первостепенное значение в жизни растений играют углеводы

Углеводы. Классификация. Биогенез в растениях

» data-shape=»round» data-use-links data-color-scheme=»normal» data-direction=»horizontal» data-services=»messenger,vkontakte,facebook,odnoklassniki,telegram,twitter,viber,whatsapp,moimir,lj,blogger»>

Углеводы – полигидроксильные соединения, содержащие альдегидные или кетогруппы, или образующие такие группы при гидролизе. Это самые распространенные в природе органические вещества.

Углеводы. Значение для растений

Значение углеводов для растений исключительно велико (ЛРС, содержащее полисахариды). Они составляют до 85-90% веществ, слагающих растительный организм. Углеводы относятся к первичным продуктам синтеза, образуются в процессе фотосинтеза и служат основным питательным и главным опорным материалом для растительных клеток и тканей.

Углеводы. Классификация

Углеводы на основании их химического строения принято разделять на 3 группы:

По физиологической роли в растениях углеводы также разделяют на три группы:

В медицине наибольшее значение имеют полисахариды второго порядка.

Полисахариды второго порядка – это высокомолекулярные соединения, содержащие более 10 моносахаридных остатков, соединенных О-гликозидными связями и образующих линейные или разветвленные цепи. Гомополисахариды состоят из моносахаридных единиц (мономеров) одного типа, гетерополисахариды – из остатков различных сахаров и их производных.

Углеводы. Биогенез в растениях

Биогенез углеводов в растениях протекает по определенной схеме, характерной для всего класса этих важных органических соединений. Биогенез всех углеводов начинается с процеса фотосинтеза и тесно связан с такими последовательностями реакций, как «цикл трикарбоновых кислот», «гликолитический цикл» и другие, т.е. с внутриклеточными превращениями сахаров и других субстратов в анаэробных и аэробных условиях.

Рассматривая процессы биогенеза различных углеводов, легко обнаружить одну общую черту. Во всех случаях образование индивидуальных мономерных сахаров предшествует появлению гликозидных связей. Сначала синтезируются мономерные сахара, а затем они используются в форме макроэргических производных. При этом глюкозо-6-фосфат занимает ключевое положение в биосинтезе макроэргических предшественников углеводов (см. схему).

Общая схема биосинтеза углеводов

Физико-химические свойства полисахаридов второго порядка.

Полисахариды второго порядка – это аморфные, реже кристаллические вещества, нерастворимые в спирте и неполярных органических растворителях.

Растворимость в воде у разных представителей существенно различается: некоторые линейные гомополисахариды в воде не растворяются из-за прочных межмолекулярных связей, а сложные или разветвленные полисахариды либо растворяются в воде, либо образуют гели.

Полисахариды подвергаются кислотному или ферментативному гидролизу с образованием моно- или олигосахаридов. Молекулярный вес полисахаридов колеблется от нескольких тысяч до нескольких миллионов Дальтон.

Одним из важнейших представителей гомополисахаридов является крахмал. В растениях крахмал является главным энергетическим запасным материалом. Крахмал запасается в клетках в виде крахмальных зерен. Их можно видеть в первую очередь в хлоропластах листьев, а также в органах, где запасаются питательные вещества, например, в клубнях картофеля, семенах злаковых и бобовых. Размер крахмальных зерен колеблется в пределах от 0,002 до 0,15 мм (наиболее крупные крахмальные зерна у картофеля, а наиболее мелкие – у риса и гречихи). Они имеют слоистую структуру и у разных видов растений различаются по форме – овальной, сферической или неправильной. В медицинской практике крахмал в основном используется в качестве наполнителя.

Крахмал относится к группе гомогликанов, т.е. соединений, мономерной единицей которых является только глюкоза. Он не является химически индивидуальным веществом и на 96-98% состоит из полисахаридов, образующих при кислотном гидролизе глюкозу; на 0,2-0,7% – из минеральных веществ, которые представлены, в основном, остатками фосфорной кислоты, на 0,6% – высокомолекулярными жирными кислотами, такими как пальмитиновая и стеариновая. Жирные кислоты не связаны ковалентно с полисахаридной частью. Они просто адсорбированы на ней и легко могут быть удалены экстракцией органическими растворителями.

Остатки фосфорной кислоты в одних видах крахмала (кукурузном, пшеничном и рисовом) представляют собой постоянно присутствующую примесь, а в других, например, в картофельном, они связаны сложноэфирной связью с углеводной частью и при гидролизе обнаруживаются в составе глюкозо-1-фосфата.

Углеводная часть крахмала также неоднородна и состоит из двух полисахаридов, различающихся по физическим и химическим свойствам – амилозы и амилопектина. Амилопектин в крахмале количественно преобладает над амилозой, составляя около 75%.

Линейные цепи амилозы, состоящие из нескольких тысяч мономерных единиц, способны спирально свертываться и таким образом принимать более компактную форму.

С раствором йода в йодистом калии водная суспензия амилозы дает темно-синюю окраску, исчезающую при нагревании и вновь появляющуюся при охлаждении. Окрашивание сопровождается образованием комплексного химического соединения. При этом молекулы йода располагаются внутри спирально изогнутых цепочек амилозы.

Молекулярный вес амилопектина достигает сотен миллионов Да. Амилопектин содержит примерно вдвое больше глюкозных остатков, чем амилоза. Он растворяется в воде лишь при нагревании под давлением и дает очень вязкие и чрезвычайно стойкие растворы. В молекуле амилопектина гликозидные остатки соединены a-гликозидными связями не только между 1 и 4 углеродными атомами, но и между 1 и 6, образуя таким образом разветвленную структуру. Компактность амилопектина обеспечивается интенсивным ветвлением цепей:

Водная суспензия амилопектина окрашивается раствором йода в йодистом калии в красно-фиолетовый цвет (проба на крахмал). Следует подчеркнуть, в том и другом случае не происходит химической реакции полисахарида с йодом, а образуются адсорбционные соединения.

Другим представителем полисахаридов является инулин. Он относится к группе фруктозанов, т.е. полимеров, построенных из остатков фруктозы. Подобно крахмалу, представляет собой важное запасное вещество многих растений. Используется в основном для получения фруктозы. Молекулярный вес инулина составляет около 5-6 тысяч Да. Полимерная цепь инулина построена из 34-36 остатков фруктозы, соединенных b-гликозидной связью и заканчивается нередуцированным остатком a-D-глюкопиранозы:

К полисахаридам по химической структуре близка группа веществ, называемых полиуронидами – высокомолекулярных соединений, построенных по типу полисахаридов из остатков уроновых кислот. Из наиболее важных продуктов растительного происхождения с медицинской точки зрения к ним относятся пектиновые вещества, альгиновая кислота, камеди и слизи.

Пектиновые вещества – широко распространенные в растениях полигалактурониды, растворенные в растительных соках и осаждаемые спиртом или 50% ацетоном с образованием студня. Их роль – образование защитной прослойки между растительными клетками. Молекулярная масса пектиновых веществ достигает 200 000 Да. Среди пектинов выделяют растворимый и нерастворимый пектин, пектовую и пектиновую кислоты.

Пектовая кислота представляет собой линейный полимер a-D-галактуроновой кислоты, связанной С₁-С₄ связями. Пектиновая кислота – это полигалактуроновая кислота, у которой часть карбоксильных групп метилирована. Растворимый пектин – это пектиновая кислота с высоким содержанием метильных групп. Нерастворимый пектин представляет собой образование из длинных переплетающихся цепей пектиновой кислоты, связанных друг с другом в местах перекреста через карбоксильные группы. Гидроксильные группы пектинов могут служить точками присоединения боковых разветвленных цепей из остатков D-галактозы, L-арабинозы, D-ксилозы и L-рамнозы:

Фрагмент структуры пектиновых веществ

Источник

УГЛЕВОДЫ

Углеводы

Углеводы — наиболее распространенные вещества в растениях. Доля их в отдельных частях растений может достигать 90 % и более сухого вещества.

Углеводы являются главными продуктами фотосинтеза и основным дыхательным субстратом. Они в большом количестве накапливаются в корнях, клубнях, семенах и используются затем в качестве запасных питательных веществ. Стенки клеток и растительные волокна состоят главным образом из углеводов; в плодах и ягодах также преобладают углеводы.

Велика роль углеводов в питании человека. Они представляют собой наиболее доступный энергетический материал — основной источник калорий.

Сахара играют важную роль как основной субстрат брожения во многих процессах переработки растениеводческого сырья: хлебопечении, пивоварении, виноделии и др. Многие углеводы находят широкое техническое применение.

По физиологической роли в растении углеводы можно разделить на такие группы: а) метаболиты (сахара и олигосахариды); б) запасные вещества (полисахариды, реже сахара); в) структурные (высшие полисахариды).

Важнейшие углеводы, встречающиеся в растениеводческой продукции, представлены в виде схемы на рис. 2.1.

Очень часто простые сахара вступают в соединение с другими веществами, образуя так называемые гликозиды. Моносахариды входят также в состав нуклеиновых кислот.

Моносахариды или простые сахара широко распространены в растениях. Как правило, имеют сладкий вкус, хорошо растворимы в воде. По химической природе являются производными многоатомных спитов

и содержат одновременно несколько групп —ОН и альдегидную —С f

(альдозы) или кетоннуто ^0=0 (кетозы) группу. У всех биологически значимых альдоз альдегидная группа находится при первом атоме углерода, у кетоз — кетонная группа при втором углеродном атоме. Общая формула всех моносахаридов (СН₂0)_п, т. е. они как бы построены из углерода и воды, откуда и происходит название «углеводы».

Рис. 2.1. Важнейшие углеводы растениеводческой продукции

Все моносахариды содержат один или несколько ассиметричных атомов углерода, т. е. таких, у которых все четыре валентности замещены различными атомными группировками. Это приводит к существованию различных стереоизомеров, различающихся по своим физическим и химическим свойствам. Простейший моносахарид — глицериновый альдегид представлен двумя изомерами (энантиомерами) — D-изомером и L-изомером.

Все последующие альдозы и кетозы также могут существовать в форме D- или L-изомера. Принадлежность того или иного моносахарида к D- или L-ряду устанавливают, сравнивая расположение водорода и гидроксила у предпоследнего атома углерода с расположением их у D- или L-глицеринового альдегида.

В отличие от аминокислот в растениях содержатся, как правило, только D-формы сахаров (правовращающие), за исключением араби- нозы, встречающейся обычно в форме L-изомера.

В растениях чаще всего встречаются моносахариды, содержащие в молекуле пять (пентозы) или шесть атомов углерода (гексозы).

Пентозы широко распространены в растениях. В отличие от гексоз они почти не встречаются в свободном виде, а входят в состав высших полисахаридов — пентозанов, находящихся в оболочках клеток растений. Пентозы входят также в состав природных гликозидов, нуклеиновых кислот и некоторых коферментов.

Наиболее распространенные пентозы растений — L-арабиноза, D-ксилоза, D-рибоза:

L-арабиноза широко распространена в растениях, но не в свободном виде, а в составе более сложных соединений: пентозанов, гемицеллюлоз, пектиновых веществ, камедей. Слабо используется организмом человека и животных, дрожжами не сбраживается.

D-ксилоза, или древесный сахар, входит в состав пентозанов—ксиланов, которых много в древесине, соломе, отрубях, шелухе подсолнечника. Организмом животных и человека не усваивается, дрожжами не сбраживается.

D-рибоза входит в состав многих биологически активных соединений, играющих важную роль в процессах обмена веществ, — РНК, витаминов, коферментов, АТФ. Большое значение в жизни организмов имеет также производное рибозы — D-2-дезоксирибоза, которая входит в состав ДНК.

К наиболее важным гексозам относятся D-глюкоза и D-фруктоза:

Карбонильные группы моносахаридов с длиной цепи п = 5 и более могут образовывать с соответствующими гидроксигруппами циклические полуацетали или полукетали, которые находятся в равновесии с линейными группами. В водных растворах моносахариды находятся преимущественно в циклической форме. В состав полисахаридов моносахариды входят только в циклической форме:

При этом могут возникать либо пятичленные циклы, содержащие кольцо фурана, либо шестичленные, содержащие кольцо пирана:

Такие формы моносахаридов называют, соответственно, фураноз- ными и пиранозными формами. Альдегидные формы гексоз в водном растворе существуют преимущественно в виде пираноз, фруктоза присутствует в растительных клетках в фуранозной форме. У пентоз образуются как пиранозные, так и фуранозные формы. При этом атом углерода, принадлежащий в открытой форме карбонильной группе, становится ассиметричным, т. е. появляется дополнительная возможность изомерии. Изомеры, отличающиеся расположением гидроксигруппы при полуацетальном атоме углерода (гликозидной гидроксигруппы) относительно плоскости кольца, называют аномерами: у а-аномера эта гидроксигруппа и СН₂ОН-группа находятся по разные стороны плоскости, у (3-аномера они находятся по одну сторону плоскости кольца. В качестве иллюстрации ниже приведены а- и (3-аномеры глюкозы:

В пространстве циклические формы моносахаридов могут существовать в виде нескольких конформаций. Пиранозная структура чаще всего образует конформации молекулы в форме «кресла» или «лодки». Более устойчивой является конформация в форме «кресла».

Глюкоза, или виноградный сахар, — самая распространенная из моноз в растительном мире. В свободном состоянии вместе с фруктозой глюкоза в большом количестве содержится во многих плодах и ягодах, обусловливая их сладкий вкус, но особенно велика ее роль в образовании нерастворимых полисахаридов (крахмал, клетчатка, гликоген), построенных из молекул D-глюкозы. В связанном виде глюкоза входит в состав сахарозы и других ди- и трисахаридов, камедей, многочисленных гликозидов, танина и ряда других соединений. В живых организмах глюкоза — важнейший источник энергии. Дрожжи легко сбраживают глюкозу до спирта.

При восстановлении D-глюкозы получается спирт D-сорбит, найденный в ягодах рябины (Sorbus aucuparia), соке вишен, слив, яблок, груш. При окислении первичной спиртовой группы в молекуле глюкозы образуется D-глюкуроновая кислота, часто присутствующая в растениях.

Фруктоза, или фруктовый сахар, — наиболее важный представитель кетоз. Содержится в свободном виде во многих плодах, входит в состав сахарозы, рафинозы и многих полисахаридов, например инулина. Смесь равных количеств глюкозы и фруктозы составляют главную часть меда. Фруктоза значительно слаще глюкозы. Если относительную сладость сахарозы принять за 100 %, то сладость глюкозы составит 74 %, фруктозы — 173 %, мальтозы — 32 %, лактозы (молочный сахар) — 16 %.

Еще два представителя гексоз — манноза и галактоза встречаются в растениях главным образом в виде высокомолекулярных полисахаридов — маннанов и галактанов, в большом количестве содержащихся в растениях. Кроме того, манноза в свободном состоянии найдена в кожуре апельсинов, галактоза входит в состав рафинозы и ряда гликозидов. Манноза легко сбраживается дрожжами, галактоза — лишь специфическими расами дрожжей.

При восстановлении маннозы образуется спирт маннит, широко распространенный в растениях, особенно в южных, например в маслинах. Много маннита в водорослях Белого моря (Laminaria и Dumarystica — до 20 %).

Источник

Углеводы в растениях

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 (Н₂О), 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.

Из моносахаридов в растениях распространены гексозы, имеющие состав С₆Н₁₂О₆. 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 C₁₂H₂₂O₁₁. К ним относятся сахароза, или тростниковый сахар, и мальтоза. Сахароза образуется в растениях из двух частиц гексоз (глюкозы и фруктозы) с выделением частицы воды:

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

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:

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

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 (C₁₈H₃₂O₁₆).

Полисахариды – углеводы, имеющие состав (C₆H₁₀О₅)n Полисахариды можно рассматривать как несколько частиц моносахаридов, от которых отделилось столько же частиц воды:

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.

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.

Источник