Глава 14. УГЛЕВОДЫ

ЦЕЛИ ИЗУЧЕНИЯ

1. Получить общее представление о биохимии.

2. Познакомиться со строением Некоторых простых Сахаров и усвоить термины, которые используются Для описания их строения.

3. Изучить типы связей, образующихся между мономерными звеньями углеводов в ди- и полисахаридах, и понять, какое влияние оказывает тип соединения Сахаров на строение и свойства углеводов.

Химия углеводов — это раздел биохимии, поэтому мы начнем изучение углеводов с краткого обзора вопросов биохимии. Затем мы перейдем к рассмотрению строения и свойств углеводов, а в трех последующих главах обсудим материал еще трех разделов биохимии.

БИОХИМИЯ. КРАТКИЙ ОБЗОР

Человеческий организм можно представить себе как чрезвычайно сложную химическую систему. В нем непрерывно происходят сложнейшие биохимические процессы, затрагивающие разнообразные вещества. Представим себе простой процесс — Вы кладете себе в рот кусок пищи. Прежде всего этот кусок пищи необходимо увидеть. Для этого лучи света должны попасть на глазное дно и вызвать там определенные химические изменения. Эти химические изменения, в свою очередь, приведут к целой цепи химических реакций в нервных клетках. В итоге сигналы придут в Ваш мозг. Мозг идентифицирует эти химические сигналы как "вид пищи". Затем новые химические процессы в мозгу приведут Вас к решению съесть пищу. Мозг пошлет затем новые сигналы, также имеющие химическую природу, которые заставят Ваши мускулы сжаться, причем ровно настолько, чтобы Ваши пальцы взяли ложку и поднесли ее ко рту. Таким образом, простое движение оказывается следствием многих тысяч сложнейших химических реакций, протекающих за несколько секунд. Все это происходит настолько естественно, что человек даже не задумывается о природе этих явлений. Любые процессы жизнедеятельности, в том числе относительно малоактивные, например, чтение (и понимание!) этой главы, необыкновенно сложны. Биохимия является наименее завершенной наукой из всех химических дисциплин и, хотя строение и функции многих биохимически важных веществ были в последние годы установлены, еще очень многое только предстоит выяснить. Ученые еще только начали вникать в тонкие детали химии жизни и многие представления еще остаются весьма поверхностными.

В то время как основные принципы биохимии применимы ко всем живым организмам, многие важные детали для разных видов живых существ значительно различаются. В этой книге мы сконцентрируем наше внимание на биохимии человека.

Существуют четыре основных класса биомолекул: углеводы, белки (протеины), жиры (липиды) и нуклеиновые кислоты. Ниже показано место биохимии в химии и биологии, а также предметы изучения каждой из этих наук (четыре класса биомолекул, являющиеся предметом изучения биохимии, будут рассмотрены в этой и трех последующих главах):

(см. скан)

Сложность молекул возрастает сверху вниз. Неорганические молекулы состоят из элементов. Органические молекулы сложнее неорганических. Биомолекулы образуются в результате соединения простых органических молекул в длинные полимерные цепи. Сочетания биомолекул образуют элементы живых клеток, которые, в свою очередь, являются основой многоклеточных организмов.

Потребность человека в питательных веществах

Человек должен получать с пищей следующие шесть категорий веществ: жиры, углеводы, белки, витамины, минеральные соли и воду. На схеме 14-1 показана судьба всех этих соединений в человеческом организме. Пищевые жиры идут на получение энергии, синтез гормонов и образование жировых отложений. Большинство усвояемых углеводов превращается в глюкозу. Глюкоза служит источником энергии, а излишки ее превращаются в жиры или гликоген. Неусвояемые вещества (в основном углеводы клетчатки) помогают процессам пищеварения. Белки, попадающие в организм с пищей, разрушаются до аминокислот. Часть этих аминокислот включается затем в молекулы белков человека, которые входят в состав различных тканей: мускулов, сухожилий, костей и др. Белками являются также ферменты (энзимы) — катализаторы всех биохимических процессов. Витамины — это органические вещества, которые необходимы человеку в следовых количествах. Потребность человека в неорганических веществах также невелика по сравнению с потребностью в жирах, белках и углеводах. Витамины и неорганические вещества выполняют самые различные функции, но часто они бывают нужны для нормальной работы ферментов, чтобы катализируемые ферментами

Схема 14-1. Превращения питательных веществ в человеческом организме

процессы происходили с должной скоростью. Вода выполняет в организме роль растворителя, среды, в которой происходят биохимические реакции, а также выступает во многих процессах в качестве реагента.

Живая клетка

Примерный состав живой клетки показан ниже:

Конечно, клетки разных органов несколько различаются по составу, но обычно содержание тех или иных веществ в клетке находится в указанных пределах. Существенно, что в клетке содержится несколько тысяч различных соединений. Белки, например, по мере необходимости синтезируются внутри клетки, причем ровно в тех количествах, которые необходимы клетке в данный момент. Как мы увидим позже, молекулы белков имеют очень сложное строение и для их синтеза обычно необходимо 50—100 стадий. Тем не менее синтез всех необходимых клетке белков занимает считанные минуты. Поразительно, что клетка синтезирует белки с выходами почти 100 % и при этом не образуется никаких побочных продуктов.

Ферменты — это белки, которые служат катализаторами всех биохимических процессов. Каждая стадия биохимического синтеза требует участия строго определенного фермента, который способен катализировать именно эту стадию. Поэтому клетке постоянно требуется большое число ферментов, которые тоже необходимо синтезировать.

Этот краткий обзор биохимии должен создать у Вас ощущение невероятной сложности процессов жизнедеятельности. Взаимосвязь биохимических явлений в каждой клетке каждого органа человеческого организма поистине представляет собой химическое чудо.

Целью биохимиков является выделение компонентов клетки, установление их структуры и выяснение их роли в биохимических процессах. Однако до сих пор множество вопросов еще остаются открытыми. Пока непонятными являются даже многие процессы, происходящие в здоровом организме. Разобраться в сущности патологических процессов обычно бывает еще труднее. В конце концов люди смогут понять химические принципы работы своего организма, найдут причины возникновения различных заболеваний и научатся предотвращать и лечить их. Знание биохимии болезней позволит создать эффективные лекарства и другие

средства решения проблем медицины. Но пока до этого еще далеко и нельзя даже сказать, что видны перспективы решения этих вопросов в обозримом будущем.

Биохимия — это химия живых организмов. Биохимики изучают строение биологически важных веществ и пытаются понять роль, которую эти вещества играют в живом организма Белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты составляют четыре важнейших класса биомолекул. Живая клетка построена в основном из этих веществ и воды. Все биохимические процессы катализируются ферментами. Ввиду чрезвычайной сложности биохимических процессов и строения участвующих в них молекул люди находятся еще только в самом начале пути к познанию биохимии.