ВУГЛЕВОДИ: ХІМІЧНА СТРУКТУРА, КЛАСИФІКАЦІЯ ТА ФУНКЦІЇ - БІОЛОГІЯ - 2025

У вуглеводах , вуглеводи або цукри, є органічними молекулами , які запасають енергію в живих істотах. Вони є найпоширенішими біомолекулами і включають: цукри, крохмалі та целюлозу, серед інших сполук, які містяться в живих організмах.

Організми, що здійснюють фотосинтез (рослини, водорості та деякі бактерії), є основними виробниками вуглеводів у природі. Будова цих сахаридів може бути лінійною або розгалуженою, простою або складною, а також вони можуть асоціюватися з біомолекулами іншого класу.

Наприклад, вуглеводи можуть зв’язуватися з білками, утворюючи глікопротеїни. Вони також можуть асоціюватися з молекулами ліпідів, утворюючи таким чином гліколіпіди, біомолекули, що утворюють структуру біологічних мембран. Вуглеводи також присутні в структурі нуклеїнових кислот.

Спочатку вуглеводи були визнані молекулами стільникового зберігання енергії. Згодом були визначені інші важливі функції, які вуглеводи виконують у біологічних системах.

Усі живі істоти мають свої клітини, вкриті щільним шаром складних вуглеводів. Вуглеводи складаються з моносахаридів, невеликих молекул, що складаються з трьох-дев'яти атомів вуглецю, приєднаних до гідроксильних груп (-OH), які можуть змінюватися за розмірами та конфігурацією.

Важливою властивістю вуглеводів є величезне структурне різноманіття в межах цього класу молекул, що дозволяє їм виконувати широкий спектр функцій, таких як генерування клітинних сигнальних молекул, формування тканин та генерування ідентичності різних груп крові у людини.

Так само позаклітинний матрикс у вищих еукаріотів багатий виділеними вуглеводами, необхідними для виживання клітин і зв'язку. Ці механізми розпізнавання клітин використовуються різними збудниками для інфікування клітин-господарів.

Моносахариди можуть бути пов'язані глікозидними зв’язками для утворення найрізноманітніших вуглеводів: дисахаридів, олігосахаридів та полісахаридів. Вивчення структури та функції вуглеводів у біологічних системах називається глікобіологією.

Хімічна структура

Вуглеводи складаються з атомів вуглецю, водню та кисню. Більшість із них може бути представлена ​​емпіричною формулою (CH2O) n, де n - кількість вуглецю в молекулі. Іншими словами, співвідношення вуглецю, водню та кисню становить 1: 2: 1 у молекулах вуглеводів.

Ця формула пояснює походження терміна "вуглевод", оскільки компонентами є атоми вуглецю ("вуглець") і атоми води (отже, "гідрат"). Хоча вуглеводи в основному складаються з цих трьох атомів, є деякі вуглеводи з азотом, фосфором або сіркою.

У своїй основній формі вуглеводи - прості цукри або моносахариди. Ці прості цукру можуть поєднуватися між собою, утворюючи більш складні вуглеводи.

Поєднання двох простих цукрів є дисахаридом. Олігосахариди містять від двох до десяти простих цукрів, а полісахариди - найбільші вуглеводи, що складаються з понад десяти моносахаридних одиниць.

Структура вуглеводів визначає, як енергія накопичується в їх зв’язках під час їх утворення шляхом фотосинтезу, а також, як ці зв'язки розриваються під час клітинного дихання.

Класифікація

Моносахариди

Моносахариди - це елементарні одиниці вуглеводів, саме тому вони є найпростішою структурою сахариду. Фізично моносахариди - безбарвні кристалічні тверді речовини. Більшість мають солодкий смак.

З хімічної точки зору моносахариди можуть бути альдегідами або кетонами, залежно від того, де в лінійних вуглеводах знаходиться карбонільна група (C = O). Конструктивно моносахариди можуть утворювати прямі ланцюги або замкнуті кільця.

Оскільки моносахариди мають гідроксильні групи, більшість є розчинними у воді та нерозчинні у неполярних розчинниках.

Залежно від кількості вуглецю в його структурі моносахарид буде мати різні назви, наприклад: триоза (якщо в ній є 3 атоми С), пентоза (якщо в ній є 5С) тощо.

Дисахариди

Дисахариди - це подвійні цукри, які утворюються при з’єднанні двох моносахаридів у хімічному процесі, який називається синтезом дегідратації, оскільки молекула води втрачається під час реакції. Він також відомий як реакція конденсації.

Таким чином, дисахарид - це будь-яка речовина, що складається з двох молекул простих цукрів (моносахаридів), пов'язаних між собою через глікозидну зв’язок.

Кислоти мають здатність розривати ці зв’язки, з цієї причини дизахариди можуть перетравлюватися в шлунку.

Дисахариди, як правило, розчинні у воді та солодкі при прийомі всередину. Три основні дисахариди - сахароза, лактоза та мальтоза: сахароза походить від об'єднання глюкози та фруктози; лактоза походить від об'єднання глюкози та галактози; а мальтоза походить від об'єднання двох молекул глюкози.

Олігосахариди

Олігосахариди - це складні полімери, що складаються з кількох простих цукрових одиниць, тобто від 3 до 9 моносахаридів.

Реакція така ж, як утворює дизахариди, але вони також виникають при розпаді більш складних молекул цукру (полісахаридів).

Більшість олігосахаридів містяться в рослинах і діють як розчинна клітковина, що може допомогти запобігти запор. Однак у більшості людей немає ферментів для їх перетравлення, за винятком мальтотріози.

З цієї причини олігосахариди, які спочатку не засвоюються в тонкому кишечнику, можуть бути розщеплені бактеріями, які нормально населяють товсту кишку в процесі бродіння. Пребіотики виконують цю функцію, слугуючи їжею корисних бактерій.

Полісахариди

Полісахариди є найбільшими сахаридними полімерами, вони складаються з понад 10 (до тисяч) моносахаридних одиниць, розташованих лінійно або розгалужено. Варіації просторового розташування - це те, що надає цим цукрам їхні множинні властивості.

Полісахариди можуть складатися з одного і того ж моносахариду або з комбінації різних моносахаридів. Якщо вони утворюються шляхом повторення одиниць одного цукру, їх називають гомополісахаридами, такими як глікоген і крохмаль, які є вуглеводами зберігання тварин і рослин відповідно.

Якщо полісахарид складається з одиниць різних цукрів, їх називають гетерополісахаридами. Більшість містять лише дві різні одиниці і зазвичай пов'язані з білками (глікопротеїни, такі як гамма-глобулін у плазмі крові) або ліпідами (гліколіпіди, такі як гангліозиди).

Особливості

Чотири основні функції вуглеводів: забезпечення енергією, накопичення енергії, побудова макромолекул і запобігання розпаду білків і жирів.

Вуглеводи розщеплюються через травлення на прості цукри. Вони поглинаються клітинами тонкого кишечника і транспортуються до всіх клітин організму, де вони будуть окислюватися для отримання енергії у вигляді аденозинтрифосфату (АТФ).

Молекули цукру, які не використовуються у виробництві енергії в даний момент, зберігаються у складі резервних полімерів, таких як глікоген та крохмаль.

Нуклеотиди, основні одиниці нуклеїнових кислот, мають у своїй структурі молекули глюкози. Кілька важливих білків пов’язані з молекулами вуглеводів, наприклад: фолікулостимулюючий гормон (ФСГ), який бере участь у процесі овуляції.

Оскільки вуглеводи є основним джерелом енергії, їх швидке руйнування перешкоджає руйнуванню інших біомолекул для отримання енергії. Таким чином, коли рівень цукру в нормі, білки та ліпіди захищені від розпаду.

Деякі вуглеводи розчинні у воді, вони функціонують як основний корм майже у всіх, і окислення цих молекул є основним способом виробництва енергії у більшості нефотосинтетичних клітин.

Нерозчинні вуглеводи асоціюються, утворюючи більш складні структури, які служать захистом. Наприклад: целюлоза утворює стінку рослинних клітин разом з геміцелюлозою та пектином. Хітин утворює клітинну стінку грибів та екзоскелет членистоногих.

Також пептидоглікан утворює клітинну стінку бактерій і ціанобактерій. Сполучна тканина тварин та скелетні суглоби складаються з полісахаридів.

Багато вуглеводів ковалентно зв’язуються з білками або ліпідами, утворюючи складніші структури, що називаються глікоконюгатами. Ці комплекси діють як мітки, що визначають внутрішньоклітинне розташування або метаболічну долю цих молекул.

Їжа, що містить вуглеводи

Вуглеводи є найважливішим компонентом здорового харчування, оскільки вони є основним джерелом енергії. Однак у деяких продуктах є більш здорові вуглеводи, які пропонують більшу кількість поживних речовин, наприклад:

Крохмалі

Крохмальні продукти є основним джерелом вуглеводів. Ці крохмалі, як правило, складні вуглеводи, тобто вони складаються з багатьох цукрів, з'єднаних разом, щоб утворити довгу молекулярну ланцюг. З цієї причини крохмалі перетравлюються довше.

Існує широкий вибір продуктів, які містять крохмаль. Зерно включає продукти з високим вмістом крохмалю, наприклад: квасоля, сочевиця та рис. У зернових також містяться такі вуглеводи, наприклад: овес, ячмінь, пшениця та їх похідні (борошно та макарони).

Бобові та горіхи також містять вуглеводи у вигляді крохмалів. Крім того, такі овочі, як: картопля, солодка картопля, кукурудза та кабачки, також багаті вмістом крохмалю.

Важливо, що багато вуглеводів є джерелом клітковини. Іншими словами, клітковина - це в основному вид вуглеводів, які організм може лише частково засвоювати.

Подібно до складних вуглеводів, вуглеводні волокна, як правило, засвоюються повільно.

Фрукти та овочі

У фруктах і овочах багато вуглеводів. На відміну від крохмалю, фрукти та овочі містять прості вуглеводи, тобто вуглеводи з одним або двома сахаридами, приєднаними один до одного.

Ці вуглеводи, будучи простими за своєю молекулярною структурою, засвоюються легше і швидше, ніж складні. Це дає уявлення про різні рівні та типи вуглеводів у продуктах.

Таким чином, деякі фрукти мають більше вмісту вуглеводів на порцію, наприклад: банани, яблука, апельсини, дині та виноград мають більше вуглеводів, ніж деякі овочі, такі як шпинат, брокколі та капуста, морква, гриби та баклажани.

Молоко

Подібно до овочів та фруктів, молочна - це їжа, яка містить прості вуглеводи. У молоці є свій цукор під назвою лактоза, дисахарид солодкого смаку. Одна чашка цього еквівалента приблизно 12 г вуглеводів.

На ринку є багато версій молока та йогурту. Незалежно від того, вживаєте ви цілу або зменшену жирність версії певної молочної залози, кількість вуглеводів буде однаковою.

Солодощі

Солодощі - ще одне відоме джерело вуглеводів. До них відносяться цукор, мед, цукерки, штучні напої, печиво, морозиво, серед багатьох інших десертів. Всі ці продукти містять високі концентрації цукрів.

З іншого боку, деякі оброблені та рафіновані продукти містять складні вуглеводи, наприклад: хліб, рис та білі макарони. Важливо зазначити, що рафіновані вуглеводи не є поживними, як вуглеводи, які містяться у фруктах та овочах.

Вуглеводний обмін

Вуглеводний обмін - це сукупність метаболічних реакцій, які передбачають утворення, деградацію та перетворення вуглеводів у клітинах.

Вуглеводний обмін відрізняється високою консервацією і його можна спостерігати навіть з бактерій, головним прикладом цього є Lac Operon кишкової палички.

Вуглеводи важливі для багатьох метаболічних шляхів, включаючи фотосинтез, найважливішу в природі реакцію утворення вуглеводів.

З вуглекислого газу та води рослини використовують енергію сонця для синтезу молекул вуглеводів.

Зі свого боку клітини тварин та грибів розщеплюють вуглеводи, споживаються в тканинах рослин, для отримання енергії у вигляді АТФ шляхом процесу, який називається клітинним диханням.

У хребетних глюкоза транспортується по всьому організму через кров. Якщо запаси клітинної енергії низькі, глюкоза руйнується за допомогою метаболічної реакції, званої гліколіз, щоб отримати деяку кількість енергії та деякі метаболічні проміжні продукти.

Молекули глюкози, не потрібні для негайного виробництва енергії, зберігаються як глікоген у печінці та м’язах шляхом процесу, який називається глікогенезом.

Деякі прості вуглеводи мають свої власні шляхи деградації, як деякі більш складні вуглеводи. Наприклад, лактоза вимагає дії ферменту лактази, який розриває її зв’язки і вивільняє основні моносахариди, глюкозу та галактозу.

Глюкоза - основний вуглевод, що споживається клітинами, він становить приблизно 80% джерел енергії.

Глюкоза розподіляється по клітинам, куди вона може потрапляти через конкретні транспортери, щоб їх деградувати або зберігати як глікоген.

Залежно від метаболічних потреб клітини, глюкоза може також використовуватися для синтезу інших моносахаридів, жирних кислот, нуклеїнових кислот та певних амінокислот.

Основна функція метаболізму вуглеводів полягає в підтримці контролю рівня цукру в крові, це те, що відомо як внутрішній гомеостаз.

Список літератури

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Молекулярна біологія клітини (6-е видання). Гарленд Наука.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Біохімія (8-е видання). WH Freeman and Company.
3. Кемпбелл, Н. та Різ, Дж. (2005). Біологія (2-е видання) Пірсонова освіта.
4. Дашти, М. (2013). Швидкий погляд на біохімію: вуглеводний обмін. Клінічна біохімія, 46 (15), 1339-1352.
5. Лодіш, Х., Берк, А., Кайзер, К., Крігер, М., Бретчер, А., Плое, Х., Амон, А. і Мартін, К. (2016). Молекулярна клітинна біологія (8-е видання). WH Freeman and Company.
6. Maughan, R. (2009). Вуглеводний обмін. Хірургія, 27 (1), 6–10.
7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Принципи біохімії Ленінгера (6- ^{е місце} ). WH Freeman and Company.
8. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Біологія (7-е вид.) Навчання за участю.
9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Основи біохімії: життя на молекулярному рівні (5-е видання). Вілі.