Hiilihydraattien kemiallinen rakenne, luokittelu ja toiminnot



hiilihydraatit, hiilihydraatit tai sakkaridit, ovat orgaanisia molekyylejä, jotka tallentavat energiaa elävissä olennoissa. Ne ovat kaikkein runsaimpia biomolekyylejä ja sisältävät muun muassa sokereita, tärkkelyksiä ja selluloosaa muiden elävissä organismeissa esiintyvien yhdisteiden joukossa..

Fotosynteesiä suorittavat organismit (kasvit, levät ja jotkut bakteerit) ovat tärkeimmät hiilihydraattien tuottajat luonnossa. Näiden sakkaridien rakenne voi olla lineaarinen tai haarautunut, yksinkertainen tai yhdiste, ja se voidaan liittää myös toisenlaisiin biomolekyyleihin.

Esimerkiksi hiilihydraatit voivat sitoa proteiineja muodostamaan glykoproteiineja. Ne voivat liittyä myös lipidimolekyyleihin, jotka muodostavat glykolipidejä, biomolekyylejä, jotka muodostavat biologisten kalvojen rakenteen. Hiilihydraatit ovat myös läsnä nukleiinihappojen rakenteessa.

Aluksi hiilihydraatit tunnistettiin solujen energian varastointimolekyyleiksi. Tämän jälkeen määritettiin muut tärkeät toiminnot, joita hiilihydraatit täyttävät biologisissa järjestelmissä.

Kaikkien elävien olentojen solut peitetään tiheällä monimutkaisten hiilihydraattien kerroksella. Hiilihydraatit koostuvat monosakkarideista, pienistä molekyyleistä, jotka on muodostettu kolmesta yhdeksään hiiliatomiin, jotka on kiinnitetty hydroksyyliryhmiin (-OH), jotka voivat vaihdella kooltaan ja kokoonpanosta.

Hiilihydraattien tärkeä ominaisuus on valtava rakenteellinen monimuotoisuus tämän molekyyliryhmän sisällä, joka sallii niiden suorittaa monenlaisia ​​toimintoja, kuten solusignalointimolekyylien muodostamisen, kudosten muodostamisen ja eri veriryhmien identiteetin muodostamisen ihmisissä..

Samoin korkeammissa eukaryooteissa oleva solunulkoinen matriisi sisältää runsaasti erittyneitä hiilihydraatteja, jotka ovat välttämättömiä solujen selviytymiselle ja kommunikoinnille. Näitä solujen tunnistamismekanismeja käyttävät erilaiset patogeenit isäntäsolujen infektoimiseksi.

Monosakkaridit voidaan yhdistää glykosidisilla sidoksilla muodostamaan suuri joukko hiilihydraatteja: disakkarideja, oligosakkarideja ja polysakkarideja. Hiilihydraattien rakennetta ja toimintaa biologisissa järjestelmissä kutsutaan glykobiologiaksi.

indeksi

  • 1 Kemiallinen rakenne
  • 2 Luokitus
    • 2.1 Monosakkaridit
    • 2.2 Disakkaridit
    • 2.3 Oligosakkaridit 
    • 2.4 Polysakkaridit
  • 3 Toiminnot
  • 4 Elintarvikkeet, jotka sisältävät hiilihydraatteja
    • 4.1 Tärkkelykset
    • 4.2 Hedelmät ja vihannekset
    • 4.3 Maito
    • 4.4 Makeiset
  • 5 Hiilihydraatin aineenvaihdunta
  • 6 Viitteet

Kemiallinen rakenne

Hiilihydraatit koostuvat hiili-, vety- ja happiatomeista. Suurin osa näistä voidaan esittää empiirisellä kaavalla (CH2O) n, jossa n on molekyylien hiilimäärä. Toisin sanoen hiilen, vedyn ja hapen suhde on 1: 2: 1 hiilihydraattimolekyyleissä.

Tämä kaava selittää termin "hiilihydraatti" alkuperän, koska komponentit ovat hiiliatomeja ("carbo") ja vesiatomeja (siis "hydraatti"). Vaikka hiilihydraatit muodostuvat pääasiassa näiden kolmen atomin avulla, on joitakin hiilihydraatteja, joissa on typpeä, fosforia tai rikkiä.

Perusmuodossaan hiilihydraatit ovat yksinkertaisia ​​sokereita tai monosakkarideja. Nämä yksinkertaiset sokerit voidaan yhdistää yhteen monimutkaisempien hiilihydraattien muodostamiseksi.

Kahden yksinkertaisen sokerin yhdistelmä on disakkaridi. Oligosakkaridit sisältävät kahden tai kymmenen yksinkertaista sokeria, ja polysakkaridit ovat suurimmat hiilihydraatit, jotka koostuvat yli kymmenestä yksikkösakkaridista..

Hiilihydraattien rakenne määrittelee, kuinka energiaa tallennetaan sen sidoksissa sen syntymisen aikana fotosynteesillä, ja myös, miten nämä sidokset rikkoutuvat solun hengityksen aikana.

luokitus

monosakkaridit

Monosakkaridit ovat hiilihydraattien perusyksiköitä, minkä vuoksi ne ovat sakkaridin yksinkertaisin rakenne. Fysikaalisesti monosakkaridit ovat kiteisiä kiinteitä aineita ilman väriä. Useimmilla on makea maku.

Kemiallisesta näkökulmasta monosakkaridit voivat olla aldehydejä tai ketoneja riippuen siitä, missä karbonyyliryhmä (C = O) sijaitsee lineaarisissa hiilihydraateissa. Rakenteellisesti monosakkaridit voivat muodostaa lineaarisia ketjuja tai suljettuja renkaita.

Koska monosakkarideilla on hydroksyyliryhmiä, useimmat ovat vesiliukoisia ja liukenemattomia ei-polaarisiin liuottimiin.

Riippuen siitä, kuinka monta hiilihappoa on rakenteessa, monosakkaridilla on erilaiset nimet, esimerkiksi: trioosi (jos sinulla on 3 C-atomia), pentoosi (jos sinulla on 5C) ja niin edelleen.

disakkaridit

Disakkaridit ovat kaksoissokereita, jotka muodostuvat liittämällä kaksi monosakkaridia kemialliseen prosessiin, jota kutsutaan dehydraatiosynteesiksi, koska reaktiossa menetetään vesimolekyyli. Sitä kutsutaan myös kondensaatioreaktioksi.

Siten disakkaridi on mikä tahansa aine, joka koostuu kahdesta yksinkertaisten sokerimolekyylistä (monosakkaridista), jotka on kytketty toisiinsa glykosidisen linkin kautta.

Hapoilla on kyky rikkoa nämä sidokset, tästä syystä disakkarideja voidaan pilata vatsaan.

Disakkaridit ovat yleensä liukoisia veteen ja makeita nieltynä. Kolme pääasiallista disakkaridia ovat sakkaroosi, laktoosi ja maltoosi: sakkaroosi on peräisin glukoosin ja fruktoosin sitoutumisesta; laktoosi on peräisin glukoosin ja galaktoosin liitoksesta; ja maltoosi tulee kahden glukoosimolekyylin liitoksesta.

oligosakkaridit

Oligosakkaridit ovat monimutkaisia ​​polymeerejä, jotka muodostuvat harvoista yksinkertaisista sokereista, eli 3 - 9 monosakkaridia..

Reaktio on sama, joka muodostaa disakkaridit, mutta se tulee myös monimutkaisempien sokerimolekyylien (polysakkaridien) hajoamisesta.

Useimmat oligosakkaridit löytyvät kasveista ja toimivat liukoisena kuituina, mikä voi auttaa estämään ummetusta. Ihmisillä ei kuitenkaan ole entsyymejä, joilla niitä sulatetaan enimmäkseen maltotrioosia lukuun ottamatta.

Tästä syystä oligosakkaridit, joita ei ole pilkottu alun perin ohutsuolessa, voivat hajota bakteerit, jotka normaalisti elävät paksusuolessa käymisprosessin kautta. Prebiootit täyttävät tämän tehtävän, toimivat elintarvikkeena hyödyllisille bakteereille.

polysakkaridit

Polysakkaridit ovat suurimmat sakkaridipolymeerit, ne muodostuvat yli 10 (jopa tuhanteen) yksikkönä monosakkarideja, jotka on järjestetty lineaarisesti tai haarautuneesti. Spatiaalisen järjestelyn vaihtelut antavat näiden sokerien moninaisuuksia.

Polysakkaridit voivat koostua samasta monosakkaridista tai eri monosakkaridien yhdistelmästä. Jos ne muodostuvat saman sokerin toistuvista yksiköistä, niitä kutsutaan homopolysakkarideiksi, kuten glykogeeniksi ja tärkkelykseksi, jotka ovat eläinten ja kasvien varastointihiilihydraatteja..

Jos polysakkaridi koostuu eri sokereista, niitä kutsutaan heteropolysakkarideiksi. Useimmat sisältävät vain kaksi erilaista yksikköä ja liittyvät yleensä proteiineihin (glykoproteiineihin, kuten gamma-globuliiniin veriplasmassa) tai lipideihin (glykolipideihin, kuten gangliosideihin)..

tehtävät

Hiilihydraattien neljä päätehtävää ovat: energian tarjoaminen, energian varastointi, makromolekyylien rakentaminen ja proteiinien ja rasvojen hajoamisen estäminen.

Hiilihydraatit hajoavat hajoamalla yksinkertaisissa sokereissa. Nämä ohutsuolen solut imeytyvät ja ne kuljetetaan kaikkiin kehon soluihin, joissa ne hapetetaan energiaksi adenosiinitrifosfaatin (ATP) muodossa..

Sokerimolekyylejä, joita ei käytetä energiantuotannossa, säilytetään osana vara-polymeerejä, kuten glykogeeniä ja tärkkelystä..

Nukleotidit, nukleiinihappojen perusyksiköt, sisältävät rakenteensa glukoosimolekyylejä. Useita tärkeitä proteiineja liittyy hiilihydraattimolekyyleihin, esimerkiksi: follikkelia stimuloiva hormoni (FSH), joka vaikuttaa ovulaatioprosessiin.

Koska hiilihydraatit ovat tärkein energialähde, niiden nopea hajoaminen estää muiden biomolekyylien hajoamisen energian saamiseksi. Siten kun sokeripitoisuudet ovat normaaleja, proteiinit ja lipidit suojataan hajoamisesta.

Jotkut hiilihydraatit liukenevat veteen, ne toimivat peruselintarvikkeena lähes koko maailmassa, ja näiden molekyylien hapettuminen on suurin energiantuotannon lähde useimmissa ei-fotosynteettisissä soluissa..

Liukenemattomat hiilihydraatit yhdistetään muodostamaan monimutkaisempia rakenteita, jotka toimivat suojauksena. Esimerkiksi: selluloosa muodostaa kasvisolujen seinämän yhdessä hemiselluloosien ja pektiinin kanssa. Kitiini muodostaa sienisolujen seinämän ja niveljalkaisten exoskeleton.

Myös peptidoglykaani muodostaa bakteerien ja syanobakteerien soluseinän. Eläinten sidekudos ja luuston nivelet muodostuvat polysakkarideista.

Monet hiilihydraatit sitoutuvat kovalenttisesti proteiineihin tai lipideihin muodostaen monimutkaisempia rakenteita, joita kutsutaan yhdessä glykokonjugaateiksi. Nämä kompleksit toimivat tarroina, jotka määrittävät näiden molekyylien solunsisäisen sijainnin tai metabolisen kohtalon

Elintarvikkeet, jotka sisältävät hiilihydraatteja

Hiilihydraatit ovat olennainen osa terveellistä ruokavaliota, koska ne ovat tärkein energialähde. Joillakin elintarvikkeilla on kuitenkin terveempiä hiilihydraatteja, jotka tarjoavat enemmän ravinteita, esimerkiksi:

Tärkkelykset

Tärkkelystä sisältävät elintarvikkeet ovat tärkein hiilihydraattien lähde. Nämä tärkkelykset ovat yleisesti monimutkaisia ​​hiilihydraatteja, toisin sanoen ne muodostuvat monista sokereista, jotka on yhdistetty yhteen muodostaen pitkän molekyyliketjun. Tästä syystä tärkkelykset sulavat kauemmin.

On olemassa laaja valikoima elintarvikkeita, jotka sisältävät tärkkelyksiä. Vilja sisältää elintarvikkeita, joissa on korkea tärkkelyspitoisuus, esimerkiksi pavut, linssit ja riisi. Vilja sisältää myös näitä hiilihydraatteja, esimerkiksi kauraa, ohraa, vehnää ja sen johdannaisia ​​(jauhoja ja pastaa) .

Palkokasvit ja pähkinät sisältävät myös hiilihydraatteja tärkkelyksen muodossa. Lisäksi vihannekset, kuten perunat, bataatit, maissi ja kurpitsat ovat runsaasti tärkkelyspitoisuutta.

On tärkeää huomata, että monet hiilihydraatit ovat kuidun lähde. Toisin sanoen kuitu on pohjimmiltaan sellainen hiilihydraattityyppi, jonka keho voi sulattaa vain osittain.

Samoin kuin monimutkaiset hiilihydraatit, hiilihydraattikuidut hajoavat hitaasti.

Hedelmät ja vihannekset

Hedelmien ja vihannesten hiilihydraattipitoisuus on korkea. Toisin kuin tärkkelykset, hedelmät ja vihannekset sisältävät yksinkertaisia ​​hiilihydraatteja, toisin sanoen hiilihydraatteja, joissa on yksi tai kaksi sakkaridia..

Nämä hiilihydraatit, jotka ovat yksinkertaisia ​​molekyylirakenteessaan, pilkotaan helpommin ja nopeammin kuin monimutkaiset. Tämä antaa käsityksen elintarvikkeiden hallussa olevista hiilihydraattien eri tasoista ja tyypeistä.

Näin ollen joillakin hedelmillä on enemmän hiilihydraattisisältöä annoksittain, esimerkiksi: banaanit, omenat, appelsiinit, melonit ja viinirypäleet ovat enemmän hiilihydraatteja kuin jotkut vihannekset, kuten pinaatti, parsakaali ja lehtikaali, porkkanat, sienet ja munakoisot.

Maito

Kuten vihannekset ja hedelmät, maitotuotteet ovat elintarvikkeita, jotka sisältävät yksinkertaisia ​​hiilihydraatteja. Maidolla on oma sokeri nimeltä laktoosi, makea makuinen disakkaridi. Yksi kuppi tästä on noin 12 grammaa hiilihydraatteja.

Markkinoilla on paljon maidon ja jogurtin versioita. Riippumatta siitä, käytätkö tietyn meijerin täys- tai rasvaversiota, hiilihydraattien määrä on sama.

Makeiset

Makeiset ovat toinen hyvin tunnettu hiilihydraattien lähde. Näitä ovat muun muassa sokeri, hunaja, makeiset, keinotekoiset juomat, evästeet, jäätelö. Kaikki nämä tuotteet sisältävät runsaasti sokereita.

Jotkut jalostetut ja jalostetut elintarvikkeet sisältävät monimutkaisia ​​hiilihydraatteja, esimerkiksi leipää, riisiä ja valkoisia pastoja. On tärkeää huomata, että puhdistetut hiilihydraatit eivät ole yhtä ravitsevia kuin hedelmät ja vihannekset.

Hiilihydraatin aineenvaihdunta

Hiilihydraattien aineenvaihdunta on joukko metabolisia reaktioita, joihin liittyy hiilihydraattien muodostuminen, hajoaminen ja konversio soluissa.

Hiilihydraattien aineenvaihdunta on hyvin säilynyt ja sitä voidaan havaita myös bakteereista, joista tärkein esimerkki on Lac-operoni. E. coli.

Hiilihydraatit ovat tärkeitä monissa aineenvaihduntaan, kuten fotosynteesiin, tärkeimpään hiilihydraatin muodostumisreaktioon luonnossa.

Hiilidioksidista ja vedestä kasvit käyttävät auringon energiaa hiilihydraattimolekyylien syntetisoimiseksi.

Sen sijaan eläin- ja sienisolut hajottavat hiilihydraatit, joita kulutetaan kasvien kudoksissa, saadakseen energiaa ATP: n muodossa solun hengityksen kautta..

Selkärankaisilla glukoosia kuljetetaan koko kehon läpi veren kautta. Jos soluenergian varastot ovat alhaiset, glukoosi hajoaa aineenvaihduntareaktiolla, jota kutsutaan glykolyysiksi, jolloin saadaan vähän energiaa ja joitakin metabolisia välituotteita.

Glukoosimolekyylejä, joita ei tarvita välitöntä energiantuotantoa varten, varastoidaan glykogeeninä maksassa ja lihassa, prosessina, jota kutsutaan glykogeneesiksi..

Joillakin yksinkertaisilla hiilihydraateilla on omat hajoamisreitit, kuten jotkin monimutkaisemmista hiilihydraateista. Laktoosi vaatii esimerkiksi laktaasientsyymin vaikutusta, joka rikkoo sen sidokset ja vapauttaa sen perusmonosakkaridit, glukoosi ja galaktoosi.

Glukoosi on solujen kuluttama tärkein hiilihydraatti, joka muodostaa noin 80% energialähteistä.

Glukoosi jakautuu soluihin, joissa se voi kulkea tiettyjen kuljettajien läpi hajotettavaksi tai varastoitavaksi glykogeeninä.

Solun aineenvaihduntatarpeista riippuen glukoosia voidaan käyttää myös muiden monosakkaridien, rasvahappojen, nukleiinihappojen ja tiettyjen aminohappojen syntetisoimiseen.

Hiilihydraatin aineenvaihdunnan pääasiallinen tehtävä on ylläpitää verensokeriarvojen hallintaa, mikä tunnetaan sisäisenä homeostaasina.

viittaukset

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Solun molekyylibiologia (6. painos). Garland Science.
  2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). biokemia (8. painos). W. H. Freeman ja Company.
  3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). biologia (2. painos) Pearson Education.
  4. Dashty, M. (2013). Biokemian nopea tarkastelu: Hiilihydraatin aineenvaihdunta. Kliininen biokemia, 46(15), 1339 - 1352.
  5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molekyylisolubiologia (8. painos). W. H. Freeman ja Company.
  6. Maughan, R. (2009). Hiilihydraatin aineenvaihdunta. leikkaus, 27(1), 6-10.
  7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Lehningerin biokemian periaatteet (6th). W.H. Freeman ja Company.
  8. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). biologia (7. painos) Cengage Learning.
  9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Biokemian perusteet: Elämä molekyylitasolla (5. painos). Wiley.