Презентация на тему «Углеводы»

Углеводы

Кафедра биохимии и микробиологии Составитель: к.б.н., доц. Вечканов Е.М.

Содержание лекции

1

2

3

4

Общая характеристика углеводов

Моносахариды

Олигосахариды

Полисахариды

Строение Классификация

Характеристика моносахаридов Стереохимия углеводов Химические реакции моносахаридов Характеристика индивидуальных представителей

Характеристика основные представителей

Характеристика основные представителей

Строение углеводов

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Термин "Углеводы", предложенный в XIX столетии, был основан на предположении, что все углеводы содержат два компонента – углерод и воду , и их элементарный состав можно выразить общей формулой Сm(H2O)n Из этого правила существуют исключения, но оно позволяет наиболее просто охарактеризовать класс углеводов в целом. С химической точки зрения, углеводы – это альдегидные или кетонные производные полиатомных (содержащих более одной ОН-группы) спиртов

Классификация углеводов

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Согласно принятой в настоящее время классификации, углеводы под- разделяются на три основные группы в зависимости от количества составляющих их мономеров: Моносахариды Олигосахариды Полисахариды

Моносахариды

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Моносахариды

Альдозы

Кетозы

Моносахариды – производные многоатомных спиртов, содержащие карбонильную группу

Содержат функциональную кетонную группу >С=О

Содержат функциональную альдегидную группу –НС=О

Моносахариды - простые углеводы, так как они не гидролизуются при переваривании. Название моносахарида зависит от числа составляющих его углеродных атомов (альдотриозы – три атома углерода, альдогексозы – шесть и др.)

Моносахариды

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Простейшие представители моносахаридов – триозы: глицеральдегид и диоксиацетон. При окислении первичной спиртовой группы трехатомного спирта – глицерола – образуется глицеральдегид (альдоза), а окисление вто- ричной спиртовой группы приводит к образованию диоксиацетона (кетоза).

Стереохимия моносахаридов

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Все моносахариды содержат асимметричные атомы углерода: альдотриозы – один центр асимметрии, альдотетрозы – 2 и т.д. Кетозы содержат на один асимметричный атом меньше, чем альдозы с тем же числом углеродных атомов . Общее число стереоизомеров для любого моносахарида выражается формулой N = 2n, где N – число стереоизомеров, а n – число асимметричных атомов углерода.

Стереохимия моносахаридов

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Все изомеры моносахаридов подразделяются на D- и L-формы по сходству расположения групп атомов у последнего центра асимметрии с расположением групп у D- и L-глицеральдегида. Природные гексозы: глюкоза, фруктоза, манноза и галактоза – принад- лежат, как правило, к соединениям D-ряда

Аномеризация и Мутаротатация

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Аномеризация - это взаимопревращение аномерных форм моносахаридов в растворе. альфа и бета-аномеры в растворе находятся в состоянии равновесия. При достижении этого равновесия происходит мутаротация - размыкание пиранового кольца и изменение положения атома Н и группы –ОН при первом углероде моносахарида

Мутаротация аномеров d-глюкозы

Мутаротация аномеров d-фруктозы

Реакции моносахаридов

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Важнейшие МОНОСАХАРИДЫ

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Характеристика индивидуальных представителей моносахаридов

глюкоза

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Глюкоза – альдогексоза, которая может существовать в линейной и циклической формах. Циклическая форма глюкозы, предпочтительная в термодинамическом отношении. Глюкоза имеет 4 асимметричных атома С и 16 стереоизомеров. Расположение Н- и ОН-групп относительно 5-го атома С определяет её принадлежность к D- или L-ряду. В растворе при образовании циклической формы моносахарида образуются ?- и ?-изомеры (аномеры), обозначающие определённую конформацию Н- и ОН-групп относительно С. У ?-D-глюкозы ОН-группа располагается ниже плоскости кольца, а у ?-D-глюкозы, наоборот, над плоскостью кольца.

Характеристика индивидуальных представителей моносахаридов

фруктоза

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Фруктоза – кетогексоза, которая может существовать в линейной и циклической формах. Фруктоза имеет 3 асимметричных атома С и 8 стереоизомеров. Расположение Н- и ОН-групп относительно 5-го атома С определяет её принадлежность к D- или L-ряду. В растворе при образовании циклической формы моносахарида образуются ?- и ?-изомеры (аномеры), обозначающие определённую конформацию Н- и ОН-групп относительно С. У ?-D-фруктозы ОН-группа располагается ниже плоскости кольца, а у ?-D-фруктозы, наоборот, над плоскостью кольца.

олигоСАХАРИДЫ

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Олигосахариды содержат несколько (2-10) остатков моносахаридов, соединённых гликозидной связью. Дисахариды – наиболее распространённые олигосахариды, встречающиеся в свободной форме (не связаны с другими соединениями)

По химической природе дисахариды представляют собой гликозиды, которые содержат 2 моносахарида, соединённые гликозидной связью в ?- или ?-конфигурации. В пище содержатся в основном такие дисахариды, как сахароза, лактоза и мальтоза

Характеристика индивидуальных представителей дисахаридов

Сахароза, мальтоза и лактоза

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Сахароза - дисахарид, состоящий из ?-D-глюкозы и ?-D-фруктозы, соединённых ?,?-1,2-гликозидной связью. Сахароза не относится к восстанавливающим сахарам. Растворимый дисахарид со сладким вкусом. Источником сахарозы служат растения.

Лактоза - молочный сахар; важнейший дисахарид молока млекопитающих. В коровьем молоке содержится до 5% лактозы, в женском молоке - до 8%. Аномерная ОН-группа первого С-атома остатка D-галактозы связана ?-гликозидной связью с четвёртым С-атомом D-глюкозы (?-1,4-связь). Лактоза относится к восстанавливающим сахарам.

Мальтоза поступает с продуктами, содержащими частично гидролизованный крахмал, например, солод, пиво. Мальтоза также образуется при расщеплении крахмала в кишечнике. Мальтоза состоит из двух остатков D-глюкозы, соединённых ?-1,4-гликозидной связью.

полиСАХАРИДЫ

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Полисахариды

Гомополисахариды

Гетерополисахариды

Полисахариды содержат более 10 остатков моносахаридов, соединённых гликозидной связью. Структурные различия между полисахаридами определяются: строением моносахаридов, составляющих цепь; типом гликозидных связей, соединяющих мономеры в цепи; последовательностью остатков моносахаридов в цепи.

Мономеры различны

Мономеры идентичны

полиСАХАРИДЫ

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Полисахариды в зависимости от выполняемых функций: Резервные полисахариды, выполняющие энергетическую функцию. Эти полисахариды служат источником глюкозы, используемым организмом по мере необходимости. Резервная функция этих углеводов обеспечивается их полимерной природой. Полисахариды менее растворимы, чем моносахариды, следовательно они не влияют на осмотическое давление и поэтому могут накапливаться в клетке, например, крахмал - в клетках растений, гликоген - в клетках животных. Структурные полисахариды, обеспечивающие клеткам и органам механическую прочность. Полисахариды, входящие в состав межклеточного матрикса, принимают участие в образовании тканей, а также в пролиферации и дифференцировке клеток. Полисахариды межклеточного матрикса водорастворимы и сильно гидратированы. В пище человека в основном содержатся полисахариды растительного происхождения - крахмал, целлюлоза. В меньшем количестве поступает полисахарид животных - гликоген.

Крахмал

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Крахмал – это смесь двух полимеров глюкозы: амилозы и амилопектина. Мr амилозы 1000 – 1 000 000 Да. Мr амилопектина 1000 – 100 000 000 Да. Его молекулы сильно разветвлены.

Амилоза

Гранулы крахмала в хлоропластах

Амилопектин

Гликоген

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Гликоген – основной запасной полисахарид в животных клетках. Подобно амилопектину, представляет собой полимер, состоящий из соединённых ?1-4 связями остатков глюкозы с разветвлениями, образованными ?1-6 связями. Гликоген имеет гораздо более разветвлённую структуру.

Ферменты, катализирующие распад гликогена, действуют только на нередуцирующий конец, но могут одновременно разрушать несколько ветвей.

Декстраны

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Декстраны – полисахариды бактерий и дрожжей, построенные из остатков D-глюкозы, соединённых ?1-6 связями. Все декстраны имеют точки ветвления, в которых остатки соединены ?1-3 связями, а у некоторых декстранов, кроме того, встречаются разветвления ?1-2 или ?1-4 .

Пространственная структура крахмала и гликогена

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Благодаря наличию ?1-4 связей амилоза, амилопектин и гликоген приобретают сильно спирализованную компактную структуру. Эта структура является основой плотных запасных гранул крахмала и гликогена во многих клетках.

Целлюлоза

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Прочное волокнистое, нерастворимое в воде вещество, содержащееся в клеточных стенкакх растений, главным образом в стеблях травянистых растений, в стволах и ветвях деревьев. Линейный неразветвлённый гомополисахарид, состоящий из 10000-15000 остатков глюкозы. В целлюлозе гликозидные связи имеют ?-конфигурацию.

Остатки глюкозы, соединённые бета-связями.

Целлюлоза

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Хитин

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Хитин – линейный гомополисахарид, состоящий из остатков N-ацетилглюкозамина, соединённых бета-гликозидными связями. Хитин образует длинные волокна, напоминающие волокна целлюлозы. Не переваривается позвоночными животными.

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Структурные гетерополисахариды - пептидогликаны

Каркас клеточных стенок бактерий образован гетерополимером из чередующихся звеньев N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных ?1-4 связями. Линейные полимеры плотно уложены в клеточной стенке и удерживаются за счёт коротких поперечных сшивок, образованных различными пептидами, тип которых зависит от вида бактерии. Пептидные сшивки объединяют полисахаридные цепи в прочный каркас, обволакивающий всю клетку и препятствующий её разбуханию и лизису в случае притока в клетку воды.

Агар и агароза

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Клеточные стенки некоторых красных водорослей содержат агар – смесь сульфатированных гетерополисахаридов, состоящих из D-галактозы и производного L-галактозы, в котором атомы углерода С3 и С6 соединены эфирной связью.

Агароза

Неразветвленный полимер М = 120000 Да

Разветвлённый полимер

Агар

Агаропектин

Гликозамингликаны (кислые мукополисахариды) – гетерополисахариды

внеклеточного матрикса

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Внеклеточное пространство в тканях многоклеточных животных заполнено гелеобразным веществом, называемым ВНЕКЛЕТОЧНЫМ МАТРИКСОМ. Внеклеточный матрикс представляет собой сложную сеть из гетерополисахаридов и фибриллярных белков, таких как коллаген, эластин и фибронектин. ГЛИКОЗАМИНОГЛИКАНЫ есть у животных и бактерий, а в растениях они не обнаружены.

Гликозамингликаны (кислые мукополисахариды)

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Это линейные неразветвленные полимеры, построенные из повторяющихся дисахаридных единиц. В организме гликозаминогликаны не встречаются в свободном состоянии. Они всегда связаны с большим или меньшим количеством белка. В их состав обязательно входят остатки мономера либо глюкозамина, либо галактозамина. Мономер дисахаридных единиц также представлен двумя разновидностями: D-глюкуроновой и L-идуроновой кислотами. В настоящее время четко расшифрована структура шести основных классов гликозаминогликанов.

6 классов гликозамингликанов

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Гиалуроновые кислоты (гиалуронаты)

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Гиалуроновые кислоты (hyaluronic acids) [греч. hyalos — стекло и uron — моча] —группа кислых мукополисахаридов животного происхождения, состоящих из остатков N-ацетил-D-глюкозамина и D-глюкуроновой кислоты. Благодаря присутствию ?(1?3)-гликозидных связей молекулы гиалуроновых кислот, насчитывающие несколько тысяч моносахаридных остатков, принимают конформацию спирали, на один виток которой приходится три дисахаридных блока. Локализованные на внешней стороне спирали гидрофильные карбоксильные группы сильно гидратированы. Гиалуронаты при образовании гелей связывают 10000-кратный объем воды. Гиалуроновые кислоты — составная часть внеклеточного основного вещества соединительной ткани, стекловидного тела и синовиальной жидкости.

Хондроитинсульфат

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Хондроитин-4-сульфат и хондроитин-6-сульфат построены по одному плану. Отличие между ними заключается в локализации сульфатной группы. Несмотря на минимальные различия в химической структуре, физико-химические свойства хондроитин-4-сульфата и хондроитин-6-сульфата существенно различаются; они различаются также распределением в разных видах соединительной ткани.

Дерматансульфат

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Особенно характерен для дермы (кожи). Он резистентен к действию гиалуронидаз (тестикулярной и бактериальной). В этом одно из отличий дерматансульфата от хондроитинсульфатов. Кроме того, в состав дисахаридной единицы дерматансульфата входит L-идуроновая, а не D-глюкуроновая кислота (в малом количестве D-глюкуроновую кислоту можно обнаружить в повторяющихся единицах дерматансульфата)

Кератансульфат

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Впервые был выделен из роговой оболочки глаза быка, отсюда и название этого гликозаминогликана. В противоположность всем остальным гликозаминогликанам кератансульфат не содержит ни D-глюкуроновой, ни L-идуроновой кислоты. Установлено, что кератансульфат, выделенный из роговицы глаза (кератансульфат I), и кератансульфат, полученный из хрящевой ткани (кератансульфат II), различаются по степени сульфатированности и строению связи между кератансульфатом и пептидной частью протеогликана.

Гепарин

Южный федеральный университет Кафедра биохимии и микробиологии

Известен прежде всего как антикоагулянт. Синтезируется тучными клетками, которые являются разновидностью клеточных элементов соеди- нительной ткани. Он может входить в состав протеогликанов; с гликоз- аминогликанами его объединяет и химическая структура Гепаринсульфат в отличие от гепарина в дисахаридных единицах чаще содержит N-ацетильные группы, чем N-сульфатные. Кроме того, степень О-сульфатирования гепаринсульфата ниже, чем гепарина.