Пути биосинтеза углеводов представлены в живых клетках процессами глюконеогенеза и образованием высокомолекулярных полисахаридов. Процесс глюконеогенеза начинается с карбоксилирования пирувата при участии сложной по своей структуре ферментной системы пируваткарбоксилазы, приводящей к образованию щавелевоуксусной кислоты (ЩУК) с участием в качестве кофермента .Стимулирует эту реакцию ацетил-КоЛ. В свою очередь, ЩУК подвергается в цитоплазме реакции декарбоксилирования под действием фермента фосфоенолпируваткарбоксикиназы. Благодаря этим реакциям преодолеваются энергетические барьеры и может образоваться из пирувата фосфоенолпировиноградная кислота - источник глюкозы. В реализуется также и др. возможность: обращение цикла трикарбоновых кислот, восстановление при этом 3 молекул CO 2и образование фосфоенолпирувата. У растений и микроорганизмов в процессе глюконеогенеза важную роль играет .
Суммарное уравнение реакций, ведущих от пирувата к глюкозе, может быть записано следующим образом:
2CH 3COCOOH + 4АТФ + 2ГТФ + 2НАДН + 2H + 6H 2O ® глюкоза + 2НАД + 4АДФ + 2ГДФ + 6 неорганический фосфат
(где АТФ - аденозинтрифосфат, а ГТФ - гуанозинтрифосфат). Синтез олиго- и полисахаридов при участии различных гликозилтрансфераз осуществляется путём переноса гликозильного остатка с нуклеозиддифосфатсахара на моносахарид или же на концевой остаток моносахарида в молекуле поли- или олигосахарида. Таким образом, цепь, состоящая из гексозных остатков, удлиняется. Ветвление или за счёт образования 1,6-связей осуществляется ферментом амило- (1,4-1,6) - трансгликозилазой, катализирующим перенос концевого фрагмента, состоящего из 6 или 7 гликозильных остатков, с конца главной цепи на гидроксильную группу 6-го углеродного атома остатка глюкозы какой-либо из цепей полисахарида.
Пути регуляции У. о. крайне разнообразны. На любых уровнях организации живого У. о. регулируется факторами, влияющими на активность ферментов, участвующих в реакциях У. о.: концентрацией субстратов и продуктов отдельных реакций, кислородным режимом, температурой, ,определяющей возможность контакта между участниками реакций, концентрацией коферментов, необходимых для отдельных реакций, и т.д. У животных на всех стадиях синтеза и распада углеводов регуляция У. о. осуществляется с участием нервной системы и гормонов.
Лит.:Кретович В. Л., Основы биохимии растений, 5 изд., М., 1971; Шлегель Г., Общая микробиология, [пер. с нем.], М., 1972; Ленинджер А., Биохимия, пер. с англ., М., 1974. См. также ст. и литературу при ней.
С. Е. Северин.
Углеводороды
Углеводоро'ды,класс органических соединений, молекулы которых состоят только из атомов углерода и водорода. В зависимости от строения различают ациклические, или алифатические, У., в молекулах которых атомы углерода связаны друг с другом в линейные или разветвленные цепи, и изоциклические, или карбоциклические, У., молекулы которых представляют собой кольца (циклы) из 3 и более атомов углерода. Эту группу У. делят на алициклические У. и (см. также ) .Ациклические У. подразделяют на ,содержащие только простые связи (родоначальник ряда - метан), и ,в молекулах которых могут содержаться кратные связи - двойные и тройные, например одна двойная связь (см. ) ,две двойные связи (см. ) ,одна тройная связь (как, например, в ) .Алициклические У. также могут быть насыщенными (см. ) и ненасыщенными. У. образуют ,характеризующиеся закономерным изменением физических и химических свойств (см. также ) .
Углеводы
Углево'ды,обширная группа органических соединений, входящих в состав всех живых организмов. Первые известные представители этого класса веществ по составу отвечали общей формуле C mH 2nO n, то есть углерод + вода (отсюда название); позднее к У. стали относить также их многочисленные производные с иным составом, образующиеся при окислении, восстановлении или введении заместителей.
Превращения У. известны с древнейших времён, так как они лежат в основе процессов брожения, обработки древесины, изготовления бумаги и тканей из растительного волокна. Тростниковый сахар (сахарозу) можно считать первым органическим веществом, выделенным в химически чистом виде. Химия У. возникла и развивалась вместе с ;создатель структурной теории органических соединений А. М. -автор первого синтеза сахароподобного вещества из формальдегида (1861). Структуры простейших сахаров выяснены в конце 19 в. в результате фундаментальных исследований немецких учёных Г. Килиани и Э. ,основанных на стереохимических представлениях Я. Г. и блестяще их подтвердивших. В 20-е гг. 20 в. работами английского учёного У. Н. Хоуорса были заложены основы структурной химии полисахаридов. Со 2-й половины 20 в. происходит стремительное развитие химии и биохимии У., обусловленное их важным биологическим значением и базирующееся на современной теории органической химии и новейшей технике эксперимента.
Классификация и распространение углеводов. У. принято делить на три основных группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Обычные моносахариды представляют собой полиокси-альдегиды (альдозы) или полпоксикетоны (кетозы) с линейной цепью атомов углерода (m = 3-9), каждый из которых (кроме карбонильного углерода) связан с гидроксильной группой. Простейший из моносахаридов - глицериновый альдегид - содержит один асимметрический атом углерода и известен в виде двух оптических антиподов (D и L). Прочие моносахариды имеют несколько асимметрических атомов углерода; их рассматривают как производные D- или L-глицсринового альдегида и относят в соответствии с абсолютной при ( т-1)-м атоме углерода к D- или L-pяду. Различия между моносахаридами в каждом ряду обусловлены относительной конфигурацией остальных асимметрических центров (см. ) .Характерное свойство моносахаридов в растворах - способность к мутаротации, то есть установлению таутомерного равновесия (см. ) между ациклической альдегидо- или кетоформой, двумя пятичленными (фуранозными) и двумя шестичленными (пиранозными) циклическими полуацетальными формами (см. схему). Образующиеся пиранозы (как и фуранозы) различаются конфигурацией (a или b) возникающего при циклизации асимметрического центра у карбонильного атома углерода (на схеме помечен звёздочкой).
Соотношение между таутомерными формами в равновесии определяется их термодинамической устойчивостью (для обычных сахаров преобладают пиранозные формы). Полуацетальный гидроксил резко отличается от прочих гидроксильных групп моносахарида по способности к реакциям нуклеофильного замещения. Такие реакции с разнообразными спиртами приводят к образованию (остаток спирта в гликозиде называют агликоном). В тех случаях, когда агликоном служит молекула моносахарида, образуются олиго- и полисахариды. При этом каждый остаток моносахарида может иметь пиранозную или фуранозную структуру, a- или b-конфигурацию гликозидной связи и быть связанным с любой из гидроксильных групп соседнего моносахарида. Поэтому число различающихся строением полимерных молекул, которые можно построить даже только из одного моносахарида, огромно.
К наиболее типичным моносахаридам относятся D - , D- , D- , D- , D- ,L- .К моносахаридам относятся также: дезоксисахара, в молекулах которых один или несколько гидроксилов заменены атомами водорода ( L- , L- ,2-дезокси-D-pибоза); аминосахара, в молекулах которых один или несколько гидроксилов заменены на аминогруппы (D-глюкозамин, D-галактозамин); многоатомные спирты, или альдиты, образующиеся при восстановлении карбонильных групп моносахаридов (сорбит, маннит); ,то есть моносахариды, у которых первичная спиртовая группа окислена до карбоксильной; разветвленные сахара, содержащие нелинейную цепь углеродных атомов (апиоза, L-cтрептоза); высшие сахара с длиной цепи более шести атомов углерода ( , ) .За исключением D-глюкозы и D-фруктозы, свободные моносахариды встречаются в природе редко. Обычно они входят в состав разнообразных гликозидов, олиго- и полисахаридов и могут быть получены из них кислотным гидролизом. Разработаны методы химического синтеза редких моносахаридов, исходя из более доступных.
Олигосахариды содержат в своём составе 2-10 моносахаридов, связанных гликозидными связями. Наиболее распространены в природе дисахариды , , .Известны многочисленные гликозиды оли-госахаридов, к которым относятся различные физиологически активные вещества (например, ,сердечные гликозиды, ,многие антибиотики, ) .
Полисахариды - высокомолекулярные, линейные или разветвленные соединения, молекулы которых построены из моносахаридов, связанных гликозидными связями. В состав полисахаридов могут входить также заместители неуглеводной природы (остатки фосфорной, серной и жирных кислот). В свою очередь цепи полисахаридов могут присоединяться к белкам с образованием .Отдельную группу составляют биополимеры, в молекулах которых остатки моно- или олигосахаридов соединены друг с другом не гликозидными, а фосфодиэфирными связями; к этой группе относятся тейхоевые кислоты из клеточных стенок грамположительных бактерий, некоторые полисахариды дрожжей, а также ,в основе которых лежит полирибозофосфатная (РНК) или поли-2-дезоксирибозофосфатная (ДНК) цепь.
Физико-химические свойства углеводов.Благодаря обилию полярных (гидроксильных, карбонильной и др.) групп в молекулах моносахаридов они хорошо растворимы в воде и нерастворимы в неполярных органических растворителях (бензоле, петролейном эфире и др.). Способность к таутомерным превращениям обычно затрудняет кристаллизацию моносахаридов. Если такие превращения невозможны, как в гликозидах или олигосахаридах типа сахарозы, вещества кристаллизуются легко. Многие гликозиды с малополярными агликонами (например, сапонины) проявляют свойства поверхностно-активных соединений. Полисахариды являются гидрофильными полимерами, молекулы которых способны к ассоциации с образованием высоковязких растворов (растительной , ) ;при определённом соотношении свободных и ассоциированных участков молекул полисахариды дают прочные (агар, ) .В отдельных случаях молекулы полисахаридов образуют высокоупорядоченные надмолекулярные структуры, нерастворимые в воде ( , ) .
Биологическая роль углеводов. Роль У. в живых организмах чрезвычайно многообразна. В растениях моносахариды являются первичными продуктами и служат исходными соединениями для биосинтеза разнообразных гликозидов, полисахаридов, а также веществ др. классов (аминокислот, жирных кислот, полифенолов и т.д.). Эти превращения осуществляются соответствующими ферментными системами, субстратами для которых служат, как правило, богатые энергией фосфорилированные производные сахаров, главным образом нуклеозиддифосфатсахара. У. запасаются в виде в высших растениях, в виде в животных, бактериях и грибах и служат энергетическим резервом для жизнедеятельности организма (см. , , ) .В виде гликозидов в растениях и животных осуществляется транспорт различных продуктов обмена веществ. Многочисленные полисахариды или более сложные углеводсодержащие полимеры выполняют в живых организмах опорные функции. Жёсткая клеточная стенка у высших растений построена из целлюлозы и гемицеллюлоз, у бактерий - из пептидогликана; в построении клеточной стенки грибов и наружного скелета членистоногих принимает участие хитин. В организме животных и человека опорные функции выполняют сульфатированные соединительной ткани, свойства которых позволяют обеспечить одновременно сохранение формы тела и подвижность отдельных его частей; эти полисахариды также способствуют поддержанию водного баланса и избирательной катионной проницаемости клеток. Аналогичные функции в морских многоклеточных водорослях выполняют сульфатированные галактаны (красные водоросли) или более сложные сульфатированные гетерополи-сахариды (бурые и зелёные водоросли); в растущих и сочных тканях высших растений аналогичную функцию выполняют пектиновые вещества. Особенно важную и до конца ещё не изученную роль играют сложные У. в образовании специфических клеточных поверхностей и мембран. Так, гликолипиды - важнейшие компоненты мембран нервных клеток, липополисахариды образуют наружную оболочку грамотрицательных бактерий. У. клеточных поверхностей часто определяют явление иммунологической специфичности, что строго доказано для групповых веществ крови и ряда бактериальных .Имеются данные, что углеводные структуры принимают участие также в таких высокоспецифичных явлениях клеточного взаимодействия, как оплодотворение, «узнавание» клеток при тканевой дифференциации и отторжении чужеродной ткани и т.д.
Практическое значение углеводов.У. составляют большую (часто основную) часть пищевого рациона человека (см. ) .В связи с этим они широко используются в пищевой и кондитерской промышленности (крахмал, сахароза, пектиновые вещества, агар). Их превращения при спиртовом брожении лежат в основе процессов получения этилового спирта, пивоварения, хлебопечения; др. типы брожения позволяют получить глицерин, молочную, лимонную, глюконовую кислоты и др. вещества. Глюкоза, аскорбиновая кислота, сердечные гликозиды, углеводсодержащие антибиотики, гепарин широко применяются в медицине. Целлюлоза служит основой текстильной промышленности, получения искусственного целлюлозного волокна, бумаги, пластмасс (см. ) ,взрывчатых веществ (см. ) и др.
Важнейшие вопросы химии и биохимии У.- усовершенствование методов установления строения и синтеза природных У., выяснение связи между их структурой и функцией в организме, а также путей биосинтеза - разрабатываются химическими и биохимическими научными центрами наряду с др. актуальными проблемами органической химии, биохимии и молекулярной биологии. Исследованиям только в области У. посвящены специализированные международные издания: ежегодник «Advances in Carbohydrate chemistry and biochemistry» (c 1945) и журнал «Carbohydrate research» (c 1965). см. также статьи , , , .
Лит.:Химия углеводов, М., 1967; Методы химии углеводов, пер. с англ., М., 1967; Гликопротеины [т. 1-2], пер. с англ., М., 1969; Carbohydrates, ed. by G. О. AspinalI, L. - Baltimore, [1973]; Industrial gums, eds. R. L. Whistler and J. N. Bemiller, 2 ed., N. Y. - L., 1973.
А. И. Усов.
Рис. к ст. Углеводы.
Углевоз
Углево'з,угольщик, сухогрузное судно для перевозки каменного угля навалом; один из типов .Самоходные морские У. появились в середине 19 в. в связи с массовыми перевозками угля для нужд промышленности, энергетики и транспорта. У. - однопалубные суда с минимальным надводным бортом, машинное отделение и жилые помещения располагаются в корме. На У. предусматривают устройства для интенсивной вентиляции трюмов, оборудование для замера температуры воздуха в них, средства борьбы с пожарами, защиту помещений от газов, выделяемых грузом. Размеры грузовых люков и прочность корпусных конструкций рассчитывают на применение разгрузочных .У большинства морских У. (1976) грузоподъёмность 2-20 тыс. т,скорость 20-26 км/ч.На некоторых саморазгружающихся У. под трюмами в виде воронок располагаются продольные ленточные транспортёры, которые при разгрузке подают груз на палубный разгрузчик, а оттуда - на берег.
Углегорск (город в Донецкой обл.)
Углего'рск,город в Донецкой области УССР. Подчинён Енакиевскому горсовету. Железнодорожный узел (линии на Донецк - Никитовку, Дебальцево). 15 тыс. жителей (1975). Добыча угля. Центральная обогатительная фабрика. Предприятия пищевой промышленности.
Углегорск (город в Сахалинской обл.)
Углего'рск,город областного подчинения в Сахалинской области РСФСР. Порт на берегу Татарского пролива, в 150 кмк С. от железнодорожная станция Ильинск. 18,4 тыс. жителей (1975). Леспромхоз, целлюлозно-бумажный комбинат, цех фирмы «Сахалинмебель», завод «Стройдеталь». Предприятия пищевой промышленности. Близ У. - добыча каменного угля.
Углегорская ГРЭС
Углего'рская ГРЭС,конденсационная электростанция в посёлке Светлодарское Донецкой области УССР. Проектная мощность 3600 Мвт(4 блока по 300 и 3 по 800 Мвт) .Топливом служат донецкий уголь для блоков 300 Мвти мазут для блоков 800 Мвт.Техническое водоснабжение оборотное на базе наливного водохранилища. Строительство начато в 1967, 1-я очередь пущена в 1973. На начало 1976 введены в эксплуатацию 4 блока по 300 Мвти 1 блок 800 Мвт.Электроэнергия передаётся по высоковольтным линиям электропередачи напряжением 110 и 330 кв.Станция входит в объединённую энергосистему Юга и через неё в Единую энергетическую систему СССР.
Углегорский
Углего'рский,посёлок городского типа в Тацинском районе Ростовской области РСФСР. Расположен в 6 кмот железнодорожной станции Тацинская (на линии Волгоград - Лихая). Обувная фабрика, завод металлоизделий.
Углезаводск
Углезаво'дск,посёлок городского типа в Долининском районе Сахалинской области РСФСР. Расположен в южной части острова Сахалин, на р. Наиба. Железнодорожная станция на ветке Быков - Сокол. Завод железобетонных изделий. Вблизи У. - добыча каменного угля.
Углекаменск
Углека'менск,посёлок городского типа в Приморском крае РСФСР, подчинён Партизанскому горсовету. Расположен в 15 кмк С.-В. от Партизанска и в 4 кмот железнодорожной станции Лейтенант Гордеев (на ветке Партизанск - Сергеевка). Добыча каменного угля. Швейная фабрика.
Углекислота
Углекислота',неправильное название CO 2, которая является ангидридом угольной кислоты.
Углекислые соли
Углеки'слые со'ли,соли угольной кислоты; см. , .
Углекислый газ
Углеки'слый газ,CO 2, то же, что .
Угленосность
Углено'сность,совокупность данных о количестве пластов угля (общем и удовлетворяющих кондициям), ,распределении пластов по разрезу угленосной толщи, их синонимике, мощности, строении и степени выдержанности каждого из них, петрографических типах, химико-технологических свойствах углей и закономерностей пространственного их изменения в связи с условиями образования угленосных формаций. См. также , .
Углепетрография
Углепетрогра'фия,описание составных частей угля, изучаемых макроскопически и под микроскопом в тонких и полированных шлифах. Основоположниками У. в СССР являются Ю. А. Жемчужников, М. Д. Залесский; за рубежом - Р. Тиссен (США), М. Стопе (Великобритания). С совершенствованием методов и расширением круга проблем У. она превратилась в науку о составе, строении и происхождении углей - петрологию углей. Основная задача петрологии углей - изучение элементарных компонентов органического вещества угольных пластов, то есть остатков растений, которые в процессе биохимического разложения в торфяную стадию углеобразования в той или иной мере сохранили или утратили свою форму и структуру. При этом различают форменные элементы и основную массу, которые совместно называются составными частями, или компонентами, угля. Различают макрокомпоненты ( ,фюзен) и микрокомпоненты (споры, кутикула и т.д.).
В У. используются оптические методы микроскопических исследований с применением проходящего и отражённого, простого, поляризованного и ультрафиолетового света в воздушной среде и с иммерсией; разделение в тяжёлых жидкостях (смеси C 6H 6, CCl 4, CHBr 3и др.) на группы компонентов, близких по плотности; методы мацерации для выделения и последующего изучения устойчивых компонентов, методы травления сильными окислителями для выявления скрытой структуры угля, а также методы термического и химического анализа вещества компонентов или их групп, выделенных из общей массы угля. Большое значение для решения задач имеют количественные методы: определение отражательной способности, показателя преломления и твёрдости витринита, цвета и яркости люминесценции лейптинита, подсчёт содержания компонентов в средних пластовых пробах и в кусках угля.
Различными исследователями выделяется от 14 до 40 петрографических компонентов углей, объединяемых по исходному материалу и условиям его превращения в торфяной стадии углеобразования в три основные (витринитовые или гелинитовые, фюзинитовые и лейптинитовые) и две промежуточные (слабо гелифицированные и слабо фюзенизированные) группы микрокомпонентов.
Количественное соотношение микрокомпонентов и состав исходных растений определяют генетические типы углей, характеризующиеся определёнными химическими и технологическими свойствами в пределах каждой данной стадии углефикации.
Лит.:Петрографические особенности и свойства углей, М., 1963; Материалы по геологии и петрографии углей СССР, Л., 1968; Угленосные формации и их генезис, М., 1973; Петрология палеозойских углей СССР, М., 1975.
Углеплотность
Углепло'тность,количество запасов угля, отнесённое к единице угленосной площади (месторождения, района, бассейна). У. определяется путём деления запасов угля, подсчитанных до той или иной глубины (перспективной для промышленного освоения), на общую площадь, по которой они оценены в млн. т/км 2.У. используется при подсчёте прогнозных запасов углей с переносом величин указанных выше показателей с хорошо разведанных площадей на слабо изученные, а также для сравнительной характеристики промышленной значимости изученных угленосных площадей.
Углерод
Углеро'д(латинское Carboneum), С, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомная масса 12,011. Известны два стабильных изотопа: 12C (98,892%) и 13C (1,108%). Из радиоактивных изотопов наиболее важен 14C с периодом полураспада (Т = 5,6Ч10 3лет). Небольшие количества 14C (около 2Ч10 -10% по массе) постоянно образуются в верхних слоях атмосферы при действии нейтронов космического излучения на изотоп азота 14N. По удельной активности изотопа 14C в остатках биогенного происхождения определяют их возраст. 14C широко используется в качестве .
Историческая справка. У. известен с глубокой древности. Древесный уголь служил для восстановления металлов из руд, алмаз - как драгоценный камень. Значительно позднее стали применять графит для изготовления тиглей и карандашей.
В 1778 К. ,нагревая графит с селитрой, обнаружил, что при этом, как и при нагревании угля с селитрой, выделяется углекислый газ. Химический состав алмаза был установлен в результате опытов А. (1772) по изучению горения алмаза на воздухе и исследований С. (1797), доказавшего, что одинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равные количества углекислого газа. У. был признан химическим элементом в 1789 Лавуазье. Латинское название carboneum У. получил от carbo - уголь.
Распространение в природе. Среднее содержание У. в земной коре 2,3Ч10 -2% по массе (1Ч10 -2в ультраосновных, 1Ч10 -2- в основных, 2Ч10 -2- в средних, 3Ч10 -2 - вкислых горных породах). У. накапливается в верхней части земной коры (биосфере): в живом веществе 18% У., древесине 50%, каменном угле 80%, нефти 85%, антраците 96%. Значительная часть У. литосферы сосредоточена в известняках и доломитах.
Число собственных минералов У. - 112; исключительно велико число органических соединений У. - углеводородов и их производных.