Углеводы

Углеводы – это органические молекулы биологической природы. Со становлением химии в конце 18 века, начались изучения в области химии углеводов. Ученые занимались установлением структуры и синтезом моносахаридов. Однако, с развитием органический химии и биохимии была осознана исключительная роль биополимеров в жизненных процессах, что изменило взгляд на подход к изучению в том числе и углеводов. Специалисты стали изучать зависимость строения веществ от их биологических функций.
Благодаря многочисленным исследованиям об углеводах известно очень многое. Их роль в живых организмах велика. Это необходимые компоненты клетки для высвобождения энергии, запасания веществ, создания формы и механический защиты, получения сигналов, узнавания клеток и образования многоклеточных структур.
Первичным источником углеводов являются фотосинтезирующие организмы – растения и некоторые бактерии. Они конвертируют энергию света в энергию химических связей углеводов, используя воду и углекислый газ. Но и у остальных организмов основным источником энергии являются углеводы.
Растения особенно богаты углеводами, исходя из того, что именно они их производят. В растениях углеводы идут на энергетический обмен, построение клеточной стенки и многое другое.
Углеводы способны вступать в многочисленные реакции в клетке с участием ферментов, тем самым преобразовываться в различные формы и поддерживать жизнедеятельность клетки, выполняя разнообразные функции. Это многозадачный помощник клетки, в том числе и растительной. Все вещества получаются в живом организме именно из углеводов.
Название «углеводы» отражает строение этих молекул – они состоят из углерода и воды, что иллюстрирует брутто-формула Сn(H2O)m. Основные компоненты структуры углеводов – это карбонильная и спиртовые группы. Эти функциональные группировки определяют главные химические свойства сахаров.
Существует три класса углеводов: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Моносахариды содержать от трех до девяти атомов углерода, одну карбонильную группу – либо альдо- (альдозы), либо кето-группу (кетозы). В зависимости от количества атомов углерода выделяют – треозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д.
Олигосахариды – это от 2 до 5 моносахаридов, связанных друг с другом гликозидной связью. Моно- и олигосахариды хорошо растворяются в воде и зачастую имеют сладковатый вкус.
Молекулы, в которых находится много моносахаридных звеньев, являются полисахаридами. Они могут состоять из одного вида мономеров (гомополимеры), например, крахмал или целлюлоза. В состав гетерополимеров входит несколько разных мономеров (декстран). Кроме того, полисахариды могут быть неразветвленными (амилоза) и разветвленными (амилопектин).
Моносахариды в наибольшей степени способны к разнообразной изомерии. Первоначально, это линейная молекула с одним или несколькими хиральными центрами на атомах углерода – количество зависит от дины углеродного скелета. Изменяя положения заместителей у асимметрических центров, можно создать много оптических изомеров, однако не все они существуют в природе. Так, разделили все моносахара на два ряда D- и L-изомеров по позиции заместителей у последнего асимметричного углерода. Большинство природных сахаров относятся к D-ряду. Далее, за счет спиртовой и карбонильной группы в растворах самопроизвольно происходит внутримолекулярное образование полуацеталя, переход линейной формы в устойчивый цикл – пятичленный (фураноза) или шестичленный (пираноза). Появляется дополнительный хиральный атом, благодаря которому появляется два аномера, отличающихся положением гликозидного гидроксила – это α- и β-циклические конформации. Существование кето-енольной таутомерии делает возможным переход альдосахара в кетосахар через енольную форму и наоборот. Таким образом – при переходе от енола к альдозе - мы можем получить два эпимера, которые буду различаться положением одной спиртовой группы около второго атома углерода.
Из вышесказанного можем заключить, что глюкоза может существовать в линейной форме, образовывать аномерные цикл, а также переходить во фруктозу и маннозу, которые в свою очередь тоже образуют аналогичные циклические структуры.
Важным свойством моносахаридов (в первую очередь, альдоз) является способность легко окисляться до альдоновых, альдаровых и альдуроновых кислот. Редуцирующая способность свойственна и некоторым олигосахаридам, имеющим свободный восстанавливающий конец. Этим свойством активно пользуются для определения сахаров.

Сахара в живых организмах кроме свободного состояния могут находится в связи с другими биологическими молекулами. Существуют гликолипиды, гликопротеины, протеогликаны. Это олигосахаридные цепи, связанные с белками или липидами. Они заякорены в мембрану клеток и выполняют рецепторную функцию.

Какие сахара можно обнаружить в клетке?
Во-первых, это глюкоза – альдогексоза, главный продукт фотосинтеза, источник энергии. Поэтому, несложно догадаться, что это очень распространенный в клетке углевод. Глюкоза является мономером для многих полисахаридов. Глюкоза запасется в резервных полисахаридах. В крахмале глюкопиранозные циклы образуют α(1-4) связи и α(1-6) связи, которые достаточно просто гидролизуются. Еще одним запасающим полимером служит гликоген. Структурный полимер глюкозы –целлюлоза. Связанные β(1-4) остатки глюкозы формируют целлюлозные фибриллы, являющиеся основой клеточной стенки растительной клетки. Это очень прочная молекула, которая не подвергается гидролизу при действии α-амилазы. В клеточную стенку входит также гемицеллюлоза (ксиланы, маннаны, арабиногалактаны), состоящая из остатков различных гексоз и пентоз, и пектина, являющимся производным галактуроновой кислоты и рамнозы.
Из кетоз наиболее распространены, фруктоза и рибулоза, участвующие в важных процессах обмена (гликолиз, пентозофосфатный цикл). Фруктоза в свободном виде встречается в плодах фруктов, и может находиться в виде дисахарида с глюкозой – сахарозе.
Пентозы в клетке в основном находятся в связанном виде – в молекулах нуклеиновых кислот. Рибоза – в РНК, дезоксирибоза – в ДНК.