Углеводы в растениях. Функции углеводов в растениях Транспортной формой углеводов в растении является

Первичным источником углеводов для всех живых организмов на Земле (за исключением хемосинтезирующих организмов) является фотосинтез. Углеводы входят в составе клеток и тканей всех растительных и животных организмов, они выполняют как структурные, так и метаболические функции:

Углеродные «скелеты» для построения др. органических веществ;

Запасной источник энергии (крахмал, инулин, сахароза, др.) для метаболических процессов;

Структурные компоненты КС (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектины);

Входят в состав мембран (рецепторы -гликопротеины, иммунные белки -лектины).

Примечание: Общепринятые сокращения названий сахаров: глю – глюкоза, фру – фруктоза, гал - галактоза, ман- манноза, ара – арабиноза, кси – ксилоза, ФГА - фосфоглицериновый альдегид, ФДА - фосфодиоксиацетон

План:

1. Значение углеводов. Общая характеристика.

2. Классификация углеводов.

3. Строение углеводов.

4. Синтез, распад и превращение углеводов в растении.

5. Динамика углеводов при созревании ПОВ.

Значение углеводов. Общая характеристика.

Углеводы – основной питательный и главный опорный материал растительных клеток и тканей.

Составляют до 85-90 % всей массы растительного организма.

Образуются в процессе фотосинтеза.

В состав углеводов входят С, Н и О.

Представители : глюкоза С6Н12О6, сахароза С12Н22О11, фруктоза, рамноза, крахмал, клетчатка, гемицеллюлозы, пектиновые вещества, агар-агар.

Сахароза – углевод, синтезирующийся только в растительном организме и грающий очень большую роль в обмене веществ у растений. Сахароза – наиболее легко усвояемый растением сахар. В некоторых растениях сахароза может накапливаться в чрезвычайно больших количествах (сахарная свекла, сахарный тростник).

ПОВ сильно отличаются по составу углеводов:

Картофель – большая часть углеводов представлена крахмалом;

Зеленый овощной горох (убранный в стадии технической зрелости) – основная масса углеводов состоит из почти равных частей крахмала и сахаров;

Зрелые яблоки – крахмал практически отсутствует, а углеводы представлены глюкозой, фруктозой, сахарозой;

Хурма – глюкоза и фруктоза, почти нет сахарозы;

Виноград – глюкоза и фруктоза.

Различный состав углеводов и в отдельных тканях ПОВ:

В кожуре – клетчатка и пектиновые вещества (защита плодовой мякоти от неблагоприятных воздействий);

В мякоти – крахмал, сахара (глюкоза, фруктоза, сахароза).

Классификация углеводов.

Все углеводы разделяют на две группы – Монозы (моносахариды) и Полиозы (полисахариды)

Несколько молекул моносахаридов, соединяясь между собой с выделением воды, образуют молекулу полисахарида.

Моносахариды: Их можно рассматривать, как производные многоатомных спиртов.

Представители : глюкоза, фруктоза, галактоза, манноза.

Дисахариды: сахароза (тростниковый сахар), мальтоза (солодовый сахар) и целлобиоза.

Трисахариды: Рафиноза и др.

Тетрасахариды: стахиоза и др.

Ди-, три - и тетрасахариды (до 10 остатков моноз) составляют группу Полисахаридов первого порядка . Все представители этой группы легко растворимы в воде и в чистом виде являются кристаллическими веществами (олигосахариды) .

Олигосахара (олигосахариды) могут быть гомо - и гетеросахара. Сахароза состоит из глюкозы и фруктозы – фуран (гетеросахар). Лактоза – галактоза + глюкоза. Мальтоза, трегалоза, целлобиоза – Глюкоза + глюкоза (гомосахара), отличаются расположением атомов углерода, участвующих в связи между молекулами моносахаров.

Более сложные углеводы – Полисахариды второго порядка . Сложные вещества с очень большой молекулярной массой. В воде либо не растворяются совсем, либо дают вязкие, коллоидные растворы.

Представители : слизи, крахмал, декстрины, гликоген, клетчатка, гемицеллюлозы, пектиновые вещества, инулин, каллоза и др.

Строение углеводов.

Моносахариды, содержащие по три углеродных атома, принадлежат к группе Триоз , с четырьмя – Тетроз , с пятью – Пентоз , шестью – Гексоз и семью – Гептоз .

Наиболее важными и распространенными в природе являются пентозы и гексозы.

Моносахариды, производные многоатомных спиртов – содержат в своей молекуле наряду со спиртовыми группами –ОН альдегидную или кетогруппу.

Триозы:

Правовращающийся Левовращающийся

D-глицериновый альдегид L-глицериновый альдегид

Фруктоза относится к пентозам, глюкоза к гексозам.

Установлено, что в растворах D-глюкоза существует в трех взаимопревращающихся формах, две из которых циклические.

Аналогичные взаимопревращения трех форм установлены также и для других моносахаридов.

Дисахариды:

Полисахариды:

Имеют линейную или разветвленную структуру, полимерные молекулы их состоят из мономеров (моносахаридов), соединенных между собой в длинные цепочки.

Синтез, распад и превращение углеводов в растении.

Синтез .

Первичным продуктом фотосинтеза является Фосфоглицериновая кислота. При дальнейших превращениях она дает различные Моносахариды – глюкозу, фруктозу, маннозу и галактозу (они образуются без участия света, в результате «темновых» ферментативных реакций). Образование гексоз из фосфоглицериновой кислоты или фосфоглицеринового альдегида (триоз) происходит благодаря действию фермента Альдолазы .

Образование глюкозы и фруктозы из сорбита.

Наряду с моносахаридами в листьях на свету чрезвычайно быстро образуются также сахароза (дисахарид) и крахмал (полисахарид), однако это вторичный процесс ферментативных превращений ранее образовавшихся моносахаридов (может происходить в полной темноте). Сахароза синтезируется из глюкозы и фруктозы, а также из других гексоз. Из пентоз (арабиноза, ксилоза) сахароза не синтезируется.

Распад.

Большинство моносахаридов сбраживаются дрожжами.

Олигосахара распадаются под действием соответствующих ферментов и при гидролизе (нагревании в присутствии кислот).

Полисахариды второго порядка:

Крахмал (состоит из амилозы и амилопектина, их соотношение в крахмале разных растений различно) – распадается под действием фермента Глюкозоамилазы и при гидролизе на молекулы глюкозы; Гликоген (аналогично).

Клетчатка (целлюлоза) – переваривается только у жвачных животных бактериями, содержащими фермент Целлюлазу .

Гемицеллюлозы гидролизуются кислотами легче, чем клетчатка.

Взаимопревращения.

В растениях сахариды чрезвычайно легко превращаются друг в друга.

Взаимопревращения моносахаридов происходят в результате действия соответствующих ферментов, катализирующих реакции фосфорилирования и образования фосфорных эфиров сахаров.

Под действием изомераз происходят превращения моносахаров друг в друга.

В растительных организмах обнаружены также ферменты, катализирующие образование фосфорных эфиров сахаров и их взаимные превращения.

Крахмал, накапливающийся в листьях при фотосинтезе, может очень быстро превращаться в сахарозу (важнейшая транспортная форма углеводов), перетекать в виде сахарозы в семена, плоды, клубни, корнеплоды и луковицы, где сахароза снова превращается в крахмал и инулин. В этих процессах амилаза не принимает никакого участия (работают другие ферменты и гидролиз).

Динамика углеводов при созревании ПОВ

1. В период созревания на растении и хранения у большинства плодов и овощей содержание крахмала уменьшается, а сахаров возрастает.

2. Достигнув определенного максимума, уровень сахаров начинает также снижаться.

Зеленые бананы – более 20 % крахмала и менее 1 % сахара;

В зрелых бананах – уровень крахмала снижается до 1 %, а сахаров возрастает до 18 %.

Большую часть сахаров составляет сахароза, но в оптимальной зрелости плодов сахара представлены равными долями сахарозы, фруктозы и глюкозы.

Такие же изменения характерны для яблок, хотя выражены гораздо слабее.

Если при созревании на материнском растении количество сахаров увеличивается за счет моно - и дисахаридов, то при последующем их хранении повышение уровня сахаров, если оно наблюдается, происходит за счет моносахаридов. Количество дисахаридов при этом уменьшается, под действием ферментов и гидролиза (под действием кислот) они распадаются до моноз, в результате чего количество последних растет.

В плодах и овощах, которые вообще не содержат крахмала, тоже при хранении наблюдается повышение сахаров. А также и у содержащих крахмал плодов содержание сахаров, образующихся при хранении, превышает содержание крахмала, из которого они могут образовываться. Изучение динамики различных фракций полисахаридов показало, что при послеуборочном дозревании плодов происходит не только гидролиз крахмала, но и пектиновых веществ, гемицеллюлоз и даже целлюлоз.

У Овощного гороха, овощной фасоли и сахарной кукурузы при созревании и хранении происходит не превращение крахмала в сахар, а наоборот, сахаров в крахмал (при хранении при 00С, процессы перехода происходят медленнее, но в том же порядке). При хранении бобовых в створках, сроки перехода сахара в крахмал увеличиваются в два раза.

В Клубнях картофеля Протекают и процессы синтеза крахмала из сахаров, и процессы перехода крахмала в сахара.

В процессе роста в клубнях накапливается крахмал. Качество клубней картофеля тем выше, чем больше соотношение крахмала к сахарам.

При хранении при 00С крахмал переходит в сахара, но эта температура оптимальна для остановки развития патогенной микрофлоры (гниение картофеля).

При снижении температуры с 20 до 00С:

Крахмал Þ сахар – уменьшается на 1/3;

Сахар Þ крахмал – уменьшается в 20 раз;

Скорость потребления сахара при дыхании (сахар Þ СО2 + Н2О) – уменьшается в 3 раза.

За счет этого происходит накопление сахаров при хранении. При чем у диких форм картофеля и в северных р-нах большинство накапливающихся при хранении сахаров – моносахара. В нашей зоне при хранении накапливается одинаковое количество моно - и дисахаридов.

Для потребления клубней в пищу и для использования их на семена необходимо уменьшить содержание сахаров и увеличить содержание крахмала, для этого нужно выдержать клубни при 200С.

Длительное хранение клубней картофеля при 00С приводит к тому, что время, необходимое для перевода сахаров в крахмал увеличивается на столько, что за этот срок болезни и вредители поражают клубни полностью.

При хранении при 100С в картофеле сохраняется практически нативный уровень крахмала, но болезни эта температура не сдерживает. Поэтому картофель экономически выгоднее хранить при 40С, в хорошо проветриваемых помещениях (условия активного вентилирования), клубни должны быть неповрежденные сухие, для предотвращения прорастание и болезней необходимы дополнительные средства – химические препараты.

Рассмотрим углеводы в растениях, которые, как и жиры, органические кислоты и дубильные вещества имеют важное значение, и постоянно встречаются как в вегетативных органах, так и в органах размножения.

Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода. Последние два элемента находятся между собой в таком же количественном сочетании, как в воде (Н 2 О), то есть на определенное число атомов водорода приходится в два раза меньшее число атомов кислорода.

Углеводы составляют до 85-90% веществ, входящих в растительный организм.

Углеводы являются основным питательным и опорным материалом в клетках и тканях растений.

Углеводы подразделяются на моносахариды, дисахариды и полисахариды .

Из моносахаридов в растениях распространены гексозы, имеющие состав С 6 Н 12 О 6 . К ним относятся глюкоза, фруктоза и др.

Глюкоза (иначе называется декстроза или виноградный сахар) содержится в ягодах винограда - около 20%, в яблоках, грушах, сливах, черешне и винных ягодах. Глюкоза обладает способностью выкристаллизовываться.

Фруктоза (иначе называется левулеза или плодовый сахар) кристаллизуется с трудом, встречается вместе с глюкозой в плодах, нектарниках, пчелином меде, луковицах и т. п. (Левулезой фруктоза называется потому, что при прохождении через нее поляризованного луча света последний отклоняется влево. В противоположность фруктозе виноградный сахар отклоняет поляризованный луч вправо. Поляризованным светом называется свет, пропущенный через призмы из исландского шпата, обладающего двойным лучепреломлением. Призмы эти являются составной частью поляризационного аппарата.)

Свойства гексоз следующие. Они обладают особо сладким вкусом и легкорастворимы в воде. Первичное образование гексоз происходит в листьях. Они легко превращаются в крахмал, который, в свою очередь, легко может переходить в сахар при участии фермента диастаза. Глюкоза и фруктоза обладают способностью легко проникать из клетки в клетку и быстро передвигаться по растению. В присутствии дрожжей гексозы легко бродят и превращаются в спирт. Характерный и чувствительный реактив на гексозы - синяя фелингова жидкость, с помощью ее можно легко открыть малейшие их количества: при нагревании выпадает кирпично-красный осадок закиси меди.

Иногда гексозы встречаются в растениях в соединении с ароматическими спиртами, с горькими или едкими веществами. Эти соединения называют тогда глюкозидами, например амигдалин, придающий горечь семенам миндаля и других косточковых растений. Амигдалин содержит ядовитое вещество - синильную кислоту. Глюкозиды не только защищают семена и плоды от поедания животными, но и предохраняют семена сочных плодов от преждевременного прорастания.

Дисахариды - углеводы, имеющие состав C 12 H 22 O 11 . К ним относятся сахароза, или тростниковый сахар, и мальтоза. Сахароза образуется в растениях из двух частиц гексоз (глюкозы и фруктозы) с выделением частицы воды:

C 6 H 12 О 6 + C 6 H 12 О 6 = C 12 H 22 O 11 + Н 2 О.

При кипячении с серной кислотой к тростниковому сахару присоединяется частица воды, и дисахарид распадается на глюкозу и фруктозу:

C 12 H 22 О 11 + Н 2 О = C 6 H 12 О 6 + C 6 H 12 О 6 .

Эта же реакция происходит при действии на тростниковый сахар фермента инвертазы, поэтому превращение тростникового сахара в гексозы называется инверсией, а полученные гексозы - инвертированным, сахаром.

Тростниковый сахар - это тот сахар, который употребляется в пищу. Его издавна добывают из стеблей злака - сахарного тростника (Saccharum officinarum), растущего в тропических странах. Он встречается также в корнях многих корнеплодов, из которых больше всего его находится в корнях сахарной свеклы (от 17 до 23%). Из сахарной свеклы тростниковый сахар добывают на свеклосахарных заводах. Сахароза легко растворяется в воде и хорошо кристаллизуется (сахарный песок). Она не восстанавливает закиси меди из фелинговой жидкости.

Мальтоза образуется из крахмала под действием фермента диастаза:

2(С 6 Н 10 О 5)n + nН 2 О = nC 12 H 22 O 11 .

При расщеплении (гидролизе) молекулы мальтозы под действием фермента мальтазы образуются две молекулы гексозы:

C 12 H 22 О 11 + Н 2 О = 2C 6 H 12 O 6 .

Мальтоза восстанавливает закись меди из фелинговой жидкости.

В некоторых растениях (у хлопчатника в семенах, у эвкалипта в листьях, у сахарной свеклы в корнях и др.) еще встречается трисахарид рафиноза (C 18 H 32 O 16).

Полисахариды - углеводы, имеющие состав (C 6 H 10 О 5)n Полисахариды можно рассматривать как несколько частиц моносахаридов, от которых отделилось столько же частиц воды:

NC 6 H 12 O 6 - nН 2 О = (C 6 H 10 O 5)n.

В живых тканях растений к полисахаридам (или полиозам) относятся крахмал, инулин, клетчатка, или целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества и др. В грибах находится гликоген - углевод, свойственный животным организмам и потому называемый иногда животным крахмалом.

Крахмал - высокомолекулярный углевод, в растениях содержится как запасное вещество. Первичный крахмал образуется в зеленых частях растения, например в листьях, в результате процесса фотосинтеза. В листьях же крахмал превращается в глюкозу, которая во флоэме жилок превращается в сахарозу и оттекает из листьев, и направляется в растущие части, растения или в места отложения запасных веществ. В этих местах сахароза превращается в крахмал, который откладывается в форме мельчайших зерен. Такой крахмал называется вторичным.

Местами отложения вторичного крахмала являются лейкопласты, находящиеся в клетках клубней, корней и плодов.

Основные свойства крахмала следующие: 1) в холодной воде он не растворяется; 2) при нагревании в воде происходит превращение его в клейстер; 3) крахмальные зерна имеют скрытокристаллическое строение; 4) от действия раствора йода окрашивается в синий, темно-синий, фиолетовый и черный цвет (в зависимости от крепости раствора); 5) под влиянием фермента диастаза крахмал превращается в сахар; 6) в поляризованном свете крахмальные зерна светятся и на них видна характерная фигура темного креста.

Крахмал состоит из нескольких компонентов - амилозы, амилопектина и др., различающихся растворимостью в воде, реакцией с раствором йода и некоторыми другими признаками. Амилоза растворяется в теплой воде и от йода окрашивается в ярко-синий цвет; амилопектин слабо растворяется даже в горячей воде и от йода приобретает красно-фиолетовый цвет.

Количество крахмала в растениях сильно колеблется: в зернах хлебных злаков содержится его 60-70%, семенах бобовых - 35-50%, в картофеле - 15-25%.

Инулин - полисахарид, встречающийся в подземных органах многих растений семейства сложноцветных в качестве запасного питательного углевода. Такими растениями являются, например, девясил (lnula), георгин, земляная груша и др. Инулин находится в клетках в растворенном виде. При выдерживании в спирте корней и клубней сложноцветных растений инулин выкристаллизовывается в форме сферокристаллов.

Клетчатка, или целлюлоза , гак же как и крахмал, в воде не растворяется. Оболочки клеток состоят из клетчатки. Состав ее сходен с крахмалом. Примером чистой клетчатки может служить вата, состоящая из волосков, покрывающих семена хлопчатника. Фильтровальная бумага хорошего качества также состоит из чистой клетчатки. Растворяется клетчатка в аммиачном растворе окиси меди. При действии серной кислоты клетчатка переходит в амилоид - коллоидное вещество, напоминающее крахмал и окрашивающееся от йода в синий цвет. В крепкой серной кислоте клетчатка растворяется, превращаясь в глюкозу. Реактивом на клетчатку является хлор-цинк-йод, от которого она принимает фиолетовый цвет. Хлористый цинк, так же как и серная кислота, сперва переводит клетчатку в амилоид, который затем уже подвергается окрашиванию йодом. От чистого йода клетчатка желтеет. Под влиянием фермента цитазы клетчатка переходит в сахар. Клетчатка играет важную роль в промышленности (ткани, бумага, целлулоид, пироксилин).

В растениях оболочки клеток, состоящие из клетчатки, часто подвергаются одревеснению и опробковению.

Количество целлюлозы и древесины сильно колеблется в различных растениях и разных их частях. Например, в зернах голых злаков (ржи, пшеницы) содержится 3-4% целлюлозы и древесины, а в зерне пленчатых злаков (ячменя, овса) содержится 8-10%, в сене - 34%, овсяной соломе - 40%, ржаной соломе - до 54%.

Гемицеллюлоза - вещество, сходное с клетчаткой, откладывается как запасное питательное вещество. В воде не растворяется, но слабые кислоты легко подвергают ее гидролизу, тогда как клетчатка гидролизуется концентрированными кислотами.

Гемицеллюлоза откладывается в клеточных оболочках зерен злаков (кукурузы, ржи и др.), в семенах люпина, финика и пальмы Phytelephas macrocarpa. Твердость ее такова, что семена пальмы идут на изготовление пуговиц под названием «растительная слоновая кость». При прорастании семян гемицеллюлоза растворяется, превращаясь с помощью ферментов в сахар: она идет на питание зародыша.

Пектиновые вещества - высокомолекулярные соединения углеводной природы. Содержатся в значительном количестве в плодах, клубнях и стеблях растений. В растениях пектиновые вещества обычно встречаются в виде нерастворимого в воде протопектина. При созревании плодов нерастворимый в воде протопектин, содержащийся в клеточных стенках, превращается в растворимый пектин. В процессе мочки льна под действием микроорганизмов пектиновые вещества гидролизуются - происходит мацерация и отделение волокон друг от друга. (Мацерация (от латинского «мацерация» - размягчение) - естественное или искусственное разъединение клеток ткани в результате разрушения межклеточного вещества.)

Слизи и гумми - коллоидные полисахариды, растворимые в воде. Слизи содержатся в большом количестве в кожуре семян льна. Гумми можно наблюдать, в виде вишневого клея, образующегося в местах повреждений ветвей и стволов вишен, слив, абрикоса и др.

Лихенин - полисахарид, содержащийся в лишайниках (например, в «исландском мхе» - Cetraria islandica).

Агар-агар - высокомолекулярный полисахарид, содержащийся в некоторых морских водорослях. Агар-агар растворяется в горячей воде, а после охлаждения застывает в виде студня. Применяется в бактериологии для питательных сред и в кондитерской промышленности для изготовления желе, пастилы, мармеладов.

Моносахариды

Глюкоза С6Н2О6 (структурные формулы см. рис. 2) (моноза, гексоза, альдоза, виноградный сахар) -- самая распространенная из моноз как в растительном, так и в животном мире. Содержится в свободном виде во всех зеленых частях растений, в семенах, различных фруктах и ягодах. В больших количествах глюкоза содержится в винограде -- отсюда происходит ее название -- виноградный сахар. Особенно велика биологическая роль глюкозы в образовании полисахаридов -- крахмала, целлюлозы, построенных из остатков D-глюкозы. Глюкоза входит в состав тростникового сахара, гликозидов, таннина и других дубильных веществ. Глюкоза хорошо сбраживается дрожжами.

Фруктоза С6Н12О6 (структурные формулы см. рис. 3) (моноза, гексоза, кетоза, левулеза, плодовый сахар) содержится во всех зеленых растениях, в нектаре цветов. Особенно ее много в плодах, поэтому ее второе название -- плодовый сахар. Фруктоза гораздо слаще других сахаров. Она входит в состав сахарозы и высокомолекулярных полисахаридов, таких, например, как инулин. Как и глюкоза, фруктоза хорошо сбраживается дрожжами.

Дисахариды

Сахароза С12Н22О11 (дисахарид) чрезвычайно широко распространена в растениях, особенно много ее в корнеплодах свеклы (от 14 до 20 % сухой массы), а также в стеблях сахарного тростника (массовая доля сахарозы от 14 до 25 %).

Сахароза состоит из -D-глюкопиранозы и -D-фруктофуранозы, соединенных 1 2 связью за счет гликозидных гидроксилов.

Сахароза не содержит свободного гликозидного гидроксила, является невосстанавливающим сахаром, потому относительно химически инертна, за исключением ее чрезвычайной чувствительности к кислотному гидролизу. Поэтому сахароза является транспортным сахаром, в виде которого углерод и энергия транспортируются по растению. Именно в виде сахарозы углеводы перемещаются из мест синтеза (листья) к месту, где они откладываются в запас (плоды, корнеплоды, семена, стебли). По проводящим пучкам растений сахароза движется со скоростью 2030 см/ч. Сахароза очень хорошо растворяется в воде и обладает сладким вкусом. С повышением температуры ее растворимость увеличивается. В абсолютном спирте сахароза нерастворима, а в водном спирте она растворяется лучше. При нагревании до 190200 С и выше происходит дегидратация сахарозы с образованием различных окрашенных полимерных продуктов -- карамелей. Эти продукты под названием колер используются в коньячном производстве для придания окраски коньякам.

Гидролиз сахарозы.

При нагревании растворов сахарозы в кислой среде или под действием фермента -фруктофуранозидазы она гидролизуется, образуя смесь равных количеств глюкозы и фруктозы, которая называется инвертным сахаром (рис. 7).

Рис. 7.

Фермент -фруктофуранозидаза широко распространен в природе, особенно активен он в дрожжах. Фермент находит применение в кондитерской промышленности, так как образующийся под его воздействием инвертный сахар препятствует кристаллизации сахарозы в кондитерских изделиях. Инвертный сахар слаще сахарозы благодаря наличию свободной фруктозы. Это позволяет, применяя инвертный сахар, экономить сахарозу. Кислотный гидролиз сахарозы происходит также при варке варенья и приготовлении джема, но ферментативный гидролиз проходит легче, чем кислотный.

Мальтоза С12Н22О11 состоит из двух остатков -D-глюкопиранозы, соединенных гликозидной связью 1 4.

Мальтоза в свободном состоянии в растениях содержится в небольшом количестве, но появляется при прорастании, так как она образуется при гидролитическом расщеплении крахмала. В нормальном зерне и муке она отсутствует. Наличие ее в муке говорит о том, что эта мука получена из проросшего зерна. Большое количество мальтозы содержится в солоде, который применяется в пивоварении, поэтому мальтозу называют также солодовым сахаром. Под действием фермента -глюкозидазы (мальтазы) мальтоза подвергается гидролизу до D-глюкозы. Мальтоза сбраживается дрожжами.

Лактоза С12Н22О11 построена из -D-галактопиранозы и D-глюкопиранозы, соединенных между собой 1 4 гликозидной связью. В растениях она встречается редко.

В большом количестве (45 %) лактоза содержится в молоке, поэтому ее называют молочным сахаром. Это восстанавливающий сахар со слабым сладким вкусом. Сбраживается лактозными дрожжами до молочной кислоты.

Целлобиоза С12Н22О11 состоит из двух остатков -D-глюкопиранозы, соединенных между собой 1 4 гликозидной связью.

Она служит структурным компонентом полисахарида целлюлозы и образуется из нее при гидролизе под действием фермента целлюлазы. Этот фермент продуцируется рядом микроорганизмов, а также он активен в прорастающих семенах.

Несахароподобные полисахариды

Запасные полисахариды

Крахмал (С6Н10О5)n является важнейшим представителем полисахаридов в растениях. Этот запасной полисахарид используется растениями как энергетический материал. Крахмал в животном организме не синтезируется, аналогичным запасным углеводом у животных является гликоген.

Крахмал в больших количествах содержится в эндосперме злаков -- 6585 % его массы, в картофеле -- до 20 %.

Крахмал не является химически индивидуальным веществом. В его состав кроме полисахаридов входят минеральные вещества, в основном представленные фосфорной кислотой, липиды и высокомолекулярные жирные кислоты -- пальмитиновая, стеариновая и некоторые другие соединения, адсорбированные углеводной полисахаридной структурой крахмала.

В клетках эндосперма крахмал находится в виде крахмальных зерен, форма и размер которых характерны для данного вида растения. Форма крахмальных зерен дает возможность легко распознать крахмалы различных растений под микроскопом, что используется для обнаружения примеси одного крахмала в другом, например при добавлении кукурузной, овсяной или картофельной муки к пшеничной.

В запасающих тканях различных органов -- клубнях, луковицах более крупные крахмальные зерна откладываются в запас в амилопластах как вторичный (запасной) крахмал. Крахмальные зерна имеют слоистую структуру.

Строение углеводных компонентов крахмала

Углеводная часть крахмала состоит из двух полисахаридов:

• 1. Амилозы;
• 2. Амилопектина.
• 1 Строение амилозы.

В молекуле амилозы остатки глюкозы связаны гликозидными 1 4 связями, образуя линейную цепочку (рис. 8, а).

У амилозы различают восстанавливающий конец (А) и невосстанавливающий (В).

Линейные цепи амилозы, содержащие от 100 до нескольких тысяч остатков глюкозы, способны спирально свертываться и таким образом принимать более компактную форму (рис. 8, б). В воде амилоза растворяется хорошо, образуя истинные растворы, которые неустойчивы и способны к ретроградации -- самопроизвольному выпадению в осадок.

Рис. 8.

а -- схема соединения молекул глюкозы в амилозе; б -- пространственная структура амилозы; в -- схема соединения молекул глюкозы в амилопектине; г -- пространственная молекула амилопектина

2 Строение амилопектина

Амилопектин представляет собой разветвленный компонент крахмала. Он содержит до 50 000 остатков глюкозы, соединенных между собой главным образом 1 4 гликозидными связями (линейные участки молекулы амилопектина). В каждой точке разветвления молекулы глюкозы (-D-глюкопиранозы) образуют 1 6 гликозидную связь, которая составляет около 5 % общего числа гликозидных связей молекулы амилопектина (рис. 8, в, г).

Каждая молекула амилопектина имеет один восстанавливающий конец (А) и большое количество невосстанавливающих концов (В). Структура амилопектина трехмерна, его ветви расположены по всем направлениям и придают молекуле сферическую форму. Амилопектин в воде не растворяется, образуя суспензию, но при нагревании или под давлением образует вязкий раствор -- клейстер. С йодом суспензия амилопектина дает красно-бурую окраску, йод при этом адсорбируется на молекуле амилопектина, поэтому цвет суспензии обусловлен окраской самого йода.

Как правило, содержание амилозы в крахмале составляет от 10 до 30 %, а амилопектина -- от 70 до 90 %. Некоторые сорта ячменя, кукурузы и риса называются восковидными. В зернах этих культур крахмал состоит только из амилопектина. В яблоках крахмал представлен только амилозой.

Ферментативный гидролиз крахмала

Гидролиз крахмала катализируется ферментами - амилазами. Амилазы относятся к классу гидролаз, подклассу - карбогидраз. Различают б- и -амилазы. Это однокомпонентные ферменты, состоящие из молекул белка. Роль активного центра у них выполняют группы - NH2 и - SH.

Характеристика б - амилазы

б - Амилаза содержится в слюне и поджелудочной железе животных, в плесневых грибах, в проросшем зерне пшеницы, ржи, ячменя (солод).

б- Амилаза является термостабильным ферментом, её оптимум находится при температуре 700С. Оптимальное значение pH 5.6-6.0, при pH 3.3-4.0 она быстро разрушается.

Характеристика - амилазы

Амилаза находится в зерне пшеницы, ржи, ячменя, в соевых бобах, в батате. Однако активность фермента в созревших семенах и плодах низкая, возрастает активность при прорастании семян.

в-амилаза расщепляет амилозу полнотью, на 100% превращая ее в мальтозу. Амилопектин расщепляет на мальтозу и декстрины дающие красно-коричневое окрашивание с йодом, расщепляя лишь свободные концы глюкозных цепочек. Действие прекращается, когда доходит до разветвлений. в-амилаза расщепляет амилопектин на 54% с образованием мальтозы. Образовавшиеся при этом декстрины гидролизуются б-амилазой с образованием декстринов меньшей молекулярной массы и не дающих окрашивания с йодом. При последующем длительном действии б-амилозы на крахмал около 85% его превращается в мальтозу.

Т.е. при действии в-амилазы образуются в основном мальтоза и немного высокомолекулярных декстринов. При действии б-амилазы образуются главным образом декстрины меньшей молекулярной массы и незначительное количество мальтозы. Ни б- ни в-амилазы в отдельности не могут полностью гидролизовать крахмал с образованием мальтозы. При одновременном действии обеих амилаз крахмал гидролизуется на 95%.

Продукты гидролиза крахмала

В качестве конечных продуктов гидролиза амилозы обычно образуется не только мальтоза, но и глюкоза, а при гидролизе амилопектина- мальтоза, глюкоза и небольшое количество олигосахаридов, содержащих б І6 - гликозидную связь. Гликозидная связь б І6 гидролизуетя R - ферментом. Основным продуктом, образующимся при гидролизе амилозы и амилопектина, является мальтоза. Далее мальтоза под действием б - глюкозидазы (мальтазы) гидролизуется до D- глюкозы.

Препараты амилаз широко применяют в хлебопечении в качестве улучшителей. Добавление амилаз приводит к образованию более мягкого хлебного мякиша и уменьшает скорость черствения хлеба при хранении.

Гликоген и фитогликоген (растительный гликоген) содержится в зерне кукурузы. По строению фитогликоген близок к запасному полисахариду животных организмов -- гликогену, получившему название животного крахмала. Фитогликоген также как и животный гликоген имеет более высокую степень ветвления, чем амилопектин, около 10 % его связей -- это 1 6 связи, тогда как у амилопектина таких связей около 5 %.

Инулин относится к запасным полисахаридам растений. Он представляет группу молекулярных форм приблизительно одинакового размера.

Инулин как запасной полисахарид откладывается в подземных запасающих органах растений -- в клубнях топинамбура, георгина, корневищах артишока. Причем в качестве энергетического запаса вещества он предпочтительнее крахмала.

Близкое к инулину строение имеет другой запасной полисахарид -- леван. Число моносахаридных остатков у левана равно 78.

Леваны - это временные запасные полисахариды злаковых растений. Они обнаружены в листьях, стеблях и корнях растений и расходуются в период созревания зерна на синтез крахмала. Как и инулин, леван содержит концевой остаток сахарозы. Полисахаридная цепь инулина и левана не имеет восстанавливающих концов -- их аномерные углеродные атомы заняты в образовании гликозидной связи.

Из других запасных полисахаридов известны галактоманнаны в семенах сои, глюкоманнаны, откладываемые в запас некоторыми растениями тропиков, но химическая структура их полностью не установлена.

Структурные полисахариды

Целлюлоза (С6Н10О5) - полисахарид второ-го порядка, является основным компонентом клеточных стенок. Целлюлоза состоит из остатков -D-глюкозы, соединенных между собой 1 4 гликозидной связью (рис. 9, а). Среди других полисахаридов, из которых состоит клеточная стенка растений, он относится к микрофибриллярным полисахаридам, так как в клеточных стенках молекулы целлюлозы соединены в структурные единицы, получившие название микрофибрилл. Последняя состоит из пучка молекул целлюлозы, расположенных по ее длине параллельно друг другу.

Рис. 9.

а - соединение молекул глюкозы; б - структура микрофибрилл; в - пространственная структура

Распространение целлюлозы

В среднем на одну молекулу целлюлозы приходится около 8000 остатков глюкозы. Гидроксилы у атомов углерода С2, С3 и С6 не замещены. Повторяющееся звено в молекуле целлюлозы -- остаток дисахарида целлобиозы.

Свойства целлюлозы

Целлюлоза не растворяется в воде, но в ней набухает. Свободные гидроксильные группы способны замещаться на радикалы -- метильный --СН3 или ацетальный с образованием простой или сложноэфирной связи. Это свойство играет большую роль при изучении строения целлюлозы, а также находит применение в промышленности при производстве искусственного волокна, лаков, искусственной кожи и взрывчатых веществ.

Усвояемость целлюлозы

У большинства животных и человека целлюлоза не переваривается в желудочно-кишечном тракте, так как в их организме не вырабатывается целлюлаза -- фермент, гидролизующий 4 гликозидную связь. Этот фермент синтезируется различного рода микроорганизмами, вызывающими гниение древесины. Целлюлозу хорошо переваривают термиты, потому что в их кишечнике живут симбиотические микроорганизмы, вырабатывающие целлюлазу.

В кормовые рационы крупного рогатого скота включают целлюлозу (в составе соломы и других компонентов), так как в их желудке находятся микроорганизмы, синтезирующие фермент целлюлазу.

Значение целлюлозы

Промышленное значение целлюлозы огромно -- производство хлопчатобумажных тканей, бумаги, деловой древесины и целый ряд химических продуктов, в основе которых лежит переработка целлюлозы.

Гемицеллюлозы -- полисахариды второго порядка, образующие вместе с пектиновыми веществами и лигнином матрикс клеточных стенок растений, заполняющий пространство между каркасом стенок, сложенных из целлюлозных микрофибрилл.

Гемицеллюлозы подразделяют на три группы:

• 1. Ксиланы;
• 2. Маннаны;
• 3. Галактаны.
• 1. Ксиланы образованы остатками D-ксилопиранозы, соединенными связями 4 в линейную цепь. Семь из каждых десяти ксилозных остатков ацетилированы по С3 и редко по С2. К некоторым ксилозным остаткам присоединена 4-о-метил--D-глюкуроновая кислота через гликозидную 2 связь.
• 2. Маннаны состоят из основной цепи, образованной из -D-маннопиранозных и -D-аминопиранозных остатков, связанных гликозидными 4 связями. К некоторым остаткам маннозы основной цепи 6 связями присоединены единичные остатки -D-галактопиранозы. Гидроксильные группы при С2 и С3 некоторых остатков маннозы ацетилированы.
• 3. Галактаны состоят из -галактопиранозных остатков, соединенных 4 связями в основную цепь. К ним по С6 присоединены дисахариды, состоящие из D-галактопиранозы и L-арабофуранозы.

Пектиновые вещества представляют собой группу высокомолекулярных полисахаридов, которые вместе с целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином образуют клеточные стенки растений.

Строение пектиновых веществ

Основным структурным компонентом пектиновых веществ служит галактуроновая кислота, из которой строится главная цепь; в состав боковых цепей входят арабиноза, галактоза и рамноза. Часть кислотных групп галактуроновой кислоты этерифицирована метиловым спиртом (рис. 10), т.е. мономером является метоксигалактуроновая кислота. В метоксиполигалактуроновой цепи мономерные звенья связаны 4 гликозидными связями, боковые цепи (разветвления) присоединены к главной цепи 2 гликозидными связями.

Пектиновые вещества сахарной свеклы, яблок, плодов цитрусовых растений различаются между собой по составу боковых цепей полигалактуроновой цепи и по физическим свойствам.

В зависимости от количества метоксильных групп и степени полимеризации различают высоко- и низкоэтерифицированные пектины. У первых этерифицировано более 50 %, у вторых -- менее 50 % карбоксильных групп.

Пектиновые вещества -- это физические смеси пектинов с сопутствующими веществами -- пентозанами и гексозанами. Молекулярная масса пектина от 20 до 50 кДа.

Различают яблочный пектин, который получают из яблочных выжимок, цитрусовый пектин -- из цитрусовых корочек и выжимок, свекловичный пектин -- из свекловичного жома. Богаты пектиновыми веществами айва, красная смородина, кизил, алыча и другие плоды и ягоды.

В растениях пектиновые вещества присутствуют в виде нерастворимого протопектина, связанного с арабаном или ксиланом клеточной стенки. Протопектин переходит в растворимый пектин либо при кислотном гидролизе, либо под действием фермента протопектиназы. Из водных растворов пектин выделяют осаждением спиртом или 50%-ным ацетоном.

Пектиновые кислоты и их соли

Пектиновые кислоты -- высокомолекулярные полигалактуроновые кислоты, небольшая часть карбоксильных групп у которых этерифицирована метиловым спиртом. Соли пектиновых кислот называют пектинатами. Если пектин полностью деметоксилирован, то их называют пектовыми кислотами, а их соли -- пектатами.

Пектолитические ферменты

Ферменты, участвующие в гидролизе пектиновых веществ называются пектолитическими. Они имеют большое значение, так как способствуют повышению выхода и осветлению плодово-ягодных соков.Пектиновые вещества в растениях обычно содержатся не в свободном виде, а в виде сложного комплекса- протопектина. В этом комплексе метоксилированная полигалактуроновая кислота связана с другими углеводными компонентами клетки - арабаном и галактаном. Под действием фермента протопектиназы происходит отщепление арабана и галактана от протопектина. В результате действия этого фермента образуется метоксилированная полигалактуроновая кислота, или растворимый пектин. Растворимый пектин далее расщепляется другими пектолитическими ферментами.

При действии фермента пектинэстеразы на растворимый пектин гидролизуются сложноэфирные связи, в результате чего образуется метиловый спирт и полигалактуроновая кислота, т. е. пектинэстераза отщепляет метоксильные группы метоксиполигалактуроновой кислоты.

Фермент полигалактуроназа при действии на растворимый пектин расщепляет связи между теми участками полигалактуроновой кислоты, которые не содержат метоксильных групп.

Технологическое и физиологическое значение

Важное свойство пектиновых веществ -- способность их к желированию, т. е. образовывать прочные студни в присутствии большого количества сахара (6570 %) и при рН 3,13,5. В образующемся студне массовая доля пектина составляет от 0,2 до 1,5 %.

Пектиновые вещества способны образовывать также при соответствующей обработке гели -- в присутствии перекиси водорода и пероксидазы происходит перекрестная сшивка боковых цепей; в присутствии кислоты и сахара, а также солей кальция пектины также образуют гели с высокой водопоглощающей способностью -- 1 г пектина может поглотить от 60 до 150 г воды.

Плотные гели образуют только высокоэтерифици-рованные пектины. Частичный гидролиз метиловых эфиров приводит к снижению желирующей способности. При полном гидролизе метоксильных групп в щелочных растворах или под действием фермента пектинэстеразы образуются пектиновые кислоты, которые представляют собой полигалактуроновую кислоту. Полигалактуроновая кислота не способна образовывать желе.

На желирующей способности пектиновых веществ основано использование их в качестве студнеобразующего компонента в кондитерской промышленности для производства конфитюров, мармелада, пастилы, желе, джемов, а также в консервной промышленности, хлебопечении и в производстве сыров.

Пектиновые вещества обладают важными физиологическими свойствами, выводя из организма тяжелые металлы в результате соединения многовалентных ионов металлов с неэтерифицированными группами --СОО- по типу ионных связей.

Простые углеводы

• глюкозы,
• сахарозы,
• фруктозы.

Глюкоза

Фруктоза

Сахароза

Полисахариды

• крахмал,
• целлюлоза (клетчатка),
• пектиновые вещества.

Крахмал

Целлюлоза

Пектиновые вещества (пектины)