Углеводы как класс органических соединений¶

Углеводы — класс органических соединений, состоящих преимущественно из атомов углерода, водорода и кислорода, где соотношение водорода и кислорода, как правило, соответствует составу воды (2:1). Наряду с белками и липидами углеводы относятся к основным питательным веществам и являются важнейшим источником энергии для живых организмов. Общая эмпирическая формула простейших представителей — Cₙ(H₂O)ₘ, что исторически дало название всему классу.

¶Общая характеристика

Углеводы составляют значительную долю сухой массы растительных организмов (до 70–80 %) и заметную часть массы животных и грибов. В клетках они выполняют энергетическую, структурную, запасающую и защитную функции. Молекулы углеводов содержат гидроксильные группы и карбонильную группу (альдегидную или кетонную), что определяет их химические свойства.

С точки зрения энергетической ценности при окислении 1 г углеводов выделяется около 17 кДж (4 ккал), что меньше, чем у жиров (около 38 кДж/г), но углеводы усваиваются быстрее и служат основным «топливом» для мозга и мышц.

¶Классификация

Углеводы делят на три основные группы.

¶Моносахариды

Простые сахара, не подвергающиеся гидролизу. Содержат от 3 до 7 атомов углерода. Наиболее распространены:

• глюкоза — основной энергетический субстрат клеток;
• фруктоза — содержится во фруктах и мёде;
• галактоза — входит в состав молочного сахара;
• рибоза и дезоксирибоза — компоненты нуклеиновых кислот.

¶Дисахариды

Состоят из двух остатков моносахаридов:

¶Полисахариды

Высокомолекулярные соединения из множества остатков моносахаридов. Гидролизуются до простых сахаров. Важнейшие представители: крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин, пектины.

¶Функции в организме

• Энергетическая — глюкоза окисляется в клетках с образованием АТФ.
• Структурная — целлюлоза образует клеточные стенки растений, хитин — покровы членистоногих.
• Запасающая — крахмал у растений и гликоген у животных и человека.
• Защитная и регуляторная — входят в состав иммуноглобулинов, гормонов, участвуют в межклеточном узнавании.

¶Углеводы в питании

В рационе человека углеводы обычно обеспечивают 50–60 % калорийности. Различают усвояемые (крахмал, сахара) и неусвояемые (пищевые волокна — целлюлоза, пектин, лигнин) углеводы. Пищевые волокна не перевариваются, но стимулируют перистальтику кишечника и служат питанием для микрофлоры.

Потребность в углеводах зависит от возраста, пола, физической активности. Избыточное потребление простых сахаров связывают с риском ожирения, кариеса и нарушений углеводного обмена, в частности сахарного диабета 2-го типа.

¶Метаболизм

Ключевой процесс — гликолиз, при котором глюкоза расщепляется до пирувата с образованием энергии. Далее возможны аэробное окисление в цикле Кребса и дыхательной цепи либо анаэробное брожение (молочнокислое, спиртовое). Уровень глюкозы в крови регулируется гормонами: инсулином (снижает) и глюкагоном, адреналином, кортизолом (повышают). Запасание гликогена происходит в печени и мышцах.

¶История изучения

Термин «углеводы» предложен в XIX веке на основе данных элементного анализа, показавших соотношение C:H:O как у гидратов углерода. Русские учёные внесли вклад в изучение полисахаридов и углеводного обмена; в частности, исследования крахмала и целлюлозы развивались в рамках органической химии и биохимии. В XX веке были расшифрованы пути гликолиза (Г. Эмбден, О. Мейергоф, Я. Парнас) и цикл трикарбоновых кислот (Х. Кребс).

¶Применение

Углеводы широко используются в пищевой промышленности (сахар, крахмал, патока), в производстве бумаги, текстиля, биотоплива (этанол из целлюлозы), в фармацевтике (наполнители, оболочки таблеток). Целлюлоза — сырьё для получения ацетатного волокна и нитроцеллюлозы.

¶Значение

Углеводы — основа пищевых цепей и ключевой участник энергетического обмена всех живых систем. Их изучение остаётся важным направлением биохимии, диетологии и биотехнологии.

Источники: учебники по органической химии и биохимии, справочные материалы по физиологии питания, энциклопедические издания по биологии.