Глава 2. Сахара – их структура и свойства

Сахара широко распространены в животном и растительном мире. В химическом отношении эти вещества объединяет общая суммарная формула C_nH_2nO_n(H_2nO)_n. Первый относительно успешный элементный анализ сахаров был проведен Ж. Л. Гей-Люссаком и Л. Ж. Тенаром. В 1810 г. они провели органические анализы 19 веществ, среди которых были пищевой сахар и белки. В 1814–1815 гг. Й. Я. Берцелиус, улучшив методику элементного анализа, сравнивал состав молочного сахара и «слизевой кислоты». Дальнейшее уточнение формул было связано с деятельностью Ю. Либиха и его учеников, много сделавших для развития органического анализа и получивших данные, еще более приближенные к точным.

В 1840–1841 гг. Ю. Либих определил сахара как сочетания радикалов этила и ацетила, но отнес их к ряду веществ, которые не поддаются дальнейшей классификации. Одновременно было обращено внимание на то, что в сахарах кислород и водород содержатся в таких же соотношениях, в каких эти элементы входят в состав воды. Это явилось причиной введения нового термина «углевод» для обозначения сахаров. Термин был предложен профессором Дерптского (Тартуского) университета Карлом Шмидтом (1822–1894 гг.) в 1844 г. в статье «О растительных слизях и бассорине». Название возникло в связи с тем, что сначала были известны лишь те представители этого класса веществ, которые по составу как бы являются соединениями углерода с водой. Однако оно не полностью отражает сущность этих соединений, так как атомы водорода и кислорода не входят в состав молекул в качестве воды, а представлены главным образом в виде гидроксильных, альдегидных и кетоновых групп. Поэтому были предложены другие названия: глюциды, сахариды, сахара. Эти термины основаны на том факте, что большинство сахаров (за исключением полисахаридов) имеют сладкий вкус.

Сахара, или углеводы, разделяются на три группы:

1. Моносахариды (монозы) – это сахара, неспособные к гидролитическому расщеплению. По числу углеродных атомов моносахариды делятся на: тетрозы, содержащие 4 углеродных атома; пентозы, содержащие 5 углеродных атомов; гексозы, содержащие 6 углеродных атомов; гептозы, содержащие 7 углеродных атомов, и т. д.

2. Олигосахариды – вещества, гидролизующиеся на небольшое количество молекул (2–6) моносахаридов. Олигосахариды разделяются на:

1) голозиды – соединения, состоящие исключительно из моносахаридов;

2) гетерозиды – вещества, которые при гидролизе, кроме моносахаридов, образуют также другие молекулы – агликоны.

3. Полисахариды – состоят из значительного количества молекул моносахаридов, связанных между собой.

М. Рубнер определил среднюю величину теплоты сгорания сахаров – 4,1 ккал/г. Величины теплоты сгорания отдельных сахаров составляют (ккал/г): глюкоза – 3,75, фруктоза – 3,76, лактоза – 3,95, сахароза – 3,96, гликоген – 4,19, крахмал – 4,20. У. Этуотер обнаружил, что в организме сахара усваиваются не полностью, и предложил поправки, позволяющие вычислить так называемую метаболизируемую энергию. При гидролизе гликозидных связей полисахаридов в процессе пищеварения теряется около 0,6 % энергии, заключенной в этих углеводах; в форме макроэргических связей АТФ аккумулируется только около 39 % энергии глюкозы.

Молекулы моносахаридов содержат атомы асимметрического углерода. Это атомы углерода, четыре валентности которых насыщены разными радикалами (атомами или группами атомов). Наличие таких атомов в молекуле создает возможность существования двух видов изомеров каждого соединения, причем одно является зеркальным отражением другого. Символы D и L указывают на положение групп Н и ОН при предпоследнем углероде, независимо от того, в какую сторону раствор данного вещества вращает плоскость поляризации. Растворы веществ, содержащих в молекуле асимметрический углерод, обладают свойством вращать плоскость поляризованного света, они оптически активны. Поляризованным светом называется свет, в котором колебания, перпендикулярные ходу светового луча, происходят в одной плоскости. Изомеры, вращающие плоскость поляризации вправо, называются правовращающими (символ +), поворачивающие влево – левовращающими (-). Направление поворота определяется наблюдателем, на которого падает луч. Смесь изомеров L и D равной концентрации растворов дает оптически пассивный раствор (рацемат). Если в молекуле находятся два асимметрических углерода (один правовращающий, а другой левовращающий), связанные с одинаковыми радикалами, соединение будет оптически пассивно. При наличии нескольких асимметрических атомов в молекуле знак вращения плоскости поляризованного света может не совпадать с названием ряда; например, природная β-фруктоза принадлежит к D-ряду, но ей присуще левое вращение, поэтому ее называют еще левулезой (А. Т. Пилипенко и соавт., 1985).

Кроме того, переход альдегидной формы глюкозы в циклическую полуацетальную сопровождается появлением пятого асимметрического атома углерода и двух оптических изомеров: (полуацетальный, гликозидный, гидроксил справа, а атом водорода слева) и (гликозидный гидроксил слева, а атом водорода справа):

Н. Хоуорс предложил новую номенклатуру углеводов, в которой полуацетальные формы моносахаридов с шестичленным кольцом назывались пиранозными формами (пиранозами), а с пятичленным – фуранозными (фуранозами). Эти названия были образованы от соответствующих кислородсодержащих гетероциклических соединений – фурана и пирана. Согласно этой номенклатуре, полуацетальная форма глюкозы с шестичленным кольцом называется глюкопиранозой, а полуацетальная форма фруктозы с пятичленным кольцом – фруктофуранозой.

Установлено, что в кристаллическом состоянии моносахариды находятся в полуацетальной форме, а в растворах образуют равновесную смесь полуацетальной и альдегидной форм.

Моносахариды в природе представлены преимущественно пентозами и гексозами. Четырехатомные сахара встречаются реже. Пентозы существуют в природных условиях главным образом как составные части молекул более сложно построенных веществ, например, сложных полисахаридов, носящих название пентозанов (С₅Н₈О₄)_n, а также растительных камедей. Пентозы в значительном количестве (10–25 %) содержатся в древесине и соломе. Одним из представителей пентоз является L-арабиноза, которая входит в состав гуммиарабика, или аравийской камеди, из которой ее обычно и получают.

Наиболее распространены в природе пентозы D-ксилоза, Dрибоза и D-дезоксирибоза: D-ксилоза образуется при гидролизе ксиланов, входящих в состав древесины, соломы, мякины или подсолнечной лузги. Остатки D-рибозы и D-дезоксирибозы входят в состав нуклеиновых кислот ядерных белков – нуклеопротеидов и некоторых других веществ, играющих огромную биологическую роль.

Наиболее распространенной гексозой является глюкоза, или виноградный сахар. Пространственный изомер глюкозы – гексоза галактоза, которая (одновременно с глюкозой) входит с пентозами и другими веществами в состав некоторых гликозидов, полисахаридов, а также в состав некоторых сложно построенных веществ мозга.

Производными моносахаридов, также обладающими сладким вкусом, являются четырех-, пятии шестиатомные спирты. Как и сахара, они существуют в виде нескольких пространственных изомеров. Наиболее известны пятиатомные спирты арабит и ксилит, а также шестиатомные – сорбит, маннит и дульцит. Среди природных сахароспиртов в заметном количестве встречается глицерин, являющийся важным компонентом липидов, и инозит, существующий в нескольких стереоизомерных формах (наиболее распространенной является миоинозит). Инозит обнаружен не только в составе липида фосфатидилинозита, но и в составе фитиновой кислоты.

Следует указать, что некоторые моносахариды образуют сахарные кислоты, имеющие важное значение в жизнедеятельности организма. Наиболее известны уроновые кислоты – продукты окисления моносахаридов путем превращения первичной спиртовой группы в карбоксил (при сохранении альдегидной группы). Названия уроновых кислот производятся от названий моносахаридов с прибавлением слова уроновая, например: глюкуроновая, галактуроновая и т. д.

Уроновые кислоты, подобно моносахаридам, существуют в растворах в виде нескольких таутомерных форм: циклической и ациклической. Глюкуроновая кислота принимает участие в обезвреживании токсических продуктов путем образования глюкуронидов. Одной из наиболее важных сахарных кислот является аскорбиновая кислота (витамин С), которая существует в природе в двух формах. В растениях до 70–80 % сухой массы приходится на углеводы. В органах и тканях человека и животных содержится не более 2 % углеводов на сухую массу ткани, в основном это гликоген печени и мышц. В крови человека наряду с глюкозой выявлены фруктоза (0,5–5 мг/100 мл), пентозы (1,8–3,3 мг/100 мл), следы галактозы, маннозы, лактозы, мальтозы, сахарозы и гликоген в концентрации 7-15 мг/100 мл. У детей содержание гликогена в крови достигает 20 мг/100 мл. Схема строения углеводов представлен на рис. 2.

Углеводы – основные поставщики энергии в питании человека. Как правило, на их долю приходится более 50 % калорийности и почти 3/4 массы суточного рациона. Углеводы пищи – сахароза, лактоза, крахмал, декстрин – подвергаются в организме различным превращениям с образованием глюкозы, являющейся основным сахаром крови и участвующей в образовании гликогена тканей и, наряду с галактозой, глюкозамином и галактозамином, входит в состав гликоконъюгантов.

В природе роль углеводов не ограничивается резервными функциями, заключающимися в покрытии непрерывного расхода энергии в процессе жизнедеятельности, или структурноопорной функцией, характерной, например, для целлюлозы или хитина. Глюкоза также необходима в организме как предшественник пентоз, уроновых кислот и фосфорных эфиров гексоз. В процессах обмена углеводов возникают промежуточные продукты, которые используются для синтеза различных неуглеводных соединений. У растений таким путем синтезируются фенолы, органические кислоты, дубильные вещества, аминокислоты, белки, жиры и др.; у человека и животных при гликолизе образуются биосинтетические предшественники липидов, а в пентозофосфатном пути – предшественники нуклеиновых кислот. Было доказано, что фотосинтез, обеспечивающий синтез органических веществ на Земле, является в основном процессом превращения фосфорилированных сахаров.

При исключении углеводов из диеты возникает тенденция к алиментарной гипогликемии, которая компенсируется усилением глюконеогенеза. Это может приводить к кетозу и ускоренному расходованию белка. При этом ослабляется образование печенью парных соединений с участием глюкуроновой кислоты, что снижает антитоксическую резистентность. В тоже время, введение углеводов в организм неспецифически улучшает детоксикационную функцию печени. Стресс как процесс, обеспечивающий повышение устойчивости жизненно важных органов и тканей к острой гипоксии, в значительной мере основан на мобилизации и ускоренном транспорте в эти ткани и органы глюкозы.

Рис. 2. Схема строения углеводов (H. Andersson, N. G. Asp, S. Hallman, 1986)

Таблица 1. Сладость различных сахаров относительно сладости сахарозы, принятой за 1

Известно, что сладким вкусом обладают моносахариды, дисахариды и многоатомные спирты. Полисахариды не имеют сладкого вкуса. Наибольшей сладостью, по сравнению с тростниковым сахаром, обладает фруктоза. Сладость в основном определяется путем органолептического сравнения различных моносахаридов со сладостью сахарозы; при этом определяется наименьшая концентрация вещества, способная вызвать ощущение сладости. Ниже приводятся сведения о сравнительной сладости различных сахаров (табл. 1).

В следующих главах мы остановимся более подробно на свойствах некоторых из перечисленных выше веществ.