Углеводы: полисахариды, строение крахмала и гликогена. Ферментативный гидролиз крахмала в организме человека
Углеводы входят в состав клеток и тканей всех растительных и животных организмов и по массе составляют основную часть органического вещества на Земле. На долю углеводов приходится около 80% сухого вещества растений и около 20% животных. Растения синтезируют углеводы из неорганических соединений - углекислого газа и воды (СО2 и Н2О).
Углеводы делятся на две группы: моносахариды (монозы) и полисахариды (полиозы).
Важнейшие из полисахаридов – это крахмал и целлюлоза (клетчатка). Они построены из остатков глюкозы. Общая формула этих полисахаридов (C6H10O5)n. В образовании молекул полисахаридов обычно принимает участие гликозидный (при С1 -атоме) и спиртовой (при С4 -атоме) гидроксилы, т.е. образуется (1–4) -гликозидная связь.
Крахмал
Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов, построенных из , D- глюкопиранозных звеньев: амилозы (10-20%) и амилопектина (80-90%). Крахмал образуется в растениях при фотосинтезе и откладывается в виде "резервного" углевода в корнях, клубнях и семенах. Например, зерна риса, пшеницы, ржы и других злаков содержат 60-80% крахмала, клубни картофеля – 15-20%. Родственную роль в животном мире выполняет полисахарид гликоген, "запасающийся", в основном, в печени.
Крахмал – это белый порошок, состоящий из мелких зерен, не растворимый в холодной воде. При обработке крахмала теплой водой удается выделить две фракции: фракцию, растворимую в теплой воде и состоящую из полисахарида амилозы, и фракцию, лишь набухающую в теплой воде с образованием клейстера и состоящую из полисахаридаамилопектина.
Амилоза имеет линейное строение, , D- глюкопиранозные остатки связаны (1–4) -гликозидными связями. Элементная ячейка амилозы (и крахмала вообще) представляется следующим образом:
Молекула амилопектина построена подобным образом, однако имеет в цепи разветвления, что создает пространственную структуру. В точках разветвления остатки моносахаридов связаны (1–6) -гликозидными связями. Между точками разветвления располагаются обычно 20-25 глюкозных остатков.
(амилопектин)
Крахмал легко подвергается гидролизу: при нагревании в присутствии серной кислоты образуется глюкоза.
(C6H10O5)n(крахмал) + nH2O ––H2SO4,t nC6H12O6(глюкоза)
В зависимости от условий проведения реакции гидролиз может осуществляться ступенчато с образованием промежуточных продуктов.
(C6H10O5)n(крахмал) (C6H10O5)m(декстрины (m<n)) xC12H22O11(мальтоза) nC6H12O6(глюкоза)
Качественной реакцией на крахмал является его взаимодействие с йодом – наблюдается интенсивное синее окрашивание. Такое окрашивание появляется, если на срез картофеля или ломтик белого хлеба поместить каплю раствора йода.
Крахмал не вступает в реакцию "серебряного зеркала".
Крахмал является ценным пищевым продуктом. Для облегчения его усвоения продукты, содержащие крахмал, подвергают термообработке, т.е. картофель и крупы варят, хлеб пекут. Процессы декстринизации (образование декстринов), осуществляемые при этом, способствуют лучшему усвоению организмом крахмала и последующему гидролизу до глюкозы.
В пищевой промышленности крахмал используется при производстве колбасных, кондитерских и кулинарных изделий. Применяется также для получения глюкозы, при изготовлении бумаги, текстильных изделий, клеев, лекарственных средств и т.д.
Химическое строение гликогена.
Гликоген, или животный крахмал, важный резервный полисахарид животных и человека. В организме человека и млекопитающих он накапливается главным образом в печени и мышцах. Тем самым гликоген осуществляет резервную функцию, причем он является резервом не только энергетическим, но также и резервом пластического материала. Гетерополисахариды выполняют в организме структурную функцию - они входят в состав глизаминопротеогликанов; последние, наряду со структурными белками типа коллагена или эластина, формируют межклеточное вещество различных органов и тканей. Гликозаминопротеоггликановые агрегаты, имея сетчатую структуру, выполняют функцию молекулярных фильтров, препятствующих или сильно тормозящих движение макромолекул в межклеточной среде. Кроме того, молекулы гетерополисахаридов имеют в своей структуре множество полярных и несущих отрицательный заряд группировок, за счет которых они могут связывать большое количество воды и катионов, выполняя роль своеобразных депо для этих молекул.
Гидролиз крахмала – это процесс обмена между ионами вещества и водой, который может быть ферментативным или кислотным. Химический гидролиз крахмала - реакция каталитическая, так как происходит при нагревании в присутствии неорганических кислот. В ходе данной химической реакции образуется глюкоза, которую можно выразить уравнением:
(С6Н10О5)n + nH2O +(кат. H2SO4+t°) = nC6H12O6
Но в последнее время большую популярность приобретает ферментативный гидролиз крахмала. Используя специальные технологии, из него получают этиловый спирт, патоку и глюкозу так же, как и при химическом гидролизе. Преимущество этого процесса в том, что для него в качестве исходного материала берут крахмалосодержащие растения, например, рожь, картофель, кукурузу, рис и некоторые другие. Эти эти исходники, к тому же, содержат в своём составе амилолитические ферменты, которые и используют в процессе гидролиза. Например, такими ферментами является изоамилазы и пуллуланазы, глюколиназы. Ферменты – природные катализаторы, которые ускоряют ход химических реакций. Схематически процесс расщепления крахмала под действием ферментов выглядит так: крахмал → растворимый крахмал (амилоза) → олигосахариды (декстрины) → дисахарид (мальтоза = солод) → α-глюкоза. Его можно выразить также уравнением: (C6H10O5)n + nH2O +(кат.- фермент) = nC6H12O6 Наглядно можно увидеть, что произошел химический гидролиз, проведя эксперимент. Кипятим смесь крахмального клейстера с серной кислотой. Проверяем, произошел ли гидролиз - капаем йод. Если реакция отрицательная, то есть нет синего или фиолетового окрашивания, значит, гидролиз произошел. Теперь доказываем, что продукт гидролиза – глюкоза. Добавляем к полученному раствору щелочь и сульфат меди (II)(CuSO4). Осадок гидроксида меди не выпадает, раствор приобретает ярко-синюю окраску. Нагреваем и видим образование осадка терракотового (кирпичного) цвета – это значит, что в растворе есть глюкоза, которая образовалась в ходе гидролиза. В организме человека также происходит ферментативный гидролиз крахмала. Этот процесс очень важен, так как при этом образуются углеводы, в частности, глюкоза. Она окисляется в каждой клетке организма, образуя воду и углекислый газ, при этом выделяя энергию, которая необходима для нормального функционирования организма. Гидролиз крахмала с помощью ферментов начинается в ротовой полости при пережевывании пищи. Слюна человека содержит фермент – амилазу, под действием которой крахмал расщепляется на более простые составляющие – декстрины. Этот процесс человек может даже ощутить. Ведь если долго жевать хлеб, то во рту появляется сладковатый вкус, который и свидетельствует о том, что начался процесс гидролиза крахмала. Избыток глюкозы, которая образуется в ходе гидролиза, откладывается в печени в виде запасного питательного вещества – гликогена.