Вуглеводи образно називають «царськими дровами клітин». Дровами називають через те, що вуглеводи є джерелом тепла та енергії. Також вони згорають (окислюються киснем у клітинах), так само як дрова в печі. Під час цього процесу виділяють велику кількість енергії.
А царськими їх називають через те, що під час їхнього згорання в клітинах не залишається метаболічної золи, яка є токсичною і яку необхідно виводити з організму. Після повного окислення вуглеводів залишається тільки вода і вуглекислий газ. Тож уявлення про вуглеводи як про щось шкідливе для організму є хибним.
Щоб дізнатися більше про вуглеводи – читайте далі цей матеріал.
Що таке вуглеводи?
Вуглеводи – це багатоатомні спирти, які мають подвійний зв’язок оксигену з карбоном і здатні утворювати біополімери. Англійською мовою їх називають carbohydrate.
У різних живих істот на вуглеводи припадає різна частка сухої речовини. Якщо в рослин відносна маса вуглеводів складає приблизно 90 %, то у тварин – лише 1–2 %. Адже клітини рослин мають щільну оболонку, що складається з вуглеводу – клітковини.
Крім універсальних вуглеводів, притаманних усім живим істотам без винятків, є ще і специфічні для певних груп бактерій, грибів чи рослин. Наприклад, речовина хітин. Хітин – це складний вуглевод, що входить до складу клітинної стінки грибів і утворює кутикулу членистоногих.
Загальна формула вуглеводів
Органічні сполуки із загальною формулою Сn(H2O)n (карбон і молекула води в однаковому співвідношенні) називаються вуглеводами.
Важливо не сплутувати вуглеводи з вуглеводнями. Вуглеводень – це карбон і гідроген, а вуглевод – це карбон і вода.
За своєю хімічною природою вуглеводи – це аль-дегідо- або кето-спирти. Тобто це альдегіди або кетони, у карбоновому скелеті яких до деяких атомів карбону замість атомів гідрогену приєднується гідроксильна група (ОН).
Крім карбону, оксигену та гідрогену, до складу молекул вуглеводів у деяких випадках можуть входити флюор, сульфур, нітроген.
Читайте також: Як перестати прокрастинувати: поради та корисні додатки
Класифікація вуглеводів
Вуглеводи поділяють на три групи – моносахариди, олігосахариди та полісахариди. Ці три групи трапляються в клітинах усіх живих істот без винятків.
Моносахариди: поняття і приклади речовин
Основою моносахаридів є карбоновий ланцюг, що зазвичай складається з 3–7 атомів карбону. До них приєднуються атоми гідрогену, оксигену й гідроксильні групи (ОН). Й один з атомів карбону завжди має подвійний зв’язок з атомом оксигену.
Отже, моносахариди – це складні багатоатомні спирти, у яких один з атомів карбону має подвійний зв’язок з атомом оксигену. До складу моносахаридів входить лише карбон, оксиген і гідроген у чіткому співвідношенні – 1С : 2Н : 1О.
Молекулам моносахаридів властива полярність. Вони мають вигляд кристалів і розчинюються у воді. Є солодкими на смак. Їх ще називають цукрами.
Звичайними шестиатомними моносахаридами живих організмів, які ще називають гексозами, є глюкоза та фруктоза. Гексози є ключовим джерелом енергії для всіх організмів і основою для синтезу складніших молекул, які виконують захисні та структурні функції.
За своїм хімічним складом ці дві речовини однакові й мають однакову молекулярну формулу – C6H12O6. Але структурні формули молекул глюкози та фруктози різні. У глюкози є подвійний зв’язок з атомом оксигену на першому атомі карбону, а у фруктози – на другому.
Тобто, глюкоза – це спиртоальдегід, а фруктоза – спиртокетон. Речовини з однаковими молекулярними, але різними структурними формулами, у хімії називаються ізомерами.
Залежно від кількості атомів карбону в молекулі, розрізняють такі моносахариди:
- Тріози – 3 атоми.
- Тетрози – 4 атоми.
- Пентози – 5 атомів.
- Гексози – 6 атомів.
- Гептози – 7 атомів.
Найпоширенішими в природі є пентози – рибоза й дезоксирибоза. Це складники нуклеїнових кислот.
До моносахаридів з-поміж інших належать глюкоза, фруктоза, галактоза, які варто розглянути більш докладно.
Глюкоза
Ключову роль у метаболізмі тварин та рослин відіграє глюкоза. Ця органічна речовина утворюється в рослинах після фотосинтезу. Вона є первинним джерелом енергії в клітинах тварин та рослин. Глюкоза – найважливіший компонент у крові людини. Недостатня кількість цієї речовини в крові спричиняє:
- Порушення діяльності мозку;
- Непритомність.
А коли в крові немає глюкози упродовж 15 хвилин, людина може померти.
Глюкоза – це вихідний продукт для багатьох речовин, тому вона є головною речовиною біологічного синтезу.
Фруктоза
Фруктоза або фруктовий цукор також має важливе значення в процесі метаболізму. Це найсолодший із цукрів. Фруктоза становить понад 50 % усіх речовин меду. Також вона є компонентом складніших сполук, необхідних для клітини.
Галактоза
Галактоза має таку ж молекулярну формулу, як глюкоза й гексоза – C6H12O6. Але її структурна формула інша.
Це важливий компонент багатьох біологічно активних складних сполук. У клітинах галактоза легко перетворюється на глюкозу.
У певних умовах моносахариди здатні сполучатися один з одним, виділяючи молекулу води та утворюючи в такий спосіб олігосахариди та полісахариди.
Олігосахариди
Олігосахариди можуть містити від 2 до 4 залишків молекул моносахаридів. Найпоширенішим олігосахаридом є дисахарид сахароза. Вона складається з одного залишку фруктози та одного залишку глюкози. Її молекулярна формула – С12Н22О11.
У вільному вигляді сахароза міститься лише в рослинах, а в травному тракті тварин вона швидко розпадається на глюкозу і фруктозу. Сахарозу ще називають буряковим цукром чи тростинним цукром. Саме сахароза є тим самим цукром, який здебільшого є на кухні у людей.
Крім сахарози, у тканинах рослин є й інші дисахариди. Наприклад, мальтоза. Мальтоза – це солодовий цукор, складається з двох молекул глюкози. Мальтоза у великих кількостях міститься в пророслих зернах зернових культур.
Ще один дисахарид – лактоза, яка є в складі молока ссавців. Лактоза складається з двох моносахаридів – глюкози й галактози.
Усі перелічені олігосахариди мають однакову молекулярну формулу – С12Н22О11. Але в них різні фізичні та хімічні властивості. Вони, як і моносахариди, є цукрами. Олігосахариди розчиняються у воді, а в сухому стані – кристалізуються.
Полісахариди: визначення і приклади
Полісахариди – це особливі представники вуглеводів, які складаються із сотень і тисяч залишків моносахаридів. Вони не мають таких фізичних властивостей, як олігосахариди. Полісахариди виглядають як білий порошок. Є несолодкими та майже не розчиняються у воді.
Загальна формула полісахаридів – (С6Н10O5)n. Залишки моносахаридів у такій молекулі зібрані в один довгий розгалужений ланцюг.
Полісахариди в організмах рослин і тварин виконують дуже різноманітні функції. Вони є універсальним і важливим джерелом енергії в клітині.
Функціонування будь-якого організму так чи інакше пов’язане з окисленням вуглеводів до вуглекислого газу і води. Під час окислення вивільнюється енергія. Глюкоза добре розчиняється у воді та легко проникає крізь клітинну мембрану. Через це накопичити її в клітині неможливо, вона «втікає». Саме тому надлишок глюкози в клітині перетворюється на нерозчинні у воді полісахариди, що у твердому стані відкладаються в цитоплазмі.
Крохмаль
У рослин резервним полісахаридом є крохмаль, утворений із залишків молекул глюкози. Є дві форми крохмалю:
- Амілоза, що має нерозгалужені ланцюги. У водному розчині під дією йоду набуває синього кольору.
- Амілопектин, який має розгалужені ланцюги. Він під дією йоду зафарбовується в червоний колір.
Нестача глюкози в організмі поповнюється з допомогою гідролізу крохмалю, тобто розпадом полімерного ланцюга на поодинокі ланки.
Інулін
Ще одним резервним полісахаридом рослин є інулін. Він здебільшого складається із залишків фруктози, міститься в бульбах топінамбура, коренях цикорію і кульбаби.
Цінність цієї речовини як харчової в тому, що інулін не перетравлюється травними ферментами людини й, тому, він не засвоюється. У зв’язку із цим, інулін використовується в медицині як замінник крохмалю і сахарози, коли в людини є цукровий діабет.
Глікоген
У тварин і грибів основним резервним полісахаридом є глікоген. Він, як і крохмаль, складається з молекул глюкози, але має більш розгалужену будову і трохи розчиняється у воді.
В організмі людини глікоген накопичується у вигляді внутрішньоклітинних включень у печінці та в м’язах. У разі виникнення дефіциту енергії, глікоген зазнає гідролізу. А глюкоза, що вивільнилася, швидко розповсюджується організмом з допомогою крові.
Целюлоза: формула і функції
Клітини рослин вкриває тверда оболонка, що побудована з полісахариду – клітковини або, як її ще називають, целюлози. Вона, так само як резервні вуглеводи (крохмаль і глікоген), є полімером, побудованим із молекул глюкози. Але в целюлози молекули мають іншу просторову організацію і, завдяки цьому, зв’язки між такими молекулами є дуже міцними.
Целюлоза не розчиняється у воді. Молекули целюлози настільки міцні, що тварини здебільшого не здатні її перетравлювати, тобто гідролізувати до молекул глюкози.
Властивість перетравлювати целюлозу притаманна, наприклад, бактеріям і грибам, які для цього мають спеціальні ферменти. Завдяки цим примітивним істотам відбувається розкладання відмерлої деревини, яка містить дуже багато клітковини – целюлози.
Хітин
Хітин – це полісахарид, який утворює зовнішній скелет комах та клітинну оболонку грибів. Також він належить до опорних полісахаридів. Хітин складається з особливих моносахаридів, що містять атоми нітрогену й мають кристалічну структуру. Тому хітин є навіть більш інертною речовиною, ніж целюлоза.
На відміну від крохмалю і глікогену, які є резервними вуглеводами, полісахариди, що виконують структурну функцію, мають складнішу й міцнішу будову. Крім моносахаридів, до їхнього складу можуть входити й інші молекули, наприклад, залишки сульфатної кислоти.
Функції вуглеводів
Призначення вуглеводів є дуже різноманітним. Однак, головні функції вуглеводів – це структурна, енергетична та захисна. Саме завдяки синтезу вуглеводів, що здійснюється в рослинах з допомогою сонячної енергії, можливе життя на Землі. Адже фотосинтез – це синтез саме вуглеводів із води та вуглекислого газу.
З вуглеводів будуються клітинні оболонки рослин, грибів, найпростіших. Вуглеводи – це універсальне і важливе джерело енергії в клітині. Функціонування будь-якого організму нерозривно пов’язане з окисленням вуглеводів до СО2 і Н2О, тобто до вуглекислого газу і води. Унаслідок розщеплення 1 граму вуглеводів будь-якого різновиду виділяється 17,6 кДж енергії.
Цукри (моносахариди та олігосахариди) відіграють важливу роль в обміні речовин і здатні відкладатися в запас.
Якщо ви хочете докладніше розібратися в цій або іншій темі, варто звернутися до репетитора з біології. Учитель на індивідуальному уроці зрозуміло пояснить матеріал і розповість цікаві факти з біології, на які в школі зазвичай не вистачає часу.
Ось, для прикладу, інформація для допитливих. І білий буряковий цукор, і тростинний цукор, і «модний» коричневий цукор – це одна й та ж сахароза. А коричневий колір у «модного» цукру завдяки домішкам чорної патоки, меляси. Чорну патоку використовують у виробництві комбікормів і вона не є настільки корисною, щоби переплачувати за не надто очищений цукор утричі.
Щоб знайти репетитора й цікаво вивчати біологію або іншу дисципліну, переходьте на портал BUKI.
