Полисахарид целлюлоза выполняет в клетке растения резервную. Целлюлоза — структурный полисахарид. Функции гликогена в метаболизме

Полисахариды - это природные высокомолекулярные углеводы, макромолекулы которых состоят из остатков моносахаридов.

Основные представители - крахмал и целлюлоза - построены из остатков одного моносахарида - глюкозы . Крахмал и целлюлоза имеют одинаковую молекулярную формулу:

(C 6 H 10 O 5) n ,

но совершенно различные свойства. Это обьясняется особенностями их пространственного строения.
Крахмал состоит из остатков a-глюкозы, а целлюлоза – из b-глюкозы, которые являются пространственными изомерами и отличаются лишь положением одной гидроксильной группы (выделена цветом):

С учетом пространственного строения шестичленного цикла (аним.6.2.1.) формулы этих изомеров имеют вид:

Крахмалом называется смесь двух полисахаридов, построенных из остатков

циклической a -глюкозы.

В его состав входят:

• амилоза (внутренняя часть крахмального зерна) - 10-20%
• амилопектин (оболочка крахмального зерна) - 80-90%

Цепь амилозы включает 200 - 1000 остатков a-глюкозы (средняя мол.масса 160 000) и имеет неразветвленное строение.

Макромолекула амилозы представляет собой спираль, каждый виток которой состоит из 6 звеньев a -глюкозы.
При взаимодействии амилозы с иодом в водном растворе молекулы иода входят во внутренний канал спирали, образуя так называемоесоединение включения . Это соединение имеет характерный синий цвет. Данная реакция используется в аналитических целях для обнаружения как крахмала, так и иода (иодкрахмальная проба).

Амилопектин состоит из разветвленных макромолекул, молекулярная масса которых достигает 1 - 6 млн.

Подобно амилопектину построен гликоген (животный крахмал).

Целлюлоза (клетчатка) - наиболее распространенный растительный полисахарид.

Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенку растительных клеток. Используется в производстве волокон и бумаги. В большом количестве целлюлоза содержится в древесине и хлопке.

Цепи целлюлозы построены из остатков b-глюкозы и имеют линейное строение.

Молекулярная масса целлюлозы - от 400 000 до 2 млн.

Целлюлоза относится к наиболее жесткоцепным полимерам.

Химические свойства целлюлозы

Полисахариды получаются с помощью поликонденсации моносахаридов. Общая формула (С 6 Н 10 О 5) n . Простейшие представители - крахмал и целлюлоза.

Крахмал получается в процессе фотосинтеза и откладывается в корнях и семенах. Это белый порошок, нерастворимый в холодной воде, а в горячей образует коллоидный раствор .

Крахмал - природный полимер, образованный остатками α -глюкозы. Он модет быть в 2х формах: амилоза и амиопектин.

Амилоза - это линейный полимер, растворимый в воде, в котором остатки глюкозы связаны через 1 и 4 атомы углерода .

Линейная полимерная цепь свернута в спираль. Комплекс амилозы и йода дает синее окрашивание. Эта реакция является качественной для обнаружения йода.

Амилопектин нерастворим в воде и разветвлен:

Химические свойства полисахаридов.

При нагревании в кислой среде крахмал подвергается гидролизу. Конечным продуктом является глюкоза:

Эта реакция имеет промышленное значение.

Целлюлоза.

Целлюлоза является основным продуктом растительных клеток. Древесина состоит из целлюлозы, а хлопок и лен - это почти 100%-я целлюлоза. Это природный полимер:

Химические свойства целлюлозы.

1. Целлюлоза подвергается гидролизу в кислой среде при нагревании. Конечный продукт - глюкоза.

2. Характерна реакция образования сложных эфиров:

Тринитрат целлюлозы - взрывчатое вещество, на его основе делают порох.

Существует четыре основных класса сложных биоорганических веществ: белки, жиры, нуклеиновые кислоты и углеводы. Полисахариды принадлежат к последней группе. Несмотря на "сладкое" название, большинство из них выполняет совсем не кулинарные функции.

Полисахарид - это что?

Вещества группы также называют гликанами. Полисахарид - это сложная полимерная молекула. Она составлена из отдельных мономеров - моносахаридных остатков, которые объединены с помощью гликозидной связи. Проще говоря, полисахарид - это молекула, построенная из объединенных остатков более Количество мономеров в полисахариде может варьироваться от нескольких десятков до ста и больше. Строение полисахаридов может быть как линейным, так и разветвленным.

Физические свойства

Большинство полисахаридов нерастворимы или плохо растворимы в воде. Чаще всего они бесцветные или желтоватые. В большинстве своем полисахариды не обладают запахом и вкусом, но иногда он может быть сладковатым.

Основные химические свойства

Среди особых химических свойств полисахаридов можно выделить гидролиз и образование производных.

• Гидролиз - это процесс, который происходит при взаимодействии углевода с водой при участии ферментов или катализаторов, таких как кислоты. Во время такой реакции полисахарид распадается на моносахариды. Таким образом, можно сказать, что гидролиз - процесс, обратный полимеризации.

Гликолиз крахмала можно выразить следующим уравнением:

• (С 6 Н 10 О 5) n + n Н 2 О = n С 6 Н 12 О 6

Так, при реакции крахмала с водой под действием катализаторов мы получаем глюкозу. Количество ее молекул будет равно количеству мономеров, образовывавших молекулу крахмала.

• Образование производных может происходить при реакциях полисахаридов с кислотами. В таком случае углеводы присоединяют к себе остатки кислот, вследствие чего образуются сульфаты, ацетаты, фосфаты и т. д. Кроме того, может происходить присоединение остатков метанола, что приводит к образованию

Биологическая роль

Полисахариды в клетке и организме могут выполнять следующие функции:

• защитную;
• структурную;
• запасающую;
• энергетическую.

Защитная функция заключается прежде всего в том, что из полисахаридов состоят клеточные стенки живых организмов. Так, растений состоит из целлюлозы, грибов - из хитина, бактерий - из муреина.

Кроме того, защитная функция полисахаридов в организме человека выражается в том, что железами выделяются секреты, обогащенные этими углеводами, которые защищают стенки таких органов как желудок, кишечник, пищевод, бронхи и т. д. от механических повреждений и проникновения болезнетворных бактерий.

Структурная функция полисахаридов в клетке заключается в том, что они входят в состав плазматической мембраны. Также они являются компонентами мембран органоидов.

Следующая функция заключается в том, что основные запасные вещества организмов являются именно полисахаридами. Для животных и грибов это гликоген. У растений запасным полисахаридом является крахмал.

Последняя функция выражается в том, что полисахарид - это важный источник энергии для клетки. Получить ее из такого углевода клетка может путем его расщепления на моносахариды и дальнейшего окисления до углекислого газа и воды. В среднем при расщеплении одного грамма полисахаридов клетка получает 17,6 кДж энергии.

Применение полисахаридов

Эти вещества широко используются в промышленности и медицине. Большинство из них добываются в лабораториях путем полимеризации простых углеводов.

Наиболее широко используемыми полисахаридами являются крахмал, целлюлоза, декстрин, агар-агар.

Теперь вы знаете, что такое полисахариды, для чего они используются, какова их роль в организме, какими физическими и химическими свойствами они обладают.

Строение, физико-химические свойства

Полисахариды – высокомолекулярные углеводы, представляющие собой продукты конденсации моносахаридов, содержащие от нескольких десятков до сотен тысяч моносахаридов, соединенных гликозидными связями. Они могут быть как линейными, так и разветвленными. Если молекула полисахарида построена из остатков моносахаридов одного вида, то это – гомополисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза), если из разных моносахаридов – это гетерополисахариды (пектиновые вещества, камеди, слизи, мукополисахариды). В полисахаридах растительного происхождения между остатками моносахаридов в основном образуются (1→ 4)- и (1→ 6)-гликозидные связи, а в полисахаридах бактериального происхождения дополнительно имеются также (1→ 3) и (1→ 2)-гликозидные связи. На конце цепи полисахарида находится остаток восстанавливающего моносахарида. Поскольку доля концевого остатка относительно всей макромолекулы невелика, то полисахариды проявляют очень слабые восстановительные свойства.

Полисахариды имеют большую молекулярную массу. Им присущ характерный для высокомолекулярных веществ более высокий уровень структурной организации макромолекулы. Наряду с первичной структурой, т.е. определенной последовательностью мономерных остатков, важную роль играет вторичная структура, определяемая пространственным расположением макромолекулярной цепи.

В связи с биологической функцией полисахариды делятся на резервные и структурные. Большинство резервных полисахаридов (крахмал, гликоген, инулин) являются важнейшими компонентами пищевых продуктов, выполняя в организме человека функцию источника углерода и энергии. Структурные полисахариды (целлюлоза, гемицеллюлоза) в клеточных стенках растений образуют протяжные цепи, которые в свою очередь, укладываются в прочные волокна или пластины и служат своего рода каркасом в живом организме.

Крахмал – главный резервный полисахарид растений, запасается во многих семенах, клубнях, корневищах и используется только тогда, когда эти органы прорастают. В клубнях картофеля его содержится около 20%, кукурузе – 55-60%, ржи – около 70%.

Крахмал является одним из важнейших продуктов фотосинтеза, образующийся в зеленых листьях растений в виде так называемых первичных зерен. Затем он расщепляется на моносахариды или их фосфорнокислые эфиры и переносится в другие части растений, например, клубни картофеля или зерна злаков. Здесь вновь происходит отложение крахмала в виде зерен, форма и размер которых характерны для данного вида растений.

Крахмал подобно белкам обладает гидрофильными свойствами, однако в холодной воде крахмальные зерна лишь набухают, но не растворяются. Если взвесь крахмальных зерен в воде постепенно нагревать, то они будут набухать все сильнее и при определенной температуре крахмал образует вязкий коллоидный раствор, называемый крахмальный клейстер.

Температура клейстеризации крахмала для разных растений неодинакова и находится в пределах 55-75°С.

Характерным свойством крахмала является его способность окрашиваться йодом в темно-синий цвет.

Крахмал не является химически индивидуальным веществом. На 96-98% он состоит из полисахаридов. В нем найдены в небольшом количестве белки, высокомолекулярные жирные кислоты, минеральные кислоты (фосфорная и кремниевая), которые адсорбированы на крахмальных зернах.

Полисахаридная фракция крахмала состоит из двух компонентов: амилозы и амилопектина.

Амилоза легко растворима в теплой воде и дает нестойкие растворы со сравнительно низкой вязкостью. Длительное хранение раствора амилозы на холоде приводит к выпадению ее в осадок. Этот процесс носит название ретроградации амилозы. Этим, отчасти, можно объяснить процесс черствения хлеба при его хранении.

Молекула амилозы имеет линейную структуру, представляет собой длинную цепочку из остатков a-D-глюкопиранозы, соединенных a(1→ 4)-гликозидными связями:

Количество остатков глюкозы в каждой цепи колеблется от 100 до нескольких тысяч. По данным рентгеноструктурного анализа пространственная конформация цепной макромолекулы амилозы имеет форму спирали.

Такая форма обусловлена тем, что остатки a-Д-глюкозы в составе амилозы имеют конформацию лодки, которая способствует спирализации полигликозидной цепи.. На каждый виток спирали приходится 6 остатков глюкопиранозы. Во внутренний канал спирали могут входить соответствующие по размеру молекулы, например, молекулы йода образуют комплексы, называемые соединениями включения, комплекс амилозы с йодом имеет синий цвет. Это используется в аналитических целях для открытия как крахмала, так и йода.

Амилопектин в отличие от амилозы имеет сильно разветвленную структуру. В его молекулу входит до 50.000 a-D-глюкопиранозных остатков. Наряду с a(1→ 4) связями в амилопектине имеются также a-(1→ 6) гликозидные связи, представляющие собой точки ветвления. Между точками ветвления располагается 20-25 глюкопиранозных остатков. Гликозидные a–(1→ 6) связи составляют около 5% от общего количества связей, содержащихся в молекуле амилопектина.

Методом рентгеноструктурного анализа показано, что структура амилопектина напоминает гроздь винограда.

Амилопектин с йодом дает красно-фиолетовое окрашивание.

Как в амилозе, так и в амилопектине, имеется только один восстанавливающий конец, при том его доля невелика, поэтому крахмал относят к нередуцирующим полисахаридам.

В крахмале большинства растений на долю амилопектина приходится 70-90%, остальные 10-30% составляет амилоза. Однако содержание этих компонентов может изменяться в зависимости от сорта растения, типа ткани, из которой он извлечен. Соотношение амилоза / амилопектин изменяется также во время созревания зерна. Крахмал некоторых культур может быть представлен только одним видом полисахарида, так, у яблок это амилоза, у восковидной кукурузы только амилопектин.

Целлюлоза (клетчатка) – структурный полисахарид, является основным компонентом клеточных стенок растений.

Целлюлоза придает растительной ткани механическую прочность и эластичность, выполняя роль опорного материала растений. В природе целлюлоза не встречается в чистом виде. Волокна хлопка содержат 96-98% целлюлозы, в различных видах древесины содержание ее составляет 40-60%. Волокна льна и конопли состоят преимущественно из клетчатки. Важнейшими спутниками целлюлозы являются лигнин, гемицеллюлозы, пектиновые вещества, смолы и жиры.

Структурной единицей целлюлозы является b-D-глюкопираноза, звенья которой связаны b-(1→4)-гликозидными связями. Это подтверждается тем, что при частичном гидролизе клетчатки образуется дисахарид целлобиоза, имеющий тоже b-(1→4)-гликозидную связь.

Строение клетчатки можно выразить следующей формулой:

b-Д-глюкопираноза в составе клетчатки находится в креслообразной конформации. Это исключает возможность спирализации полиглюкозидной цепи, поэтому молекула целлюлозы сохраняет строго линейное строение.

В растительных клеточных стенках молекулы целлюлозы связаны друг с другом бок о бок, образуя структурные единицы, получившие названия микрофибрилл.

Каждая микрофибрилла состоит из пучка молекул целлюлозы, расположенных по ее длине параллельно друг другу.

Рентгеноструктурные исследования показали, что в полимерной цепи остатки молекул глюкозы повернуты относительно друг друга на 180°С, что делает возможным образование водородных связей между ОН-группой при атоме С-3 одного глюкозного остатка и кислородом пиранозного кольца следующего остатка глюкозы. Это препятствует вращению расположенных рядом остатков глюкозы вокруг соединяющей их гликозидной связи. В результате образуется жесткая линейная и пространственная структуры.

Целлюлоза не растворяется в воде, но в ней набухает. Она не усваивается организмом человека, т.к. в организме не вырабатывается фермент, способный расщеплять b-гликозидную связь. Однако она является необходимым для нормального питания балластным веществом, выполняющим энтеросорбентную функцию. Целлюлоза усваивается травоядными животными, в желудочно-кишечном тракте которых находится специфическая микрофлора, вырабатывающая фермент целлюлазу.

Схему гидролиза целлюлозы можно представить:

Кислотный гидролиз целлюлозы при температуре 170°С приводит к образованию глюкозы, которая используется для получения кормовых дрожжей, этилового спирта. В промышленности из целлюлозы получают хлопчатобумажные ткани, бумагу и целый ряд химических продуктов: вискозу, целлоффан, кинопленку, ацетатный шелк и др.

Главный полисахарид, который хорошо усваивается организмом человека – это крахмал. Основным его поставщиком являются: картофель, хлеб, макароны, зерновые и бобовые.

Молекула крахмала – полимер, состоящий из нескольких молекул глюкозы, которая в данном случае является мономером. В состав крахмала входит две фракции: линейный полимер амилозу (состоит из 200 – 2000 мономеров) и разветвленный полимер амило-пектин (состоит из 1000 – 1000000 мономеров).

Различные соотношения амилозы и амило-пектина в составе крахмала являются причиной разных физико-химических свойств крахмала в разных пищевых источниках (например, крахмал, полученный из разных продуктов, растворяется при разной температуре)

Как усваивается крахмал

Для того, чтобы крахмал лучше усваивался, содержащие его пищевые продукты подвергаются тепловой обработке, в результате которой образуется крахмальный клейстер. В чистой форме клейстер можно увидеть в киселе, а в скрытой форме клейстер образуется в каше, макаронах, хлебе и т.д.

Поступающие с пищей крахмальные полисахариды начинают расщепляться ферментами уже в ротовой полости. В процессе расщепления крахмала образуются мальтодекстрины, мальтоза, глюкоза, которые полностью усваиваются.

В отличии от моносахаридов и дисахаридов крахмал усваивается дольше, поэтому не вызывает резкого повышения уровня глюкозы в крови. Кроме того, с продуктами поставщиками крахмала, в организм поступают большое количество аминокислот, минеральных веществ и витаминов и при этом минимальное количество жира.

Сахар же, напротив, не только не содержит эссенциальных нутриентов, но и затрачивает их в процессе усвоения, а кроме этого, большая часть продуктов кондитерского производства являются еще источниками скрытого жира.

Крахмал который не усваивается

При термической обработке продуктов частично образуется крахмал устойчивый к перевариванию. Образующееся количество этого крахмала зависит от степени тепловой обработки и от того, сколько в крахмале содержится амилозы.

Крахмалы, резистентные к перевариванию содержатся также в продуктах натуральных, например, больше всего их содержат картофель и бобовые.

Устойчивые к перевариванию крахмалы входят в группу пищевых волокон вместе некрахмальными полисахаридами и олигосахаридами.

Модифицированные крахмалы

Эти крахмалы применяются пищевой промышленностью. От природных форм их отличает более хорошая растворимость, которая не зависит от температуры. Подобные свойства достигаются за счет предварительной обработки крахмала ферментами.

С помощью модифицированных крахмалов продуктам придают необходимый внешний вид и стабильную форму, а также достигают требуемой вязкости и однородности.

Гликоген – второй усваиваемый полисахарид

С пищей его поступает немного, в основном с печенью, мясом и рыбой. В процессе созревания мяса из гликогена образуется молочная кислота.

В то же время гликоген образуется в организме человека из глюкозы, поэтому часть излишков глюкозы, поступившей с пищей, превращается в гликоген, а остальная часть – в жир.

Гликоген является единственным углеводом, который в животных тканях используется в качестве резервного. Всего в человеческом организме содержится примерно 500 г гликогена, из них треть – в печени и две трети – в мышцах. В случае глубокого дефицита углеводов в питании, начинается использоваться гликоген печени и мышц. При длительной нехватке гликогена в печени развивается нарушение функции гепатоцитов и в конечном итоге – жировая инфильтрация печени.

Именно поэтому полностью исключать из своего рациона ни в коем случае нельзя. Это следует учесть тем, кто придерживается низкоуглеводных диет типа диеты Аткинса и Кремлевской диеты.

Некрахмальные полисахариды

Некрахмальные полисахариды имеют растительную природу и достаточно широко распространены. В химическом составе некрахмальных полисахаридов оказываются полисахариды, содержащие гексозы, пентозы и уроновые кислоты.

В природе некрахмальные полисахариды выполняют несколько функций: некоторые в качестве структурных компонентов входят в состав клеточных стенок, а некоторые составляют слизи и камеди на поверхности и внутри клеток растений.

Некрахмальные полисахариды классифицируются на:

— целлюлозу

— гемицеллюлозу

— пектины

— р-гликаны

— гидроколлоиды (слизи и камеди).

Некрахмальные полисахариды не способны перевариваться в тонком кишечнике человека, потому, что для этого нет необходимых ферментов. В связи с этим некрахмальные полисахариды ранее считались балластными веществами и удалялись из продуктов в процессе переработки, но в настоящее время, их важность для метаболизма и нормального функционирования организма не ставится под сомнение, более того, некрахмальные полисахариды причислены к группе незаменимых пищевых факторов.

Неперевариваемыми полисахаридами животного происхождения являются хитин и хитозан. Пищевыми источниками этих веществ являются панцири лобстеров и крабов.

Идентичными свойствами также обладает лигнин - соединение полифенольной неуглеводной приро­ды, который не растворяется в воде и входит в состав клеточных оболочек многих растений и семян.

Рекомендуем почитать

Роды

Почти персональный гороскоп: Дракон-Рыба

Здоровье

После полового акта болят яичники После глубокого проникновения болят яичники

Волосы и стрижки

Сергей сичкар рассказал о жизни в тюрьме Сергей сичкар дом 2

Уборка и чистка

Пошаговый рецепт пирога с капустой и яйцом Пирог с капустой и яйцом рецепт

Признаки беременности

Рецепт приготовления торта эстерхази

Гадания

Рыбы – Дракон Судьба рыбы дракон