Познание мира

Углеводы — это большая группа органических соединений, состоящая из углерода, водорода и кислорода, которые обычно могут быть расщеплены на мономеры для высвобождения энергии в живых существах.

1. Это самые массовые биомолекулы в живом организме.
2. Углеводы также известны как сахариды, поскольку многие из них имеют относительно небольшую молекулярную массу и обладают сладким вкусом. Однако это может быть не так для всех углеводов.
3. Эмпирическая формула для углеводов — C _m (H ₂ O) _n , которая верна для большинства моносахаридов. Углеводы представляют собой гидраты углерода и в широком смысле определяются как полигидроксиальдегиды или кетоны и их производные.
4. Это широко распространенные молекулы как в тканях растений, так и в тканях животных, служащие скелетными структурами у растений, а также у насекомых и ракообразных.
5. Они также присутствуют в качестве запасов пищи в органах хранения растений, в печени и мышцах животных. Они являются важным источником энергии, необходимой для различной метаболической активности живых организмов.
6. Углеводы в растениях значительно выше, чем в животных.
7. Другие углеводные полимеры смазывают суставы скелета и участвуют в распознавании и адгезии между клетками.
8. Глюкоза, сахароза, целлюлоза и т. д. — одни из самых известных и важных углеводов на Земле.

Что такое мономер?

1. Мономер — это простейшая молекула, которая образует основную единицу полимеров и, таким образом, считается строительными блоками полимеров.
2. Мономеры связываются с другим мономером, образуя цепочку повторяющихся молекул в процессе полимеризации.
3. Мономеры могут быть природными или синтетическими. Природные мономеры — это аминокислоты и моносахариды, а примерами синтетических мономеров являются винилхлорид и стирол.

Что такое полимер?

1. Полимер — это вещество, состоящее из больших молекул, которые состоят из множества повторяющихся субъединиц или мономеров.
2. Полимеры образуются путем связывания нескольких мономерных единиц в процессе, называемом полимеризацией.
3. Полимеры, как и мономеры, могут быть как синтетическими, так и натуральными. Природные полимеры включают биомолекулы, такие как углеводы и белки, тогда как синтетические полимеры представляют собой полистирол и поливинилхлорид.

Что такое макромолекула?

1. Макромолекула — это большая молекула, состоящая из тысяч атомов, образованных в результате полимеризации более мелких субъединиц, называемых мономерами.
2. Макромолекулы состоят из большого количества атомов, связанных ковалентными связями. Эти макромолекулы вместе образуют полимеры.
3. Макромолекулы также бывают двух типов; натуральный и синтетический. Природные макромолекулы — это биомолекулы, такие как углеводы и липиды, а синтетические макромолекулы — это синтетические полимеры, такие как пластмасса и резина.

Что такое ковалентные связи?

1. Мономерные единицы углеводов связаны друг с другом ковалентными связями, называемыми гликозидными связями.
2. Гликозидная связь образуется между карбоксильной группой, присутствующей на аномерном атоме углерода одного мономера, и спиртовой группой, присутствующей в другом мономере.
3. Ковалентные связи в углеводах — это особые связи, которые определяют большую часть формы более сложного соединения, главным образом потому, что эти связи препятствуют вращению определенных молекул по отношению друг к другу.
4. Ковалентные связи в углеводах представляют собой α- или β-гликозидные связи в зависимости от стереохимии связанных вместе атомов углерода.
5. Линейная цепь в молекуле углевода содержит либо α-1,4-гликозидную связь, либо β-1,4-гликозидную связь. Однако разветвление углеводов происходит из-за 1,6-гликозидной связи.

Восстанавливающие и невосстанавливающие сахара

Что такое восстанавливающие сахара?

1. Восстанавливающие сахара — это молекулы сахара или углевода со свободной альдегидной группой или свободной кетонной группой, которая заставляет молекулу действовать как восстанавливающий агент.
2. Все моносахариды, а также некоторые дисахариды и полисахариды являются восстанавливающими сахарами.
3. В случае других полисахаридов и дисахаридов альдегидные и кетоновые группы остаются связанными в циклической форме.
4. Большинство редуцирующих сахаров сладкие на вкус. Эти сахара могут быть обнаружены с помощью таких тестов, как тест Бенедикта и тест Фелинга, поскольку они дают положительный результат этих тестов.
5. Примеры восстанавливающих сахаров включают моносахариды, такие как галактоза, глюкоза, глицеральдегид, фруктоза, рибоза и ксилоза, дисахариды, такие как целлобиоза, лактоза и мальтоза, и полимеры, такие как гликоген.

Что такое невосстанавливающие сахара?

1. Невосстанавливающий сахар — это молекула сахара или углевода, которая не имеет свободных альдегидных или кетоновых групп и, следовательно, не может действовать как восстанавливающий агент.
2. Невосстанавливающие сахара имеют альдегидные и кетоновые группы, но они участвуют в циклической форме молекулы сахара.
3. Некоторые дисахариды и все полисахариды являются невосстанавливающими сахарами.
4. Невосстанавливающие сахара имеют менее сладкий вкус, чем восстанавливающие сахара. Эти сахара также могут быть обнаружены с помощью таких тестов, как тест Бенедикта и тест Фелинга, поскольку они дают отрицательный результат этих тестов.
5. Примеры невосстанавливающих сахаров включают дисахариды, такие как сахароза, мальтоза и лактоза, и полисахариды, такие как крахмал и целлюлоза.

Образование гликозидной связи путем конденсации

1. Процесс образования гликозидных связей в углеводах представляет собой реакцию конденсации, что означает, что во время процесса образуется молекула воды.
2. Реакция конденсации образуется между группой ОН и аномерным углеродом сахара.
3. Эти гликозидные связи образуются в реакции синтеза дегидратации.
4. Когда спирт атакует аномерный углерод, группа ОН углерода замещается атомом кислорода молекулы спирта. Группа ОН углерода и оставшийся атом Н спирта высвобождаются в виде молекулы воды.
5. Реакция гликозилирования включает нуклеофильное замещение аномерного центра. Поскольку реакция происходит у вторичного атома углерода за счет атаки слабых нуклеофилов (акцепторов сахара), она часто следует мономолекулярному механизму SN1.
6. Результатом гликозидной связи является молекула сахара, связанная с другой молекулой простой эфирной группой.
7. Образованная эфирная связь имеет атом кислорода, связанный с двумя атомами углерода, что приводит к относительно стабильной структуре, чем со спиртовой группой. В результате гликозидная связь приводит к более стабильной структуре сахара.

Разрыв гликозидной связи путем гидролиза

1. Разрыв гликозидной связи происходит в процессе гидролиза путем добавления молекулы воды.
2. Гидролиз гликозидной связи происходит как в присутствии кислоты, так и щелочи.
3. Группа ОН из молекулы воды атакует атом углерода, участвующий в гликозидной связи.
4. При кислотно-катализируемом гидролизе атом водорода связывается с атомом кислорода простой эфирной связи, разделяющей мономерные звенья.
5. В случае полисахаридов гидролиз приводит к более мелким полисахаридам или дисахаридам или моносахаридам.
6. В живой системе гидролиз полисахаридов происходит в присутствии группы ферментов, называемых гидролазами, которые катализируют процесс гидролиза.

Моносахариды

1. Моносахариды — это простейшая форма сахара, которую нельзя гидролизовать на более мелкие единицы.
2. Моносахариды, часто называемые простыми сахарами, представляют собой соединения, которые обладают свободной альдегидной (-CHO) или кетонной (= CO) группой и двумя или более гидроксильными (-OH) группами.
3. Моносахариды считаются топливными молекулами, которые участвуют в образовании полимеров, таких как полисахариды и нуклеиновые кислоты.
4. Моносахариды далее делятся на разные группы на основе различных характеристик, таких как расположение карбонильной группы, количество содержащихся в ней атомов углерода и стереохимия атома углерода.

Альдоз

Моносахариды, содержащие альдегидную группу в качестве карбонильной группы, называются альдозами.

Кетоз

1. Моносахариды, содержащие кетоновую группу в качестве карбонильной группы, называются кетозами.
2. По количеству атомов углерода моносахариды делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и гептозы, содержащие три, четыре, пять, шесть и семь атомов углерода.
3. Моносахариды далее делятся на D- и L-формы в зависимости от ориентации асимметричного углерода, наиболее удаленного от карбонильной группы.

Состав

1. Эмпирическая формула всех моносахаридов — (CH ₂ ) O, что указывает на то, что центральный атом углерода связан с двумя атомами водорода и атомом кислорода.
2. Карбонильная группа присутствует во всех моносахаридах, где, если группа присутствует на конце, она образует альдозу, а если она присутствует в середине, она образует кетозный сахар.
3. Моносахариды с более чем пятью атомами углерода существуют в виде колец в состоянии раствора.
4. Кольцевая структура образуется, когда гидроксильная группа на пятом атоме углерода взаимодействует с первым атомом углерода.
5. Моносахариды состоят из одной молекулы сахара без гликозидной связи.
6. Все моносахариды представляют собой восстанавливающие сахара со свободной альдегидной или кетонной группой.

Функции

1. Моносахариды являются одним из основных источников энергии для живых существ, большинство из которых обеспечивает 4 ккал энергии на грамм углеводов.
2. Моносахариды участвуют в синтезе различных биомолекул, таких как рибоза и рибулоза, участвующих в синтезе нуклеиновых кислот, коферментов, таких как НАД, НАДН, коэнзим А и т. д.
3. Несколько моносахаридов, связанных вместе гликозидными связями, приводят к процессу полимеризации с образованием более крупных полисахаридов.
4. У растений бифосфат рибулозы действует как акцептор углекислого газа во время фотосинтеза.

Дисахариды

1. Дисахарид — это молекула сахара, состоящая из двух мономерных единиц, связанных вместе гликозидной связью, возникающих в результате реакции конденсации.
2. Дисахариды — это простейшие полисахариды, состоящие из идентичных или двух разных моносахаридов.
3. Наиболее распространенные и немодифицированные дисахариды имеют молекулярную формулу C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁.
4. Дисахариды бывают двух типов; восстанавливающие и невосстанавливающие дисахариды. Восстанавливающие дисахариды имеют свободную карбонильную группу, тогда как невосстанавливающие дисахариды не имеют свободной карбонильной группы.
5. Дисахариды, такие как мальтоза, сахароза и лактоза, имеют одинаковую молекулярную формулу, но имеют разное расположение атомов.
6. Дисахариды являются важным источником энергии, поскольку они могут расщепляться с образованием моносахаридов, которые участвуют в метаболических путях в живых существах.

Полисахариды

1. Полисахариды — это молекулы сахара, содержащие более десяти моносахаридных единиц, связанных гликозидными связями.
2. Полисахариды также называют гликанами.
3. Полисахариды представляют собой длинную цепь моносахаридов, где полисахарид может быть либо гомополисахаридом, либо гетерополисахаридом.
4. Гомополисахариды состоят из идентичных моносахаридов, а гетерополисахариды состоят из разных моносахаридов.
5. Полисахариды имеют разные формы в зависимости от присутствующих моносахаридов и атомов углерода, связанных друг с другом.
6. Некоторые полисахариды линейны, а другие — разветвлены.

Крахмал

Крахмал представляет собой полисахарид, содержащий мономеры глюкозы, соединенные гликозидными связями. Крахмал — это органическое соединение, содержащееся во всех живых растениях, которое вырабатывается из избыточной глюкозы, образующейся во время фотосинтеза. Крахмал — это форма резервной пищи в растениях, хранящаяся в хлоропластах в виде гранул и органов хранения, таких как корни, клубень, стебель и семена.

Состав

1. Крахмал — это гомогликан, состоящий из одного типа сахарной единицы, независимо от источника крахмала.
2. В одной молекуле крахмала связано от 300 до 1000 единиц глюкозы.
3. Большинство крахмалов состоит из двух видов полисахаридов: линейного α- (1 → 4) связанного глюкана, называемого амилозой, и α- (1 → 4) связанного глюкана с 4,2-5,9% связями α- (1 → 6) ветвей, называемый амилопектином.
4. Отношение амилозы к амилопектину также варьируется в зависимости от источника крахмала, он составляет от 17 до 70% амилозы и, соответственно, от 83 до 30% амилопектина.
5. α-амилоза или просто амилоза имеет диапазон молекулярной массы от 10000 до 50000, который может быть образован в растительных клетках путем отщепления молекулы воды от гликозидной OH-группы одной молекулы α-D-глюкозы и спиртовой OH-группы на углероде.
6. Таким образом, связь в амилозе представляет собой α-1,4-глюкозид.
7. β-амилоза или амилопектин имеет диапазон высокой молекулярной массы от 50 000 до 1 000 000, что указывает на присутствие 300–5 500 единиц глюкозы на молекулу.
8. Дополнительные α-1,6-глюкозидные связи обнаруживаются в амилопектине в дополнение к α-1,4-глюкозидным связям.
9. В растениях молекулы крахмала расположены в виде полукристаллических гранул.

Функции

1. Крахмал — наиболее распространенная и необходимая форма хранения углеводов в растениях.
2. Это основной источник энергии в углеводной диете, где гидролиз крахмала дает глюкозу, которая далее метаболизируется с образованием энергии.

Гликоген

Гликоген — это разветвленный полисахарид, который является основной формой глюкозы у животных и людей. Его часто называют «животным крахмалом», и он накапливается в печени и мышцах животных.

Состав

1. Гликоген — это полисахарид с разветвленной цепью, по структуре напоминающий амилопектин.
2. Молекула гликогена состоит из субъединиц глюкозы, которые связаны между собой α-1,4-связями, которые разветвляются через α-1,6-связи через каждые десять остатков глюкозы.
3. Эти связи приводят к спиральной полимерной структуре, которая существует в форме гранул в цитоплазме.
4. Гликоген похож на крахмал, но имеет больше ветвей и более компактен, чем крахмал.
5. Гликоген синтезируется в организме, когда в организме вырабатывается избыток глюкозы.

Функции

1. Основная функция гликогена — хранение избыточной глюкозы в организме при повышении уровня глюкозы в крови.
2. Затем гликоген распадается на молекулы глюкозы, чтобы обеспечить организм энергией при снижении уровня глюкозы в крови.
3. Допуская образование и гидролиз, гликоген помогает поддерживать уровень глюкозы в крови.
4. Примерно 6-10% веса печени состоит из гликогена, который во время голодания превращается в молекулы глюкозы.
5. Резервный гликоген в мышечных клетках служит топливом или источником АТФ во время сокращения мышц.

Целлюлоза

Целлюлоза — это самый распространенный внеклеточный структурный полисахарид в растениях и самая распространенная из всех биомолекул в биосфере. Целлюлоза содержится во всех наземных растениях, но отсутствует в мясе, яйцах, рыбе и молоке. Однако она не может метаболизироваться в организме человека. Целлюлоза содержится в клеточных стенках растений, где она играет важную роль в структуре организма.

Состав

1. Молекулярная масса целлюлозы колеблется от 200 000 до 2 000 000, что соответствует 1250–12 500 остаткам глюкозы на молекулу.
2. Она образована гликозидной связью между группой ОН на С1 одной молекулы β-D-глюкозы и спиртовой группой ОН на С4 соседней молекулы β-D-глюкозы.
3. По структуре она напоминает амилозу, за исключением того, что единицы глюкозы связаны между собой β-1,4-глюкозидными связями.

Функции

1. Целлюлоза является основным структурным полисахаридом растений, который формирует различную структуру растительных клеток, включая клеточную стенку.
2. Целлюлоза обладает высокой жесткостью и прочностью, что позволяет клетке иметь прочную структуру и форму.
3. Целлюлоза может расщепляться на более мелкие моносахариды, такие как глюкоза, которые затем могут метаболически расщепляться с образованием энергии.