Що таке вуглеводи, роль вуглеводів в організмі людини

Хімічні властивості клітин, що входять до складу живих організмів, залежать насамперед від кількості атомів вуглецю, що становлять до 50% сухої маси. Атоми карбону перебувають в головних органічних речовинах: білках, нуклеїнових кислотах, ліпідах і вуглеводах. До останньої групи належать сполуки карбону і води, відповідні формулою (CH₂O)_n , де n дорівнює або більше трьох. Крім вуглецю, гідрогену та Оксиген, до складу молекул можуть входити атоми фосфору, азоту, сірки. У даній статті ми вивчимо роль вуглеводів в організмі людини, а також особливості їх будови, властивостей і функцій.

Відео: Роль різних видів вуглеводів в харчуванні людини

Класифікація

Дану групу сполук в біохімії поділяють на три класи: прості цукри (моносахариди), полімерні сполуки з гликозидной зв`язком - олігосахариди і біополімери з великою молекулярною масою - полісахариди. Речовини вищеназваних класів зустрічаються в різних видах клітин. Наприклад, крохмаль і глюкоза є в рослинних структурах, глікоген - в гепатоцитах людини і клітинних стінках грибів, хітин - в зовнішньому скелеті членистоногих. Всі перераховані вище речовини - це вуглеводи. Роль вуглеводів в організмі універсальна. Вони - основний постачальник енергії для життєвих проявів клітин рослин, бактерій, тварин і людини.

моносахариди

Мають спільну формулу C_nH_2nO_n і діляться на групи в залежності від кількості атомів карбону в молекулі: тріози, тетрози, пентози і так далі. У складі клітинних органел і цитоплазмі прості цукри мають дві просторові конфігурації: циклічну і лінійну. У першому випадку атоми вуглецю з`єднуються один з одним ковалентними сигма-зв`язками і утворюють замкнуті цикли, у другому випадку вуглецевий скелет не замкнутий і може мати розгалуження. Щоб визначити, яка роль вуглеводів в організмі, розглянемо найбільш поширені з них - пентози і гексози.

Ізомери: глюкоза і фруктоза

Вони мають однакову молекулярну формулу C₆H₁₂O₆, але різні структурні види молекул. Раніше ми вже називали головну роль вуглеводів в живому організмі - енергетичну. Вищеназвані речовини розщеплюються кліткою. В результаті відбувається виділення енергії (17,6 кДж з одного грама глюкози). Крім цього, синтезується 36 молекул АТФ. Розпад глюкози відбувається на мембранах (кристах) мітохондрій і являє собою ланцюг ферментативних реакцій - Цикл Кребса. Він є найважливішою ланкою дисиміляції, що протікає у всіх без винятку клітинах гетеротрофних еукаріотичних організмів.

Глюкоза утворюється також в міоцитах ссавців внаслідок розщеплення в м`язовій тканині запасу глікогену. Надалі вона використовується як легко розпадається речовина, так як забезпечення клітин енергією - це основна роль вуглеводів в організмі. Рослини є фототрофів і самостійно утворюють глюкозу в процесі фотосинтезу. Ці реакції називаються циклом Кальвіна. Вихідною речовиною служить вуглекислий газ, а акцептором - ріболёзодіфосфат. Синтез глюкози відбувається в матриксі хлоропластів. Фруктоза, маючи таку ж молекулярну формулу, як і глюкоза, містить в молекулі функціональну групу кетонів. Вона солодша, ніж глюкоза, і знаходиться в меді, а також соку ягід і фруктів. Таким чином, біологічна роль вуглеводів в організмі полягає насамперед у використанні їх в якості швидкого джерела отримання енергії.

Відео: Всі про пітаніі.Углеводи.Деніс Семеніхін

Роль пентоз в спадковості

Зупинимося ще на одній групі моносахаридів - рибозе і дезоксирибози. Їх унікальність полягає в тому, що вони входять до складу полімерів - нуклеїнових кислот. Для всіх організмів, включаючи неклітинні форми життя, ДНК і РНК є головними носіями спадкової інформації. Рибоза входить в молекули РНК, а дезоксирибоза міститься в нуклеотидах ДНК. Отже, біологічна роль вуглеводів в організмі людини полягає в тому, що вони беруть участь в утворенні одиниць спадковості - генів і хромосом.

Прикладами пентоз, що містять альдегідну групу і поширених в рослинному світі, є ксилоза (міститься в стеблах і насінні), альфа-арабиноза (знаходиться в камеді кісточкових плодових дерев). Таким чином, поширення і біологічна роль вуглеводів в організмі вищих рослин досить великі.

Що таке олігосахариди

Якщо залишки молекул моносахаридів, наприклад, таких як глюкоза або фруктоза, пов`язані ковалентними зв`язками, то утворюються олігосахариди - полімерні вуглеводи. Роль вуглеводів в організмі як рослин, так і тварин різноманітна. Особливо це стосується дисахаридов. Найбільш поширені серед них сахароза, лактоза, мальтоза і трегалоза. Так, сахароза, яку називають тростинним або буряковим цукром, міститься в рослинах у вигляді розчину і запасається в їх коренеплодах або стеблах. В результаті гідролізу утворюються молекули глюкози і фруктози. Молочний цукор, лактоза, має тваринне походження. У деяких людей спостерігається непереносимість цієї речовини, пов`язана з гіпосекреціей ферменту лактази, який розщеплює молочний цукор на галактозу і глюкозу. Роль вуглеводів життєдіяльності організму різноманітна. Наприклад, дисахарид трегалоза, що складається з двох залишків глюкози, входить до складу гемолімфи ракоподібних, павуків, комах. Також він зустрічається в клітинах грибів і деяких водоростей.

Ще один дисахарид - мальтоза, або солодовий цукор, міститься в зернівках жита або ячменю при їх проростанні, являє собою молекулу, що складається з двох залишків глюкози. Вона утворюється в результаті розпаду рослинного або тваринного крохмалю. У тонкому кишечнику людини і ссавців мальтоза розщеплюється під дією ферменту - мальтази. При його відсутності в панкреатическом соку виникає патологія, обумовлена непереносимістю в продуктах харчування глікогену або рослинного крохмалю. У цьому випадку використовують спеціальну дієту і додають в раціон харчування сам фермент.

Складні вуглеводи в природі

Вони поширені дуже широко, особливо в рослинному світі, є биополимерами і мають велику молекулярну масу. Наприклад, в крохмалі вона дорівнює 800 000, а в целюлозі посилання - 1 600 000. Полісахариди відрізняються між собою складом мономерів, ступенем полімеризації, а також довжиною ланцюгів. На відміну від простих цукрів і олігосахаридів, які добре розчиняються у воді і мають солодкуватий смак, полісахариди гідрофобні і несмачні. Розглянемо роль вуглеводів в організмі людини на прикладі глікогену - тваринного крохмалю. Він синтезується з глюкози і резервується в гепатоцитах і клітинах скелетних м`язів, де його зміст в два рази вище, ніж в печінці. До утворення глікогену здатні також підшкірна жирова клітковина, нейроцита і макрофаги. Інший полісахарид - рослинний крохмаль, є продуктом фотосинтезу і утворюється в зелених пластидах.

З самого початку людської цивілізації головними постачальниками крохмалю були цінні сільськогосподарські культури: рис, картопля, кукурудза. Вони до сих пір є основою харчового раціону переважної більшості жителів Землі. Саме тому так цінні вуглеводи. Роль вуглеводів в організмі складається, як ми бачимо, в їх застосуванні в якості енергоємних і швидко засвоюваних органічних речовин.

Існує група полісахаридів, мономерами яких є залишки гіалуронової кислоти. Вони називаються пектинами і є структурними речовинами клітин рослин. Особливо багаті на них шкірка яблук, буряковий жом. Клітинні речовини пектини регулюють внутрішньоклітинний тиск - тургор. У кондитерській промисловості вони використовуються як желеобразующіе речовини і загусники при виробництві високоякісних сортів зефіру і мармеладу. У дієтичному харчуванні застосовуються як біологічно активні речовини, добре виводять токсини з товстого кишечника.

Що таке гліколіпіди

Це цікава група комплексних сполук вуглеводів і жирів, що знаходяться в нервовій тканині. З неї складається головний і спинний мозок ссавців. Гліколіпіди зустрічаються також у складі клітинних мембран. Наприклад, у бактерій вони беруть участь в міжклітинних контактах. Частина цих з`єднань є антигенами (речовини, що виявляють групи крові системи Ландштейнера АБ0). У клітинах тварин, рослин і людини, крім гликолипидов, присутні і самостійні молекули жирів. Вони виконують перш за все енергетичну функцію. При розщепленні одного грама жиру виділяється 38,9 кДж енергії. Для ліпідів характерна також структурна функція (входять до складу клітинних мембран). Таким чином, ці функції виконують вуглеводи і жири. Їх роль в організмі виключно велика.

Роль вуглеводів і ліпідів в організмі

У клітинах людини і тварин можуть спостерігатися взаємні перетворення полісахаридів і жирів, що відбуваються в результаті обміну речовин. Вченими-дієтологами встановлено, що надмірне споживання крахмалистой їжі призводить до накопичення жиру. Якщо людина має порушення з боку підшлункової залози в плані виділення амілази або веде малорухливий спосіб життя, його вага може сильно збільшитися. Варто пам`ятати, що багата вуглеводами їжа розщеплюється в основному у дванадцятипалій кишці до глюкози. Вона всмоктується капілярами ворсинок тонкого кишечника і депонується в печінці і м`язах у вигляді глікогену. Чим інтенсивніший обмін речовин в організмі, тим активніше він розщеплюється до глюкози. Потім вона використовується клітинами як основний енергетичний матеріал. Дана інформація служить відповіддю на питання про те, яку роль відіграє вуглеводи організмі людини.

значення гликопротеидов

З`єднання цієї групи речовин представлені комплексом вуглевод + білок. Їх ще називають глікокон`югатамі. Це антитіла, гормони, мембранні структури. Новітніми біохімічними дослідженнями встановлено: якщо глікопротеїди починають змінювати свою нативну (природну) структуру, це призводить до розвитку таких складних захворювань, як астма, ревматоїдний артрит, рак. Роль глікокон`югатов в метаболізмі клітини велика. Так, інтерферони пригнічують розмноження вірусів, імуноглобуліни захищають організм від патогенних агентів. Білки крові також відносяться до цієї групи речовин. Вони забезпечують захисні і буферні властивості. Всі перераховані вище функції підтверджує той факт, що фізіологічна роль вуглеводів в організмі різноманітна і надзвичайно важлива.

Де і як утворюються вуглеводи

Основні постачальники простих і складних цукрів - це зелені рослини: водорості, вищі спорові, голонасінні і квіткові. Всі вони містять в клітинах пігмент хлорофіл. Він входить до складу тилакоидов - структур хлоропластів. Російський вчений К. А Тімірязєв вивчив процес фотосинтезу, в результаті якого утворюються вуглеводи. Роль вуглеводів в організмі рослини полягає в накопиченні крохмалю в плодах, насінні і цибулинах, тобто в вегетативних органах. Механізм фотосинтезу достатньо складний і складається з серії ферментативних реакцій, що протікають як на світлі, так і в темряві. Глюкоза синтезується з вуглекислого газу під дією ферментів. Гетеротрофні організми використовують зелені рослини в якості джерела їжі і енергії. Таким чином, саме рослини є першою ланкою у всіх трофічних ланцюгах і називаються продуцентами.

У клітинах гетеротрофних організмів вуглеводи синтезуються на каналах гладкої (гладкий) ендоплазматичної мережі. Потім вони використовуються як енергетичний і будівельний матеріал. У рослинних клітинах вуглеводи додатково утворюються в комплексі Гольджі, а потім йдуть на формування целюлозної клітинної стінки. В процесі травлення хребетних тварин сполуки, багаті вуглеводами, частково розщеплюються в ротовій порожнині та шлунку. Основні ж реакції дисиміляції відбуваються в дванадцятипалій кишці. У неї виділяється панкреатичний сік, який містить фермент амілазу, що розщеплює крохмаль до глюкози. Як вже було раніше сказано, глюкоза всмоктується в кров у тонкому кишечнику і розноситься по всіх клітках. Тут вона використовується як джерело енергії і структурний речовина. Це пояснює, яку роль в організмі відіграють вуглеводи.

Надмембранний комплекси гетеротрофних клітин

Вони характерні для тварин і грибів. Хімічний склад і молекулярна організація цих структур представлені такими сполуками, як ліпіди, білки і вуглеводи. Роль вуглеводів в організмі - це участь в енергетичному обміні і побудові мембран. У клітинах людини і тварин є особливий структурний компонент, званий гликокаликсом. Цей тонкий поверхневий шар складається з гликолипидов і глікопротеїдів, пов`язаних з цитоплазматичної мембраною. Він забезпечує безпосередній зв`язок клітин з зовнішнім середовищем. Тут же відбувається сприйняття подразнень і позаклітинне травлення. Завдяки своїй вуглеводної оболонці клітини злипаються один з одним, утворюючи тканини. Це явище називається адгезією. Додамо також, що «хвости» вуглеводних молекул знаходяться над поверхнею клітини і спрямовані в міжтканинна рідина.

Інша група гетеротрофних організмів - гриби, також має поверхневий апарат, званий клітинною стінкою. У неї входять складні цукру - хітин, глікоген. Деякі види грибів містять також розчинні вуглеводи, наприклад трегалозу, звану грибним цукром.

У одноклітинних тварин, таких як інфузорії, поверхневий шар - пелликула, також містить комплекси олигосахаридов з білками і ліпідами. У деяких найпростіших пелликула досить тонка і не заважає зміні форми тіла. А у інших вона потовщується і стає міцною, як панцир, виконуючи захисну функцію.

Клітинна стінка рослин

Вона також містить велику кількість вуглеводів, особливо целюлози, зібраної у вигляді пучків волокон. Ці структури формують каркас, занурений в колоїдний матрикс. Він складається в основному з оліго- і полісахаридів. Клітинні стінки рослинних клітин можуть одревесневать. В цьому випадку проміжки між пучками целюлози заповнюються іншим вуглеводом - лігніном. Він посилює опорні функції клітинної оболонки. Часто, особливо у багаторічних деревних рослин, зовнішній шар, що складається з целюлози, покривається жироподібним речовиною - суберином. Він перешкоджає попаданню всередину рослинних тканин води, тому що пролягають нижче клітини швидко відмирають і покриваються шаром пробки.

Підсумовуючи вищесказане, ми бачимо, що в клітинній стінці рослин тісно взаємопов`язані вуглеводи і жири. Їх роль в організмі фототрофов важко недооцінити, так як гліколіпідние комплекси забезпечують опорну і захисну функції. Вивчимо різноманітність вуглеводів, характерних для організмів царства дробянки. До нього відносяться прокаріоти, зокрема бактерії. Їх клітинна стінка містить вуглевод - муреин. Залежно від будови поверхневого апарату бактерії поділяють на грампозитивні і грамнегативні.

Будова другої групи більш складне. Ці бактерії мають два шари: пластичний і ригідний. Перший містить мукополісахариди, наприклад муреин. Його молекули мають вигляд великих сітчастих структур, що утворюють капсулу навколо бактеріальної клітини. Другий шар складається з пептидоглікану - з`єднання полісахаридів і білків.

Ліпополісахариди клітинної стінки дозволяють бактеріям міцно прикріплятися до різних субстратів, наприклад, до зубної емалі або до мембрани еукаріотичних клітин. Крім цього, гліколіпіди сприяють злипанню бактеріальних клітин між собою. Таким шляхом утворюються, наприклад, ланцюжки стрептококів, грона стафілококів, більш того, деякі види прокаріотів мають додаткову слизову оболонку - пеплос. Вона містить в своєму складі полісахариди і легко руйнується під дією жорсткого радіаційного випромінювання або при контакті з деякими хімічними речовинами, наприклад антибіотиками.