Как известно, полноценная пища для человека должна включать белки, жиры, углеводы, витамины и микроэлементы. Главные углеводные компоненты пищи - это крахмал, сахароза, глюкоза, фруктоза. Целлюлозная промышленность со всеми ее многочисленными ответвлениями производит и утилизирует другой представитель класса углеводов: высокомолекулярный полисахарид - целлюлозу. Что общего между несъедобной целлюлозой и крахмалом?
Наша звездная система называется Галактикой. Есть ли что-либо общее этим названием и моносахаридом галактозой? Вспомним: Галактика - Млечный путь - молоко - молочный сахар - лактоза - галактоза. Пустыня сахара и сахар. Древний Египет - тростник в долине Нила - тростниковый сахар, впервые попавший в Европу из Африки - Сахара.
Морской прибой непрерывно бьет о камни водоросли литорали. Они изгибаются, сплетаются друг с другом, завязываются в узлы, трутся взмытым песком - и все же сохраняют свою целостность. Что придает им форму и эластичность?
Микробиологи выращивают культуру микроорганизмов на агаровых средах. Практически это застывшая при комнатной температуре вода – твердый агаровый гель можно получить из 1л воды и всего 1 г агара. При всей гигантской всеядности микроорганизмов в целом (некоторые из них разрушают бетон и резину, утилизируют молекулярный водород, живут в серной кислоте и т.д.), лишь немногие из них способны переваривать агар. Агар – тоже полисахарид. Его выделяют из морских водорослей, которым он и подобные ему полисахариды обеспечивают чрезвычайно прихотливый набор физико-механических и физико-химических характеристик, необходимых растению для выживания в столь своеобразной среде, как прибойная зона Мирового океана.
По ошибке больному перелили кровь другой группы. Наступает бурная, чрезвычайно опасная реакция. Чем она вызвана? Оказывается, полисахаридные цепи биополимеров крови донора и реципиента различались по структуре всего на одно-два моносахаридных звена.
В технике борьба с трением и износоустойчивость – проблема фундаментального значения. В живых системах, где механическое движение распространено универсально, та же проблема решается не менее универсально – при помощи гликопротеиновой смазки. Гликопротеины – биополимеры, включающие белковую и пептидную компоненты, ковалентно связанные с углеводной. Она выстилает в животных организмах все трущиеся поверхности: кости в суставах, кровеносные сосуды, мочеполовые пути, поверхность тела рыб и т.л. А у антарктических рыб определенные гликопротеины играют роль антифризов, препятствующих замерзанию крови и других биологических жидкостей при отрицательных температурах.
А вот другой гликопротеин – хитин. Из него построены жесткие панцыри разнообразных низших животных – ракообразных, насекомых и т.д. Иная функция – иной набор механических и химических характеристик, во многом уникальных. Большой кусок крабьего панцыря, например, хрупок, и, казалось бы, измельчить его не составляет труда. Но попробуйте растереть его более мелкие кусочки в ступке. Материал пружинит, выскальзывает из-под пестика, но растиранию упорно не поддается. Он «ухитряется» быть одновременно и твердым, и вязким, и хрупким, и эластичным.
В организм попали болезнетворные микроорганизмы. Резко повышается температура, энергично вырабатывается иммунный ответ организма. На что в первую очередь реагирует организм-хозяин? На то, с чем соприкасается прежде всего: на материал, выстилающий внешнюю поверхность клеток-паразитов.У одного из классов возбудителей инфекционных болезней это липополисахариды – высокомолекулярные структуры, включающие липидную и полисахаридную части. У каждого вида – свои липополисахариды, и ответ на них строго индивидуален и специфичен (так, иммунитет от брюшного тифа не спасает от возвратного).
Кто в наше время не знает о нуклеиновых кислотах. Три структурных элемента обязательно входят в состав их каждого мономерного звена: гетероциклическое основание, фосфат и моносахаридный остаток: рибоза или 2-дезокси-рибоза. Таким образом, и это – производные углеводов.
Можно, наконец, вспомнить и о том, что углеводы составляют основную часть всего органического вещества на планете Земля.
Итак, углеводы – это глюкоза, крахмал, целлюлоза, лактоза, сахароза, агар, гликопротеины, липополисахариды, хитин, нуклеиновые кислоты, ацетатная пленка, шпательное волокно и т.д. и т.п. Так что же это все-таки такое,- углеводы? Как почти любому классу органических соединений с развитой химией, им трудно дать вполне строгое определение, т.е. такое, которое включало бы все представители и ислключало все, не входящее в этот класс. Поэтому поступим иначе: попытаемся описать основные структурные черты углеводов и показать на конкретных примерах их типичных представителей, какими они бывают.
Можно начать с семантики. «Угле-воды», уголь и вода, C n (H 2 O) n. Так их называли в прошлом веке, когда элементный состав органических соединений служил одной из важнейших доступных характеристик. Действительно, элементарная формула глюкозы, C 6 H 12 O 6 – отвечает схеме «уголь+вода». Но понятно, что разбор одного элементного состава дает немного. Даже уксусная кислота в соответствии с таким определением есть углевод [CH 3 COOH = C 2 (H 2 O) 2 ]. Так что оставим семантику и обсудим вопрос в более современных терминах.