Karbohydrat kjemisk struktur, klassifisering og funksjoner

4895
Anthony Golden

De karbohydrater, Karbohydrater eller sakkarider er organiske molekyler som lagrer energi i levende vesener. De er de mest utbredte biomolekylene og inkluderer: sukker, stivelse og cellulose, blant andre forbindelser som finnes i levende organismer.

Organismer som utfører fotosyntese (planter, alger og noen bakterier) er de viktigste produsentene av karbohydrater i naturen. Strukturen til disse sakkaridene kan være lineær eller forgrenet, enkel eller sammensatt, og de kan også assosieres med biomolekyler av en annen klasse..

For eksempel kan karbohydrater binde seg til proteiner for å danne glykoproteiner. De kan også knytte seg til lipidmolekyler, og dermed danne glykolipider, biomolekylene som danner strukturen til biologiske membraner. Karbohydrater er også til stede i strukturen til nukleinsyrer.

Opprinnelig ble karbohydrater anerkjent som lagringsmolekyler i cellulær energi. Deretter ble andre viktige funksjoner som karbohydrater oppfyller i biologiske systemer bestemt.

Alle levende ting har cellene dekket av et tett lag med komplekse karbohydrater. Karbohydrater består av monosakkarider, små molekyler som består av tre til ni karbonatomer festet til hydroksylgrupper (-OH), som kan variere i størrelse og konfigurasjon..

En viktig egenskap ved karbohydrater er det enorme strukturelle mangfoldet innen denne klassen av molekyler, som gjør det mulig for dem å utføre et bredt spekter av funksjoner som å generere cellesignaleringsmolekyler, danne vev og generere identiteten til de forskjellige blodgruppene hos mennesker..

På samme måte er den ekstracellulære matrisen i høyere eukaryoter rik på utskilte karbohydrater, viktig for celleoverlevelse og kommunikasjon. Disse mekanismer for gjenkjenning av celler blir utnyttet av en rekke patogener for å infisere deres vertsceller..

Monosakkarider kan bindes ved glykosidbindinger for å danne et bredt utvalg av karbohydrater: disakkarider, oligosakkarider og polysakkarider. Studien av strukturen og funksjonen til karbohydrater i biologiske systemer kalles glykobiologi.

Artikkelindeks

  • 1 Kjemisk struktur
  • 2 Klassifisering
    • 2.1 Monosakkarider
    • 2.2 Disakkarider
    • 2.3 Oligosakkarider 
    • 2.4 Polysakkarider
  • 3 funksjoner
  • 4 matvarer som inneholder karbohydrater
    • 4.1 Stivelse
    • 4.2 Frukt og grønnsaker
    • 4.3 melk
    • 4.4 Søtsaker
  • 5 Karbohydratmetabolisme
  • 6 Referanser

Kjemisk struktur

Karbohydrater består av karbon-, hydrogen- og oksygenatomer. De fleste av disse kan representeres av den empiriske formelen (CH2O) n, der n er antall karbonatomer i molekylet. Forholdet mellom karbon, hydrogen og oksygen er med andre ord 1: 2: 1 i karbohydratmolekyler..

Denne formelen forklarer opprinnelsen til begrepet "karbohydrat" siden komponentene er karbonatomer ("karbo") og vannatomer (derfor "hydrat"). Selv om karbohydrater hovedsakelig består av disse tre atomene, er det noen karbohydrater med nitrogen, fosfor eller svovel..

I sin grunnleggende form er karbohydrater enkle sukkerarter eller monosakkarider. Disse enkle sukkerne kan kombineres med hverandre for å danne mer komplekse karbohydrater.

Kombinasjonen av to enkle sukkerarter er et disakkarid. Oligosakkarider inneholder mellom to og ti enkle sukkerarter, og polysakkarider er de største karbohydratene, som består av mer enn ti monosakkaridenheter.

Strukturen til karbohydrater bestemmer hvordan energi lagres i bindingene deres under dannelsen av fotosyntese, og også hvordan disse bindingene brytes under cellulær respirasjon..

Klassifisering

Monosakkarider

Monosakkarider er de grunnleggende enhetene av karbohydrater, og det er derfor de er den enkleste strukturen til et sakkarid. Fysisk sett er monosakkarider fargeløse krystallinske faste stoffer. De fleste har en søt smak.

Fra et kjemisk synspunkt kan monosakkarider være aldehyder eller ketoner, avhengig av hvor karbonylgruppen (C = O) er lokalisert i lineære karbohydrater. Strukturelt kan monosakkarider danne lineære kjeder eller lukkede ringer.

Fordi monosakkarider har hydroksylgrupper, er de fleste oppløselige i vann og uoppløselige i ikke-polære løsningsmidler..

Avhengig av antall karbonstoffer i strukturen, vil et monosakkarid ha forskjellige navn, for eksempel: triose (hvis det har 3 C-atomer), pentose (hvis det har 5C) og så videre..

Disakkarider

Disakkarider er dobbelt sukker som dannes ved å bringe to monosakkarider sammen i en kjemisk prosess som kalles dehydratiseringssyntese, fordi et vannmolekyl går tapt under reaksjonen. Det er også kjent som en kondensasjonsreaksjon.

Dermed er et disakkarid et hvilket som helst stoff som består av to molekyler med enkle sukkerarter (monosakkarider) bundet sammen gjennom en glykosidbinding..

Syrer har evnen til å bryte disse bindingene, og derfor kan disakkarider fordøyes i magen.

Disakkarider er vanligvis vannløselige og søte ved inntak. De tre viktigste disakkaridene er sukrose, laktose og maltose: sukrose kommer fra foreningen av glukose og fruktose; laktose kommer fra foreningen av glukose og galaktose; og maltose kommer fra foreningen av to glukosemolekyler.

Oligosakkarider

Oligosakkarider er komplekse polymerer som består av få enkle sukkerenheter, det vil si mellom 3 og 9 monosakkarider.

Reaksjonen er den samme som danner disakkarider, men de kommer også fra nedbrytningen av mer komplekse sukkermolekyler (polysakkarider).

De fleste oligosakkarider finnes i planter og fungerer som løselig fiber, noe som kan bidra til å forhindre forstoppelse. Imidlertid har de fleste mennesker ikke enzymer til å fordøye dem, bortsett fra maltotriose..

Av denne grunn kan oligosakkarider som ikke først fordøyes i tynntarmen brytes ned av bakterier som normalt bor i tyktarmen gjennom en gjæringsprosess. Prebiotika oppfyller denne funksjonen og fungerer som mat for gunstige bakterier.

Polysakkarider

Polysakkarider er de største sakkaridpolymerene, de består av mer enn 10 (opptil tusen) monosakkaridenheter arrangert på en lineær eller forgrenet måte. Variasjoner i romlig ordning er det som gir disse sukkerne sine mange egenskaper.

Polysakkarider kan være sammensatt av det samme monosakkaridet eller av en kombinasjon av forskjellige monosakkarider. Hvis de dannes av gjentatte enheter av samme sukker, kalles de homopolysakkarider som glykogen og stivelse, som er henholdsvis lagringskarbhydrater fra dyr og planter..

Hvis polysakkaridet består av enheter med forskjellige sukkerarter, kalles de heteropolysakkarider. De fleste inneholder bare to forskjellige enheter og er vanligvis forbundet med proteiner (glykoproteiner, som gammaglobulin i blodplasma) eller lipider (glykolipider, for eksempel gangliosider)..

Funksjoner

De fire hovedfunksjonene til karbohydrater er: å gi energi, å lagre energi, å bygge makromolekyler og å forhindre nedbrytning av proteiner og fett..

Karbohydrater brytes ned gjennom fordøyelsen til enkle sukkerarter. Disse absorberes av tynntarmens celler og transporteres til alle kroppens celler hvor de vil bli oksidert for å få energi i form av adenosintrifosfat (ATP)..

Sukkermolekylene som ikke brukes til produksjon av energi til enhver tid, lagres som en del av reservepolymerer som glykogen og stivelse.

Nukleotider, de grunnleggende enhetene til nukleinsyrer, har glukosemolekyler i strukturen. Flere viktige proteiner er assosiert med karbohydratmolekyler, for eksempel: follikkelstimulerende hormon (FSH) som er involvert i eggløsningsprosessen..

Fordi karbohydrater er den viktigste energikilden, forhindrer deres raske nedbrytning at andre biomolekyler brytes ned for energi. Således, når sukkernivået er normalt, beskyttes proteiner og lipider mot nedbrytning..

Noen karbohydrater er oppløselige i vann, fungerer som basisfôr i nesten alle, og oksidasjonen av disse molekylene er hovedveien for energiproduksjon i de fleste ikke-fotosyntetiske celler..

Uoppløselige karbohydrater knytter seg til å danne mer komplekse strukturer som fungerer som beskyttelse. For eksempel: cellulose danner veggen av planteceller sammen med hemicelluloser og pektin. Kitin danner celleveggen til sopp og det eksoskeletonet av leddyr.

Peptidoglykan danner også celleveggen til bakterier og cyanobakterier. Bindevev og skjelettledd fra dyr består av polysakkarider.

Mange karbohydrater er kovalent bundet til proteiner eller lipider som danner mer komplekse strukturer, kollektivt kalt glykokonjugater. Disse kompleksene fungerer som tagger som bestemmer den intracellulære plasseringen eller metabolske skjebnen til disse molekylene.

Karbohydratholdige matvarer

Karbohydrater er en viktig komponent i et sunt kosthold, da de er den viktigste energikilden. Imidlertid har noen matvarer sunnere karbohydrater som gir en høyere mengde næringsstoffer, for eksempel:

Stivelse

Stivelsesholdig mat er den viktigste kilden til karbohydrater. Disse stivelsene er vanligvis komplekse karbohydrater, det vil si at de består av mange sukker som er bundet sammen og danner en lang molekylær kjede. Av denne grunn tar stivelse lenger tid å fordøye..

Det er et bredt utvalg av matvarer som inneholder stivelse. Korn inkluderer mat som inneholder mye stivelse, for eksempel: bønner, linser og ris. Korn inneholder også disse karbohydratene, for eksempel: havre, bygg, hvete og deres derivater (mel og pasta) .

Belgfrukter og nøtter inneholder også karbohydrater i form av stivelse. I tillegg er grønnsaker som: poteter, søtpoteter, mais og squash rik på stivelsesinnhold..

Det er viktig at mange karbohydrater er en kilde til fiber. Med andre ord er fiber i utgangspunktet en type karbohydrat som kroppen bare delvis kan fordøye..

I likhet med komplekse karbohydrater fordøyes karbohydratfibre sakte.

Frukt og grønnsaker

Frukt og grønnsaker inneholder mye karbohydrater. I motsetning til stivelse inneholder frukt og grønnsaker enkle karbohydrater, det vil si karbohydrater med en eller to sakkarider bundet sammen.

Disse karbohydratene, som er enkle i sin molekylære struktur, fordøyes lettere og raskere enn komplekse. Dette gir en ide om de forskjellige nivåene og typene karbohydrater som maten har.

Dermed har noen frukter mer karbohydratinnhold per porsjon, for eksempel: bananer, epler, appelsiner, meloner og druer har mer karbohydrater enn noen grønnsaker som spinat, brokkoli og grønnkål, gulrøtter, sopp og auberginer..

Melk

I likhet med grønnsaker og frukt, er meieriprodukter matvarer som inneholder enkle karbohydrater. Melk har sitt eget sukker som kalles laktose, et søtsmakende disakkarid. En kopp av dette tilsvarer omtrent 12 gram karbohydrater.

Det finnes mange versjoner av melk og yoghurt på markedet. Uansett om du bruker en hel eller redusert fettversjon av et bestemt meieri, vil mengden karbohydrater være den samme.

Søtsaker

Søtsaker er en annen kjent kilde til karbohydrater. Disse inkluderer sukker, honning, godteri, kunstige drikker, kjeks, iskrem, blant mange andre desserter. Alle disse produktene inneholder høye konsentrasjoner av sukker.

På den annen side inneholder noen bearbeidede og raffinerte matvarer komplekse karbohydrater, for eksempel: brød, ris og hvit pasta. Det er viktig å merke seg at raffinerte karbohydrater ikke er næringsrike som karbohydratene som finnes i frukt og grønnsaker.

Karbohydratmetabolisme

Karbohydratmetabolisme er settet med metabolske reaksjoner som involverer dannelse, nedbrytning og omdannelse av karbohydrater i celler.

Metabolismen av karbohydrater er svært konservert og kan observeres selv fra bakterier, hovedeksemplet er Operon Lac de E coli.

Karbohydrater er viktige i mange metabolske veier som fotosyntese, naturens viktigste karbohydratdannelsesreaksjon.

Fra karbondioksid og vann bruker planter energi fra solen til å syntetisere karbohydratmolekyler.

På sin side bryter dyre- og soppceller ned karbohydrater, konsumert i plantevev, for å skaffe energi i form av ATP gjennom en prosess som kalles cellulær respirasjon..

Hos virveldyr transporteres glukose gjennom kroppen gjennom blodet. Hvis cellulære energilagre er lave, brytes glukose ned gjennom en metabolsk reaksjon kalt glykolyse for å produsere litt energi og noen metabolske mellomprodukter..

Glukosemolekyler som ikke er nødvendig for umiddelbar energiproduksjon lagres som glykogen i leveren og muskelen, gjennom en prosess som kalles glykogenese..

Noen enkle karbohydrater har sine egne nedbrytningsveier, som noen av de mer komplekse karbohydratene. Laktose krever for eksempel virkningen av enzymet laktase, som bryter bindingen og frigjør de grunnleggende monosakkaridene, glukose og galaktose..

Glukose er det viktigste karbohydratet som forbrukes av celler, det utgjør omtrent 80% av energikildene.

Glukose distribueres til celler, der den kan komme inn gjennom spesifikke transportører for å bli nedbrutt eller lagret som glykogen.

Avhengig av metabolske krav til en celle, kan glukose også brukes til å syntetisere andre monosakkarider, fettsyrer, nukleinsyrer og visse aminosyrer..

Hovedfunksjonen til karbohydratmetabolismen er å opprettholde kontrollen av blodsukkernivået, dette er det som kalles intern homeostase.

Referanser

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Molecular Biology of the Cell (6. utg.). Garland vitenskap.
  2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biokjemi (8. utg.). W. H. Freeman and Company.
  3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biologi (2. utg.) Pearson Education.
  4. Dashty, M. (2013). En rask titt på biokjemi: Karbohydratmetabolisme. Klinisk biokjemi, 46(15), 1339-1352.
  5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molekylær cellebiologi (8. utg.). W. H. Freeman and Company.
  6. Maughan, R. (2009). Karbohydratmetabolisme. Kirurgi, 27(1), 6-10.
  7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Lehninger prinsipper for biokjemi (6th). W.H. Freeman and Company.
  8. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biologi (7. utg.) Cengage Learning.
  9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Grunnleggende om biokjemi: Livet på molekylært nivå (5. utg.). Wiley.

Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.