Хімічна структура, класифікація та функції вуглеводів



The вуглеводи, вуглеводи або сахариди, це органічні молекули, які зберігають енергію в живих істотах. Вони є найбільш поширеними біомолекулами і включають: цукру, крохмалі та целюлозу, серед інших сполук, що містяться в живих організмах.

Організми, які здійснюють фотосинтез (рослини, водорості та деякі бактерії), є основними виробниками вуглеводів в природі. Структура цих сахаридів може бути лінійною або розгалуженою, простою або сполучною і також може бути пов'язана з біомолекулами іншого виду \ t.

Наприклад, вуглеводи можуть зв'язувати білки з утворенням глікопротеїнів. Вони також можуть бути пов'язані з молекулами ліпідів, що утворюють гликолипиди, біомолекули, які утворюють структуру біологічних мембран. Вуглеводи також присутні в структурі нуклеїнових кислот.

Спочатку вуглеводи були визнані молекулами клітинної енергії. Згодом були визначені інші важливі функції, які виконують вуглеводи в біологічних системах.

Всі живі істоти мають свої клітини, покриті щільним шаром складних вуглеводів. Вуглеводи складаються з моносахаридів, малих молекул, утворених від трьох до дев'яти атомів вуглецю, приєднаних до гідроксильних груп (-ОН), які можуть відрізнятися за розміром і конфігурацією.

Важливою властивістю вуглеводів є величезна структурна різноманітність у цьому класі молекул, яка дозволяє їм виконувати широкий спектр функцій, таких як генерування клітинних сигнальних молекул, формування тканин і генерування ідентичності різних груп крові у людей..

Аналогічно, позаклітинний матрикс у вищих еукаріотів багатий на вуглеводи, що виділяються, що є необхідним для виживання клітин та комунікації. Ці механізми розпізнавання клітин використовуються різними патогенами для інфікування клітин-господарів.

Моносахариди можуть бути пов'язані глікозидними зв'язками для утворення великої кількості вуглеводів: дисахаридів, олігосахаридів і полісахаридів. Вивчення структури і функції вуглеводів у біологічних системах називається глікобіологією.

Індекс

  • 1 Хімічна структура
  • 2 Класифікація
    • 2.1 Моносахариди
    • 2.2. Дисахариди
    • 2.3 Олігосахариди 
    • 2.4. Полісахариди
  • 3 Функції
  • 4 Продукти, що містять вуглеводи
    • 4.1 Крохмалі
    • 4.2 Фрукти та овочі
    • 4.3 Молоко
    • 4.4 Цукерки
  • 5 Вуглеводний обмін
  • 6 Посилання

Хімічна структура

Вуглеводи складаються з атомів вуглецю, водню і кисню. Більшість з них можуть бути представлені емпіричною формулою (CH2O) n, де n - кількість вуглецю в молекулі. Іншими словами, співвідношення вуглецю, водню і кисню становить 1: 2: 1 у вуглеводних молекулах.

Ця формула пояснює походження терміна «вуглевод», оскільки компоненти є атомами вуглецю («карбо») і атомами води (тому «гідрат»). Хоча вуглеводи утворюються головним чином цими трьома атомами, є деякі вуглеводи з азотом, фосфором або сіркою.

У своїй основній формі вуглеводи являють собою прості цукру або моносахариди. Ці прості цукру можуть бути об'єднані разом, щоб утворити більш складні вуглеводи.

Комбінація двох простих цукрів являє собою дисахарид. Олігосахариди містять від двох до десяти простих цукрів, а полісахариди є найбільшими вуглеводами, що складаються з більш ніж десяти одиниць моносахаридів..

Структура вуглеводів визначає, як енергія зберігається в її зв'язках під час її формування шляхом фотосинтезу, а також як ці зв'язки порушуються під час клітинного дихання.

Класифікація

Моносахариди

Моносахариди є елементарними одиницями вуглеводів, тому вони є найпростішою структурою сахаридів. Фізично моносахариди є кристалічними твердими речовинами без кольору. Більшість мають солодкий смак.

З хімічної точки зору, моносахариди можуть бути альдегідами або кетонами в залежності від того, де карбонільна група (C = O) знаходиться в лінійних вуглеводах. Конструктивно моносахариди можуть утворювати лінійні ланцюги або закриті кільця.

Оскільки моносахариди мають гідроксильні групи, більшість з них є водорозчинними і нерозчинними в неполярних розчинниках.

Залежно від кількості вуглеводів у вашій структурі, моносахарид буде мати різні назви, наприклад: триози (якщо у вас є 3 атоми C), пентоза (якщо у вас 5C) і так далі.

Дисахариди

Дисахариди є подвійними цукрами, які утворюються шляхом об'єднання двох моносахаридів в хімічний процес, званий синтезом дегідратації, оскільки молекула води втрачається під час реакції. Він також відомий як реакція конденсації.

Таким чином, дисахарид - це будь-яка речовина, що складається з двох молекул простих цукрів (моносахаридів), з'єднаних між собою через глікозидну зв'язок.

Кислоти мають здатність розривати ці зв'язки, з цієї причини дисахариди можуть бути перетравлені в шлунку.

Дисахариди, як правило, розчиняються у воді і солодкі при проковтуванні. Трьома основними дисахаридами є сахароза, лактоза і мальтоза: сахароза походить від зв'язування глюкози і фруктози; лактоза походить від об'єднання глюкози і галактози; і мальтоза походить від об'єднання двох молекул глюкози.

Олігосахариди

Олігосахариди є складними полімерами, утвореними декількома одиницями простих цукрів, тобто від 3 до 9 моносахаридів.

Реакція є такою ж, що утворює дисахариди, але також відбувається з розщепленням більш складних молекул цукру (полісахаридів)..

Більшість олігосахаридів знаходяться в рослинах і діють як розчинні волокна, які можуть запобігти запору. Однак люди не володіють ферментами, щоб їх переварювати переважно, за винятком мальтотріози.

З цієї причини олігосахариди, які не перетравлюються спочатку в тонкому кишечнику, можуть бути деградовані бактеріями, які зазвичай живуть у товстому кишечнику через процес ферментації. Пребіотики виконують цю функцію, служать їжею для корисних бактерій.

Полісахариди

Полісахариди є найбільшими сахаридними полімерами, вони утворені більш ніж 10 (до тисяч) одиниць моносахаридів, розташованих лінійним або розгалуженим способом. Різниця в просторовому розташуванні дає множинні властивості цих цукрів.

Полісахариди можуть складатися з одного моносахариду або за допомогою комбінації різних моносахаридів. Якщо вони утворені повторюваними одиницями того ж цукру, вони називаються гомополісахаридами, такими як глікоген і крохмаль, які є сховищами вуглеводів тварин і рослин відповідно..

Якщо полісахарид складається з одиниць різних цукрів, їх називають гетерополісахаридами. Більшість містять тільки дві різні одиниці і, як правило, пов'язані з білками (глікопротеїни, такі як гамма-глобулін у плазмі крові) або ліпіди (гліколіпіди, такі як ганглиозиди).

Функції

Чотири основні функції вуглеводів: забезпечувати енергію, зберігати енергію, будувати макромолекули і запобігати деградації білків і жирів.

Вуглеводи розкладаються шляхом перетравлення простих цукрів. Вони поглинаються клітинами тонкої кишки і транспортуються до всіх клітин тіла, де вони окислюються для отримання енергії у вигляді аденозинтрифосфату (АТФ).

Молекули цукру, які не використовуються у виробництві енергії в будь-який момент часу, зберігаються як частина резервних полімерів, таких як глікоген і крохмаль.

Нуклеотиди, фундаментальні одиниці нуклеїнових кислот, мають молекули глюкози у своїй структурі. Кілька важливих білків пов'язані з молекулами вуглеводів, наприклад: фолікулостимулюючий гормон (ФСГ), який втручається в процес овуляції.

Оскільки вуглеводи є основним джерелом енергії, їхня швидка деградація запобігає деградації інших біомолекул для отримання енергії. Таким чином, коли рівні цукру є нормальними, білки і ліпіди захищені від деградації.

Деякі вуглеводи розчиняються у воді, вони функціонують як основний продукт харчування практично у всьому світі, і окислення цих молекул є основним джерелом виробництва енергії в більшості не фотосинтетичних клітин..

Нерозчинні вуглеводи пов'язані з утворенням більш складних структур, які служать захистом. Наприклад: целюлоза утворює стінки рослинних клітин разом з геміцелюлозами і пектином. Хітин утворює стінку грибкових клітин і екзоскелет членистоногих.

Також пептидоглікан утворює клітинну стінку бактерій і ціанобактерій. Сполучна тканина тварин і скелетних суглобів утворені полісахаридами.

Багато вуглеводів ковалентно пов'язані з білками або ліпідами, утворюючи більш складні структури, звані глікокон'югатами. Ці комплекси діють як мітки, що визначають внутрішньоклітинне розташування або метаболічну долю цих молекул

Продукти, що містять вуглеводи

Вуглеводи є важливим компонентом здорового харчування, оскільки вони є основним джерелом енергії. Однак деякі продукти харчування мають більш здорові вуглеводи, які пропонують більшу кількість поживних речовин, наприклад:

Крохмалі

Продукти, що містять крохмаль, є основним джерелом вуглеводів. Ці крохмалі в цілому є складними вуглеводами, тобто вони утворені багатьма цукрами, об'єднаними разом, утворюючи довгий молекулярний ланцюг. З цієї причини крохмалі забираються більше часу.

Існує широкий спектр продуктів, що містять крохмаль. Зерна включають продукти з високим вмістом крохмалю, наприклад: квасоля, сочевиця і рис. Зернові також містять ці вуглеводи, наприклад: овес, ячмінь, пшениця та її похідні (борошно та макаронні вироби) .

Бобові і горіхи також містять вуглеводи у вигляді крохмалів. Крім того, овочі, такі як: картопля, солодкий картопля, кукурудза та гарбуз, також багаті на вміст крохмалю.

Важливо відзначити, що багато вуглеводів є джерелом клітковини. Тобто волокно - це в основному тип вуглеводів, який організм може перетравлювати лише частково.

Подібно до складних вуглеводів, вуглеводні волокна, як правило, повільно перетравлюються.

Фрукти та овочі

Фрукти та овочі мають високий вміст вуглеводів. На відміну від крохмалів, фрукти та овочі містять прості вуглеводи, тобто вуглеводи з одним або двома сахаридами, пов'язаними між собою.

Ці вуглеводи, будучи простими у своїй молекулярній структурі, перетравлюються легше і швидше, ніж складні. Це дає уявлення про різні рівні і типи вуглеводів, якими володіє їжа.

Таким чином, деякі фрукти мають більше вмісту вуглеводів на порцію, наприклад: банани, яблука, апельсини, дині та виноград мають більше вуглеводів, ніж деякі овочі, такі як шпинат, брокколі та капуста, морква, гриби та баклажани.

Молоко

Як і овочі та фрукти, молочні продукти - це продукти, які містять прості вуглеводи. Молоко має власний цукор, який називається лактозою, дисахаридом солодкого смаку. Одна чашка цього дорівнює приблизно 12 грам вуглеводів.

На ринку існує багато версій молока та йогурту. Незалежно від того, чи ви споживаєте повну або зменшену жиру версію конкретної молочної продукції, кількість вуглеводів буде однаковою.

Солодощі

Солодощі є ще одним відомим джерелом вуглеводів. До них відносяться цукор, мед, цукерки, штучні напої, печиво, морозиво, серед багатьох інших десертів. Всі ці продукти містять високі концентрації цукрів.

Зі свого боку, деякі перероблені та рафіновані продукти містять складні вуглеводи, наприклад: хліб, рис і білі макарони. Важливо відзначити, що рафіновані вуглеводи не так живильні, як вуглеводи, якими володіють фрукти та овочі.

Вуглеводний обмін

Метаболізм вуглеводів - це набір метаболічних реакцій, які передбачають утворення, деградацію та конверсію вуглеводів у клітинах.

Метаболізм вуглеводів є висококонсервативним і може спостерігатися навіть від бактерій, головним прикладом яких є Lac Operon. E. coli.

Вуглеводи важливі у багатьох метаболічних шляхах, таких як фотосинтез, найважливіша реакція утворення вуглеводів у природі.

З вуглекислого газу та води рослини використовують енергію сонця для синтезу молекул вуглеводів.

Зі свого боку, тварини і грибкові клітини руйнують вуглеводи, споживані в рослинних тканинах, для отримання енергії у вигляді АТФ через процес, який називається клітинним диханням..

У хребетних глюкоза транспортується по всьому тілу через кров. Якщо запаси енергії в клітинах низькі, глюкоза деградує метаболічна реакція, що називається гліколізом, для вироблення трохи енергії, а деякі метаболічні проміжні продукти.

Молекули глюкози, які не потрібні для безпосереднього виробництва енергії, зберігаються як глікоген в печінці і м'язах, через процес, який називається глікогенезом.

Деякі прості вуглеводи мають власні шляхи деградації, як деякі більш складні вуглеводи. Лактоза, наприклад, вимагає дії ферменту лактази, який розриває його зв'язки і вивільняє його основні моносахариди, глюкозу і галактозу..

Глюкоза є основним вуглеводом, що споживається клітинами, що становить приблизно 80% джерел енергії.

Глюкоза поширюється на клітини, де вона може проникати через специфічні транспортери, які підлягають деградації або зберігаються як глікоген.

Залежно від метаболічних потреб клітини, глюкоза також може бути використана для синтезу інших моносахаридів, жирних кислот, нуклеїнових кислот і деяких амінокислот..

Основна функція вуглеводного обміну полягає в тому, щоб підтримувати рівень цукру в крові, це відоме як внутрішній гомеостаз.

Список літератури

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Молекулярна біологія клітини (6-е изд.). Гірлянди наука.
  2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Біохімія (8-е изд.). W. H. Freeman and Company.
  3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Біологія (2-е изд.) Освіта Пірсона.
  4. Dashty, M. (2013). Швидкий погляд на біохімію: Вуглеводний обмін. Клінічна біохімія, 46(15), 1339-1352.
  5. Лодіш, Х., Берк А., Кайзер, К., Крігер, М., Bretscher, А., Ploegh, Х., Амон, А. & Мартін, К. (2016). Молекулярна клітинна біологія (8-е изд.). W. H. Freeman and Company.
  6. Моган, Р. (2009). Вуглеводний обмін. Хірургія, 27(1), 6-10.
  7. Нельсон, Д., Кокс, М. і Ленінгер, А. (2013). Принципи біохімії Ленінгера (6й). W.H. Фрімен та Компанія.
  8. Соломон, Е., Берг, Л. і Мартін, Д. (2004). Біологія (7-е изд.) Cengage Learning.
  9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Основи біохімії: життя на молекулярному рівні (5-е изд.). Wiley.