Содержание углеводов в клетке. Углеводы в живых организмах

Питательные вещества в углеводах – это простой и доступный источник энергии для организма. Сложные всегда полезнее простых углеводов, способствующих отложению жировой клетчатки под кожей.Моносахаридами, олигосахаридами и полисахаридами называют основные углеводы. Моносахариды - объединение сладкой рибозы, дезоксирибозы, глюкозы, фруктозы, галактозы. К полисахаридам относятся растворимая и сладкая сахароза (сахар из тростника), мальтоза (сладкий солод), лактоза (сахарное молочко) К полисахаридам - остаточные молекулы моносахаридов, имеющие ковалентные связи. Они находятся в крахмале, целлюлозе, хитине, крахмале.

Углеводы для работы клетки. Накапливание энергии для бесперебойной работы всего организма – основная функция углеводов в клетке. Во время сгорания (окисления) или при создании анаэробных условий (без поступления кислорода) углерод высвобождает энергию для клеток. Клеточное дыхание обеспечивает глюкоза. Биологические процессы в организме невозможны без фруктозы. Прорастающие семена накапливают мальтозу, а фотосинтез обеспечивается сахарозой. Без этих простых усвояемых энергетических источников для клеток не состоялся бы обмен молекул белков и жира, не работали бы секреты слюнных и желез, что образуют слизь и иные важные соединения.

Глюкоза из плодов и ягод необходима для работы мозга. Печень нуждается в ней для бесперебойной деятельности и гликогена. Для усвоения фруктозы организму не нужно вырабатывать дополнительно инсулин. Это важно для диабетиков. Фруктоза нужна для снижения калорийности пищи и содержится меде, фруктах и ягодах. Лактоза - в молочных продуктах, мальтоза - в меде, экстракте из солода (патоке), проросших зернах. Сахарозу содержат сладкие фрукты и овощи: абрикосы, персики, слива, свекла, морковь, а также сахарная свекла и тростник, из которых получают сахар и добавляют в кондитерские изделия, конфеты и шоколад, выпечку, сладкие напитки.

Запасающая функция углеводов. Избыток углеводов накапливается в клетках и способствует отложению жира, особенно сахароза. Поставщиком энергии становится крахмал с гликогеном. Они возмещают недостающую энергию в клетке во время мышечной работы, длительного голода. В этом заключается запасающая функция углеводов. Источники крахмала – изделия из муки, крупы, бобовые и картофель. Продукты с крахмалом организм переваривает медленно, где расщепляет его до глюкозы. Манка и рис усваиваются легче. При употреблении фруктов и ягод печень насыщается гликогеном.

Роль непредельных (сложных) углеводов. Непредельные углеводы отвечают за обмен веществ. При их отсутствии или недостатке возмещать недостающую энергию приходится жирам и белкам, нарушая солевой обмен и деятельность почек, отравляя мозговые клетки. Непредельные углеводы способствуют развитию полезных бактерий и стимулируют перистальтику кишечника, выводят жир, замедляют всасывание сахара, снижают уровень холестерина, устраняют запоры и геморрой, снижают дозу инсулина диабетикам.

Они находятся в клетчатке: целлюлозе, гемицеллюлозе, лигнине, камеди, пектине. Сложные углеводы содержат овощи, фрукты, ягоды, цитрусовые, пшеничные отруби, овес."Аннотация". Основная функция углеводов в клетке – накапливание энергии для организма. Запасающая функция углеводов – накапливание источник энергии. Сложные непредельные углеводы – развивают полезные бактерии и стимулируют работу кишечника.

1. Какие вещества, относящиеся к углеводам, вам известны?

Ответ. Углеводы (сахариды) - общее название обширного класса природных органических соединений. Название происходит от слов «уголь» и «вода». Углеводы делятся на две группы: простые и сложные. Простые углеводы - глюкоза и фруктоза, дисахарид – сахароза, полисахариды – крахмал и целлюлоза

2. Какую роль играют углеводы в живом организме?

Ответ. Углеводы в живом организме выполняют ряд функций: энергетическую, строительную, защитную, запасающую функции.

Вопросы после §9

1. Какие углеводы называют моно-, олиго– и полисахаридами?

Ответ. Моносахариды (от греч. monos – один) – бесцветные кристаллические вещества, легко растворимые в воде и имеющие сладкий вкус. Из моносахаридов наибольшее значение для живых организмов имеют рибоза, дезоксирибоза, глюкоза, фруктоза, галактоза. Рибоза входит в состав РНК, АТФ, витаминов группы В, ряда ферментов. Дезоксирибоза входит в состав ДНК. Глюкоза (виноградный сахар) является мономером полисахаридов (крахмала, гликогена, целлюлозы). Она есть в клетках всех организмов. Фруктоза входит в состав олигосахаридов, например сахарозы. В свободном виде содержится в клетках растений. Галактоза также входит в состав некоторых олигосахаридов, например лактозы.

Олигосахариды (от греч. oligos – немного) образованы двумя (тогда их называют дисахариды) или несколькими моносахаридами, связанными ковалентно друг с другом с помощью гликозидной связи. Большинство олигосахаридов растворимы в воде и имеют сладкий вкус. Из олигосахаридов наиболее широко распространены дисахариды: сахароза (тростниковый сахар), мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар).

Полисахариды (от греч. poly – много) являются полимерами и состоят из неопределённо большого (до нескольких сотен или тысяч) числа остатков молекул моносахаридов, соединённых ковалентными связями. К ним относятся крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин и др. Интересно, что крахмал, гликоген и целлюлоза, играющие важную роль в живых организмах, построены из мономеров глюкозы, но связи в их молекулах различны. Кроме того, у целлюлозы цепи не ветвятся, а у гликогена они ветвятся сильнее, чем у крахмала.

2. Какие функции выполняют углеводы в живых организмах?

Ответ. Основная функция углеводов – энергетическая. При их ферментативном расщеплении и окислении молекул углеводов выделяется энергия, которая обеспечивает жизнедеятельность организма. При полном расщеплении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж.

Углеводы выполняют запасающую функцию. При избытке они накапливаются в клетке в качестве запасающих веществ (крахмал, гликоген) и при необходимости используются организмом как источник энергии. Усиленное расщепление углеводов происходит, например, при прорастании семян, интенсивной мышечной работе, длительном голодании.

Очень важной является структурная, или строительная, функция углеводов. Они используются в качестве строительного материала. Так, целлюлоза благодаря особому строению нерастворима в воде и обладает высокой прочностью. В среднем 20–40 % материала клеточных стенок растений составляет целлюлоза, а волокна хлопка – почти чистая целлюлоза, и именно поэтому они используются для изготовления тканей.

Хитин входит в состав клеточных стенок некоторых простейших и грибов. В качестве важного компонента наружного скелета хитин встречается у отдельных групп животных, например у членистоногих.

Углеводы выполняют защитную функцию. Так, камеди (смолы, выделяющиеся при повреждении стволов и веток растений, например слив, вишен), препятствующие проникновению в раны болезнетворных микроорганизмов, являются производными моносахаридов.

Твердые клеточные стенки одноклеточных и хитиновые покровы членистоногих, в состав которых входят углеводы, также выполняют защитные функции.

3. Почему углеводы считаются главными источниками энергии в клетке?

Ответ. Углеводы считаются главными источниками энергии в клетке потому, что при их расщеплении выделяется достаточно количества энергии. Углеводы доступны организму. Расщепление углеводов происходит быстрее, чем остальных органических веществ.

Обычно в клетке животных организмов содержится около 1 % углеводов, в клетках печени их содержание доходит до 5 %, а в растительных клетках – до 90 %. Подумайте и объясните почему.

Ответ. В растительных клетках - большой процент углеводов, т. Так как растения автотрофы и в их клетках постоянно идёт процесс фотосинтеза углеводов.

В печени животных более высокое содержание углеводов, т. к. в её клетках находится запас глюкозы в виде гликогена.

Углеводы являются производными многоатомных спиртов и состоят из углерода, водорода и кислорода. Химики определяют эти соединения как многоатомные оксиальдегиды или многоатомные оксикетоны. Название «углеводы» хотя и является устаревшим, но и по сей день широко используется, в том числе и в научной литературе. Своё название этот класс соединений получил потому, что у большинства из них соотношение водорода и кислорода в молекуле такое же, как и в воде. Общая формула углеводов Cn(H20)m, где n не меньше 3. Однако не все соединения, относящиеся к классу углеводов, соответствуют данной формуле.

Выясните, какие это соединения.

Ответ. Общая формула углеводов Сn(H2O)m. Однако с развитием химии углеводов обнаружены соединения, состав которых не отвечает приведенной общей формуле,но обладающие свойствами веществ своего класса(например,C5H10O4-Дезоксирибоза). Еще одним примером может служить молочная кислота С3Н6 О3.

1. Структурная (строительная). Углеводы входят в состав многих элементов живых организмов, например, клеточная стенка растительной клетки, гликокаликс эпителия кишечника человека.

2. Сигнальная. Углеводно-белковые комплексы (гликопротеиды) образуют рецепторы (см. сигнальная функция белков).

3. Защитная. Гликопротеиды соединительной ткани выполняют функцию химической защиты, противостоят гидролитическим ферментам.

4. Энергетическая. При полном окислении 1 г углеводов выделяется 4,1 ккал или 17,2 кДж энергии.

Эта функция последняя по перечислению, но главная по значению. Углеводы дают человеку более 60% энергии.

Энергетика клетки .

В химических реакциях при образовании связей между простыми молекулами энергия потребляется, а при разрыве выделяется.

В процессе фотосинтеза у зеленых растений энергия солнечного света переходит в энергию химических связей, возникающих между молекулами углекислого газа и воды. Образуется молекула глюкозы: CO 2 + H 2 O + Q (энергия) = C 6 H 12 O 6 .

Глюкоза является главным источником энергии для человека и большинства животных.

Процесс усвоения этой энергии называют " окислительное фосфорилирование". Энергия (Q), выделяющаяся при окислении, сразу используется на фосфорилирование аденозиндифосфорной кислоты (АДФ):

АДФ+Ф+Q (энергия)=АТФ

Получается "универсальная энергетическая валюта" клетки аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Она может в любой момент быть использована на любую полезную организму работу или на согревание.

АТФ®АДФ+Ф+Q (энергия)

Процесс окисления глюкозы проходит в 2 этапа.

1. Анаэробное (бескислородное) окисление, или гликолиз, происходит на гладкой эндоплазматической сети клетки. В результате этого глюкоза оказывается разорванной на 2 части, а выделившейся энергии достаточно для синтеза двух молекул АТФ.

2. Аэробное (кислородное) окисление. Две части от глюкозы (2 молекулы пировиноградной кислоты) при наличии кислорода продолжают ряд окислительных реакций. Этот этап протекает на митохондриях и приводит к дальнейшему разрыву молекул и выделению энергии.

Результатом второго этапа окисления одной молекулы глюкозы является образование 6 молекул углекислого газа, 6 молекул воды и энергии, которой достаточно для синтеза 36 молекул АТФ.

В качестве субстратов для окисления на втором этапе могут использоваться не только молекулы, полученные из глюкозы, но и молекулы, полученные в результате окисления липидов, белков, спиртов и других энергоемких соединений.

Активная форма уксусной кислоты - А-КоА (ацетил коэнзим А, или ацетил кофермент А) - это промежуточный продукт окисления всех этих веществ (глюкозы, аминокислот, жирных кислот и других).

А-КоА является точкой пересечения углеводного, белкового и липидного обменов.

При избытке глюкозы и других энергонесущих субстратов организм начинает их депонировать. В этом случае, глюкоза окисляется по обычному пути до молочной и пировиноградной кислоты, затем до А-КоА. Далее, А-КоА становится базой для синтеза молекулы жирных кислот и жиров, которые депонируются в подкожной жировой клетчатке. Наоборот, при недостатке глюкозы, ее синтезируют из белков и жиров через А-КоА (глюконеогенез).

При необходимости могут пополняться и запасы заменимых аминокислот для строительства некоторых белков.

Углеводами называют вещества с общей формулой C n (H 2 O) m , где n и m могут иметь разные значения. Название «углеводы» отражает тот факт, что водород и кислород присутствуют в молекулах этих веществ в том же соотношении, что и в молекуле воды. Кроме углерода, водорода и кислорода, производные углеводов могут содержать и другие элементы, например азот.

Углеводы - одна из основных групп органических веществ клеток. Они представляют собой первичные продукты фотосинтеза и исходные продукты биосинтеза других органических веществ в растениях (органические кислоты, спирты, аминокислоты и др.), а также содержатся в клетках всех других организмов. В животной клетке содержание углеводов находится в пределах 1-2 %, в растительных оно может достигать в некоторых случаях 85-90 % массы сухого вещества.

Выделяют три группы углеводов:

• моносахариды или простые сахара;
• олигосахариды - соединения, состоящие из 2-10 последовательно соединенных молекул простых сахаров (например, дисахариды, трисахариды и т. д.).
• полисахариды состоят более чем из 10 молекул простых сахаров или их производных (крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин).

Моносахариды (простые сахара)

В зависимости от длины углеродного скелета (количества атомов углерода) моносахариды разделяют на триозы (C 3), тетрозы (C 4), пентозы (C 5), гексозы (C 6), гептозы (C 7).

Молекулы моносахаридов являются либо альдегидоспиртами (альдозами), либо кетоспиртами (кетозами). Химические, свойства этих веществ определяются прежде всего альдегидными или кетонными группировками, входящими в состав их молекул.

Моносахариды хорошо растворяются в воде, сладкие на вкус.

При растворении в воде моносахариды, начиная с пентоз, приобретают кольцевую форму.

Циклические структуры пентоз и гексоз - обычные их формы: в любой данный момент лишь небольшая часть молекул существует в виде «открытой цепи». В состав олиго- и полисахаридов также входят циклические формы моносахаридов.

Кроме сахаров, у которых все атомы углерода связаны с атомами кислорода, есть частично восстановленные сахара, важнейшим из которых является дезоксирибоза.

Олигосахариды

При гидролизе олигосахариды образуют несколько молекул простых сахаров. В олигосахаридах молекулы простых сахаров соединены так называемыми гликозидными связями, соединяющими атом углерода одной молекулы через кислород с атомом углерода другой молекулы.

К наиболее важным олигосахаридам относятся мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар) и сахароза (тростниковый или свекловичный сахар). Эти сахара называют также дисахаридами. По своим свойствам дисахариды блоки к моносахаридам. Они хорошо растворяются в воде и имеют сладкий вкус.

Полисахариды

Это высокомолекулярные (до 10 000 000 Да) полимерные биомолекулы, состоящие из большого числа мономеров - простых сахаров и их производных.

Полисахариды могут состоять из моносахаридов одного или разных типов. В первом случае они называются гомополисахариды (крахмал, целлюлоза, хитин и др.), во втором - гетерополисахариды (гепарин). Все полисахариды не растворимы в воде и не имеют сладкого вкуса. Некоторые из них способны набухать и ослизняться.

Наиболее важными полисахаридами являются следующие.

Целлюлоза - линейный полисахарид, состоящий из нескольких прямых параллельных цепей, соединенных между собой водородными связями. Каждая цепь образована остатками β-D-глюкозы. Такая структура препятствует проникновению воды, очень прочна на разрыв, что обеспечивает устойчивость оболочек клеток растений, в составе которых 26-40 % целлюлозы.

Целлюлоза служит пищей для многих животных, бактерий и грибов. Однако большинство животных, в том числе и человек, не могут усваивать целлюлозу, поскольку в их желудочно-кишечном тракте отсутствует фермент целлюлаза, расщепляющий целлюлозу до глюкозы. В то же время целлюлозные волокна играют важную роль в питании, поскольку они придают пище объемность и грубую консистенцию, стимулируют перистальтику кишечника.

Крахмал и гликоген . Эти полисахариды являются основными формами запасания глюкозы у растений (крахмал), животных, человека и грибов (гликоген). При их гидролизе в организмах образуется глюкоза, необходимая для процессов жизнедеятельности.

Хитин образован молекулами β-глюкозы, в которой спиртовая группа при втором атоме углерода замещена азотсодержащей группой NHCOCH 3 . Его длинные параллельные цепи так же, как и цепи целлюлозы, собраны в пучки.

Хитин - основной структурный элемент покровов членистоногих и клеточных стенок грибов.

Функции углеводов

Энергетическая . Глюкоза является основным источником энергии, высвобождаемой в клетках живых организмов в ходе клеточного дыхания (1 г углеводов при окислении высвобождает 17,6 кДж энергии).

Структурная . Целлюлоза входит в состав клеточных оболочек растений; хитин является структурным компонентом покровов членистоногих и клеточных стенок грибов.

Некоторые олигосахариды входят в состав цитоплазматической мембраны клетки (в виде гликопротеидов и гликолипидов) и образуют гликокаликс.

Метаболическая . Пентозы участвуют в синтезе нуклеотидов (рибоза входит в состав нуклеотидов РНК, дезоксирибоза - в состав нуклеотидов ДНК), некоторых коферментов (например, НАД, НАДФ, кофермента А, ФАД), АМФ; принимают участие в фотосинтезе (рибулозодифосфат является акцептором СO 2 в темновой фазе фотосинтеза).

Пентозы и гексозы участвуют в синтезе полисахаридов; в этой роли особенно важна глюкоза.

Для полноценной работы и поддержания жизнедеятельности человеческому организму необходимы белки, жиры и углеводы. Причем их состав должен быть сбалансированным. Углеводы являются важным источником энергии, они необходимы для стабильной работы всех систем организма. Однако функции углеводов не ограничиваются только обеспечением энергии.

Углеводы и их классификация

Углеводами принято считать органические вещества, которые состоят из углерода, водорода и кислорода. Иначе их еще называют сахаридами. Они получили широкое распространение в природе: так, растительные клетки на 70-80% состоят из углеводов в пересчете на сухое вещество, животные - всего на 2%. Функции углеводов в организме предполагают, что они играют важную роль в энергетическом балансе. В большей степени они откладываются в печени в виде гликогена и при необходимости расходуются.

В зависимости от величины молекулы углеводы делят на 3 группы:

• Моносахара - состоят из 1 молекулы углевода (еще их называют кетозами или альдозами). Кстати, всем известные глюкоза и фруктоза являются моносахарами.
• Олигосахара - состоят из 2-10 молекул или моносахаров. Это лактоза, сахароза и мальтоза.
• Полисахара - содержат в своем составе более 10 молекул. К полисахарам относят крахмал, гиалуроновую кислоту и другие.

Чтобы лучше понять значение этих веществ для организма, необходимо выяснить, какие функции углеводов есть.

Энергетическая функция

Углеводы - это один из важных источников энергии для организма. Энергия выделяется при окислении под влиянием ферментов. Так, при расщеплении 1 грамма углеводов образуется 17,6 кДж энергии. В результате окисления и освобождения энергии образуется также вода и углекислый газ. Такой процесс играет большую роль в энергетической цепочке живых организмов, поскольку углеводы могут расщепляться с выделением энергии как в присутствии кислорода, так и без него. А это очень важно при дефиците кислорода. Источниками служат гликоген и крахмал.

Строительная функция

Структурная или строительная функция углеводов в клетке состоит в том, что они являются строительным материалом. Клеточные стенки растений состоят из целлюлозы на 20-40%, а она, как известно, придает высокую прочность. Вот почему клетки растений хорошо поддерживают свою форму и защищают таким образом внутриклеточные соки.

Хитин также является строительным материалом и является главным компонентом оболочек грибов и внешнего скелета членистоногих. Некоторые олигосахара присутствуют в составе цитоплазмы клеток животных и образуют гликокаликс. Углеводсодержащие компоненты играют роль рецептора и принимают сигналы из окружающей среды, затем передают информацию клеткам.

Защитная функция

Слизь (вязкий секрет), которая образуется разными железами, содержит большое количество углеводов и его производных. В комплексе они защищают дыхательные пути, половые органы, органы пищеварения и другие от воздействий окружающей среды (химических, механических факторов, проникновения патогенных микроорганизмов). Гепарин предотвращает свертывание крови и входит в состав противосвертывающей системы. Таким образом, защитные функции углеводов просто необходимы живому организму.

Запасающая функция

Полисахариды являются запасным питательным веществом любого организма, они играют роль главного поставщика энергии. Поэтому запасающая и энергетическая функции углеводов в организме тесно взаимодействуют.

Регуляторная функция

Продукты, которыми питается человек, содержат много клетчатки. Благодаря грубой структуре она раздражает слизистую ткань желудка и кишечника, при этом обеспечивая перистальтику (продвижение пищевого комка). В крови содержится глюкоза. Она регулирует осмотическое давление в крови и поддерживает стабильность гомеостаза.

Все перечисленные функции углеводов играют важную роль в жизнедеятельности организма, без которых просто невозможна жизнь.

В каких продуктах больше углеводов

Самыми известными считаются глюкоза и фруктоза. Рекордное количество содержится в натуральном меде. По сути, мед - это совместный продукт растительного и животного мира.

В продуктах животного происхождения меньше углеводов. Самым ярким представителем является лактоза, больше известная как молочный сахар. Она содержится в молоке и молочных продуктах. Лактоза необходима при заселении кишечника полезными бактериями, а они, в свою очередь, предотвращают опасные для здоровья процессы брожения в кишечнике.

Человек основную массу углеводов получает с пищей растительного происхождения. Например, много глюкозы в вишне, винограде, малине, персиках, тыкве, сливе и яблоках. Источником фруктозы служат все вышеперечисленные ягоды и фрукты, а также смородина. Сахарозу мы получаем из свеклы, земляники, моркови, слив, дыни и арбуза. Плоды и овощи также богаты полисахаридами, особенно много их в оболочке. Источником мальтозы являются кондитерские лакомства и хлебобулочные изделия, а также крупы, мука и пиво. А рафинад, к которому мы все так привыкли, представляет собой сахарозу почти в 100% виде. Это результат жесткой очистки. Углеводы выполняют функции, обеспечивающие нормальную работу всех органов, поэтому важно употреблять достаточное количество овощей и фруктов, чтобы не нарушить естественный баланс.

Мнение диетологов

Такие свойства полисахаридов, как медленное расщепление крахмала, плохая усвояемость грубых волокон и наличие пектина привлекают внимание диетологов. Большинство из них рекомендует включать в рацион до 80% полисахаридов. Если уж хочется булочек и выпечки - то только из муки грубого помола, ягоды следует употреблять в свежем виде. Ну а кондитерские изделия лучше позволять себе только по праздникам, поскольку в них содержится большое количество «быстрых» углеводов, которые могут привести к резкому увеличению массы тела. Иными словами, пирожные и торты - это верный путь к лишним килограммам. Все, что не потратилось, организм откладывает в печени в виде гликогена. Избыток углеводов в организме может вызвать серьезное заболевание - сахарный диабет. Поэтому диетологи советуют употреблять все в меру: и сладкое, и мучное. Только так удастся сохранить баланс, функция углеводов в клетке и в организме в целом не нарушится. Если не забывать об этом, питание всегда будет правильным и сбалансированным.

Таким образом, функции углеводов играют важную роль в жизни организма, главное - научиться понимать «язык» своего тела и стремиться к здоровому образу жизни.