KOLHYDRATER: KEMISK STRUKTUR, KLASSIFICERING OG FUNKTIONER - BIOLOGI - 2025

De kulhydrater, carbohydrater eller saccharider, er organiske molekyler, der lagre energi i levende væsener. De er de mest rigelige biomolekyler og inkluderer: sukkerarter, stivelse og cellulose, blandt andre forbindelser, der findes i levende organismer.

Organismer, der udfører fotosyntesen (planter, alger og nogle bakterier) er de vigtigste producenter af kulhydrater i naturen. Strukturen af ​​disse saccharider kan være lineær eller forgrenet, enkel eller sammensat, og de kan også associeres med biomolekyler af en anden klasse.

For eksempel kan kulhydrater binde til proteiner til dannelse af glycoproteiner. De kan også forbinde sig med lipidmolekyler og således danne glycolipider, de biomolekyler, der danner strukturen af ​​biologiske membraner. Carbohydrater er også til stede i strukturen af ​​nukleinsyrer.

Oprindeligt blev kulhydrater genkendt som cellulær energilagringsmolekyler. Derefter blev andre vigtige funktioner, som kulhydrater udfører i biologiske systemer, bestemt.

Alle levende ting har deres celler dækket af et tæt lag med komplekse kulhydrater. Carbohydrater består af monosaccharider, små molekyler bestående af tre til ni carbonatomer bundet til hydroxylgrupper (-OH), som kan variere i størrelse og konfiguration.

En vigtig egenskab ved kulhydrater er den enorme strukturelle mangfoldighed inden for denne klasse af molekyler, som gør det muligt for dem at udføre en bred vifte af funktioner, såsom generering af cellesignaleringsmolekyler, dannelse af væv og generering af identiteten af ​​forskellige blodgrupper i mennesker.

Ligeledes er den ekstracellulære matrix i højere eukaryoter rig på udskillede kulhydrater, der er essentielle for celleoverlevelse og kommunikation. Disse cellegenkendelsesmekanismer udnyttes af en række patogener til at inficere deres værtsceller.

Monosaccharider kan forbindes ved hjælp af glycosidbindinger til dannelse af en lang række kulhydrater: disaccharider, oligosaccharider og polysaccharider. Undersøgelsen af ​​kulhydraters struktur og funktion i biologiske systemer kaldes glycobiology.

Kemisk struktur

Kolhydrater består af kulstof-, brint- og iltatomer. De fleste af disse kan repræsenteres med den empiriske formel (CH20) n, hvor n er antallet af kulstof i molekylet. Med andre ord er forholdet mellem kulstof, brint og ilt 1: 2: 1 i kulhydratmolekyler.

Denne formel forklarer oprindelsen af ​​udtrykket "kulhydrat", da komponenterne er carbonatomer ("carbo") og vandatomer (derfor "hydrat"). Selvom kulhydrater hovedsagelig består af disse tre atomer, er der nogle kulhydrater med nitrogen, fosfor eller svovl.

I deres basale form er kulhydrater enkle sukkerarter eller monosaccharider. Disse enkle sukkerarter kan kombineres med hinanden for at danne mere komplekse kulhydrater.

Kombinationen af ​​to enkle sukkerarter er et disaccharid. Oligosaccharider indeholder mellem to til ti enkle sukkerarter, og polysaccharider er de største kulhydrater, der består af mere end ti monosaccharidenheder.

Strukturen af ​​kulhydrater bestemmer, hvordan energi lagres i deres bindinger under deres dannelse ved fotosyntesen, og også hvordan disse bindinger brydes under cellulær respiration.

Klassifikation

monosaccharider

Monosaccharider er de elementære enheder af kulhydrater, hvorfor de er den enkleste struktur af et saccharid. Fysisk er monosaccharider farveløse krystallinske faste stoffer. De fleste har en sød smag.

Fra et kemisk synspunkt kan monosaccharider være aldehyder eller ketoner, afhængigt af hvor carbonylgruppen (C = O) er placeret i lineære kulhydrater. Strukturelt kan monosaccharider danne lige kæder eller lukkede ringe.

Da monosaccharider besidder hydroxylgrupper, er de fleste opløselige i vand og uopløselige i ikke-polære opløsningsmidler.

Afhængigt af antallet af kulhydrater i dens struktur vil et monosaccharid have forskellige navne, for eksempel: triose (hvis det har 3 C-atomer), pentose (hvis det har 5C) og så videre.

disaccharider

Disaccharider er dobbelt sukker, der dannes ved at bringe to monosaccharider sammen i en kemisk proces kaldet dehydratiseringssyntese, fordi et molekyle med vand går tabt under reaktionen. Det er også kendt som en kondensationsreaktion.

Således er et disaccharid ethvert stof, der består af to molekyler af enkle sukkerarter (monosaccharider) bundet sammen gennem en glykosidbinding.

Syrer har evnen til at bryde disse bindinger, og derfor kan disaccharider fordøjes i maven.

Disaccharider er generelt vandopløselige og søde, når de indtages. De tre vigtigste disaccharider er saccharose, lactose og maltose: saccharose stammer fra foreningen af ​​glukose og fruktose; lactose stammer fra foreningen af ​​glukose og galactose; og maltose stammer fra foreningen af ​​to glukosemolekyler.

oligosaccharider

Oligosaccharider er komplekse polymerer, der består af få enkle sukkerenheder, dvs. mellem 3 og 9 monosaccharider.

Reaktionen er den samme, som danner disaccharider, men de kommer også fra nedbrydningen af ​​mere komplekse sukkermolekyler (polysaccharider).

De fleste oligosaccharider findes i planter og fungerer som opløselig fiber, hvilket kan hjælpe med at forhindre forstoppelse. De fleste mennesker har imidlertid ikke enzymerne til at fordøje dem, undtagen for maltotriose.

Af denne grund kan oligosaccharider, der ikke oprindeligt fordøjes i tyndtarmen, nedbrydes af bakterier, der normalt beboer tyktarmen gennem en gæringsproces. Prebiotika udfører denne funktion og tjener som mad til gavnlige bakterier.

polysaccharider

Polysaccharider er de største saccharidpolymerer, de består af mere end 10 (op til tusinder) monosaccharidenheder, der er arrangeret på en lineær eller forgrenet måde. Variationer i det rumlige arrangement er det, der giver disse sukkerarter deres multiple egenskaber.

Polysaccharider kan være sammensat af det samme monosaccharid eller ved en kombination af forskellige monosaccharider. Hvis de dannes ved gentagelse af enheder af det samme sukker, kaldes de homopolysaccharider, såsom glykogen og stivelse, der er henholdsvis lagringskulhydrater fra dyr og planter.

Hvis polysaccharidet består af enheder med forskellige sukkerarter, kaldes de heteropolysaccharider. De fleste indeholder kun to forskellige enheder og er normalt forbundet med proteiner (glycoproteiner, såsom gammaglobulin i blodplasma) eller lipider (glycolipider, såsom gangliosider).

Funktioner

De fire hovedfunktioner af kulhydrater er: levering af energi, lagring af energi, opbygning af makromolekyler og forhindring af nedbrydning af proteiner og fedt.

Kulhydrater nedbrydes gennem fordøjelsen til enkle sukkerarter. Disse absorberes af cellerne i tyndtarmen og transporteres til alle celler i kroppen, hvor de vil blive oxideret for at opnå energi i form af adenosintrifosfat (ATP).

Sukkermolekylerne, der ikke bruges til produktion af energi på et givet tidspunkt, lagres som en del af reservepolymerer, såsom glykogen og stivelse.

Nukleotider, de grundlæggende enheder af nukleinsyrer, har glukosemolekyler i deres struktur. Flere vigtige proteiner er forbundet med kulhydratmolekyler, for eksempel: follikelstimulerende hormon (FSH), der er involveret i ægløsningsprocessen.

Da kulhydrater er den vigtigste energikilde, forhindrer deres hurtige nedbrydning andre biomolekyler i at blive nedbrudt for energi. Når sukkerniveauer er normale, er proteiner og lipider således beskyttet mod nedbrydning.

Nogle kulhydrater er opløselige i vand, fungerer som en fastfood i næsten alle, og oxidation af disse molekyler er den vigtigste vej til energiproduktion i de fleste ikke-fotosyntetiske celler.

Uopløselige kulhydrater associeres og danner mere komplekse strukturer, der tjener som beskyttelse. For eksempel: cellulose danner væggen i planteceller sammen med hemicelluloser og pectin. Chitin danner cellevæggen hos svampe og eksoskelettet af leddyr.

Peptidoglycan danner også cellevæggen af ​​bakterier og cyanobakterier. Dyrets bindevæv og skeletled består af polysaccharider.

Mange kulhydrater er kovalent bundet til proteiner eller lipider, der danner mere komplekse strukturer, samlet kaldet glycoconjugates. Disse komplekser fungerer som tags, der bestemmer disse molekylers intracellulære placering eller metaboliske skæbne.

Mad der indeholder kulhydrater

Kolhydrater er en vigtig komponent i en sund kost, da de er den vigtigste energikilde. Nogle fødevarer har imidlertid sundere kulhydrater, der tilbyder en højere mængde næringsstoffer, for eksempel:

Stivelse

Stivelsesholdige fødevarer er den vigtigste kilde til kulhydrater. Disse stivelser er generelt komplekse kulhydrater, det vil sige de består af mange sukkerarter, der er sammenføjet til dannelse af en lang molekylær kæde. Af denne grund tager stivelse længere tid at fordøje.

Der er en bred vifte af fødevarer, der indeholder stivelse. Kerner inkluderer fødevarer med meget stivelse, for eksempel: bønner, linser og ris. Korn indeholder også disse kulhydrater, for eksempel: havre, byg, hvede og deres derivater (mel og pasta).

Bælgfrugter og nødder indeholder også kulhydrater i form af stivelse. Derudover er grøntsager som: kartofler, søde kartofler, majs og squash også rige på stivelsesindhold.

Det er vigtigt, at mange kulhydrater er en kilde til fiber. Med andre ord er fiber dybest set en type kulhydrat, som kroppen kun delvist kan fordøje.

I lighed med komplekse kulhydrater har kulhydratfibre tendens til at blive fordøjet langsomt.

Frugt og grønt

Frugt og grønsager indeholder mange kulhydrater. I modsætning til stivelse indeholder frugt og grønsager enkle kulhydrater, det vil sige kulhydrater med et eller to saccharider bundet til hinanden.

Disse kulhydrater, der er enkle i deres molekylstruktur, fordøjes lettere og hurtigere end komplekse. Dette giver en idé om de forskellige niveauer og typer kulhydrater i fødevarer.

Nogle frugter har således mere kulhydratindhold pr. Portion, for eksempel: bananer, æbler, appelsiner, meloner og druer har mere kulhydrater end nogle grøntsager såsom spinat, broccoli og grønnkål, gulerødder, svampe og auberginer.

Mælk

I lighed med grøntsager og frugter er mejeri mad der indeholder enkle kulhydrater. Mælk har sit eget sukker kaldet lactose, et sødmagende disaccharid. En kop heraf svarer til ca. 12 gram kulhydrater.

Der er mange versioner af mælk og yoghurt på markedet. Uanset om du spiser en hel eller mindre fedtversion af et bestemt mejeri, vil mængden af ​​kulhydrater være den samme.

Slik

Slik er en anden velkendt kilde til kulhydrater. Disse inkluderer sukker, honning, slik, kunstige drikkevarer, cookies, is, blandt mange andre desserter. Alle disse produkter indeholder høje koncentrationer af sukker.

På den anden side indeholder nogle forarbejdede og raffinerede fødevarer komplekse kulhydrater, for eksempel: brød, ris og hvid pasta. Det er vigtigt at bemærke, at raffinerede kulhydrater ikke er nærende som de kulhydrater, der findes i frugt og grøntsager.

Kulhydratmetabolisme

Carbohydratmetabolisme er det sæt metaboliske reaktioner, der involverer dannelse, nedbrydning og omdannelse af kulhydrater i celler.

Carbohydratmetabolisme er meget konserveret og kan observeres endda fra bakterier, hvor hovedeksemplet er Lac Operon fra E. coli.

Carbohydrater er vigtige i mange metaboliske veje, herunder fotosyntesen, naturens vigtigste kulhydratdannelsesreaktion.

Fra kuldioxid og vand bruger planter energi fra solen til at syntetisere kulhydratmolekyler.

For deres del nedbryder dyre- og svampeceller kulhydrater, der konsumeres i plantevæv, for at få energi i form af ATP gennem en proces kaldet cellulær respiration.

Hos hvirveldyrene transporteres glukose gennem kroppen gennem kroppen. Hvis cellulære energilagre er lave, nedbrydes glukose gennem en metabolisk reaktion kaldet glykolyse for at producere noget energi og nogle metaboliske mellemprodukter.

Glukosemolekyler, der ikke er nødvendige til øjeblikkelig energiproduktion, opbevares som glykogen i leveren og musklerne gennem en proces kaldet glycogenese.

Nogle enkle kulhydrater har deres egne nedbrydningsveje, ligesom nogle af de mere komplekse kulhydrater. Lactose kræver for eksempel virkningen af ​​enzymet lactase, der bryder dets bindinger og frigiver dets grundlæggende monosaccharider, glukose og galactose.

Glukose er det vigtigste kulhydrat, der forbruges af celler, det udgør cirka 80% af energikilderne.

Glukose distribueres til celler, hvor det kan komme ind gennem specifikke transportører for at blive nedbrudt eller opbevaret som glycogen.

Afhængig af en celle metaboliske krav kan glukose også bruges til at syntetisere andre monosaccharider, fedtsyrer, nukleinsyrer og visse aminosyrer.

Den vigtigste funktion af kulhydratmetabolismen er at bevare kontrollen med blodsukkerniveauet, det er det, der kaldes intern homeostase.

Referencer

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Molecular Biology of the Cell (6. udg.). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biokemi (8. udg.). WH Freeman and Company.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biologi (2. udgave) Pearson Education.
4. Dashty, M. (2013). Et hurtigt kig på biokemi: kulhydratmetabolisme. Clinical Biochemistry, 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. udgave). WH Freeman and Company.
6. Maughan, R. (2009). Kulhydratmetabolisme. Kirurgi, 27 (1), 6-10.
7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Lehninger Principles of Biochemistry (6 ^TH). WH Freeman and Company.
8. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biologi (7. udg.) Cengage Learning.
9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Fundamentals of Biochemistry: Life on the Molecular Level (5. udg.). Wiley.