§ 5. Вугляводы

Вугляводы — арганічныя злучэнні, састаў якіх, як правіла, можна выразіць формулай Cn(H2O)m, дзе n і m роўны 3 і больш. Такім чынам, суадносіны атамаў вадароду і кіслароду ў малекулах большасці вугляводаў такія ж, як і ў вадзе (2 : 1), што і адлюстравана ў назве гэтых рэчываў. Аднак вядомыя вугляводы, састаў якіх не адпавядае прыведзенай формуле.

*Тэрмін «вугляводы» ўвёў расійскі хімік К. Г. Шміт у сярэдзіне XIX ст., калі лічылася, што ўсе гэтыя рэчывы маюць агульную формулу Cn(H2O)m. Напрыклад, састаў глюкозы (С6Н12О6) можна запісаць у выглядзе С6(Н2О)6,  цукрозы (С12Н22О11) — у выглядзе С12(Н2О)11 і г. д. Пасля высветлілася, што ў малекулах некаторых злучэнняў, якія належаць па сваіх уласцівасцях да вугляводаў, прапорцыя атамаў вадароду і кіслароду не такая, як у малекуле дыгідрамонааксіду. Больш за тое, існуюць вугляводы, у састаў якіх уваходзяць атамы азоту, фосфару ці серы. У 1927 г. Міжнародная камісія па рэформе хімічнай наменклатуры выказала прапанову замяніць назву «вугляводы» на «гліцыды». Аднак да таго часу тэрмін «вугляводы» ўжо стаў агульнаўжывальным і новая назва не прыжылася.*

Асноўныя групы вугляводаў. Самымі простымі па структуры вугляводамі з’яўляюцца монацукрыды. Усе яны ўяўляюць сабой нізкамалекулярныя злучэнні, якія добра раствараюцца ў вадзе і валодаюць салодкім смакам. Колькасць атамаў вугляроду ў малекулах монацукрыдаў вар’іруе ад 3 да 9. Найбольш распаўсюджаны ў прыродзе пяцівугляродныя монацукрыды (С5) — пентозы і шасцівугляродныя (С6) — гексозы. *З курса хіміі вы ведаеце, што ў растворы малекулы монацукрыдаў звычайна існуюць не ў лінейнай форме, а ў цыклічнай. Пры замыканні ў цыкл утвараюцца як α-, так і β-формы монацукрыдаў (успомніце, чым яны адрозніваюцца).*

З пентоз самае важнае біялагічнае значэнне маюць дэзоксірыбоза і рыбоза (мал. 5.1). Дэзоксірыбоза ўваходзіць у састаў нуклеатыдаў ДНК (дэзоксірыбануклеінавай кіслаты). Рыбоза з’яўляецца кампанентам нуклеатыдаў РНК (рыбануклеінавай кіслаты) і АТФ. *Акрамя таго, яна ўваходзіць у састаў вітаміну B2 і шэрага каферментаў (напрыклад, НАД, НАДФ, ФАД, каферменту А), якія адыгрываюць ключавую ролю ў працэсах клетачнага дыхання, браджэння, фотасінтэзу і інш.*

*Да пяцівугляродных цукраў належыць таксама рыбулоза. Вытворныя гэтага монацукрыду ўдзельнічаюць у важных біяхімічных працэсах. Так, рыбулоза-5-фасфат з'яўляецца адным з прамежкавых прадуктаў біялагічнага акіслення глюкозы. Рыбулоза-1,5-дыфасфат (РДФ) служыць акцэптарам вуглякіслага газу ў працэсе фотасінтэзу, што ляжыць у аснове фіксацыі вугляроду, патрэбнага для сінтэзу арганічных злучэнняў аўтатрофнымі арганізмамі.*

Для жывых арганізмаў найбольш важнымі гексозамі з’яўляюцца глюкоза, галактоза і фруктоза (гл. мал. 5.1). Яны маюць агульную формулу С6Н12О6, але адрозніваюцца структурай малекул, г. зн. з’яўляюцца ізамерамі.

Глюкоза — асноўны прадукт фотасінтэзу і галоўная крыніца энергіі для клетак. У жывых арганізмах яна змяшчаецца як у выглядзе ўласна монацукрыду, так і ў саставе вугляводаў больш складанай будовы — дыцукрыдаў і поліцукрыдаў. Шмат глюкозы прысутнічае ў ягадах, садавіне, мёдзе. У крыві чалавека яе ўтрыманне ў норме складае каля 0,1 %, гэты ўзровень падтрымліваецца гармонамі (успомніце якімі).

Салодкія плады раслін і мёд багатыя не толькі на глюкозу, але і на фруктозу. У спелых кавунах, яблыках, грушах яе змяшчаецца прыкладна ў 2 разы больш, чым глюкозы. Сярод усіх монацукрыдаў фруктоза валодае самым салодкім смакам. У клетках яна знаходзіцца як у свабодным выглядзе, так і ў саставе ды- і поліцукрыдаў. Галактоза таксама ўвахо­дзіць у састаў некаторых ды- і поліцукрыдаў.

*Алігацукрыды — злучэнні, якія складаюцца з 2—10 астаткаў монацукрыдаў (аднолькавых ці розных). Сувязі паміж астаткамі монацукрыдаў называюцца гліказіднымі. Злучэнне двух монацукрыдаў часцей за ўсё адбываецца пры ўдзеле іх гідраксільных груп. Пры гэтым вылучаецца малекула дыгідрамонааксіду, і паміж астаткамі монацукрыдаў фарміруецца кіслародны мосцік. У некаторых выпадках утварэнне гліказіднай сувязі адбываецца з удзелам іншых функцыянальных груп. Пры гэтым малекулы могуць злучацца, напрыклад, праз атамы азоту ці серы.

Алігацукрыды, у састаў якіх уваходзяць два астаткі монацукрыдаў, называюць дыцукрыдамі.*  Дыцукрыды, гэтак жа як і монацукрыды, лёгка растваральныя ў вадзе і маюць салодкі смак. Да ліку самых распаўсюджаных дыцукрыдаў належаць мальтоза, лактоза і цукроза (мал. 5.2).

Мальтоза (соладавы цукар) з’яўляецца прамежкавым прадуктам ферментатыўнага расшчаплення крухмалу і глікагену ў стрававальнай сістэме жывёл. Далей фермент мальтаза расшчапляе яе да глюкозы. Гідроліз крухмалу адбываецца і пры прарастанні насення раслін. Асабліва багатае на мальтозу зерне злакаў, якое прарастае (солад). Лактоза (малочны цукар) — важны кампанент малака. Яна з’яўляецца галоўнай крыніцай энергіі для дзіцянят млекакормячых. Цукроза (трысняговы цукар) най­больш распаўсюджана ў раслінах. Яна служыць транспартнай формай прадуктаў фотасінтэзу і можа назапашвацца як запасное пажыўнае рэчыва. Гэты дыцукрыд у вялікіх колькасцях змяшчаецца ў парастках цукровага трыснягу і караняплодах цукровага бурака.

Поліцукрыды — *рэгулярныя* біяпалімеры, малекулы якіх складаюцца з вялікай колькасці (да дзясяткаў і нават соцень тысяч) монацукрыдных астаткаў. У састаў поліцукрыду могуць уваходзіць астаткі аднаго ці розных монацукрыдаў. Поліцукрыды адрозніваюцца не толькі саставам, але і даўжынёй палімерных ланцугоў. Акрамя таго, іх малекулы могуць мець лінейную ці разгалінаваную структуру.

З павелічэннем ліку манамерных звёнаў памяншаецца раствараль­насць вугляводаў і знікае іх салодкі смак. Таму поліцукрыды не валодаюць салодкім смакам і практычна нерастваральныя ў вадзе. У жывой прыродзе найбольш важную ролю адыгрываюць такія поліцукрыды, як крухмал, глікаген, цэлюлоза і хіцін.

Крухмал уяўляе сабой сумесь поліцукрыдаў. Прыкладна на 80 % (па масе) ён складаецца з разгалінаванага амілапектыну і на 20 % з амілозы, якая мае лінейную структуру (мал. 5.3.). Абодва гэтыя поліцукрыды ўтвораны астаткамі *α-глюкозы. Крухмал адкладаецца ў клетках раслін у якасці запаснога (рэзервовага) пажыўнага рэчыва. Вялікая колькасць крух­малу назапашваецца ў клубнях, пладах і насенні. Зерне злакаў (рысу, пшаніцы, кукурузы і інш.) можа змяшчаць да 80 % крухмалу, у клубнях бульбы яго масавая доля дасягае 25 %.

Рэзервовым поліцукрыдам жывёл і грыбоў з’яўляецца глікаген. У жывёл ён адкладаецца пераважна ў клетках печані і мышцах. Глікаген, гэтак жа як амілоза і амілапектын, складаецца з астаткаў глюкозы. Аднак малекулы глікагену разгалінаваны мацней, чым малекулы амілапектыну (гл. мал. 5.3).

Целлюлоза (клетчатка) — асноўны структурны кампанент клетачных сценак раслін і шэрага водарасцей. Яна валодае высокай трываласцю, не раствараецца ні ў вадзе, ні ў арганічных растваральніках. Шмат клятчаткі змяшчаецца ў драўніне, а ў валокнах бавоўніка яе масавая доля дасягае 95 %. Цэлюлоза ўяўляе сабой лінейны палімер, ланцугі якога пабудаваны з астаткаў глюкозы (гл. мал. 5.3). *У адрозненне ад крухмалу і глікагену яе ланцугі пабудаваны з астаткаў β-глюкозы.*

*Назва цэлюлозы паходзіць ад лацінскага слова cellula, што ў перакладзе азначае «клетка». У малекулах гэтага поліцукрыду акумулявана каля 50 % усяго вугляроду, што змяшчаецца ў біясферы. Сярод усіх арганічных злучэнняў на Зямлі цэлюлоза па масе займае першае месца. Яна ўяўляе сабой амаль невычэрпную крыніцу глюкозы. Аднак у арганізме большасці жывёл, у тым ліку і чалавека, не сінтэзуюцца ферменты, здольныя расшчапляць цэлюлозу.

Некаторыя бактэрыі, пратысты, грыбы і жывёлы (пэўныя віды чарвей, слімакоў, насякомых і інш.) выпрацоўваюць фермент цэлюлазу, што дае ім магчымасць гідралізаваць клятчатку да глюкозы. Сімбіятычныя мікраарганізмы, якія расшчапляюць цэлюлозу, жывуць у страўнікава-кішачным тракце многіх траваедных жывёл. Успомніце, напрыклад, складаны страўнік жвачных парнакапытных, у якім жывуць цэлюлозаразбуральныя бактэрыі і пратысты.

У тоўстым кішэчніку чалавека таксама прысутнічаюць сімбіятычныя мікраарганізмы, здольныя расшчапляць клятчатку. Аднак для чалавека цэлюлоза не з'яўляецца асноўным пастаўшчыком глюкозы, яе роля іншая. Валокны клятчаткі маюць важнае значэнне ў нашым рацыёне, бо яны надаюць ежы аб'ём і параўнальная грубую кансістэнцыю, што стымулюе перыстальтыку органаў страўнікава-кішачнага тракту.*

Такім чынам, амілапекцін, амілоза, глікаген і цэлюлоза з’яўляюцца палімерамі глюкозы. Агульную формулу гэтых поліцукрыдаў можна запісаць у выглядзе (С6Н10О5)n, дзе n — колькасць манамерных звёнаў.

*Поліцукрыд хіцін не адпавядае гэтай формуле, бо яго манамерам з'яўляецца не глюкоза, а яе вытворнае — N-ацэтылглюкозамін (мал. 5.4). Такім чынам, у састаў хіціну, акрамя вугляроду, вадароду і кіслароду, уваходзіць таксама азот.* 

Гэта трывалы поліцукрыд лінейнай структуры. Хіцін з’яўляецца важным кампанентам кутыкулы членістаногіх і клетачных сценак многіх грыбоў.

*Важную ролю ў жыцці раслін адыгрывае поліцукрыд калоза, якая адкладаецца на папярочных перагародках паміж сітападобнымі трубкамі. Да канца вегетацыйнага перыяду яе колькасць павялічваецца, у выніку чаго сітападобныя трубкі закупорваюцца і перастаюць функцыянаваць. Таксама калоза сінтэзуецца ў розных органах раслін у адказ на механічнае пашкоджванне ці пранікненне патагенных мікраарганізмаў.

Поліцукрыд інулін характэрны тым, што з'яўляецца палімерам фруктозы. Ён адкладаецца ў запас у каранях і клубнях некаторых раслін (напрыклад, вяргіні, цыкорыя, тапінамбура, дзьмухаўца, касаціка), дзе яго ўтрыманне можа дасягаць 12 %.*

*Малекулы поліцукрыдаў могуць набываць пэўную прасторавую канфігурацыю. Так, ланцугі амілозы закручваюцца ў спіралі, кожны віток якіх утрымлівае па шэсць астаткаў глюкозы. Малекулы амілапекціну таксама набываюць спіральную форму, але не на ўсёй сваёй працягасці, а толькі на неразгалінаваных участках. У пунктах адгалінавання ўтварэнню спіралі перашкаджаюць бакавыя ланцугі. Па гэтай прычыне спіральная канфігурацыя не характэрная для такога моцна разгалінаванага поліцукрыду, як глікаген.

Спіралі амілозы і амілапекціну маюць унутраную поласць, у якую могуць пранікаць малекулы дыгідрамонааксіду і іншых рэчываў. Малекулы ёду па сваіх памерах вельмі дакладна адпавядаюць гэтым поласцям. Пранікаючы ў іх, ёд утварае з амілозай і амілапекцінам злучэнні складанай будовы, якія маюць характэрную афарбоўку (сінюю — з амілозай, фіялетавую — з амілапекцінам). На гэтым заснавана якасная рэакцыя на крухмал.

У малекулах, утвораных астаткамі α-монацукрыдаў, назіраецца свабоднае вярчэнне вакол гліказідных сувязей. У ланцугах цэлюлозы, утвораных β-глюкозай, вярчэнне вакол гліказідных сувязей абмежавана. Гэта стварае спрыяльныя ўмовы для фарміравання мноства вадародных сувязей паміж малекуламі цэлюлозы. У выніку яны змяшчаюцца паралельна адна адной і аб’ядноўваюцца ў трывалыя фібрылы — валокны, якія складаюць каркас клетачнай сценкі раслін.

Падобная канфігурацыя характэрная і для хіціну. Яго паралельныя ланцугі таксама злучаюцца міжмалекульнымі вадароднымі сувязямі, што прыводзіць да фарміравання фібрыл.*

Вугляводы здольныя ўтвараць злучэнні з іншымі арганічнымі рэчывамі, напрыклад з бялкамі — глікапратэіны, з ліпідамі — глікаліпіды і г. д.

*Аснову клетачнай сценкі большасці бактэрый складае пептыдаглікан мурэін. Лінейныя ланцугі мурэіну складаюцца з астаткаў двух вытворных глюкозы, якія чаргуюцца, — N-ацэтылглюкозаміну і N-ацэтылмурамавай кіслаты, злучаных гліказіднымі сувязямі. Пры гэтым паралельна змешчаныя поліцукрыдныя ланцугі сшываюцца адзін з адным кароткімі пептыднымі мосцікамі паміж астаткамі N-ацэтылмурамавай кіслаты (мал. 5.5). Дзякуючы папярочным сшыўкам малекула мурэіну ўяўляе сабой трохмерную сетку, своеасаблівы мяшок, які акружае бактэрыяльную клетку.*

*Дзеянне шэрага антыбактэрыяльных прэпаратаў заснавана на разбурэнні структуры мурэіну ці прыгнечанні яго сінтэзу. Напрыклад, лізацым расшчапляе гліказідныя сувязі паміж астаткамі N-ацэтылглюкозаміну і N-ацэтылмурамавай кіслаты, што ў выніку выклікае гібель бактэрый.*