WĘGLOWODANY: BUDOWA CHEMICZNA, KLASYFIKACJA I FUNKCJE - BIOLOGIA - 2026

Te węglowodany , węglowodany lub sacharydy, to cząsteczki organiczne gromadzenia energii w istotach żywych. Są to najbardziej rozpowszechnione biocząsteczki i obejmują między innymi cukry, skrobie i celulozę, a także inne związki występujące w organizmach żywych.

Organizmy przeprowadzające fotosyntezę (rośliny, algi i niektóre bakterie) są głównymi producentami węglowodanów w przyrodzie. Struktura tych sacharydów może być liniowa lub rozgałęziona, prosta lub złożona, a także mogą wiązać się z biomolekułami innej klasy.

Na przykład węglowodany mogą wiązać się z białkami, tworząc glikoproteiny. Mogą również łączyć się z cząsteczkami lipidów, tworząc w ten sposób glikolipidy, biocząsteczki, które tworzą strukturę błon biologicznych. Węglowodany są również obecne w strukturze kwasów nukleinowych.

Początkowo węglowodany uznano za cząsteczki magazynujące energię w komórkach. Następnie określono inne ważne funkcje, jakie pełnią węglowodany w układach biologicznych.

Wszystkie żywe istoty mają swoje komórki pokryte gęstą warstwą złożonych węglowodanów. Węglowodany składają się z monosacharydów, małych cząsteczek składających się z trzech do dziewięciu atomów węgla przyłączonych do grup hydroksylowych (-OH), które mogą mieć różną wielkość i konfigurację.

Ważną właściwością węglowodanów jest olbrzymia różnorodność strukturalna w tej klasie cząsteczek, która pozwala im pełnić szeroki zakres funkcji, takich jak generowanie cząsteczek sygnalizujących komórki, tworzenie tkanek i identyfikowanie różnych grup krwi u ludzi.

Podobnie macierz zewnątrzkomórkowa u wyższych eukariotów jest bogata w wydzielane węglowodany, niezbędne do przeżycia i komunikacji komórek. Te mechanizmy rozpoznawania komórek są wykorzystywane przez różne patogeny do infekowania komórek gospodarza.

Monosacharydy można łączyć wiązaniami glikozydowymi, tworząc szeroką gamę węglowodanów: disacharydy, oligosacharydy i polisacharydy. Badanie struktury i funkcji węglowodanów w układach biologicznych nazywa się glikobiologią.

Struktura chemiczna

Węglowodany składają się z atomów węgla, wodoru i tlenu. Większość z nich można przedstawić wzorem empirycznym (CH2O) n, gdzie n to liczba atomów węgla w cząsteczce. Innymi słowy, stosunek węgla, wodoru i tlenu w cząsteczkach węglowodanów wynosi 1: 2: 1.

Ten wzór wyjaśnia pochodzenie terminu „węglowodan”, ponieważ jego składnikami są atomy węgla („węgiel”) i atomy wody (stąd „hydrat”). Chociaż węglowodany składają się głównie z tych trzech atomów, niektóre z nich zawierają azot, fosfor lub siarkę.

W swojej podstawowej postaci węglowodany to cukry proste lub cukry proste. Te proste cukry mogą łączyć się ze sobą, tworząc bardziej złożone węglowodany.

Połączenie dwóch cukrów prostych to disacharyd. Oligosacharydy zawierają od dwóch do dziesięciu cukrów prostych, a polisacharydy to największe węglowodany, składające się z ponad dziesięciu jednostek monosacharydowych.

Struktura węglowodanów decyduje o tym, jak energia jest magazynowana w ich wiązaniach podczas ich tworzenia przez fotosyntezę, a także jak te wiązania są zrywane podczas oddychania komórkowego.

Klasyfikacja

Monosacharydy

Monosacharydy to elementarne jednostki węglowodanów, dlatego stanowią najprostszą strukturę sacharydu. Fizycznie monosacharydy są bezbarwnymi krystalicznymi ciałami stałymi. Większość ma słodki smak.

Z chemicznego punktu widzenia monosacharydy mogą być aldehydami lub ketonami, w zależności od tego, gdzie w węglowodanach liniowych znajduje się grupa karbonylowa (C = O). Strukturalnie monosacharydy mogą tworzyć proste łańcuchy lub zamknięte pierścienie.

Ponieważ monosacharydy zawierają grupy hydroksylowe, większość z nich jest rozpuszczalna w wodzie i nierozpuszczalna w rozpuszczalnikach niepolarnych.

W zależności od liczby atomów węgla w swojej strukturze, monosacharyd będzie miał różne nazwy, na przykład: trioza (jeśli ma 3 atomy C), pentoza (jeśli ma 5C) i tak dalej.

Disacharydy

Disacharydy to podwójne cukry, które powstają w wyniku połączenia dwóch monosacharydów w procesie chemicznym zwanym syntezą odwodnienia, ponieważ podczas reakcji traci się cząsteczka wody. Jest również znany jako reakcja kondensacji.

Zatem disacharyd to dowolna substancja, która składa się z dwóch cząsteczek cukrów prostych (monosacharydów) połączonych ze sobą wiązaniem glikozydowym.

Kwasy mają zdolność zrywania tych wiązań, dlatego disacharydy mogą być trawione w żołądku.

Disacharydy są zazwyczaj rozpuszczalne w wodzie i słodkie po spożyciu. Trzy główne disacharydy to sacharoza, laktoza i maltoza: sacharoza pochodzi z połączenia glukozy i fruktozy; laktoza pochodzi z połączenia glukozy i galaktozy; a maltoza pochodzi z połączenia dwóch cząsteczek glukozy.

Oligosacharydy

Oligosacharydy to złożone polimery składające się z kilku prostych jednostek cukrowych, czyli od 3 do 9 monosacharydów.

Reakcja jest taka sama, jak tworzy się disacharydy, ale powstają one również w wyniku rozpadu bardziej złożonych cząsteczek cukru (polisacharydów).

Większość oligosacharydów znajduje się w roślinach i działa jak rozpuszczalny błonnik, który pomaga zapobiegać zaparciom. Jednak większość ludzi nie ma enzymów do ich trawienia, z wyjątkiem maltotriozy.

Z tego powodu oligosacharydy, które nie są początkowo trawione w jelicie cienkim, mogą być rozkładane przez bakterie, które normalnie zamieszkują jelito grube, w procesie fermentacji. Tę funkcję spełniają prebiotyki, które służą jako pokarm dla pożytecznych bakterii.

Polisacharydy

Polisacharydy są największymi polimerami sacharydowymi, składają się z ponad 10 (do tysięcy) jednostek monosacharydowych ułożonych w sposób liniowy lub rozgałęziony. Różnice w aranżacji przestrzennej nadają tym cukrom wielorakie właściwości.

Polisacharydy mogą składać się z tego samego monosacharydu lub z kombinacji różnych monosacharydów. Jeśli powstają z powtarzających się jednostek tego samego cukru, nazywane są homopolisacharydami, takimi jak glikogen i skrobia, które są odpowiednio węglowodanami zapasowymi zwierząt i roślin.

Jeśli polisacharyd składa się z jednostek różnych cukrów, nazywa się je heteropolisacharydami. Większość zawiera tylko dwie różne jednostki i jest zwykle związana z białkami (glikoproteinami, takimi jak gamma globulina w osoczu krwi) lub lipidami (glikolipidy, takie jak gangliozydy).

cechy

Cztery główne funkcje węglowodanów to: dostarczanie energii, magazynowanie energii, budowanie makrocząsteczek oraz zapobieganie rozkładowi białek i tłuszczów.

Węglowodany są rozkładane w wyniku trawienia na cukry proste. Są one wchłaniane przez komórki jelita cienkiego i transportowane do wszystkich komórek organizmu, gdzie zostaną utlenione w celu uzyskania energii w postaci trifosforanu adenozyny (ATP).

Cząsteczki cukru, które w danym momencie nie są wykorzystywane do produkcji energii, są magazynowane jako część rezerwowych polimerów, takich jak glikogen i skrobia.

Nukleotydy, podstawowe jednostki kwasów nukleinowych, mają w swojej strukturze cząsteczki glukozy. Z cząsteczkami węglowodanów związanych jest kilka ważnych białek, na przykład: hormon folikulotropowy (FSH), który bierze udział w procesie owulacji.

Ponieważ węglowodany są głównym źródłem energii, ich szybka degradacja zapobiega degradacji innych biomolekuł na energię. Tak więc, gdy poziom cukru jest normalny, białka i lipidy są chronione przed degradacją.

Niektóre węglowodany są rozpuszczalne w wodzie, pełnią one funkcję podstawowego pożywienia prawie u każdego, a utlenianie tych cząsteczek jest główną drogą produkcji energii w większości komórek niefotosyntetycznych.

Nierozpuszczalne węglowodany łączą się, tworząc bardziej złożone struktury, które służą jako ochrona. Na przykład: celuloza tworzy ściany komórek roślinnych razem z hemicelulozami i pektyną. Chityna tworzy ścianę komórkową grzybów i egzoszkielet stawonogów.

Ponadto peptydoglikan tworzy ścianę komórkową bakterii i cyjanobakterii. Tkanka łączna zwierząt i stawy szkieletowe są zbudowane z polisacharydów.

Wiele węglowodanów jest kowalencyjnie związanych z białkami lub lipidami, tworząc bardziej złożone struktury, zwane łącznie glikokoniugatami. Kompleksy te działają jak znaczniki, które określają wewnątrzkomórkową lokalizację lub metaboliczny los tych cząsteczek.

Pokarmy zawierające węglowodany

Węglowodany są niezbędnym składnikiem zdrowej diety, ponieważ są głównym źródłem energii. Jednak niektóre pokarmy zawierają zdrowsze węglowodany, które zapewniają większą ilość składników odżywczych, na przykład:

Skrobie

Produkty bogate w skrobię są głównym źródłem węglowodanów. Te skrobie są na ogół węglowodanami złożonymi, to znaczy składają się z wielu cukrów połączonych razem, tworząc długi łańcuch cząsteczkowy. Z tego powodu skrobia trawi się dłużej.

Istnieje wiele produktów spożywczych zawierających skrobię. Ziarna obejmują produkty bogate w skrobię, na przykład: fasolę, soczewicę i ryż. Zboża również zawierają te węglowodany, na przykład: owies, jęczmień, pszenicę i ich pochodne (mąki i makaron).

Rośliny strączkowe i orzechy zawierają również węglowodany w postaci skrobi. Ponadto warzywa takie jak: ziemniaki, słodkie ziemniaki, kukurydza i dynia również są bogate w skrobię.

Co ważne, źródłem błonnika jest wiele węglowodanów. Innymi słowy, błonnik jest w zasadzie rodzajem węglowodanów, które organizm może strawić tylko częściowo.

Podobnie jak w przypadku węglowodanów złożonych, błonnik węglowodanowy ma tendencję do powolnego trawienia.

Owoce i warzywa

Owoce i warzywa są bogate w węglowodany. W przeciwieństwie do skrobi owoce i warzywa zawierają węglowodany proste, czyli węglowodany z połączonymi ze sobą jednym lub dwoma sacharydami.

Te węglowodany, mając prostą strukturę molekularną, są łatwiej i szybciej trawione niż węglowodany złożone. Daje to wyobrażenie o różnych poziomach i rodzajach węglowodanów w żywności.

Dlatego niektóre owoce mają większą zawartość węglowodanów w porcji, na przykład: banany, jabłka, pomarańcze, melony i winogrona mają więcej węglowodanów niż niektóre warzywa, takie jak szpinak, brokuły i jarmuż, marchew, grzyby i bakłażany.

mleko

Podobnie jak warzywa i owoce, nabiał to żywność zawierająca proste węglowodany. Mleko ma swój cukier zwany laktozą, disacharyd o słodkim smaku. Jedna filiżanka to równowartość około 12 gramów węglowodanów.

Na rynku jest wiele odmian mleka i jogurtu. Niezależnie od tego, czy spożywasz całą, czy niskotłuszczową wersję danego nabiału, ilość węglowodanów będzie taka sama.

Słodycze

Słodycze to kolejne znane źródło węglowodanów. Należą do nich cukier, miód, słodycze, sztuczne napoje, ciastka, lody i wiele innych deserów. Wszystkie te produkty zawierają duże stężenie cukrów.

Z drugiej strony, niektóre przetworzone i rafinowane produkty spożywcze zawierają węglowodany złożone, na przykład: chleb, ryż i biały makaron. Należy pamiętać, że rafinowane węglowodany nie są tak pożywne, jak węglowodany znajdujące się w owocach i warzywach.

Metabolizm węglowodanów

Metabolizm węglowodanów to zespół reakcji metabolicznych, które obejmują tworzenie, degradację i konwersję węglowodanów w komórkach.

Metabolizm węglowodanów jest wysoce konserwatywny i można go zaobserwować nawet u bakterii, czego głównym przykładem jest operon lak E. coli.

Węglowodany odgrywają ważną rolę w wielu szlakach metabolicznych, w tym w fotosyntezie, najważniejszej naturalnej reakcji tworzenia się węglowodanów.

Z dwutlenku węgla i wody rośliny wykorzystują energię słoneczną do syntezy cząsteczek węglowodanów.

Ze swojej strony komórki zwierząt i grzybów rozkładają węglowodany, które są konsumowane w tkankach roślin, aby uzyskać energię w postaci ATP w procesie zwanym oddychaniem komórkowym.

U kręgowców glukoza jest transportowana przez organizm przez krew. Jeśli komórkowe zapasy energii są niskie, glukoza jest rozkładana w wyniku reakcji metabolicznej zwanej glikolizą, w celu wytworzenia pewnej ilości energii i niektórych półproduktów metabolicznych.

Cząsteczki glukozy, które nie są potrzebne do natychmiastowej produkcji energii, są magazynowane jako glikogen w wątrobie i mięśniach w procesie zwanym glikogenezą.

Niektóre węglowodany proste mają swoje własne ścieżki degradacji, jak niektóre z bardziej złożonych węglowodanów. Na przykład laktoza wymaga działania enzymu laktazy, który rozrywa jej wiązania i uwalnia podstawowe cukry proste, glukozę i galaktozę.

Glukoza jest głównym węglowodanem zużywanym przez komórki, stanowi około 80% źródeł energii.

Glukoza jest rozprowadzana do komórek, gdzie może przedostać się przez określone transportery w celu degradacji lub przechowywania jako glikogen.

W zależności od wymagań metabolicznych komórki glukozę można również wykorzystać do syntezy innych monosacharydów, kwasów tłuszczowych, kwasów nukleinowych i niektórych aminokwasów.

Główną funkcją metabolizmu węglowodanów jest utrzymanie kontroli poziomu cukru we krwi, czyli tzw. Homeostazy wewnętrznej.

Bibliografia

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Molecular Biology of the Cell (6th ed.). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biochemistry (8th ed.). WH Freeman and Company.
3. Campbell, N. i Reece, J. (2005). Biology (2nd ed.) Pearson Education.
4. Dashty, M. (2013). Szybkie spojrzenie na biochemię: metabolizm węglowodanów. 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 (8th ed.). WH Freeman and Company.
6. Maughan, R. (2009). Metabolizm węglowodanów. Surgery, 27 (1), 6–10.
7. Nelson, D., Cox, M. i Lehninger, A. (2013). Lehninger Principles of Biochemistry 6 ( ^TH ). WH Freeman and Company.
8. Solomon, E., Berg, L. i Martin, D. (2004). Biology (7th ed.) Cengage Learning.
9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Podstawy biochemii: Życie na poziomie molekularnym (wyd. 5). Wiley.