Struktura chemiczna, klasyfikacja i funkcje węglowodanów



The węglowodany, węglowodany lub sacharydy, to cząsteczki organiczne, które przechowują energię w żywych istotach. Są to najliczniejsze biocząsteczki i obejmują: cukry, skrobie i celulozę, wśród innych związków występujących w organizmach żywych.

Organizmy, które przeprowadzają fotosyntezę (rośliny, algi i niektóre bakterie) są głównymi producentami węglowodanów w przyrodzie. Struktura tych sacharydów może być liniowa lub rozgałęziona, prosta lub złożona i może być również związana z biocząsteczkami innego rodzaju.

Na przykład węglowodany mogą wiązać białka, tworząc glikoproteiny. Mogą być również związane z cząsteczkami lipidów, tworząc glikolipidy, biocząsteczki, które tworzą strukturę błon biologicznych. Węglowodany są również obecne w strukturze kwasów nukleinowych.

Początkowo węglowodany były rozpoznawane jako komórkowe cząsteczki magazynujące energię. Następnie określono inne ważne funkcje, które węglowodany spełniają w układach biologicznych.

Wszystkie żywe istoty mają swoje komórki pokryte gęstą warstwą złożonych węglowodanów. Węglowodany składają się z monosacharydów, małych cząsteczek utworzonych z trzech do dziewięciu atomów węgla przyłączonych do grup hydroksylowych (-OH), które mogą różnić się wielkością i konfiguracją.

Ważną właściwością węglowodanów jest ogromna różnorodność strukturalna w tej klasie cząsteczek, która pozwala im na wykonywanie szerokiego zakresu funkcji, takich jak generowanie cząsteczek sygnalizujących komórki, tworzenie tkanek i generowanie tożsamości różnych grup krwi u ludzi..

Podobnie macierz pozakomórkowa u wyższych eukariontów jest bogata w wydzielane węglowodany, istotne dla przetrwania i komunikacji komórek. Te mechanizmy rozpoznawania komórek są wykorzystywane przez różne patogeny do infekowania ich komórek gospodarza.

Monosacharydy mogą być połączone wiązaniami glikozydowymi, tworząc dużą różnorodność węglowodanów: disacharydów, oligosacharydów i polisacharydów. Badanie struktury i funkcji węglowodanów w układach biologicznych nazywa się glikobiologią.

Indeks

  • 1 Struktura chemiczna
  • 2 Klasyfikacja
    • 2.1 Monosacharydy
    • 2.2 Disacharydy
    • 2.3 Oligosacharydy 
    • 2.4 Polisacharydy
  • 3 funkcje
  • 4 Żywność zawierająca węglowodany
    • 4.1 Skrobie
    • 4.2 Owoce i warzywa
    • 4.3 Mleko
    • 4.4 Słodycze
  • 5 Metabolizm węglowodanów
  • 6 referencji

Struktura chemiczna

Węglowodany składają się z atomów węgla, wodoru i tlenu. Większość z nich może być reprezentowana przez wzór empiryczny (CH2O) n, gdzie n jest liczbą atomów węgla w cząsteczce. Innymi słowy, stosunek węgla, wodoru i tlenu wynosi 1: 2: 1 w cząsteczkach węglowodanów.

Ta formuła wyjaśnia pochodzenie terminu „węglowodan”, ponieważ składniki są atomami węgla („carbo”) i atomami wody (dlatego „hydrat”). Chociaż węglowodany są tworzone głównie przez te trzy atomy, istnieją pewne węglowodany z azotem, fosforem lub siarką.

W swojej podstawowej formie węglowodany są cukrami prostymi lub monosacharydami. Te proste cukry można łączyć ze sobą, tworząc bardziej złożone węglowodany.

Połączenie dwóch cukrów prostych to disacharyd. Oligosacharydy zawierają od dwóch do dziesięciu cukrów prostych, a polisacharydy są największymi węglowodanami, składającymi się z więcej niż dziesięciu jednostek monosacharydów.

Struktura węglowodanów określa, w jaki sposób energia jest magazynowana w wiązaniach podczas jej powstawania przez fotosyntezę, a także jak te wiązania są łamane podczas oddychania komórkowego.

Klasyfikacja

Monosacharydy

Monosacharydy są podstawowymi jednostkami węglowodanów, dlatego są najprostszą strukturą sacharydu. Fizycznie monosacharydy są krystalicznymi ciałami stałymi bez koloru. Większość ma słodki smak.

Z chemicznego punktu widzenia monosacharydy mogą być aldehydami lub ketonami, w zależności od tego, gdzie znajduje się grupa karbonylowa (C = O) w liniowych węglowodanach. Strukturalnie monosacharydy mogą tworzyć łańcuchy liniowe lub pierścienie zamknięte.

Ponieważ monosacharydy mają grupy hydroksylowe, większość jest rozpuszczalna w wodzie i nierozpuszczalna w rozpuszczalnikach niepolarnych.

W zależności od liczby węgli, które masz w swojej strukturze, monosacharyd będzie miał różne nazwy, na przykład: trioza (jeśli masz 3 atomy C), pentoza (jeśli masz 5 C) i tak dalej.

Disacharydy

Disacharydy są podwójnymi cukrami, które powstają przez połączenie dwóch monosacharydów w procesie chemicznym zwanym syntezą odwodnienia, ponieważ cząsteczka wody jest tracona podczas reakcji. Jest również znany jako reakcja kondensacji.

Tak więc disacharyd jest dowolną substancją składającą się z dwóch cząsteczek cukrów prostych (monosacharydów) połączonych ze sobą poprzez wiązanie glikozydowe.

Kwasy mają zdolność rozbijania tych wiązań, dlatego disacharydy mogą być trawione w żołądku.

Disacharydy są na ogół rozpuszczalne w wodzie i słodkie po połknięciu. Trzy główne disacharydy to sacharoza, laktoza i maltoza: sacharoza pochodzi z wiązania glukozy i fruktozy; laktoza pochodzi ze związku glukozy i galaktozy; a maltoza pochodzi z połączenia dwóch cząsteczek glukozy.

Oligosacharydy

Oligosacharydy są złożonymi polimerami utworzonymi przez kilka jednostek cukrów prostych, czyli od 3 do 9 monosacharydów.

Reakcja jest taka sama, która tworzy disacharydy, ale pochodzi również z rozkładu bardziej złożonych cząsteczek cukru (polisacharydy).

Większość oligosacharydów znajduje się w roślinach i działa jako rozpuszczalny błonnik, który może zapobiegać zaparciom. Jednak ludzie nie posiadają enzymów, aby je strawić głównie, z wyjątkiem maltotriozy.

Z tego powodu oligosacharydy, które nie są trawione początkowo w jelicie cienkim, mogą zostać zdegradowane przez bakterie, które normalnie zamieszkują jelito grube w procesie fermentacji. Prebiotyki spełniają tę funkcję, służą jako pokarm dla pożytecznych bakterii.

Polisacharydy

Polisacharydy są największymi polimerami sacharydowymi, są utworzone przez więcej niż 10 (do tysięcy) jednostek monosacharydów ułożonych w sposób liniowy lub rozgałęziony. Różnice w rozmieszczeniu przestrzennym nadają tym cukrom wiele właściwości.

Polisacharydy mogą składać się z tego samego monosacharydu lub kombinacji różnych monosacharydów. Jeśli są one tworzone przez powtarzające się jednostki tego samego cukru, nazywane są homopolisacharydami, takimi jak glikogen i skrobia, które są odpowiednio węglowodanami magazynowymi zwierząt i roślin..

Jeśli polisacharyd składa się z jednostek różnych cukrów, nazywane są heteropolisacharydami. Większość zawiera tylko dwie różne jednostki i zazwyczaj wiąże się z białkami (glikoproteinami, takimi jak gamma globulina w osoczu krwi) lub lipidami (glikolipidy, takie jak gangliozydy).

Funkcje

Cztery główne funkcje węglowodanów to: dostarczanie energii, magazynowanie energii, budowanie makrocząsteczek i zapobieganie degradacji białek i tłuszczów.

Węglowodany są rozkładane przez trawienie w cukrach prostych. Są one absorbowane przez komórki jelita cienkiego i są transportowane do wszystkich komórek ciała, gdzie zostaną utlenione w celu uzyskania energii w postaci adenozynotrifosforanu (ATP).

Cząsteczki cukru, które nie są wykorzystywane w produkcji energii w danym czasie, są przechowywane jako część polimerów rezerwowych, takich jak glikogen i skrobia.

Nukleotydy, podstawowe jednostki kwasów nukleinowych, posiadają w swojej strukturze cząsteczki glukozy. Z cząsteczkami węglowodanów wiąże się kilka ważnych białek, na przykład: hormon folikulotropowy (FSH), który interweniuje w procesie owulacji.

Ponieważ węglowodany są głównym źródłem energii, ich szybka degradacja zapobiega degradacji innych biomolekuł w celu uzyskania energii. Zatem, gdy poziomy cukru są prawidłowe, białka i lipidy są chronione przed degradacją.

Niektóre węglowodany są rozpuszczalne w wodzie, funkcjonują jako podstawowe pożywienie praktycznie na całym świecie, a utlenianie tych cząsteczek jest głównym źródłem produkcji energii w większości niefotosyntetycznych komórek..

Nierozpuszczalne węglowodany są związane z tworzeniem bardziej złożonych struktur, które służą jako ochrona. Na przykład: celuloza tworzy ścianę komórek roślinnych wraz z hemicelulozami i pektyną. Chityna tworzy ścianę komórek grzybów i egzoszkielet stawonogów.

Ponadto peptydoglikan tworzy ścianę komórkową bakterii i cyjanobakterii. Tkanka łączna zwierząt i stawów szkieletowych tworzą polisacharydy.

Wiele węglowodanów jest kowalencyjnie związanych z białkami lub lipidami, tworząc bardziej złożone struktury, zbiorczo nazywane glikokoniugatami. Kompleksy te działają jako znaczniki, które określają lokalizację wewnątrzkomórkową lub los metaboliczny tych cząsteczek

Żywność zawierająca węglowodany

Węglowodany są niezbędnym składnikiem zdrowej diety, ponieważ są głównym źródłem energii. Jednak niektóre produkty mają zdrowsze węglowodany, które oferują większą ilość składników odżywczych, na przykład:

Skrobie

Pokarmy zawierające skrobię są głównym źródłem węglowodanów. Te skrobie są na ogół złożonymi węglowodanami, to znaczy są utworzone przez wiele połączonych cukrów tworząc długi łańcuch molekularny. Z tego powodu trawienie skrobi trwa dłużej.

Istnieje szeroka gama produktów spożywczych zawierających skrobie. Ziarna obejmują żywność o wysokiej zawartości skrobi, na przykład: fasola, soczewica i ryż. Zboża zawierają również te węglowodany, na przykład: owies, jęczmień, pszenica i jej pochodne (mąka i makaron) .

Rośliny strączkowe i orzechy zawierają również węglowodany w postaci skrobi. Ponadto warzywa takie jak: ziemniaki, słodkie ziemniaki, kukurydza i dynie są również bogate w skrobię.

Ważne jest, aby pamiętać, że wiele węglowodanów jest źródłem błonnika. Oznacza to, że błonnik jest zasadniczo rodzajem węglowodanów, które organizm może trawić tylko częściowo.

Podobnie jak węglowodany złożone, włókna węglowodanowe mają tendencję do powolnego trawienia.

Owoce i warzywa

Owoce i warzywa mają wysoką zawartość węglowodanów. W przeciwieństwie do skrobi, owoce i warzywa zawierają proste węglowodany, czyli węglowodany z jednym lub dwoma sacharydami połączonymi razem.

Te węglowodany, proste w swojej strukturze molekularnej, są trawione łatwiej i szybciej niż złożone. Daje to wyobrażenie o różnych poziomach i rodzajach węglowodanów, które posiada żywność.

Zatem niektóre owoce mają więcej zawartości węglowodanów na porcję, na przykład: banany, jabłka, pomarańcze, melony i winogrona mają więcej węglowodanów niż niektóre warzywa, takie jak szpinak, brokuły i jarmuż, marchew, grzyby i bakłażany.

Mleko

Podobnie jak warzywa i owoce, produkty mleczne to produkty zawierające proste węglowodany. Mleko ma swój własny cukier zwany laktozą, disacharyd o słodkim smaku. Jedna filiżanka to około 12 gramów węglowodanów.

Na rynku jest wiele wersji mleka i jogurtu. Niezależnie od tego, czy spożywasz wersję pełnotłustą czy o obniżonej zawartości tłuszczu w określonej mleczarni, ilość węglowodanów będzie taka sama.

Słodycze

Słodycze są kolejnym dobrze znanym źródłem węglowodanów. Należą do nich cukier, miód, cukierki, sztuczne napoje, ciastka, lody, wśród wielu innych deserów. Wszystkie te produkty zawierają wysokie stężenia cukrów.

Ze swej strony niektóre przetworzone i rafinowane produkty zawierają złożone węglowodany, na przykład: chleb, ryż i biały makaron. Ważne jest, aby pamiętać, że rafinowane węglowodany nie są tak odżywcze jak węglowodany, które posiadają owoce i warzywa.

Metabolizm węglowodanów

Metabolizm węglowodanów to zestaw reakcji metabolicznych, które obejmują tworzenie, degradację i konwersję węglowodanów w komórkach.

Metabolizm węglowodanów jest wysoce konserwatywny i można go zaobserwować nawet u bakterii, a głównym przykładem jest Lac Operon. E. coli.

Węglowodany są ważne w wielu szlakach metabolicznych, takich jak fotosynteza, najważniejsza reakcja tworzenia węglowodanów w przyrodzie.

Z dwutlenku węgla i wody rośliny wykorzystują energię słoneczną do syntezy cząsteczek węglowodanów.

Ze swej strony komórki zwierzęce i grzybowe rozkładają węglowodany spożywane w tkankach roślinnych w celu uzyskania energii w postaci ATP w procesie zwanym oddychaniem komórkowym..

U kręgowców glukoza jest transportowana w organizmie przez krew. Jeśli komórkowe zapasy energii są niskie, glukoza jest rozkładana przez reakcję metaboliczną zwaną glikolizą, aby wytworzyć trochę energii i niektóre metaboliczne związki pośrednie.

Cząsteczki glukozy, które nie są potrzebne do natychmiastowej produkcji energii, są przechowywane w wątrobie i mięśniach w postaci glikogenu w procesie zwanym glikogenezą.

Niektóre proste węglowodany mają swoje własne drogi degradacji, jak niektóre bardziej złożone węglowodany. Na przykład laktoza wymaga działania enzymu laktazy, który rozrywa jego wiązania i uwalnia podstawowe monosacharydy, glukozę i galaktozę.

Glukoza jest głównym węglowodanem spożywanym przez komórki, stanowiąc około 80% źródeł energii.

Glukoza jest dystrybuowana do komórek, gdzie może przenikać przez określone transportery, aby ulegać degradacji lub składowaniu w postaci glikogenu.

W zależności od wymagań metabolicznych komórki, glukoza może być również stosowana do syntezy innych monosacharydów, kwasów tłuszczowych, kwasów nukleinowych i niektórych aminokwasów.

Główną funkcją metabolizmu węglowodanów jest utrzymanie kontroli poziomu cukru we krwi, jest to tak zwana homeostaza wewnętrzna.

Referencje

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. i Walter, P. (2014). Molekularna biologia komórki (Wyd. 6). Garland Science.
  2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biochemia (8 wyd.). W. H. Freeman and Company.
  3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biologia (Drugie wydanie) Pearson Education.
  4. Dashty, M. (2013). Krótkie spojrzenie na biochemię: metabolizm węglowodanów. Biochemia kliniczna, 46(15), 1339-1352.
  5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. i Martin, K. (2016). Molekularna biologia komórkowa (8 wyd.). W. H. Freeman and Company.
  6. Maughan, R. (2009). Metabolizm węglowodanów. Chirurgia, 27(1), 6-10.
  7. Nelson, D., Cox, M. i Lehninger, A. (2013). Lehninger Principles of Biochemistry (6th). W.H. Freeman and Company.
  8. Solomon, E., Berg, L. i Martin, D. (2004). Biologia (7 wyd.) Cengage Learning.
  9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level (5 wyd.). Wiley.