Углеводы
Углеводы — важные представители природных соединений. Их можно считать одной из основ существования большинства организмов: в биосфере углеводов больше, чем всех других органических соединений вместе взятых. На долю углеводов приходится от 70 до 90% сухой массы растений и около 2% сухих веществ животных организмов.
Функции углеводов в живых организмах чрезвычайно многообразны. Клетчатка (целлюлоза) в растениях выполняет структурную функцию, образуя стенки клеток. В организме человека клетчатка играет регуляторную роль, активируя работу пищеварительного тракта.
Классификация углеводов
Все углеводы делят на две группы: простые и сложные. К простым углеводам относятся моносахариды (монозы). Сложные углеводы — это полисахариды (полиозы), среди которых различают полисахариды первого порядка, или олигосахариды, и полисахариды второго порядка.
Моносахариды не могут гидролизоваться с образованием более простых соединений, а полисахариды представляют собой полимеры моносахаридов.
Деление полисахаридов основано на степени их полимеризации. Олигосахариды —низкомолекулярные полимеры, которые при полном гидролизе образуют от двух до 10 остатков моносахаридов. Это кристаллизующиеся соединения. Можно установить их точную формулу.
Полисахариды второго порядка, к которым относится клетчатка, —высокомолекулярные полимерные соединения, построенные из большого числа остатков моносахаридов или их производных, соединенных гликозидными связями. Содержание мономерных остатков в молекулах высокомолекулярных полисахаридов может достигать нескольких тысяч.
В отличие от олигосахаридов, полисахариды второго порядка либо совсем не растворяются в воде, либо растворяются с большим трудом, не кристаллизуются и не обладают сладким вкусом.
Клетчатка
Клетчатка — самый распространенный структурный полисахарид растительного мира. Древесина состоит из клетчатки приблизительно на 50%, солома — на 30%, хлопок — на 95%. В целом на клетчатку приходится более половины всей массы органических веществ биосферы.
Так как клетчатка — полисахарид, установить её точную молекулярную массу нельзя: в основном она колеблется в зависимости от источника получения от 200 тыс. до 2 млн Да.
Клетчатка — высокомолекулярный полимер глюкозы. Она построена из остатков d-глюкозы, соединенных между собой (3( 1—>4)-гликозидными связями; при этом каждый второй остаток глюкозы повернут относительно предыдущего на 180°:
Молекулы клетчатки линейные, имеют нитевидную форму. Нити клетчатки, представляющие собой цепочки остатков d-глюкозы, плотно прилегают друг к другу и соединяются между собой поперечными водородными связями . При этом формируются пучки, называемые мицеллами. Одна мицелла содержит приблизительно 60- 100 молекул клетчатки. Отдельные мицеллы целлюлозы объединяются в микрофибриллы. Их можно увидеть с помощью электронного микроскопа. Одну микрофибриллу составляют примерно 2000 цепей целлюлозы. Микрофибриллы собираются в макрофибриллы, которые можно увидеть с помощью светового микроскопа.
Волокнистая структура клетчатки, образование большого числа водородных связей между ее молекулами придают клеточным стенкам прочность.
Клетчатка совершенно нерастворима в воде. Для ее растворения обычно применяют специальный реактив, предложенный в 1857 г. швейцарским химиком М. Швейцером — гидроксид тетрааммин-меди (II) [Cu(NH3)J(OH)2.
Расщепление клетчатки
Расщепление клетчатки в природе происходит при участии целого комплекса целлюлолитических ферментов: эндоглюканазы (КФ 3.2.1.4), целлобиогидролазы (КФ 3.2.1.91), (3-глюкозидазы (КФ 3.2.1.21), экзоглюкозидазы (КФ 3.2.1.74). Под их воздействием клетчатка расщепляется, образуя последовательно целлодекстрины, целлобиозу и глюкозу (рис. 58).
Фермент эндоглюканаза (целлюлоза) хаотично катализирует гидролиз глубинных (3(1—>4)-гликозидных связей в молекуле клетчатки с образованием целлодекстринов различной молекулярной массы и целлобиозы. Целлюлаза катализирует также расщепление целлодекстринов, но не может воздействовать на целлобиозу.
Фермент целлобиогидролаза (экзоглюканаза) катализирует гидролиз целлодекстринов путем последовательного отщепления от них целлобиозы, начиная с нередуцирующего конца полисахаридной цепи. Целлобиогидролаза воздействует также на клетчатку, но не может катализировать гидролиз целлобиозы.
Расщепление целлобиозы на две молекулы глюкозы катализирует фермент (3-глюкозидаза (целлобиаза). Этот фермент может также катализировать гидролиз низкомолекулярных целлодекстринов, но не оказывает воздействия на клетчатку и высокомолекулярные целлодекстрины.
Фермент экзоглюкозидаза катализирует превращение целлодекстринов и клетчатки непосредственно в глюкозу.
Целлюлолитические ферменты вырабатываются растениями, грибами, бактериями, а в желудочно-кишечном тракте человека и большинства животных нет ферментов, способных гидролизовать (3(1->4)-глюкозидные связи. То есть клетчатка не усваивается этими организмами и не может служить им продуктом питания. Жвачные животные, однако, могут питаться кормом, содержащим много клетчатки, потому что у них в желудке живут целлюлозолитические бактерии, содержащие необходимые для усвоения клетчатки ферменты.
Функции клетчатки в организме
Поскольку клетчатка не усваивается организмом человека, ее традиционно старались удалить из пищевого сырья, особенно это относится к производству зерновых продуктов. Так, у зерна при помоле удаляют периферийные части, где сосредоточено основное количество клетчатки. При ее полном удалении получают муку высшего сорта. Тем не менее клетчатка необходима для нормального пищеварения. Раздражая нервные окончания, находящиеся в стенках кишечника, клетчатка усиливает его перистальтику — волнообразное сокращение стенок, способствующее продвижению содержимого кишечника. Также волокна клетчатки помогают перетирать пищу.
В последнее время получены данные о том, что клетчатка усиливает выведение из организма эндогенного холестерина, что весьма важно для предупреждения атеросклероза. Эндогенный холестерин вырабатывается организмом в печени из желчных кислот, поступающих в печень из кишечника.
Поскольку клетчатка — это возобновимый продукт, из нее можно получать глюкозу. Однако применение ферментных препаратов для этой цели затруднено, так как в клетчатке в природе сопутствует лигнин — сложное полимерное соединение, состоящее из продуктов полимеризации ароматических спиртов. Лигнин представляет собой твердую смолу, пропитывающую целлюлозу. Он обладает высокой прочностью, и именно его присутствие в клеточных стенках растений позволяет деревьям стоять. Лигнин оказывает ингибирующее воздействие на целлюлолитические ферменты и тем самым предохраняет клетчатку от разрушения.
В каких продуктах содержится клетчатка
Клетчаткой богаты фрукты, овощи, орехи, овсяные хлопья, гречневая и кукурузная крупы, хлеб из муки грубого помола, отруби.
Клетчатка содержится в отрубях, хлебе из муки грубого помола, крупах (особенно гречневой, овсяной и кукурузной), овсяных хлопьях. Также она встречается в овощах, фруктах и орехах; особенно много — в оболочках зерен и в кожуре плодов. При консервировании овощей пищевые волокна полностью сохраняются (кроме соков без мякоти).
Благодаря большому содержанию клетчатки сырые овощи и фрукты имеют невысокую калорийность. При этом они способствуют быстрому и довольно стойкому чувству насыщения: поскольку пищевые волокна обладают способностью впитывать много жидкости, они набухают в желудке, заполняют часть его объема — и в результате насыщение происходит быстрее.
ВОЗ рекомендует употреблять 25 – 30 грамм клетчатки в день.
| Продукт (100 гр) | Клетчатка в граммах |
| Кукуруза сахарная | 7.3 |
| Брюссельская капуста (вареная) | 4.2 |
| Зеленая фасоль (печеная) | 3.4 |
| Брокколи (вареная) | 3.3 |
| Тыква (вареная) | 3.2 |
| Лук (свежий) | 3 |
| Свекла (вареная) | 3 |
| Морковь (свежая) | 2.4 |
| Морковь (вареная) | 2.4 |
| Капуста (тушеная) | 2.2 |
| Пюре из картофеля | 2.2 |
| Капуста (свежая) | 2–2.4 |
| Цветная капуста (тушеная) | 2.1 |
| Сельдерей (стебли) | 1.8 |
| Сладкий перец (свежий) | 1.4 – 1.7 |
| Шпинат (вареный) | 1.3 |
| Сладкий картофель (вареный) | 1.3 |
| Помидоры | 1.3 |
| Капуста китайская | 1.2 |
| Кабачки | 1.1 |
| Парниковые помидоры | 0.4 |
| Фрукты, сушеные фрукты, ягоды, абрикосы сушеные | 18 |
| Изюм | 9.6 |
| Чернослив | 9 |
| Авокадо | 6.7 |
| Малина | 3.7–6.5 |
| Груша с кожурой | 2.8 |
| Черника | 2.4–3.1 |
| Яблоко с кожурой | 2–4 |
| Апельсин | 2.2 |
| Клубника | 2–2.2 |
| Персик | 2.1 |
| Абрикосы | 2.1 |
| Грейпфрут | 1.8 |
| Банан | 1.7 |
| Виноград (ягоды с кожурой) | 1.6 |
| Слива | 1.5 |
| Дыня (мякоть) | 0.9 |
| Хлеб, макаронные изделия, крупы. Отруби пшеничные | 43.6 |
| Хлеб из цельного зерна | 6.8–9.2 |
| Овсянка «Геркулес» | 6 |
| Хлеб ржаной | 5.8 |
| Макаронные изделия из твердых сортов пшеницы | 3.7 |
| Гречневая крупа ядра (вареные) | 3.7 |
| Хлеб пшеничный (белый) | 2.7 |
| Белый рис (вареный) | 1.8 |
| Армянский хлеб тонкий | 0.2 |
| Фасоль, орехи, семечки. Семена чиа | 34 |
| Семена льна | 27 |
| Соевые бобы | 13.5 |
| Фасоль | 12.4 |
| Чечевица | 11.5 |
| Крупа спельты | 11 |
| Турецкий горох — нут | 9.9 |
| Сырой миндаль | 7 |
| Горошек зеленый | 5.5 |
| Кешью сырой | 3.3 |
Источники:
Татьяна Ауэрман. Основы биохимии.