Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Биохимия углеводов
Характеристика классов углеводов

В зависимости от сложности строения молекул углеводы классифицируют­ся на три основных класса: моносахариды, олисахариды (в основном диса­хариды) и полисахариды. Общая характеристика их представлена в табл. 14.

Моносахариды

К моносахаридам относятся простые углеводы, которые при гидролизе не распадаются на более простые молекулы. В зависимости от числа атомов уг­лерода в молекуле моносахариды делятся на триозы (С₃Н₆O₃), тетрозы (С₄Н₈O₄), пентозы (С₅Н₁₀О₅), гексозы (С₆Н₁₂O₆) и гептозы (С₇Н₁₄O₇). Другие мо­носахариды в природе не встречаются, но могут быть получены синтетически.

Наиболее важную роль в организме человека выполняют представите­ли гексоз — глюкоза и фруктоза, пентоз — рибоза и дезоксирибоза и триоз — глицериновый альдегид и диоксиацетон.

ТАБЛИЦА 14. Классы углеводов и их основные характеристики

Глюкоза и фруктоза. Это основные энергетические субстраты организ­ма человека. Они имеют одинаковый молекулярный состав (С₆Н₁₂O₆), но раз­ную структуру молекулы, так как различаются наличием функциональных групп. Глюкоза содержит альдегидную группу, а фруктоза — кетогруппу, т. е. они являются изомерами по положению карбонильной группы

Для моносахаридов характерна также пространственная изомерия, или стереоизомерия, поскольку они содержат асимметрические атомы уг­лерода (отмечены *), которые связаны с четырьмя различными атомами или группами атомов. Выделяют D-форму и L-форму изомеров глюкозы и других моносахаридов. В них гидроксильная группа при четвертом атоме углерода занимает разное пространственное положение:

Организм человека может усваивать только D-форму моносахаридов, в то время как аминокислоты используются организмом только в виде L-изо­меров. Внутритканевые ферменты способны различать оптические изомеры веществ. Стереоизомерами глюкозы являются галактоза и манноза:

Галактоза входит в состав лактозы — основного дисахарида молока. В пе­чени она под действием ферментов может превращаться в глюкозу.

В водной среде глюкоза и фруктоза находятся в основном в цикличес­кой форме. Циклизация молекулы происходит за счет внутримолекулярно­го взаимодействия альдегидной группы в молекуле глюкозы или кетогруппой в молекуле фруктозы с одной гидроксильной группой этого же моно­сахарида:

Циклические формы моносахаридов приобретают биологически реак­тивную гидроксильную группу при С₁- или С₂- атоме углерода, которая на­зывается гликозидным гидроксилом. Она играет важную роль в химичес­ких превращениях этих моносахаридов, в частности участвует в образова­нии ди- и полисахаридов, фосфорных эфиров. Так, глюкоза участвует в обмене веществ и энергии в виде фосфорного эфира глюкозо-1-фосфат, запускающего процесс распада глюкозы и синтеза полисахаридов. Для моносахаридов характерно образование и других фосфорных эфиров: глюкозо-6-фосфата, фруктозо-6-фосфата, фруктозо-1,6-дифосфата:

фосфорилированные формы глюкозы и фруктозы в процессе их мета болизма способны взаимопревращаться, а также распадаться до триоз - фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона:

Из моносахаридов при замещении гидроксильных групп на амино группу (-NH₂) образуются аминосахара. В организме человека наиболеe важными аминосахарами являются глюкозамин и галактозамин:

Они входят в состав сложных углеводов мукополисахаридов, которые выполняют защитную и специфические функции, характерные для слизей стекловидного тела глаз, синовиальной жидкости суставов, системы свертывания крови и др.

Из глюкозы в процессе ее восстановления или окисления образуются многие функционально важные вещества: аскорбиновая кислота (витамин С), спирт сорбит, глюконовая, глюкуроновая, сиаловые и другие кислоты.

Рибоза и дезоксирибоза. Эти углеводы в свободном виде ветре чаются редко. Чаще они входят в состав сложных веществ, т. е. используются в организме в пластических процессах. Рибоза участвует в био синтезе нуклеотидов (АТФ, АДФ, АМФ и др.) и РНК, а также многих ко ферментов (НАД, НАДФ, ФАД, ФМН, КоА). Дезоксирибоза участвует и биосинтезе дезоксирибонуклеотидов, которые являются структурным компонентом ДНК. Спирт рибитол, производное рибозы, входит в со став витамина В₁₂ и некоторых дыхательных ферментов.

Рибоза и дезоксирибоза являются альдозами. В молекуле дезоксирибозы отсутствует атом кислорода при втором атоме углерода. Изо мером положения функциональной карбонильной группы в рибозе является рибулоза:

В организме рибоза и другие пентозы находятся также в циклической D-форме:

Рибоза и рибулоза синтезируются в тканях организма при окислении глюкозы в пентозном цикле. Дезоксирибоза образуется из рибозы при ее дезоксигенировании.

Глицериновый альдегид и диоксиацетон. Образуются они в тканях организма в процессе катаболизма глюкозы и фруктозы. Являясь изоме­рами, эти триозы способны к взаимопревращению:

В тканях организма в процессе метаболизма углеводов и жиров обра­зуются фосфорные эфиры глицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона. Фосфоглицериновый альдегид является высокоэнергетическим суб­стратом биологического окисления. В процессе его окисления образуется молекула АТФ и такие продукты окисления, как пировиноградная (ПВК) и молочная кислоты:

Дисахарилы

Дисахариды являются основной группой олигосахаридов, состоящих из небольшого количества (от 2 до 10) моносахаридов. В дисахаридах два ос­татка моносахаридов соединены между собой 1,4- или 1,2-гликозидными связями. Основными дисахаридами являются сахароза, мальтоза и лакто­за. Их молекулярная формула — С₁₂Н₂₂О₁₁

Сахароза состоит из остатка глюкозы и фруктозы, соединенных меж­ду собой 1,2-гликозидной связью, которая образуется при взаимодей­ствии гидроксильной группы в первом атоме углерода глюкозы и гидро­ксильной группы при втором атоме углерода фруктозы:

Сахароза является основным компонентом пищевого сахара. В про­цессе пищеварения под воздействием высокоспецифического фермента сахаразы она распадается на глюкозу и фруктозу.

Мальтоза состоит из двух остатков глюкозы, соединенных между со­бой 1,4-гликозидной связью:

Мальтоза образуется в желудочно-кишечном тракте в процессе гидро­лиза крахмала или гликогена пищи. При пищеварении она расщепляется на молекулы глюкозы под воздействием фермента мальтазы. Много маль­тозы содержится в солодовых экстрактах злаковых, проросших зернах.

Лактоза (молочный сахар) состоит из остатков глюкозы и галактозы, которые соединены между собой 1,4-гликозидной связью:

Лактоза синтезируется в молочных железах в период лактации. В ко­ровьем молоке содержание ее составляет 5 %, в женском молоке — около 6 %. В системе пищеварения человека лактоза расщепляется под воздей­ствием фермента лактазы на глюкозу и галактозу. Поступление лактозы в организм с пищей способствует развитию молочнокислых бактерий, по­давляющих в кишечнике развитие гнилостных процессов. Однако у людей, имеющих низкую активность фермента лактазы, который еще называется галактозидаза, развивается интолерантность к молоку.

Рассмотренные дисахариды, особенно сахароза (пищевой сахар), имеют сладкий вкус и высокую питательную ценность. Поэтому они не ре­комендуются для питания людей, страдающих ожирением и диабетом. Их заменяют искусственными веществами, например сахарином, которые имеют сладкий вкус, но не усваиваются организмом.

Полисахарилы

Полисахариды — это сложные углеводы, состоящие из многих сотен или тысяч связанных между собой остатков моносахаридов, в основном остат­ков глюкозы. Различают гомополисахариды, состоящие из остатков одина­ковых моносахаридов, например глюкозы, и гетерополисахариды, состоя­щие из остатков разных моносахаридов и их производных.

Основными гомополисахаридами, которые выполняют важную биоло­гическую роль и состоят из молекул глюкозы, являются крахмал и клетчат­ка в растениях, гликоген у человека и животных. Эти полисахариды не об­ладают сладким вкусом, плохо растворяются в воде, образуя коллоиды. Они имеют общую молекулярную формулу (С₆Н₁₀О₅)_n, однако различаются количественным составом и строением молекул.

Крахмал — резервный полисахарид растений, состоящий из большого числа остатков D-глюкозы (до 300). Он является основным полисахаридом пищи, поставщиком глюкозы в организм человека. Молекулярная масса крахмала большая — от 50 000 до 300 000. По строению он неоднороден и представляет собой смесь спиралевидных цепей амилозы (10-20%) и разветвленных цепей амилопектина (80—90 %). Остатки глюкозы в ами­лозе связаны между собой 1,4-гликозидной связью, а в точках ветвления амилопектина — 1,6-гликозидными связями (рис. 57, а, б).

Амилоза хорошо растворяется в воде, тогда как амилопектин не рас­творяется и образует коллоидный раствор — клейстер. При частичном раз­рушении структуры крахмала образуются соединения с меньшей молеку­лярной массой (декстрины), которые также хорошо растворяются в воде. Основными ферментами, расщепляющими крахмал пищи, являются ами­лазы слюны и сока поджелудочной железы.

Гликоген — основной резервный полисахарид тканей организма чело­века и животных. Состоит он из большого количества молекул глюкозы (до 30 000), соединенных между собой гликозидными связями (рис. 57, в). Его молекулярная масса достигает 1—10 млн. Молекула гликогена имеет структуру, подобную амилопектину крахмала, но с большей степенью раз­ветвления. Благодаря такой структуре гликоген способен растворяться в воде.

Накапливается (депонируется) гликоген преимущественно в печени (около 100 г) и скелетных мышцах (около 400 г), создавая запас глюкозы в организме. Его концентрация в тканях зависит от состава пищи, ха­рактера мышечной деятельности, факторов окружающей среды (жара, гипоксия). При недостаточном поступлении углеводов с пищей или ин­тенсивной мышечной деятельности запасы гликогена снижаются. При из­быточном поступлении глюкозы с пищей запасы гликогена восстанавли­ваются. Гликоген печени используется для поддержания уровня глюкозы в крови в периоды между приемом пищи или интенсивном ее окисле­нии, а гликоген скелетных мышц — для энергообеспечения самих мышц (рис. 58).

Рис. 57 Схема строения цепей крахмала — амилозы (а), амилопектина (б) и участка молекулы гликогена (е)

Рис. 58 Использование гликогена печени и скелетных мышц

Клетчатка (целлюлоза) — это структурный полисахарид растений, при­дающий им прочность и эластичность. Это неразветвленный полимер, сос­тоящий из большого числа остатков глюкозы. В организме человека клет­чатка не расщепляется, однако она необходима для регуляции перисталь­тики и активности ферментов тонкого кишечника.

Пектиновые вещества относятся к гомополисахаридам, которые сос­тоят из остатков производных галактуроновой кислоты. Образуются они в растениях. Различают два основных вида пектиновых веществ — прото­пектины и пектины. Протопектины не растворяются в воде, так как пред­ставляют собой соединение пектина с целлюлозой. Пектины растворяют­ся в воде, превращаясь в желеобразную коллоидную массу. Благодаря своему строению они способны адсорбировать различные токсические со­единения, в том числе тяжелые металлы, например свинец. В организме они выполняют роль природного сорбента: очищают желудочно-кишечный тракт от пищевых шлаков. Следовательно, пектиновые волокна необходи­мы для организма человека.

Гетерополисахариды представлены в организме преимущественно му­кополисахаридами. Мукополисахариды — это большая группа полисахари­дов разного химического состава и строения, которые содержатся в коже, сухожилиях, хрящах, оболочках клеток, межклеточной и синовиальной жидкости. К наиболее важным для организма относятся гиалуроновая кисло­та, хондроитинсерная кислота и гепарин.

Гиалуроновая кислота является неразветвленным полимером глюкуроновой кислоты и глюкозамина:

Она участвует в связывании воды в организме, придает внутрисустав­ной жидкости смазочные свойства, уменьшая трение при сгибании суста­вов, а также регулирует проницаемость клеточных мембран, выполняя роль биологического фильтра, который задерживает микробы и препят­ствует их проникновению в клетку.

Хондроитинсерная кислота является полимером глюкуроновой кисло­ты и сернокислого эфира ацетилгалактозамина:

В комплексе с белком коллагеном она входит в состав костей, хрящей, сердечных клапанов, стенок кровеносных сосудов, кожи и выполняет в ор­ганизме опорную функцию.

Гепарин является полимером глюкуроновой кислоты и глюкозамина:

Впервые он был выделен из печени, поэтому и получил такое назва­ние. Обнаружен гепарин также в клетках легких, соединительной ткани и других органов. Из них он выделяется в кровь и межклеточную жидкость. Гепарин относится к природным антикоагулянтам (предотвращает свер­тывание крови), поэтому в клинике его применяют при переливании кро­ви, а также для предупреждения и лечения тромбообразования в цирку­лирующей крови. Кроме того, гепарин обладает противовоспалительным действием, влияет на обмен калия и натрия, выполняет антигипоксичес­кую функцию.