Характеристика класса углеводы

Клетчатка - самый распространенный высокомолекулярный полимер. Это основной компонент и опорный материал клеточных стенок растений. Содержание клетчатки в волосках семян хлопчатника 98 %, древесине - 40-50, зернах пшеницы - 3, ржи и кукурузе - 2,2, сое - 3,8, подсолнечнике с плодовой оболочкой - до 15 %. Молекулы клетчатки с помощью водородных связей объединены в мицеллы (пучки), состоящие из параллельных цепей. Клетчатка нерастворима в воде и при обычных условиях не гидролизуется кислотами. При повышенных температурах при гидролизе образуется в качестве конечного продукта D-глюкоза. В ходе гидролиза постепенно идет деполимеризация крахмала и образование декстринов, затем мальтозы, а при полном гидролизе глюкозы. Деструкция крахмала, которая начинается с набухания и разрушения крахмальных зерен и сопровождается его деполимеризацией (частичной или более глубокой) до образования в качестве конечного продукта глюкозы, происходит при получении многих пищевых продуктов - патоки, глюкозы, хлебобулочных изделий, спирта и т. д.

Гликоген (животный крахмал) состоит из остатков глюкозы. Важный энергетический запасной материал животных (в печени до 10 %, мышцах 0,3-1 % гликогена) присутствует в некоторых растениях, например в зернах кукурузы. По своему строению напоминает амилопектин, но более разветвлен и его молекула имеет более компактную упаковку. Она построена из остатков a-D-глюкопиранозы.

Гемицеллюлозы - это группа высокомолекулярных полисахаридов, образующих совместно с целлюлозой клеточные стенки растительных тканей. Присутствуют главным образом в периферийных оболочечных частях зерна, соломе, кукурузных початках, подсолнечной лузге. Содержание их зависит от сырья и достигает 40% (кукурузные початки). В зерне пшеницы и ржи до 10 % гемицеллюлоз. В их состав входят пентозаны, образующие при гидролизе пентозы (арабинозу ксилозу), гексозаны, гидролг зующиеся до гексоз (манноз, галактоза, глюкоза, фруктоза и группа смешанных полисахаридов, гидролизующихся до пентоз, гексоз и уроновых кислот. Гемицеллюлозы обычно имеют разветвленное строение; порядок расположения моноз внутри полимерной цепи неодинаков. Они растворяются в щелочных растворах. Кислотный гидролиз гемицеллюлозы протекает значительно легче, чем целлюлозы. В гемицеллюлозы иногда включают группу агара (смесь сульфированных полисахаридов - агарозы и агаропектина) - полисахарида, присутствующего в водорослях и применяемого в кондитерской промышленности. Гемицеллюлозы широко применяют для получения разнообразных технических, медицинских, кормовых и пищевых продуктов, среди которых необходимо выделить агар и агарозу, ксилит. Гемицеллюлозы относят к группе пищевых волокон, необходимых для нормального пищеварения.

Пектиновые вещества - это группа высокомолекулярных полисахаридов, входящих в состав клеточных стенок и межклеточных образований растений совместно с целлюлозой, гемицеллюлозой, лигнином. Содержится в клеточном соке. Наибольшее количество пектиновых веществ находится в плодах и корнеплодах. Получают их из яблочных выжимок, свеклы, корзинок подсолнечника. Различают нерастворимые пектины (протопектины), которые входят в состав первичной клеточной стенки и межклеточного вещества, и растворимые, содержащиеся в клеточном соке. Молекулярная масса пектина изменяется от 20 ООО до 50 000. Основным структурным компонентом его является галактуроновая кислота, из молекул которой строится главная цепь, а в состав боковых цепей входят 1-арабиноза, D-галактоза и рамноза. Часть кислотных групп этерифицирована метиловым спиртом, часть существует в виде солей. При созревании и хранении плодов нерастворимые формы пектина переходят в растворимые, с этим связано размягчение плодов при созревании и хранении. Переход нерастворимых форм в растворимые происходит при тепловой обработке растительного сырья, осветлении плодово-ягодных соков. Пектиновые вещества способны образовывать гели в присутствии кислоты и сахара при соблюдении определениях соотношений. На этом основано их использование в качестве студнеобразующего вещества в кондитерской и консервной промышленности для производства мармелада, пастилы, желе и джемов, а также в хлебопечении, сыроделии.

Биологическая роль важнейших моно, ди-, и полисахаридов.

Основная функция  углеводов - обеспечение энергией всех процессов в организме. Клетки способны получать из углеводов энергию, как при их окислении, т.е. "сгорании", так и в анаэробных условиях (без доступа кислорода). Боль в мышцах после тяжелой работы - результат действия на клетки молочной кислоты, которая образуется при анаэробном распаде углеводов, когда для обеспечения работы мышечных клеток не хватает кислорода, поступающего с кровью.

Часто резкое ограничение углеводов  в диете ведет к значительным нарушениям обмена веществ. Особенно страдает при этом белковый обмен. Белки при  дефиците углеводов используются не по назначению: они становятся источником энергии и участниками некоторых  важных химических реакций. Это приводит к повышенному образованию азотистых  веществ и, как следствие, к повышенной нагрузке на почки, нарушениям солевого обмена и другим, вредным для здоровья, последствиям. При достаточном поступлении  углеводов с пищей белки используются, главным образом, для пластического  обмена, а не для производства энергии. Таким образом, углеводы необходимы для рационального использования  белков. Они также способны стимулировать  окисление промежуточных продуктов  обмена жирных кислот.

Этим, однако, не исчерпывается роль углеводов. Они являются составной  частью молекул некоторых аминокислот, участвуют в построении ферментов, образовании нуклеиновых кислот, являются предшественниками образования  жиров, иммуноглобулинов, играющих важную роль в системе иммунитета, и гликопротеидов - комплексов углеводов и белков, которые являются важнейшими компонентами клеточных оболочек. Гиалуроновые кислоты и другие мукополисахариды образуют защитную прослойку между всеми клетками, из которых состоит организм.

При дефиците углеводов в пище организм использует для синтеза энергии  не только белки, но и жиры. При усиленном  распаде жиров могут возникнуть нарушения обменных процессов, связанные  с ускоренным образованием кетонов (к этому классу веществ относится  известный всем ацетон) и накоплением  их в организме. Избыточное образование  кетонов при усиленном окислении  жиров и частично белков может  привести к "закислению" внутренней среды организма и отравлению тканей мозга вплоть до развития ацидотической комы с потерей сознания.

Наиболее важной из всех моносахаридов  является глюкоза, так как она является структурной единицей (кирпичиком) для построения большинства пищевых ди- и полисахаридов. С пищей к нам поступают моно-, ди- и полисахариды. Всасываются в кишечнике моносахариды. Полисахариды в процессе движения по ЖКТ расщепляются на отдельные молекулы моносахаридов и всасываются в кровь в тонком кишечнике. С кровью воротной вены большая часть глюкозы (около половины) из кишечника поступает в печень, остальная глюкоза через общий кровоток транспортируется в другие ткани. Концентрация глюкозы в крови в норме поддерживается на постоянном уровне и составляет 3,33-5,55 мкмоль/л, что соответствует 80-100 мг в 100 мл крови. Транспорт глюкозы в клетки регулируется во многих тканях гормоном поджелудочной железы - инсулином. В клетке в ходе многостадийных химических реакций глюкоза превращаются в другие вещества, которые в конечном итоге окисляются до углекислого газа и воды, при этом выделяется энергия, используемая организмом для обеспечения жизнедеятельности. При снижении уровня глюкозы в крови или ее высокой концентрации и невозможности использования, как это происходит при диабете, наступает сонливость, может наступить потеря сознания (гипогликемическая кома).

Без присутствия инсулина глюкоза  не поступит в клетку и не будет  использована в качестве топлива. В  этом случае в качестве топлива обычно используются жиры (это характерно для людей с сахарным диабетом). Скорость поступления глюкозы в  ткани мозга и печени не зависит  от инсулина и определяется только концентрацией ее в крови. Эти  ткани называются инсулинонезависимыми.

Фруктоза - вкусный углевод

Является одним из самых распространенных углеводов фруктов. В отличие  от глюкозы она может без участия  инсулина проникать из крови в  клетки тканей. По этой причине фруктоза рекомендуется в качестве наиболее безопасного источника углеводов  для больных диабетом. Часть фруктозы попадает в клетки печени, которые  превращают ее в более универсальное "топливо" - глюкозу, поэтому фруктоза тоже способна повышать уровень сахара в крови, хотя и в значительно  меньшей степени, чем другие простые  сахара. Фруктоза легче, чем глюкоза, способна превращаться в жиры. Основным преимуществом фруктозы является то, что она в 2,5 раза слаще глюкозы  и в 1,7 - сахарозы. Ее применение вместо сахара позволяет снизить общее  потребление углеводов.

Лактоза

Расщепляется в желудочно-кишечном тракте до глюкозы и галактозы  под действием фермента лактазы. Дефицит этого фермента у некоторых людей приводит к непереносимости молока. Дефицит этого фермента наблюдается примерно у 40% взрослого населения. Нерасщепленная лактоза служит хорошим питательным веществом для кишечной микрофлоры. При этом возможно обильное газообразование, живот "пучит". В кисломолочных продуктах большая часть лактозы сброжена до молочной кислоты, поэтому люди с лактазной недостаточностью могут переносить кисломолочные продукты без неприятных последствий. Кроме того, молочнокислые бактерии в кисломолочных продуктах подавляют деятельность кишечной микрофлоры и снижают неблагоприятные действия лактозы.

Сахароза - "пустой" углевод

Дисахарид, образованный молекулами глюкозы и фруктозы, - это сахароза. Содержание сахарозы в сахаре составляет 95%. Сахар быстро расщепляется в желудочно-кишечном тракте, глюкоза и фруктоза всасываются  в кровь и служат источником энергии  и наиболее важным предшественником гликогена и жиров. Его часто  называют "носителем пустых калорий", так как сахар - это чистый углевод, он не содержит других питательных  веществ, таких как, например, витамины, минеральные соли. При соединении двух молекул глюкозы образуется мальтоза - солодовый сахар. Ее содержат мед, солод, пиво, патока и хлебобулочные  и кондитерские изделия, изготовленные  с добавлением патоки.

Все полисахариды, представленные в  пище человека, за редкими исключениями, являются полимерами глюкозы. Основным средством депонирования (накопления) углеводов в растениях является полисахарид - крахмал. У животных в  этом качестве выступает гликоген.

Крахмал - распространенный углевод

Основной из перевариваемых полисахаридов. На его долю приходится до 80% потребляемых с пищей углеводов. Источником крахмала служат растительные продукты, в основном злаковые: крупы, мука, хлеб, а также картофель.

Основное отличие полисахаридов  состоит с том, что при переваривании  крахмала в желудочно-кишечном тракте происходит ферментативное расщепление  и образование моносахаридов, главным  из которых является глюкоза. Расщепление  крахмала начинается в полости рта  при участии слюны, которая частично расщепляет молекулярные связи, образуя  менее крупные, чем крахмал молекулы - декстрины. А затем процесс переваривания  происходит постепенно на протяжении всего ЖКТ. Молекула гликогена содержит до 1 млн. остатков глюкозы, следовательно, на синтез расходуется значительное количество энергии. Необходимость  превращения глюкозы в гликоген связана с тем, что накопление значительного количества глюкозы  в клетке привело бы к повышению  осмотического давления, так как  глюкоза хорошо растворимое вещество. Напротив, гликоген содержится в клетке в виде гранул, и мало растворим. Распад гликогена - гликогенолиз - происходит в период между приемами пищи.

Гликоген - углевод прозапас

Гликоген - удобная форма накопления углеводов, имеющая активно разветвленную  структуру, что позволяет быстро и эффективно расщеплять гликоген на глюкозу и оперативно использовать как источник энергии.

Главная форма запаса углеводов  у животных. Гликоген запасается, главным  образом, в печени (до 6% от массы печени) и в мышцах, где его содержание редко превышает 1%. Запасы углеводов  в организме нормального взрослого  человека (массой 70 кг) после приема пищи составляют около 327 г:

гликоген печени 4,0% = 72 г (масса печени 1800 г);

мышечный гликоген 0,7% = 245 г (масса мышц 35 кг);

внеклеточная глюкоза 0,1% = 10 г (общий объем внеклеточной жидкости 10 л).

Функция мышечного гликогена состоит  в том, что он является легкодоступным источником глюкозы, используемой в  энергетических процессах в самой  мышце. Гликоген печени используется для  поддержания физиологических концентраций глюкозы в крови, прежде всего  в промежутках между приемами пищи. Через 12-18 ч после приема пищи запас гликогена в печени почти  полностью истощается. Содержание мышечного  гликогена заметно снижается  только после продолжительной и  напряженной физической работы.