Строение, физико-химические свойства

Полисахариды – высокомолекулярные углеводы, представляющие собой продукты конденсации моносахаридов, содержащие от нескольких десятков до сотен тысяч моносахаридов, соединенных гликозидными связями. Они могут быть как линейными, так и разветвленными. Если молекула полисахарида построена из остатков моносахаридов одного вида, то это – гомополисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза), если из разных моносахаридов – это гетерополисахариды (пектиновые вещества, камеди, слизи, мукополисахариды). В полисахаридах растительного происхождения между остатками моносахаридов в основном образуются (1→ 4)- и (1→ 6)-гликозидные связи, а в полисахаридах бактериального происхождения дополнительно имеются также (1→ 3) и (1→ 2)-гликозидные связи. На конце цепи полисахарида находится остаток восстанавливающего моносахарида. Поскольку доля концевого остатка относительно всей макромолекулы невелика, то полисахариды проявляют очень слабые восстановительные свойства.

Полисахариды имеют большую молекулярную массу. Им присущ характерный для высокомолекулярных веществ более высокий уровень структурной организации макромолекулы. Наряду с первичной структурой, т.е. определенной последовательностью мономерных остатков, важную роль играет вторичная структура, определяемая пространственным расположением макромолекулярной цепи.

В связи с биологической функцией полисахариды делятся на резервные и структурные. Большинство резервных полисахаридов (крахмал, гликоген, инулин) являются важнейшими компонентами пищевых продуктов, выполняя в организме человека функцию источника углерода и энергии. Структурные полисахариды (целлюлоза, гемицеллюлоза) в клеточных стенках растений образуют протяжные цепи, которые в свою очередь, укладываются в прочные волокна или пластины и служат своего рода каркасом в живом организме.

Гомополисахариды

Крахмал – главный резервный полисахарид растений, запасается во многих семенах, клубнях, корневищах и используется только тогда, когда эти органы прорастают. В клубнях картофеля его содержится около 20%, кукурузе – 55-60%, ржи – около 70%.

Крахмал является одним из важнейших продуктов фотосинтеза, образующийся в зеленых листьях растений в виде так называемых первичных зерен. Затем он расщепляется на моносахариды или их фосфорнокислые эфиры и переносится в другие части растений, например, клубни картофеля или зерна злаков. Здесь вновь происходит отложение крахмала в виде зерен, форма и размер которых характерны для данного вида растений.

Крахмал подобно белкам обладает гидрофильными свойствами, однако в холодной воде крахмальные зерна лишь набухают, но не растворяются. Если взвесь крахмальных зерен в воде постепенно нагревать, то они будут набухать все сильнее и при определенной температуре крахмал образует вязкий коллоидный раствор, называемый крахмальный клейстер.

Температура клейстеризации крахмала для разных растений неодинакова и находится в пределах 55-75°С.

Характерным свойством крахмала является его способность окрашиваться йодом в темно-синий цвет.

Крахмал не является химически индивидуальным веществом. На 96-98% он состоит из полисахаридов. В нем найдены в небольшом количестве белки, высокомолекулярные жирные кислоты, минеральные кислоты (фосфорная и кремниевая), которые адсорбированы на крахмальных зернах.

Полисахаридная фракция крахмала состоит из двух компонентов: амилозы и амилопектина.

Амилоза легко растворима в теплой воде и дает нестойкие растворы со сравнительно низкой вязкостью. Длительное хранение раствора амилозы на холоде приводит к выпадению ее в осадок. Этот процесс носит название ретроградации амилозы. Этим, отчасти, можно объяснить процесс черствения хлеба при его хранении.

Молекула амилозы имеет линейную структуру, представляет собой длинную цепочку из остатков a-D-глюкопиранозы, соединенных a(1→ 4)-гликозидными связями:

Количество остатков глюкозы в каждой цепи колеблется от 100 до нескольких тысяч. По данным рентгеноструктурного анализа пространственная конформация цепной макромолекулы амилозы имеет форму спирали.

Такая форма обусловлена тем, что остатки a-Д-глюкозы в составе амилозы имеют конформацию лодки, которая способствует спирализации полигликозидной цепи.. На каждый виток спирали приходится 6 остатков глюкопиранозы. Во внутренний канал спирали могут входить соответствующие по размеру молекулы, например, молекулы йода образуют комплексы, называемые соединениями включения, комплекс амилозы с йодом имеет синий цвет. Это используется в аналитических целях для открытия как крахмала, так и йода.

Амилопектин в отличие от амилозы имеет сильно разветвленную структуру. В его молекулу входит до 50.000 a-D-глюкопиранозных остатков. Наряду с a(1→ 4) связями в амилопектине имеются также a-(1→ 6) гликозидные связи, представляющие собой точки ветвления. Между точками ветвления располагается 20-25 глюкопиранозных остатков. Гликозидные a–(1→ 6) связи составляют около 5% от общего количества связей, содержащихся в молекуле амилопектина.

Методом рентгеноструктурного анализа показано, что структура амилопектина напоминает гроздь винограда.

Амилопектин с йодом дает красно-фиолетовое окрашивание.

Как в амилозе, так и в амилопектине, имеется только один восстанавливающий конец, при том его доля невелика, поэтому крахмал относят к нередуцирующим полисахаридам.

В крахмале большинства растений на долю амилопектина приходится 70-90%, остальные 10-30% составляет амилоза. Однако содержание этих компонентов может изменяться в зависимости от сорта растения, типа ткани, из которой он извлечен. Соотношение амилоза / амилопектин изменяется также во время созревания зерна. Крахмал некоторых культур может быть представлен только одним видом полисахарида, так, у яблок это амилоза, у восковидной кукурузы только амилопектин.

Целлюлоза (клетчатка) – структурный полисахарид, является основным компонентом клеточных стенок растений.

Целлюлоза придает растительной ткани механическую прочность и эластичность, выполняя роль опорного материала растений. В природе целлюлоза не встречается в чистом виде. Волокна хлопка содержат 96-98% целлюлозы, в различных видах древесины содержание ее составляет 40-60%. Волокна льна и конопли состоят преимущественно из клетчатки. Важнейшими спутниками целлюлозы являются лигнин, гемицеллюлозы, пектиновые вещества, смолы и жиры.

Структурной единицей целлюлозы является b-D-глюкопираноза, звенья которой связаны b-(1→4)-гликозидными связями. Это подтверждается тем, что при частичном гидролизе клетчатки образуется дисахарид целлобиоза, имеющий тоже b-(1→4)-гликозидную связь.

Строение клетчатки можно выразить следующей формулой:

b-Д-глюкопираноза в составе клетчатки находится в креслообразной конформации. Это исключает возможность спирализации полиглюкозидной цепи, поэтому молекула целлюлозы сохраняет строго линейное строение.

В растительных клеточных стенках молекулы целлюлозы связаны друг с другом бок о бок, образуя структурные единицы, получившие названия микрофибрилл.

Каждая микрофибрилла состоит из пучка молекул целлюлозы, расположенных по ее длине параллельно друг другу.

Рентгеноструктурные исследования показали, что в полимерной цепи остатки молекул глюкозы повернуты относительно друг друга на 180°С, что делает возможным образование водородных связей между ОН-группой при атоме С-3 одного глюкозного остатка и кислородом пиранозного кольца следующего остатка глюкозы. Это препятствует вращению расположенных рядом остатков глюкозы вокруг соединяющей их гликозидной связи. В результате образуется жесткая линейная и пространственная структуры.

Целлюлоза не растворяется в воде, но в ней набухает. Она не усваивается организмом человека, т.к. в организме не вырабатывается фермент, способный расщеплять b-гликозидную связь. Однако она является необходимым для нормального питания балластным веществом, выполняющим энтеросорбентную функцию. Целлюлоза усваивается травоядными животными, в желудочно-кишечном тракте которых находится специфическая микрофлора, вырабатывающая фермент целлюлазу.

Схему гидролиза целлюлозы можно представить:

Кислотный гидролиз целлюлозы при температуре 170°С приводит к образованию глюкозы, которая используется для получения кормовых дрожжей, этилового спирта. В промышленности из целлюлозы получают хлопчатобумажные ткани, бумагу и целый ряд химических продуктов: вискозу, целлоффан, кинопленку, ацетатный шелк и др.



Целлюлоза (клетчатка) – растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом на Земле.

Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенку растительных клеток. Используется в производстве бумаги, искусственных волокон, пленок, пластмасс, лакокрасочных материалов, бездымного пороха, взрывчатки, твердого ракетного топлива, для получения гидролизного спирта и др.
В большом количестве целлюлоза содержится в тканях древесины (40-55%), в волокнах льна (60-85%) и хлопка (95-98%).

Цепи целлюлозы построены из остатков β-глюкозы и имеют линейное строение.

Рисунок 9

Молекулярная масса целлюлозы - от 400 000 до 2 млн.

Рисунок 10

· Целлюлоза относится к наиболее жесткоцепным полимерам, в которых практически не проявляется гибкость макромолекул. Гибкость макромолекул - это их способность обратимо (без разрыва химических связей) изменять свою форму.

Химический состав, отличный от целлюлозы, имеют хитин и хитозан, но они близки к ней по структуре. Отличие заключается в том, что при втором атоме углерода а-D-глюкопиранозных звеньев, связанных 1,4-ликозидными связями, ОН-группа заменена группами –NHCH 3 COO в хитине и группой –NH 2 в хитозане.

Целлюлоза содержится в коре и древесине деревьев, стеблях растений: хлопок содержит более 90 % целлюлозы, деревья хвойных пород - свыше 60 %, лиственных - около 40%. Прочность волокон целлюлозы обусловлена тем, то они образованы монокристаллами, в которых макромолекулы упакованы параллельно одна другой. Целлюлоза составляет структурную основу представителей не только растительного мира, но и некоторых бактерий.

С химической точки зрения хитин является поли(N -ацетоглюкозамином). Вот его структура:

Рисунок 11

В животном мире в качестве опорных, структурообразующих полимеров полисахариды «используются» лишь насекомыми и членистоногими. Наиболее часто для этих целей применяется хитин, который служит для построения так называемого внешнего скелета у крабов, раков, креветок. Из хитина деацетилированием получается хитозан, который, в отличие от нерастворимого хитина, растворим в водных растворах муравьиной, уксусной и соляной кислот. В связи с этим, а также благодаря комплексу ценных свойств, сочетающихся с биосовместимостью, хитозан имеет большие перспективы широкого практического применения в ближайшем будущем.

Крахмал относится к числу полисахаридов, выполняющих роль резервного пищевого вещества в растениях. Клубни, плоды, семена содержат до 70% крахмала. Запасаемым полисахаридом животных является гликоген, который содержится преимущественно в печени и мышцах.

Функцию запасаемого питательного продукта выполняет инулин, который содержится в спарже и артишоках, что придает им специфический вкус. Его мономерные звенья пятичленны, поскольку фруктоза относится к кетозам, в целом же этот полимер построен так же, как полимеры глюкозы.

Лигнин (от лат. lignum - дерево, древесина) - вещество, характеризующее одеревеневшие стенки растительных клеток. Сложное полимерное соединение, содержащееся в клетках сосудистых растений и некоторых водорослях .

Молекула лигнина

Рисунок 12

Одеревеневшие клеточные оболочки обладают ультраструктурой, которую можно сравнить со структурой железобетона: микрофибриллы целлюлозы по своим свойствам соответствуют арматуре, а лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, - бетону . Молекула лигнина состоит из продуктов полимеризации ароматических спиртов; основной мономер - конифериловый спирт.

Древесина лиственных пород содержит до 20 % лигнина, хвойных - до 30 %. Лигнин - ценное химическое сырьё, используемое во многих производствах.

Прочность стволов и стеблей растений, помимо скелета из целлюлозных волокон, определяется соединительной растительной тканью. Значительную ее часть в деревьях составляет лигнин - до 30 %. Его строение точно не установлено. Известно, что это относительно низкомолекулярный (М~ 10 4) сверхразветвленный полимер, образованный в основном из остатков фенолов, замещенных в орто-положении группами -ОСНз, в пара-положении группами -СН=СН-СН 2 ОН. В настоящее время накоплено громадное количество лигнинов как отходов целлюлозно-гидролизной промышленности, но проблема их утилизации не решена. К опорным элементам растительной ткани относятся пектиновые вещества и, в частности пектин, находящийся в основном в стенках клеток. Его содержание в кожуре яблок и белой части кожуры цитрусовых доходит до 30%. Пектин относится к гетерополисахаридам, то есть сополимерам. Его макромолекулы в основном построены из остатков D-галактуроновой кислоты и ее метилового эфира, связанных 1,4-гликозидными связями.

Рисунок 13

Из пентоз значение имеют полимеры арабинозы и ксилозы которые образуют полисахариды, называемые арабинами и ксиланами. Они, наряду целлюлозой, определяют типичные свойства древесины.

Упомянутый выше пектин относится к гетерополисахаридам. Помимо него, известны гетерополисахариды, входящие в состав животного организма. Гиалуроновая кислота входит в состав стекловидного тела глаза, а также жидкости, обеспечивающей скольжение всуставах (она находится в суставных сумках). Другой важный полисахарид животных - хондроитинсульфат - содержится в ткани и хрящах. Оба полисахарида часто образуют в организме животных сложные комплексы с белками и липидами.

Белки

Белки (полипептиды) – биополимеры, построенные из остатков α-аминокислот, соединенных пептидными (амидными) связями.

5.Биохимические превращения протеиногенных а-аминокислот (аланина, лизина): дезаминирование и декарбоксилирование.

6.Биохимические превращения протеиногенных а-аминокислот: а) трансаминирование; б) дезаминирование.

7. Понятие об изоэлектрической точке а-аминокислот и белков.

8. Первичная структура белков: определение, пептидная группа, тип химической связи.

9. Вторичная структура белков: определение, основные виды

10.Третичная и четвертичная структуры белков: определение, типы связей участвующие в их образовании.

11.Строение полипептидной цепи пептидов белков. Привести примеры.

12.Структурная формула трипептида аланилсерилтирозин.

13.Структурная формула трипептида цистеилглицинфенилаланина.

14.Классификация белков по: а) химическому строению; б) пространственной структуре.

15.Физико-химические свойства белков: а) амфотерность; б) растворимость; в) электрохимические; г) денатурация; д) реакция осаждения.

16.Углеводы: общая характеристика, биологическая роль, классификация. Доказательство строения моносахаридов на примере глюкозы и фруктозы.

Классификация углеводов

17. Реакции окисления и восстановления моносахаридов на примере глюкозы и фруктозы.

18. Гликозиды: общая характеристика, образование.

Классификация гликозидов

19. Брожение моно- и дисахаридов (спиртовое, молочнокислое, маслянокислое, пропионовокислое).

20.Восстанавливающие дисахариды (мальтоза, лактоза): строение, биохимические превращения (окисление, восстановление).

21. Невосстанавливающие дисахариды (сахароза): строение, инверсия, применение.

22.Полисахариды (крахмал, целлюлоза, гликоген): строение, отличительные биологические функции.

23.Нуклеиновые кислоты (днк,рнк):биологическая роль,общая характеристика,гидролиз.

24.Структурные компоненты нк: главные пуриновые и пиримидиновые основания, углеводная составляющая.

Азотистое основание Углеводный компонент Фосфорная кислота

Пуриновые Пиримидиновые Рибоза Дезоксирибоза

26.Строение полинуклеотидпой цепи (первичная структура), например, построить фрагмент Ade-Thy-Guo; Cyt-Guo-Thy.

27.Вторичная структура днк. Правила Чартгоффа Вторичная структура днк характеризуется правилом э. Чаргаффа (закономерность количественного содержания азотистых оснований):

28.Основные функции т рнк, м рнк, р рнк. Структура и функции рнк.

Этапы репликации:

Транскрипция

Этапы транскрипции:

29.Липиды (омыляемые, неомыляемые): общая характеристика, классификация.

Классификация липидов.

30.Структурные компоненты омыляемых липидов (вжк, Спирты).

31.Нейтральные жиры, масла: общая характеристика, окисление, гидрогенизация.

32.Фосфолипиды: общая характеристика, представители (фосфатидилэтаноламины, фосфатидилхолины, фосфатидилсерины, фосфатидилглицерины).

33.Ферменты: определение, химическая природа и строение.

34.Общие свойства химических ферментов и биокатализаторов.

35.Факторы, влияющие на каталитическую активность ферментов:

36.Механизм действия ферментов.

37.Номенклатура, классификация ферментов.

38.Общая характеристика отдельных классов ферментов: а)оксидоредуктазы; б) трансферазы; в) гидролазы.

39.Общая характеристика классов ферментов: а) лиазы; б) изомеразы; в)л и газы.

40.Общая характеристика витаминов, классификация витаминов; представители водорастворимых и жирорастворимых витаминов. Их биологическая роль.

1)По растворимости:

2)По физиологической активности:

41.Понятие о метаболических процессах: катаболические и анаболические реакции.

42.Особенности метаболических процессов.

22.Полисахариды (крахмал, целлюлоза, гликоген): строение, отличительные биологические функции.

Полисахариды – высокомолекулярные продукты поликонденсации моносахаридов, связанных друг с другом гликозидными связями и образующие линейные или разветвленные цепи. Наиболее часто встречающимся моносахаридным звеном полисахаридов является D-глюкоза. В качестве компонентов полисахаридов могут быть также D-манноза, D- и L- галактоза, D-ксилоза и L-арабиноза, D-галактуроновая и D-маннуроновая кислоты, D- глюкозамин, D-галактозамин и др. Каждый моносахарид, входящий в состав полимерной молекулы, может находиться в пиранозной или фуранозной форме. Полисахариды можно разделить на 2 группы: гомополисахариды и гетерополисахариды.

Гомополисахариды состоят из моносахаридных единиц только одного типа. Гетерополисахариды содержат два и более типов мономерных звеньев.

Гомополисахариды. По своему функциональному назначению гомополисахариды могут быть разделены на 2 группы: структурные (гликоген и крахмал) и резервные (целлюлоза) полисахариды.

Крахмал. Это высокомолекулярное соединение, включающее сотни тысяч остатков глюкозы. Он является главным резервным полисахаридом растений.

Крахмал представляет собой смесь двух гомополисахаридов: линейного – амилозы(10-70%) и разветвленного – амилопектина(30-90%). Общая формула крахмала (С 6 Н 10 О 5)n. Как правило, содержание амилозы в крахмале составляет 10-30%, амилопектина – 70-90%. Полисахариды крахмала построены из остатков D-глюкозы, соединенных в амилозе и линейных цепях амилопектина α-1,4-связями, а в точках ветвления амилопектина – межцепочечными α-1,6-связями.

Рис. Структура крахмала. а - амилоза с характерной для нее спиральной структурой, б – амилопектин.

В молекуле амилозы линейно связаны 200-300 остатков глюкозы. Благодаря α-конфигурации глюкозного остатка, полисахаридная цепь амилозы имеет конфигурацию спирали. В воде амилоза не дает истинные растворы, в растворе при добавлении йода амилоза окрашивается в синий цвет.

Амилопектин имеет разветвленную структуру. Отдельные линейные участки молекулы амилопектина содержат 20-30 остатков глюкозы. При этом формируется древовидная структура. Амилопектин окрашивается йодом в красно-фиолетовый цвет.

Крахмал имеет молекулярную массу 10 5 -10 8 Да. При частичном кислотном гидролизе крахмала образуются полисахариды меньшей степени полимеризации – декстрины, при полном идолизе – глюкоза.

Гликоген. Это главный резервный полисахарид высших животных и человека, построенный из остатков D-глюкозы. Общая формула гликогена как и у крахмала (С 6 Н 10 О 5)n. Он содержится почти во всех органах и тканях животных и человека, но наибольшее количество гликогена обнаружено в печени и мышцах. Молекулярная масса гликогена 10 5 -10 8 Да и более. Его молекула построена из ветвящихся полиглюкозидных цепей, в которых остатки глюкозы соединены α-1→4-гликозидными связями. В точках ветвления - α-1→6-связями. Гликоген характеризуется более разветвленной структурой, чем амилопектин; линейные отрезки в молекуле гликогены включают 11-18 остатков α-D-глюкозы.

При гидролизе гликоген, подобно крахмалу, расщепляется с образованием сначала декстринов, затем мальтозы и глюкозы.

Главные функции крахмала и гликогена:1)энергетическая функция (являются источником энергии в метаболических процессах);

Целлюлоза (клетчатка) – наиболее широко распространенный структурный полисахарид растительного мира. Он состоит из β-глюкопиранозных мономерных (D-глюкозы), соединенных между собой β-(1→4)-связями. При частичном гидролизе целлюлозы образуются целлодекстрины, дисахарид целлобиоза, а при полном гидролизе D-глюкоза. Молекулярная масса целлюлозы порядка 10 6 Да. Клетчатка не переваривается ферментами пищеварительного тракта, т.к. набор этих ферментов у человека не содержит гидролаз, расщепляющих β-связи.

Структурная ф-я целлюлозы –основа растений,клеток стебля,листьев,деревьев,грибов,лишайников.Целлюлоза выполняет в организме функцию пищевых волокон.

"

Главный полисахарид, который хорошо усваивается организмом человека – это крахмал. Основным его поставщиком являются: картофель, хлеб, макароны, зерновые и бобовые.

Молекула крахмала – полимер, состоящий из нескольких молекул глюкозы, которая в данном случае является мономером. В состав крахмала входит две фракции: линейный полимер амилозу (состоит из 200 – 2000 мономеров) и разветвленный полимер амило-пектин (состоит из 1000 – 1000000 мономеров).

Различные соотношения амилозы и амило-пектина в составе крахмала являются причиной разных физико-химических свойств крахмала в разных пищевых источниках (например, крахмал, полученный из разных продуктов, растворяется при разной температуре)

Как усваивается крахмал

Для того, чтобы крахмал лучше усваивался, содержащие его пищевые продукты подвергаются тепловой обработке, в результате которой образуется крахмальный клейстер. В чистой форме клейстер можно увидеть в киселе, а в скрытой форме клейстер образуется в каше, макаронах, хлебе и т.д.

Поступающие с пищей крахмальные полисахариды начинают расщепляться ферментами уже в ротовой полости. В процессе расщепления крахмала образуются мальтодекстрины, мальтоза, глюкоза, которые полностью усваиваются.

В отличии от моносахаридов и дисахаридов крахмал усваивается дольше, поэтому не вызывает резкого повышения уровня глюкозы в крови. Кроме того, с продуктами поставщиками крахмала, в организм поступают большое количество аминокислот, минеральных веществ и витаминов и при этом минимальное количество жира.

Сахар же, напротив, не только не содержит эссенциальных нутриентов, но и затрачивает их в процессе усвоения, а кроме этого, большая часть продуктов кондитерского производства являются еще источниками скрытого жира.

Крахмал который не усваивается

При термической обработке продуктов частично образуется крахмал устойчивый к перевариванию. Образующееся количество этого крахмала зависит от степени тепловой обработки и от того, сколько в крахмале содержится амилозы.

Крахмалы, резистентные к перевариванию содержатся также в продуктах натуральных, например, больше всего их содержат картофель и бобовые.

Устойчивые к перевариванию крахмалы входят в группу пищевых волокон вместе некрахмальными полисахаридами и олигосахаридами.

Модифицированные крахмалы

Эти крахмалы применяются пищевой промышленностью. От природных форм их отличает более хорошая растворимость, которая не зависит от температуры. Подобные свойства достигаются за счет предварительной обработки крахмала ферментами.

С помощью модифицированных крахмалов продуктам придают необходимый внешний вид и стабильную форму, а также достигают требуемой вязкости и однородности.

Гликоген – второй усваиваемый полисахарид

С пищей его поступает немного, в основном с печенью, мясом и рыбой. В процессе созревания мяса из гликогена образуется молочная кислота.

В то же время гликоген образуется в организме человека из глюкозы, поэтому часть излишков глюкозы, поступившей с пищей, превращается в гликоген, а остальная часть – в жир.

Гликоген является единственным углеводом, который в животных тканях используется в качестве резервного. Всего в человеческом организме содержится примерно 500 г гликогена, из них треть – в печени и две трети – в мышцах. В случае глубокого дефицита углеводов в питании, начинается использоваться гликоген печени и мышц. При длительной нехватке гликогена в печени развивается нарушение функции гепатоцитов и в конечном итоге – жировая инфильтрация печени.

Именно поэтому полностью исключать из своего рациона ни в коем случае нельзя. Это следует учесть тем, кто придерживается низкоуглеводных диет типа диеты Аткинса и Кремлевской диеты.

Некрахмальные полисахариды

Некрахмальные полисахариды имеют растительную природу и достаточно широко распространены. В химическом составе некрахмальных полисахаридов оказываются полисахариды, содержащие гексозы, пентозы и уроновые кислоты.

В природе некрахмальные полисахариды выполняют несколько функций: некоторые в качестве структурных компонентов входят в состав клеточных стенок, а некоторые составляют слизи и камеди на поверхности и внутри клеток растений.

Некрахмальные полисахариды классифицируются на:

— целлюлозу

— гемицеллюлозу

— пектины

— р-гликаны

— гидроколлоиды (слизи и камеди).

Некрахмальные полисахариды не способны перевариваться в тонком кишечнике человека, потому, что для этого нет необходимых ферментов. В связи с этим некрахмальные полисахариды ранее считались балластными веществами и удалялись из продуктов в процессе переработки, но в настоящее время, их важность для метаболизма и нормального функционирования организма не ставится под сомнение, более того, некрахмальные полисахариды причислены к группе незаменимых пищевых факторов.

Неперевариваемыми полисахаридами животного происхождения являются хитин и хитозан. Пищевыми источниками этих веществ являются панцири лобстеров и крабов.

Идентичными свойствами также обладает лигнин - соединение полифенольной неуглеводной приро­ды, который не растворяется в воде и входит в состав клеточных оболочек многих растений и семян.

Полисахариды. Крахмал, Целлюлоза.

На этой странице мы рассмотрим несахароподобные полисахариды .

Полисахариды - общее название класса сложных высокомолекулярных углеводов, молекулы которых состоят из десятков, сотен или тысяч мономеров - моносахаридов .

Важнейшие представители несахароподобных полисахаридов – крахмал и целлюлоза (клетчатка).

Эти углеводы во многом отличаются от моно- и олигосахаридов . Они не имеют сладкого вкуса, большинство из них не растворимо в воде. По этой причине их называют несахароподобными (в отличие от сахароподобных олигосахаридов, которые также относятся к полисахаридам).

Олигосахариды имеют знаительно меньший размер молекул и свойства, близкие к моносахаридам.

Несахароподобные полисахариды представляют собой высокомолекулярные соединения, которые под каталитическим влиянием кислот или ферментов подвергаются гидролизу с образованием более простых полисахаридов , затем дисахаридов и, в конечном итоге, множества (сотен и тысяч) молекул моносахаридов .

Химическое строение полисахаридов.

По химической природе полисахариды стоит рассматривать как полигликозиды (полиацетали). Каждое звено моносахарида связано гликозидными связями с предыдущим и последующим звеньями.

При этом для связи с последующим звеном предоставляется полуацетальная (гликозидная) гидроксильная группа , а с предыдущим – спиртовая гидроксильная группа .

На конце цепи находится остаток восстанавливающегося моносахарида. Но поскольку доля концевого остатка относительно всей макромолекулы весьма невелика, то полисахариды проявляют очень слабые восстановительные свойства .

Гликозидная природа полисахаридов обусловливает их гидролиз в кислой и высокую устойчивость в щелочной средах.

Полисахариды имеют большую молекулярную массу. Им присущ характерный для высокомолекулярных веществ более высокий уровень структурной организации макромолекул.

Наряду с первичной структурой , т.е. определённой последовательностью мономерных остатков, важную роль играет вторичная структура , определяемая пространственным расположением молекулярной цепи.

Классификация полисахаридов.

Полисахариды можно классифицировать по разным признакам.

Полисахаридные цепи могут быть:

• разветвлёнными или
• неразветвлёнными (линейными).

Также, различают:

• гомополисахаридами - полисахариды, состоящие из остатков одного моносахарида,
• гетерополисахариды - полисахариды, состоящие из остатков разных моносахаридов.

Наиболее изучены гомополисахариды .

Их можно разделить по их происхождению:

• гомополисахариды растительного происхождения
- Крахмалл,
- Целюлоза,
- Пектиновые вещества и т.д.

• гомополисахариды животного происхождения
- Гликоген,
- Хитин и т.д.

• гомополисахариды бактериального происхождения
- Гекстраны.

Гетерополисахариды , к числу которых относятся многие животные и бактериальные полисахариды, изучены меньше, однако они играют важную биологическую роль.

Гетерополисахариды в организме связаны с белками и образуют сложные надмолекулярные комплексы.

Для полисахаридов используется общее название гликаны .

Гликаны могут быть:

• гексозанами (состоят из гексоз),
• пентозанами , (состоят из пентоз).

В зависимости от природы моносахарида различают:

• глюканы (в основе – моносахарид глюкоза ),
• маннаны (в основе – моносахарид манноза ),
• галактаны (в основе – моносахарид галактоза ) и т.п.

Крахмал

Крахмал (С 6 Н 10 О 5)n – белый (под микроскопом зернисый) порошок, нерастворимый в холодной воде. В горячей воде крахмал набухает, образуя коллоидный раствор (крахмальный клейстер). С раствором йода даёт синее окрашивание (характерная реакция).

Крахмал образуется в результате фотосинтеза, в листьях растений, и запасается в клубнях, корнях, зёрнах.

Химическое строение крахмала

Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов, построенных из глюкозы (D-глюкопиранозы): амилозы (10-20%) и амилопектина (80-90%).

Дисахаридным фрагментом амилозы является мальтоза . В амилозе D-глюкопиранозные остатки связаны альфа(1-4) гликозидными связями.

По данным рентгеноструктурного анализа макромолекула амилозы свёрнута в спираль . На каждый виток спирали приходится 6 моносахаридных звеньев.

Амилопектин в отличие от амилозы имеет разветвлённое строение .

В цепи D-глюкопиранозные остатки связаны альфа(1-4)-гликозидными связями, а в точках разветвления - бета(1-6)-гликозидными связями. Между точками разветвления располагается 20-25 глюкозидных остатков.

Цепь амилозы включает от 200 до 1000 глюкозных остатков, молекулярная масса
160 000. Молекулярная масса амилопектина достигает 1-6 млн.

Гидролитическое расщепление крахмала.

В пищеварительном тракте человека и животных крахмал подвергается гидролизу и превращается в глюкозу , которая усваивается организмом.

В технике превращение крахмала в глюкозу (процесс осахаривания) осуществляется путём кипячения его в течение нескольких часов с разбавленной серной кислотой. Впоследствии серную кислоту удаляют. Получается густая сладкая масса, так называемая крахмальная патока , содержащая, кроме глюкозы, значительное количество других продуктов гидролиза крахмала. Патока применяется для приготовления кондитерских изделий и различных технических целей.

Если требуется получить чистую глюкозу , то кипячение крахмала ведут дольше. Этим достигается более высокая степень гидролиза крахмала .

При нагревании сухого крахмала до 200-500 град. С происходит частичное разложение его и получается смесь менее сложных, чем крахмал полисахаридов, называемых декстринами .

Разложением крахмала на декстрины объясняется образование блестящей корки на печёном хлебе. Крахмал муки, превращённый в декстрины, легче усваивается вследствие большей растворимости.

Гликоген

В животных организмах этот полисахарид является структурным и функциональным аналогом растительного крахмала .

Откладывается в виде гранул в цитоплазме во многих типах клеток (главным образом печени и мышц).

Химическое строение гликогена.

По строению гликоген подобен амилопектину (структурную формулу см. выше). Но молекулы гликогена значительно больше молекул амилопектина и имеют более разветвленную структуру. Обычно между точками разветвления содержится 10-12 глюкозных звеньев, а иногда даже 6 .

Сильное разветвление способствует выполнению гликогеном энергетической функции , так как только при наличии большого числа концевых остатков можно обеспечить быстрое отщепление нужного количества молекул глюкозы .

Молекулярная масса у гликогена необычайно велика. Измерения показали, что она равна 100 млн . Такой размер макромолекул содействует выполнению функции резервного углевода. Так, макромолекула гликогена из-за большого размера не проходит через мембрану и остаётся внутри клетки, пока не возникнет потребность в энергии.

Функции гликогена в метаболизме.

Гликоген является основной формой хранения глюкозы в животных клетках.

Гликоген образует энергетический резерв , который может быть быстро мобилизован при необходимости восполнить внезапный недостаток глюкозы .

Гликогеновый запас , однако, не столь ёмок в калориях на грамм, как запас триглицеридов (жиров ). Он имеет скорее локальное значение . Только гликоген, запасённый в клетках печени (гепатоциты) может быть переработан в глюкозу для питания всего организма.

Гидролиз гликогена в кислой среде протекает очень легко с количественным выходом глюкозы.

Аналогично гликогену в животных организмах, в растениях такую же роль резервного полисахарида выполняет амилопектин , имеющий менее разветвлённое строение. Меньшая разветвлённость связана с тем, что в растениях значительно медленнее протекают метаболические процессы и не требуется быстрый приток энергии, как это иногда бывает необходимо животному организму (стрессовые ситуации, физическое или умственное напряжение).

Целлюлоза (клетчатка)

– наиболее распространённый растительный полисахарид. Она обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений .

Наиболее чистая природная целлюлоза – хлопковое волокно – содержит 85-90% целлюлозы . В древесине хвойных деревьев целлюлозы содержится около 50% .

Химическое строение целлюлозы

Структурной единицей целлюлозы является D-глюкопираноза , звенья которой связаны бета(1-4)-гликозидными связями.

Биозный фрагмент целлюлозы представляет собой целлобиозу . Макромолекулярная цепь не имеет разветвлений, в ней содержится от 2500 до 12 000 глюкозных остатков , что соответствует молекулярной массе от 400 000 до 1-2 млн .

Бета-Конфигурация аномерного атома углерода приводит к тому, что макромолекула целлюлозы имеет строго линейное строение . Этому способствует образование водородных связей внутри цепи, а также между соседними цепями.

Такая упаковка цепей обеспечивает высокую механическую прочность, волокнистость, нерастворимость в воде и химическую инертность, что делает целлюлозу прекрасным материалом для построения клеточных стенок растений .

Целлюлоза не расщепляется обычными ферментами желудочно-кишечного тракта , но она является необходимым для питания баластным веществом .

Использование целлюлозы

Значение целлюлозы очень велико. Достаточно указать, что огромное количество хлопкового волокна идёт для выработки хлопчатобумажных тканей.

Из целлюлозы получают бумагу и картон, а путём химической переработки – целый ряд разнообразных продуктов: искусственное волокно, пластические массы, лаки, этиловый спирт.

Большое практическое значение имеют эфирные производные целлюлозы : ацетаты (искусственный шёлк), ксантогенты (вискозное волокно, целлофан), нитраты (взрывчатые вещества, коллоксилин) и др.