Углеводы

— класс органических соединений, имеющих характер Сахаров или близких к сахарам по строению и химическим свойствам. Наряду с белками и жирами У. играют важнейшую роль в обмене веществ и энергии в организме человека и животных. У. входят в состав растительных, животных и бактериальных организмов и составляют абсолютное большинство органич. природных соединений. Все оргаиич. питательные вещества в конечном счете возникают из У., образуемых растениями в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды. Примерный подсчет показывает, что ежегодно в процессе фотосинтеза на Земле образуется ок. 4 -iO11 тонн У. Являясь основным компонентом пищи человека и большинства животных, У. поставляют большую часть энергии, необходимой для их жизнедеятельности. В организме взрослого человека более половины энергии образуется за счет У. У. играют важную роль как основной строительный материал растений, скелета насекомых, ракообразных и других организмов. Они входят в состав клеточных стенок, основного вещества соединительной ткани и т. п. Кроме того, У. в составе сложных биополимеров, таких, напр., как гликопротеиды (белки, несущие на себе углеводный «довесок»), могут являться носителями биологич. информации, определяя иммунологич. специфичность этих соединений. Так, принадлежность крови к той или иной группе диктуется исключительно структурой и последовательностью У., входящих в состав так наз. групповых веществ крови (см. Группы крови). Установлена решающая роль У., входящих в состав веществ на поверхности клеток, в различных взаимодействиях клеток друг с другом. Такие явления, как «узнавание» друг друга клетками одного типа, дифференциация и рост клеток, секреция биополимеров (белков, нуклеиновых к-т и т. д.) из клеток, обусловлены специфич. ролью У. поверхности клеток. Есть данные, что У. поверхности клеток играют важную роль в возникновении злокачественных опухолей и в процессах взаимодействия вирусов с клеткой. В организме человека и животных некрые сложные У., такие, напр., как гиалуроновая к-та, выполняют специфич. функцию «смазочных» веществ и служат жидкой средой, в к-рой происходит движение клеток и к-рой смазываются трущиеся поверхности, напр, суставные поверхности. Некрые У. обладают специфич. биологич. активностью, напр, аскорбиновая к-та (витамин С), витамин Bis, гепарин, предотвращающий свертывание крови. Класс У. делится на следующие группы: — моносахариды, или простые саха­ ра (напр., виноградный сахар—глю­ коза, плодовый сахар — фруктоза); — олигосахариды, содержащие от 2 (дисахариды) до 10 моносахаридных остатков, соединенных между собой осо­ бой гликозидной связью (напр., трост­ никовый сахар — сахароза, солодовый сахар — мальтоза, молочный сахар — лактоза и др.); — полисахариды, или высшие У., построенные из многих моносахарид­ ных остатков (напр., крахмал, глико­ ген, целлюлоза и др.). Наиболее распространенным в природе моносахаридом является г л ю к о-з а, называемая также виноградным сахаром. Глюкоза содержится в свободном виде в сладких фруктах, является обязательным компонентом крови человека и других млекопитающих, входит в качестве основного звена в состав многих природных олиго- и полисахаридов. Из других распространенных в природе моносахаридов следует отметить маннозу и галактозу. М а н н о з а может встречаться в свободном виде, но чаще вместе с другими моносахаридами она образует длинные полисахаридные цепи или входит в состав гликопротеидов. Галактоза не встречается в свободном виде. Она входит вместе с глюкозой в состав лактозы, а также является компонентом многих полисахари- дов и гликопротеидов. Нарушение обмена галактозы приводит к тяжелому наследственному заболеванию — галактоземии, возникающему вследствие утраты организмом способности перерабатывать галактозу. Питаясь молоком матери, ребенок получает большое количество галактозы (составной части лактозы); нарушение ее утилизации выражается постепенной потерей веса, отставанием в физич. и умственном развитии, увеличением печени (в ряде случаев циррозом печеьи) и развитием катаракты. Болезнь может привести к смертельному исходу в грудном возрасте. Большинство патологич. изменений, сопровождающих галактоземию объясняют накоплением в различных тканях и органах большого количества продуктов обмена галактозы, токсичных для организма. При своевременной постановке диагноза и полном исключении лактозы и галактозы из пищи рост и развитие ребенка проходят нормально. Наиболее распространенной в природе гексозой (т. е. У., содержащим в молекуле 6 углеродных атомов) является фруктоза, содержащаяся в свободном виде в меде, некрых фруктах и образующая вместе с глюкозой наиболее важный в питании У.— сахарозу. Самыми важными пентозами (т. е. У., содержащими в молекуле 5 углеродных атомов) являются р и-боза и дезоксирибоза; они входят в состав рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой "к-т (см. Нуклеиновые кислоты). В настоящее время известно ок. 70 моносахаридов, из них 20 найдены в природе, а остальные искусственно синтезированы. Среди огромного числа дисахаридов наибольшее значение имеют мальтоза, или солодовый сахар, лактоза, или молочный сахар, и сахароза, или тростниковый сахар. Мальтоза — дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы, образуется при частичном гидролитич. расщеплении крахмала и гликогена — основных резервных (запасных) У. растений и животных. Именно поэтому мальтоза имеет важное пищевое значение. Некрые люди страдают врожденной непереносимостью мальтозы и родственной ей изомальтозы изза отсутствия в кишечном соке ферментов, расщепляющих эти дисахариды. Лактоза в большом количестве содержится в молоке млекопитающих: в женском молоке — ок. 5,5—8,4%, в коровьем — 4—5%. Этот дисахарид состоит из остатка галактозы и остатка глюкозы. Являясь основным У. женского молока, лактоза служит важным компонентом пищи грудного ребенка. При врожденном Отсутствии в кишечном соке фермента оетагалактози-дазы лактоза в кишечнике не переваривается. Для этого заболевания характерно очень раннее проявление, сопровождающееся рвотой, поносом, вздутием живота, обезвоживанием, постепенным исхуданием. С мочой выводятся значительные количества лактозы, а также многие аминокислоты. Лечение состоит в исключении из рациона питания лактозы и замены ее сахарозой, глюкозой и другими сахарами. Сахароза, состоящая из остатка глюкозы и остатка фруктозы, чрезвы- чайно широко распространена в растительном мире и является основным пищевым У. В пищу употребляется сахароза, получаемая из сахарной свеклы и сахарного тростника. Существует заболевание, заключающееся в наследственной непереносимости сахарозы вследствие отсутствия в кишечном соке фермента сахарозы. Заболевание проявляется у детей при переходе на смешанное вскармливание. Развивается хронич. понос, наблюдается потеря в весе, что может привести к гибели ребенка. Сахароза не усваивается организмом больного ребенка, а выводится через кишечник, в моче появляются значительные количества сахарозы, фруктозы и глюкозы. Лечение заключается в исключении из пищевого рациона сахарозы или введении с пищей препаратов недостающих ферментов. Высокомолекулярные природные соединения У., состоящие из большого количества моносахаридных звеньев, носят название полисахаридов. Полисахариды принято делить на гомополисахариды, построенные из остатков моносахаридов одного типа, и гетерополисахариды, состоящие из остатков моносахаридов двух или более типов. Т. к. существует много способов связывания моносахаридов между собой, то число различных полисахаридов, встречающихся в природе, чрезвычайно велико, однако наиболее важными из них являются целлюлоза, крахмал и гликоген. Полисахариды выполняют две основные функции: структурную и питательную. Целлюлоза (клетчатка) является основным структурным компонентом растительных тканей, содержится гл. обр. в стенках растительных клеток. Содержание целлюлозы в хлопке и льне достигает 90—99% , в древесине — до 45%. Молекула целлюлозы состоит только из остатков глюкозы, соединенных друг с другом в длинные прямые цепи. Эти цепи собраны в волокна, образующие кристаллоподобную струк-ТУРУ1 обладающую огромной прочностью (прочность волокон целлюлозы выше прочности стальной проволоки такого же диаметра) и химич. устойчивостью. Плохо перевариваясь в кишечнике человека, целлюлоза стимулирует его перистальтику, нормализуя работу кишечника. Крахмал — полисахарид, служащий основным запасным питательным веществом растений. Этот важнейший пищевой полисахарид содержится в больших количествах в клубнях картофеля, в зернах многих злаков, во фруктах и т. д. Подобно целлюлозе, он состоит исключительно из остатков глюкозы, к-рые образуют сложную, разветвленную молекулу, отдельные линейные участки крой аналогичны линейным цепям глюкозных остатков в молекуле целлюлозы. Крахмал состоит из смеси двух полисахаридов, называемых амилозой и амилопектином. Цепи глюкозных остатков в амилозе линейны, при ее частичном расщеплении образуется значительное количество дисахарида мальтозы, а амилопектин — эю разветвленный полисахарид. Как правило, основным полисахаридом крахмала является амилопектин. Гликоген, часто именуемый животным крахмалом, является важным резервным (запасным) полисахаридом животных и человека. В организме человека и млекопитающих гликоген накапливается в основном в печени (до 20%) и мышцах (4%). Гигантская молекула гликогена с молекулярным весом до 10 000 000 состоит исключительно из остатков глюкозы. По своему химич. строению гликоген подобен амилопектину растений, отличаясь от него гораздо большей разветвленностью цепей, составленных из глюкозных остатков. В крови детей содержится в норме 12—21 мг% гликогена, в крови взрослых — 8—12 мг% (однако эти показатели варьируют в зависимости от метода определения). Наиболее тяжелые наследственные заболевания, к-рые, как правило, не удается вылечить с помощью спец. диет, вызываются нарушением обмена полисахаридов. Среди таких заболеваний значительное место принадлежит врожденным наследственным заболеваниям (гликогенозам, или гликогеновой болезни), вызываемым необычным (аномальным) накоплением гликогена в печени, в сердечной и скелетных мышцах, почках, селезенке, легких и других органах. Характерным признаком заболевания является низкая концентрация глюкозы в крови (гипогликемия) при высоком содержании гликогена в тканях, к-рый не поддается мобилизации под действием адреналина и глюкагона (см. Гормоны). Накапливаясь в клетках, гликоген вызывает их перерождение, дегенерацию и гибель. При гликогенозах наблюдается мышечная слабость, задержка роста, ожирение, поражение печени и почек. Причиной гликогенозов является отсутствие ряда ферментов, участвующих в углеводном обмене; причем для каждого типа гликогеноза характерна недостаточность определенного фермента, хотя существуют гликогенозы и смешанных типов. Для формирования и нормального функционирования соединительной ткани человека и других млекопитающих важное значение имеет целый ряд гетерополисахаридов, называемых мукополисахаридами, напр. гиалуроновая к-та, хондроитинсульфаты и др. Олиго-, а в ряде случаев и полисахаридные звенья способны соединяться с белками и жирами. В результате образуются смешанные биополимеры, называемые соответственно гликопротеидами и гликолипидами. Олиго- и полисахариды, попадающие в организм человека с пищей, подвергаются расщеплению многочисленными ферментами пищеварительного тракта до составляющих их моносахаридов, к-рые всасываются из кишечника в кровь. Различные моносахариды, растворенные в крови, попадают в печень, где превращаются с помощью спец. ферментов в глюкозу. Часть этой глюкозы превращается в гликоген, остальное количество током крови разносится к органам и тканям и используется для синтеза гликогена, жиров и заменимых аминокислот. Большая часть глюкозы в тканях подвергается окислению с освобождением энергии. Глюкоза представляет собой абсолютно необходимый компонент крови, ее содержание в крови человека составляет примерно 80 мг%. Поддержание постоянной концентрации глюкозы осуществляется с помощью чрезвычайно сложного механизма, в к-ром участвует большое количество ферментов, целый ряд гормонов (наиболее важные из них инсулин и глюкагон), а также нервная система. При повышенном употреблении У. с пищей поддержание нормальной концентрации глюкозы в крови и тканях оказывается возможным благодаря способности клеток печени и особенно мышц синтезировать из глюкозы резервный полисахарид — гликоген. Последний в случае надобности может с помощью ряда высокоспециализированных ферментов вновь превращаться в глюкозу. В обмене веществ как растительной, так и животной клетки глюкоза занимает одно из центральных мест, являясь энергетич. «топливом», снабжающим энергией многочисленные процессы, протекающие в клетке. В результате сложной цепи ферментативных реакций глюкоза окисляется в конечном счете до углекислого газа и воды. Процесс окисления глюкозы сопровождается образованием молекул аденозинтрифосфорной к-ты (АТФ), энергия химич. связи фосфор — кислород в к-рой столь высока, что может обеспечить любые биологич. процессы, идущие с затратой энергии (биосинтез белков, нуклеиновых к-т, жиров, сложных углеводов, мышечное сокращение и т. д.). Промежуточные продукты обмена глюкозы (следует подчеркнуть, что ферментативным превращениям подвергается не свободная глюкоза, а ее фосфорные производные) являются в ряде случаев общими с промежуточными продуктами обмена аминокислот и жирных к-т. Кроме того, из некрых аминокислот может синтезироваться глюкоза в виде фосфорных производных, что имеет наряду с обменом гликогена важное значение в поддержании постоянной концентрации глюкозы в тканях и крови. Т. о., в клетках живого организма существует тесная связь между обменом У., белков и жиров (см. Обмен вешрств и энергии). Глюкоза также включается в процессы, приводящие к образованию других моносахаридов. Всасывание больших количеств глюкозы из кишечника в кровь приводит к так наз. пищевой, или алиментарной, гипергликемии (высокому содержанию глюкозы в крови). Это физиологич. явление связано с приемом пищи, богатой У. При особенно высокой алиментарной гипергликемии глюкоза начинает выводиться с мочой, наступает так наз. глюкозурия. Алиментарная гииергликемия и глюкозурия — явления, быстро проходящие и неопасные для здоровья. При различных эмоциях возбуждение, возникнув в коре головного мозга, распространяется на продолговатый мозг, а оттуда — по ветви симпатического нерва к мозговому веществу надпочечников, что приводит к усиленному выделению адреналина, к-рый способствует расщеплению гликогена в печени до глюкозы, в избытке поступающей в кровь. Наступает так наз. психич., или эмоциональная, гипергликемия. При токсикозах, травмах мозга, некрых инф. заболеваниях может развиться гипергликемия как результат раздражения центральной нервной системы. Гипергликемию можно наблюдать при высокой температуре, шоковых состояниях, менингитах, энцефалитах. При пониженной функции эндокринной ткани поджелудочной железы, т. е. при резком уменьшении продукции инсулина, изменяется соотношение инсулин — адреналин и развивается инсулярная гипергликемия (см. Диабет сахарный). Алиментарная гипергликемия через 3—5 час. сменяется резкой гипогликемией (низким содержанием глюкозы в крови), обусловленной повышением выделения инсулина в ответ на увеличение содержания глюкозы в крови после приема богатой У. пищи. Гипогликемия может наблюдаться при тяжелой и длительной физич. работе, когда происходит некомпенсируемое потребление глюкозы крови как источника энергии. Наиболее часто гипогликемия развивается при поражении эндокринной ткани поджелудочной железы, когда продуцируется большое количество инсулина и развивается гиперинсулинизм. При заболеваниях почек глюкоза выводится с мочой, в результате чего также развивается гипогликемия. Гипогликемия наблюдается при ряде заболеваний: аддисоновой болезни, микседеме и др. Особая форма гипогликемии возникает в результате передозирования инсулина, вводимого с терапевтич. целью (напр., при сахарном диабете). Спонтанная (самопроизвольная) гипогликемия наблюдается при заболеваниях нервной системы и при психич. заболеваниях. Развитие углеводного (глюкозного) голодания тканей, особенно головного мозга, может привести к возникновению коматозного состояния (см. Кома). Среди болезней, связанных с нарушением обмена У., известен целый ряд тяжелых наследственных расстройств, характеризующихся прогрессирующим отложением сложных соединений У. определенного типа в клетках различных тканей (так наз. болезни накопления). В зависимости от строения накапливающихся в клетке веществ эти заболевания делятся на мукополисахаридозы, гликолипидозы и гликопротеидозы. Возникновение всех перечисленных заболеваний связано с отсутствием или резким снижением активности, как правило, какоголибо одного фермента, участвующего в расщеплении мукополисахаридов, гликолипидов или гликопротеидов. Углеводы в питании. По энергетической ценности углеводы равноценны белкам: при сгорании 1 г углеводов в организме освобождается 4,1 ккал. Избыток У. в питании является одним из основных факторов, способствующих появлению избыточного веса и тучности (см. Ожирение). Удельный вес У. в питании человека в среднем в 4 раза превышает содержание белков и жиров. Смешанное питание различных групп населения, как правило, имеет выраженную углеводную ориентацию. Однако необходимо помнить, что ограниченная способность У. накапливаться (депонироваться) в организме влечет за собой относительно легкое превращение избыточного количества У. в жир, к-рый накапливается в жировых депо организма. Нормирование У. в рационе должно производиться с учетом сбалансированности их с белками и жирами. Однако резкое ограничение У. и тем более пол- ное их выключение нарушает нормальную сбалансированность питания и может привести к существенным расстройствам жизнедеятельности организма. Только с терапевтич. целью при лечении таких заболеваний, как диабет, ожирение и др., лечащий врач может применять диету с низким содержанием У. У. являются основной частью пищевого рациона. За счет У. обеспечивается более половины суточной калорийности пищевого рациона. Потребление У. составляет 350—500 г в сутки. Удовлетворение потребности в У. осуществляется за счет растительных продуктов (зерновых, картофеля и др.): У. составляют не менее 75% их сухого вещества. Потребность в У. может удовлетворяться и за счет сахара, к-рый представляет собой чистый У. Значение животных продуктов как источника У. несущественно. Однако в раннем детском возрасте, когда молоко является основным видом питания, оно может служить важным источником У. и почти полностью обеспечивать потребность организма в них. То же самое в большой степени относится к обеспечению У. лиц старших возрастных групп. При введении Сахаров в организм они достаточно быстро обнаруживаются в крови. К моносахаридам, широко представленным в пищевых продуктах, относятся глюкоза и фруктоза. Важными свойствами глюкозы являются ее быстрая усвояемость, быстрое использование в организме для образования гликогена, необходимого для питания работающих мышц, в т. ч. сердечной мышцы, для поддержания нормальной концентрации сахара в крови и создания запасов гликогена в печени. Глюкоза является одним из лучших средств для питания послеоперационных больных, ослабленных и тяжелобольных. Фруктоза считается сахаром, наиболее приемлемым при занятиях умственным трудом, а также в зрелом и пожилом возрасте. Она является также и лучшим видом сахара для больных атеросклерозом, при нарушениях жирового и холестеринового обмена. Фруктоза примерно в 2 раза слаще пищевого сахара и в 3 раза слаще глюкозы. Имеются данные о благоприятном влиянии фруктозы на жизнедеятельность полезной кишечной микрофлоры, особенно на ее синтетич. функцию. Основными источниками фруктозы и глюкозы в питании человека являются фрукты, ягоды, а также пчелиный мед, в к-ром содержание глюкозы составляет 36,2%, а фруктозы — 37,1%. К дисахаридам, имеющим важное значение в питании человека, относятся сахароза и лактоза. Гидролиз лактозы в кишечнике протекает замедленно, ограничивая процессы брожения в кишечнике и нормализуя жизнедеятельность полезной кишечной микрофлоры. Лактоза в наименьшей степени используется в организме для жирообразования. Сахароза в виде сахара — наиболее используемый дисахарид. Производство и потребление сахара во всех странах за последние годы значительно возросли. Несмотря на высокие пищевые свойства сахара, в ряде случаев (напр., в зрелом возрасте при занятиях умственным трудом и малоподвижном образе жизни или при склонности к ожире- нию, а также в пожилом возрасте и др.) интенсивное потребление сахара не может быть признано рациональным и возникает необходимость ограничения его потребления. Учитывая значение избыточной калорийности пищи для возникновения и развития атеросклероза, а также ее роль в развитии ожирения у лиц, ведущих малоподвижный образ жизни, можно считать, что избыточное количество сахара способствует развитию этой патологии. Имеются данные, что высокое потребление сахара способствует повышению содержания холестерина в крови, тогда как крахмал таким свойством не обладает. Крахмал имеет большое пищевое значение. В пищевых рационах на долю крахмала приходится ок. 80% общего количества потребляемых У. Высоким содержанием крахмала в значительной степени обусловливается пищевая ценность зерновых продуктов, бобовых и картофеля. Превращение крахмала в организме в основном направлено на удовлетворение потребности организма в сахаре. Основным свойством целлюлозы и пектиновых веществ, также представляющих собой У., является их способность образовывать в водном р-ре в присутствии к-ты и сахара желеобразную, коллоидную массу. Установлено несомненное положительное значение пектиновых веществ в питании здорового человека, а также возможность использования их с терапевтич. целью при некрых заболеваниях жел.-киш. тракта, при лечении ожогов и инфицированных ран. Известна роль У. клетчатки в стимулировании перистальтики кишечника, клетчатка способствует также выведению из организма холестерина, нормализации кишечной микрофлоры. См; также Питание.