Какое строение углеводов связано с их биологическими свойствами

Углеводы, или сахара, — одна из главных групп органических веществ в живых организмах. Они являются первичными продуктами фотосинтеза и исходными продуктами биосинтеза других веществ (органических кислот, аминокислот) у растений. Содержатся углеводы и в клетках других организмов.

Строение углеводов

Углеводы состоят из углеводорода, кислорода и водорода, причём у большинства углеводов соотношение водорода и кислорода такое же, как и в молекуле воды (отсюда их название — углеводы).

В зависимости от строения углеводы делят на моносахариды и полисахариды (простые и сложные).

В зависимости от количества атомов углеводорода есть такие моносахариды: триозы (3С – три атома углерода в цепи), тетрозы (4С), пентозы, гексозы, гептозы.

Моносахариды, которые имеют пять и больше атомов углеводорода, при растворении в воде, иногда приобретают кольцевую структуру.

Готовые работы на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Узнать стоимость

В естественных условиях наиболее часто встречаются пентозы (рибоза, дезоксирибоза, рибулёза) и гексозы (глюкоза, фруктоза, галактоза).

Благодаря превращениям моносахаридов клетки не только обеспечиваются энергией, но и осуществляется биосинтез многих органических веществ, а также они способствуют обезвреживанию и выведению из организма ядовитых веществ, попадающих снаружи или тех, которые образовались в процессе метаболизма (обмена веществ), например, в процессе распада белков.

Дисахариды и полисахариды образуются в результате соединения двух и более моносахаридов, таких, как глюкоза, ксилоза, галактоза, арабиноза или маноза.

По своим свойствам дисахариды близки к моносахаридам.

Моно- и дисахариды хорошо растворимы в воде и сладкие на вкус. С увеличением количества мономеров растворимость полисахаридов уменьшается, исчезает сладкий вкус. К полисахаридам относятся крахмал, целлюлоза, инулин, гликоген, хитин.

Полисахариды (гликоген, целлюлоза и крахмал) построены из глюкозных мономеров, но связи в их молекулах разные. Кроме того, отличается и характер ветвления полимерных цепей: у целлюлозы цепи не ветвятся, у гликогена они ветвятся сильнее, чем у крахмала.

Значение углеводов

В результате их ферментативного расщепления и окисления освобождается энергия, которую впоследствии использует клетка.

Полисахариды играют роль запасных продуктов и источников энергии (крахмал, гликоген), которые легко мобилизируются, а также используются как строительный материал (целлюлоза, хитин).

Полисахариды – удобные запасные вещества по ряду причин:

• благодаря нерастворимости в воде они не действуют на клетку ни осмотически, ни химически, что достаточно важно, поскольку они могут долго храниться в живой клетке;
• находясь в твёрдом обезвоженном состоянии полисахариды увеличивают полезную массу запасных веществ за счёт экономии их объёма.

При этом вероятность употребления этих продуктов различными микроорганизмами (и болезнетворными), грибами, которые, как известно, не способны заглатывать пищу, а всасывают питательные вещества всей поверхностью тела, существенно уменьшается. В конце концов в случае необходимости запасные полисахариды легко превращаются путём гидролиза на простые сахара.

Углеводы выполняют в клетке ряд функций.
Полисахариды накопляются как запасные питательные вещества (гликоген – в клетках печени и мышцах, крахмал – в клубнях и корневищах растений);

Энергетическая функция связана с освобождением энергии при окислении молекул углеводов (при окислении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии);

Структурная функция связана с наличием в растительных клетках целлюлозной оболочки, которая выполняет роль внешнего скелета. Углеводы входят в состав гликокаликса животных клеток.

Целлюлоза и хитин

Целлюлоза является одним из важнейших структурных компонентов клеточных стенок некоторых протистов, грибов, растений и составляет в среднем 26 – 40% материала клеточной стенки, а волокно хлопчатника состоит из целлюлозы почти полностью. Целлюлоза является пищей для многих бактерий, животных и грибов. Однако у большинства животных, а также у человека в желудочно-кишечном тракте нет фермента целлюлазы, который расщепляет целлюлозу до глюкозы, и они не могут усваивать целлюлозу. Однако целлюлозные волокна всё же играют важную роль в питании, придавая пище объём и грубую консистенцию, которые стимулируют перистальтику кишечника. У жвачных животных в кишечнике целлюлозу перерабатывают бактерии и простейшие.

Хитин входит в состав клеточных стенок некоторых протистов и грибов, выполняя опорную функцию, а у некоторых животных (особенно у членистоногих) является важным компонентом их внешнего скелета.

Содержание статьи:

1. Что такое углеводы
2. Функции углеводов в организме
3. Классификация
4. Простые углеводы
5. Сложные углеводы
6. Быстрые углеводы
7. Медленные углеводы
8. Строение углеводов
9. Состав
10. Свойства углеводов
11. Переваривание
12. Обмен углеводов в организме
13. Продукты богатые углеводами
14. Норма углеводов в день для организма
15. Калорийность

Углеводы представляют собой натуральные органические вещества. В их формуле присутствуют углерод и вода. Благодаря этим элементам организм черпает энергию, которая требуется для поддержания нормальной работы. В зависимости от химической структуры углеводы бывают простыми и сложными.

Что такое углеводы

Углеводы — это основной ингредиент большинства пищевых продуктов, который служит источником энергии для человеческого организма. В зависимости от числа структурных единиц углеводы бывают простыми и сложными.

Первую категорию также называют быстрыми углеводами. Они являются легкоусвояемыми и приводят к быстрому увеличению содержания сахара в крови. Это значит, что для веществ характерен высокий гликемический индекс.

Такие элементы провоцируют нарушение метаболизма и становятся причиной увеличения массы тела. Систематическое употребление пищи, содержащей простые углеводы, не только приводит к ожирению, но и вызывает много других заболеваний.

Сложные углеводы, к которым относят крахмал и клетчатку, включают много связанных сахаридов. В их составе присутствует большое количество структурных элементов. Еда с такими углеводами считается очень полезной. В процессе переваривания она постепенно насыщает организм энергией. Это дает длительное чувство сытости.

Функции углеводов в организме

Ключевая функция углеводов в организме кроется в их трансформации в энергию. АТФ, который представляет собой универсальный источник энергии, содержит моносахарид рибозу. Формирование АТФ происходит вследствие гликолиза. Этот процесс заключается в окислении и распаде глюкозы на пировиноградную кислоту.

Гликолиз осуществляется в несколько стадий. Углеводы окисляются до воды и углекислого газа. Этот процесс сопровождается высвобождением энергии.

К основным функциям углеводов относят следующее:

1. Структурная. Полисахариды представляют собой материал для опорных элементов. Целлюлоза, которая входит в структуру клеточных стенок, дает растениям жесткость. В составе грибных клеток присутствует хитин.
2. Энергетическая. Углеводы представляют собой основной источник энергии. Расщепление 1 г углеводов позволяет высвободить 17,6 кДж энергии.
3. Защитная. Из этих элементов состоят шипы и колючки растений.
4. Запасающая. Углеводы запасаются в виде крахмала в структуре растений и гликогена у животных. При дефиците энергии эти вещества расщепляются до глюкозы.
5. Осмотическая. Вещества способствуют регулированию осмотического давления.
6. Рецепторная. Элементы присутствуют в составе клеточных рецепторов.

Отдельные углеводы формируют сложные структуры с белковыми элементами и липидами. В результате образуются гликопротеины и гликолипиды. Эти элементы присутствуют в составе мембран клеток.

Классификация углеводов

Углеводы имеют множество разновидностей. Это обязательно стоит учитывать при составлении пищевого рациона. Классификация углеводов делится на простые и сложные или быстрые и медленные.

К простым или быстрым углеводам относят следующие:

1. Моносахариды. В эту категорию входят галактоза, фруктоза, глюкоза. Данные компоненты присутствуют в ягодах, фруктах, меде. Такие вещества быстро усваиваются и резко увеличивают содержание сахара в крови. Как следствие, в тканях образуется гликоген, который требуется для энергии. При ее избытке вещества образуют жировые отложения. Чтобы избежать негативных последствий, количество моносахаридов должно составлять не больше 25-35 % общего объема углеводов, которые были съедены в течение дня.
2. Дисахариды. К ним преимущественно относят сахарозу, которую включает обычный сахар, и мальтозу. Этот компонент присутствует в солоде, патоке, меде. Также он имеется в составе молочного сахара.

К сложным или медленным углеводам относят полисахариды. Эти вещества включают большое количество моносахаридов. Они усваиваются долгое время и обладают менее сладким вкусом, чем простые углеводы.
К основным полисахаридам относят следующее:

1. Крахмал и гликоген. Эти вещества присутствуют в злаках, бобовых, картофеле, кукурузе.
2. Клетчатка. Элемент содержится в крупах, семечках, овощах, фруктах, отрубях.
3. Целлюлоза. Компонент включают салатные листья, яблоки, груши, морковь.
4. Пектин. Вещество присутствует в моркови, капусте, цитрусовых фруктах, клубнике.
5. Инулин. Элемент содержится в цикории, луке, ячмене, чесноке.

Основное достоинство сложных углеводов заключается в медленном насыщении организма. Благодаря этому чувство голода не возникает раньше времени.

Простые углеводы

Для этих углеводов характерна простая структура. Благодаря этому они быстро усваиваются в организме. При недостатке физических нагрузок вещества повышают содержание сахара в крови. После этого он быстро падает, что провоцирует чувство голода. Неистраченные углеводы трансформируются в жировые отложения. При этом их недостаток вызывает усталость и повышенную сонливость.

Простые углеводы делятся на 2 категории – моносахариды и дисахариды.

К моносахаридам относятся:

• глюкоза — она входит в состав большинства фруктов и ягод. Также компонент присутствует в меде и зеленых фрагментах растений;
• фруктоза — это вещество присутствует в меде, ягодах, фруктах. Также оно входит в семена отдельных растений;
• галактоза — это единственный моносахарид, который имеет животное происхождение. Он входит в состав лактозы, или молочного сахара.

Наиболее значимыми для питания человека считаются дисахариды. В составе молекулы присутствует глюкоза. Вторым сахаром может быть фруктоза, галактоза или глюкоза.

Существуют такие виды дисахаридов:

• сахароза — она включает глюкозу и фруктозу. В эту категорию входит сахар из тростника или свеклы;
• мальтоза — вещество содержит 2 остатка глюкозы. Оно присутствует в солодковом сахаре;
• лактоза — элемент включает глюкозу и галактозу и содержится в молоке млекопитающих.

Список полезных продуктов, в которых присутствуют быстрые углеводы:

• картофель;
• тыква;
• кукуруза;
• ананас;
• банан;
• дыня;
• арбуз;
• белый рис;
• орехи;
• сухофрукты.

При этом есть вредные продукты, которые следует полностью исключить.

К ним относятся:

• выпечка из муки высшего сорта;
• конфеты;
• сладкие газированные напитки;
• снеки;
• спиртные напитки;
• торты, вафли, печенье.

Сложные углеводы

В основе этих продуктов лежат полисахариды – крахмал и целлюлоза. Такие вещества обеспечивают нормальное пищеварение и на долгое время насыщают человека.

К списку продуктов, которые содержат много сложных углеводов, относят следующее:

• все овощи – исключением являются картофель и тыква;
• цитрусовые фрукты;
• ягоды;
• яблоки и груши;
• абрикосы;
• пшено, перловка, гречка, овсянка;
• бобовые.

Из напитков в эту категорию входят несладкий чай и кофе. Также немного сложных углеводов присутствует в мясе и рыбе. Они имеются в яйцах, кефире, твороге.

Быстрые углеводы

Быстрые углеводы считаются простыми и включают всего 1-2 молекулы:

• 1 молекулу содержат моносахариды;
• 2 молекулы присутствует в составе дисахаридов.

Для всех быстрых углеводов характерен высокий гликемический индекс. Он превышает 70. Такие вещества отличаются сладким вкусом и прекрасно растворяются в воде.

Расщепление простых углеводов начинается еще в полости рта. Они очень быстро проникают в кровь. Уже через несколько минут после употребления существенно увеличивается уровень глюкозы. При этом он держится на высокой отметке не более 30-40 минут. Затем так же внезапно снижается.

Быстрые углеводы требуются для восстановления запаса энергии после сложных физических нагрузок или стрессов. Они способствуют выведению человека из гипогликемической комы.

Однако постоянно употреблять такие вещества не следует. Это провоцирует истощение поджелудочной железы и заставляет ее функционировать в стрессовом режиме. Именно избыток простых углеводов провоцирует развитие сахарного диабета 2 типа. При употреблении простых углеводов на ночь они трансформируются в жиры.

К продуктам с высоким гликемическим индексом относят следующее:

• сахар, мед;
• запеченный картофель, пюре;
• отварная морковь и тыква;
• бананы, дыни, арбузы, ананасы;
• кондитерские изделия;
• финики;
• хлебобулочные изделия.

Медленные углеводы

Медленные углеводы также называются сложными. Они включают 3 и больше молекул. Потому для этих веществ характерно медленное расщепление. Обычно они всасываются в кишечнике. К сложным углеводам относят декстрин, крахмал, целлюлозу, гликоген, глюкоманнан.

Употребление медленных углеводов способствует плавному поступлению глюкозы в организм человека. При этом не наблюдается пиков или скачков. Именно сложные углеводы насыщают человека на долгое время, поддерживают стабильное настроение и делают более уравновешенным.

Гликемический индекс таких продуктов находится в пределах 0-40.

К ним стоит отнести следующее:

• макароны из твердых сортов пшеницы;
• коричневый рис, ячмень, перловка, гречка, пшено;
• бобовые;
• фрукты – персики, апельсины, вишни, яблоки, груши;
• овощи и зелень – лук, шпинат, кабачки, перец, томаты, капуста;
• грибы.

Строение углеводов

Строение углеводов включает несколько карбонильных и гидроксильных групп.

В зависимости от структуры вещества делят на 3 категории:

• моносахариды;
• олигосахариды;
• полисахариды.

Моносахариды представляют собой простейшие сахара, которые включают всего 1 молекулу. Они имеют несколько групп, которые отличаются по количеству атомов углерода в молекуле. Моносахариды, в составе которых присутствует 3 атома углерода, называют триозами. Если в составе присутствует 5 атомов, их именуют пентозами, если 6 – гексозами.

Наиболее ценными для живых организмов считаются пентозы, которые присутствуют в составе нуклеиновых кислот. Также большое значение имеют гексозы, из которых состоят полисахариды.

Олигосахариды содержат 2-10 структурных элементов.

В зависимости от количества выделяют:

• диозы;
• триозы;
• тетраозы;
• пентасахариды;
• гексасахариды.

Самыми значимыми считаются дисахариды, к которым относятся сахароза, мальтоза и лактоза, а также трисахариды. В эту категорию входят мелицитоза, рафиноза, мальтотриоза.

Олисахариды могут содержать однородные и неоднородные структуры.

В зависимости от этого выделяют следующие виды:

• гомоолигосахариды – все молекулы обладают одинаковым строением;
• гетероолигосахариды – молекулы отличаются по структуре.

Самыми сложными углеводами считаются полисахариды. Они включают множество моносахаридов – от 10 до нескольких тысяч.

К таким веществам относят следующее:

• крахмал;
• хитин;
• гликоген;
• целлюлоза.

Полисахариды имеют более жесткую структуру, чем олигосахариды и моносахариды. Они не растворяются в воде и не имеют сладкого вкуса.

Состав углеводов

Состав углеводов делят на следующие категории:

1. Моносахариды – включают 1 мономерную единицу и не гидролизуются с появлением более простых углеводов. Мономеры отличаются разнообразием. Это обусловлено разницей в структуре. Обычно моносахариды живых организмов представляют собой кольцевые углеродные цепи, которые включают 5 или 6 атомов углерода. Самыми важными моносахаридами считаются рибоза и дезоксирибоза, которые присутствуют в составе нуклеиновых кислот. Также к ним относят глюкозу как источник энергии и фруктозу.
2. Дисахариды – включают 2 мономерных единицы. Можно сказать, что они состоят из 2 моносахаридов. Вещества объединяются через гидроксильные группы. При этом происходит отщепление воды. Самым известным дисахаридом считается сахароза. Ее молекула включает остатки глюкозы и фруктозы. 2 остатка глюкозы входит в состав мальтозы.
3. Полисахариды – включают больше 10 мономерных единиц. В эту категорию входят крахмал, хитин, целлюлоза и т.д. Крахмал и гликоген скапливаются в организмах как запасной питательный элемент. Крахмал имеет менее разветвленную структуру, чем гликоген. Целлюлоза формирует стенки клеток растений. За счет этого она реализует структурную и защитную функции. Аналогичные задачи решает хитин у грибов и животных.

Свойства углеводов

К основным свойствам углеводов стоит отнести следующее:

1. Молекулярная масса. Среди углеводов можно встретить весьма простые элементы, молекулярная масса которых составляет примерно 200, и гигантские полимеры. Их молекулярная масса достигает нескольких миллионов.
2. Растворимость в воде. Моносахариды легко растворяются в воде и образуют сиропы.
3. Окисление. Этот процесс приводит к получению соответствующих кислот. К примеру, окисление глюкозы аммиачным раствором гидрата окиси серебра приводит к формированию глюконовой кислоты.
4. Восстановление. При восстановлении сахаров удается получить многоатомные спирты. В роли восстановителя выступает водород в никеле, алюмогидрид лития и т.д.
5. Алкилирование. Под этим термином понимают образование простых эфиров.
6. Ацилирование. В это понятие включают образование сложных эфиров.

Переваривание углеводов

Из углеводов в человеческом организме преимущественно перевариваются полисахариды – крахмал из растительных продуктов и гликоген, который присутствует в животной пище.

Полисахариды расщепляются пищеварительными ферментами до структурных блоков – свободной D-глюкозы. Этот процесс происходит под воздействием амилазы слюны и сопровождается формированием смеси из мальтозы, глюкозы и олигосахаридов.

Переваривание углеводов продолжается и заканчивается в тонком кишечнике. На этот процесс влияет амилаза поджелудочной железы, которая попадает в двенадцатиперстную кишку.

Гидролиз дисахаридов запускают ферменты, которые присутствуют в наружном слое клеток эпителия, выстилающих тонкий кишечник. В эпителиальных клетках тонкого кишечника происходит частичная трансформация D-фруктозы, D-галактозы, D-маннозы в D-глюкозу. Смесь простых гексоз поглощается клетками эпителия и с током крови попадает в печень.

Обмен углеводов в организме

В основе обмена углеводов в организме человека, лежат ниже описанные процессы:

1. Мозг не имеет запаса гликогена, потому ему постоянно требуется глюкоза. Углеводы являются единственным источником, который помогает покрывать энергетические расходы мозга. Именно мозговая ткань поглощает 70 % глюкозы, которая выделяется печенью.
2. Мышечные ткани при активной работе получают из крови большое количество глюкозы. В них это вещество трансформируется в гликоген. При распаде гликогена появляется достаточное количество энергии для сокращения мышц.
3. Содержание глюкозы в крови регулируют гормоны – глюкагон, соматотропин, кортизол, инсулин, адреналин. Инсулин способствует снижению содержания глюкозы в крови при ее повышении, упрощает ее попадание в клетки и обеспечивает отложение вещества в тканях в виде гликогена. При уменьшении параметров глюкозы в крови соматотропин, кортизол, адреналин и глюкагон тормозят захват глюкозы клетками. За счет этого гликоген трансформируется в глюкозу.

Продукты богатые углеводами

Ниже описаны продукты, богатые углеводами в больших количествах:

1. Хлеб. Важным источником таких веществ, считается пшеничная мука. При этом стоит учитывать, что хлеб нужно употреблять в меру. В продукте из цельных зерен, помимо крахмала, присутствуют белки, минералы, витамины, жиры. Эти вещества очень полезны.
2. Рис. В составе риса присутствует много углеводов и витаминов группы В. При этом диетологи советуют отдавать предпочтение нешлифованным сортам.
3. Бобовые. Такие продукты отличаются высокой пищевой ценностью. Для них характерна твердая целлюлозная мембрана, поэтому важно уделить внимание правильному способу приготовления.
4. Картофель. Этот продукт содержит чуть меньше углеводов – около 20 %. Оставшуюся часть занимает вода. Помимо этого, в составе имеются витамины и минералы.
5. Зеленые овощи. Помимо сложных углеводов, такие продукты включают много витаминов. Особенно полезно есть овощи в свежем виде. Предпочтение нужно отдавать салату, перцу, зеленой фасоли, молодому горошку, капусте. Обязательно нужно употреблять шпинат, поскольку он содержит много железа.

Норма углеводов в день для организма

Необходимость в углеводах зависит от интенсивности интеллектуальных и физических нагрузок. В среднем норма углеводов в день для организма составляет 300-500 г. Около 20 % может приходиться на углеводы, которые легко усваиваются.

Пожилым людям стоит употреблять максимум 300 г углеводов в сутки. При этом количество простых элементов не должно быть больше 15-20 %.

При наличии лишнего веса и других патологиях количество углеводов стоит ограничивать. При этом делать это следует постепенно. Благодаря этому организм сможет адаптироваться к изменению обменных процессов. Ограничение стоит начинать с 200-250 г в сутки. Через неделю объем углеводов допустимо сократить до 100 г.

Если резко уменьшать количество углеводов в течение долгого периода времени, есть риск развития разных нарушений.

К ним относят следующее:

• снижение уровня сахара в крови;
• общая слабость;
• сильное снижение интеллектуальной и физической активности;
• потеря веса;
• нарушение метаболизма;
• повышенная сонливость;
• головокружения;
• головные боли;
• тремор рук;
• ощущение голода;
• рак толстого кишечника;
• запоры.

Неприятные симптомы удается устранить после употребления сахара или других сладких продуктов. Однако, есть их следует дозированно. Это поможет избежать увеличения массы тела.

Для организма также вреден и избыток углеводов, особенно простых. Он приводит к повышению уровня сахара в крови. Как следствие, часть веществ не используется и приводит к скоплению жировых отложений. Это провоцирует сахарный диабет, кариес, атеросклероз. Также есть риск метеоризма, ожирения, болезней сердца и сосудов.

Калорийность углеводов

Калорийность углеводов зависит от конкретного продукта. В среднем 1 г углеводов содержит 4,1 Ккал или 17 кДж.

Углеводы – важные элементы, которые обеспечивают человеческий организм энергией. При этом они делятся на 2 основные категории – простые и сложные. Чтобы избежать проблем со здоровьем, предпочтение стоит отдавать сложным углеводам.