Одними из самых важных органических веществ в природе являются углеводы. Их функции в организме человека связаны с процессом метаболизма — гликолизом, благодаря чему происходит высвобождение энергии. Эти соединения органического происхождения обеспечивают полноценную жизнедеятельность, отвечают за стабильную работу сердца и печени. На уроках химии в 10 классе изучают таблицу основных функций углеводов и их значение для живых организмов.
Принцип строения
Молекула углевода (общая формула — Cn (H2O)m) состоит из нескольких гидроксильных (-ОН) и карбонильных (=С=О) групп. Химические и физические свойства этих веществ получили большой спрос в фармакологии. Любое органическое соединение относится к одной из трёх существующих категорий углеводов. Всё зависит от того, какой принцип строения они имеют:
- олигосахариды;
- моносахариды;
- полисахариды.
В первую группу входят от 2 до 10 структурных единиц, например, триозы (трисахариды), диозы (дисахариды), пентасахариды, тетраозы (тетрасахариды) и гексасахариды.
Наибольшее распространение получили C18H32O17 (мелицитоза, раффиноза, мальтотриоза) и C12H22O11 (сахароза, лактоза, мальтоза). Олигосахариды могут состоять из неоднородных и однородных молекул. По этой причине принято различать следующие органические вещества:
- Гетероолигосахариды. В состав входят молекулы разной структуры.
- Гомоолигосахариды. Все молекулы обладают одинаковой структурой.
Простейшими сахарами являются моносахариды. В их состав входит только одна молекула. Моносахариды включают несколько групп, которые различаются итоговым количеством атомов углерода. Для живых организмов самыми значимыми являются пентозы (C5H10O5), входящие в состав нуклеиновых кислот и гексозы (например, глюкоза). К категории самых сложных углеводов относятся полисахариды, состоящие из большого количества моносахаридов (максимум 10 тыс.):
- хитин;
- крахмал;
- целлюлоза;
- гликоген.
Все полисахариды обладают жёсткой структурой и не растворяются в Н2О.
Функции углеводов
Cn (H2O)m в пределах клетки превращаются в ценную для живых организмов энергию. Аденозинтрифосфат (АТФ) включает в свой состав моносахарид рибозу. Образуется это вещество в результате гликолиза (глюкоза окисляется и распадается на пировиноградную кислоту). Этот химический процесс происходит в несколько этапов. Cn (H2O)m могут окисляться до Н2О и СО2, но в результате высвобождается энергия.
| Функции углеводов | Краткое описание |
| Энергетическая | Cn (H2O)m являются основным источником энергии. Если расщепить 1 г углевода, то в итоге можно будет получить 17.6 кДж. Именно Cn (H2O)m обеспечивают более 50% суточного потребления энергии организмом человека |
| Структурная (строительная) | Основным материалом для опорных структур являются полисахариды. В состав клеточной стенки входит целлюлоза, за счёт чего растения приобретают необходимую жёсткость и упругость |
| Запасающая | У растений Cn (H2O)m накапливаются в виде крахмала, у животных — в форме гранул гликогена. При недостаточном количестве энергии эти органические вещества расщепляются до глюкозы. Только при условии полноценного питания в печени человека может накапливаться до 12% гликогена |
| Защитная | Cn (H2O)m помогают образовывать колючки и шипы на растениях. Сложные углеводы входят в состав компонентов иммунной системы. Мукополисахариды содержатся в слизистой оболочке, которая покрывает поверхность бронхов, сосудов носа, органы пищеварительного тракта, а также защищают мочеполовую систему от проникновения вирусов и бактерий, механических повреждений |
| Рецепторная | Углеводы входят в состав клеточных рецепторов |
| Осмотическая | Cn (H2O)m отвечают за контроль осмотического давления. В крови человека содержится около 110 мг глюкозы. От колебаний этого показателя зависит уровень осмотического давления |
| Сигнальная | Углеводы создают в организме человека неразрывный контакт между жидкостями и тканями, гарантируя слаженную работу межклеточного вещества. Без этой функции существенно возрастает вероятность травмирования, так как клетки не успевают реагировать на внешние раздражители |
Некоторые углеводы в результате взаимодействия с белками и липидами могут образовывать различные сложные структуры, например, гликопротеины и гликолипиды, которые входят в состав мембран растительных клеточных.
Физические характеристики
Все углеводы выполняют энергетическую функцию, используя для этого глюкозу и гликоген. Из Cn (H2O)m можно синтезировать некоторые аминокислоты, липиды, пентозы. В качестве главного структурно-функционального компонента клетки используют углеводы. Среди основных физико-химических свойств Cn (H2O)m можно выделить:
- Лучше всего в Н2О растворяются моносахариды. Эти органические соединения используются для получения сиропов, из которых сложно выделить С6Н12О6 в кристаллическом виде.
- Cn (H2O)m являются прозрачными, проявляют нейтральную рН в растворе.
- Среди углеводов встречаются простые соединения с молекулярной массой 200 г/моль и большие полимеры, масса которых может достигать нескольких миллионов.
- В результате окисления С6Н12O6 можно получить кислоты. Эта химическая реакция имеет спрос в фармакологии. Если для окисления глюкозы используется аммиачный раствор гидрата окиси серебра, тогда можно будет получить C6H12O7 («серебряное зеркало»).
- Многоатомные спирты образуются в результате восстановления сахаров. Для этой реакции может использоваться водород в присутствии Ni и Li[AlH4].
- При использовании газообразного HCl и под воздействием СН3ОН атом водорода гликолизного гидроксила может быть замещён на метальную группу.
Если на глюкозу будет воздействовать уксусный ангидрид, тогда будет образована пентаацетилглюкоза (сложный эфир).
Химические свойства
Итоговые характеристики углеводов зависят от их структуры. Моносахариды (особенно глюкоза) можно подвергать многоступенчатому окислению в присутствии и отсутствии O2. На уроках химии в 10 классе изучают следующие свойства Cn (H2O)m:
- В результате окисления углеводов можно получить воду и газ. Эту химическую реакцию записывают так: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 +6H2O.
- Под действием определённых ферментов и при условии отсутствия кислорода происходит брожение Cn (H2O)m: C6H12O6 → 2CH3-CH (OH) — COOH (молочная кислота); C6H12O6 → 2C2H5OH (этанол) + 2CO2.
- В присутствии кислорода полисахариды сгорают до воды и углекислого газа. Химическая реакция: (C6H10O5)n + 6O2 → 6nCO2 + 5nH2O.
- В процессе гидролиза полисахариды и олигосахариды разлагаются до моносахаридов: C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6; (C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6.
- Глюкоза вступает в химическую реакцию с аммиачным раствором оксида серебра и гидроксидом меди: CH2ОН — (CHOH)4-CH=O + 2[Ag (NH3)2] OH → CH2OH — (CHOH)4-COONH4 + 2Ag↓ +3NH3 + H2O; CH2OH — (CHOH)4-CH=O + 2Cu (OH)2 → CH2OH — (CHOH)4-COOH + Cu2O↓ + 2H2O.
Углеводы играют важную биологическую роль в жизни человека. Эти органические соединения являются неотъемлемой частью полноценного рациона. Благодаря Cn (H2O)m организм получает большую часть энергии, много различных витаминов и питательных веществ. Больше всего углеводов содержится в рисе, картофеле, макаронах.
Избыток углеводов вреден для здоровья. Частое употребление продуктов с высокой концентрацией Cn (H2O)m чревато повышением уровня сахара в крови. Иногда часть органических веществ не используется организмом, из-за чего происходит накопление жировых отложений. Это грозит развитием кариеса, сахарного диабета, атеросклероза, ожирения. Дополнительно существует риск возникновения патологий сердечно-сосудистой системы.
Практическое применение
Углеводы активно применяются в фармакологии и медицинской практике. Для производства различных лекарственных средств в заводских и аптечных условиях используются сахароза, глюкоза, крахмал, лактоза. К категории производных углеводов относятся сердечные гликозиды, которые в несколько раз усиливают сокращение миокарда, из-за чего применяются для серийного изготовления кардиотонических препаратов, например, Дигитоксин является мощным стимулятором сердечной мышцы. В составе многих антибиотиков присутствуют гликозиды (Стрептомицин, Эритромицин, Пуромицин).
Большой спрос в медицине получили полисахариды и их производные, так как с их помощью можно существенно повысить устойчивость организма к вирусным и бактериальным инфекциям. Полисахариды входят в состав лекарственных средств, которые минимизируют вероятность возникновения и последующего развития онкологических новообразований, снижают степень негативного воздействия рентгеновских лучей на организм больного.
Большой спрос получил курдалан (микробный полисахарид), который используется в медицинской и пищевой промышленности. В научной среде применяются биотехнологические процессы, благодаря которым можно из крахмала получить циклодекстрины, добавляемые во многие ароматические вещества для последующего производства пищевых продуктов и лекарственных препаратов.
В организме человека углеводы отвечают за обменные процессы. Пищеварительные ферменты становятся более активными за счёт соединения Cn (H2O)m, усиливая при этом перистальтику желудка. Углеводы выполняют функцию мощных антикоагулянтов, которые угнетают скорость свёртывания крови, снижая вероятность образования тромбов. Cn (H2O)m являются незаменимыми органическими веществами, без которых невозможна нормальная работа организма.
