Властивості і будова вуглеводів. Функції вуглеводів

Для організму людини, так само як і інших живих істот, необхідна енергія. Без неї неможливе протікання ніяких процесів. Адже кожна біохімічна реакція, будь ферментативний процес або етап метаболізму потребує енергетичному джерелі.

Тому значення речовин, що надають організму сили на життя, дуже велика і важлива. Які ж це речовини? Вуглеводи, білки, жири. Будова кожного з них різна, вони відносяться до абсолютно різних класів хімічних сполук, але одна з їхніх функцій схожа - забезпечення організму необхідною енергією для життєдіяльності. Розглянемо одну групу з перерахованих речовин - вуглеводи.

Класифікація вуглеводів

Склад і будова вуглеводів з моменту їх відкриття визначалися їх назвою. Адже, за раннім джерелам, вважалося, що це така група сполук, у структурі яких присутні атоми вуглецю, пов`язані з молекулами води.

Більш ретельний аналіз, а також накопичені відомості про різноманітність даних речовин дозволили довести, що не всі представники мають тільки такий склад. Проте ця ознака і раніше один з тих, що визначає будову вуглеводів.

Сучасна класифікація даної групи сполук виглядає наступним чином:

1. Моносахариди (рибоза, фруктоза, глюкоза і так далі).
2. Олігосахариди (біоз, тріози).
3. Полісахариди (крохмаль, целюлоза).

Також всі вуглеводи можна розділити на дві наступні великі групи:

• восстанавлівающіе;
• невідновлювальних.

Будова молекул вуглеводів кожної групи розглянемо докладніше.

Моносахариди: характеристика

До даної категорії відносяться всі прості вуглеводи, які містять альдегідну (альдози) або кетонну (кетози) угруповання і не більше 10 атомів вуглецю в будові ланцюга. Якщо дивитися по кількості атомів в основному ланцюзі, то моносахариди можна розділити на:

• тріози (гліцериновий альдегід) ;
• тетрози (ерітрулоза, еритроза) ;
• пентози (рибоза і дезоксирибоза) ;
• гексози (глюкоза, фруктоза).

Всі інші представники мають не настільки важливе значення для організму, як перераховані.

Особливості будови молекул

За своєю будовою монози можуть бути представлені як у вигляді ланцюжка, так і у формі циклічного вуглеводу. Як це відбувається? Вся справа в тому, що центральний атом вуглецю в з`єднанні є асиметричною центром, навколо якого молекула в розчині здатна обертатися. Так формуються оптичні ізомери моносахаридів L- і D-форми. При цьому формулу глюкози, записану у вигляді прямої ланцюжка, можна подумки вхопити за альдегидную угруповання (або кетонну) і згорнути в клубок. Вийде відповідна циклічна формула.

Хімічну будову вуглеводів ряду моноз досить просте: ряд вуглецевих атомів, що утворюють ланцюг або цикл, від кожного з яких по різні або по одну сторону розташовуються гідроксильні угруповання і атоми водню. Якщо все однойменні структури по одну сторону, то тоді формується D-ізомер, якщо по різні з чергуванням один одного - тоді L-ізомер. Якщо записати загальну формулу найпоширенішого представника моносахаридів глюкози в молекулярному вигляді, то вона буде мати вигляд: С₆Н₁₂Про₆. Причому ця запис відображає будову і фруктози теж. Адже хімічно ці дві монози - структурні ізомери. Глюкоза - Альдегідоспирти, фруктоза - кетоспірт.

Будова і властивості вуглеводів ряду моносахаридів тісно взаємопов`язані. Адже через наявність альдегідної і кетонної угруповання у складі структури вони відносяться до альдегидо- і кетоноспірти, що і визначає їх хімічну природу і реакції, в які вони здатні вступати.

Так, глюкоза виявляє наступні хімічні властивості:

1. Реакції, обумовлені наявністю карбонільної групи:

• окислення - реакція "срібного дзеркала" ;
• зі свіжоосадженого гідроксидом міді (II) - альдоновая кислота;
• сильні окислювачі здатні сформувати двохосновні кислоти (альдаровие), перетворюючи не тільки альдегидную, а й одну гідроксильну группіровку;
• відновлення - перетвориться в багатоатомні спирти.

2. У молекулі присутні і гідроксильні групи, що відображає будову. Властивості вуглеводів, на які впливають дані угруповання:

• здатність до алкілування - утворення простих ефіров;
• ацилирование - формування складних ефірів;
• якісна реакція на гідроксид міді (II).

3. Вузькоспецифічні властивості глюкози:

• маслянокіслое;
• спіртовое;
• молочнокисле бродіння.

Їх функції в організмі

Будову і функції вуглеводів ряду моноз тісно пов`язані. Останні полягають, насамперед, в участі у біохімічних реакціях живих організмів. Яку ж роль відіграють моносахариди в цьому?

1. Основа для виробництва олиго- і полісахаридів.
2. Пентози (рибоза і дезоксирибоза) - найважливіші молекули, що беруть участь в утворенні АТФ, РНК, ДНК. А вони, в свою чергу, головні постачальники спадкового матеріалу, енергії і білка.
3. Концентраційне вміст глюкози в крові людини - вірний показник осмотичного тиску і його змін.

Олігосахариди: будова

Будова вуглеводів даної групи зводиться до наявності двох (діози) або трьох (тріози) молекул моносахаридів у складі. Існують і ті, у складі яких 4, 5 і більше структур (до 10), однак найпоширенішими є дисахариди. Тобто при гідролізі такі сполуки розпадаються з утворенням глюкози, фруктози, пентози і так далі. Які сполуки відносяться до цієї категорії? Типовий приклад - це сахароза (звичайний тростинний цукор), лактоза (основний компонент молока), мальтоза, лактулоза, изомальтоза.

Хімічну будову вуглеводів цього ряду володіє наступними особливостями:

1. Загальна формула молекулярного виду: З₁₂Н₂₂Про_11.
2. Два однакових або різних залишку монози в структурі дисахарида з`єднуються між собою за допомогою гликозидного містка. Від характеру цього з`єднання буде залежати відновлює здатність цукру.
3. Відновлюючі дисахариди. Будова вуглеводів даного типу полягає в утворенні гликозидного містка між гідроксилом альдегідної і гідроксильної групи різних молекул моноз. Сюди відносяться: мальтоза, лактоза і так далі.
4. Невідновлювальних - типовий приклад сахароза - коли місток формується між гідроксилом тільки відповідних груп, без участі альдегідної структури.

Таким чином, будова вуглеводів коротко можна представити у вигляді молекулярної формули. Якщо ж необхідна детальна розгорнута структура, то зобразити її можна за допомогою графічних проекцій Фішера або формул Хеуорса. А конкретно два циклічних мономера (монози) або різні, або однакові (залежить від олігосахариду), з`єднані між собою гликозидная містком. При побудові слід враховувати відновлює здатність для правильного відображення зв`язку.

Приклади молекул дисахаридів

Якщо завдання стоїть у формі: "Відзначте особливості будови вуглеводів", то для дисахаридов найкраще спочатку вказати, з яких залишків моноз він складається. Найпоширеніші типи такі:

• сахароза - побудована з альфа-глюкози і бета-фруктози;
• мальтоза - із залишків глюкози;
• целлобиоза - складається з двох залишків бета-глюкози D-форми;
• лактоза - галактоза + глюкоза;
• лактулоза - галактоза + фруктоза і так далі.

Потім за наявними залишками слід складати структурну формулу з чітким прописуванням типу гликозидного містка.

Значення для живих організмів

Дуже велика і роль дисахаридів, важливо не тільки будову. Функції вуглеводів і жирів в цілому схожі. В основі лежить енергетична складова. Проте для деяких окремих дисахаридов слід вказати їх особливе значення.

1. Сахароза - головне джерело глюкози в організмі людини.
2. Лактоза міститься в грудному молоці ссавців, у тому числі в жіночому до 8%.
3. Лактулоза виходить в лабораторії для використання в медичних цілях, а також додається у виробництві молочних продуктів.

Будь дисахарид, трисахарид і так далі в організмі людини та інших істот піддається моментальному гідролізу з утворенням моноз. Саме ця особливість і лежить в основі використання цього класу вуглеводів людиною у сирому, незмінному вигляді (буряковий або тростинний цукор).

Полісахариди: особливості молекул

Функції, склад і будова вуглеводів даного ряду мають велике значення для організмів живих істот, а також для господарської діяльності людини. По-перше, слід розібратися, які ж вуглеводи відносяться до полісахаридів.

Їх досить багато:

• крохмаль;
• глікоген;
• муреін;
• глюкоманнан;
• целлюлоза;
• декстрін;
• галактоманнан;
• муромін;
• пектинові речовини;
• амілоза;
• хітин.

Це не повний список, а тільки самі значущі для тварин і рослин. Якщо виконувати завдання "Відзначте особливості будови вуглеводів ряду полісахаридів", то в першу чергу слід звернути увагу на їх просторову структуру. Це дуже об`ємні, гігантські молекули, що складаються з сотень мономерних ланок, зшитих між собою глікозіднимі хімічними зв`язками. Найчастіше будова молекул вуглеводів полісахаридів являє собою шаруваті композиції.

Існує певна класифікація таких молекул.

1. Гомополісахариди - складаються з однакових багаторазово повторюваних ланок моносахаридів. Залежно від монози можуть бути гексоз, пентоз і так далі (глюкани, Манна, галактани).
2. Гетерополісахариди - утворені різними мономірними ланками.

До сполук з лінійною просторовою структурою слід відносити, наприклад, целюлозу. Розгалужене будова має більшість полісахаридів - крохмаль, глікоген, хітин і так далі.

Роль в організмі живих істот

Будову і функції вуглеводів цієї групи тісно пов`язані з життєдіяльністю всіх істот. Так, наприклад, рослини у вигляді запасного поживної речовини накопичують в різних частинах пагона або кореня крохмаль. Основне джерело енергії для тварин - знову ж полісахариди, при розщепленні яких утворюється досить багато енергії.

Вуглеводи в будові клітини грають дуже значиму роль. З хітину складається покрив багатьох комах і ракоподібних, муреин - компонент клітинної стінки бактерій, целюлоза - основа рослин.

Запасне поживна речовина тваринного походження - це молекули глікогену, або, як його частіше називають, тваринного жиру. Він запасається в окремих частинах організму і виконує не тільки енергетичну, але і захисну функцію від механічних впливів.

Для більшості організмів має велике значення будову вуглеводів. Біологія кожної тварини і рослини така, що вимагає постійного джерела енергії, невичерпного. А це можуть дати тільки вони, причому найбільше саме у формі полісахаридів. Так, повне розщеплення 1 г вуглеводу в результаті метаболічних процесів призводить до вивільнення 4,1 ккал енергії! Це максимум, більше не дає ні одне з`єднання. Саме тому вуглеводи обов`язково повинні бути присутніми в раціоні будь-якої людини і тварини. Рослини ж піклуються про себе самі: в процесі фотосинтезу вони формують всередині себе крохмаль і запасають його.

Загальні властивості вуглеводів

Будова жирів, білків і вуглеводів в цілому схоже. Адже всі вони є макромолекулами. Навіть деякі їхні функції мають спільну природу. Слід узагальнити роль і значення всіх вуглеводів в житті біомаси планети.

1. Склад і будова вуглеводів увазі використання їх в якості будівельного матеріалу для оболонки рослинних клітин, мембрани тварин і бактеріальних, а також освіти внутрішньоклітинних органел.
2. Захисна функція. Характерна для рослинних організмів і виявляється у формуванні у них шипів, колючок і так далі.
3. Пластична роль - утворення життєво важливих молекул (ДНК, РНК, АТФ та інших).
4. Рецепторная функція. Полісахариди і олігосахариди - активні учасники транспортних переносів через клітинну мембрану, "правоохоронці", що вловлюють впливу.
5. Енергетична роль найбільш значуща. Надає максимум енергії для всіх внутрішньоклітинних процесів, а також роботи всього організму в цілому.
6. Регуляція осмотичного тиску - глюкоза здійснює такий контроль.
7. Деякі полісахариди стають запасним живильною речовиною, джерелом енергії для тварин істот.

Таким чином, очевидно, що будова жирів, білків і вуглеводів, їх функції та роль в організмах живих систем мають вирішальне і визначальне значення. Дані молекули - творці життя, вони ж її зберігають і підтримують.

Вуглеводи з іншими високомолекулярними сполуками

Також відома роль вуглеводів не в чистому вигляді, а в поєднанні з іншими молекулами. До таких можна віднести такі найпоширеніші, як:

• глікозаміноглікани або мукополісахаріди;
• глікопротеїни.

Будова і властивості вуглеводів такого виду досить складне, адже в комплекс з`єднуються самі різні функціональні групи. Основна роль молекул цього типу - участь у багатьох життєвих процесах організмів. Представниками є: гіалуронова кислота, хондроітінсульфат, гепаран, кератан-сульфат та інші.

Також існують комплекси полісахаридів з іншими біологічно активними молекулами. Наприклад, глікопротеїди або ліпополісахариди. Їх існування має важливе значення при формуванні імунологічних реакцій організму, так як вони входять до складу клітин лімфатичної системи.