Kolhydrater kemisk struktur, klassificering och funktioner

4667
David Holt

De kolhydrater, Kolhydrater eller sackarider är organiska molekyler som lagrar energi i levande varelser. De är de mest förekommande biomolekylerna och inkluderar: sockerarter, stärkelse och cellulosa, bland andra föreningar som finns i levande organismer..

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

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

Inledningsvis 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 gör det möjligt för dem att utföra ett brett spektrum av funktioner, såsom att generera cellsignaleringsmolekyler, 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, vilket är viktigt för cellöverlevnad och kommunikation. Dessa celligenkänningsmekanismer utnyttjas av en mängd olika patogener för att infektera deras värdceller..

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

Artikelindex

  • 1 Kemisk struktur
  • 2 Klassificering
    • 2.1 Monosackarider
    • 2.2 Disackarider
    • 2.3 Oligosackarider 
    • 2.4 Polysackarider
  • 3 funktioner
  • 4 livsmedel som innehåller kolhydrater
    • 4.1 Stärkelse
    • 4.2 Frukt och grönsaker
    • 4.3 mjölk
    • 4.4 Godisarna
  • 5 Kolhydratmetabolism
  • 6 Referenser

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 kol i molekylen. Med andra ord är förhållandet mellan kol, väte och syre 1: 2: 1 i kolhydratmolekyler..

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

I sin basform 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 sackarid. Oligosackarider innehåller mellan två och tio enkla sockerarter, och polysackarider är de största kolhydraterna, som består av mer än tio monosackaridenheter.

Kolhydratstrukturen avgör hur energi lagras i deras bindningar under bildandet genom fotosyntes och även hur dessa bindningar bryts under cellulär andning..

Klassificering

Monosackarider

Monosackarider är de elementära enheterna av kolhydrater, varför de är den enklaste strukturen för en sackarid. Fysiskt sett 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) finns i linjära kolhydrater. Strukturellt kan monosackarider bilda linjära kedjor eller slutna ringar.

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

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

Disackarider

Disackarider är dubbla sockerarter som bildas genom att sammanföra två monosackarider i en kemisk process som kallas uttorkningssyntes, eftersom en vattenmolekyl går förlorad under reaktionen. Det är också känt som en kondensationsreaktion.

Således är en sackarid vilken substans som helst som består av två molekyler av enkla sockerarter (monosackarider) kopplade samman genom en glykosidbindning..

Syror har förmågan att bryta dessa bindningar, därför kan sackarider smälta i magen.

Disackarider är i allmänhet vattenlösliga och söta vid intag. De tre huvudsakliga disackariderna är sackaros, laktos och maltos: sackaros kommer från föreningen av glukos och fruktos; laktos kommer från föreningen 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 och 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 lösliga fibrer, vilket kan hjälpa till att förhindra förstoppning. Men de flesta människor har inte enzymer för att smälta dem, förutom maltotriose..

Av denna anledning kan oligosackarider som inte först smälts i tunntarmen brytas ned av bakterier som normalt bor i tjocktarmen genom en jäsningsprocess. Prebiotika uppfyller denna funktion och fungerar som mat för nyttiga bakterier.

Polysackarider

Polysackarider är de största sackaridpolymererna, de består av mer än 10 (upp till tusentals) monosackaridenheter anordnade linjärt eller grenat. Variationer i rumslig ordning är det som ger dessa sockerarter deras många egenskaper.

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

Om polysackariden består av enheter med olika sockerarter kallas de heteropolysackarider. De flesta innehåller endast 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 ge energi, att lagra energi, att bygga makromolekyler och att förhindra nedbrytning av proteiner och fetter..

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

De sockermolekyler som inte används vid energiproduktion vid en viss tidpunkt 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 huvudsakliga energikällan förhindrar deras snabba nedbrytning att andra biomolekyler bryts ner för energi. Således, när sockernivåerna är normala, skyddas proteiner och lipider från nedbrytning..

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

Olösliga kolhydrater associeras till mer komplexa strukturer som fungerar som skydd. Till exempel: cellulosa bildar väggen i växtceller tillsammans med hemicelluloser och pektin. Kitin bildar svampens cellvägg och leddjurens exoskelett.

Peptidoglykan bildar också cellväggen av bakterier och cyanobakterier. Djur bindväv och skelettfogar består av polysackarider.

Många kolhydrater är kovalent bundna till proteiner eller lipider som bildar mer komplexa strukturer, kollektivt kallade glykokonjugat. Dessa komplex fungerar som taggar som bestämmer det intracellulära läget eller metaboliska ödet för dessa molekyler.

Kolhydratinnehållande livsmedel

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

Stärkelse

Stärkelsehaltiga livsmedel är den främsta källan till kolhydrater. Dessa stärkelser är i allmänhet komplexa kolhydrater, det vill säga de består av många sockerarter som är sammankopplade och bildar en lång molekylär kedja. Av denna anledning tar stärkelse längre tid att smälta..

Det finns ett brett utbud av livsmedel som innehåller stärkelse. Korn inkluderar livsmedel som innehåller 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 rik på stärkelseinnehåll..

Det är viktigt att många kolhydrater är en fiberkälla. Med andra ord är fiber i grunden en typ av kolhydrater som kroppen bara delvis kan smälta..

Liknar 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 kopplade ihop.

Dessa kolhydrater, som är enkla i sin molekylära struktur, smälts lättare och snabbare än komplexa. Detta ger en uppfattning om de olika nivåerna och typerna av kolhydrater som livsmedel har.

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 mejeriprodukter livsmedel som innehåller enkla kolhydrater. Mjölk har sitt eget socker som kallas laktos, en söt smak. 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 minskad fettversion av ett visst mejeri, kommer mängden kolhydrater att vara densamma.

Sötsakerna

Godis är en annan känd källa till kolhydrater. Dessa inkluderar socker, honung, godis, konstgjorda drycker, kakor, glass, bland många andra desserter. Alla dessa produkter innehåller höga sockerkoncentrationer.

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 en uppsättning metaboliska reaktioner som involverar bildning, nedbrytning och omvandling av kolhydrater i celler.

Metabolismen av kolhydrater är mycket konserverad och kan observeras även från bakterier, huvudexemplet är Operon Lac de E coli.

Kolhydrater är viktiga i många metaboliska vägar som fotosyntes, naturens viktigaste kolhydratbildningsreaktion.

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

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

Hos ryggradsdjur transporteras glukos genom kroppen genom blodet. Om cellulära energilager är låga bryts glukos ner 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, som några av de mer komplexa kolhydraterna. Laktos, till exempel, kräver verkan av enzymet laktas, som bryter dess bindningar och frisätter dess grundläggande monosackarider, glukos och galaktos..

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

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

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

Kolhydratmetabolismens huvudsakliga funktion är att upprätthålla kontrollen av blodsockernivån, detta är vad som kallas intern homeostas.

Referenser

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Molecular Biology of the Cell (6: e upplagan). Garland vetenskap.
  2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biokemi (8: e upplagan). W. H. 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. Klinisk biokemi, 46(15), 1339-1352.
  5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molekylär cellbiologi (8: e upplagan). W. H. Freeman and Company.
  6. Maughan, R. (2009). Kolhydratmetabolism. Kirurgi, 27(1), 6-10.
  7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Lehninger Principer för biokemi (6th). W.H. 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 at the Molecular Level (5: e upplagan). Wiley.

Ingen har kommenterat den här artikeln än.