Привычный нам сахар в сахарнице далеко не самый распространённый углевод в природе. Гораздо больше на нашей планете крахмала и целлюлозы, которые растения используют в качестве запасного вещества и для создания своих клеточных стенок. Но это только малая часть разнообразия углеводов в природе.
Углеводы принято разделять по количеству составляющих их мономеров. Так, моносахариды состоят всего из одного мономера. Они хорошо растворяются в воде и почти все имеют сладкий вкус. Самый распространённый моносахарид – глюкоза. Для многих клеток она является основным источником энергии. Ещё одним известным примером является фруктоза, которая содержится в плодах растений. Также мы уже знакомы с рибозой и дезоксирибозой, входящими в состав нуклеиновых кислот.
Следующая группа углеводов – олигосахариды. Они состоят из нескольких мономеров (обычно от 2 до 10). Наиболее известный олигосахарид – это дисахарид сахароза (или просто сахар). Она состоит из фруктозы и глюкозы. В природе она содержится в плодах растений, а особенно много в сахарном тростнике и свекле, которые служат источником сахара в производстве.
Самые крупные углеводы – полисахариды. Такие молекулы могут состоять из тысяч (даже десятков тысяч) мономеров. Самый распространённый в природе полисахарид – целлюлоза. Она образует клеточные стенки растений, поэтому её особенно много в растительных тканях. Например, древесина состоит на 50% из целлюлозы.
Удивительно, но углеводы составляют большую часть биологических молекул на Земле. Такой перевес поддерживается ежегодным превращением миллионов тонн углекислого газа и воды в углеводы в результате фотосинтеза. Казалось бы, зачем их столько нужно? Как и другие классы соединений, углеводы выполняют сразу несколько функций в живых организмах.
Каждая растительная клетка должна поддерживать свою форму, а целое растение должно удерживать свои листья и ветви, противостоять ветру и нападениям хищников. У растений нет твердого скелета, как у нас. Опорная функция выполняется совокупностью жёстких клеточных стенок из целлюлозы. Клеточные стенки грибов и экзоскелеты насекомых образует хитин.
Также углеводы являются основным источником энергии в нашем организме. Они богаты энергией и легко вовлекаются в клеточный обмен веществ. Чтобы всегда иметь их «под рукой», живые организмы запасают углеводы в форме полисахаридов. Так, у растений эту роль выполняет знакомый всем крахмал, а у животных подобный ему гликоген, состоящие из мономеров глюкозы. В случае голодания, клетки расщепляют полисахариды и используют глюкозу для получения энергии и создания других молекул.
Углеводы также входят в состав нуклеиновых кислот. Вместе с остатком фосфорной кислоты рибоза и дезоксирибоза образуют остов (каркас) молекул РНК и ДНК. На остове закреплены азотистые основания, которые определяют генетическую функцию нуклеиновых кислот. Кроме того, образующиеся в ходе разрушения моносахаридов молекулы служат основой для синтеза аминокислот, жиров и витаминов.
После своего синтеза белки и жиры могут дополнительно модифицироваться. Одной из таких модификаций может служить пришивание олигосахарида (гликозилирование). Многие белки животных и растений несут подобные метки. Они влияют на укладку белка и определяют его локализацию в организме. Например, группы крови человека определяются составом углеводов, закреплённых на поверхности эритроцитов.
Большое природное разнообразие углеводов определяет многообразие их функций в живых организмах. Несмотря на продолжительные исследования, углеводы таят в себе ещё много загадок.