Углеводы

Углеводы (синонимы: глициды, глюциды, сахариды, сахара) — обширный, наиболее распространенный на Земле класс органических соединений, входящих в состав клеток всех организмов и абсолютно необходимых для их жизнедеятельности. Углеводы являются первичными продуктами фотосинтеза. Во всех живых клетках У. и их производные играют роль пластического и структурного материала, поставщика энергии, субстратов и регуляторов жизненно важных биохимических процессов. Качественное или количественное изменение содержания различных У. в крови, моче и других биологических жидкостях человека является информативным диагностическим признаком нарушений углеводного обмена, носящих наследственный характер или развившихся вторично вследствие различных патологических состояний. В питании человека У. являются одной из основных групп пищевых веществ наряду с белками и жирами (см. Питание). Термин «углеводы» (углерод + вода) был предложен в 1844 г. Шмидтом (С. Schmidt), т.к. формулы известных в то время представителей этого класса веществ соответствовали общей формуле Cn (Н₂О) _m, однако позже оказалось, что подобную формулу могут иметь не только У., но и, например, молочная кислота. Кроме того, к У. стали относить различные, сходные по свойствам их производные с иной общей формулой.

    Класс У. включает самые разнообразные соединения от низкомолекулярных веществ до высокомолекулярных полимеров. Условно У. делят на три большие группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Отдельно рассматривают группу смешанных биополимеров, молекулы которых содержат наряду с олигосахаридной или полисахаридной цепью белковые, липидные и другие компоненты (см. Гликоконъюгаты). К моносахаридам (монозам, или простым сахарам) относят полиоксиальдегиды (альдозы, или альдосахара) и полиоксикетоны (кетозы, или кетосахара). По числу углеродных атомов моносахариды делят на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы, октозы, нонозы. Наиболее распространены в природе и важны для человека гексозы и пентозы. По взаимному пространственному расположению водорода и гидроксильной группы у последнего асимметричного углеродного атома в молекуле все моносахариды относят к D- или L-ряду (вращают плоскость поляризованного луча света соответственно вправо или влево). Моносахариды, распространенные в природе как в свободном виде, так и входящие в состав многочисленных соединений, относятся главным образом к D-ряду; моносахариды в твердом состоянии находятся в виде циклических полуацеталей — пятичленных (фураноз) или шестичленных (пираноз). Моносахариды существуют в виде a- и b-изомеров, различающихся по конфигурации асимметричного центра у карбонильного углерода. В растворе между этими формами устанавливается подвижное равновесие, кроме того, в нем присутствует наиболее реакционно-способная ациклическая форма моносахарида. Циклы моносахаридов могут приобретать различные геометрические формы, называемые конформациями. К моносахаридам относятся также дезоксисахара (гидроксильная группа замещена водородом), аминосахара (содержат аминогруппу), уроновые, альдоновые и сахарные кислоты (содержат карбоксильные группы), многоатомные спирты, эфиры моносахаридов, гликозиды, сиаловые кислоты и др.

    К олигосахаридам относят соединения, молекулы которых построены из остатков циклических форм моносахаридов, соединенных О-гликозидными связями. Число остатков моносахаридов в молекулах олигосахаридов не превышает 10. Олигосахариды делятся на ди-, три-, тетрасахариды и т.д. по числу входящих в них остатков моносахаридов. Если молекула олигосахарида построена из остатков одного и того же моносахарида, то его называют гомоолигосахаридом; если же такая молекула построена из остатков разных моносахаридов — гетероолигосахаридом. Олигосахариды бывают линейными, разветвленными, циклическими, редуцирующими (обладающими способностью к химической реакции восстановления) и нередуцирующими; они различаются также по типу связи между остатками моносахаридов. Ранее олигосахариды и моносахариды иногда объединяли под общим названием «сахара». В гликозидах моносахаридная или олигосахаридная часть молекулы соединяется с низкомолекулярным неуглеводным компонентом через серу (S-гликозиды), кислород (О-гликозиды) или азот (N-гликозиды).

    Полисахариды (полиозы, гликаны) — высокомолекулярные соединения, содержат в составе своей молекулы десятки и даже тысячи циклических моносахаридных звеньев, соединенных гликозидными связями, некоторые полисахариды содержат также остатки серной, фосфорной и жирных кислот. Полисахариды делят на гомо- и гетерополисахариды, линейные и разветвленные. Кроме того, они различаются и типом связи между моносахаридными остатками. Олигосахариды и полисахариды, построенные только из моносахаридов, часто называют просто сахаридами.

    Многие моносахариды легко растворимы в воде и полярных растворителях, легко кристаллизуются, имеют сладкий вкус, оптически активны и обладают восстанавливающей способностью. Ациклические моносахариды при восстановлении образуют полиспирты (полиолы), при окислении — кислоты (уроновые, альдоновые и сахарные). При воздействии на моносахариды кислот или щелочей происходит взаимопревращение альдосахаров в кетосахара и обратно (эпимеризация). В более жестких условиях из моносахаридов под действием кислот образуются фурфуролы, а при сильном защелачивании моносахариды деградируют с разрывом углерод-углеродных связей. Большинство полисахаридов — аморфные вещества, труднорастворимые или не растворимые в воде и органических растворителях (при растворении в воде образуют коллоиды, не растворимые в воде набухают). Полисахариды не кристаллизуются, практически не обладают восстанавливающей способностью. Олигосахариды по своим свойствам занимают промежуточное положение между моносахаридами и полисахаридами. Они растворимы в воде, способны к кристаллизации, многие обладают сладким вкусом. Под действием кислот олигосахариды и полисахариды гидролизуются до моносахаридов.

    Самыми важными для организма человека моносахаридами являются: из пентоз — рибоза, дезоксирибоза и ксилоза, из гексоз — наряду с глюкозой альдогексозы галактоза (цереброза) и манноза, кетогексоза фруктоза (или фруктовый сахар), дезоксигексоза фукоза, гексозамины (глюкозамин и галактозамин), из сиаловых кислот — нейраминовая кислота. Все эти моносахариды, за исключением фруктозы, являются компонентами различных смешанных биополимеров. Дисахариды: сахароза (тростниковый сахар, глюкофруктозил) и лактоза (молочный сахар, глюкогалактозид) являются важными компонентами пищи человека. Большое значение для человека имеют гомополисахариды, построенные из остатков глюкозы, такие, как резервный полисахарид гликоген, один из основных пищевых У. — крахмал, структурный растительный полисахарид — целлюлоза, или клетчатка. Крахмал, сахароза, лактоза, декстрины и другие У. превращаются в организме в глюкозу (см. Углеводный обмен), которая затем, окисляясь анаэробным путем (см. Гликолиз) и аэробным путем (см. Дыхание), снабжает энергией все живые клетки организма. Однако роль У. не сводится только к покрытию энергетических потребностей. Промежуточные продукты обмена У. используются для синтеза других необходимых классов веществ, в частности липидов, нуклеиновых кислот. Чрезвычайно важна резервная функция У. (полисахариды гликоген и крахмал), опорная функция (полисахариды целлюлоза и хитин, гликопротеиды, гликолипопротеиды и др.) и высокоспециализированные функции углеводсодержащих смешанных биополимеров и полисахаридов (коферментов, витаминов, антикоагулянтов, антибиотиков, специфических групповых веществ). Велика роль У. в процессе оплодотворения, в иммунных реакциях, при маркировке и транспорте гликопротеидов и т.д.

    В органах и тканях человека содержится около 2% У. (в пересчете на сухую массу ткани). В основном это гликоген печени и мышц. Содержание глюкозы в крови в норме составляет 50—95 мг/100 мл или 2,8—5,3 ммоль/л. Кроме глюкозы, в крови содержатся фруктоза (0,5—5 мг/100 мл), пентозы (1,8—3,3 мг/100 мл), следы альдогексоз (галактозы, маннозы), дисахаридов (лактозы, сахарозы, мальтозы — солодового сахара), различных полисахаридов. В крови взрослых содержание гликогена составляет 7—15 мг/100 мл,

у детей — около 20 мг/100 мл. В цереброспинальной жидкости содержится ²/₃—³/₄ количества У. крови (в основном глюкозы), т.е. 40—70 мг/100 мл. С мочой взрослого человека за сутки в норме выделяется 16—132 мг глюкозы или 3—15 мг/100 мл; в моче обнаружены следовые количества различных пентоз (ксилозы, арабинозы, рибозы), гексоз (рамнозы, фруктозы), дисахаридов (лактозы, сахарозы) и др. У детей, особенно у новорожденных и недоношенных, при питании молоком возрастает содержание в моче лактозы (до 120 мг/100 мл), глюкозы (до 25 мг/100 мл), галактозы (до 25 мг/100 мл) и фруктозы (до 70 мг/100 мл). У взрослых, практически здоровых людей с мочой за сутки выделяется 65,8—193,4 мг гликозаминопротеогликанов и 2,7—7,5 мг кислых гликозаминогликанов (хондроитинсульфатов А и С). В моче в норме содержится 1—11 мг/100 мл гликопротеидов.

    Стойкие изменения содержания У. в тканях и биологических жидкостях, а также изменение активности ферментов, участвующих в их превращениях, являются важнейшими биохимическими диагностическими тестами нарушений углеводного обмена. Таковы, например, повышение концентрации глюкозы в крови и моче при сахарном диабете (см. Диабет сахарный), увеличение содержания в крови галактозы при галактоземии, в моче — фруктозы, сахарозы, пентоз и др. при различных видах мелитурий (фруктозурии, сахарозурии, пентозурий и др.). При диффузных болезнях соединительной ткани и гликогенозах концентрация гликогена в крови может подниматься до 100 мг/100 мл и выше, а при остром гепатите снижаться ниже нормы. При менингитах в цереброспинальной жидкости снижается концентрация глюкозы; при энцефалитах и сахарном диабете она повышается. При нарушениях обмена гликозаминогликанов — мукополисахаридозах в моче больных повышается концентрация различных кислых мукополисахаридов, в. т. ч. и хондроитинсульфатов.

    При нарушениях углеводного обмена содержание отдельных сахаров обычно определяют в наиболее доступном биологическом материале — крови и моче больного. Методы определения У. в зависимости от своего назначения можно разделить на качественные пробы, количественные методы, методы идентификации сахаров, а также развивающиеся в последнее время полуколичественные экспресс-методы определения сахаров с использованием готовых форм реактивов и автоматизированные количественные методы с использованием автоанализаторов. Качественные пробы на сахара предназначены для обнаружения в моче повышенного содержания глюкозы или других моносахаридов. Большинство проб основано на способности моносахаридов при окислении восстанавливать ряд веществ. Так, в пробе Бенедикта (Фелинга, Гайнеса и др.) глюкоза восстанавливает при нагревании в щелочной среде гидрат окиси меди синего цвета и закись меди красного цвета, в пробе Ниландера нитрат висмута — в черный металлический висмут. Все эти пробы легко могут быть проведены в любой лаборатории, однако они не позволяют получить количественной оценки и очень неспецифичны, т.к. дают положительный результат с любым веществом, обладающим восстанавливающей способностью. Количественные методы определения сахаров в биологических жидкостях весьма разнообразны. Их можно разделить на поляриметрические, титриметрические, химические колориметрические и ферментативные колориметрические методы. Растворы сахаров оптически активны и могут вращать плоскость поляризованного луча света, причем угол вращения пропорционален концентрации сахара в растворе. Изменяя в поляриметре угол вращения обесцвеченной прозрачной пробы мочи, можно определить содержание в ней глюкозы. Метод этот малоспецифичен и неточен, т.к. различные сахара имеют разные величины удельного вращения (а в моче могут присутствовать несколько сахаров); результаты измерения искажаются также присутствием в пробе других оптически активных веществ.

    Титриметрические методы основаны на определении восстанавливающей способности глюкозы. Например, в методе Хагедорна — Йенсена глюкоза безбелкового фильтрата крови восстанавливает в щелочной среде красную кровяную соль до желтой кровяной соли; избыток красной кровяной соли измеряют йодометрическим титрованием и т. о. определяют концентрацию глюкозы. Этот метод трудоемок и малоспецифичен, т.к. наряду с глюкозой определяются все восстанавливающие вещества. Последующие модификации этого метода (в частности, метод Фудзиты — Иватаке) сводились к попыткам удалить из пробы крови вместе с белками некоторые восстанавливающие вещества (мочевую кислоту, глутатион и др.). Одним из первых были модифицированы в колориметрические различные редуктометрические методы определения сахаров. Так, в методе Крецелиуса — Зейферта под действием глюкозы в щелочной среде пикриновая кислота восстанавливается до коричнево-красной пикраминовой кислоты, а в методе Нельсона — Шомодьи медь из медно-тартронового реактива восстанавливалась до закисного гидрооксида меди, который в реакции с арсеномолибдатом аммония давал синюю окраску. Интенсивность окраски определяли колориметрически, а расчет глюкозы вели по стандартной кривой. Эти методы были неспецифичны и давали большую ошибку при определении. Еще менее точными оказались методы, основанные на осмолении редуцирующих сахаров при кипячении со щелочью (метод Альтгаузена и его модификации).

    Большая группа колориметрических методов основана на получении из сахаров при нагревании с минеральными кислотами фурфуролов, которые реагируют затем с различными циклическими соединениями (антроном, фенолом, a-нафтолом и др.) с образованием цветных комплексов. Интенсивность окраски соответствует количеству образовавшегося фурфурола, т.е. концентрации сахара в исследуемой пробе. Точность этих методов в большой степени зависит от качества кислоты и температурного режима. Было показано, что при нагревании в слабокислой среде альдосахара (глюкоза, галактоза и др.) способны непосредственно соединяться с циклическими аминами (анилином, о-толуидином, дифениламином и др.) с образованием цветных продуктов конденсации. Это свойство было использовано для разработки методов определения глюкозы, среди которых наиболее распространен и унифицирован о-толуидиновый метод определения альдосахаров в крови и в моче.

    Наиболее специфичными и перспективными методами определения сахаров считаются методы, основанные на использовании чистых ферментов. Так, глюкозу в биологических жидкостях определяют с помощью фермента глюкозооксидазы. Этот фермент окисляет глюкозу до глюконовой кислоты, при этом в реакции образуется перекись водорода; ее расщепляют ферментом пероксидазой, и образовавшийся в реакции атомарный кислород окисляет какой-либо краситель до окрашенной формы. Интенсивность окраски пропорциональна содержанию в пробе глюкозы. Метод унифицирован и широко распространен во многих клинико-диагностических лабораториях Для определения глюкозы были разработаны также методы с использованием фермента гексокиназы, которая при участии аденозинтрифосфата превращает глюкозу в глюкозо-6-фосфат; в реакции образуется также аденозиндифосфат. Далее определяют глюкозо-6-фосфат с помощью глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы или содержание аденозиндифосфата с помощью пируваткиназы и лактатдегидрогеназы. Гексокиназные методы точны и специфичны, но используются редко из-за дефицита и высокой стоимости чистых ферментов. Специфическое определение галактозы в крови больных с галактоземией проводилось с помощью галактозооксидазы — фермента по своему действию близкого к глюкозооксидазе.

    Проблема идентификации сахаров в биологических жидкостях возникла вследствие необходимости диагностировать различные мелитурии, болезни накопления, а также с целью установления строения олигосахаридов. Первые методы идентификации были качественными пробами на определенные виды сахаров. Они основывались на образовании различных видов озазоновых и гидразоновых кристаллов моносахаридов, на сбраживании сахаров различными микроорганизмами, на различной способности моносахаридов образовывать фурфуролы. Пентозы в моче обнаруживали пробами с флороглюцином, орцином, бензидином и др.

; фруктозу — резорциновым, тиобарбитуровым и другими методами; галактозу и лактозу — по образованию белой слизевой кислоты в присутствии азотной кислоты; дезоксисахара (фукозу, дезоксирибозу и др.) — методами Дише по дифениламиновой реакции в кислой среде; сиаловые кислоты после их гидролитического отщепления от гликопротеидов определяли по реакции Гесса с серной и уксусной кислотами или по реакции с тиобарбитуровой кислотой; сахарозу — по кислотному или ферментативному гидролизу и образованию глюкозы и фруктозы. Все ферментативные методы определения сахаров являются также и методами их идентификации. Однако качественно и количественно охарактеризовать весь состав сахаров в исследуемой пробе биологической жидкости стало возможным только при использовании электрофоретического разделения боратных комплексов сахаров или различных видов хроматографии (на бумаге, в тонком слое силикагеля, колоночной, газожидкостной и др.). При идентификации олигосахаридов и полисахаридов их сначала выделяют в чистом виде, затем определяют их мономерный состав после полного кислотного гидролиза, степень полимеризации и молекулярную массу и далее устанавливают типы гликозидных связей после частичного кислотного или ферментативного гидролиза.

    Экспресс-методы определения в биологических жидкостях различных компонентов (в т.ч. сахаров) характеризуются большой чувствительностью, точностью, быстротой и простотой исполнения. Для их выполнения не требуется специального оборудования. Первоначально были разработаны таблеточные редуктометрические экспресс-методы для определения сахаров в моче. Окраску мочи через 1—2 мин после добавления таблеточных реактивов сравнивали с цветной шкалой и по ней определяли концентрацию редуцирующих сахаров в пробе. Позднее были предложены различные варианты тест-бумажек для ферментативного определения глюкозы в моче (например, «Глюкотест») и в крови (например, «Глюкозан») с использованием глюкозооксидазного метода. Эти экспресс-методы отличаются высокой специфичностью. Для проведения анализа достаточно полоску фильтровальной бумаги, пропитанную реактивами и ферментами, смочить мочой или каплей крови и сравнить развившуюся через 1—2 мин окраску с приложенной цветной шкалой. Концентрацию глюкозы в пробе определяют по совпадающему цвету на шкале. Интенсивность окраски полоски (и концентрация глюкозы в пробе) может быть определена точнее с помощью специального отражательного фотоэлектроколо-риметра. Тест-бумажки стали выпускать в различных комбинациях с другими экспресс-методами (например, полоски Multistix фирмы Ames), благодаря чему исследователь получил возможность за 1—2 мин определить до 10 компонентов мочи. Были выпущены также тест-бумажки для определения галактозы в моче с помощью фермента галактозооксидазы. Использование экспресс-методов особенно перспективно для диагностики сахарного диабета и галактоземии, контроля за ходом лечения (больной может самостоятельно определить концентрацию сахара), для использования в экстренных случаях (например при подозрении на гипогликемическую кому) и в местностях, удаленных от клинико-диагностических лабораторий. Разработка новых экспресс-методов в настоящее время ведется многими научными центрами и фирмами.

    Значительным достижением в развитии лабораторной техники явились разработка и внедрение в практику работы крупных лабораторных центров автоматических анализаторов. Многие количественные методы определения сахаров (редуктометрические, о-толуидиновый, глюкозооксидазный) были модифицированы для автоанализаторов, в результате чего клиники получили возможность в течение короткого времени с минимальными затратами и высокой точностью проводить большие серии определений концентрации сахаров в биологических жидкостях больных.

 

    Библиогр.: Биохимические методы исследования в клинике, под ред. А.А. Покровского, с. 216, 234, М., 1969; Кочетков Н.К. и др. Химия углеводов, М., 1967; Лабораторные методы исследования в клинике, под ред. В.В. Меньшикова, с. 230, М., 1987; Мецлер Д. Биохимия, пер. с англ., т. 1—2, М., 1980; Степаненко Б.Н. Химия и биохимия углеводов (полисахариды), М., 1978; Тодоров И. Клинические лабораторные исследования в педиатрии, пер. с болг., с. 545, 945, София, 1968.