Сегодня МирСоветов расскажет об углеводах. За счет того, что они легко усваиваются, это не только один из самых главных поставщиков энергии для человека, это важный элемент в деле обмена веществ в целом в организме.
Принимая пищу и утоляя чувство голода, мы не только удовлетворяем пищевой инстинкт, второй по значимости инстинкт в жизни человека после инстинкта самосохранения, мы даем возможность нашему организму правильно функционировать.
Из каких же составляющих состоит наша еда? Основные – это белки, жиры, углеводы, минеральные вещества, витамины, вода. Роль каждого из них значительна для жизнедеятельности человека. За счет поступления вместе с продуктами питания важных компонентов мы сохраняем здоровье и хорошо себя чувствуем.

Значение углеводов для человека

Для обеспечения жизненных функций необходимо значительное количество углеводов, но так как запасы их в организме человека невелики, приходится каждый день восполнять требующуюся норму. В ежедневном рационе они занимают от 50% до 70% от общего количества принимаемой пищи.
Итак, знакомимся поближе: углеводы – это органические соединения, которые состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. Продукты растительного происхождения являются основным источником углеводов для организма, в продуктах животного происхождения, например, в мясе, их практически нет.
Принято разделять углеводы на две группы: простые (быстрые) и сложные (медленные). Это зависит от того с какой скоростью они расщепляются в организме. Также большое значение при определении питательной ценности углеводсодержащих продуктов играет и то, подвергались ли они кулинарной обработке.

Простые или быстрые углеводы

Они легко перерабатываются в глюкозу, фруктозу, лактозу, сахарозу и мгновенно усваиваются организмом. Растительная пища, которая не прошла переработку, другими словами, сырая является поставщиком простых полезных углеводов.

Природный источник полезных простых углеводов – это ягоды и фрукты. Например, виноград, малина, клубника, арбуз, смородина, вишня, киви, апельсины, ананас.

Уникальный дар природы, состоящий из фруктозы и глюкозы, кладезь полезных микроэлементов – натуральный мед. Также хочется отметить, что углеводы содержатся в молоке и молочных продуктах в виде лактозы.
К простым, но вредным углеводам можно отнести растительную пищу, прошедшую пищевую обработку, обогащенную жирами и дополнительным сахаром.

Сахар, кстати, является простым углеводом в чистом виде, а это значит, что он мгновенно усваивается организмом. В случае если вы не заняты тяжелой физической работой, и вам не надо быстро восполнить источник энергии, сахар как совершенно бесполезный с точки зрения его питательной ценности продукт целесообразно исключить из рациона во избежание накопления лишнего веса.

К таким же бесполезным продуктам с высоким содержанием углеводов можно отнести сладкую газированную воду, конфеты, мороженое, выпечку, торты, хлеб и макаронные изделия из белой муки, сиропы, сладкие вина, ликеры, сухие завтраки. Отдельно заметим, что полуфабрикаты (различные пельмени-вареники-пиццы), продукты быстрого приготовления (вермишель-пюре), кроме значительного количества углеводов, никакой пользы для организма не несут. Людям, стремящимся к похудению, о продуктах из этого списка нужно забыть.

Сложные углеводы

Сложные углеводы, они также называются медленными из-за того, что в процессе пищеварения отдают энергию частями в течение длительного времени.
Овощи и фрукты и здесь играют не последнюю роль. Если ягоды из списка простых, полезных углеводов состоят в основном из жидкости и фруктозы, то сложные углеводы растительного происхождения дополнительно содержат еще и пищевые волокна, так называемую клетчатку. Клетчатка – это и есть тот материал, из которого главной частью и состоит растение, а конкретнее, его плод. Клетчатка практически не переваривается организмом, благодаря чему активизирует работу желудочно-кишечного тракта и перистальтику кишечника, что в свою очередь предотвращает застой переваренной пищи. Еще пара хороших компонентов сложных полезных углеводов. Один из них – пектин, который полезен тем, что выводит из организма токсины. Другой – крахмал, который отвечает за замедление усвоения углеводов и делает постепенным выдачу энергии организму.

Все эти полезные вещества содержатся в овощах и фруктах, как сырых, так и переработанных (тут отмечу – полезнее запеченные или отварные). И, несмотря на невысокую калорийность, дают ощущение сытости. Вот эти полезные овощи и фрукты – капуста, яблоки, груши, свекла, картофель, морковь, тыква, кабачок, да все их и не перечислишь.

Также к сложным углеводам относятся и (курага, чернослив, изюм, инжир), они могут заменять «вредные» сладости. Здесь стоит сказать, что к сухофруктам иногда ошибочно относят цукаты – дольки сушеных ананасов, манго, лимонов, мандаринов. Все это, конечно же, бесполезные, не имеющие питательной ценности простые вредные углеводы, содержащие, как и любые конфеты только сахар.
Углеводы содержатся в отрубях, бобовых (фасоль, орехи), хлебе из муки грубого помола, крупах. В пищу лучше использовать каши, содержащие большее количество пищевых волокон, к таким относятся овсяная, гречневая, кукурузная, перловая крупа, в меньшей степени манка и рис. Все вышеперечисленное – вот где кладезь медленных углеводов, микроэлементов и других ценных питательных веществ.
Нужно помнить, что избыточное употребление углеводов, а также употребление пищи, богатой простыми вредными углеводами, ведет к набору лишнего веса, нарушению обмена веществ, чревато проблемами со здоровьем.
МирСоветов рекомендует сделать правильный выбор в пользу наиболее эффективных и целесообразных для поддержания жизнедеятельности организма углеводов.

Лишь сбалансированное питание обеспечит организм здоровьем. Сегодня мы продолжим рассматривать различные углеводы, определяя их роль в обеспечении организма энергией.

Мальтоза

"Солодовый сахар" - именно так зачастую называют природный дисахарид мальтозу.

Солодовый сахар - это продукт естественного брожения солода, содержащегося в пророщенных, высушенных и перемолотых злаковых культурах (речь идет о ржи, рисе, овсе, пшенице и маисе).

Такой сахар отличается менее приторным и сладким вкусом (в отличие от тростникового и свекловичного), благодаря чему применяется в пищевой промышленности при изготовлении:

• детского питания;
• мюслей;
• пива;
• кондитерских изделий;
• диетических продуктов (например, печенья и хлебцов);
• мороженого.

Кроме того, именно мальтоза используется при производстве патоки, являющейся неотъемлемой составляющей пива.

Мальтоза - это не только отличный источник энергии, а и вещество, помогающее организму получать витамины группы B, клетчатку, аминокислоты, макро- и микроэлементы.

Вред этот дисахарид может принести при условии чрезмерного его потребления.

В каких продуктах содержится мальтоза?

В больших количествах мальтоза присутствует в проросших зернах.

Кроме того, небольшое содержание данного углевода обнаружено в помидорах, апельсинах, дрожжах, меде, плесневых грибах, а также в пыльце, семенах и нектаре некоторых растений.

Крахмал

Крахмал относится к классу сложных углеводов, обладающих высокой энергетической ценностью, а также легкой усвояемостью. Этот полисахарид, проходя по желудочно-кишечному тракту, трансформируется в глюкозу, которая усваивается максимум за 4 часа. Именно на долю крахмала приходится порядка 80 процентов употребляемых с пищей углеводов.

Но! Для максимального усвоения этого углевода его не рекомендуется потреблять одновременно с белковыми продуктами, для переваривания которых требуется щелочная кислота (она же необходима и для усвоения крахмала, что провоцирует оседание в клетках жира). Чтобы усвоение крахмалистых овощей проходило в оптимальном режиме, а организм получал необходимое количество витаминов и микроэлементов, потребление крахмала следует совмещать с приемом жиров, содержащихся в растительном масле, сливках и сметане.

Польза крахмала:

• снижение содержания холестерина в сыворотке крови, а также в печени, что предупреждает развитие склероза;
• выведение излишка воды из организма;
• снятие воспалительных процессов, что особенно актуально для людей с язвами;
• нормализация пищеварения;
• нормализация обмена веществ;
• замедление всасывания сахара, что способствует снижению его уровня после приема пищи;
• уменьшение кожных раздражений.

Вред крахмала

Крахмалы бывают природными (содержатся в натуральных продуктах) и рафинированными (получены в условиях промышленного производства). Вредным является именно рафинированный крахмал, повышающий в процессе пищеварения инулин и способствующий развитию атеросклероза, патологии глазного яблока, нарушению обмена веществ и гормонального баланса.

Поэтому по возможности следует исключить из рациона продукты, в состав которых входит порошковый крахмал (одним из таких продуктов является хлеб из муки высшего сорта).

Важно! Потребление в чрезмерных количествах природного крахмала может привести к появлению метеоризма, вздутия живота и желудочных колик.

В каких продуктах содержится крахмал?

В большом количестве крахмал содержится в зерновых и бобовых культурах, крупах, макаронных изделиях, манго, бананах, корнеплодах, а также клубнях.

Крахмал присутствует и в нижеприведенных продуктах:

• кабачке;
• моркови;
• муке ржаной, рисовой, кукурузной и пшеничной;
• свекле;
• картофеле;
• овсяных и кукурузных хлопьях;
• сое и ее субпродуктах;
• хлебе;
• хрене;
• имбире;
• чесноке;
• тыкве;
• артишоках;
• кольраби;
• цикорие;
• грибах;
• сладком перце;
• корне петрушки и сельдерея;
• редисе.

Важно! Для сохранения питательных и полезных свойств крахмала рекомендуется готовить крахмалистые продукты на пару либо употреблять их в свежем виде.

Важно! Термически обработанные продукты, содержащие крахмал, усваиваются тяжелее сырых.

Интересный факт! Чтобы проверить, содержит ли овощ или фрукт крахмал, можно провести простой тест, заключающийся в том, что на срез овоща или фрукта капается капелька йода. Если по прошествии нескольких минут капля посинеет, значит, тестируемый продукт содержит крахмал.

Клетчатка

Клетчатка, относящаяся к классу полисахаридов, представляет собой волокна, которые составляют основу растений (сюда входят фрукты и овощи, ягоды и корнеплоды).

Важно! Клетчатка практически не всасывается в кишечник, но при этом принимает активное участие в нормализации работы ЖКТ.

Польза клетчатки:

• формирование каловых масс;
• улучшение двигательной функции кишечника;
• предупреждение образования запоров;
• способствование выведению холестерина;
• улучшение выделения желчи;
• притупление чувства голода;
• впитывание и выведение шлаков и токсинов;
• способствование перевариванию углеводов;
• профилактика сердечно-сосудистых болезней и рака толстой кишки;
• препятствование образованию камней в желчном;
• поддержание нормальной микрофлоры кишечника;
• способствование уменьшению жировых прослоек.

Важно! Клетчатка препятствует быстрому всасыванию моносахарида глюкозы в тонком кишечнике, тем самым защищая организм от резкого перепада содержания сахара в крови.

В каких продуктах содержится клетчатка?

Необходимая суточная норма потребления чистой клетчатки (то есть без учета массы продукта, из которого этот углевод получается) составляет не меньше 25 г.

В большом количестве клетчатка содержится во внешних покровах зерна, семян и бобов, а также в кожуре овощей и фруктов (особенно в цитрусовых).

Кроме того, этот полисахарид содержится в приведенных ниже продуктах:

• отрубях;
• крупах;
• орехах;
• семечках;
• ягодах;
• хлебобулочных изделиях из муки грубого помола;
• сухофруктах;
• зелени;
• моркови;
• капусте разных сортов;
• зеленых яблоках;
• картофеле;
• морских водорослях.

Важно! Жиры, сахар, молочные продукты, сыры, мясо и рыба не содержат клетчатку.

Целлюлоза

Целлюлоза - это основной строительный материал, применяемый в растительном мире: так, мягкая верхняя часть растений преимущественно содержит целлюлозу, в состав которой входят такие элементы, как углерод, кислород, водород.

Целлюлоза является видом клетчатки.

Важно! Целлюлоза не переваривается организмом человеком, но при этом крайне полезна для него в качестве "грубого корма".

Польза целлюлозы

Целлюлоза прекрасно поглощает воду, тем самым облегчая работу толстой кишки, что помогает эффективно бороться с такими нарушениями и заболеваниями:

• запор;
• дивертикулез (формирование выпячиваний стенки кишечника мешковидной формы);
• спазматический колит;
• геморрой;
• рак толстой кишки;
• варикозное расширение вен.

В каких продуктах содержится целлюлоза?

• яблоки;
• свекла;
• бразильские орехи;
• капуста;
• морковь;
• сельдерей;
• зеленые бобы;
• груша;
• горох;
• недробленые крупы;
• отруби;
• перец;
• листья салата.

Пектин

С греческого языка название этого углевода, являющегося одним из видов клетчатки, переводится как "свернувшийся" или "застывший". Пектин являет собой склеивающее вещество исключительно растительного происхождения.

Поступая в организм, пектин выполняет двойную функцию: во-первых, выводит вредный холестерин, токсины и канцерогены; во-вторых, обеспечивает ткани глюкозой, что понижает риск развития сердечно-сосудистых заболеваний, сахарного диабета и рака.

Польза пектина:

• стабилизация обмена веществ;
• улучшение периферического кровообращения;
• нормализация перистальтики кишечника;
• устранение проявлений хронических интоксикаций;
• обогащение организма органическими кислотами, витаминами и минеральными веществами;
• замедление всасывания сахара после потребления пищи, что крайне полезно для людей, страдающих сахарным диабетом.

Кроме того, этот углевод обладает обволакивающими, вяжущими, противовоспалительными и обезболивающими свойствами, благодаря чему показан людям с нарушением работы ЖКТ и язвенными болезнями.

Вред пектина

При чрезмерном употреблении пектина возможно возникновение таких реакций:

• понижение всасывания таких полезных минеральных веществ как железо, кальций, магний и цинк;
• брожение в толстой кишке, сопровождающееся метеоризм и понижением усвояемости белков и жиров.

Важно! С натуральными продуктами пектин поступает в организм в небольших дозах, не способных привести к передозировке, тогда как нанести вред здоровью этот полисахарид может при неумеренном потреблении БАДов.

В каких продуктах содержится пектин?

Ежедневная норма употребления пектина в чистом виде составляет порядка 20 - 30 г. Если рацион обогащен фруктами, овощами и зеленью, то нет необходимости получать пектин из синтетических добавок.

Перечень продуктов, содержащих пектин:

• яблоки;
• цитрусовые;
• морковь;
• капуста цветная и белокочанная;
• сушеный горох;
• зеленые бобы;
• картофель;
• зелень;
• земляника;
• клубника;
• корнеплоды.

Инулин

Инулин относится к классу натуральных природных полисахаридов. Действие его подобно действию пребиотика, то есть вещества, которое, почти не адсорбируясь в кишечнике, активизирует метаболизм и рост полезной микрофлоры.

Важно! Инсулин на 95 процентов состоит из фруктозы, одна из функций которой заключается в связывании глюкозы и выведении ее из организма, благодаря чему снижается концентрация сахара в крови.

Польза инулина:

• выведение токсинов;
• нормализация работы ЖКТ;
• улучшение усваивания как витаминов, так и минералов;
• укрепление иммунитета;
• снижение риска развития онкозаболеваний;
• устранение запоров;
• улучшение усваивания инсулина;
• препятствование образованию сгустков крови;
• нормализация кровяного давления;
• способствование выведению желчи.

Важно! Инулин легко усваивается человеческим организмом, вследствие чего применяется при сахарном диабете в медицине в качестве заменителя крахмала и сахара.

В каких продуктах содержится инулин?

Лидером по содержанию инулина по праву признан топинамбур, съедобные клубни которого по своим вкусовым качествам напоминают привычный всем вкус картофеля. Так, в клубне топинамбура содержится порядка 15 - 20 процентов инулина.

Кроме того, инулин содержится в таких продуктах:

• чеснок;
• цикорий;
• банан;
• одуванчик;
• эхинацея;
• ячмень;
• рожь;
• лопух;
• девясил;
• агава.

Интересный факт! Сегодня инулин активно используется при производстве многих продуктов питания, а также напитков: мороженого, сыров, мясных изделий, мюслей, соусов, соков, продуктов детского питания, хлебобулочных, макаронных и кондитерских изделий.

Хитин

Хитин (в переводе с греческого "хитин" обозначает "одежда") представляет собой вещество, входящее в состав наружного скелета как членистоногих, так и насекомых.

Интересный факт! Хитин является одним из самых распространенных в природе полисахаридов: так, ежегодно на планете Земля в живых организмах формируется и разлагается порядка 10 гигатонн этого вещества.

Важно! Во всех организмах, которые вырабатывают и используют хитин, он присутствует не в чистом виде, а лишь в комплексе с иными полисахаридами.

Польза хитина:

• защита от радиоактивного излучения;
• подавление роста раковых клеток посредством нейтрализации действия канцерогенов и радионуклидов;
• профилактика инфарктов и инсультов путем усиления эффекта препаратов, способствующих разжижению крови;
• укрепление иммунитета;
• снижение уровня холестерина в крови, что предупреждает развитие атеросклероза и ожирения;
• улучшение пищеварения;
• стимулирование роста полезных бифидобактерий, что способствует нормализации работы ЖКТ;
• устранение воспалительных процессов;
• ускорение процессов регенерации тканей;
• понижение артериального давления;
• снижение содержания сахара в крови.

В каких продуктах содержится хитин?

Хитин в чистом виде содержится в наружном скелете крабов, креветок и омаров.

Кроме того, это вещество присутствует в определенных видах водорослей, в грибах (наиболее популярны среди наших соотечественников опята и вешенки), дрожжах. Кстати, крылышки бабочек и божьих коровок также содержат хитин.

Но и это еще не все: так, в странах Азии недостаток хитина восполняют путем поедания саранчи, сверчков, жуков и их личинок, червей, кузнечиков, гусениц и тараканов.

Гликоген

Гликоген (этот углевод называют также "животным крахмалом") - это основная форма хранения глюкозы, причем такого рода "законсервированная энергия" в короткий временной промежуток может восполнить дефицит глюкозы.

О чем идет речь? Углеводы, поступающие в организм с продуктами питания, при прохождении пищеварительного тракта расщепляются до глюкозы и фруктозы, которые обеспечивают системы и органы человека энергией. Но часть этих моносахаридов поступает в печень, откладываясь в ней в виде гликогена.

Важно! Именно гликогену, "законсервированному" в печени, отведена важная роль, заключающаяся в поддержании концентрации глюкозы в крови на одном и том же уровне.

Важно! Гликоген, сконцентрированный в печени, практически полностью истощается спустя 10 - 17 часов после употребления пищи, тогда как содержание мышечного гликогена существенно уменьшается лишь после длительных и интенсивных физических нагрузках.

О снижении концентрации гликогена сигнализирует появление ощущения усталости. В итоге организм начинает получать энергию из жира либо из мышц, что крайне нежелательно для тех, кто целенаправленно наращивает мышечную массу.

Израсходованный гликоген необходимо пополнить в течение одного- двух часов, что поможет избежать дисбаланса между жирами, углеводами, белками.

В каких продуктах содержится гликоген?

Гликоген отсутствует в продуктах в своем чистом виде, однако для его восполнения достаточно съесть углеводсодержащие продукты.

Углерод - важнейший биогенный элемент, составляющий основу жизни на Земле, структурная единица огромного числа органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, а также многочисленные низкомолекулярные биологически активные вещества - витамины, гормоны, медиаторы и др.). Значительную часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счет окисления углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений.

Уникальная роль углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один другой элемент периодической системы. Между атомами углерода, а также между углеродом и другими элементами образуются прочные химические связи, которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными). Способность углерода образовывать 4 равнозначные валентные связи с другими атомами. Углерод создает возможность для построения углеродных скелетов различных типов - линейных, разветвленных, циклических. Показательно, что всего три элемента - С, О, Н - составляют 98 % общей массы живых организмов. Этим достигается определенная экономичность в живой природе: при практически безграничном структурном разнообразии углеродистых соединений небольшое число типов химических связей позволяет на много сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ. Особенности строения атома углерода лежит в основе различных видов изомерии органических соединений (способность к оптической изомерии оказалась решающей в биохимической эволюции аминокислот, углеводов и некоторых алкалоидов).

Согласно гипотезе А. И. Опарина, первые органические соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками углерода служили (СН4)и цианистый водород (HCN),содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического углерода, за счет которого образуется всё органическое вещество биосферы, является углерода двуокись (СО2),находящийся в атмосфере, а также растворенная в природных водах в виде НСО3. Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляция) углерода (в форме СО2) - фотосинтез - осуществляется повсеместно зелеными растениями. На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения СО2 путем хемосинтеза; в этом случае микроорганизмы - хемосинтетики используют не лучистую энергию Солнца, а энергию окисления неорганических соединений. Большинство животных потребляют углерод с пищей в виде уже готовых органических соединений. В зависимости от способа усвоения органических соединений принято различать автотрофные организмы и гетеротрофные организмы. Применение для биосинтеза белка и других питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве единственного источника углерода, углеводороды нефти, - одна из важных современных научно - технических проблем.

Помимо стабильных изотопов углерода, в природе распространен радиоактивный 14С (в организме человека его содержится около 0,1мккюри). С использованием изотопов углерода в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота углерода в природе. Так, с помощью радиоуглеродной метки была доказана возможность фиксации Н14СО3 растениями и тканями животных, установлена последовательность реакции фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активных соединений и т. д. Применение 14С способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации. Определение удельной активности 14С в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.

Углерод в периодической системе элементов располагается во втором периоде в группе IVA. Электронная конфигурация атома углерода ls 2 2s 2 2p 2 . При его возбуждении легко достига­ется электронное состояние, при котором на четырех внешних атомных орбиталях находятся четыре неспаренных электрона:

Это объясняет, почему углерод в соединениях обычно четы­рехвалентен. Равенство в атоме углерода числа валентных элек­тронов числу валентных орбиталей, а также уникальное соотношение заряда ядра и радиуса атома сообщают ему способность одинаково легко присоединять и отдавать электроны в зависимо­сти от свойств партнера (разд. 9.3.1). Вследствие этого для углерода характерны различные степени окисления от -4 до +4 и легкость гибридизации его атомных орбиталей по типу sp 3 , sp 2 и sp 1 при образовании химических связей (разд. 2.1.3):

Все это дает углероду возможность образовывать ординарные, двойные и тройные связи не только между собой, но и с ато­мами других элементов-органогенов. Молекулы, образующиеся при этом, могут иметь линейное, разветвленное и циклическое строение.

Вследствие подвижности общих электронов -МО, образован­ных с участием атомов углерода, происходит их смещение в сто­рону атома более электроотрицательного элемента (индуктивный эффект), что приводит к полярности не только этой связи, но и молекулы в целом. Однако углерод, благодаря среднему значению электроотрицательности (0Э0 = 2,5), образует с атомами других элементов-органогенов слабополярные связи (табл. 12.1). При наличии в молекулах систем сопряженных связей (разд. 2.1.3) происходит делокализация подвижных электронов -МО и неподеленных электронных пар с выравниванием электронной плот­ности и длин связей в этих системах.

С позиции реакционной способности соединений большую роль играет поляризуемость связей (разд. 2.1.3). Чем больше поляризуемость связи, тем выше ее реакционная способность. Зависимость поляризуемости углеродсодержащих связей от их природы отражает следующий ряд:

Все рассмотренные данные о свойствах углеродсодержащих связей свидетельствуют о том, что углерод в соединениях образу­ет, с одной стороны, достаточно прочные ковалентные связи ме­жду собой и с другими органогенами, а с другой стороны - об­щие электронные пары этих связей достаточно лабильны. В ре­зультате этого может происходить как увеличение реакционной способности этих связей, так и стабилизация. Именно эти осо­бенности углеродсодержащих соединений и делают углерод орга­ногеном номер один.

Кислотно-основные свойства соединений углерода. Оксид углерода(4) является кислотным оксидом, а соответствующий ему гидроксид - угольная кислота Н2СО3 - слабой кислотой. Молекула оксида углерода(4) неполярна, и поэтому он плохо растворяется в воде (0,03 моль/л при 298 К). При этом вначале в ратворе образуется гидрат СО2 Н2О, в котором СО2 находится в полости ассоциата из молекул воды, а затем этот гидрат медлен­но и обратимо превращается в Н2СО3. Большая часть растворен­ного в воде оксида углерода(4) находится в виде гидрата.

В организме в эритроцитах крови под действием фермента каррбоангидразы равновесие между гидратом CO2 Н2О и Н2СО3 устанавливается очень быстро. Это позволяет пренебречь нали­чием СО2 в виде гидрата в эритроците, но не в плазме крови, где нет карбоангидразы. Образующаяся Н2СО3 диссоциирует в физиологических условиях до гидрокарбонат-аниона, а в более щелочной среде - до карбонат-аниона:

Угольная кислота существует только в растворе. Она образует два ряда солей - гидрокарбонаты (NаНСОз, Са(НС0 3)2) и карбонаты (Nа2СОз, СаСОз). В воде гидрокарбонаты растворя­ются лучше, чем карбонаты. В водных растворах соли угольной кислоты, особенно карбонаты, легко гидролизуются по аниону, создавая щелочную среду:

Такие вещества, как питьевая сода NaHC03 ; мел СаСОз, белая магнезия 4MgC03 * Mg(OH)2 * Н2О, гидролизующиеся с образонанием щелочной среды, применяются в качестве антацидных (нейтрализующих кислоты) средств для снижения повы­шенной кислотности желудочного сока:

Совокупность угольной кислоты и гидрокарбонат-иона (Н2СО3, НСО3(-)) образует гидрокарбонатную буферную систему (разд. 8.5) -славную буферную систему плазмы крови, которая обеспечива­ет постоянство рН крови на уровне рН = 7,40 ± 0,05.

Наличие в природных водах гидрокарбонатов кальция и магния обуславливает их временную жесткость. При кипяче­нии такой воды ее жесткость устраняется. Это происходит из-за гидролиза аниона HCO3(-)), термического разложения угольной кислоты и осаждения катионов кальция и магния в виде нерас­творимых соединений СаС0 3 и Mg(OH) 2:

Образование Mg(OH) 2 вызвано полным гидролизом по ка­тиону магния, протекающему в этих условиях из-за меньшей растворимости Mg(0H)2 по сравнению с MgC0 3 .

В медико-биологической практике кроме угольной кислоты приходится сталкиваться с другими углеродсодержащими кисло­тами. Это прежде всего большое множество различных органи­ческих кислот, а также синильная кислота HCN. С позиции кислотных свойств сила этих кислот различна:

Эти различия обусловлены взаимным влиянием атомов в мо­лекуле, природой диссоциирующей связи и устойчивостью аниона, т. е. его способностью к делокализации заряда.

Синильная кислота, или циановодород, HCN - бес­цветная, легколетучая жидкость (Т кип = 26 °С) с запахом горь­кого миндаля, смешивающаяся с водой в любых соотношениях. В водных растворах ведет себя как очень слабая кислота, соли которой называются цианидами. Цианиды щелочных и щелоч­ноземельных металлов растворимы в воде, при этом они гидролизуются по аниону, из-за чего их водные растворы пахнут синильной кислотой (запах горького миндаля) и имеют рН >12:

При длительном воздействии СО2, содержащегося в воздухе, цианиды разлагаются с выделением синильной кислоты:

В результате этой реакции цианид калия (цианистый калий) и его растворы при длительном хранении теряют свою токсич­ность. Цианид-анион - один из самых сильных неорганиче­ских ядов, поскольку он является активным лигандом и легко образует устойчивые комплексные соединения с ферментами, содержащими в качестве ионовкомплексообразователей Fe 3+ и Сu2(+) (разд. 10.4).

Окислительно-восстановительные свойства. Поскольку уг­лерод в соединениях может проявлять любые степени окисле­ния от -4 до +4, то в ходе реакции свободный углерод может и отдавать и присоединять электроны, выступая соответственно восстановителем или окислителем в зависимости от свойств второго реагента:

При взаимодействии сильных окислителей с органическими веществами может протекать неполное или полное окисление атомов углерода этих соединений.

В условиях анаэробного окисления при недостатке или в от­сутствие кислорода атомы углерода органического соединения в зависимости от содержания кислородных атомов в этих соедине­ниях и внешних условий могут превратиться в С0 2 , СО, С и даже СН 4 , а остальные органогены превращаются в Н2О, NH3 и H2S.

В организме полное окисление органических соединений кислородом в присутствии ферментов оксидаз (аэробное окис­ление) описывается уравнением:

Из приведенных уравнений реакций окисления видно, что в органических соединениях степень окисления изменяют только атомы углерода, а атомы остальных органогенов при этом со­храняют свою степень окисления.

При реакциях гидрирования, т. е. присоединения водорода (восстановителя) по кратной связи, образующие ее атомы углерода понижают свою степень окисления (выступают окислителями):

Органические реакции замещения с возникновением новой межуглеродной связи, например в реакции Вюрца, также явля­ются окислительно-восстановительными реакциями, в которых атомы углерода выступают окислителями, а атомы металла -восстановителями:

Подобное наблюдается в реакциях образования металлорганических соединений:

В то же время в реакциях алкилирования с возникновением новой межуглеродной связи роль окислителя и восстановителя играют атомы углерода субстрата и реагента соответственно:

В результате реакций присоединения полярного реагента к субстрату по кратной межуглеродной связи один из атомов уг­лерода понижает степень окисления, проявляя свойства окис­лителя, а другой - повышает степень окисления, выступая вос­становителем:

В этих случаях имеет место реакция внутримолекулярного окисления-восстановления атомов углерода субстрата, т. е. про­цесс дисмутации, под действием реагента, не проявляющего окислительно-восстановительных свойств.

Типичными реакциями внутримолекулярной дисмутации ор­ганических соединений за счет их атомов углерода являются ре­акции декарбоксилирования аминокислот или кетокислот, а так­же реакции перегруппировки и изомеризации органических со­единений, которые были рассмотрены в разд. 9.3. Приведенные примеры органических реакций, а также реакции из разд. 9.3 убедительно свидетельствуют, что атомы углерода в органических соединениях могут быть и окислителями, и восстановите­лями.

Атом углерода в соединении - окислитель, если в ре­зультате реакции увеличивается число его связей с атомами менее электроотрицательных элементов (во­дород, металлы), потому что, притягивая к себе общие электроны этих связей, рассматриваемый атом углеро­да понижает свою степень окисления.

Атом углерода в соединении - восстановитель, если в результате реакции увеличивается число его связей с атомами более электроотрицательных элементов (С, О, N, S), потому что, отталкивая от себя общие элек­троны этих связей, рассматриваемый атом углерода повышает свою степень окисления.

Таким образом, многие реакции в органической химии вслед­ствие окислительно-восстановительной двойственности атомов углерода являются окислительно-восстановительными. Однако, в отличие от подобных реакций неорганической химии, пере­распределение электронов между окислителем и восстановите­лем в органических соединениях может сопровождаться лишь смещением общей электронной пары химической связи к ато­му, выполняющему роль окислителя. При этом данная связь может сохраняться, но в случаях сильной ее поляризации она может и разорваться.

Комплексообразующие свойства соединений углерода. У ато­ма углерода в соединениях нет неподеленных электронных пар, и поэтому лигандами могут выступать только соединения угле­рода, содержащие кратные связи с его участием. Особенно активны в процессах комплексообразования -электроны тройной по­лярной связи оксида углерода(2) и аниона синильной кислоты.

В молекуле оксида углерода(2) атомы углерода и кислорода образуют одну и одну -связь за счет взаимного перекрывания их двух 2р-атомных орбиталей по обменному механизму. Третья связь, т. е. еще одна -связь, образуется по донорно-акцепторному механизму. Акцептором является свободная 2р-атомная ор-биталь атома углерода, а донором - атом кислорода, предостав­ляющий неподеленную пару электронов с 2p-орбитали:

Повышенная кратность связи обеспечивает этой молекуле высокую стабильность и инертность при нормальных ус­ловиях с позиции кислотно-основных (СО - несолеобразующий оксид) и окислительно-восстановительных свойств (СО - вос­становитель при Т > 1000 К). В то же время она делает его ак­тивным лигандом в реакциях комплексообразования с атомами и катионами d-металлов, прежде всего с железом, с которым он образует пентакарбонил железа - летучую ядовитую жидкость:

Способность к образованию комплексных соединений с ка­тионами d-металлов является причиной ядовитости оксида углерода(Н) для живых систем (разд. 10.4) вследствие протекания обратимых реакций с гемоглобином и оксигемоглобином, содер­жащими катион Fe 2+ , с образованием карбоксигемоглобина:

Эти равновесия смещены в сторону образования карбокси­гемоглобина ННbСО, устойчивость которого в 210 раз больше, чем оксигемоглобина ННbО2. Это приводит к накоплению карбоксигемоглобина в крови и, следовательно, к снижению ее спо­собности переносить кислород.

В анионе синильной кислоты CN- также содержатся легко поляризуемые - электроны, из-за чего он эффективно обра­зует комплексы с d-металлами, включая металлы жизни, вхо­дящие в состав ферментов. Поэтому цианиды являются высокотоксичными соединениями (разд. 10.4).

Круговорот углерода в природе. В основе круговорота угле­рода в природе в основном лежат реакции окисления и восста­новления углерода (рис. 12.3).

Из атмосферы и гидросферы растения ассимилируют (1) ок­сид углерода(4). Часть растительной массы потребляется (2) че­ловеком и животными. Дыхание животных и гниение их остан­ков (3), а также дыхание растений, гниение отмерших растений и горение древесины (4) возвращают атмосфере и гидросфере CO2. Процесс минерализации останков растений (5) и животных (6) с образованием торфа, ископаемых углей, нефти, газа при­водит к переходу углерода в природные ископаемые. В том же направлении действуют кислотно-основные реакции (7), проте­кающие между СО2 и различными горными породами с образо­ванием карбонатов (средних, кислых и основных):

Эта неорганическая часть круговорота приводит к потерям СО2 в атмосфере и гидросфере. Деятельность человека по сжи­ганию и переработке угля, нефти, газа (8), дров (4), наоборот, с избытком обогащает окружающую среду оксидом углерода(4). Долгое время существовала уверенность, что благодаря фото­синтезу концентрация СО2 в атмосфере сохраняется постоян­ной. Однако в настоящее время увеличение содержания СО2 в атмосфере за счет деятельности человека не компенсируется его естественной убылью. Общее поступление СО2 в атмосферу рас­тет в геометрической прогрессии на 4-5 % в год. Согласно рас­четам в 2000 году содержание СО2 в атмосфере достигнет приблизительно 0,04 % вместо 0,03 % (1990 г.).

После рассмотрения свойств и особенностей углеродсодержащих соединений следует еще раз подчеркнуть ведущую роль углерода

Рис. 12.3. Круговорот углерода в природе

органогена № 1: во-первых, атомы углерода формируют скелет молекул органических соединений; во-вторых, атомы углерода играют ключевую роль в окислительно-восстановительных про­цессах, поскольку среди атомов всех органогенов именно для углерода наиболее характерна окислительно-восстановительная двойственность. Подробнее о свойствах органических соедине­ний - см. модуль IV "Основы биоорганической химии".

Общая характеристика и биологическая роль р-элементов группы IVA. Электронными аналогами углерода являются эле­менты IVA группы: кремний Si, германий Ge, олово Sn и свинец Рb (см. табл. 1.2). Радиусы атомов этих элементов закономерно возрастают с увеличением порядкового номера, а их энергия иони­зации и электроотрицательность при этом закономерно снижают­ся (разд. 1.3). Поэтому первые два элемента группы: углерод и кремний - типичные неметаллы, а германий, олово, свинец -металлы, так как для них наиболее характерна отдача электро­нов. В ряду Ge - Sn - Рb металлические свойства усиливаются.

С позиции окислительно-восстановительных свойств элемен­ты С, Si, Ge, Sn и Рb в обычных условиях достаточно устойчи­вы по отношению к воздуху и воде (металлы Sn и Рb - за счет образования оксидной пленки на поверхности). В то же время соединения свинца(4) - сильные окислители:

Комплексообразующие свойства наиболее характерны для свинца, так как его катионы Рb 2+ являются сильными комплексообразователями по сравнению с катионами остальных р-элементов IVA группы. Катионы свинца образуют прочные комплексы с биолигандами.

Элементы группы IVA резко различаются как по содержанию в организме, так и по биологической роли. Углерод играет осново­полагающую роль в жизнедеятельности организма, где его содер­жание составляет около 20 %. Содержание в организме остальных элементов IVA группы находится в пределах 10 -6 -10 -3 %. В то же время, если кремний и германий, несомненно, играют важную роль в жизнедеятельности организма, то олово и особенно сви­нец - токсичны. Таким образом, с ростом атомной массы эле­ментов IVA группы токсичность их соединений возрастает.

Пыль, состоящая из частиц угля или диоксида кремния SiO2, при систематическом воздействии на легкие вызывает заболе­вания - пневмокониозы. В случае угольной пыли это антракоз -профессиональное заболевание шахтеров. При вдыхании пыли, содержащей Si02, возникает силикоз. Механизм развития пневмокониозов еще не установлен. Предполагается, что при длительном контакте силикатных песчинок с биологическими жидкостями образуется поликремниевая кислота Si02 yH2O в гелеобразном состоянии, отложение которой в клетках ведет к их гибели.

Токсическое действие свинца известно человечеству очень дав­но. Использование свинца для изготовления посуды и водопроводных труб приводило к массовому отравлению людей. В на­стоящее время свинец продолжает быть одним из основных загрязнителей окружающей среды, так как выброс соединений свинца в атмосферу составляет свыше 400 000 т ежегодно. Сви­нец накапливается в основном в скелете в форме малораствори­мого фосфата РЬз(Р04)2, а при деминерализации костей оказы­вает регулярное токсическое действие на организм. Поэтому свинец относится к кумулятивным ядам. Токсичность соедине­ний свинца связана прежде всего с его комплексообразующими свойствами и большим сродством к биолигандам, особенно содержащим сульфгидрильные группы (-SH):

Образование комплексных соединений ионов свинца с бел­ками, фосфолипидами и нуклеотидами приводит к их денату­рации. Часто ионы свинца ингибируют металлоферменты ЕМ 2+ , вытесняя из них катионы металлов жизни:

Свинец и его соединения относятся к ядам, действующим преимущественно на нервную систему, кровеносные сосуды и кровь. При этом соединения свинца влияют на синтез белка, энергетический баланс клеток и их генетический аппарат.

В медицине применяются как вяжущие наружные антисеп­тические средства: свинец ацетат Рb(СНзСОО)2 ЗН2О (свинцо­вые примочки) и свинец(2) оксид РbО (свинцовый пластырь). Ионы свинца этих соединений вступают в реакции с белками (альбуминами) цитоплазмы микробных клеток и тканей, образуя гелеобразные альбуминаты. Образование гелей убивает микробы и, кроме того, затрудняет проникновение их внутрь клеток тка­ней, что снижает местную воспалительную реакцию.