Химическа структура, класификация и функции на въглехидрати



на въглехидрати, въглехидрати или захариди, са органични молекули, които съхраняват енергия в живите същества. Те са най-разпространените биомолекули и включват: захари, скорбяла и целулоза, сред другите съединения, открити в живите организми.

Организмите, които извършват фотосинтеза (растения, водорасли и някои бактерии), са основните производители на въглехидрати в природата. Структурата на тези захариди може да бъде линейна или разклонена, проста или съединение и може също да бъде свързана с биомолекули от друг вид..

Например, въглехидратите могат да свързват протеини за образуване на гликопротеини. Те могат също да бъдат свързани с липидни молекули, образуващи гликолипиди, биомолекули, които образуват структурата на биологичните мембрани. Въглехидратите също присъстват в структурата на нуклеиновите киселини.

Първоначално въглехидратите се разпознават като молекули за съхранение на клетъчна енергия. Впоследствие бяха определени други важни функции, които въглехидратите изпълняват в биологичните системи.

Всички живи същества покриват клетките си с плътен слой сложни въглехидрати. Въглехидратите са съставени от монозахариди, малки молекули, образувани от три до девет въглеродни атома, свързани с хидроксилни групи (-ОН), които могат да варират по размер и конфигурация..

Важно свойство на въглехидратите е огромното структурно разнообразие в този клас молекули, което им позволява да изпълняват широк спектър от функции като генериране на клетъчни сигнални молекули, формиране на тъкани и генериране на идентичност на различни кръвни групи при хора..

По същия начин, извънклетъчният матрикс във висшите еукариоти е богат на секретирани въглехидрати, които са от съществено значение за клетъчното оцеляване и комуникация. Тези механизми за клетъчно разпознаване се използват от различни патогени, за да заразят клетките гостоприемници.

Монозахаридите могат да бъдат свързани чрез гликозидни връзки, за да образуват голямо разнообразие от въглехидрати: дизахариди, олигозахариди и полизахариди. Изследването на структурата и функцията на въглехидратите в биологичните системи се нарича гликобиология.

индекс

  • 1 Химическа структура
  • 2 Класификация
    • 2.1 Монозахариди
    • 2.2. Дисахариди
    • 2.3 Олигозахариди 
    • 2.4. Полизахариди
  • 3 Функции
  • 4 Храни, които съдържат въглехидрати
    • 4.1 Скорбялата
    • 4.2 Плодове и зеленчуци
    • 4.3 Мляко
    • 4.4 Сладкиши
  • 5 Въглехидратният метаболизъм
  • 6 Препратки

Химическа структура

Въглехидратите са съставени от въглеродни, водородни и кислородни атоми. Повечето от тях могат да бъдат представени чрез емпиричната формула (СН2О) п, където п е броят на въглеродите в молекулата. С други думи, съотношението на въглерод, водород и кислород е 1: 2: 1 в въглехидратни молекули.

Тази формула обяснява произхода на термина "въглехидрат", защото компонентите са въглеродни атоми ("карбо") и водни атоми (следователно, "хидрат"). Въпреки че въглехидратите се формират главно от тези три атома, има някои въглехидрати с азот, фосфор или сяра.

В основната си форма въглехидратите са прости захари или монозахариди. Тези прости захари могат да се комбинират заедно, за да образуват по-сложни въглехидрати.

Комбинацията от две прости захари е дизахарид. Олигозахаридите съдържат между две до десет прости захари, а полизахаридите са най-големите въглехидрати, състоящи се от повече от десет единици монозахариди..

Структурата на въглехидратите определя как енергията се съхранява в нейните връзки по време на образуването й чрез фотосинтеза, както и как тези връзки се разрушават по време на клетъчното дишане.

класификация

монозахариди

Монозахаридите са елементарни единици въглехидрати, поради което те са най-простата структура на захарида. Физически, монозахаридите са кристални твърди вещества без цвят. Повечето имат сладък вкус.

От химическа гледна точка, монозахаридите могат да бъдат алдехиди или кетони, в зависимост от това къде карбонилната група (С = О) е разположена в линейните въглехидрати. В структурно отношение монозахаридите могат да образуват линейни вериги или затворени пръстени.

Тъй като монозахаридите имат хидроксилни групи, повечето са водоразтворими и неразтворими в неполярни разтворители.

В зависимост от броя на въглеродите, които имате във вашата структура, монозахарид ще има различни имена, например: триоза (ако имате 3 C атома), пентоза (ако имате 5C) и т.н..

дизахариди

Дизахаридите са двойни захари, които се образуват чрез свързване на два монозахарида в химичен процес, наречен синтез на дехидратация, тъй като по време на реакцията се губи молекула вода. Той е известен също като реакция на кондензация.

Така, дизахарид е всяко вещество, което е съставено от две молекули прости захари (монозахариди), свързани заедно чрез гликозидна връзка.

Киселините имат способността да разрушават тези връзки, поради което дисахаридите могат да се усвоят в стомаха.

Дисахаридите обикновено са разтворими във вода и сладки при поглъщане. Трите основни дизахарида са захароза, лактоза и малтоза: захарозата идва от свързването на глюкоза и фруктоза; лактозата идва от свързването на глюкоза и галактоза; и малтозата идва от обединението на две молекули глюкоза.

олигозахариди

Олигозахаридите са сложни полимери, образувани от няколко единици прости захари, т.е. между 3 и 9 монозахариди..

Реакцията е същата, че образува дизахариди, но също идва от разпадането на по-сложни молекули на захар (полизахариди)..

Повечето олигозахариди се намират в растенията и действат като разтворими фибри, което може да помогне за предотвратяване на запек. Въпреки това, хората не притежават ензимите, за да ги усвоят предимно, с изключение на малтотриозата.

Поради тази причина олигозахаридите, които не се усвояват първоначално в тънките черва, могат да бъдат разградени от бактериите, които обичайно обитават дебелото черво чрез ферментационен процес. Пребиотиците изпълняват тази функция, служат като храна за полезни бактерии.

полизахариди

Полизахаридите са най-големите захаридни полимери, образувани от повече от 10 (до хиляди) единици монозахариди, подредени по линеен или разклонен начин. Разликите в пространственото подреждане са това, което дава множеството свойства на тези захари.

Полизахаридите могат да бъдат съставени от един и същ монозахарид или от комбинация от различни монозахариди. Ако те се образуват от повтарящи се единици от една и съща захар, те се наричат ​​хомополисахариди, като гликоген и нишесте, които са съответно въглехидрати на животните и растенията..

Ако полизахаридът се състои от единици от различни захари, те се наричат ​​хетерополизахариди. Повечето съдържат само две различни единици и обикновено са свързани с протеини (гликопротеини, като гама глобулин в кръвната плазма) или липиди (гликолипиди, като ганглиозиди)..

функции

Четирите основни функции на въглехидратите са: осигуряване на енергия, съхраняване на енергия, изграждане на макромолекули и предотвратяване разграждането на протеини и мазнини.

Въглехидратите се разграждат чрез разграждане в прости захари. Те се абсорбират от клетките на тънките черва и се транспортират до всички клетки на тялото, където се окисляват за енергия под формата на аденозин трифосфат (АТР)..

Захарни молекули, които не се използват в производството на енергия по всяко време, се съхраняват като част от резервни полимери като гликоген и нишесте.

Нуклеотидите, основните единици на нуклеиновите киселини, притежават молекули глюкоза в тяхната структура. Няколко важни протеини са свързани с въглехидратни молекули, например: фоликулостимулиращият хормон (FSH), който се намесва в овулационния процес.

Тъй като въглехидратите са основният източник на енергия, тяхното бързо разграждане предотвратява разграждането на други биомолекули за получаване на енергия. Така, когато нивата на захар са нормални, протеините и липидите са защитени от разграждане.

Някои въглехидрати са разтворими във вода, те функционират като основна храна в почти целия свят, а окисляването на тези молекули е основният източник на енергия в повечето не-фотосинтетични клетки..

Неразтворимите въглехидрати са свързани с образуването на по-сложни структури, които служат за защита. Например: целулозата образува стената на растителните клетки заедно с хемицелулози и пектин. Хитинът образува стената на гъбичните клетки и екзоскелета на членестоногите.

Също пептидогликанът образува клетъчната стена на бактериите и цианобактериите. Съединителната тъкан на животните и скелетните стави се образуват от полизахариди.

Много въглехидрати са ковалентно свързани към протеини или липиди, образувайки по-сложни структури, наречени колективно гликоконюгати. Тези комплекси действат като етикети, които определят вътреклетъчното местоположение или метаболитната съдба на тези молекули

Храни, които съдържат въглехидрати

Въглехидратите са основен компонент на здравословното хранене, тъй като са основен източник на енергия. Въпреки това, някои храни имат по-здравословни въглехидрати, които предлагат по-голямо количество хранителни вещества, например:

Нишестетата

Храните, които съдържат нишесте, са основният източник на въглехидрати. Тези нишестета са най-общо сложните въглехидрати, т.е. те се образуват от много захари, свързани заедно, образувайки дълги молекулярни вериги. Поради тази причина скорбялите се нуждаят от по-дълго време за усвояване.

Има широк спектър от храни, които съдържат нишесте. Зърната включват храни с високо съдържание на нишесте, например: боб, леща и ориз. Зърнените култури също съдържат тези въглехидрати, например: овес, ечемик, пшеница и производни (брашно и макаронени изделия) .

Бобовите растения и ядките също съдържат въглехидрати под формата на нишесте. Освен това, зеленчуците като: картофи, сладки картофи, царевица и тикви също са богати на съдържание на нишесте.

Важно е да се отбележи, че много въглехидрати са източник на фибри. Тоест, фибри е основно вид въглехидрати, които тялото може да смила само частично.

Подобно на сложните въглехидрати, въглехидратните влакна обикновено се усвояват бавно.

Плодове и зеленчуци

Плодовете и зеленчуците имат високо съдържание на въглехидрати. За разлика от нишестетата, плодовете и зеленчуците съдържат прости въглехидрати, т.е. въглехидрати с един или два захарида, свързани заедно.

Тези въглехидрати, прости в молекулярната си структура, се усвояват по-лесно и по-бързо от сложните. Това дава представа за различните нива и видове въглехидрати, които храната притежава.

Така някои плодове имат по-голямо съдържание на въглехидрати на порция, например: банани, ябълки, портокали, пъпеши и грозде имат повече въглехидрати, отколкото някои зеленчуци като спанак, броколи и зеле, моркови, гъби и патладжани.

Млякото

Подобно на зеленчуците и плодовете, млечните продукти са храни, които съдържат прости въглехидрати. Млякото има собствена захар, наречена лактоза, дисахарид със сладък вкус. Една чаша от това се равнява на около 12 грама въглехидрати.

Има много версии на мляко и кисело мляко на пазара. Независимо от това дали консумирате пълна или намалена мазнина на конкретна млечни продукти, количеството въглехидрати ще бъде същото.

Бонбоните

Сладкиши са друг добре познат източник на въглехидрати. Сред тях са захар, мед, бонбони, изкуствени напитки, бисквити, сладолед, както и много други десерти. Всички тези продукти съдържат високи концентрации на захари.

От своя страна някои преработени и рафинирани храни съдържат сложни въглехидрати, например: хляб, ориз и бяла паста. Важно е да се отбележи, че рафинираните въглехидрати не са толкова хранителни като въглехидратите, които притежават плодовете и зеленчуците.

Въглехидратният метаболизъм

Метаболизмът на въглехидрати е набор от метаболитни реакции, които включват образуването, разграждането и конверсията на въглехидрати в клетките.

Метаболизмът на въглехидратите е силно запазен и може да бъде наблюдаван дори от бактерии, като основният пример е Lac Operon. Е. coli.

Въглехидратите са важни в много метаболитни пътища, като фотосинтеза, най-важната реакция на въглехидрати в природата.

От въглероден диоксид и вода, растенията използват слънчевата енергия, за да синтезират въглехидратни молекули.

От своя страна, животните и гъбичните клетки разграждат въглехидратите, консумирани в растителните тъкани, за да получат енергия под формата на АТР чрез процес, наречен клетъчно дишане..

При гръбначните животни глюкозата се транспортира през тялото през кръвта. Ако запасите на клетъчна енергия са ниски, глюкозата се разгражда от метаболитна реакция, наречена гликолиза, за да се получи малко енергия и някои метаболитни междинни продукти.

Глюкозните молекули, които не са необходими за непосредствено производство на енергия, се съхраняват като гликоген в черния дроб и мускулите, чрез процес, наречен гликогенеза.

Някои прости въглехидрати имат свои собствени пътища на деградация, като някои от по-сложните въглехидрати. Например, лактозата изисква действието на ензима лактаза, който разкъсва връзките му и освобождава основните му монозахариди, глюкоза и галактоза..

Глюкозата е основният въглехидрат, консумиран от клетките и съставлява приблизително 80% от енергийните източници.

Глюкозата се разпределя в клетките, където може да влезе през специфични транспортери, за да се разгради или съхранява като гликоген.

В зависимост от метаболитните изисквания на клетката, глюкозата може да се използва и за синтезиране на други монозахариди, мастни киселини, нуклеинови киселини и някои аминокиселини..

Основната функция на въглехидратния метаболизъм е да поддържа контрола на нивата на кръвната захар, това е така наречената вътрешна хомеостаза.

препратки

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Молекулярна биология на клетката (6-то изд.). Garland Science.
  2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). биохимия (8-мо изд.). W. H. Freeman and Company.
  3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). биология (2-ро изд.) Pearson Education.
  4. Dashty, M. (2013). Бърз поглед към биохимията: Въглехидратният метаболизъм. Клинична биохимия, 46(15), 1339-1352.
  5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Молекулярна клетъчна биология (8-мо изд.). W. H. Freeman and Company.
  6. Maughan, R. (2009). Въглехидратният метаболизъм. хирургия, 27(1), 6-10.
  7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Принципи на биохимията на Ленингер (6тата). У. Х. Фримън и компания.
  8. Соломон, Е., Берг, Л. и Мартин, Д. (2004). биология (7-мо изд.) Cengage Learning.
  9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Основи на биохимията: Живот на молекулярно ниво (5-то изд.). Wiley.