Въглехидрат

Структурна формула на β-D-Глюкоза

Въглехидратитеили ощевъглеводитеса голяма групаорганични вещества,изпълняващи важнибиологичнифункции в живите организми. Те са изградени отвъглерод,водородикислород.Наименованието на въглехидратите е възникнало въз основа на представата, че те сахидратина въглерода, тъй като общата имформулае С_n(Н₂О)_mили С_nН_{2 m}О_m,в която съотношението между водорода и кислорода е 2:1, като приводата.По-късно е установено, че съществуват съединения, които по качествен и количествен състав съответстват на тази формула, но имат различни свойства и следователно те не са въглехидрати (например:оцетна киселина– С₂Н₄О₂,оцетенанхидрид– С₄Н₆О₃и др.). Освен това са познати редица въглехидрати, които не отговарят на общата им формула, но по строеж и свойства се отнасят към този клас съединения (напримердезоксирибозата– С₅Н₁₀О₄).

Въглехидратите са основна част отхранатана животните, както и преобладаващ компонент от сухотовеществона живите организми (80% прирастениятаи 20% приживотните).

Дизахарида лактоза.

Въглехидратите осъществяват многобройни и жизненоважни функции в живата природа.Глюкозатае основната енергийна „валута “в организмите и основния източник на енергия за клетъчнияметаболизъм.Полизахаридите катоскорбялаигликогенпредставляват енергиен склад, ацелулозатаврастениятаихитинавчленестоногитеизпълняват структурна роля. Пентозата рибоза е важен компонент на коензимитеАТФ,ФАД,НАДиНАДФ,а също така участва и в изграждането на фосфозахаридния гръбнак наРНК.Свързаната с неядезоксирибозае компонент наДНК.Въглехидратите и техни производни влизат в състава на множество важнибиомолекулииграещи ключови роли вимунната система,защитата отпатогени,ембрионалноразвитие.

Понякога въглехидратите се наричат захари, понеже някои техни представители имат сладък вкус. Всички въглехидрати съдържат два типа функционални групи – хидроксилни и карбонилни (алдехидни или кето-групи). Наличието на тези групи определя свойствата им.

Изграждането на всички органични вещества на клетката има за основахлорофилнатафотосинтезав зелените части нарастенията,при която се синтезира глюкоза:

${\mbox{6CO}}_{2}+{\mbox{6H}}_{2}{\mbox{O}}\to {\mbox{C}}_{6}{\mbox{H}}_{12}{\mbox{O}}_{6}+6{\mbox{O}}_{2}$

Структура на гликогена.

Видове въглехидрати

Въглехидратите могат да се разделят на четири групи:монозахариди,дизахариди,олигозахариди(съдържащи от 3 до 10 монозахаридни остатъка) иполизахариди.Докато монозахаридите не могат да сехидролизират,то останалите представители на този химичен клас се хидролизират до по-прости захари и в края до монозахариди. Монозахаридите в зависимост от функционалната природа накарбонилната групасе разделят наалдозиикетози.

Класификацията на въглехидратите е удобно да се представи със схемата:

Монозахаридите, дизахаридите и олигозахаридите са нискомолекулни, а полизахаридите са високомолекулни вещества.

Монозахариди

Монозахаридите могат да се разглеждат като получени от поливалентниалкохоличрезокислениена една първична или вторичнахидроксилна групасъответно доалдехиднаиликетоннагрупа. Поради това те са полихидроксиалдехиди или полихидроксикетони, които не съдържат други функционални групи в молекулата си и не се хидролизират. Според броя на въглеродните атоми монозахаридите биват триози, тетрози, пентози, хексози и т.н. Функционалната природа на карбонилната група се означава с представкатаалдо-иликето-,при което се образуват комбинираните им названия – например алдопентози, алдохексози, кетохексози и т.н.

Наименованията на монозахаридите обикновено са тривиални с окончание-оза.Напримерглюкоза,фруктоза,рибозаи др. В природата се срещат главно пентози и хексози. Особено много са разпространени хексозите глюкоза и фруктоза, които се намират в свободно състояние в сладкитеплодове.Например вгроздетосе съдържа до 98% глюкоза.

Монозахаридите са безцветникристалнии неутрални вещества, които трудно кристализират, особено ако са онечистени спримеси.Те са лесноразтворимивъв вода, малко в алкохол и почти не са разтворими в неполярниразтворители(бензин,етер,хлороформи др.). При загряване се стопяват,карамелизирати овъгляват, като се отделят водни пари. Повечето от монозахаридите имат сладъквкус,свързан с натрупването на хидроксилни групи вмолекулатаим.

• триоза
  • алдотриоза –Глицералдехид
  • кетотриоза –Дихидроксиацетон
• тетроза
  • алдотетроза –Еритроза,Треоза
  • кетотетроза –Еритрулоза
• пентоза
  • алдопентоза–Рибоза,Арабиноза,Ксилоза,Ликсоза
  • кетопентоза–Рибулоза,Ксилулоза
• хексоза
  • алдохексоза–Алоза,Алтроза,Глюкоза,Маноза,Гулоза,Идоза,Галактоза,Талоза
  • кетохексоза–Псикоза,Фруктоза,Сорбоза,Тагатоза
• хептоза
  • алдохептоза–Манохептулоза
  • кетохептоза–Седохептулоза

Дезокси захаритеса монозахариди, при които една хидроксилна група е заместена с водороден атом. Най-известният представител на дезокси захарите едезоксирибозата,която участва в структурата надезоксирибонуклеиновата киселина(ДНК).

Особено място сред групата на въглехидратите заематзахарните киселини,производни на монозахаридите, при които карбонилната и/или терминална хидроксилна група е окислена до карбоксилна. Те се отличават с многообразни, но и жизненоважни биологични функции. Така напримераскорбиновата киселина(витамин C) е както антиоксидант, така и кофактор участващ в редокс процесите;галактуроновата киселинаиидуроновата киселинаса структурните компоненти напектинаи дерматан сулфата и хепарина съответно.глюкуроновата киселинае основен детоксикатор в човешкия организъм, а дериватите наглицериновата киселинаса централни метаболити вгликолизатаи други метаболитни пътища.

Дизахариди

Въглехидрати, чиито молекули могат да се разглеждат като получени от две молекули монозахариди, които се свързват чрез отделяне на молекула вода се наричат дизахариди.

Процесът е кондензационен. Обезводняването става между хидроксилни групи, така че отделните монозахаридни остатъци са свързани с кислородни мостове. То може да се извърши или между гликозидните хидроксилни групи на двата монозахарида (дикарбонилен тип на свързване, напр. при захарозата), или между гликозидната хидроксилна група на единия монозахарид и една от алкохолните групи на втория монозахарид (монокарбонилен тип на свързване, напр. при малтозата).

Дизахариди от дикарбонилен тип на свързване са захароза, трехалоза; Дизахариди от монокарбонилен тип на свързване – лактоза, малтоза и др.

Олигозахариди

Олигозахарид(отгръцкиолигос,малко,изахар) е въглехидратенполимеризграден от не много на броймонозахариднимономери(обикновено до десет). Олигозахаридите имат различни функции – най-често се срещат поплазмената мембранана животинските клетки, където изпълняват съществена роля в междуклетъчното разпознаване.

Олигозахаридите са чест компонент нагликопротеинитеигликолипидитеи като такива често се използват като химични маркери клетъчното разпознаване. При A и B кръвните групи има два различни гликолипида с различни олигозахариди върху клетъчната мембрана наеритроцитите,AB-кръвната група има и от двата вида, докато при O никакви.

Полизахариди

Молекулите на полизахаридите са изградени от голям брой монозахаридни остатъци. За разлика от монозахаридите те нямат сладък вкус и са много малко разтворими във вода. Застъпени са широко както в растителни, така и в животински организми, където играят главна роля на резервна храна и на скелетно вещество. Групата на полизахаридите обхваща високомолекулни,колоиднипо природа въглехидрати. Едни от най-важните и най-разпространени полизахариди са нишестето, целулозата, гликогенът и хитинът.

Структура наамилоза.

Структура наамилопектин.

Нишесте

Нишестето е първият видим продукт на фотосинтезата, извършваща се в зелените части на растенията. Образуваните нишестени зърна се разграждат под действието на ензими до разтворими захари. Чрез растителните сокове последните се транспортират до корените, семената и др., където ензимно се ресинтезира специфично за растението нишесте. Това нишесте служи като резервна храна. Особено богати на нишесте са оризът (85%), пшеницата (75%), царевицата (72%) картофите (25%). От тях нишестето се добива технически чрез механичното му отмиване с вода.

Нишестето е бял хигроскопичен прах, без вкус, малко разтворим във вода. Рентгенографският анализ показва, че то има микрокристален строеж. В гореща вода набъбва, след което дава колоиден разтвор, който при охлаждане се превръща в нишестен клей. При нагряване нишестето се овъглява без да се стапя.

Качествено нишестето може да се докаже с алкохолен разтвор найод,с който то дава характерно синьо-виолетово оцветяване.

Двата основни компонента изграждащи нишестето саамилозатаиамилопектинът.

Паралелни целулозни молекули сводородни връзкипомежду им.

Целулоза

Целулозата е най-разпространеното органично съединение вприродата.Тя изграждастенитена растителните клетки, т.е.скелетнатачаст на растенията. Най-чиста природна целулоза епамукът,който съдържа целулоза до 98%. Тя е главна съставна част наленаиконопа.Дървесинатасъдържа до 50% целулоза. Ежегодно растенията синтезират около 1011 тона целулоза.

Целулозата е бяло влакнесто вещество без вкус. Рентгенографският анализ показва, че тя има кристална структура. Дългите нишковидни целулозни макромолекули са ориентирани по дължината на влакната. Тази структура се нарича влакнеста или фазерна. Отделните макромолекули са свързани чрез водородни връзки в снопчета (нишки).

Гликоген

Гликогенътемолекула,функционираща като енергиен склад в животинските и фунгиалните клетки. Гликогенът се синтезира предимно вчерния дробимускулите,но може също да бъде произведен и вмозъкаилистомаха.

Гликогенът е аналог нанишестетоврастениятаи често е наричан животинска скорбяла. Гликогенът се открива под формата на гранули вцитозолана много видовеклетки.

Структура на хитина, с дваN-ацетилглюкозаминнимономера свързани сβ-1,4 връзка.

Хитин

Хитинъте животинския аналог на целулозата. Той има структурно-опорни функции. Той е най-неразтворимото вещество, познато на Земята. Градивен елемент е на черупките на охлювите, мидите, твърдите части на твърдокрилите.Хитинъте един от основните компоненти наклетъчните стенипригъбите,екзоскелетътпринасекомитеи другичленестоноги,както и на някои другиживотни.

Пектин

Пектинът(от гръцки πηκτικός – пектикос, „пресечен, съсирен “) е структурен полизахарид съдържащ се в първичната клетъчна стена на сухоземните растения. Изграден е от остатъци на D-галактосилуронова киселина свързани с 1,4-гликозидна връзка. Произвежда се с търговска цел като бял до светло кафяв прах, предимно извличан от цитрусови плодове. Използва се като сгъстител в хранителната промишленост, в частност при производството на мармалад и конфитюр. Използва се и като стабилизатор и източник на фибри в плънки, бонбони, плодови сокове и мляко.

Хиалуронова киселина

Хиалуроновата киселина(известна и катохиалуронанихиалуронат) е анионен, несулфониран гликозаминогликан, изграден от дизахарид съставен от D-глюкуронова киселина и D-N-ацетилглюкозамаин свързани чрез β-1,4 и β-1,3 гликозидни връзки. Разпространена е широко всъединителната,епителнатаинервнататъкан. Тя е уникална сред глюкозамингликаните с това, че не е сулфонирана и се синтезира върхуплазмената мембрана,а не вапаратът на голджи.Може да достигне колосални размери от порядъка на милионидалтони. Като водещ компонент на екстрацелуларния матрикс има важно значение за правилното протичане на клетъчната пролиферация и миграция.

Хиалуроновата киселина е компонент и на група А настрептококоватакапсула,и се смята, че играе роля завирулентността.

Физични свойства

Всички въглехидрати се срещат в твърдоагрегатно състояние.Монозахаридите (глюкоза и фруктоза) и дизахаридите (захароза) са безцветни кристални вещества, добре разтворими във вода и със сладък вкус. Сладкият им вкус се дължи на натрупването на голям брой хидроксилни групи в молекулите им. При нагряване те се стопяват, карамелизират и накрая се овъгляват с отделяне на водни пари.

Нишестето е прахообразно вещество с микрокристална структура, а целулозата е вещество с влакнеста или фазерна структура. Нишестето и целулозата са без цвят и без вкус. Нишестето е малко разтворимо в гореща вода, като образува колоиден разтвор. Целулозата е неразтворима във вода. Причина за това са водородните връзки между целулозните макромолекули. Тя се разтваря добре в Швайцеров реактив, конц. HCl и солно кисели разтвори на калаен и цинков дихлорид. Полизахаридите са типични молекулни хидрофилни колоиди. Те са нелетливи. При нагряване се овъгляват без да се стопяват.

Въглехидратите имат еднакъв качествен състав. Молекулите им са изградени от 3 елемента: въглерод, водород и кислород. Молекулната маса на отделните класове въглехидрати е различна. Най-малка е тази на монозахаридите. Молекулите на дизахаридите могат да се разглеждат като получени от две молекули монозахарид с отделяне на молекула вода между тях, а молекулите на полизахаридите нишесте и целулоза – като получени от много молекули монозахариди чрез отделяне на много молекули вода между тях.

Докато глюкозата, фруктозата и захарозата са нискомолекулни вещества, нишестето и целулозата са високомолекулни вещества. Количествените натрупвания на монозахаридни остатъци води до преход от монозахариди към олигозахариди и полизахариди. Докато монозахаридите и дизахаридите имат строго определена молекулна маса, еднаква за всички молекули, то полизахаридите имат различни по маса молекули и затова се характеризират със средна молекулна маса. В следната таблица е показан, състава, строежа и молекулната маса на разглежданите въглехидрати:

Състав на въглехидратите. Молекулна маса. Строеж

• Глюкоза С₆Н₁₂О₆М=180.

Молекулната маса е еднаква за всички молекули Пентахидроксиалдехид Молекулна кристална решетка

• Фруктоза С₆Н₁₂О₆М=180.

Нискомолекулно съединение, както и глюкозата Пентахидроксикетон Молекулна кристална решетка

• Захароза С₁₂Н₂₂О₁₁М=342.

Молекулната маса е еднаква за всички молекули Полихидроксилно съединение с дикарбонилен тип на свързване на монозните остатъци.

• Нишесте (C₆H₁₀О₅)_nМ = 30 000 – 1 000 000.

Молекулната маса е различна за отделните молекули.

Високомолекулно съединение, глюкозните остатъци са свързани в прави и в разклонени вериги.

Има зърнеста структура

• Целулоза

(C₆H₁₀О₅)_nМ = 200 000 до 20 млн.

Молекулната маса е различна за отделните молекули.

Високомолекулно съединение, гликозидно свързване с образуване на прави вериги.

Има влакнеста (фазерна) структура.

Причината за съществените различия в свойствата на монозахаридите, дизахаридите и полизахаридите се дължат на различията в строежа на въглехидратите и стойността на молекулните им маси. В сила е основният диалектически закон, според който количествените натрупвания водят до качествени изменения. С увеличаване на броя на глюкозните остатъци настъпват съответни изменения и в свойствата на въглехидратите.

Химични свойства

Поради наличието на няколко функционални групи в молекулите им и тяхната склонност към тавтомерно превръщане монозахаридите проявяват разнообразна реактивност – те реагират като карбонилни съединения (алдехиди и респективно кетони), както и като хидроксилни производни (с гликозидната и хидроксинлите си ОН групи).

Окисление

Глюкозата и фруктозата поради наличието на карбонилна група в молекулите им редуцират двуамонячен сребърен хидроксид до елементно сребро иФелингов разтвордо димеденоксид.За разлика от кетоните, фруктозата също участва в тези редукционни реакции, защото: валкална средатя изомеризира до глюкоза и освен това има хидроксилна група в съседство, което води до по-силнаполяризацияна кето-групата и респективно засилва редукционните свойства на фруктозата. При редукцията на двуамонячен сребърен хидроксид глюкозата и фруктозата се окисляват доглюконова киселина.

Аналогично протича окислението на глюкозата и фруктозата с Фелингов разтвор, при което се отделя керемиденочервена утайка от димеден оксид.

Причината за редуктивните свойства на фруктозата (за разлика от кетоните) се дължи на факта, че в алкална среда тя изомеризира до глюкоза.

В кисела среда умерени окислители като разредена HNO₃и Br₂-вода окисляват глюкозата до глюконова киселина, а фруктозата не се променя.

По-силни окислители като концентрирана HNO₃окисляват глюкозата доглюкарова киселина,а молекулата на фруктозата се разпада при кетонната група и получените две половини се окисляват по-нататък до съответните киселини.

Захарозата не притежава редуктивни свойства, тъй като тя е дизахарид от дикарбонилен тип на свързване – т.е. няма свободна карбонилна група.

Умерени окислители като разредена HNO₃и бромна вода окисляват алдози до монокарбонови киселини със същия брой въглеродни атоми. Например глюкозата се окислява от тези окислители до глюконова киселина.

В биологични среди се срещат естери на монозахаридите и сфосфорна киселина.

Глюкозата и фруктозата могат да ферментират под действието на различниензими.Например в присъствие на сборния ензимцимазапротича алкохолнаферментациякакто на глюкозата, така и на фруктозата:

С₆Н₁₂О₆→ 2С₂Н₅ОН + 2СО₂

В зависимост от вида на ферментацията могат да се получат ощемлечна киселина,оцетна киселина,ацетон.За отбелязване е, че пентозите не ферментират.

Твърде голямата молекула на незахароподобните полизахариди (нишесте и целулоза) обяснява липсата на редуктивни и карбонилни свойства при тях. Оставащите в края на отделните макровериги свободни карбонилни групи са процентно много малка част от голямата полизахаридна молекула, така че свойствата им не могат да се проявят.

Редукция

С карбонилната си група монозахаридите участват в почти всички присъединителни реакции, характерни за алдехидите, респективно кетоните. Глюкозата и фруктозата лесно присъединяват водород, при което се редуцират и преминават в шествалентния алкохол –сорбитол.

Реакции на хидроксилните групи, естерификация

Реакциите с участието на гликозидната и алкохолните ОН групи при алдозите и кетозите са сходни с тези при алкохолите. Такива реакции характеризират монозахаридите като циклични полуацетали. В заместителните реакции, определящи се от киселинните свойства на ОН групите, по-активна е гликозидната група.

Монозахаридите (глюкоза и фруктоза) могат да се естерифицират, като се образуват естери. Приестерификацияна глюкоза с оцетен анхидрид се получавапентаацетилглюкоза.

Поради сходство в състава и строежа на въглехидратите има известно сходство и в техните химични свойства. Така например, тъй като те съдържат алкохолни групи, всички въглехидрати могат да се естерифицират, като се получават съответните естери. При естерификация на глюкозата с оцетен анхидрид се получава пентаацетил глюкоза.

Голямо значение имат естерите на целулозата с азотна киселина (целулозните нитрати) и с оцетната киселина (целулозните ацетати) за получаване на лакове, пластмаси (целулоид, целит, целон), изкуствена коприна, взривни вещества и др.

Хидролиза

Основно различие в химичните свойства на въглехидратите е участието им в процеса хидролиза. Монозахаридите не могат да хидролизират. Олиго- и полизахаридите хидролизират, като краен продукт на хидролизата са монозахариди.

• Хидролиза на захароза – Под действието на минерални киселини или в присъствие на ензима инвертаза захарозата хидролизира. Като краен продукт на хидролизата се получават в равни количества глюкоза и фруктоза (инвертна захар)
• Хидролиза на нишесте – В кисела среда протича хидролиза на нишестето. Като краен продукт се получава глюкоза. Хидролизата на нишестето в присъствието на ензимите амилаза или диастаза протича обратимо до дизахарида малтоза.
• Хидролиза на целулоза – Приваренена целулоза в разтвор на солна или киселина сярна киселина тя се хидролизира до глюкоза. Хидролизата на целулозата има голямо значение за получаване на глюкоза от дървесни отпадъци.

Ферментация

Ферментацията е биохимичен процес, който се извършва с въглехидратите под действието на ензимникатализатори.Тя може да бъде алкохолна, млечнокисела, оцетнокисела, метанова и др.

Глюкозата и фруктозата ферментират под действието на ензима цимаза до алкохол: ${\mbox{C}}_{6}{\mbox{H}}_{12}{\mbox{O}}_{6}+cym\to {\mbox{2C}}_{2}{\mbox{H}}_{5}{\mbox{OH}}+{\mbox{2CO}}_{2}$

Захарозата също ферментира, тъй като дрождите съдържат ензима инвертаза, под действието на който тя се хидролизира до глюкоза и фруктоза, които по-нататък директно ферментират. Метановатаферментация на целулозата е на полупродуктите на нейната хидролиза.

Въглехидрати и хранене

Богати на въглехидратихранисаплодовете,сладките,газираните безалкохолни,хлябът,макаронените изделия,варивата,картофите,оризъти всички житни растения и продуктите приготвени от тях. Въглехидратите са основният източник на енергия за живите организми, макар че нито един въглехидрат не е есенциален (незаменим) за човека. Това се дължи на факта, че въглехидратите не са непосредствен градивен материал за другите молекули, и тялото може да си набавя необходимата енергия отпротеинитеимазнините.Мозъкътиневронитене могат да използват мазнините като източник на енергия, а само глюкоза и в някои случаи така нареченитекетонни тела.Човешкото тяло може да синтезира известно количество глюкоза в процес нареченглюконеогенезаотгликогенните аминокиселинииглицеролът,участващ в структурата на мазнините, и в редки случаи отмастни киселини.Въглехидратите съдържат 15.8килоджаула(3.75килокалории), протеините 16,8 килоджаула (4 килокалории; това е много относително според вида на белтъка, тъй като някои аминокиселини не могат да се използват като източник на енергия), а мазнините 37,8 килоджаула (9 килокалории) на грам. Въпреки че не са най-богати на енергия, въглехидратите са предпочитаният източник на енергия от човешкия организъм, защото са много по-лесно и по-бързо метаболизируеми от мазнините.

Организмите не могат да метаболизират всички видове въглехидрати, с цел да си осигурят нужната енергия. За тази цел универсален източник на енергия е глюкозата. Много организми също така могат да метаболизират и други моно- и дизахариди, като предпочитана остава глюкозата. ВЕшерихия колинапример,lacоперонът експресираензимитенужни за разграждането на лактоза ако тя е налична в средата. Но ако в средата се срещат както лактоза, така и глюкоза,lacоперонът е потиснат, а в резултат се усвоява първоначално глюкозата. Някои полизахариди също са основен източник на енергия. Множество организми разграждат нишестето до глюкоза и усвояват енергията. Целулоза, хитин и арабиногликаните обаче не могат да бъдат усвоени от повечето организми. Тези полизахариди могат да се метаболизират от някоибактерииипротисти.Преживнитебозайниции термитите са развили хитър способ за усвояване на целулоза като за целта са подпомагани от микроорганизми обитаващи храносмилателния им тракт.

Въпреки че са несмилаеми, тези полизахариди имат важна роля в хранителната диета, тъй като подобряватперисталтикатаи възпрепятстват чернодробния цикъл, свързвайкижлъчните киселини,като по този начин ги извеждат от организма, вместо да бъдат резорбирани и от тях да се синтезира холестерол.

• Богати на въглехидрати храни
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 

Вижте също

• Хранителни вещества

Външни препратки

• Промени във въглехидратите при кулинарна обработкаАрхив на оригинала от2011-05-15 вWayback Machine..