Дашков Максим Леонидович, репетитор по биологии в Минске. Нерастворимые углеводы в воде
§5. Углеводы
1. Какие вещества являются моносахаридами? Олигосахаридами? Полисахаридами?
|
а) Лактоза; б) гликоген; в) мальтоза; |
г) глюкоза; д) рибоза; е) хитин; |
ж) целлюлоза; з) фруктоза; и) сахароза. |
Моносахаридами являются: г) глюкоза, д) рибоза, з) фруктоза.
Олигосахаридами являются: а) лактоза, в) мальтоза, и) сахароза.
Полисахаридами являются: б) гликоген, е) хитин, ж) целлюлоза.
2. Какие биологические функции выполняют моносахариды? Дисахариды? Приведите примеры.
Важнейшими биологическими функциями моносахаридов являются энергетическая и метаболическая. Например, глюкоза является основным источником энергии для клеток (энергетическая функция) и исходным субстратом для синтеза целлюлозы, крахмала или гликогена (метаболическая функция). Дезоксирибоза необходима для синтеза нуклеотидов ДНК, рибоза – для синтеза нуклеотидов РНК, витамина В2 и некоторых других веществ (метаболическая функция).
Такие дисахариды как сахароза, мальтоза и лактоза, выполняют запасающую функцию. При необходимости они расщепляются до моносахаридов, которые могут служить источниками энергии. Достоинством дисахаридов как резервных веществ является хорошая растворимость в воде, благодаря чему они могут быстро транспортироваться по организму (в отличие от резервных полисахаридов).
3. Чем обусловлено разнообразие олигосахаридов и полисахаридов?
Разнообразие олигосахараидов и полисахаридов обусловлено разнообразием моносахаридов, входящих в их состав, разными способами их соединения (различными вариантами химических связей между остатками моносахаридов), а также количеством мономеров. Вследствие этого олиго- и полисахариды различаются составом (могут быть построены из остатков одного моносахарида или разных), структурой (например, могут быть линейными или разветвлёнными) и молекулярной массой.
4. Как меняется вкус углеводов и их растворимость в воде с увеличением молекулярной массы?
Моносахариды и большинство олигосахаридов имеют сладкий вкус и хорошо растворяются в воде. Полисахариды не имеют сладкого вкуса и практически нерастворимы в воде. Следовательно, с увеличением молекулярной массы исчезает сладкий вкус углеводов, снижается их растворимость в воде.
5. Почему промороженный картофель вскоре после оттаивания приобретает сладковатый вкус?
В результате промораживания клетки картофеля погибают. При оттаивании начинается процесс гидролиза крахмала до глюкозы, которая и придаёт сладковатый вкус.
6. Сравните по различным признакам крахмал, целлюлозу и гликоген. В чём проявляется их сходство? В чём заключаются различия?
Сходство:
● Являются углеводами, относятся к классу полисахаридов.
● Молекулы построены из остатков глюкозы.
● Не имеют сладкого вкуса, практически нерастворимы в воде (могут образовывать лишь коллоидные растворы, но не истинные).
Различия:
● Целлюлоза имеет линейную структуру. Крахмал представляет собой смесь полисахаридов – разветвлённого амилопектина и линейной амилозы. Гликоген имеет разветвлённую структуру и его цепи ветвятся сильнее, чем цепи амилопектина.
● Крахмал и гликоген выполняют запасающую функцию, а целлюлоза – структурную.
● Гликоген синтезируется у животных и грибов, а крахмал и целлюлоза – у растений.
● У растений крахмал откладывается в клетках в виде сравнительно крупных зёрен, целлюлоза входит в состав клеточных оболочек. У животных гликоген откладывается в клетках в виде крошечных гранул.
...и (или) другие существенные признаки.
7. Почему глюкоза в организме животных и человека хранится в форме гликогена, а не в виде собственно глюкозы, хотя синтез гликогена требует дополнительных затрат энергии?
В отличие от глюкозы гликоген, как и другие полисахариды, практически нерастворим в воде. Следовательно, он хранится в клетках в твёрдом, компактном состоянии (не занимает "лишний" объём) и не влияет на процессы осмоса (не повышает осмотическое давление внутриклеточного содержимого).
Кроме того, в сравнении с моносахаридами полисахариды химически более инертны (не обладают столь высокой реакционной способностью как, например, глюкоза), а значит, гликоген не оказывает существенного химического воздействия на процессы обмена веществ в клетках.
8*. Крахмал в клетках растений и гликоген в клетках животных выполняют одну и ту же функцию — запасающую. Основной компонент крахмала — разветвлённый полисахарид амилопектин. Гликоген подобен амилопектину, однако имеет меньшую молекулярную массу и более разветвлённую структуру. Каково биологическое значение указанных особенностей гликогена?
Запасающая функция крахмала и гликогена состоит в том, что эти полисахариды являются поставщиками молекул глюкозы в те периоды, когда клетки живого организма остро нуждаются в энергии.
Отщепление остатков глюкозы происходит по концевым участкам полисахаридов. Следовательно, чем сильнее разветвлён полисахарид, тем больше остатков глюкозы может отщепиться от него за единицу времени. Аналогично обстоит дело с молекулярной массой. Например, пять молекул полисахарида, содержащих по 1000 остатков глюкозы, имеют больше концевых участков, чем одна молекула, в состав которой входит 5000 остатков глюкозы.
Животные ведут подвижный образ жизни и в большинстве случаев им требуется более экстренная энергетическая подпитка, чем растениям. Поэтому им выгодно откладывать про запас не крахмал, а гликоген – сильно разветвлённый полисахарид с небольшой молекулярной массой.
* Задания, отмеченные звёздочкой, предполагают выдвижение учащимися различных гипотез. Поэтому при выставлении отметки учителю следует ориентироваться не только на ответ, приведённый здесь, а принимать во внимание каждую гипотезу, оценивая биологическое мышление учащихся, логику их рассуждений, оригинальность идей и т. д. После этого целесообразно ознакомить учащихся с приведённым ответом.
Дашков М.Л.
Сайт: dashkov.by
Вернуться к оглавлению
| Следующая > |
dashkov.by
Свойства углеводов. Функции и свойства углеводов: таблица
В живой природе широко распространены многие вещества, значение которых сложно переоценить. К примеру, к таковым относятся углеводы. Они чрезвычайно важны в качестве источника энергии для животных и человека, а некоторые свойства углеводов делают их незаменимым сырьем для промышленности.
Что это такое?
Это все вещества, строение которых может быть описано формулой Cn(Н2О)m. Они имеют огромное биологическое значение, играют важнейшую роль в жизни многих живых существ.
Название этой группы ученые придумали после того, как был произведен первичный анализ веществ, которые в нее входят. Тогда было выяснено, что основными их компонентами являются углерод и вода. Позднее выяснилось, что название получилось на редкость точным, так как свойства углеводов таковы, что соотношение атомов водорода и кислорода в них полностью идентично таковому в воде. Проще говоря, на два атома водорода приходится один кислород. Впервые русский вариант названия был предложен в 1844 году профессором К. Шмидтом.
Некоторые дополнения
Если немного видоизменить приведенную выше формулу, вынеся «n» за скобки, то выражение станет несколько иным: См(Н2О)n. Пожалуй, именно оно как нельзя лучше отражает саму суть названия «угле - воды».
На сегодняшний день ученые точно установили, что существует ряд веществ, которые имеют свойства углеводов, но не совсем соответствуют описанной нами формуле. А потому в зарубежной литературе нередко можно наткнуться на слово «глициды», которое является современным синонимом термина 1844 года, который оказался не совсем точен.
Простая классификация
Весь огромный класс веществ можно поделить на две большие группы: простые и сложные глициды. Каковы же свойства углеводов, которые в них входят? Собственно, они также не отличаются большой сложностью:
- Простыми называются те вещества из группы, которые не поддаются гидролизу с последующим образованием других углеводов. Но главное отличие в том, что число атомов кислорода в их структуре равно аналогичному количеству атомов углерода. Называются моносахаридами.
- Соответственно, под определение «сложных» попадают все те глициды, которые при гидролизе распадаются с образованием нескольких простых углеводов. Разумеется, у них соотношение атомов кислорода и углерода различно. Называются дисахаридами. Очень большую роль в природе играют именно сложные углеводы, список которых мы частично приводим в статье.
Кроме того, имеется и другая классификация, по которой углеводы делятся на три типа. Вот они:
- Моносахариды.
- Олигосахариды.
- Полисахариды.
Приведенная ниже таблица углеводов наверняка поможет вам разобраться с их важнейшими различиями.
Моно- ( 1 молекула) | Олиго- (< 10 молекул) | Поли- (>10 молекул) |
Альдозы, кетозы | Сюда как раз таки относятся дисахариды, трисахариды и т. д. | Бывают двух типов:
Из названия можно понять, что внутренняя молекулярная структура у этих двух разновидностей совершенно различна |
Конечно, нами была приведена краткая таблица углеводов, но в ее рамки попросту невозможно уместить все специфические особенности, которые свойственны некоторым представителям этого обширного класса. А потому разберем основные группы каждую отдельно, подробнее остановившись на свойствах некоторых отдельных, наиболее распространенных веществ. Итак, какие бывают классы углеводов?
Моносахариды
Следует помнить, что все они относятся к категории твердых веществ, легко способны переходить в кристаллическое состояние. Они чрезвычайно гигроскопичны, отлично растворяются в воде, образуя сироп. Выделить их в виде кристаллов оттуда бывает очень сложно. Растворы их обладают нейтральной реакцией, чаще всего сладковаты на вкус. Интенсивность вкуса различна: так, фруктоза приблизительно в 3-3,5 раза слаще наиболее часто встречаемой глюкозы.
О структурной форме
Все эти вещества – соединения бифункциональной структуры, в состав которых обязательно входит углеродный скелет, одна карбонильная группа и несколько гидроксильных. Если в роли карбонильной группы выступает альдегидная группа, вещество называется альдозой. Соответственно, в случае наличия кетонного «хвоста» их называют кетозами.
Так как в природе эти вещества распространены чрезвычайно, их можно встретить как в их свободном состоянии, так и в виде ангидридных форм. Вообще, практически все сложные углеводы в той или иной степени являются ангидридами простых сахаров, которые довольно просто получаются при отнятии нескольких (или одной) молекул воды (приставка «ан» - отсутствие).
Глюкоза как наиболее типичный представитель
Формула этого наиболее типичного представителя своей группы - С6Н12О6. Очень часто встречаются эти углеводы в клетке растений. Имеет не только широкую распространенность, но и весьма важное значение для организма, так как является основным источником энергии для него (речь о животных и человеке, конечно же). В принципе, таковы общие свойства белков, углеводов и жиров для всех животных организмов. Кроме того, широко используется в медицине, ветеринарии, промышленности (в том числе и пищевой).
Физические свойства
Каковы общие физические свойства углеводов этой группы? Внешний вид – мелкие кристаллы белого цвета, на вкус сладковаты, в воде растворяются хорошо. Растворяемость резко повышается, если раствор подогревать: таким способом получают сироп глюкозы.
Краткие сведения о химическом строении
Если посмотреть на линейную формулу, то в составе этого углевода хорошо заметна одна альдегидная и пять гидроксильных групп. Когда вещество находится в кристаллическом состоянии, то молекулы его могут находиться в одной из двух возможных форм (α- или β-глюкоза). Дело в том, что гидроксильная группа, сцепленная с пятым атомом углерода, может вступать во взаимодействие с карбонильным остатком.
Распространенность в природных условиях
Так как ее исключительно много в виноградном соке, глюкозу нередко называют «виноградным сахаром». Под таким именем ее знали еще наши далекие предки. Впрочем, отыскать ее можно в любом другом сладком овоще или фрукте, в мягких тканях растения. В животном мире ее распространенность ничуть не ниже: приблизительно 0,1% нашей крови – это именно глюкоза. Кроме того, найти можно эти углеводы в клетке практически любого внутреннего органа. Но особенно их много в печени, так как именно там осуществляется переработка глюкозы в гликоген.
Она (как мы уже и говорили) является ценным источником энергии для нашего организма, входит в состав практически всех сложных углеводов. Как и прочие простые углеводы, в природе она возникает после реакции фотосинтеза, которая протекает исключительно в клетках растительных организмов:
6СО2 + 6Н2О хлорофилл С6Н12О6 + 6О2 - Q
Растения при этом выполняют невероятно важную для биосферы функцию, аккумулируя энергию, которая получается ими от солнца. Что касается промышленных условий, то виноградный сахар издревле получали из крахмала, производя его гидролиз, причем катализатором реакции является концентрированная серная кислота:
(С6Н10О5)n + nh3О h3SO4, t nC6h22О6
Химические свойства
Каковы химические свойства углеводов этого вида? Обладают все теми же характеристиками, которые свойственны сугубо спиртам и альдегидам. Кроме того, имеются у них и некоторые специфические особенности. Впервые синтез простых углеводов (в том числе и глюкозы) был произведен талантливейшим химиком А. М. Бутлеровым в 1861 году, причем в качестве сырья он использовал формальдегид, расщепляя его в присутствии гидроксида кальция. Вот формула этого процесса:
6НСОН ------->С6Н12О6
А сейчас рассмотрим некоторые свойства двух других представителей группы, природное значение которых не менее велико, а потому их изучает биология. Углеводы этих видов играют в нашей повседневной жизни весьма важную роль.
Фруктоза
Формула этого глюкозного изомера - СеН12Об. Наподобие «прародителя» может существовать в линейной и циклической форме. Вступает во все реакции, которые характерны для многоатомных спиртов, но, тем самым отличаясь от глюкозы, никак не взаимодействует с аммиачным раствором оксида серебра.
Рибоза
Чрезвычайно большой интерес представляет рибоза и дезоксирибоза. Если вы хоть немного помните программу биологии, то и сами прекрасно знаете о том, что именно эти углеводы в организме входят в состав ДНК и РНК, без которых само существование жизни на планете невозможно. Название «дезоксирибоза» означает, что в ее молекуле на один атом кислорода меньше (если ее сравнивать с обычной рибозой). Будучи сходными в этом отношении с глюкозой, также могут иметь линейное и циклическое строение.
Дисахариды
В принципе, эти вещества по своему строению и функциям во многом повторяют предыдущий класс, а потому нет смысла останавливаться на этом более подробно. Каковы химические свойства углеводов, относящихся к этой группе? Важнейшими представителями семейства являются сахароза, мальтоза и лактоза. Все они могут быть описаны формулой С12Н22О11, так как являются изомерами, но это не отменяет огромных различий в их строении. Так чем характерны сложные углеводы, список и описание которых вы можете увидеть ниже?
Сахароза
Ее молекула имеет в своем составе сразу два цикла: один из них является шестичленным (остаток α-глюкозы), а другой - пятичленный (остаток β-фруктозы). Соединяется все эта конструкция за счет гликозидного гидроксила глюкозы.
Получение и общее значение
Согласно сохранившимся историческим сведениям, еще за три века до Рождества Христова сахар из сахарного тростника научились получать в Древней Индии. Только в середине 19-го века оказалось, что куда больше сахарозы с меньшими для этого усилиями можно добыть из сахарной свеклы. В некоторых ее сортах содержится до 22% этого углевода, тогда как в тростнике содержание может быть в пределах 26%, но такое возможно только при идеальных условиях выращивания и благоприятном климате.
Мы уже говорили, что углеводы хорошо растворяются в воде. Именно на этом принципе основано получение сахарозы, когда для этой цели используют аппараты-диффузоры. Чтобы осадить возможные примеси, раствор фильтруют через фильтры, в состав которых входит известь. Чтобы удалить из полученного раствора гидроксид кальция, через него пропускают обычный углекислый газ. Осадок отфильтровывают, а сахарный сироп упаривают в специальных печах, получая на выходе уже знакомый нам сахар.
Лактоза
Этот углевод в промышленных условиях выделяется из обычного молока, в котором в избытке содержатся жиры и углеводы. В нем этого вещества содержится довольно много: так, коровье молоко содержит приблизительно 4-5,5% лактозы, а в молоке женщин ее объемная доля доходит до 5,5-8,4%.
Каждая молекула этого глицида состоит из остатков 3-галактозы и а-глюкозы в пиранозной форме, которые образуют связи посредством первого и четвертого атома углерода.
В отличие от других сахаров, у лактозы есть одно исключительное свойство. Речь идет о полном отсутствии гигроскопичности, так что даже во влажном помещении этот глицид совершенно не отсыревает. Это свойство активно используется в фармацевтике: если в состав какого-то лекарства в порошкообразной форме входит обычная сахароза, то к ней обязательно добавляют лактозу. Она совершенно натуральная и безвредна для человеческого организма, в отличие от многих искусственных добавках, которые препятствуют слеживанию и намоканию. Каковы функции и свойства углеводов этого типа?
Биологическое значение лактозы чрезвычайно велико, так как лактоза является важнейшим питательным компонентом молока всех животных и человека. Что же касается мальтозы, то ее свойства несколько отличны.
Мальтоза
Является промежуточным продуктом, который получается при гидролизе крахмала. Название «мальтоза» получил из-за того что образуется во многом под влиянием солода (по-латински солод - maltum). Широко распространен не только в растительных, но и в животных организмах. В больших количествах образуется в пищеварительном тракте жвачных животных.
Химическое строение и свойства
Молекула этого углевода состоит из двух частей α-глюкозы в пиранозной форме, которые соединены между собой посредством первого и четвертого атомов углерода. На вид представляет собой бесцветные, белые кристаллы. На вкус – сладковатая, прекрасно растворяется в воде.
Полисахариды
Следует помнить, что все полисахариды можно рассматривать с той точки зрения, что они представляют собой продукты поликонденсации моносахаридов. Их общая химическая формула - (СбН10О5)п. В рамках данной статьи мы рассмотрим крахмал, так как он является наиболее типичным представителем семейства.
Крахмал
Образуется в результате фотосинтеза, в больших количествах откладывается в корнях и семенах растительных организмов. Каковы физические свойства углеводов этого вида? На вид представляет собой белый порошок с плохо выраженной кристалличностью, нерастворимый в холодной воде. В горячей жидкости образует коллоидную структуру (клейстер, кисель). В пищеварительном тракте животных имеется много ферментов, которые способствуют его гидролизу с образованием глюкозы.
Является наиболее распространенным природным полимером, который образован из множества остатков а-глюкозы. В природе одновременно встречаются две его формы: амилоза и амшопектин. Амилоза, будучи линейным полимером, может быть растворена в воде. Молекула состоит из остатков альфа-глюкозы, которые связаны через первый и четвертый атом углерода.
Нужно помнить, что именно крахмал является первым видимым продуктом фотосинтеза растений. В пшенице и других злаковых его содержится до 60-80%, тогда как в клубнях картофеля – всего 15-20%. К слову говоря, по виду крахмальных зерен под микроскопом можно безошибочно определить видовую принадлежность растения, так как они у всех разные.
Если углевод быстро нагреть, его огромная молекула будет быстро разлагаться с образованием мелких полисахаридов, которые известны под названием декстринов. У них с крахмалом одна общая химическая формула (С6Н12О5)х, но имеется разница в значении переменной «х», которое меньше значения «n» в крахмале.
Напоследок приведем таблицу, в которой отражены не только основные классы углеводов, но и их свойства.
Основные группы | Особенности молекулярного строения | Отличительные свойства углеводов |
Моносахариды | Различаются по числу атомов углерода:
| Бесцветные или белые кристаллы, отлично растворяются в воде, сладкие на вкус |
Олигосахариды | Сложное строение. В зависимости от вида, содержат 2-10 остатков простых моносахаридов | Внешний вид тот же, чуть хуже растворяются в воде, менее сладкий вкус |
Полисахариды | Состоят из очень большого количества остатков моносахаридов | Белый порошок, кристаллическая структура выражена слабо, в воде не растворяются, но имеют свойство в ней разбухать. На вкус нейтральные |
Вот каковы функции и свойства углеводов основных классов.
fb.ru
Углеводы – это важный элемент здорового питания
Существует два вида углеводов: перевариваемые и неперевариваемые. Вместе с белками и жирами перевариваемые углеводы играют важную роль поставщиков энергии.
Неперевариваемые углеводы – это так называемая клетчатка. Они играют особенную роль в рационе питания, так как пищевые волокна оказывают стимулирующее действие на перистальтику, адсорбируют холестерин и токсические вещества, обеспечивают максимально подходящие условия для нормального функционирования кишечника.
Углеводы также необходимы для взаимодействия с ядовитыми соединениями, образующимися в печени. Они помогают преобразовать их в легко растворимые и безвредные вещества.
Основная масса углеводов, употребляемых в пищу, используются для активной мозговой деятельности, но это не значит, что теперь нужно поедать сахар во всех его проявлениях.
По сложности строения, быстроте усвоения и растворимости углеводы в пище делятся на моносахариды (галактоза, фруктоза, глюкоза) и дисахариды (лактоза и сахароза). Также к простым углеводам можно отнести концентрированные и изолированные их разновидности, которые в изобилии содержатся в пище, подверженной химической обработке, а также в сладостях и рафинированном сахаре.
К сложным углеводам относятся полисахариды (гликоген, крахмал, клетчатка, пектиновые вещества. Сложные углеводы – это комплексный их набор, который содержится исключительно в натуральных продуктах.
Для простых углеводов свойственно легко растворятся в воде и очень быстро усваиваться. Они имеют ярко выраженный сладкий вкус и относятся к различным видам сахара и подсластителей. Наиболее распространенный представитель простых углеводов – рафинированный сахар.
Если взрослый или ребенок имеет пристрастие к сладкому – это так же опасно, как алкоголизм. Поначалу вкусно, а следом появляется зависимость. Из-за этого у многих сладкоежек появляется головокружение, быстрая утомляемость, бессонница, головные боли, депрессия, ослабление зрения и ожирение. Все это сигнализирует о нарушении обмена веществ.
Избыток углеводов в организме становится причиной повышения уровня сахара в крови, причем большая часть не используется организмом, а откладывается в жировых клетках. Полные люди часто едят не так и много, но сбой в обмене веществ вызывает определенный дисбаланс в циркуляции неусвоенных веществ, и они откладываются в виде целлюлита и жира.
Самое страшное, что могут принести простые углеводы – это образование различных опухолей мозга и атеросклероз. Также переизбыток сахара плохо отражается на работе кишечной микрофлоры. Усиливаются гнилостные процессы, развивается метеоризм.
Чтобы уменьшить негативное воздействие сахара, необходимо исключить его из рациона, заменив свежими овощами, салатом, фруктами, картофелем, бобовыми, сыром и орехами.
Комплексные углеводы – это оптимально подходящие для нашего организма источники энергии. В организм они могут попасть исключительно через пищу, которая имеет высокое содержание белка.
Организм человека не в состоянии запасать глюкозу, поэтому необходимо регулярно поддерживать ее уровень. Это не означает, что ее необходимо употреблять в чистом виде. Лучше получать ее в составе сложных соединений, к примеру, крахмала, который в изобилии содержится в кукурузе, картофеле, фруктах и овощах. Все эти продукты – просто кладезь клетчатки, витаминов и микроэлементов, которые эффективно борются с болезнями.
Углеводы – это незаменимый источник питания для головного мозга и всей нервной системы. Сложные углеводы перевариваются значительно дольше простых, так как они постепенно выделяются из растительных волокон. Это позволяет удерживать уровень сахара в крови и не вызывает резкий скачок инсулина.
Но стоит быть осторожными, так как избыточное потребление пищевых волокон может привести к снижению усвояемости белков, минеральных веществ и жиров, а также провоцирует метеоризм.
Недостаток в пище углеводов часто приводит к потере жировых отложений. Поэтому желающие похудеть могут исключить углеводы их рациона, но в таком случае энергия для организма будет поступать из белков и жиров, вследствие чего нарушается обмен веществ.
Углеводы – это незаменимый элемент для нормальной работы желудочно-кишечного тракта, поэтому недостаток их может привести к запорам, полипам и даже раку толстой кишки.
Овощи, фрукты, злаки и орехи питают организм достаточным количеством углеводов. Это не только обеспечивает головной мозг хорошим питанием, но и снижает риск возникновения атеросклероза, диабета и ишемической болезни сердца.
fb.ru
