Kemična struktura ogljikovih hidratov, klasifikacija in funkcije



The ogljikovih hidratov, ogljikovi hidrati ali saharidi so organske molekule, ki shranjujejo energijo v živih bitijih. So najbolj bogate biomolekule in vključujejo: sladkorje, škrobe in celulozo, med drugimi spojinami, ki jih najdemo v živih organizmih..

Organizmi, ki izvajajo fotosintezo (rastline, alge in nekatere bakterije) so glavni pridelovalci ogljikovih hidratov v naravi. Struktura teh saharidov je lahko linearna ali razvejana, enostavna ali spojina in je lahko povezana tudi z biomolekulami druge vrste..

Na primer, ogljikovi hidrati lahko vežejo proteine, da tvorijo glikoproteine. Lahko so tudi povezane z lipidnimi molekulami, ki tvorijo glikolipide, biomolekule, ki tvorijo strukturo bioloških membran. V strukturi nukleinskih kislin so prisotni tudi ogljikovi hidrati.

Sprva so bili ogljikovi hidrati priznani kot molekule za shranjevanje celične energije. Kasneje so bile določene druge pomembne funkcije, ki jih ogljikovi hidrati izpolnjujejo v bioloških sistemih.

Vse živih bitij imajo celice pokrite z gosto plastjo kompleksnih ogljikovih hidratov. Ogljikove hidrate sestavljajo monosaharidi, majhne molekule, ki jih tvorijo tri do devet atomov ogljika, vezanih na hidroksilne skupine (-OH), ki se lahko razlikujejo po velikosti in konfiguraciji..

Pomembna lastnost ogljikovih hidratov je ogromna strukturna raznolikost znotraj tega razreda molekul, ki jim omogoča, da opravljajo širok spekter funkcij, kot so generiranje celičnih signalnih molekul, tvorjenje tkiv in ustvarjanje identitete različnih krvnih skupin pri ljudeh..

Tudi zunajcelični matriks v višjih evkariontih je bogat z izločenimi ogljikovimi hidrati, ki so bistveni za celično preživetje in komunikacijo. Ti mehanizmi za prepoznavanje celic so izkoriščeni z različnimi patogeni, da okužijo njihove gostiteljske celice.

Monosaharidi so lahko povezani z glikozidnimi vezmi, da tvorijo veliko število ogljikovih hidratov: disaharidov, oligosaharidov in polisaharidov. Študija strukture in funkcije ogljikovih hidratov v bioloških sistemih se imenuje glikobiologija.

Indeks

  • 1 Kemijska struktura
  • 2 Razvrstitev
    • 2.1 Monosaharidi
    • 2.2 Disaharidi
    • 2.3 Oligosaharidi 
    • 2.4 Polisaharidi
  • 3 Funkcije
  • 4 Živila, ki vsebujejo ogljikove hidrate
    • 4.1 Škrob
    • 4.2 Sadje in zelenjava
    • 4.3 Mleko
    • 4.4 Slaščice
  • 5 Presnova ogljikovih hidratov
  • 6 Reference

Kemijska struktura

Ogljikovi hidrati so sestavljeni iz ogljikovih, vodikovih in kisikovih atomov. Večino teh lahko predstavimo z empirično formulo (CH2O) n, kjer je n število ogljikov v molekuli. Z drugimi besedami, razmerje ogljika, vodika in kisika je 1: 2: 1 v molekulah ogljikovih hidratov.

Ta formula pojasnjuje izvor izraza "ogljikov hidrat", ker so komponente ogljikovi atomi ("karbo") in vodni atomi (torej "hidrat"). Čeprav ogljikove hidrate tvorijo predvsem ti trije atomi, obstajajo nekateri ogljikovi hidrati z dušikom, fosforjem ali žveplom.

V osnovni obliki so ogljikovi hidrati enostavni sladkorji ali monosaharidi. Ti preprosti sladkorji se lahko združijo skupaj, da tvorijo bolj kompleksne ogljikove hidrate.

Kombinacija dveh enostavnih sladkorjev je disaharid. Oligosaharidi vsebujejo od dva do deset preprostih sladkorjev, polisaharidi pa so največji ogljikovi hidrati, sestavljeni iz več kot deset enot monosaharidov..

Struktura ogljikovih hidratov določa, kako je energija shranjena v njenih vezih med njeno tvorbo s fotosintezo, in kako so te vezi prekinjene med celičnim dihanjem..

Razvrstitev

Monosaharidi

Monosaharidi so osnovne enote ogljikovih hidratov, zato so najpreprostejša struktura saharida. Fizično so monosaharidi kristalne trdne snovi brez barve. Večina ima sladki okus.

Z kemičnega stališča so monosaharidi lahko aldehidi ali ketoni, odvisno od tega, kje se v linearnih ogljikovih hidratih nahaja karbonilna skupina (C = O). Strukturno lahko monosaharidi tvorijo linearne verige ali zaprte obroče.

Ker imajo monosaharidi hidroksilne skupine, je večina v vodi topnih in netopnih v nepolarnih topilih.

Glede na število ogljikovih atomov, ki jih imate v svoji strukturi, bodo imeli monosaharidi različna imena, na primer: triose (če imate 3 C atome), pentozo (če imate 5C) in tako naprej.

Disaharidi

Disaharidi so dvojni sladkorji, ki nastanejo z združitvijo dveh monosaharidov v kemijskem procesu, ki se imenuje sinteza dehidracije, ker se med reakcijo izgubi molekula vode. Znana je tudi kot reakcija kondenzacije.

Disaharid je torej vsaka snov, ki je sestavljena iz dveh molekul preprostih sladkorjev (monosaharidov), povezanih skupaj preko glikozidne povezave..

Kisline imajo sposobnost prekiniti te vezi, zato se lahko disaharidi prebavijo v želodcu.

Disaharidi so večinoma topni v vodi in pri zaužitju sladki. Trije glavni disaharidi so saharoza, laktoza in maltoza: saharoza izvira iz vezave glukoze in fruktoze; laktoza izvira iz združevanja glukoze in galaktoze; in maltoza izhaja iz združitve dveh molekul glukoze.

Oligosaharidi

Oligosaharidi so kompleksni polimeri, ki jih tvori nekaj enot enostavnih sladkorjev, to je od 3 do 9 monosaharidov.

Reakcija je ista, da tvori disaharide, vendar izhaja tudi iz razgradnje kompleksnejših molekul sladkorja (polisaharidov)..

Večina oligosaharidov najdemo v rastlinah in delujejo kot topna vlakna, ki lahko pomagajo preprečiti zaprtje. Vendar pa ljudje nimajo encimov, ki bi jih večinoma prebavili, razen maltotrioze.

Iz tega razloga lahko oligosaharide, ki se na začetku ne prebavijo v tankem črevesu, razgradijo bakterije, ki običajno prebivajo v debelem črevesu skozi proces fermentacije. Prebiotiki izpolnjujejo to funkcijo, služijo kot hrana za koristne bakterije.

Polisaharidi

Polisaharidi so največji polimeri saharida, tvorijo jih več kot 10 (do tisoč) enot monosaharidov, razporejenih linearno ali razvejano. Razlike v prostorski razporeditvi so tiste, ki dajejo številne lastnosti tem sladkorjem.

Polisaharidi so lahko sestavljeni iz istega monosaharida ali kombinacije različnih monosaharidov. Če nastanejo zaradi ponavljajočih se enot istega sladkorja, se imenujejo homopolisaharidi, kot so glikogen in škrob, ki so ogljikovi hidrati za shranjevanje živali in rastlin..

Če je polisaharid sestavljen iz enot različnih sladkorjev, se imenujejo heteropolisaharidi. Večina vsebuje le dve različni enoti in sta običajno povezani z beljakovinami (glikoproteini, kot je gama globulin v krvni plazmi) ali lipidi (glikolipidi, kot so gangliozidi)..

Funkcije

Štiri glavne funkcije ogljikovih hidratov so: zagotavljanje energije, shranjevanje energije, gradnja makromolekul in preprečevanje razgradnje beljakovin in maščob.

Ogljikovi hidrati se razgradijo s presnovo v enostavnih sladkorjih. Te se absorbirajo v celicah tankega črevesa in se prevažajo v vse celice telesa, kjer se oksidirajo za energijo v obliki adenozin trifosfata (ATP)..

Sladkorne molekule, ki se v nobenem trenutku ne uporabljajo za proizvodnjo energije, se shranjujejo kot del rezervnih polimerov, kot sta glikogen in škrob..

Nukleotidi, osnovne enote nukleinskih kislin, imajo v svoji strukturi molekule glukoze. Nekaj ​​pomembnih beljakovin je povezanih z molekulami ogljikovih hidratov, na primer: folikle stimulirajoči hormon (FSH), ki intervenira v procesu ovulacije..

Ker so ogljikovi hidrati glavni vir energije, njihova hitra razgradnja preprečuje degradacijo drugih biomolekul, da bi dobili energijo. Tako, ko so ravni sladkorja normalne, so proteini in lipidi zaščiteni pred degradacijo.

Nekateri ogljikovi hidrati so topni v vodi, delujejo kot osnovna hrana v skoraj celotnem svetu, oksidacija teh molekul pa je glavni vir proizvodnje energije v večini ne-fotosintetičnih celic..

Netopni ogljikovi hidrati so povezani z bolj kompleksnimi strukturami, ki služijo kot zaščita. Na primer: celuloza oblikuje steno rastlinskih celic skupaj s hemicelulozami in pektinom. Hitin tvori stene glivičnih celic in eksoskeleton členonožcev.

Tudi peptidoglikan tvori celično steno bakterij in cianobakterij. Vezivno tkivo živali in skeletni sklepi tvorijo polisaharidi.

Mnogi ogljikovi hidrati so kovalentno vezani na beljakovine ali lipide in tvorijo bolj kompleksne strukture, ki se skupaj imenujejo glikokonjugati. Ti kompleksi delujejo kot oznake, ki določajo znotrajcelično lokacijo ali presnovno usodo teh molekul

Živila, ki vsebujejo ogljikove hidrate

Ogljikovi hidrati so bistveni sestavni del zdrave prehrane, saj so glavni vir energije. Vendar pa imajo nekatera živila bolj zdrave ogljikove hidrate, ki ponujajo večjo količino hranil, na primer:

Škrob

Živila, ki vsebujejo škrob, so glavni vir ogljikovih hidratov. Ti škrobi so v splošnem kompleksni ogljikovi hidrati, kar pomeni, da jih tvorijo številni združeni sladkorji, ki tvorijo dolgo molekularno verigo. Zaradi tega je treba prebaviti škroba dlje.

Obstaja široka paleta živil, ki vsebujejo škrobe. Zrna vključujejo živila z visoko vsebnostjo škroba, na primer: fižol, leča in riž. Žita vsebujejo tudi te ogljikove hidrate, na primer oves, ječmen, pšenico in njene derivate (moka in testenine). .

Stročnice in oreščki vsebujejo tudi ogljikove hidrate v obliki škrobov. Poleg tega imajo zelenjava, kot so: krompir, sladki krompir, koruza in buče, bogato vsebnost škroba.

Pomembno je omeniti, da je veliko ogljikovih hidratov vir vlaken. To pomeni, da so vlakna v osnovi vrsta ogljikovih hidratov, ki jih telo lahko prebavi le delno.

Podobno kot pri kompleksnih ogljikovih hidratih se ogljikova hidratna vlakna počasi prebavljajo.

Sadje in zelenjava

Sadje in zelenjava imata visoko vsebnost ogljikovih hidratov. V nasprotju z škrobom sadje in zelenjava vsebujejo preproste ogljikove hidrate, kar pomeni, da so ogljikovi hidrati, ki so povezani z enim ali dvema saharidoma..

Ti ogljikovi hidrati, ki so preprosti po svoji molekularni strukturi, se prebavljajo lažje in hitreje kot kompleksne. To daje idejo o različnih stopnjah in vrstah ogljikovih hidratov, ki jih ima hrana.

Nekateri plodovi imajo zato večjo vsebnost ogljikovih hidratov na porcijo, na primer: banane, jabolka, pomaranče, melone in grozdje imajo več ogljikovih hidratov kot nekaj zelenjave, kot so špinača, brokoli in ohrovt, korenje, gobe in jajčevci.

Mleko

Podobno kot pri zelenjavi in ​​sadju so mlečni izdelki živila, ki vsebujejo preproste ogljikove hidrate. Mleko ima lastni sladkor, imenovan laktoza, disaharid s sladkim okusom. Ena skodelica tega je približno 12 gramov ogljikovih hidratov.

Na trgu je veliko različic mleka in jogurta. Ne glede na to, ali zaužijete polno ali zmanjšano vsebnost maščobe določene mlečne izdelke, bo količina ogljikovih hidratov enaka.

Sladkarije

Sladkarije so še en dobro znani vir ogljikovih hidratov. Med njimi so sladkor, med, sladkarije, umetne pijače, piškoti, sladoled, med številnimi drugimi sladicami. Vsi ti izdelki vsebujejo visoke koncentracije sladkorjev.

Nekatera predelana in rafinirana živila vsebujejo zapletene ogljikove hidrate, na primer: kruh, riž in belo testenino. Pomembno je omeniti, da rafinirani ogljikovi hidrati niso tako hranljivi kot ogljikovi hidrati, ki jih imajo sadje in zelenjava.

Presnova ogljikovih hidratov

Presnova ogljikovih hidratov je niz presnovnih reakcij, ki vključujejo tvorbo, razgradnjo in pretvorbo ogljikovih hidratov v celicah..

Presnova ogljikovih hidratov je zelo ohranjena in jo lahko opazimo tudi pri bakterijah, pri čemer je glavni primer Lac Operon. E. coli.

Ogljikovi hidrati so pomembni v številnih presnovnih poteh, kot je fotosinteza, najpomembnejša reakcija tvorbe ogljikovih hidratov v naravi..

Od ogljikovega dioksida in vode rastline uporabljajo sončno energijo za sintezo molekul ogljikovih hidratov.

Celice živalskih in glivičnih celic razgrajujejo ogljikove hidrate, ki jih zaužijejo rastlinska tkiva, da pridobijo energijo v obliki ATP skozi proces, imenovan celično dihanje..

Pri vretenčarjih se glukoza prenaša po celem telesu skozi kri. Če so zaloge celične energije nizke, se glukoza razgradi s presnovno reakcijo, imenovano glikoliza, da proizvede malo energije in nekaj presnovnih intermediatov..

Glukozne molekule, ki niso potrebne za takojšnjo proizvodnjo energije, so shranjene kot glikogen v jetrih in mišicah, skozi proces, imenovan glikogeneza.

Nekateri preprosti ogljikovi hidrati imajo lastne poti degradacije, kot so nekateri bolj kompleksni ogljikovi hidrati. Laktoza, na primer, zahteva delovanje encima laktaze, ki lomi svoje vezi in sprosti njegove osnovne monosaharide, glukozo in galaktozo..

Glukoza je glavni ogljikov hidrat, ki ga zaužijejo celice in ki predstavlja približno 80% energetskih virov.

Glukoza se razdeli v celice, kjer lahko vstopi skozi specifične transporterje, da se razgradi ali shrani kot glikogen.

Glede na metabolične potrebe celice se glukoza lahko uporablja tudi za sintezo drugih monosaharidov, maščobnih kislin, nukleinskih kislin in nekaterih aminokislin..

Glavna funkcija presnove ogljikovih hidratov je ohranjanje nadzora nad ravnjo sladkorja v krvi, to je tisto, kar imenujemo interna homeostaza.

Reference

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. in Walter, P. (2014). Molekularna biologija celice (6. izd.). Garland Science.
  2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. in Strayer, L. (2015). Biokemija (8. izd.). W. H. Freeman in družba.
  3. Campbell, N. in Reece, J. (2005). Biologija (2. izd.) Pearson Education.
  4. Dashty, M. (2013). Hiter pogled na biokemijo: Presnova ogljikovih hidratov. Klinična biokemija, 46(15), 1339-1352.
  5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. in Martin, K. (2016). Molekularna celična biologija (8. izd.). W. H. Freeman in družba.
  6. Maughan, R. (2009). Presnova ogljikovih hidratov. Kirurgija, 27(1), 6-10.
  7. Nelson, D., Cox, M. in Lehninger, A. (2013). Lehningerjeva načela biokemije (6th). W.H. Freeman in podjetje.
  8. Solomon, E., Berg, L. in Martin, D. (2004). Biologija (7. izd.) Cengage Learning.
  9. Voet, D., Voet, J. in Pratt, C. (2016). Osnove biokemije: življenje na molekularni ravni (5. izd.). Wiley.