KOLHYDRATER: KEMISK STRUKTUR, KLASSIFICERING OCH FUNKTIONER - BIOLOGI - 2024

De kolhydrater , kolhydrater eller sackarider, är organiska molekyler som lagra energi i levande varelser. De är de vanligaste biomolekylerna och inkluderar: socker, stärkelse och cellulosa, bland andra föreningar som finns i levande organismer.

Organismer som utför fotosyntes (växter, alger och vissa bakterier) är de viktigaste producenterna av kolhydrater i naturen. Strukturen för dessa sackarider kan vara linjär eller grenad, enkel eller sammansatt, och de kan också associeras med biomolekyler i en annan klass.

Till exempel kan kolhydrater binda till proteiner för att bilda glykoproteiner. De kan också associeras med lipidmolekyler och därmed bilda glykolipider, de biomolekyler som bildar strukturen för biologiska membran. Kolhydrater finns också i strukturen för nukleinsyror.

Ursprungligen erkändes kolhydrater som cellulära energilagringsmolekyler. Därefter bestämdes andra viktiga funktioner som kolhydrater uppfyller i biologiska system.

Alla levande saker har sina celler täckta av ett tätt lager av komplexa kolhydrater. Kolhydrater består av monosackarider, små molekyler som består av tre till nio kolatomer bundna till hydroxylgrupper (-OH), som kan variera i storlek och konfiguration.

En viktig egenskap hos kolhydrater är den enorma strukturella mångfalden inom denna klass av molekyler, som tillåter dem att utföra ett brett spektrum av funktioner såsom att generera cellsignalerande molekyler, bilda vävnader och generera identiteten hos de olika blodgrupperna hos människor.

På samma sätt är den extracellulära matrisen i högre eukaryoter rik på utsöndrade kolhydrater, nödvändiga för cellöverlevnad och kommunikation. Dessa celligenkänningsmekanismer utnyttjas av en mängd patogener för att infektera deras värdceller.

Monosackarider kan kopplas med glykosidbindningar för att bilda en mängd olika kolhydrater: disackarider, oligosackarider och polysackarider. Studien av kolhydraternas struktur och funktion i biologiska system kallas glykobiologi.

Kemisk struktur

Kolhydrater består av kol-, väte- och syreatomer. De flesta av dessa kan representeras av den empiriska formeln (CH2O) n, där n är antalet kolatomer i molekylen. Med andra ord är förhållandet kol, väte och syre 1: 2: 1 i kolhydratmolekyler.

Denna formel förklarar ursprunget för termen "kolhydrat" eftersom komponenterna är kolatomer ("kolhydrat") och vattenatomer (därför "hydrat"). Även om kolhydrater huvudsakligen består av dessa tre atomer, finns det några kolhydrater med kväve, fosfor eller svavel.

I sin grundform är kolhydrater enkla sockerarter eller monosackarider. Dessa enkla sockerarter kan kombineras med varandra för att bilda mer komplexa kolhydrater.

Kombinationen av två enkla sockerarter är en disackarid. Oligosackarider innehåller mellan två till tio enkla sockerarter, och polysackarider är de största kolhydraterna som består av mer än tio monosackaridenheter.

Strukturen för kolhydrater bestämmer hur energi lagras i deras bindningar under deras bildning genom fotosyntes, och också hur dessa bindningar bryts under cellens andning.

Klassificering

monosackarider

Monosackarider är elementenheterna i kolhydrater, varför de är den enklaste strukturen för en sackarid. Fysiskt är monosackarider färglösa kristallina fasta ämnen. De flesta har en söt smak.

Ur kemisk synvinkel kan monosackarider vara aldehyder eller ketoner, beroende på var karbonylgruppen (C = O) är belägen i linjära kolhydrater. Strukturellt kan monosackarider bilda raka kedjor eller stängda ringar.

Eftersom monosackarider har hydroxylgrupper är de flesta lösliga i vatten och olösliga i icke-polära lösningsmedel.

Beroende på antalet kolatomer i dess struktur kommer en monosackarid att ha olika namn, till exempel: trio (om den har 3 C-atomer), pentos (om den har 5C) och så vidare.

disackarider

Disackarider är dubbelsocker som bildas genom att föra två monosackarider samman i en kemisk process som kallas dehydrationssyntes, eftersom en molekyl med vatten går förlorad under reaktionen. Det är också känt som en kondensationsreaktion.

Således är en disackarid varje substans som består av två molekyler av enkla sockerarter (monosackarider) kopplade samman genom en glykosidbindning.

Syror har förmågan att bryta dessa bindningar, av denna anledning kan disackarider digereras i magen.

Disackarider är i allmänhet vattenlösliga och söta när de intas. De tre huvudsakliga disackariderna är sackaros, laktos och maltos: sackaros kommer från sammansättningen av glukos och fruktos; laktos kommer från sammanslutningen av glukos och galaktos; och maltos kommer från föreningen av två glukosmolekyler.

oligosackarider

Oligosackarider är komplexa polymerer som består av få enkla sockerenheter, det vill säga mellan 3 till 9 monosackarider.

Reaktionen är densamma som bildar disackarider, men de kommer också från nedbrytningen av mer komplexa sockermolekyler (polysackarider).

De flesta oligosackarider finns i växter och fungerar som löslig fiber, vilket kan hjälpa till att förhindra förstoppning. Men de flesta människor har inte enzymerna att smälta dem, förutom för maltotriose.

Av denna anledning kan oligosackarider som inte initialt smälts i tunntarmen brytas ned av bakterier som normalt bor i tjocktarmen genom en jäsningsprocess. Prebiotics uppfyller denna funktion och fungerar som livsmedel för gynnsamma bakterier.

polysackarider

Polysackarider är de största sackaridpolymererna, de består av mer än 10 (upp till tusentals) monosackaridenheter anordnade på ett linjärt eller grenat sätt. Variationer i rumsligt arrangemang är det som ger dessa sockerarter sina flera egenskaper.

Polysackarider kan bestå av samma monosackarid eller genom en kombination av olika monosackarider. Om de bildas genom att upprepa enheter av samma socker kallas de homopolysackarider såsom glykogen och stärkelse, som är lagringskolhydrater hos djur respektive växter.

Om polysackariden består av enheter av olika sockerarter, kallas de heteropolysackarider. De flesta innehåller bara två olika enheter och är vanligtvis associerade med proteiner (glykoproteiner, såsom gammaglobulin i blodplasma) eller lipider (glykolipider, såsom gangliosider).

Funktioner

De fyra huvudfunktionerna för kolhydrater är: att tillhandahålla energi, lagra energi, bygga makromolekyler och förhindra nedbrytning av proteiner och fetter.

Kolhydrater bryts ned genom matsmältningen till enkla sockerarter. Dessa absorberas av cellerna i tunntarmen och transporteras till alla celler i kroppen där de kommer att oxideras för att erhålla energi i form av adenosintrifosfat (ATP).

De sockermolekyler som inte används vid produktion av energi vid ett visst ögonblick lagras som en del av reservpolymerer som glykogen och stärkelse.

Nukleotider, de grundläggande enheterna för nukleinsyror, har glukosmolekyler i sin struktur. Flera viktiga proteiner är associerade med kolhydratmolekyler, till exempel: follikelstimulerande hormon (FSH), som är involverat i ägglossningsprocessen.

Eftersom kolhydrater är den viktigaste energikällan förhindrar deras snabba nedbrytning andra biomolekyler från att brytas ned för energi. Således, när sockernivåerna är normala, skyddas proteiner och lipider från nedbrytning.

Vissa kolhydrater är lösliga i vatten, fungerar som en basmat i nästan alla, och oxidation av dessa molekyler är den viktigaste vägen för energiproduktion i de flesta icke-fotosyntetiska celler.

Olösliga kolhydrater associeras för att bilda mer komplexa strukturer som fungerar som skydd. Till exempel: cellulosa bildar vägg i växtceller tillsammans med hemicellulosor och pektin. Chitin bildar cellväggen hos svampar och exoskeletten för leddjur.

Dessutom bildar peptidoglycan cellväggen hos bakterier och cyanobakterier. Djurens bindväv och skelettförband består av polysackarider.

Många kolhydrater är kovalent bundna till proteiner eller lipider som bildar mer komplexa strukturer, tillsammans kallade glykokonjugater. Dessa komplex fungerar som etiketter som bestämmer dessa molekylers intracellulära placering eller metaboliska öde.

Livsmedel som innehåller kolhydrater

Kolhydrater är en viktig del av en hälsosam kost, eftersom de är den viktigaste energikällan. Vissa livsmedel har dock friskare kolhydrater som erbjuder en högre mängd näringsämnen, till exempel:

stärkelse

Stärkelsehaltiga livsmedel är den viktigaste källan till kolhydrater. Dessa stärkelser är i allmänhet komplexa kolhydrater, det vill säga de består av många socker som sammanfogas för att bilda en lång molekylär kedja. Av denna anledning tar stärkelse längre tid att smälta.

Det finns ett brett utbud av livsmedel som innehåller stärkelse. Spannmål inkluderar livsmedel med mycket stärkelse, till exempel: bönor, linser och ris. Spannmål innehåller också dessa kolhydrater, till exempel: havre, korn, vete och deras derivat (mjöl och pasta).

Baljväxter och nötter innehåller också kolhydrater i form av stärkelse. Dessutom är grönsaker som: potatis, sötpotatis, majs och squash också rika på stärkelseinnehåll.

Det är viktigt att många kolhydrater är en källa till fiber. Med andra ord är fiber i princip en typ av kolhydrat som kroppen bara delvis kan smälta.

I likhet med komplexa kolhydrater tenderar kolhydratfibrer att smälta långsamt.

Frukt och grönsaker

Frukt och grönsaker innehåller mycket kolhydrater. Till skillnad från stärkelse innehåller frukt och grönsaker enkla kolhydrater, det vill säga kolhydrater med en eller två sackarider bundna till varandra.

Dessa kolhydrater, eftersom de är enkla i sin molekylstruktur, smälts lättare och snabbare än komplexa. Detta ger en uppfattning om olika nivåer och typer av kolhydrater i livsmedel.

Således har vissa frukter mer kolhydratinnehåll per portion, till exempel: bananer, äpplen, apelsiner, meloner och druvor har mer kolhydrater än vissa grönsaker som spenat, broccoli och grönkål, morötter, svamp och auberginer.

Mjölk

I likhet med grönsaker och frukt är mejeri livsmedel som innehåller enkla kolhydrater. Mjölk har sitt eget socker som kallas laktos, en sötmakande disackarid. En kopp av detta motsvarar cirka 12 gram kolhydrater.

Det finns många versioner av mjölk och yoghurt på marknaden. Oavsett om du konsumerar en hel eller mindre fetthaltversion av ett visst mejeri kommer mängden kolhydrater att vara densamma.

Sötsakerna

Godis är en annan känd kolhydratkälla. Dessa inkluderar socker, honung, godis, konstgjorda drycker, kakor, glass, bland många andra desserter. Alla dessa produkter innehåller höga koncentrationer av socker.

Å andra sidan innehåller vissa bearbetade och raffinerade livsmedel komplexa kolhydrater, till exempel: bröd, ris och vit pasta. Det är viktigt att notera att raffinerade kolhydrater inte är näringsrika som de kolhydrater som finns i frukt och grönsaker.

Kolhydratmetabolism

Kolhydratmetabolism är uppsättningen metaboliska reaktioner som involverar bildning, nedbrytning och omvandling av kolhydrater i celler.

Kolhydratmetabolismen är mycket konserverad och kan observeras även från bakterier, det viktigaste exemplet är Lac Operon från E. coli.

Kolhydrater är viktiga i många metabola vägar inklusive fotosyntes, naturens viktigaste kolhydratbildningsreaktion.

Från koldioxid och vatten använder växter energi från solen för att syntetisera kolhydratmolekyler.

För sin del bryter djur- och svampceller kolhydrater, konsumerade i växtvävnader, för att få energi i form av ATP genom en process som kallas cellulär andning.

I ryggradsdjur transporteras glukos över hela kroppen genom blodet. Om de cellulära energilagren är låga, bryts glukos ned genom en metabolisk reaktion som kallas glykolys för att producera lite energi och vissa metaboliska mellanprodukter.

Glukosmolekyler som inte behövs för omedelbar energiproduktion lagras som glykogen i levern och muskeln genom en process som kallas glykogenes.

Vissa enkla kolhydrater har sina egna nedbrytningsvägar, liksom några av de mer komplexa kolhydraterna. Laktos kräver till exempel verkan av enzymet laktas, som bryter dess bindningar och frigör sina grundläggande monosackarider, glukos och galaktos.

Glukos är det viktigaste kolhydratet som konsumeras av celler, det utgör cirka 80% av energikällorna.

Glukos distribueras till celler, där det kan komma in genom specifika transportörer för att brytas ned eller lagras som glykogen.

Beroende på metabolismkraven för en cell kan glukos också användas för att syntetisera andra monosackarider, fettsyror, nukleinsyror och vissa aminosyror.

Den huvudsakliga funktionen av kolhydratmetabolismen är att upprätthålla kontrollen av blodsockernivåerna, det är det som kallas intern homeostas.

referenser

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Cellens molekylärbiologi (6: e upplagan). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biokemi (8: e upplagan). WH Freeman and Company.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biologi (2: a upplagan) Pearson Education.
4. Dashty, M. (2013). En snabb titt på biokemi: kolhydratmetabolism. Clinical Biochemistry, 46 (15), 1339-1352.
5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molecular Cell Biology (8: e upplagan). WH Freeman and Company.
6. Maughan, R. (2009). Kolhydratmetabolism. Kirurgi, 27 (1), 6–10.
7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Lehninger Principles of Biochemistry (6: ^e ). WH Freeman and Company.
8. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biologi (7: e upplagan) Cengage Learning.
9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Fundamentals of Biochemistry: Life on the Molecular Level (5: e upplagan). Wiley.