ВУГЛЕВОДИ

ВУГЛЕВОДИ (син.: гліциди, сахариди, цукри) — найпоширеніший на Землі клас органічних сполук, що є первинними продуктами фотосинтезу. Термін В. запропонував у 1844 р. С. Schmіdt, оскільки перші відомі В. відповідали формулі С_mH_2nO_n, тобто сполучення вуглецю з водою. В. були першими, виділеними в чистому вигляді органічними речовинами, які раніше за інші сполуки зазнали кислотного і ферментативного гідролізу, бродіння та одні з перших були синтезовані хімічним шляхом. Дослідження хімічних властивостей В. йшло паралельно розвитку досягнень органічної хімії та біохімії. Значний внесок у вивчення будови і властивостей В. зробили О.М. Бутлеров, H. Kіlіanі, Е. Фішер, W.N. Haworth та інші вчені.

В. — полігідроксикарбонільні сполуки, різні за типом з’єднання, починаючи від низькомолекулярних речовин, які містять кілька атомів вуглецю, і закінчуючи сполуками з багаторазово розгалуженими вуглецевими ланцюгами і з мол. м., що досягає кількох мільйонів дальтон. В. класифікують на моносахариди, олігосахариди і полісахариди (див. Полісахариди). Існують змішані біополімери, або глікокон’югати (глікопротеїни, протеоглікани, гліколіпіди, ліпополісахариди). Деякі ди- і трисахариди мають солодкий смак, тому їх також називають цукрами.

Моносахариди (монози, цукри) — полігідроксиальдегіди, або полігідроксикетони, з загальною формулою С_nH_2nO_n (n=3–9). Напівацетальний гідроксил циклічних форм моносахаридів значно активніший за інші щодо реакцій нуклеофільного заміщення. Такі реакції приводять до утворення глікозидів. При з’єднанні глікозидним зв’язком декількох моносахаридів утворюються олігосахариди (2–10 залишків моносахаридів) і полісахариди (понад 10 залишків цукрів). Кожний залишок моносахариду може мати піранозну чи фуранозну форму, б- або в-конфігурацію глікозидного центру і бути з’єднаним із кожною з ОН-груп сусіднього моносахариду. Тому кількість різних за будовою полімерних молекул, що містять залишки лише одного моносахариду, сягає астрономічної кількості. Характерна властивість моносахаридів у розчинах — мутаротація, або таутомерна рівновага між ациклічними альдегідо- й кетоформами, двома 5-членними (фуранозними) і двома 6-членними (піранозними) напівацетальними формами. Дві піранози, як і дві фуранози, відрізняються між собою за конфігурацією (б або в) нового асиметричного (аномерного) центру, що утворюється внаслідок циклізації з карбонільного атома вуглецю. До звичайних і поширених у природі моносахаридів належать D-глюкоза, D-галактоза, D-маноза, D-фруктоза, D-ксилоза, L-арабіноза і D-рибоза. Метаболічно активними формами сахаридів є їх фосфоефіри. Із моно- і дифосфатів моносахаридів найважливішу роль в обміні речовин відіграють глюкозо-1-фосфат, глюкозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-дифосфат, рибулозофосфат та ін. Пірофосфорний ефір — 5-фосфорибозил-1-пірофосфат бере участь у синтезі пуринових і піримідинових нуклеотидів. При окисненні цукрів утворюються альдонові (глюконова, галактонова та ін.), уронові (глюкуронова, галактуронова тощо) або альдарові (напр. цукрова) кислоти. При відновленні цукрів утворюються багатоатомні спирти (поліоли) і дезоксицукри. Так, із D-глюкози утворюється сорбіт, із D-манози — маніт. До біологічно важливих дезоксицукрів належать D-2-дезоксирибоза, яка входить до складу ДНК, і L-6-дезоксигалактоза (L-фруктоза), виявлена у вуглеводному фрагменті деяких глікопротеїнів клітинних мембран. У багатьох оліго- і полісахаридах виявлені аміносахари — похідні моносахаридів, у яких гідроксильна група заміщена аміногрупою. До найбільш важливих аміносахарів належать D-глюкозамін (входить до складу гіалуронової кислоти, хітину тощо) та D-галактозамін (бере участь у синтезі полісахаридів хрящової тканини — хондроїтинсульфатів і деяких гліколіпідів). Похідна D-глюкозаміну — N-ацетилмурамова кислота — входить до складу полісахаридів мембран бактеріальних клітин, а похідне D-манозаміну — N-ацетилнейрамінова (сіалова) кислота — є необхідною ланкою глікопротеїнів і гліколіпідів вищих тварин. Залишки сіалової кислоти знаходяться зазвичай на кінцях вуглеводних бічних ланцюгів і в основному саме вони відповідальні за загальний негативний заряд клітинної поверхні.

Обмін В. — це взаємопов’язані процеси надходження в організм, ферментативного розщеплення, взаємоперетворення, катаболічні чи анаболічні реакції внутрішньоклітинного метаболізму. Функції В. у живих організмах різноманітні: енергетична (переважно за рахунок крохмалю у рослин і глікогену тварин, бактерій та грибів, які гідролізуються з вивільненням глюкози — джерела енергії для клітин); структурна (входять до складу внутрішньоклітинних структур і передусім мембран); захисна (структурні одиниці імуноглобулінів у підтримці імунітету, знешкодження токсичних продуктів обміну та ЛП, підтримка сталості внутрішнього середовища — гомеостазу); пластична (моносахариди є початковим продуктом біосинтезу численної групи сполук — глікозидів, полісахаридів, амінокислот, жирних кислот, фенолів тощо); гідроосмотична (такі поліаніонні сполуки, як гіалуронова кислота у тварин, рослинні слизи, геміцелюлози, пектини, сульфовані галактани і більш складні полісахариди водоростей утворюють гідрофільні колоїди і зв’язують міжклітинну воду і катіони, регулюючи клітинний осмотичний тиск); кофакторна (виконують роль кофакторів деяких ферментів); транспортна (у вигляді глікозидів здійснюють транспорт різних метаболітів); опорна (целюлоза у рослин, хітин у грибів і членистоногих, пептидоглікани — муреїни клітинної оболонки бактерій); у тварин опорну функцію виконують протеоглікани сполучної тканини, де вуглеводною частиною молекули є сульфовані мукополісахариди, які забезпечують специфічні властивості таких тканин, як кістки, хрящі, сухожилля, шкіра. Функції глікокон’югатів складніші. Бічні олігосахаридні ланцюги глікопротеїнів (див. Глікопротеїни) і гліколіпідів (див. Гліколіпіди) допомагають окремим трансмембранним білкам правильно орієнтуватися в мембрані, запобігають відриву білків від неї, а також їх поверненню в цитозоль і перескакуванню з одного боку бішару на інший. В. також стабілізують просторову структуру глікопротеїну. Не виключено, що вони беруть участь у транспорті мембранних глікопротеїнів, направляючи їх до відповідного місця призначення в клітині чи на її поверхні. У складі клітинної поверхні і мембран складні В. забезпечують їх біологічну специфічність і специфічні властивості. Напр., гліколіпіди є найважливішим компонентом мембран нервових клітин та оболонок еритроцитів, а ліпополісахариди — зовнішньої оболонки грамнегативних бактерій. В. клітинної поверхні часто зумовлюють специфічні імунологічні реакції (групові речовини крові, бактеріальні антигени) і взаємодію клітин із вірусами. Іншими прикладами клітинних взаємодій, у яких беруть участь В., є запліднення, розпізнавання клітин при тканинній диференціації, відторгнення чужорідних тканин тощо.

В органах і тканинах людини і тварин міститься не більше 2% В. на суху масу тканини, в основному це глікоген печінки і м’язів (див. Глікоген). В. їжі перетворюються в організмі на глюкозу, яка необхідна організму як основне джерело енергії і важлива одиниця метаболізму. У крові здорової людини її концентрація в нормі становить 50–95 мг/100 мл; крім глюкози, у крові виявлено фруктозу (0,5–5,0 мг/100 мл), пентозу (1,8–3,3 мг/100 мл), сліди галактози, манози, лактози, мальтози, сахарози та глікоген у концентрації 7–15 мг/100 мл. У цереброспінальній рідині міститься 40–70 мг/100 мл цукрів, тобто 60–75% кількості цукрів крові. Із сечею дорослої здорової людини на добу виділяється 16–132 мг глюкози.

В. містяться головним чином у рослинних продуктах і є найважливішою групою харчових речовин.

В. їжі, за класифікацією ВООЗ (1980), поділяються на ті, що засвоюються організмом людини, і ті, що не засвоюються. Незасвоювані В. не гідролізуються ферментами ШКТ, не всмоктуються в кишечнику, а якщо всмоктуються, то не метаболізують у тканинах. До них, зокрема, належать олігосахариди типу рафінози, полісахариди, які не є a-гліканами, напр. клітковина, деякі прості цукри, що не метаболізують у тканинах людини. Незасвоювані полісахариди (клітковина, геміцелюлози, пектин) і лігніни становлять групу баластових речовин. Вони одержали назву харчових волокон і відіграють значну роль у нормальному травленні та метаболізмі деяких речовин. В. мають покривати близько 50–55% потреби організму в енергії. Фізіологічне добове надходження В. з їжею становить 350–500 г. При особливо тяжкій праці потреба у засвоюваних В. досягає 602 г. Особи, зайняті розумовою працею, потребують 297–378 г В. залежно від віку і статі. У жінок віком 18–59 років потреба у В. приблизно на 15% нижча, ніж у чоловіків. З віком потреба у В. знижується і у віці 75 років різниця зменшується до 5%. Орієнтувальний баланс В.: крохмаль — 75–85%, В., що легко засвоюються, — 15–20%, клітковина і пектин ~5% загальної кількості В. За енергетичною цінністю В. рівноцінні білкам (гліколіз 1 г В. вивільняє 16,7 кДж, або 4 кКал). Доведено, що В. в організмі засвоюються не повністю, тому при розрахунках калорійності їжі користуються спеціальними таблицями, де наведені показники засвоєння В. окремих харчових продуктів. Слід зазначити, що В. є смаковими речовинами. Якщо солодкість сахарози прийняти за 100%, то солодкість інших цукрів становить: фруктози — 173%, глюкози — 81%, мальтози та галактози — 32%, а лактози — 16%. Полісахариди не мають смаку.

В. можуть утворюватися в організмі з жирів і білків. Однак тривала нестача В. у харчуванні призводить до порушення обміну жирів і білків, до витрати білків тканин, до розвитку білково-енергетичної недостатності. У крові накопичуються шкідливі продукти неповного окиснення жирних кислот і деяких амінокислот — кетонові тіла (кетоз); кислотно-основний баланс організму зрушується в кислий бік (метаболічний ацидоз). Серйозний наслідок недостатності В. — зниження рівня глюкози у крові (гіпоглікемія), до чого особливо чутлива ЦНС. В умовах голодування енерговитрати організму забезпечуються за рахунок глікогену. Надлишкове споживання В. — поширена причина порушення обміну речовин, що спричиняє розвиток низки захворювань. В. мають обмежену здатність накопичуватися в організмі тварин, тому їх надмірна кількість досить легко перетворюється на жир, який відкладається у жирових депо. Прості В., крохмаль і глікоген засвоюються з різною швидкістю. Особливо швидко всмоктується з кишечнику глюкоза, повільніше — фруктоза і мед. Легке засвоєння В. забезпечує мінімальну витрату білків організму. При підвищенні енергоцінності раціону можуть розвинутися ожиріння та алергічні реакції. Систематичне надмірне споживання В., які легко засвоюються, при нестачі харчових волокон спричиняє виникнення цукрового діабету при схильності до нього. Це зумовлено перенавантаженням, а потім виснаженням клітин підшлункової залози, які виробляють інсулін. При споживанні В. зернових і бобових продуктів, овочів і фруктів порушення обміну виникають рідше навіть при досить високому вмісті В. Надлишок вуглеводних продуктів призводить до підвищення рівня глюкози в крові (гіперглікемії). Це негативно впливає на клітини кровоносних судин, спричиняє агрегацію тромбоцитів у крові, що створює небезпеку тромбозів, особливо при атеросклерозі та ішемічній хворобі серця. Встановлено, що надмірне вживання сахарози та інших цукристих продуктів, особливо у разі порушення гігієни ротової порожнини, призводить до розвитку карієсу зубів.

В. використовуються фармацевтичною промисловістю як окремі БАР (глюкоза, глюкозамін, фруктоза, гепарин, інулін, слиз, пектин, вуглеводовмісні антибіотики) або як коригувальні речовини, наповнювачі, емульгатори та ін. (сахароза, лактоза, крохмаль, камеді тощо). Целюлозу використовують у виробництві штучного волокна, паперу, пластмас тощо. Харчова і кондитерська промисловість використовує крохмаль, сахарозу, фруктозу, допоміжні речовини вуглеводної природи, такі як драглеутворювачі, загусники, стабілізатори суспензій та емульсій (альгінати, агар, карагінан, камеді, пектини, рослинні галактоманани тощо). Спиртове бродіння моносахаридів використовується у пивоварінні і хлібопечінні, у виробництві етанолу. Біотехнологічними методами цукри перетворюють на гліцерин, молочну, лимонну, глюконову кислоти тощо. Моносахариди є вихідними речовинами у хімічному синтезі.

Афанасьев В.А., Заиков Г.Е. Углеводы. — М., 1980; БМЭ. — М., 1985. — Т. 25.; Біологічна хімія / Л.М. Вороніна, В.Ф. Десенко, Н.М. Мадієвська та ін. — Х., 2000; Боєчко Ф.Ф., Боєчко Л.О. Основні біохімічні поняття, визначення і терміни. — К., 1993; Бочкова А.Ф., Гудвин Т., Мерсер Э. Введение в биохимию растений. — В 2 т. — М., 1986; Губський Ю.І. Біологічна хімія. — К.–Тернопіль, 2000; Ленинджер А. Основы биохимии. — В 3 т. — М., 1985. — Т. 1; Смолянский Б.Л., Абрамова Ж.И. Справочник по лечебному питанию для диетсестер и поваров. — Л., 1984.