Дисахариди

►Найбільш поширеними серед дисахаридів є мальтоза (солодовий цукор), лактоза (молочний цукор), сахароза (буряковий цукор), загальна формула яких С11Н22О11.

►За будовою та хімічними властивостями дисахариди розподіляють на відновні та невідновні.

►Молекули відновних дисахаридів можна розглядати як такі, що утворені за рахунок виділення води з напівацетального гідроксилу одного моносахариду й одного з спиртових гідроксилів іншого. Вони мають один напівацетальний гідроксил і подібно до моносахаридів виявляють відновні властивості. До цієї групи належать мальтоза, лактоза.

Мальтоза складається з двох залишків а-Б-глюкози, сполучених 1,4-глікозидним зв'язком:

або

У розчинах мальтоза може існувати в двох таутомерних формах - циклічний (α-D-глюкопіранозил-(1,4)-глюкопіраноза) та альдегідній, які перебувають у динамічній рівновазі:

Мальтоза (циклічна форма) Мальтоза (альдегідна форма)

! Мальтоза у вільному стані не зустрічається. її добувають гідролізом крохмалю ферментами а-амілазами, які містяться у солоді, тобто, у пророслих зернах злаків. Мальтоза виділяється у кристалічному стані, добре розчинна у воді, зброджується дріжджами.

Лактоза, або β-D-галакгопіранозил- (1,4) - D-глюкоігіраноза:

В кристалічному стані лактоза має циклічну будову, а в розчинах існує в двох таутомерних формах - циклічній і альдегідній, які зв'язані між собою динамічною рівновагаю:

Лактоза (циклічна форма) Лактоза (альдегідна форма)

! Лактоза міститься у молоці (4-5 %). Розщеплення лактози в тонкій кишці здійснюється під дією ферментів а, (3-глікозидаз.

► Дисахариди другої групи можна розглядати як такі, молекули яких утворені при виділенні води за рахунок двох

напівацетальних гідроксилів У молекулах таких дисахаридів нема напівацетального гідроксилу і вони не виявляють від­новних

властивостей. Представником цієї групи дисахаридів є сахароза.

Сахароза, або α-D-глюкопіранозил-(1,2)-β-D-фруктофураноза:

або

! Сахароза міститься в листі, насінні та плодах рослин. Особливо багато її у коренеплодах цукрових буряків (16- 20 %) та цукровій тростині (14-26%). За участю специфічних мікроорганізмів піддається різним видам бродіння.

Полісахариди

► Залежно від складу розрізняють гомополісахариди та гетерополісахариди. При гідролізі гомополісахариди утворюють однакові, а гетерополісахариди - різні за природою моносахариди.

Гомополісахариди

Крохмаль (С6Н₁₀О₅)n- біла аморфна речовина, у гарячій воді набухає, поступово розчиняється, при охолодженні утворює клейстер. Крохмаль багатьох рослин складається із двох фракцій: амілози (приблизно 25%) та амілопектину (приблизно 75%). Молекули амілози побудовані із залишків α-D-глюкопіранози, сполучених між собою 1,4-глікозидними зв'язками:

Амілоза має нерозгалужені молекули і молекулярну масу 30 - 400 тис, розчиняється у гарячій воді, а при охолодженні випадає в осад. Це дає змогу виділити її. При нагріванні клейстеру не утворює. У молекулі амілопектину залишки молекул глюкози сполучені не тільки за допомогою 1,4-глїкозидних зв'язків, а також у деяких випадках і за допомогою 1,6-глікозидних зв'язків:

Амілопектин має розгалужені молекули і вищу молекулярну масу - понад 2*10⁶. Амілопектин не розчиняється у холодній і погано розчиняється в гарячій воді. Його розчини мають велику в'язкість і при охолодженні перетворюються на гелеподібну масу. Йодом амінопектин забарвлюється у фіолетовий колір, а амілоза -в синій.

Глікоген (С6Н10О₅)n - біла аморфна речовина, розчиняється у воді. Молекула глікогену нагадує молекулу амілопектину, але більш розгалужена і має вищу молекулярну масу (від 200 млн - до кількох мільярдів). Глікоген є резервним полісахаридом тваринних організмів. Він накопичується у тканинах, особливо в печінці (до 20%) та м'язах (до 4 %). Ферментативне розщеплення глікогену здійснюється двома шляхами: гідролізом та фосфоролізом. Гідролітично розщеплюється α- амілазою з утворенням мальтози.

При фосфоролізі глікогену за участю фосфорилази (у печінці) утворюється глкжозо-1-фосфат.

З йодом глікоген дає червоно-фіолетове або червоно-коричневе забарвлення.

Целюлоза (С6Н100₅)п - тверда волокниста речовина, є складовою рослинних організмів. Вона не розчиняється ні у воді, ні у звичайних органічних розчинниках. Молекули целюлози побудовані із залишків β-D-глюкопіранози, сполучених між собою β-1,4-глікозидними зв'язками. В організмі людини целюлоза не засвоюється через відсутність ферменту целюлази. Целюлоза є важливим компонентом їжі, який забезпечує моторну та секреторну функції кишок. У харчовій промисловості застосовується метилцелюлоза як добавка до харчових продуктів.

Пектинові речовини знаходяться у тканинах фруктів, ягід, овочів та інших частинах рослин у виді природних високомолекулярних сполук, молекули яких складаються із залишків α-D-галактуронової кислоти, частково або повністю етерифікованих метиловим спиртом або фосфорною кислотою. Види пектинів розрізняють за ступенем етерифікації та довжиною полігалактуронових ланцюгів. Нерозчинний протопектин переходить у розчинний пектин тільки після обробки розбавленими кислотами або під дією ферменту протопектинази. При дозріванні та зберіганні різних плодів та овочів також спос­терігається утворення протопектину й поступовий його перехід у розчинний пектин. Із водного розчину пектин можна осадити спиртом або ацетоном. Його основу складає метоксшіьована полігалактуронова кислота:

Пектинові речовини (близько 1 %) при додаванні до сиропу сахарози спричиняють утворення драглів, що використовується у харчовій промисловості. їх застосовують при виготовленні мармеладу, пастили, желе. При певних умовах можливе утворення драглів у середовищах без сахарози низькометоксильованими пектинами. Пектинові речовини забезпечують зв'язування та видалення з організму токсичних сполук, іонів важких металів, радіонуклідів.

Гетерополісахариди

Гіалуронова кислота. До складу молекул гіалуронової кислоти входять залишки β-D-глюкуронової кислоти, N-ацетил-β-D-глюкозаміну та оцтової кислоти. Структура гіалуронової кислоти має вигляд:

Її молекулярна маса становить від 270 до 500 тис. Розчин гіалуронової кислоти має високу в'язкість. У тваринних організмах вона є цементуючим компонентом клітин і міжклітинної речовини, захищає клітини від попадання інфекції, отруйних речовин, бере участь у водному та іонному обміні.

Хондроїтинсірчана кислота. До складу молекул хондроїтинсірчаної кислоти входять залишки глюкуронової кислоти, N-ацетил-галактозаміну, оцтової та сірчаної кислоти.

Молекулярна маса складає 40000-50000. Вона входить до складу сполучної тканини, міститься у хрящах тваринних організмів. Із білками утворює комплекси, входить до складу клітинних мембран і зумовлює їх проникність.

Гепарин. Молекули гепарину складаються із залишків глюкуронової кислоти, α - D -глюкозаміну та сірчаної кислоти

Молекулярна маса складає 15000-20000. Гепарин в організмі людини бере участь в обміні ліпідів та білків, перешкоджає згортанню крові, спричиняє розширення судин, знижує кров'яний тиск. Гепарин використовується як антикоагулянт, наприклад, при консервуванні крові.

4. ПЕРЕТРАВЛЮВАННЯ ТА ВСМОКТУВАННЯ ВУГЛЕВОДІВ В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ

► Основні вуглеводи їжі: крохмаль, сахароза, глюкоза, фруктоза, харчові волокна (целюлоза, пектинові речовини)та деякі ін.

! Клітковина під дією ферментів мікроорганізмів (целюлаза, целобіаза) частково розщеплюється у товстій кишці до целобіози і глюкози, решта - виводиться з організму.

! Продукти розщеплення полісахаридів (моносахариди, головним чином у виді глюкози) всмоктуються з тонкої кишки в кров.

Гомеостаз (сталість) цукру в крові підтримується шляхом

Нормальний вміст глюкози в крові складає 80-90 мг на 100 см³ крові

Перетворення глюкози в глікоген, жир ► Забезпечує інсулін

Окиснення глюкози з виділенням енергії ► Анаеробне та аеробне окиснення (цьому процесу сприяє інсулін)

Виділення глюкози через нирки ► Якщо її вміст перевищує 160 мг на 100 см³ крові

!! При недостатній кількості інсуліну гальмується процес надходження глюкози з крові до клітин організму, що призводить, з однієї сторони, до зростання концентрації глюкози в крові, а з другої - до енергетичного голоду клітин. Організм компенсує нестачу енергії підвищеним розкладом жирних кислот та амінокислот, що призводить до накопичення кислих кетонових тіл (ацетилоцтова кислота, р-гідроксимасляна кислота, ацетон). При цьому розвивається ацидоз, що викликає діабетичну кому, інколи летальний кінець.

5. ВЗАЄМОПЕРЕТВОРЕННЯ МОНОСАХАРИДІВ В ОРГАНІЗМІ

Перетворення моносахаридів, які надходять у кров після ферментивного гідролізу вуглеводів, здійснюється за допомогою їх фосфорних ефірів (фруктози, галактози, манози тощо), які утворюються під дією ферментів кіназ за схемою:

Фруктоза ^{фосфофруктокіназа} Фруктозо -6 -фосфат

Взаємоперетворення моносахаридів в організмі шляхом фосфорилювання за участю АТФ

6. АНАЕРОБНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ВУГЛЕВОДІВ -ХІМІЗМ ГЛІКОЛІЗУ

С₆Н₁₂О₆> 2СН₃-СО-СООН+Q

глюкоза піровиноградна кислота

!! Анаеробне перетворення може починатись з глюкози (гліколіз) або глікогену(глікогеноліз).

!! Перша стадія гліколізу - накопичення простих вуглеводів і перетворення їх на гліцерофосфат, витрачається АТФ:

Етапи гліколізу (глікогенолізу)

!! Друга стадія гліколізу включає окисно-відновні реакції і реакції фосфорилювання, а вивільнена енергія акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ:

В аеробних умовах лактат знову перетворюється на піруват і використовується на біосинтез глюкози в печінці.

В процессі гліколізу з 1 молекули глюкози утворюється 8 молекул АТФ. ККД анаеробного етапу окиснення глюкози складає ~ 4%.

7. АЕРОБНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ВУГЛЕВОДІВ. ЦИКЛ КРЕБСА

!! Тканинне дихання - це процес аеробного перетворення в тканинах живих організмів, який найбільш вигідний для одержання вільної енергії. Сумарне рівняння тканинного дихання

C₆H₁₂O₆ + 6О₂> 6СО₂ + 6Н₂О + 38АТФ.

! Молочна кислота у вищих організмах - це „тимчасове депо" піровиноградної кислоти (пірувату, ПВК), тому підсумком першої фази процесу є: 2 молекули ПВК, 2 молекули АТФ і НАДН + H⁺. Піровиноградна кислота в аеробних умовах піддається окиснювальному декарбоксилюванню у мітохондріях з утворенням ацетил-КоА під впливом мультиферментної системи, до складу якої входять 5 кофакторів:

Простетичними грудами цієї системи є:

ТПФ - тіамінпірофосфат,

ЛК - ліпоєва кислота,

ФАД - флавінаденіндинуклеотид,

НАД⁺ - нікотинамідаденіндинуклеотид (окиснена форма)

Частина ацетил-КоА використовується для синтезу жирів, вуглеводів та інших сполук, а інша вступає в цикл три-карбонових кислот (цикл Кребса), який складається з восьми послідовних ферментативних реакцій:

Лише вищі організми здатні до окиснення ацетил-КоА в аеробних умовах. Це енергетично найвигідніший шлях перетворення потенційної енергії складних молекул харчових речовин у вільну енергію.

► Оксалоацетат (щавлево-оцтова кислота, ЩОК) взаємодіє з ацетил-КоА за наведеною схемою, в результаті якої 2 атоми С з

ацетил-КоА окиснюються до двох молекул СО₂, а ЩОК може вступати в новий цикл.

►У циклі Кребса ацетил-КоА окиснюється до СО₂ і Н₂О. При цьому вивільняється певна кількість енергії.

►Усього під час перетворення однієї молекули піровиноградної кислоти до ацетил-КоА і останнього до СО₂ і Н₂О синтезується

12+3=15 молекул АТФ (4 молекули НАД'Н + Н*, 1 молекула ФАД і 1 молекула АТФ). Оскільки з однієї молекули глюкози

утворюється дві молекули піровиноградної кислоти, то всього утворюється 15-2 = 30 молекул АТФ (з однієї молекули

НАДН + Н⁺ утворюються З молекули АТФ, а з однієї молекули ФАД - 2 молекули АТФ).

► При гліколізі утворюються 8 молекул АТФ (2 молекули НАД*Н + H⁺ і 2 молекули АТФ).

Загальний енергетичний ефект аеробного розкладання однієї молекули глюкози до СО₂ і Н₂О становить 38 молекул АТФ, що дорівнює 1596 кДж енергії - в 19 разів менше у порівнянні з аеробним.

Отже, основним джерелом енергії для організму людини є аеробне окислення органічних сполук. У цьому процесі значну роль відіграє глюкоза, яка міститься в крові.

Взаємозв'язок між глікогеном м'язів і печінки (цикл Корі)

! Глікоген печінки постачає глюкозою кров, яка доставляє її у м'язи. Глікоген, синтезований у м'язах, розкладається на молочну кислоту, з якої синтезується глікоген у печінці.

Розщеплення глікогену до глюкози регулюють гормони підшлункової і надниркової залоз (глюкагон, адреналін).

8. ПОНЯТТЯ ПРО ПЕНТОЗНИЙ ЦИКЛ ПЕРЕТВОРЕННЯ ВУГЛЕВОДІВ

Незначна кількість вуглеводів у клітинах печінки, жирової тканини розкладається за пентозним циклом. Це апотомічний процес аеробного перетворення глюкозо-6-фосфату (без попереднього розщеплення його на дві фосфотріози) у пентозу -рибулозо-5-фосфат. Однак він має велике значення для організму, тому що за рахунок пентозного циклу задовольняється ~50-відсоткова потреба організму в НАДФ-Н + Н⁺. Пентозний цикл забезпечує організм пентозами, необхідними для синтезу нуклеїнових кислот та багатьох кофакторів ферментів.

9. БІОСИНТЕЗ ВУГЛЕВОДІВ В ОРГАНІЗМІ

Біосинтез вуглеводів в організмі

Синтез глікогену (глікогенонеогенез) ► З глюкози в печінці

Глюконеогенез ► Синтез вуглеводів із продуктів їх розкладу і сполук не вуглеводного походження (молочна та

піровиноградна кислоти, гліцерин, амінокислоти, ацетил-КоА).

Схема біосинтезу глікогену

Схема розщеплення глікогену

9. ФОТОСИНТЕЗ. СИНТЕЗ ОЛІГО- ТА ПОЛІСАХАРИДІВ

Першоджерелом енергії на Землі є енергія Сонця. Діапазон сонячного випромінювання, яке досягає земної поверхні, називають видимим або білим світлом; його нижня границя довжини хвилі дорівнює приблизно 400 нм, а верхня - 700 нм. Фотосинтезуючі організми (зелені рослини, водорості, ціанобактерії) мають здатність уловлювати кванти сонячного світла та трансформувати їх у корисну хімічну енергію. Процес фотосинтезу, кінцевою реакцією якого є синтез вуглеводів з СО₂, може бути представлений наступним стехіометричним рівнянням:

Таким чином в результаті фотосинтезу протікає:

- відновлення енергією світла низькоенергетичноі' окисненої форми вуглецю (СО₂) у високоенергетичну форму

вуглецю у складі вуглеводів, які потім використовуються нефотосинтезуючими організмами як джерело

енергії та вуглецю;

- утворення молекулярного кисню; ця реакція являє собою єдине джерело кисню на Землі.

Існують дві фази процесу фотосинтезу - світлова та темнова.

Світлова фаза включає три процеси:

- початковою реакцією є фотохімічний процес окислювального розщеплення води — фотоокиснення:

- енергія високоенергетичних електронів води використовується спеціалізованою мембранною системою для фосфорилювання АДФ та утворення АТФ у системі фотосинтетичного фосфорилювання; частина енергії електронів відновлює НАДФ⁺ в реакції фотовідновлення:

НАДФ⁺ + 2е^- + 2Н⁺> НАДФН + Н⁺

Темнова фаза - це ферментативна утилізація та перетворення СО₂ на вуглеводи: