Углеводы: от глюкозы до целлюлозы

Автор: Маргарита Шувалова, сотрудник Федерального центра мозга и нейротехнологий, аспирант и младший научный сотрудник Института биоорганической химии Российской академии наук; Вероника Бойченко, студентка 2 курса магистратуры кафедры биохимии МГУ им. М.В. Ломоносова, преподаватель кафедры биологии АПО.

Строение и классификация

Все углеводы делятся на 3 большие группы в зависимости от количества составляющих их мономерных звеньев: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

**Рис. 2.** Схема химической классификации углеводов.

Моносахариды

Моносахариды — мономерные молекулы. В составе они имеют альдегидную (-НС=О) или кетонную (>С=О) группу и в зависимости от этого подразделяются на альдозы и кетозы.

**Рис. 3.** Структура триоз  (альдоза — глицеральдегид, и  кетоза — дигидроксиацетон). Источник: Майкл Кокс, Дэвид Нельсон. Основы биохимии Ленинджера.

Самые простые моносахариды содержат три атома углерода, такие моносахариды называются триозами. Моносахариды с четырьмя, пятью, шестью и семью атомами углерода называются тетрозами, пентозами, гексозами и гептозами. Гексозы, к которым относятся альдогексоза глюкоза и кетогексоза фруктоза, — наиболее распространенные в природе моносахариды. Моносахариды, в составе которых больше четырех атомов углерода, образуют циклические структуры (см. рис. 4 и описание к нему).

**Рис. 4.** Циклические и линейные формы глюкозы и фруктозы. Розовым выделена альдегидная группа глюкозы, голубым — кетогруппа фруктозы. В рамку выделена гидроксильная группа, которая может быть как под плоскостью кольца (как показано на рисунке), так и над ней. Эта гидроксильная группа называется аномерной, а моносахариды, различающиеся только положением этой группы, — аномерами. У α-формы аномерный гидроксил находится под плоскостью кольца, у ß-формы — над ней. α- и ß-аномеры могут переходить в друг друга через линейную форму (реакция мутаротации). Таким образом, существует циклическая α- и ß-глюкоза и циклическая α- и ß-фруктоза (аналогично и для других моносахаридов, образующих циклические формы).

Если у атома углерода все заместители разные, то они могут располагаться в пространстве двумя различными способами. Эти два способа отличаются друг от друга, как правая рука от левой. Такие атомы углеродов называются хиральными (от древнегреческого χειρ — рука).

**Рис. 5.** Разные заместители у хирального пятого атома глюкозы выделены разными цветами.

У моносахаридов может быть несколько хиральных атомов (на рис. 5 хиральные атомы глюкозы отмечены звездочками). Расположение заместителей относительно самого дальнего от кето- или альдольной группы хирального атома (для глюкозы это пятый атом) определяет принадлежность моносахарида к D- или L-ряду. Шестой атом углерода не является хиральным, т.к. у него не все заместители разные. L- и D-изомеры называются стереоизомерами.

**Рис. 5.** D- и L-стереоизомеры глюкозы. Хиральные атомы отмечены звездочками. Связи, обозначенные вертикальными чертами, уходят за плоскость рисунка от читателя, связи, обозначенные горизонтальными, обращены к читателю. Молекулы являются зеркальным отражением друг друга.

Большинство углеводов в природе (как мономерных, так и полимерных) имеют D-форму. L-стереоизомеры сравнительно редки. Примером такого углевода является альдопентоза L-арабиноза, встречающаяся у растений:

Олигосахариды

Олигосахариды — это полимерные молекулы, состоящие из 2–10 остатков моносахаридов. Моносахариды в составе олигосахарида могут быть одного или нескольких видов. По числу мономерных звеньев делятся на дисахариды, трисахариды, тетрасахариды, пентасахариды и т.д.

Дисахариды

При взаимодействии аномерного атома одного моносахарида с гидроксильной группой другого моносахарида (которая также может быть аномерной) образуются дисахариды. Такая связь называется О-гликозидной («о» означает, что молекулы связаны через атом кислорода).

**Рис. 7.** Образование мальтозы (дисахарид из двух молекул глюкозы). Аномерная группировка одной глюкозы (выделена красным) реагирует с гидроксильной группой 4-го углерода у другой молекулы (выделена синим). Образуется О-гликозидная связь (зеленый цвет).

Примеры дисахаридов

**Рис. 8. Сахароза** (моносахариды глюкоза и фруктоза). Источник.

**Рис. 9.** **Мальтоза** (две глюкозы). Источник.

**Рис. 10.** **Лактоза** (глюкоза и галактоза). Источник.

Полисахариды

Полисахариды — это полимеры с большим количеством мономерных звеньев (моносахаридов). Гомополисахариды содержат мономерные звенья одного вида, гетерополисахариды — разных видов.

Полисахариды могут быть линейными (целлюлоза, амилоза) или разветвленными (гликоген, амилопектин).

Полисахариды выполняют в клетке различные функции. Например, гомополисахариды (крахмал и гликоген) выполняют запасающую функцию, гомополисахариды (целлюлоза и хитин) и гетерописахахарид (муреин) выполняют структурную функцию. Различные гетерополисахариды в межклеточном пространстве животных создают каркас, удерживающий клетки вместе, придают форму тканям и органам.

**Рис. 11.** Схема классификации полисахаридов. Источник.

Некоторые запасные полисахариды

1) Запасающие полисахариды

Крахмал

Вещество, которое называется крахмалом, на самом деле является смесью двух полисахаридов, состоящих из остатков глюкозы. Первый полисахарид — это линейная молекула под названием амилоза, второй — разветвленный амилопектин.

В амилозе все о-гликозидные связи образованы между гидроксилами у первого атома углерода (аномерный атом) и 4-го (α1 → 4 связи).

**Рис. 12.** Строение амилозы. Источник.

Амилопектин, в отличие от амилозы, разветвлен. В неразветвленных участках молекулы глюкозы связаны α1 → 4 связями. В местах ветвления (через каждые 28-30 мономеров) присутствуют α1 → 6 связи (в линейных областях каждый остаток глюкозы связан с двумя соседями, в местах ветвления – с тремя).

Крахмал является запасающим полисахаридом растений и имеет важное хозяйственное значение для человека. Он содержится во многих основных продуктах питания (пшеница, гречиха, рис, картофель и многие другие). Крахмал является наиболее распространенным углеводом в рационе человека. В кишечнике под действиемгидролитических ферментов он превращается в глюкозу и в таком виде поступает в кровь.

Гликоген

Гликоген по структуре аналогичен амилопектину, но точек ветвления в нем больше — примерно через каждые 10 остатков глюкозы.

Гликоген — запасной полисахарид животных. У человека он накапливается в основном в печени и в мышцах. В печени может происходить его распад до глюкозы, которая поступает в кровь и снабжает энергией различные органы. Гликоген мышц используется только для нужд самих мышц.

**Рис. 14.** Включение гликогена в клетках печени. Источник.

Структурные полисахариды

Целлюлоза

Целлюлоза — структурный компонент клеточной стенки растений. Как и амилоза, целлюлоза является линейным полимером, состоящим из остатков глюкозы. Однако, в отличие от амилозы, глюкозы соединены друг с другом ß1→4 связями (в амилозе — α1→ 4 связи). В организмах большинства животных нет ферментов, которые бы могли разрушить такие связи. Однако многие травоядные имеют в пищеварительном тракте симбиотических бактерий, которые могут расщеплять целлюлозу с помощью фермента целлюлазы и помогают организмам-хозяевам усваивать ее. Кроме симбиотических, есть еще и свободноживущие микроорганизмы, которые могут расщеплять целлюлозу, например, некоторые плесневые грибы.

Хитин

Хитин — структурный полисахарид животных и грибов. Из него состоят экзоскелеты членистоногих и клеточные стенки грибов. Это линейный гомополисахарид, по строению похожий на целлюлозу, но вместо гидроксильной группы у второго углерода он содержит амидную группу.

Углеводы могут быть частью более сложных молекул

Углеводы могут быть составной частью других биомолекул, например, липидов и белков.

Гликозилирование — это процесс присоединения к белкам или липидам углеводной части. Общее название таких молекул — гликозиды.

Гликолипиды — липиды с углеводной частью — входят в состав мембран и выполняют различные важные свойства: определяют антигенные свойства клеток (например, группы крови) и служат рецепторами.

**Рис. 14.** Пример гликолипида — галактозилцерамид. Источник.

Белки, в состав которых входят углеводы, называются гликопротеинами. Гликопротеины являются важным структурным компонентом клеточных мембран животных и растительных организмов. К ним относятся большинство белковых гормонов. Гликопротеинами являются все антитела, интерфероны, компоненты комплемента, белки плазмы крови, молока, рецепторные белки и др.

Источники:

Майкл Кокс, Дэвид Нельсон. Основы биохимии Ленинджера. Том 1;
Jane Reece, Lisa A. Urry, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Michael L. Cain. Campbell
Biology (11th Revised Edition), Chapter 9 2014;
Л. Страйер Биохимия, 3 т.;
Б.Альбертс и соавт. Молекулярная биология клетки 3 т.;
Я.Кольман, К.-Г.Рем Наглядная биохимия.

Рекомендуемые материалы:

Видеолекция Дубынина В.А на платформе teach-in из курса «100 часов школьной биологии. Общая биология»;
Видеолекция Асеева В.В. на платформе teach-in;
Jane Reece, Lisa A. Urry, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Michael L. Cain. Campbell Biology (11th Revised Edition), Chapter 9. 2014;
Л. Страйер Биохимия, 3 т.;
Б.Альбертс и соавт. Молекулярная биология клетки 3 т.;
Я.Кольман, К.-Г.Рем Наглядная биохимия.