Основы биохимии Том 1 - А. Ленинджер 1985

Биомолекулы
Углеводы: строение и биологические функции
Дисахариды содержат две моносахаридные единицы

Дисахариды состоят из двух ковалентно связанных друг с другом моносахаридов. У большинства дисахаридов химическая связь между моносахаридными единицами называется гликозидной связью; она образуется в результате взаимодействия гидроксильной группы одного из сахаров с аномерным атомом углерода второго сахара. Гликозидные связи легко гидролизуются кислотами, но устойчивы к действию оснований. Поэтому дисахариды можно гидролизовать и получить в свободном виде их моносахаридные компоненты путем кипячения в разбавленной кислоте.

Дисахариды, так же как и моносахариды, широко распространены в природе; наиболее часто встречаются сахароза, лактоза и мальтоза (рис. 11-12). Простейший дисахарид - мальтоза - содержит два остатка D-глюкозы, соединенных гликозидной связью между первым атомом углерода (аномерным углеродом) одного остатка глюкозы и четвертым атомом углерода второго остатка (рис. 11-12). Аномерный атом углерода в гликозидной связи между двумя остатками D-глюкозы имеет а-конфигурацию, соответственно эта связь обозначается как а(1→4). В этом обозначении первая цифра или локант, указывает на моносахаридный остаток с аномерным углеродом. Оба остатка глюкозы в молекуле мальтозы находятся в пиранозной форме. Мальтоза относится к восстанавливающим сахарам, поскольку она содержит одну потенциально свободную карбонильную группу, которая может быть окислена. Второй остаток глюкозы в молекуле мальтозы может существовать как в а-, так и в ß- форме; a-форма образуется при действии на крахмал (разд. 24.1, а) содержащегося в слюне фермента - амилазы. Под действием секретируемого слизистой кишечника фермента мальтазы, специфически гидролизующего а(1→4)-связь, мальтоза подвергается гидролизу с образованием двух молекул D-глюкозы. Дисахарид целлобиоза также содержит два остатка D-глюкозы, но они соединены друг с другом ß(1→4)-связью.

Дисахарид лактоза (рис. 11-12), при гидролизе которой образуется D-галактоза и D-глюкоза, присутствует только в молоке. Наличие в молекуле лактозы потенциально свободной карбонильной группы (в остатке глюкозы) делает ее восстанавливающим дисахаридом. В процессе переваривания пищи лактоза подвергается ферментативному гидролизу в результате воздействия гактазы, секретируемой мукозными клетками кишечника. У грудных младенцев активность этого фермента очень высока, однако в кишечнике взрослых людей лактазная активность наблюдается лишь у жителей севера Европы и некоторых африканских племен. У большинства взрослых людей, в том числе у жителей Востока, арабов, евреев, многих африканцев, индийцев и жителей Средиземноморья, лактазная активность в кишечнике очень низка, что часто приводит к непереносимости (интолерантности) лактозы. Описанная особенность обусловлена генетически. Причина непереносимости лактозы связана с тем, что этот дисахарид может всасываться в кишечнике только после гидролиза на моносахаридные компоненты: при низкой лактазной активности неусвоенная лактоза накапливается в кишечнике; в результате после потребления молока у человека с непереносимостью лактозы возникает тяжелый понос и боли в животе. Непереносимость лактозы не следует путать с генетическим заболеванием - галактоземией (разд. 15.9).

Рис. 11-12. Важнейшие дисахариды. Структура мальтозы показана как при помощи проекции Хеуорса, так и в конформационной формулы.

Сахароза, или тростниковый сахар, — дисахарид, состоящий из глюкозы и фруктозы. Сахарозу синтезируют многие растения, у высших же животных она отсутствует. В отличие от мальтозы и лактозы у сахарозы нет свободного аномерного атома углерода, поскольку оба аномерных атома моносахаридных остатков связаны друг с другом (рис. 11-12); поэтому сахароза не является восстанавливающим сахаром. В биохимии растений этот дисахарид - своего рода загадка. Дело в том, что если D-глюкоза служит основным строительным блоком как крахмала, так и целлюлозы, то сахароза основной промежуточный продукт фотосинтеза. У многих растений именно в форме сахарозы транспортируются по сосудистой системе сахара из листьев к другим частям растения. Преимущество сахарозы перед глюкозой как транспортной формы сахаров заключается, вероятно, в том, что ее аномерные атомы углерода связаны друг с другом: это предохраняет сахарозу от атаки окислительных или гидролитических ферментов в процессе ее переноса из одной части растений в другую.

Животные не могут усваивать сахарозу как таковую, однако она становится доступной для усвоения после воздействия фермента сахаразы (другое его название - инвертаза), локализованного в клетках, выстилающих тонкий кишечник (см. рис. 24-2). Этот фермент катализирует расщепление сахарозы на D-глюкозу и D-фруктозу, которые легко проникают в кровоток.

Таблица 11-1. Сладость некоторых сахаров и сахарина

Сахароза обладает наибольшей сладостью по сравнению с другими дисахаридами и глюкозой (табл. 11-1). Из-за постоянно возрастающей стоимости ввозимого в США тростникового сахара, сырьем для которого служит сахарный тростник и сахарная свекла, а также благодаря доступности в США больших количеств D-глюкозы, получаемой путем гидролиза кукурузного крахмала, в последнее время была предложена новая промышленная технология, позволяющая получать продукт, обладающий более сладким вкусом, чем глюкоза. По этой технологии крахмал сначала гидролизуют с образованием кукурузного сиропа - концентрированного нейтрального раствора D-глюкозы; далее полученный раствор пропускают через большую колонку, заполненную инертным носителем, к которому ковалентно пришит выделенный из растений фермент глюкозоизомераза. Этот иммобилизованный на инертном носителе фермент катализирует обратимую реакцию:

D-глюкоза ⇄ D-фруктоза.

В результате этой реакции кукурузный сироп превращается в эквимолярную смесь D-глюкозы и D-фруктозы. Поскольку D-фруктоза примерно в 2,5 раза слаще D-глюкозы (табл. 11-1), степень сладости сиропа после такой обработки существенно возрастает. Этот продукт оказывается значительно дешевле сахарозы, обладая при этом такой же питательной ценностью. Сейчас он все шире используется в пищевой промышленности, при производстве безалкогольных напитков и мороженого. Недавно в продажу поступил новый продукт, содержащий 90% фруктозы и получаемый также путем изомеразной реакции; его можно использовать для замены обычного пищевого сахара, однако стоит он в два раза дороже сахарозы. Поскольку фруктоза значительно слаще сахарозы, этот продукт можно потреблять в значительно меньших количествах, чем сахарозу; следовательно, его использование уменьшает количество усваиваемых калорий. С другой стороны, по питательной ценности фруктоза не отличается от сахарозы, и поэтому более высокую стоимость нового продукта нельзя считать оправданной.

Рис. 11-13. Сахарин неусваиваемое сладкое на вкус искусственное вещество.

Главным образом для людей, страдающих ожирением и диабетом, которым вредно избыточное употребление сахара, были получены искусственные сладкие вещества, не обладающие питательной ценностью. Эти искусственные сладости стимулируют те же вкусовые рецепторы на языке, что и природные сахара, но не усваиваются организмом (см. гл. 26). Наиболее широкое распространение из таких веществ получил сахарин (рис. 11-13), который в 400 раз слаще сахарозы.