Углеводы

Определение "Углеводы" в НТС

УГЛЕВОДЫ, органические соединения состоящие из углерода водорода и кислорода которые входит в состав многих пищевых продуктов. Количества атомов водорода и кислорода соотносятся как 2:1, как в воде (Н₂О). Простейшими углеводами являются сахара у которых обычно 5-6 атомов углерода в каждой молекуле. Глюкоза и фруктоза разновидности сахара встречающиеся в природе, являются МОНОСАХАРИДАМИ у них одна и та же формула С₆Н₁₂О₆, но разное строение. При потере воды их молекулы соединяются и образуют сахарозу (C₁₂H₂₂O₁₁) - ДИСАХАРИД, который также встречается в природе, в сахарном тростнике и сахарной свекле. Крахмал и ЦЕЛЛЮЛОЗА являются ПОЛИСАХАРИДАМИ - это углеводы, состоящие из сотен молекул глюкозы, связанных вместе. см. также САХАРИД

Углеводы

Класс У. включает самые разнообразные соединения от низкомолекулярных веществ до высокомолекулярных полимеров. Условно У. делят на три большие группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Отдельно рассматривают группу смешанных биополимеров, молекулы которых содержат наряду с олигосахаридной или полисахаридной цепью белковые, липидные и другие компоненты (см. Гликоконъюгаты). К моносахаридам (монозам, или простым сахарам относят полиоксиальдегиды (альдозы, или альдосахара) и полиоксикетоны (кетозы, или кетосахара). По числу углеродных атомов моносахариды делят на триозы тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы, октозы, нонозы. Наиболее распространены в природе и важны для человека гексозы и пентозы. По взаимному пространственному расположению водорода и гидроксильной группы у последнего асимметричного углеродного атома в молекуле все моносахариды относят к D- или L-ряду (вращают плоскость поляризованного луча света соответственно вправо или влево). Моносахариды, распространенные в природе как в свободном виде, так и входящие в состав многочисленных соединений, относятся главным образом к D-ряду; моносахариды в твердом состоянии находятся в виде циклических полуацеталей — пятичленных (фураноз) или шестичленных (пираноз). Моносахариды существуют в виде ?- и ?-изомеров, различающихся по конфигурации асимметричного центра у карбонильного углерода В растворе между этими формами устанавливается подвижное равновесие, кроме того, в нем присутствует наиболее реакционно-способная ациклическая форма моносахарида. Циклы моносахаридов могут приобретать различные геометрические формы, называемые конформациями. К моносахаридам относятся также дезоксисахара (гидроксильная группа замещена водородом), аминосахара (содержат аминогруппу), уроновые, альдоновые и сахарные кислоты (содержат карбоксильные группы), многоатомные спирты эфиры моносахаридов, гликозиды, сиаловые кислоты и др.

К олигосахаридам относят соединения, молекулы которых построены из остатков циклических форм моносахаридов, соединенных О-гликозидными связями. Число остатков моносахаридов в молекулах олигосахаридов не превышает 10. Олигосахариды делятся на ди-, три-, тетрасахариды и т.д. по числу входящих в них остатков моносахаридов. Если молекула олигосахарида построена из остатков одного и того же моносахарида, то его называют гомоолигосахаридом; если же такая молекула построена из остатков разных моносахаридов — гетероолигосахаридом. Олигосахариды бывают линейными, разветвленными, циклическими, редуцирующими (обладающими способностью к химической реакции восстановления) и нередуцирующими; они различаются также по типу связи между остатками моносахаридов. Ранее олигосахариды и моносахариды иногда объединяли под общим названием «сахара». В гликозидах моносахаридная или олигосахаридная часть молекулы соединяется с низкомолекулярным неуглеводным компонентом через серу (S-гликозиды), кислород (О-гликозиды) или азот (N-гликозиды).

Полисахариды (полиозы, гликаны) — высокомолекулярные соединения, содержат в составе своей молекулы десятки и даже тысячи циклических моносахаридных звеньев, соединенных гликозидными связями, некоторые полисахариды содержат также остатки серной, фосфорной и жирных кислот. Полисахариды делят на гомо- и гетерополисахариды, линейные и разветвленные. Кроме того, они различаются и типом связи между моносахаридными остатками. Олигосахариды и полисахариды, построенные только из моносахаридов, часто называют просто сахаридами.

Многие моносахариды легко растворимы в воде и полярных растворителях, легко кристаллизуются, имеют сладкий вкус, оптически активны и обладают восстанавливающей способностью. Ациклические моносахариды при восстановлении образуют полиспирты (полиолы), при окислении — кислоты (уроновые, альдоновые и сахарные). При воздействии на моносахариды кислот или щелочей происходит взаимопревращение альдосахаров в кетосахара и обратно (эпимеризация). В более жестких условиях из моносахаридов под действием кислот образуются фурфуролы, а при сильном защелачивании моносахариды деградируют с разрывом углерод-углеродных связей. Большинство полисахаридов — аморфные вещества, труднорастворимые или не растворимые в воде и органических растворителях (при растворении в воде образуют коллоиды, не растворимые в воде набухают). Полисахариды не кристаллизуются, практически не обладают восстанавливающей способностью. Олигосахариды по своим свойствам занимают промежуточное положение между моносахаридами и полисахаридами. Они растворимы в воде, способны к кристаллизации, многие обладают сладким вкусом. Под действием кислот олигосахариды и полисахариды гидролизуются до моносахаридов.

Самыми важными для организма человека моносахаридами являются: из пентоз — рибоза дезоксирибоза и ксилоза, из гексоз — наряду с глюкозой альдогексозы галактоза (цереброза и манноза, кетогексоза фруктоза (или фруктовый сахар), дезоксигексоза фукоза гексозамины (глюкозамин и галактозамин), из сиаловых кислот — нейраминовая кислота. Все эти моносахариды, за исключением фруктозы, являются компонентами различных смешанных биополимеров. Дисахариды: сахароза (тростниковый сахар, глюкофруктозил) и лактоза (молочный сахар, глюкогалактозид) являются важными компонентами пищи человека Большое значение для человека имеют гомополисахариды, построенные из остатков глюкозы, такие, как резервный полисахарид гликоген, один из основных пищевых У. — крахмал, структурный растительный полисахарид — целлюлоза или клетчатка. Крахмал, сахароза лактоза, декстрины и другие У. превращаются в организме в глюкозу (см. Углеводный обмен которая затем, окисляясь анаэробным путем (см. Гликолиз) и аэробным путем (см. Дыхание), снабжает энергией все живые клетки организма. Однако роль У. не сводится только к покрытию энергетических потребностей. Промежуточные продукты обмена У. используются для синтеза других необходимых классов веществ, в частности липидов, нуклеиновых кислот. Чрезвычайно важна резервная функция У. (полисахариды гликоген и крахмал), опорная функция (полисахариды целлюлоза и хитин, гликопротеиды, гликолипопротеиды и др.) и высокоспециализированные функции углеводсодержащих смешанных биополимеров и полисахаридов (коферментов, витаминов, антикоагулянтов, антибиотиков, специфических групповых веществ). Велика роль У. в процессе оплодотворения, в иммунных реакциях при маркировке и транспорте гликопротеидов и т.д.

В органах и тканях человека содержится около 2% У. (в пересчете на сухую массу ткани). В основном это гликоген печени и мышц. Содержание глюкозы в крови в норме составляет 50—95 мг/100 мл или 2,8—5,3 ммоль/л. Кроме глюкозы, в крови содержатся фруктоза (0,5—5 мг/100 мл), пентозы (1,8—3,3 мг/100 мл), следы альдогексоз (галактозы, маннозы), дисахаридов (лактозы, сахарозы, мальтозы — солодового сахара различных полисахаридов. В крови взрослых содержание гликогена составляет 7—15 мг/100 мл, у детей — около 20 мг/100 мл. В цереброспинальной жидкости содержится 2/3—3/4 количества У. крови (в основном глюкозы), т.е. 40—70 мг/100 мл. С мочой взрослого человека за сутки в норме выделяется 16—132 мг глюкозы или 3—15 мг/100 мл; в моче обнаружены следовые количества различных пентоз (ксилозы, арабинозы, рибозы), гексоз (рамнозы, фруктозы), дисахаридов (лактозы, сахарозы) и др. У детей, особенно у новорожденных и недоношенных, при питании молоком возрастает содержание в моче лактозы (до 120 мг/100 мл), глюкозы (до 25 мг/100 мл), галактозы (до 25 мг/100 мл) и фруктозы (до 70 мг/100 мл). У взрослых, практически здоровых людей с мочой за сутки выделяется 65,8—193,4 мг гликозаминопротеогликанов и 2,7—7,5 мг кислых гликозаминогликанов (хондроитинсульфатов А и С). В моче в норме содержится 1—11 мг/100 мл гликопротеидов.

Стойкие изменения содержания У. в тканях и биологических жидкостях, а также изменение активности ферментов участвующих в их превращениях, являются важнейшими биохимическими диагностическими тестами нарушений углеводного обмена. Таковы, например, повышение концентрации глюкозы в крови и моче при сахарном диабете (см. Диабет сахарный), увеличение содержания в крови галактозы при галактоземии, в моче — фруктозы, сахарозы, пентоз и др. при различных видах мелитурий (Мелитурия) (фруктозурии, сахарозурии, пентозурий и др.). При диффузных болезнях соединительной ткани и гликогенозах (Гликогенозы) концентрация гликогена в крови может подниматься до 100 мг/100 мл и выше, а при остром гепатите (Гепатиты) снижаться ниже нормы. При менингитах в цереброспинальной жидкости снижается концентрация глюкозы; при энцефалитах и сахарном диабете она повышается. При нарушениях обмена гликозаминогликанов — мукополисахаридозах (Мукополисахаридозы) в моче больных повышается концентрация различных кислых мукополисахаридов, в. т. ч. и хондроитинсульфатов.

При нарушениях углеводного обмена содержание отдельных сахаров обычно определяют в наиболее доступном биологическом материале — крови и моче больного. Методы определения У. в зависимости от своего назначения можно разделить на качественные пробы, количественные методы, методы идентификации сахаров, а также развивающиеся в последнее время полуколичественные экспресс-методы определения сахаров с использованием готовых форм реактивов и автоматизированные количественные методы с использованием автоанализаторов. Качественные пробы на сахара предназначены для обнаружения в моче повышенного содержания глюкозы или других моносахаридов. Большинство проб основано на способности моносахаридов при окислении восстанавливать ряд веществ. Так, в пробе Бенедикта (Фелинга, Гайнеса и др.) глюкоза восстанавливает при нагревании в щелочной среде гидрат окиси меди синего цвета и закись меди красного цвета в пробе Ниландера нитрат висмута — в черный металлический висмут. Все эти пробы легко могут быть проведены в любой лаборатории, однако они не позволяют получить количественной оценки и очень неспецифичны, т.к. дают положительный результат с любым веществом, обладающим восстанавливающей способностью. Количественные методы определения сахаров в биологических жидкостях весьма разнообразны. Их можно разделить на поляриметрические титриметрические, химические колориметрические и ферментативные колориметрические методы. Растворы сахаров оптически активны и могут вращать плоскость поляризованного луча света причем угол вращения пропорционален концентрации сахара в растворе. Изменяя в поляриметре угол вращения обесцвеченной прозрачной пробы мочи, можно определить содержание в ней глюкозы. Метод этот малоспецифичен и неточен, т.к. различные сахара имеют разные величины удельного вращения (а в моче могут присутствовать несколько сахаров); результаты измерения искажаются также присутствием в пробе других оптически активных веществ.

Титриметрические методы основаны на определении восстанавливающей способности глюкозы. Например, в методе Хагедорна — Йенсена глюкоза безбелкового фильтрата крови восстанавливает в щелочной среде красную кровяную соль до желтой кровяной соли; избыток красной кровяной соли измеряют йодометрическим титрованием и т. о. определяют концентрацию глюкозы. Этот метод трудоемок и малоспецифичен, т.к. наряду с глюкозой определяются все восстанавливающие вещества. Последующие модификации этого метода (в частности, метод Фудзиты — Иватаке) сводились к попыткам удалить из пробы крови вместе с белками некоторые восстанавливающие вещества (мочевую кислоту, глутатион и др.). Одним из первых были модифицированы в колориметрические различные редуктометрические методы определения сахаров. Так, в методе Крецелиуса — Зейферта под действием глюкозы в щелочной среде пикриновая кислота восстанавливается до коричнево-красной пикраминовой кислоты, а в методе Нельсона — Шомодьи медь из медно-тартронового реактива восстанавливалась до закисного гидрооксида меди, который в реакции с арсеномолибдатом аммония давал синюю окраску. Интенсивность окраски определяли колориметрически, а расчет глюкозы вели по стандартной кривой. Эти методы были неспецифичны и давали большую ошибку при определении. Еще менее точными оказались методы, основанные на осмолении редуцирующих сахаров при кипячении со щелочью (метод Альтгаузена и его модификации).

Большая группа колориметрических методов основана на получении из сахаров при нагревании с минеральными кислотами фурфуролов, которые реагируют затем с различными циклическими соединениями (антроном, фенолом ?-нафтолом и др.) с образованием цветных комплексов. Интенсивность окраски соответствует количеству образовавшегося фурфурола, т.е. концентрации сахара в исследуемой пробе. Точность этих методов в большой степени зависит от качества кислоты и температурного режима. Было показано, что при нагревании в слабокислой среде альдосахара (глюкоза, галактоза и др.) способны непосредственно соединяться с циклическими аминами (анилином, о-толуидином, дифениламином и др.) с образованием цветных продуктов конденсации. Это свойство было использовано для разработки методов определения глюкозы, среди которых наиболее распространен и унифицирован о-толуидиновый метод определения альдосахаров в крови и в моче.

Наиболее специфичными и перспективными методами определения сахаров считаются методы, основанные на использовании чистых ферментов Так, глюкозу в биологических жидкостях определяют с помощью фермента глюкозооксидазы. Этот фермент окисляет глюкозу до глюконовой кислоты, при этом в реакции образуется перекись водорода; ее расщепляют ферментом пероксидазой, и образовавшийся в реакции атомарный кислород окисляет какой-либо краситель до окрашенной формы. Интенсивность окраски пропорциональна содержанию в пробе глюкозы. Метод унифицирован и широко распространен во многих клинико-диагностических лабораториях Для определения глюкозы были разработаны также методы с использованием фермента гексокиназы, которая при участии аденозинтрифосфата превращает глюкозу в глюкозо-6-фосфат в реакции образуется также аденозиндифосфат. Далее определяют глюкозо-6-фосфат с помощью глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы или содержание аденозиндифосфата с помощью пируваткиназы и лактатдегидрогеназы. Гексокиназные методы точны и специфичны, но используются редко из-за дефицита и высокой стоимости чистых ферментов Специфическое определение галактозы в крови больных с галактоземией проводилось с помощью галактозооксидазы — фермента по своему действию близкого к глюкозооксидазе.

Проблема идентификации сахаров в биологических жидкостях возникла вследствие необходимости диагностировать различные мелитурии, болезни накопления, а также с целью установления строения олигосахаридов. Первые методы идентификации были качественными пробами на определенные виды сахаров. Они основывались на образовании различных видов озазоновых и гидразоновых кристаллов моносахаридов, на сбраживании сахаров различными микроорганизмами, на различной способности моносахаридов образовывать фурфуролы. Пентозы в моче обнаруживали пробами с флороглюцином, орцином, бензидином и др.; фруктозу — резорциновым, тиобарбитуровым и другими методами; галактозу и лактозу — по образованию белой слизевой кислоты в присутствии азотной кислоты; дезоксисахара (фукозу, дезоксирибозу и др.) — методами Дише по дифениламиновой реакции в кислой среде; сиаловые кислоты после их гидролитического отщепления от гликопротеидов определяли по реакции Гесса с серной и уксусной кислотами или по реакции с тиобарбитуровой кислотой; сахарозу — по кислотному или ферментативному гидролизу и образованию глюкозы и фруктозы. Все ферментативные методы определения сахаров являются также и методами их идентификации. Однако качественно и количественно охарактеризовать весь состав сахаров в исследуемой пробе биологической жидкости стало возможным только при использовании электрофоретического разделения боратных комплексов сахаров или различных видов хроматографии (Хроматография (на бумаге, в тонком слое силикагеля, колоночной, газожидкостной и др.). При идентификации олигосахаридов и полисахаридов их сначала выделяют в чистом виде, затем определяют их мономерный состав после полного кислотного гидролиза, степень полимеризации и молекулярную массу и далее устанавливают типы гликозидных связей после частичного кислотного или ферментативного гидролиза.

Экспресс-методы определения в биологических жидкостях различных компонентов (в т.ч. сахаров) характеризуются большой чувствительностью точностью, быстротой и простотой исполнения. Для их выполнения не требуется специального оборудования. Первоначально были разработаны таблеточные редуктометрические экспресс-методы для определения сахаров в моче. Окраску мочи через 1—2 мин после добавления таблеточных реактивов сравнивали с цветной шкалой и по ней определяли концентрацию редуцирующих сахаров в пробе. Позднее были предложены различные варианты тест-бумажек для ферментативного определения глюкозы в моче (например, «Глюкотест») и в крови (например, «Глюкозан») с использованием глюкозооксидазного метода. Эти экспресс-методы отличаются высокой специфичностью. Для проведения анализа достаточно полоску фильтровальной бумаги, пропитанную реактивами и ферментами смочить мочой или каплей крови и сравнить развившуюся через 1—2 мин окраску с приложенной цветной шкалой. Концентрацию глюкозы в пробе определяют по совпадающему цвету на шкале. Интенсивность окраски полоски (и концентрация глюкозы в пробе) может быть определена точнее с помощью специального отражательного фотоэлектроколо-риметра. Тест-бумажки стали выпускать в различных комбинациях с другими экспресс-методами (например, полоски Multistix фирмы Ames), благодаря чему исследователь получил возможность за 1—2 мин определить до 10 компонентов мочи. Были выпущены также тест-бумажки для определения галактозы в моче с помощью фермента галактозооксидазы. Использование экспресс-методов особенно перспективно для диагностики сахарного диабета и галактоземии, контроля за ходом лечения (больной может самостоятельно определить концентрацию сахара для использования в экстренных случаях (например при подозрении на гипогликемическую кому) и в местностях, удаленных от клинико-диагностических лабораторий. Разработка новых экспресс-методов в настоящее время ведется многими научными центрами и фирмами.

Значительным достижением в развитии лабораторной техники явились разработка и внедрение в практику работы крупных лабораторных центров автоматических анализаторов. Многие количественные методы определения сахаров (редуктометрические, о-толуидиновый, глюкозооксидазный) были модифицированы для автоанализаторов, в результате чего клиники получили возможность в течение короткого времени с минимальными затратами и высокой точностью проводить большие серии определений концентрации сахаров в биологических жидкостях больных.

Библиогр.: Биохимические методы исследования в клинике, под ред. А.А. Покровского, с. 216, 234, М., 1969; Кочетков Н.К. и др. Химия углеводов, М., 1967; Лабораторные методы исследования в клинике, под ред. В.В. Меньшикова, с. 230, М., 1987; Мецлер Д. Биохимия, пер. с англ., т. 1—2, М., 1980; Степаненко Б.Н. Химия и биохимия углеводов (полисахариды), М., 1978; Тодоров И. Клинические лабораторные исследования в педиатрии, пер. с болг., с. 545, 945, София, 1968.
II Углеводы (син.: глициды — устар., глюциды — устар.)

природные органические соединения, представляющие собой альдегидо- и кетоноспирты или продукты их конденсации; присутствуют в свободном виде и в соединениях или комплексах с белками и липидами во всех органах и тканях и являются одним из основных питательных веществ.

Углеводы неусвояемые (син. У. трудноусвояемые — высокомолекулярные У. в составе продуктов растительного происхождения (например, клетчатка), слабо поддающиеся расщеплению при воздействии пищеварительных соков.
Углеводы рафинированные — легкоусвояемые У., извлеченные из растительного сырья и очищенные от сопутствующих (балластных) веществ для употребления в пищу.
Углеводы трудноусвояемые — см. Углеводы неусвояемые.
Углеводы усвояемые — У. в составе продуктов питания, эффективно перевариваемые и используемые организмом, например крахмал, гликоген, сахароза