по строению являются циклическими полуацеталями. Образование циклических форм моносахаридов можно представить как результат внутримолекулярного взаимодействия карбонильной и гидроксильной групп, содержащихся в молекуле моносахарида.

Впервые циклическую полуацетальную формулу глюкозы предложил А. А. Колли (1870). Он объяснил отсутствие некоторых альдегидных реакций у глюкозы наличием трехчленного этиленоксидного (α-окисного) цикла:

Позже Толленс (1883) предложил аналогичную полуацетальную формулу глюкозы, но с пятичленным (γ-окисным) бутиленоксидным кольцом:

Формулы Колли - Толленса громоздки и неудобны, не отражают строения циклической глюкозы, поэтому были предложены формулы Хеуорса.

В результате циклизации образуются термодинамически более устойчивые фуранозные (пятичленные) и пиранозные (шестичленные) циклы. Названия циклов происходят от названий родственных гетероциклических соединений - фурана и пирана.

Образование этих циклов связано со способностью углеродных цепей моносахаридов принимать достаточно выгодную клешневидную конформацию. Вследствие этого в пространстве оказываются сближенными альдегидная (или кетонная) и гидроксильная при С-4 (или при С-5) группы, т. е. те функциональные группы, в результате взаимодействия которых осуществляется внутримолекулярная циклизация.

В циклической форме создается дополнительный центр хиральности - атом углерода, ранее входивший в состав карбонильной группы (у альдоз это С-1). Этот атом называют аномерным, а два соответствующих стереоизомера - α- и β-аномерами (рис. 11.1). Аномеры представляют собой частный случай эпимеров.

У α-аномера конфигурация аномерного центра одинакова с конфигурацией «концевого» хирального центра, определяющего принадлежность к d- или l-ряду, а у β-аномера - противоположна. В проекционных формулах Фишера у моносахаридов d-ряда в α-аномере гликозидная группа ОН находится справа, а в β-аномере - слева от углеродной цепи.

Рис. 11.1. Образование α- и β-аномеров на примере d-глюкозы

Формулы Хеуорса. Циклические формы моносахаридов изображают в виде перспективных формул Хеуорса, в которых циклы показывают в виде плоских многоугольников, лежащих перпендикулярно плоскости рисунка. Атом кислорода располагают в пиранозном цикле в дальнем правом углу, в фуранозном - за плоскостью цикла. Символы атомов углерода в циклах не указывают.

Для перехода к формулам Хеуорса циклическую формулу Фишера преобразуют так, чтобы атом кислорода цикла располагался на одной прямой с атомами углерода, входящими в цикл. Это показано ниже на примере a-d-глюкопиранозы путем двух перестановок у атома С-5, что не изменяет конфигурацию этого асимметрического центра (см. 7.1.2). Если преобразованную формулу Фишера расположить горизонтально, как требуют правила написания формул Хеуорса, то заместители, находившиеся справа от вертикальной линии углеродной цепи, окажутся под плоскостью цикла, а те, что были слева, - над этой плоскостью.

У d-альдогексоз в пиранозной форме (и у d-альдопентоз в фуранозной форме) группа СН2ОН всегда располагается над плоскостью цикла, что служит формальным признаком d-ряда. Гликозидная гидроксильная группа у a-аномеров d-альдоз оказывается под плоскостью цикла, у β-аномеров - над плоскостью.

D-ГЛЮКОПИРАНОЗА

По аналогичным правилам осуществляется переход и у кетоз, что показано ниже на примере одного из аномеров фуранозной формы d-фруктозы.

Циклоцепная таутомерия обусловлена переходом открытых форм моносахаридов в циклические и наоборот.

Изменение во времени угла вращения плоскости поляризации света растворами углеводов называют мутаротацией.

Химическая сущность мутаротации состоит в способности моносахаридов к существованию в виде равновесной смеси таутомеров - открытой и циклических форм. Такой вид таутомерии называется цикло-оксо-таутомерией.

В растворах равновесие между четырьмя циклическими таутомерами моносахаридов устанавливается через открытую форму - оксоформу. Взаимопревращение a- и β-аномеров друг в друга через про- межуточную оксоформу называется аномеризацией.

Таким образом, в растворе d-глюкоза существует в виде таутомеров: оксоформы и a- и β-аномеров пиранозных и фуранозных циклических форм.

ЛАКТИМ-ЛАКТАМНАЯ ТАУТОМЕРИЯ

Этот вид таутомерии характерен для азотсодержащих гетероциклов с фрагментом N=C-ОН.

Взаимопревращение таутомерных форм связано с переносом протона от гидроксильной группы, напоминающей фенольную ОН-группу, к основному центру - пиридиновому атому азота и наоборот. Обычно лактамная форма в равновесии преобладает.

Моноаминомонокарбоновые.

По полярности радикала:

С неполярным радикалом:(Аланин,валин, лейцин, фенилаланин)Моноамино,монокарбоновые

С полярным незаряженным радикалом(Глицин, серин, аспарагин, глутамин)

С отрицательно заряженным радикалом(Аспарагиновая,глутаминовая кислота)моноамино,дикарбоновые

С положительно заряженным радикалом(лизин,гистидин) диамино,монокарбоновые

Стереоизомерия

Все природные α-аминокислоты, кроме глицина (NH 2 -CH 2 - COOH), имеют асимметрический атом углерода (α-углеродный атом), а некоторые из них даже два хиральных центра, например, треонин. Таким образом, все аминокислоты могут существовать в виде пары несовместимых зеркальных антиподов (энантиомеров).

За исходное соединение, с которым принято сравнивать строение 
α-аминокислот, условно принимают D- и L-молочные кислоты, конфигурации которых, в свою очередь, установлены по D- и L-глицериновым альдегидам.

Все превращения, которые осуществляются в этих рядах при переходе от глицеринового альдегида к α-аминокислоте, выполняются в соответствии с главным требованием − они не создают новых и не разрывают старых связей у асимметрического центра.

Для определения конфигурации α-аминокислоты в качестве эталона часто используют серин (иногда аланин).

Природные аминокислоты, входящие в состав белков, относятся к L-ряду. 
D-формы аминокислот встречаются сравнительно редко, они синтезируются только микроорганизмами и называются «неприродными» аминокислотами. Животными организмами D-аминокислоты не усваиваются. Интересно отметить действие D- и L-аминокислот на вкусовые рецепторы: большинство аминокислот L-ряда имеют сладкий вкус, а аминокислоты D-ряда − горькие или безвкусные.

Без участия ферментов самопроизвольный переход L-изомеров в D-изомеры с образованием эквимолярной смеси (рацемическая смесь) осуществляется в течение достаточно длительного промежутка времени.

Рацемизация каждой L-кислоты при данной температуре идет с определенной скоростью. Это обстоятельство можно использовать для установления возраста людей и животных. Так, например, в твердой эмали зубов имеется белок дентин, в котором L-аспартат переходит в D-изомер при температуре тела человека со скоростью 0,01% в год. В период формирования зубов в дентине содержится только L-изомер, поэтому по содержанию D-аспартата можно рассчитать возраст человека или животного.

I. Общие свойства

1. Внутримолекулярная нейтрализация → образуется биполярный цвиттер-ион:

Водные растворы электропроводны. Эти свойства объясняются тем, что молекулы аминокислот существуют в виде внутренних солей, которые образуются за счет переноса протона от карбоксила к аминогруппе:

цвиттер-ион

Водные растворы аминокислот имеют нейтральную, кислую или щелочную среду в зависимости от количества функциональных групп.

2. Поликонденсация → образуются полипептиды (белки):

При взаимодействии двух α-аминокислот образуется дипептид .

3. Разложение → Амин + Углекислый газ:

NH 2 -CH 2 -COOH → NH 2 -CH 3 + CO 2

IV. Качественная реакция

1. Все аминокислоты окисляются нингидрином с образованием продуктов сине-фиолетового цвета!

2. С ионами тяжелых металлов α-аминокислоты образуют внутрикомплексные соли. Комплексы меди (II), имеющие глубокую синюю окраску, используются для обнаружения α-аминокислот.

Физиологические активные пептиды. Примеры.

Пептиды, обладая высокой физиологической активностью, регулируют различные биологические процессы. По биорегуляторному действию пептиды принято делить на несколько групп:

· соединения, обладающие гормональной активностью (глюкагон, окситоцин, вазопрессин и др.);

· вещества, регулирующие пищеварительные процессы (гастрин, желудочный ингибирующий пептид и др.);

· пептиды, регулирующие аппетит (эндорфины, нейропептид-Y, лептин и др.);

· соединения, обладающие обезболивающим эффектом (опиоидные пептиды);

· органические вещества, регулирующие высшую нервную деятельность, биохимические процессы, связанные с механизмами памяти, обучения, возникновением чувства страха, ярости и др.;

· пептиды, которые регулируют артериальное давление и тонус сосудов (ангиотензин II, брадикинин и др.).

· пептиды, которые обладают противоопухолевым и противовоспалительным свойствами (Луназин)

· Нейропептиды - соединения, синтезируемые в нейронах, обладающие сигнальными свойствами

Классификация белков

-по форме молекул (глобулярные или фибриллярные);

-по молекулярной массе (низкомолекулярные, высокомолекулярные и др.);

-по химическому строению (наличие или отсутствие небелковой части);

-по локализации в клетке (ядерные, цито-плазматические, лизосомальные и др.);

-по локализации в организме (белки крови, печени, сердца и др.);

-по возможности адаптивно регулировать количество данных белков : белки, синтезирующиеся с постоянной скоростью (конститутивные), и белки, синтез которых может усиливаться при воздействии факторов среды (индуцибельные);

-по продолжительности жизни в клетке (от очень быстро обновляющихся белков, с Т 1/2 менее 1 ч, до очень медленно обновляющихся белков, Т 1/2 которых исчисляют неделями и месяцами);

-по схожим участкам первичной структуры и родственным функциям (семейства белков).

Классификация белков по химическому строению

Простые белки .Некоторые белки содержат в своём составе только полипептидные цепи, состоящие из аминокислотных остатков. Их называют "простые белки". Примером простых белков - гистоны ; в их составе содержится много аминокислотных остатков лизина и аргинина, радикалы которых имеют положительный заряд .

2. Сложные белки . Очень многие белки, кроме полипептидных цепей, содержат в своём составе небелковую часть, присоединённую к белку слабыми или ковалентными связями. Небелковая часть может быть представлена ионами металлов, какими-либо органическими молекулами с низкой или высокой молекулярной массой. Такие белки называют "сложные белки". Прочно связанная с белком небелковая часть носит название простетической группы.

У биополимеров, макромолекулы которых состоят из полярных и неполярных групп, сольватируются полярные группы, если растворитель полярен. В неполярном растворителе, соответственно, сольватируются неполярные участки макромолекул.

Обычно он хорошо набухает в жидкости, близкой к нему по химическому строению. Так, углеводородные полимеры типа каучуков набухают в неполярных жидкостях: гексане, бензоле. Биополимеры, в состав молекул которых входит большое количество полярных функциональных групп, например, белки, полисахариды, лучше набухают в полярных растворителях: воде, спиртах и т.д.

Образование сольватной оболочки молекулы полимера сопровождается выделением энергии, которая называется теплотой набухания .

Теплота набухания зависит от природы веществ. Она максимальна при набухании в полярном растворителе ВМС, содержащего большое количество полярных групп и минимальна при набухании в неполярном растворителе углеводородного полимера.

Кислотность среды, при которой устанавливается равенство положительных и отрицательных зарядов и белок становится электронейтральным, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ) . Белки, у которых ИЭТ находится в кислой среде, называются кислыми. Белки, у которых значение ИЭТ находится в щелочной среде, называются основными. У большинства растительных белков ИЭТ находится в слабокислой среде

. Набухание и растворение ВМС зависят от:
1. природы растворителя и полимера,
2. строения макромолекул полимера,
3. температуры,
4. присутствия электролитов,
5. от рН среды (для полиэлектролитов).

Роль 2,3-дифосфоглицерата

2,3-Дифосфоглицерат образуется в эритроцитах из 1,3-дифосфоглицерата, промежуточного метаболита гликолиза, в реакциях, получивших название шунт Раппопорта.

Реакции шунта Раппопорта

2,3-Дифосфоглицерат располагается в центральной полости тетрамера дезоксигемоглобина и связывается с β-цепями, образуя поперечный солевой мостик между атомами кислорода 2,3-дифосфоглицерата и аминогруппами концевого валина обеих β-цепей, также аминогруппами радикалов лизина и гистидина.

Расположение 2,3-дифосфоглицерата в гемоглобине

Функция 2,3-дифосфоглицерата заключается в снижении сродства гемоглобина к кислороду. Это имеет особенное значение при подъеме на высоту, при нехватке кислорода во вдыхаемом воздухе. В этих условиях связывание кислорода с гемоглобином в легких не нарушается, так как концентрация его относительно высока. Однако в тканях за счет 2,3-дифосфоглицерата отдача кислорода возрастает в 2 раза.

Углеводы. Классификация. Функции

Углеводами - называют органические соединения, состоящие из углерода (C), водорода (H) и кислорода(O2). Общая формула таких углеводов Cn(H2O)m. Примером может служить глюкоза (С6Н12О6)

С точки зрения химии углеводы являются органическими веществами, содержащими неразветвленную цепь из нескольких атомов углерода, карбонильную группу (C=O), а также несколько гидроксильных групп(OH).

В организме человека углеводы производятся в незначительном количестве, поэтому основное их количество поступает в организм с продуктами питания.

Виды углеводов.

Углеводы бывают:

1) Моносахариды (самые простые формы углеводов)

Глюкоза С6Н12О6 (основное топливо в нашем организме)

Фруктоза С6Н12О6 (самый сладкий углевод)

Рибоза С5Н10О5 (входит в состав нуклеиновых кислот)

Эритроза С4H8O4 (промежуточная форма при расщеплении углеводов)

2) Олигосахариды (содержат от 2 до 10 остатков моносахаридов)

Сахароза С12Н22О11 (глюкоза + фруктоза, или в просто – тростниковый сахар)

Лактоза C12H22O11 (молочный сахар)

Мальтоза C12H24O12 (солодовый сахар, состоит из двух связанных остатков глюкозы)

110516_1305537009_Sugar-Cubes.jpg

3) Сложные углеводы (состоящие из множества остатков глюкозы)

Крахмал (С6H10O5)n (наиболее важный углеводный компонент пищевого рациона, человек потребляет из углеводов около 80% крахмала.)

Гликоген (энергетические резервы организма, излишки глюкозы, при поступлении в кровь, откладываются про запас организмом в виде гликогена)

крахмал12.jpg

4) Волокнистые, или неусваеваемые, углеводы, определяющиеся как пищевая клетчатка.

Целлюлоза (самое распостраненное органическое вещество на земле и вид клетчатки)

По простой классификации углеводы можно разделить на простые и сложные. В простые входят моносахариды и олигосахариды, в сложные полисахариды и клетчатка.

Основные функции.

Энергетическая.

Углеводы являются основным энергетическим материалом. При распаде углеводов высвобождаемая энергия рассеивается в виде тепла или накапливается в молекулах АТФ. Углеводы обеспечивают около 50 – 60 % суточного энергопотребления организма, а при мышечной деятельности на выносливость - до 70 %. При окислении 1 г углеводов выделяется 17 кДж энергии (4,1 ккал). В качестве основного энергетического источника в организме используется свободная глюкоза или запасенные углеводы в виде гликогена. Является основным энергетическим субстратом мозга.

Пластическая.

Углеводы (рибоза, дезоксирибоза) используются для построения АТФ, АДФ и других нуклеотидов, а также нуклеиновых кислот. Они входят в состав некоторых ферментов. Отдельные углеводы являются структурными компонентами клеточных мембран. Продукты превращения глюкозы (глюкуроновая кислота, глюкозамин и др.) входят в состав полисахаридов и сложных белков хрящевой и других тканей.

Запас питательных веществ.

Углеводы накапливаются (запасаются) в скелетных мышцах, печени и других тканях в виде гликогена. Систематическая мышечная деятельность приводит к увеличению запасов гликогена, что повышает энергетические возможности организма.

Специфическая.

Отдельные углеводы участвуют в обеспечении специфичности групп крови, исполняют роль антикоагулянтов (вызывающие свертывание), являясь рецепторами цепочки гормонов или фармакологических веществ, оказывая противоопухолевое действие.

Защитная.

Сложные углеводы входят в состав компонентов иммунной системы; мукополисахариды находятся в слизистых веществах, которые покрывают поверхность сосудов носа, бронхов, пищеварительного тракта, мочеполовых путей и защищают от проникновения бактерий и вирусов, а также от механических повреждений.

Регуляторная.

Клетчатка пищи не поддается процессу расщепления в кишечнике, однако активирует перистальтику кишечного тракта, ферменты, использующиеся в пищеварительном тракте, улучшая пищеварение и усвоение питательных веществ.

Углеводами называют вещества с общей формулой C n (H 2 O) m , где n и m могут иметь разные значения. Название «углеводы» отражает тот факт, что водород и кислород присутствуют в молекулах этих веществ в том же соотношении, что и в молекуле воды. Кроме углерода, водорода и кислорода, производные углеводов могут содержать и другие элементы, например азот.

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

Выделяют три группы углеводов:

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

Моносахариды (простые сахара)

В зависимости от длины углеродного скелета (количества атомов углерода) моносахариды разделяют на триозы (C 3), тетрозы (C 4), пентозы (C 5), гексозы (C 6), гептозы (C 7).

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

Моносахариды хорошо растворяются в воде, сладкие на вкус.

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

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

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

Олигосахариды

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

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

Полисахариды

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

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

Наиболее важными полисахаридами являются следующие.

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

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

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

Хитин образован молекулами β-глюкозы, в которой спиртовая группа при втором атоме углерода замещена азотсодержащей группой NHCOCH 3 . Его длинные параллельные цепи так же, как и цепи целлюлозы, собраны в пучки.

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

Функции углеводов

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

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

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

Метаболическая . Пентозы участвуют в синтезе нуклеотидов (рибоза входит в состав нуклеотидов РНК, дезоксирибоза - в состав нуклеотидов ДНК), некоторых коферментов (например, НАД, НАДФ, кофермента А, ФАД), АМФ; принимают участие в фотосинтезе (рибулозодифосфат является акцептором СO 2 в темновой фазе фотосинтеза).

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

Одну из наиболее важных функций в живых организмах выполняют углеводы. Они являются источником энергии и участвуют в метаболизме.

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 - C n (H 2 O) 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.

Виды

Углеводы - многочисленная группа органических веществ. Они классифицируются по двум признакам:

• количеству атомов углерода;
• количеству структурных единиц.

В зависимости от количества атомов углерода в одной молекуле (структурной единице) выделяют:

• триозы;
• тетрозы;

• пентозы;
• гексозы;
• гептозы.

Молекула может включать до девяти атомов углерода. Наиболее значимыми являются пентозы (C 5 H 10 O 5) и гексозы (C 6 H 12 O 6). Пентозы являются компонентами нуклеиновых кислот. Гексозы входят в состав полисахаридов.

Рис. 1. Структура моносахарида.

По второму признаку классификации углеводы бывают:

• простыми , состоящими из одной молекулы или структурной единицы (моносахариды);
• сложными , включающими множество молекул (олигосахариды, полисахариды).

Особенности сложных структур описаны в таблице углеводов.

Рис. 2. Структура полисахарида.

Одна из наиболее значимых разновидностей олигосахаридов - дисахариды, состоящие из двух моносахаридов. Они служат источником глюкозы и выполняют строительную функцию в растениях.

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:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 +6H 2 O.

В отсутствии кислорода под действием ферментов происходит брожение:

• спиртовое -

  C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH (этанол) + 2CO 2 ;

• молочнокислое -

  C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 -CH(OH)-COOH (молочная кислота).

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

(C 6 H 10 O 5)n + 6O 2 → 6nCO 2 + 5nH 2 O.

Олигосахариды и полисахариды разлагаются до моносахаридов при гидролизе:

• C 12 H 22 O 11 + H 2 O → C 6 H 12 O 6 + C 6 H 12 O 6 ;
• (C 6 H 10 O 5)n + nH 2 O → nC 6 H 12 O 6 .

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

• CH 2 OH-(CHOH) 4 -CH=O + 2Cu(OH) 2 → CH 2 OH-(CHOH) 4 -COOH + Cu 2 O↓ + 2H 2 O;
• CH 2 OH-(CHOH) 4 -CH=O + 2OH → CH 2 OH-(CHOH) 4 -COONH 4 + 2Ag↓ +3NH 3 + H 2 O.

Рис. 3. Реакция серебряного зеркала.

Что мы узнали?

Из темы химии 10 класса узнали об углеводах. Это биоорганические соединения, состоящие из одной или нескольких структурных единиц. Одна единица или молекула состоит из карбонильных и гидроксильных групп. Различают моносахариды, состоящие из одной молекулы, олигосахариды, включающие 2-10 молекул, и полисахариды - длинные цепочки из множества моносахаридов. Углеводы сладкие на вкус и хорошо растворимы в воде (исключение - полисахариды). Моносахариды растворяются в воде, окисляются, взаимодействуют с гидроксидом меди и аммиачным оксидом серебра. Полисахариды и олигосахариды подвергаются гидролизу. Полисахариды горят.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 127.