Какие углеводы содержатся в клетках растений
27 марта 2017 г.
Углеводы входят в состав клеток всех растений и животных и являются неотъемлемой частью обмена веществ живого организма. Высушенные растения содержат 70-80% углеводов.
По химической природе углеводы представляют собой углеводородные соединения, содержащие альдегидную, кетоновую и несколько гидроксильных групп, а также продукты их конденсации.
Моносахариды — это углеводы, молекулы которых состоят из 2—7 атомов углерода и карбонильной группы. В зависимости от количества атомов углерода их называют тетрозами, пентозами, гексозами. В растениях часто встречаются пентозы и гексозы. Наиболее распространены такие моносахара, как глюкоза, фруктоза, галактоза, манноза, сорбоза, арабиноза. Перечисленные сахара встречаются как в свободном состоянии в плодах, семенах, корнеклубнях и других частях растений, так и служат основой для сахаров более сложной структуры. Моносахариды хорошо растворимы в холодной воде, лучше в горячей, мало растворимы в этиловом спирте и других органических растворителях. В виде индивидуальных лекарственных веществ моносахариды используются редко, исключение составляет глюкоза. Чаще их используют как вспомогательные вещества в технологии порошков, пилюль, таблеток, других лекарственных форм.
Олигосахариды — углеводы, состоящие из двух-трех остатков молекул моносахаридов, чаще всего гексоз. Наиболее часто в растениях встречаются дисахариды. К ним относится сахароза — свекловичный или тростниковый сахар, состоящий из молекул глюкозы и фруктозы. Мальтоза — солодовый сахар, состоящий из молекул глюкозы. Лактоза — молочный сахар, состоящий из молекул глюкозы и галактозы. Раффиноза — сахар, построенный из молекул глюкозы, фруктозы и галактозы. Аналогично моносахаридам олигосахариды растворимы в холодной воде, мало растворимы в органических растворителях. Применяются в медицинской практике в основном в качестве вспомогательных веществ при изготовлении порошков и таблеток.
Полисахариды — это высокомолекулярные вещества, состоящие из большого числа остатков молекул моносахаридов. Для растения они являются строительным материалом и служат запасными питательными веществами.
Крахмал — важнейший полисахарид, содержащийся в корнях, корневищах, клубнях растений. Он состоит из амилозы и амилопектина, в основе которых лежит молекула глюкозы. В практике используют картофельный, кукурузный, рисовый и пшеничный крахмал. Крахмал применяют как для наружных целей в виде присыпок, микроклизм и дерматологических паст, так и внутрь в качестве обволакивающих средств в виде 2-5 % водных растворов. Является широко употребляемым вспомогательным веществом при изготовлении таблеток и гидрофильных основ.
При изготовлении раствора крахмала в холодной воде происходит растворение амилозы; амилопектин при этом только смачивается и набухает. Для перехода амилопектина в растворенное состояние необходимо наличие кипящей воды. Поэтому для получения крахмальной слизи крахмал предварительно взбалтывают в холодной воде, а затем эту смесь приливают тонкой струйкой в кипящую воду при постоянном помешивании и оставляют на 2-3 минуты до полного просветления раствора. При приготовлении водных извлечений из растительного сырья, содержащего в незначительном количестве крахмал, например, корни алтея, недопустимо использование в качестве экстрагента кипящей воды. В этом случае образование слизи происходит внутри клеток, вследствие чего поры клеточной стенки закупориваются, и выход каких-либо веществ из клетки и их экстракция не происходит. В этом случае целесообразно готовить вытяжки в режиме холодного настоя или настоя на кипящей водяной бане.
Инулин — высокомолекулярный углевод, растворимый в воде; из водных растворов осаждается спиртом. При кислотном гидролизе инулина образуются фруктофураноза и небольшое количество глюкопиранозы. Инулин в больших количествах содержится в подземных частях растений семейств Asteraceae и Campanulасеае, в которых он заменяет крахмал. Растения, содержащие инулин, используются для получения D-фруктозы. Богатое инулином сырье (корни цикория, клубни топинамбура) широко используется в составе различных пищевых добавок, применяемых при заболевании сахарным диабетом. Инулин хорошо растворяется в воде, поэтому экстрагирование его из растительных клеток происходит при любом режиме экстракции.
Гликоген — полисахарид, принимающий активное участие в углеводном обмене животного организма. Содержится в основном, в зернах кукурузы и грибах. Его основу составляет глюкоза.
Клетчатка — полисахарид, из которого строятся оболочки растительных клеток. Основной структурной единицей клетчатки является глюкоза. В пищеварительном тракте человека клетчатка практически не переваривается, но она стимулирует перистальтику органов желудочно-кишечного тракта и адсорбирует холестерин и эндотоксины.
Гемицеллюлоза — полисахарид, в основе которого лежат различные моносахариды. В отличие от клетчатки легче подвергается гидролизу, однако при экстрагировании различными растворителями, также как и клетчатка, в раствор не переходит и остается без изменений.
Слизи — полисахариды, содержащие в своем составе остатки молекул моносахаридов (ксилозы, арабинозы), кислоты и их соли. В холодной воде склонны к набуханию и частичному растворению, лучше растворяются в кипящей воде. Для извлечения из растений используют режим холодного настаивания или же настаивания на кипящей водяной бане. Применяют внутрь и наружно в качестве мягчительного отхаркивающего и обволакивающего средства. Наиболее часто употребляют слизь корней алтея, семян льна и подорожника блошного.
Пектины — высокомолекулярные гетерополисахариды растительного происхождения, главным компонентом которых является Д-галактуроновая кислота. Помимо нее возможно присутствие нейтральных полисахаридов — арабинанов, галактанов, арабогалактанов, связанных ковалентными связями с кислыми фрагментами пектинов. Пектиновые вещества в растениях присутствуют преимущественно в виде протопектина, составляющего большей частью межклеточное вещество и первичные стенки молодых растительных клеток. Они предохраняют растение от высыхания, повышая засухоустойчивость, влияют на прорастание семян.
Пектиновые вещества находятся в растении в состоянии динамического равновесия, превращаясь друг в друга. При созревании плодов нерастворимый протопектин переходит в растворимые формы, которые хорошо растворимы в воде, особенно горячей. Эти соединения склонны к набуханию, при растворении образуют вязкие растворы.
В медицинской практике пектины применяют для приготовления кровоостанавливающих препаратов, адсорбентов, особенно в отношении холестерина и тяжелых металлов. Они также оказывают противоязвенное и антивоспалительное действие. Камеди — это продукты, выделяющиеся в виде вязких субстанций из надрезов и трещин растений. По своей химической природе относятся к гетерополисахаридам — гексозанам, пепиазанам, полиуронидам. Камеди не растворимы в органических растворителях — спирте, эфире, хлороформе и др. По растворимости в воде делятся на три группы:
– полностью растворимые в воде (аравийская камедь)
– малорастворимые, но сильно набухающие (камеди сливы, вишни)
– нерастворимые в холодной воде, но частично растворимые при кипячении (камедь трогаконта).
Наиболее богаты камедями растения семейства бобовых. В медицине камеди используются как стабилизаторы суспензий и эмульсий. Некоторые из них, например, гуггул, применяется в Аюрведической медицине как сильнейший энтеросорбент холестерина.
Агар-агар — представляет собой полисахарид, состоящий из остатков галактозы и серной кислоты. Содержится в красных водорослях, хорошо растворим в горячей воде с образованием вязких растворов. В состав клеточных стенок многих водорослей входит полисахарид — альгиновая кислота. В медицинской практике агар-агар, а также как и альгиновая кислота и ее производные используются, как энтеросорбент холестерина и эндотоксинов, а также для приготовления мазевых основ и вегетарианских капсул.
И.И. Ветров
Отрывок из статьи «Химический состав растений. Вещества первичного синтеза» из книги «Основы Аюрведической фитотерапии» (И.И. Ветров, Ю.В. Сорокина)
- Главная
- Природа
- Какие углеводы в растениях
Елена Голец22 Июль 2017 6003
Углеводы в растениях разделяют на две большие группы: простые углеводы, не способные к гидролизу (моносахариды), и сложные углеводы, гидролизующиеся на простые (полисахариды).
Простые углеводы
Название свое простые углеводы получили в связи с тем, что вначале развития химии углеводов считали, что они состоят из атомов углерода и воды. Из простых углеводов в ягодных растениях больше всего:
- глюкозы,
- сахарозы,
- фруктозы.
Глюкоза
В зрелом винограде особенно много глюкозы, поэтому ее часто называют виноградным сахаром.
В зрелом винограде много глюкозы.
Глюкоза в том или ином количестве встречается во всех ягодах поэтому это наиболее распространенный моносахарид. Являясь одним из основных источников энергии, глюкоза выполняет очень важные функции в организме человека, а для мозга и нервной ткани такой источник является единственным, (подробнее: Применение глюкозы).
Фруктоза
Фруктоза также широко распространена в природе. Особенно в большом количестве она встречается в плодах.
Фруктоза в яблоках.
В организме человека фруктоза легко может превращаться в глюкозу, а также включается в обмен веществ непосредственно, минуя процесс превращения в глюкозу. Некоторая часть фруктозы перерабатывается в организме без инсулина, (подробнее: Лечение диабета).
Сахароза
Сахароза (сахар из свеклы или тростника) это важная составная часть питания и состоит из молекул фруктозы и глюкозы. Около 27% сахарозы содержится в корнях сахарной свеклы и около 20 % в стеблях сахарного тростника.
Сахарная свекла.
Сахароза может легко гидролизоваться в разведенных кислотах, распадаясь при этом на глюкозу и фруктозу. Такая смесь фруктозы и глюкозы называется инвертным сахаром.
С помощью фермента сахарозы или инвертазы в кишечнике человека и животных, а также при образовании меда в организме пчел происходит ферментативное расщепление сахарозы. Например, пчелиный мед на 97-99% состоит из инвертного сахара. Сахароза входит в состав всех ягод.
Полисахариды
Важнейшими полисахаридами растений являются:
- крахмал,
- целлюлоза (клетчатка),
- пектиновые вещества.
Крахмал
Крахмал — это резервный полисахарид растений. Он откладывается в виде зернышек в клубнях и корнях, в зернах злаков, а также содержится во многих незрелых плодах — яблоках, грушах, айве и др. При созревании плодов крахмал расщепляется до глюкозы. На этом свойстве основан химический метод определения степени зрелости плодов. В клубнях картофеля содержится от 12 до 24 % крахмала.
Крахмал в клубнях картофеля.
Крахмал является богатым источником энергии, обладает обволакивающими свойствами и широко применяется в пищевой промышленности и медицине.
Целлюлоза
Из целлюлозы преимущественно состоят оболочки клеток растений. Она является структурным полисахаридом. В древесине 50% целлюлозы, в волокнах хлопка — до 90 %. Вату можно считать почти чистой целлюлозой. Молекула целлюлозы содержит до 10 000 глюкозных остатков.
Клетчатка, или целлюлоза, не расщепляется ферментами пищеварительного канала человека, однако она выполняет роль активатора двигательной функции желудка и кишечника благодаря своей грубой структуре и регулирует деятельность этих органов, обеспечивает своевременный и ритмичный выброс шлаков из организма.
Пектиновые вещества (пектины)
По химической природе пектиновые вещества относят к сложным углеводам. Так при лечении заболеваний пищеварительного тракта они нормализуют состав микрофлоры кишечника и кишечную перистальтику.
Пектины обладают антибактериальным действием. Со многими металлами (свинцом, кальцием, стронцием, кобальтом и др.) они могут образовывать нерастворимые комплексные соединения, которые не перевариваются и выводятся из организма.
Благодаря способности связывать радиоактивные и тяжелые металлы в организме пектины являются лучезащитными и детоксицирующими продуктами в питании человека. Они обезвреживают ядовитые вещества, образующиеся в кишечнике в результате процессса гниения и жизнедеятельности микрофлоры.
Пектины в фруктах.
Пектины обладают также противосклеротическим действием. Пектинами богаты крыжовник, черноплодная рябина, красная смородина, яблоки, клюква, барбарис, цитрусовые (кожура плодов).
Рейтинг: 4,5/5 — 4
голосов
Углеводы – полигидроксильные соединения, содержащие альдегидные или кетогруппы, или образующие такие группы при гидролизе. Это самые распространенные в природе органические вещества.
Возникновение названия “углеводы” объясняется тем, что их состав отвечает формуле гидрата углерода. Иначе говоря, в названии отражается тот факт, что водород и кислород присутствуют в молекулах этих веществ в том же соотношении, что и в молекуле воды. Так, формулу глюкозы С6Н12О6 можно изобразить как С6(Н2О)6. Общая формула углеводов – Сх(Н2О)y , где х и y могут иметь разные значения.
Углеводы. Значение для растений
Значение углеводов для растений исключительно велико (ЛРС, содержащее полисахариды). Они составляют до 85-90% веществ, слагающих растительный организм. Углеводы относятся к первичным продуктам синтеза, образуются в процессе фотосинтеза и служат основным питательным и главным опорным материалом для растительных клеток и тканей.
Углеводы. Классификация
Углеводы на основании их химического строения принято разделять на 3 группы:
- Моносахариды;
- Полисахариды первого порядка (олигосахариды);
- Полисахариды второго порядка, которые, в свою очередь подразделяются на гомогликаны (гомополисахариды) и гетерогликаны (гетерополисахариды).
По физиологической роли в растениях углеводы также разделяют на три группы:
- Метаболиты (моносахара и олигосахариды);
- Запасные питательные вещества (олигосахариды и, реже, полисахариды второго порядка);
- Структурные или скелетные вещества (полисахариды второго порядка).
В медицине наибольшее значение имеют полисахариды второго порядка.
Полисахариды второго порядка – это высокомолекулярные соединения, содержащие более 10 моносахаридных остатков, соединенных О-гликозидными связями и образующих линейные или разветвленные цепи. Гомополисахариды состоят из моносахаридных единиц (мономеров) одного типа, гетерополисахариды – из остатков различных сахаров и их производных.
Углеводы. Биогенез в растениях
Биогенез углеводов в растениях протекает по определенной схеме, характерной для всего класса этих важных органических соединений. Биогенез всех углеводов начинается с процеса фотосинтеза и тесно связан с такими последовательностями реакций, как «цикл трикарбоновых кислот», «гликолитический цикл» и другие, т.е. с внутриклеточными превращениями сахаров и других субстратов в анаэробных и аэробных условиях.
Рассматривая процессы биогенеза различных углеводов, легко обнаружить одну общую черту. Во всех случаях образование индивидуальных мономерных сахаров предшествует появлению гликозидных связей. Сначала синтезируются мономерные сахара, а затем они используются в форме макроэргических производных. При этом глюкозо-6-фосфат занимает ключевое положение в биосинтезе макроэргических предшественников углеводов (см. схему).
Общая схема биосинтеза углеводов
Физико-химические свойства полисахаридов второго порядка.
Полисахариды второго порядка – это аморфные, реже кристаллические вещества, нерастворимые в спирте и неполярных органических растворителях.
Растворимость в воде у разных представителей существенно различается: некоторые линейные гомополисахариды в воде не растворяются из-за прочных межмолекулярных связей, а сложные или разветвленные полисахариды либо растворяются в воде, либо образуют гели.
Полисахариды подвергаются кислотному или ферментативному гидролизу с образованием моно- или олигосахаридов. Молекулярный вес полисахаридов колеблется от нескольких тысяч до нескольких миллионов Дальтон.
Одним из важнейших представителей гомополисахаридов является крахмал. В растениях крахмал является главным энергетическим запасным материалом. Крахмал запасается в клетках в виде крахмальных зерен. Их можно видеть в первую очередь в хлоропластах листьев, а также в органах, где запасаются питательные вещества, например, в клубнях картофеля, семенах злаковых и бобовых. Размер крахмальных зерен колеблется в пределах от 0,002 до 0,15 мм (наиболее крупные крахмальные зерна у картофеля, а наиболее мелкие – у риса и гречихи). Они имеют слоистую структуру и у разных видов растений различаются по форме – овальной, сферической или неправильной. В медицинской практике крахмал в основном используется в качестве наполнителя.
Крахмал относится к группе гомогликанов, т.е. соединений, мономерной единицей которых является только глюкоза. Он не является химически индивидуальным веществом и на 96-98% состоит из полисахаридов, образующих при кислотном гидролизе глюкозу; на 0,2-0,7% – из минеральных веществ, которые представлены, в основном, остатками фосфорной кислоты, на 0,6% – высокомолекулярными жирными кислотами, такими как пальмитиновая и стеариновая. Жирные кислоты не связаны ковалентно с полисахаридной частью. Они просто адсорбированы на ней и легко могут быть удалены экстракцией органическими растворителями.
Остатки фосфорной кислоты в одних видах крахмала (кукурузном, пшеничном и рисовом) представляют собой постоянно присутствующую примесь, а в других, например, в картофельном, они связаны сложноэфирной связью с углеводной частью и при гидролизе обнаруживаются в составе глюкозо-1-фосфата.
Углеводная часть крахмала также неоднородна и состоит из двух полисахаридов, различающихся по физическим и химическим свойствам – амилозы и амилопектина. Амилопектин в крахмале количественно преобладает над амилозой, составляя около 75%.
Амилоза имеет молекулярный вес в пределах 3х105-3х106 Да. Водные растворы амилозы весьма нестойки и при стоянии их них выделяются кристаллические осадки. В молекуле амилозы остатки глюкозы связаны a-гликозидными связями только между 1 и 4 углеродными атомами, образуя при этом длинную линейную цепочку:
Линейные цепи амилозы, состоящие из нескольких тысяч мономерных единиц, способны спирально свертываться и таким образом принимать более компактную форму.
С раствором йода в йодистом калии водная суспензия амилозы дает темно-синюю окраску, исчезающую при нагревании и вновь появляющуюся при охлаждении. Окрашивание сопровождается образованием комплексного химического соединения. При этом молекулы йода располагаются внутри спирально изогнутых цепочек амилозы.
Молекулярный вес амилопектина достигает сотен миллионов Да. Амилопектин содержит примерно вдвое больше глюкозных остатков, чем амилоза. Он растворяется в воде лишь при нагревании под давлением и дает очень вязкие и чрезвычайно стойкие растворы. В молекуле амилопектина гликозидные остатки соединены a-гликозидными связями не только между 1 и 4 углеродными атомами, но и между 1 и 6, образуя таким образом разветвленную структуру. Компактность амилопектина обеспечивается интенсивным ветвлением цепей:
Водная суспензия амилопектина окрашивается раствором йода в йодистом калии в красно-фиолетовый цвет (проба на крахмал). Следует подчеркнуть, в том и другом случае не происходит химической реакции полисахарида с йодом, а образуются адсорбционные соединения.
Другим представителем полисахаридов является инулин. Он относится к группе фруктозанов, т.е. полимеров, построенных из остатков фруктозы. Подобно крахмалу, представляет собой важное запасное вещество многих растений. Используется в основном для получения фруктозы. Молекулярный вес инулина составляет около 5-6 тысяч Да. Полимерная цепь инулина построена из 34-36 остатков фруктозы, соединенных b-гликозидной связью и заканчивается нередуцированным остатком a-D-глюкопиранозы:
К полисахаридам по химической структуре близка группа веществ, называемых полиуронидами – высокомолекулярных соединений, построенных по типу полисахаридов из остатков уроновых кислот. Из наиболее важных продуктов растительного происхождения с медицинской точки зрения к ним относятся пектиновые вещества, альгиновая кислота, камеди и слизи.
Пектиновые вещества – широко распространенные в растениях полигалактурониды, растворенные в растительных соках и осаждаемые спиртом или 50% ацетоном с образованием студня. Их роль – образование защитной прослойки между растительными клетками. Молекулярная масса пектиновых веществ достигает 200 000 Да. Среди пектинов выделяют растворимый и нерастворимый пектин, пектовую и пектиновую кислоты.
Пектовая кислота представляет собой линейный полимер a-D-галактуроновой кислоты, связанной С1-С4 связями. Пектиновая кислота – это полигалактуроновая кислота, у которой часть карбоксильных групп метилирована. Растворимый пектин – это пектиновая кислота с высоким содержанием метильных групп. Нерастворимый пектин представляет собой образование из длинных переплетающихся цепей пектиновой кислоты, связанных друг с другом в местах перекреста через карбоксильные группы. Гидроксильные группы пектинов могут служить точками присоединения боковых разветвленных цепей из остатков D-галактозы, L-арабинозы, D-ксилозы и L-рамнозы:
Фрагмент структуры пектиновых веществ
Камеди и слизи – это близкие к пектину вещества, выделяемые растениями во внешнюю среду в виде прозрачных скоплений. Камеди появляются, как правило, при ранении растения или иных патологических явлениях. Слизи же образуются в растениях в результате “слизистого” перерождения клеток в процессе естественного функционирования растений и их органов. Те и другие являются Ca++, Mg++ и К+ солями полиуроновых кислот в различном сочетании с пентозами, метилпентозами и гексозами.