Транспортной формой углеводов в растении является. Углеводы (СН2О)н

Первичным источником углеводов для всех живых организмов на Земле (за исключением хемосинтезирующих организмов) является фотосинтез. Углеводы входят в составе клеток и тканей всех растительных и животных организмов, они выполняют как структурные, так и метаболические функции:

Углеродные «скелеты» для построения др. органических веществ;

Запасной источник энергии (крахмал, инулин, сахароза, др.) для метаболических процессов;

Структурные компоненты КС (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектины);

Входят в состав мембран (рецепторы -гликопротеины, иммунные белки -лектины).

Примечание: Общепринятые сокращения названий сахаров: глю – глюкоза, фру – фруктоза, гал - галактоза, ман- манноза, ара – арабиноза, кси – ксилоза, ФГА - фосфоглицериновый альдегид, ФДА - фосфодиоксиацетон

Моносахариды

Глюкоза С6Н2О6 (структурные формулы см. рис. 2) (моноза, гексоза, альдоза, виноградный сахар) -- самая распространенная из моноз как в растительном, так и в животном мире. Содержится в свободном виде во всех зеленых частях растений, в семенах, различных фруктах и ягодах. В больших количествах глюкоза содержится в винограде -- отсюда происходит ее название -- виноградный сахар. Особенно велика биологическая роль глюкозы в образовании полисахаридов -- крахмала, целлюлозы, построенных из остатков D-глюкозы. Глюкоза входит в состав тростникового сахара, гликозидов, таннина и других дубильных веществ. Глюкоза хорошо сбраживается дрожжами.

Фруктоза С6Н12О6 (структурные формулы см. рис. 3) (моноза, гексоза, кетоза, левулеза, плодовый сахар) содержится во всех зеленых растениях, в нектаре цветов. Особенно ее много в плодах, поэтому ее второе название -- плодовый сахар. Фруктоза гораздо слаще других сахаров. Она входит в состав сахарозы и высокомолекулярных полисахаридов, таких, например, как инулин. Как и глюкоза, фруктоза хорошо сбраживается дрожжами.

Дисахариды

Сахароза С12Н22О11 (дисахарид) чрезвычайно широко распространена в растениях, особенно много ее в корнеплодах свеклы (от 14 до 20 % сухой массы), а также в стеблях сахарного тростника (массовая доля сахарозы от 14 до 25 %).

Сахароза состоит из -D-глюкопиранозы и -D-фруктофуранозы, соединенных 1 2 связью за счет гликозидных гидроксилов.

Сахароза не содержит свободного гликозидного гидроксила, является невосстанавливающим сахаром, потому относительно химически инертна, за исключением ее чрезвычайной чувствительности к кислотному гидролизу. Поэтому сахароза является транспортным сахаром, в виде которого углерод и энергия транспортируются по растению. Именно в виде сахарозы углеводы перемещаются из мест синтеза (листья) к месту, где они откладываются в запас (плоды, корнеплоды, семена, стебли). По проводящим пучкам растений сахароза движется со скоростью 2030 см/ч. Сахароза очень хорошо растворяется в воде и обладает сладким вкусом. С повышением температуры ее растворимость увеличивается. В абсолютном спирте сахароза нерастворима, а в водном спирте она растворяется лучше. При нагревании до 190200 С и выше происходит дегидратация сахарозы с образованием различных окрашенных полимерных продуктов -- карамелей. Эти продукты под названием колер используются в коньячном производстве для придания окраски коньякам.

Гидролиз сахарозы.

При нагревании растворов сахарозы в кислой среде или под действием фермента -фруктофуранозидазы она гидролизуется, образуя смесь равных количеств глюкозы и фруктозы, которая называется инвертным сахаром (рис. 7).

Рис. 7.

Фермент -фруктофуранозидаза широко распространен в природе, особенно активен он в дрожжах. Фермент находит применение в кондитерской промышленности, так как образующийся под его воздействием инвертный сахар препятствует кристаллизации сахарозы в кондитерских изделиях. Инвертный сахар слаще сахарозы благодаря наличию свободной фруктозы. Это позволяет, применяя инвертный сахар, экономить сахарозу. Кислотный гидролиз сахарозы происходит также при варке варенья и приготовлении джема, но ферментативный гидролиз проходит легче, чем кислотный.

Мальтоза С12Н22О11 состоит из двух остатков -D-глюкопиранозы, соединенных гликозидной связью 1 4.

Мальтоза в свободном состоянии в растениях содержится в небольшом количестве, но появляется при прорастании, так как она образуется при гидролитическом расщеплении крахмала. В нормальном зерне и муке она отсутствует. Наличие ее в муке говорит о том, что эта мука получена из проросшего зерна. Большое количество мальтозы содержится в солоде, который применяется в пивоварении, поэтому мальтозу называют также солодовым сахаром. Под действием фермента -глюкозидазы (мальтазы) мальтоза подвергается гидролизу до D-глюкозы. Мальтоза сбраживается дрожжами.

Лактоза С12Н22О11 построена из -D-галактопиранозы и D-глюкопиранозы, соединенных между собой 1 4 гликозидной связью. В растениях она встречается редко.

В большом количестве (45 %) лактоза содержится в молоке, поэтому ее называют молочным сахаром. Это восстанавливающий сахар со слабым сладким вкусом. Сбраживается лактозными дрожжами до молочной кислоты.

Целлобиоза С12Н22О11 состоит из двух остатков -D-глюкопиранозы, соединенных между собой 1 4 гликозидной связью.

Она служит структурным компонентом полисахарида целлюлозы и образуется из нее при гидролизе под действием фермента целлюлазы. Этот фермент продуцируется рядом микроорганизмов, а также он активен в прорастающих семенах.

Несахароподобные полисахариды

Запасные полисахариды

Крахмал (С6Н10О5)n является важнейшим представителем полисахаридов в растениях. Этот запасной полисахарид используется растениями как энергетический материал. Крахмал в животном организме не синтезируется, аналогичным запасным углеводом у животных является гликоген.

Крахмал в больших количествах содержится в эндосперме злаков -- 6585 % его массы, в картофеле -- до 20 %.

Крахмал не является химически индивидуальным веществом. В его состав кроме полисахаридов входят минеральные вещества, в основном представленные фосфорной кислотой, липиды и высокомолекулярные жирные кислоты -- пальмитиновая, стеариновая и некоторые другие соединения, адсорбированные углеводной полисахаридной структурой крахмала.

В клетках эндосперма крахмал находится в виде крахмальных зерен, форма и размер которых характерны для данного вида растения. Форма крахмальных зерен дает возможность легко распознать крахмалы различных растений под микроскопом, что используется для обнаружения примеси одного крахмала в другом, например при добавлении кукурузной, овсяной или картофельной муки к пшеничной.

В запасающих тканях различных органов -- клубнях, луковицах более крупные крахмальные зерна откладываются в запас в амилопластах как вторичный (запасной) крахмал. Крахмальные зерна имеют слоистую структуру.

Строение углеводных компонентов крахмала

Углеводная часть крахмала состоит из двух полисахаридов:

• 1. Амилозы;
• 2. Амилопектина.
• 1 Строение амилозы.

В молекуле амилозы остатки глюкозы связаны гликозидными 1 4 связями, образуя линейную цепочку (рис. 8, а).

У амилозы различают восстанавливающий конец (А) и невосстанавливающий (В).

Линейные цепи амилозы, содержащие от 100 до нескольких тысяч остатков глюкозы, способны спирально свертываться и таким образом принимать более компактную форму (рис. 8, б). В воде амилоза растворяется хорошо, образуя истинные растворы, которые неустойчивы и способны к ретроградации -- самопроизвольному выпадению в осадок.

Рис. 8.

а -- схема соединения молекул глюкозы в амилозе; б -- пространственная структура амилозы; в -- схема соединения молекул глюкозы в амилопектине; г -- пространственная молекула амилопектина

2 Строение амилопектина

Амилопектин представляет собой разветвленный компонент крахмала. Он содержит до 50 000 остатков глюкозы, соединенных между собой главным образом 1 4 гликозидными связями (линейные участки молекулы амилопектина). В каждой точке разветвления молекулы глюкозы (-D-глюкопиранозы) образуют 1 6 гликозидную связь, которая составляет около 5 % общего числа гликозидных связей молекулы амилопектина (рис. 8, в, г).

Каждая молекула амилопектина имеет один восстанавливающий конец (А) и большое количество невосстанавливающих концов (В). Структура амилопектина трехмерна, его ветви расположены по всем направлениям и придают молекуле сферическую форму. Амилопектин в воде не растворяется, образуя суспензию, но при нагревании или под давлением образует вязкий раствор -- клейстер. С йодом суспензия амилопектина дает красно-бурую окраску, йод при этом адсорбируется на молекуле амилопектина, поэтому цвет суспензии обусловлен окраской самого йода.

Как правило, содержание амилозы в крахмале составляет от 10 до 30 %, а амилопектина -- от 70 до 90 %. Некоторые сорта ячменя, кукурузы и риса называются восковидными. В зернах этих культур крахмал состоит только из амилопектина. В яблоках крахмал представлен только амилозой.

Ферментативный гидролиз крахмала

Гидролиз крахмала катализируется ферментами - амилазами. Амилазы относятся к классу гидролаз, подклассу - карбогидраз. Различают б- и -амилазы. Это однокомпонентные ферменты, состоящие из молекул белка. Роль активного центра у них выполняют группы - NH2 и - SH.

Характеристика б - амилазы

б - Амилаза содержится в слюне и поджелудочной железе животных, в плесневых грибах, в проросшем зерне пшеницы, ржи, ячменя (солод).

б- Амилаза является термостабильным ферментом, её оптимум находится при температуре 700С. Оптимальное значение pH 5.6-6.0, при pH 3.3-4.0 она быстро разрушается.

Характеристика - амилазы

Амилаза находится в зерне пшеницы, ржи, ячменя, в соевых бобах, в батате. Однако активность фермента в созревших семенах и плодах низкая, возрастает активность при прорастании семян.

в-амилаза расщепляет амилозу полнотью, на 100% превращая ее в мальтозу. Амилопектин расщепляет на мальтозу и декстрины дающие красно-коричневое окрашивание с йодом, расщепляя лишь свободные концы глюкозных цепочек. Действие прекращается, когда доходит до разветвлений. в-амилаза расщепляет амилопектин на 54% с образованием мальтозы. Образовавшиеся при этом декстрины гидролизуются б-амилазой с образованием декстринов меньшей молекулярной массы и не дающих окрашивания с йодом. При последующем длительном действии б-амилозы на крахмал около 85% его превращается в мальтозу.

Т.е. при действии в-амилазы образуются в основном мальтоза и немного высокомолекулярных декстринов. При действии б-амилазы образуются главным образом декстрины меньшей молекулярной массы и незначительное количество мальтозы. Ни б- ни в-амилазы в отдельности не могут полностью гидролизовать крахмал с образованием мальтозы. При одновременном действии обеих амилаз крахмал гидролизуется на 95%.

Продукты гидролиза крахмала

В качестве конечных продуктов гидролиза амилозы обычно образуется не только мальтоза, но и глюкоза, а при гидролизе амилопектина- мальтоза, глюкоза и небольшое количество олигосахаридов, содержащих б І6 - гликозидную связь. Гликозидная связь б І6 гидролизуетя R - ферментом. Основным продуктом, образующимся при гидролизе амилозы и амилопектина, является мальтоза. Далее мальтоза под действием б - глюкозидазы (мальтазы) гидролизуется до D- глюкозы.

Препараты амилаз широко применяют в хлебопечении в качестве улучшителей. Добавление амилаз приводит к образованию более мягкого хлебного мякиша и уменьшает скорость черствения хлеба при хранении.

Гликоген и фитогликоген (растительный гликоген) содержится в зерне кукурузы. По строению фитогликоген близок к запасному полисахариду животных организмов -- гликогену, получившему название животного крахмала. Фитогликоген также как и животный гликоген имеет более высокую степень ветвления, чем амилопектин, около 10 % его связей -- это 1 6 связи, тогда как у амилопектина таких связей около 5 %.

Инулин относится к запасным полисахаридам растений. Он представляет группу молекулярных форм приблизительно одинакового размера.

Инулин как запасной полисахарид откладывается в подземных запасающих органах растений -- в клубнях топинамбура, георгина, корневищах артишока. Причем в качестве энергетического запаса вещества он предпочтительнее крахмала.

Близкое к инулину строение имеет другой запасной полисахарид -- леван. Число моносахаридных остатков у левана равно 78.

Леваны - это временные запасные полисахариды злаковых растений. Они обнаружены в листьях, стеблях и корнях растений и расходуются в период созревания зерна на синтез крахмала. Как и инулин, леван содержит концевой остаток сахарозы. Полисахаридная цепь инулина и левана не имеет восстанавливающих концов -- их аномерные углеродные атомы заняты в образовании гликозидной связи.

Из других запасных полисахаридов известны галактоманнаны в семенах сои, глюкоманнаны, откладываемые в запас некоторыми растениями тропиков, но химическая структура их полностью не установлена.

Структурные полисахариды

Целлюлоза (С6Н10О5) - полисахарид второ-го порядка, является основным компонентом клеточных стенок. Целлюлоза состоит из остатков -D-глюкозы, соединенных между собой 1 4 гликозидной связью (рис. 9, а). Среди других полисахаридов, из которых состоит клеточная стенка растений, он относится к микрофибриллярным полисахаридам, так как в клеточных стенках молекулы целлюлозы соединены в структурные единицы, получившие название микрофибрилл. Последняя состоит из пучка молекул целлюлозы, расположенных по ее длине параллельно друг другу.

Рис. 9.

а - соединение молекул глюкозы; б - структура микрофибрилл; в - пространственная структура

Распространение целлюлозы

В среднем на одну молекулу целлюлозы приходится около 8000 остатков глюкозы. Гидроксилы у атомов углерода С2, С3 и С6 не замещены. Повторяющееся звено в молекуле целлюлозы -- остаток дисахарида целлобиозы.

Свойства целлюлозы

Целлюлоза не растворяется в воде, но в ней набухает. Свободные гидроксильные группы способны замещаться на радикалы -- метильный --СН3 или ацетальный с образованием простой или сложноэфирной связи. Это свойство играет большую роль при изучении строения целлюлозы, а также находит применение в промышленности при производстве искусственного волокна, лаков, искусственной кожи и взрывчатых веществ.

Усвояемость целлюлозы

У большинства животных и человека целлюлоза не переваривается в желудочно-кишечном тракте, так как в их организме не вырабатывается целлюлаза -- фермент, гидролизующий 4 гликозидную связь. Этот фермент синтезируется различного рода микроорганизмами, вызывающими гниение древесины. Целлюлозу хорошо переваривают термиты, потому что в их кишечнике живут симбиотические микроорганизмы, вырабатывающие целлюлазу.

В кормовые рационы крупного рогатого скота включают целлюлозу (в составе соломы и других компонентов), так как в их желудке находятся микроорганизмы, синтезирующие фермент целлюлазу.

Значение целлюлозы

Промышленное значение целлюлозы огромно -- производство хлопчатобумажных тканей, бумаги, деловой древесины и целый ряд химических продуктов, в основе которых лежит переработка целлюлозы.

Гемицеллюлозы -- полисахариды второго порядка, образующие вместе с пектиновыми веществами и лигнином матрикс клеточных стенок растений, заполняющий пространство между каркасом стенок, сложенных из целлюлозных микрофибрилл.

Гемицеллюлозы подразделяют на три группы:

• 1. Ксиланы;
• 2. Маннаны;
• 3. Галактаны.
• 1. Ксиланы образованы остатками D-ксилопиранозы, соединенными связями 4 в линейную цепь. Семь из каждых десяти ксилозных остатков ацетилированы по С3 и редко по С2. К некоторым ксилозным остаткам присоединена 4-о-метил--D-глюкуроновая кислота через гликозидную 2 связь.
• 2. Маннаны состоят из основной цепи, образованной из -D-маннопиранозных и -D-аминопиранозных остатков, связанных гликозидными 4 связями. К некоторым остаткам маннозы основной цепи 6 связями присоединены единичные остатки -D-галактопиранозы. Гидроксильные группы при С2 и С3 некоторых остатков маннозы ацетилированы.
• 3. Галактаны состоят из -галактопиранозных остатков, соединенных 4 связями в основную цепь. К ним по С6 присоединены дисахариды, состоящие из D-галактопиранозы и L-арабофуранозы.

Пектиновые вещества представляют собой группу высокомолекулярных полисахаридов, которые вместе с целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином образуют клеточные стенки растений.

Строение пектиновых веществ

Основным структурным компонентом пектиновых веществ служит галактуроновая кислота, из которой строится главная цепь; в состав боковых цепей входят арабиноза, галактоза и рамноза. Часть кислотных групп галактуроновой кислоты этерифицирована метиловым спиртом (рис. 10), т.е. мономером является метоксигалактуроновая кислота. В метоксиполигалактуроновой цепи мономерные звенья связаны 4 гликозидными связями, боковые цепи (разветвления) присоединены к главной цепи 2 гликозидными связями.

Пектиновые вещества сахарной свеклы, яблок, плодов цитрусовых растений различаются между собой по составу боковых цепей полигалактуроновой цепи и по физическим свойствам.

В зависимости от количества метоксильных групп и степени полимеризации различают высоко- и низкоэтерифицированные пектины. У первых этерифицировано более 50 %, у вторых -- менее 50 % карбоксильных групп.

Пектиновые вещества -- это физические смеси пектинов с сопутствующими веществами -- пентозанами и гексозанами. Молекулярная масса пектина от 20 до 50 кДа.

Различают яблочный пектин, который получают из яблочных выжимок, цитрусовый пектин -- из цитрусовых корочек и выжимок, свекловичный пектин -- из свекловичного жома. Богаты пектиновыми веществами айва, красная смородина, кизил, алыча и другие плоды и ягоды.

В растениях пектиновые вещества присутствуют в виде нерастворимого протопектина, связанного с арабаном или ксиланом клеточной стенки. Протопектин переходит в растворимый пектин либо при кислотном гидролизе, либо под действием фермента протопектиназы. Из водных растворов пектин выделяют осаждением спиртом или 50%-ным ацетоном.

Пектиновые кислоты и их соли

Пектиновые кислоты -- высокомолекулярные полигалактуроновые кислоты, небольшая часть карбоксильных групп у которых этерифицирована метиловым спиртом. Соли пектиновых кислот называют пектинатами. Если пектин полностью деметоксилирован, то их называют пектовыми кислотами, а их соли -- пектатами.

Пектолитические ферменты

Ферменты, участвующие в гидролизе пектиновых веществ называются пектолитическими. Они имеют большое значение, так как способствуют повышению выхода и осветлению плодово-ягодных соков.Пектиновые вещества в растениях обычно содержатся не в свободном виде, а в виде сложного комплекса- протопектина. В этом комплексе метоксилированная полигалактуроновая кислота связана с другими углеводными компонентами клетки - арабаном и галактаном. Под действием фермента протопектиназы происходит отщепление арабана и галактана от протопектина. В результате действия этого фермента образуется метоксилированная полигалактуроновая кислота, или растворимый пектин. Растворимый пектин далее расщепляется другими пектолитическими ферментами.

При действии фермента пектинэстеразы на растворимый пектин гидролизуются сложноэфирные связи, в результате чего образуется метиловый спирт и полигалактуроновая кислота, т. е. пектинэстераза отщепляет метоксильные группы метоксиполигалактуроновой кислоты.

Фермент полигалактуроназа при действии на растворимый пектин расщепляет связи между теми участками полигалактуроновой кислоты, которые не содержат метоксильных групп.

Технологическое и физиологическое значение

Важное свойство пектиновых веществ -- способность их к желированию, т. е. образовывать прочные студни в присутствии большого количества сахара (6570 %) и при рН 3,13,5. В образующемся студне массовая доля пектина составляет от 0,2 до 1,5 %.

Пектиновые вещества способны образовывать также при соответствующей обработке гели -- в присутствии перекиси водорода и пероксидазы происходит перекрестная сшивка боковых цепей; в присутствии кислоты и сахара, а также солей кальция пектины также образуют гели с высокой водопоглощающей способностью -- 1 г пектина может поглотить от 60 до 150 г воды.

Плотные гели образуют только высокоэтерифици-рованные пектины. Частичный гидролиз метиловых эфиров приводит к снижению желирующей способности. При полном гидролизе метоксильных групп в щелочных растворах или под действием фермента пектинэстеразы образуются пектиновые кислоты, которые представляют собой полигалактуроновую кислоту. Полигалактуроновая кислота не способна образовывать желе.

На желирующей способности пектиновых веществ основано использование их в качестве студнеобразующего компонента в кондитерской промышленности для производства конфитюров, мармелада, пастилы, желе, джемов, а также в консервной промышленности, хлебопечении и в производстве сыров.

Пектиновые вещества обладают важными физиологическими свойствами, выводя из организма тяжелые металлы в результате соединения многовалентных ионов металлов с неэтерифицированными группами --СОО- по типу ионных связей.

Простые углеводы

• глюкозы,
• сахарозы,
• фруктозы.

Глюкоза

Фруктоза

Сахароза

Полисахариды

• крахмал,
• целлюлоза (клетчатка),
• пектиновые вещества.

Крахмал

Целлюлоза

Пектиновые вещества (пектины)