ВЪГЛЕХИДРАТИ: ХИМИЧНА СТРУКТУРА, КЛАСИФИКАЦИЯ И ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На въглехидрати, въглехидрати и захариди, са органични молекули, които магазин на енергия в живите същества. Те са най-разпространените биомолекули и включват: захари, нишесте и целулоза, сред други съединения, които се намират в живите организми.

Организмите, които извършват фотосинтеза (растения, водорасли и някои бактерии) са основните производители на въглехидрати в природата. Структурата на тези захариди може да бъде линейна или разклонена, проста или сложна и те също могат да се свързват с биомолекули от друг клас.

Например, въглехидратите могат да се свързват с протеините, за да образуват гликопротеини. Те също могат да се свързват с липидни молекули, като по този начин образуват гликолипиди, биомолекулите, които формират структурата на биологичните мембрани. Въглехидратите също присъстват в структурата на нуклеиновите киселини.

Първоначално въглехидратите бяха разпознати като молекули за съхранение на клетъчна енергия. Впоследствие бяха определени други важни функции, които въглехидратите изпълняват в биологичните системи.

Всички живи същества имат своите клетки, покрити от плътен слой от сложни въглехидрати. Въглехидратите са съставени от монозахариди, малки молекули, съставени от три до девет въглеродни атома, свързани с хидроксилни групи (-OH), които могат да варират по размер и конфигурация.

Важно свойство на въглехидратите е огромното структурно разнообразие в този клас молекули, което им позволява да изпълняват широк спектър от функции като генериране на сигнални молекули на клетките, формиране на тъкани и генериране на идентичността на различни кръвни групи при хората.

По същия начин, извънклетъчната матрица при по-високите еукариоти е богата на секретирани въглехидрати, които са от съществено значение за оцеляването и комуникацията на клетките. Тези механизми за разпознаване на клетки се експлоатират от различни патогени, за да заразят клетките им гостоприемници.

Монозахаридите могат да бъдат свързани чрез гликозидни връзки, за да образуват голямо разнообразие от въглехидрати: дизахариди, олигозахариди и полизахариди. Изследването на структурата и функцията на въглехидратите в биологичните системи се нарича гликобиология.

Химическа структура

Въглехидратите се състоят от въглеродни, водородни и кислородни атоми. Повечето от тях могат да бъдат представени чрез емпиричната формула (CH2O) n, където n е броят на въглеродните съединения в молекулата. С други думи, съотношението въглерод, водород и кислород е 1: 2: 1 във въглехидратните молекули.

Тази формула обяснява произхода на термина "въглехидрати", тъй като компонентите са въглеродни атоми ("въглерод") и атоми на водата (следователно "хидрат"). Въпреки че въглехидратите са съставени главно от тези три атома, има някои въглехидрати с азот, фосфор или сяра.

В основната си форма въглехидратите са прости захари или монозахариди. Тези прости захари могат да се комбинират помежду си, за да образуват по-сложни въглехидрати.

Комбинацията от две прости захари е дизахарид. Олигозахаридите съдържат между две до десет прости захари, а полизахаридите са най-големите въглехидрати, съставени от повече от десет монозахаридни единици.

Структурата на въглехидратите определя как енергията се съхранява в техните връзки по време на тяхното образуване чрез фотосинтеза, а също и как тези връзки се разрушават по време на клетъчното дишане.

класификация

Монозахариди

Монозахаридите са елементарните единици на въглехидратите, поради което те са най-простата структура на захарид. Физически монозахаридите са безцветни кристални твърди вещества. Повечето имат сладък вкус.

От химическа гледна точка монозахаридите могат да бъдат алдехиди или кетони, в зависимост от това къде се намира карбонилната група (С = О) в линейни въглехидрати. Структурно монозахаридите могат да образуват прави вериги или затворени пръстени.

Тъй като монозахаридите притежават хидроксилни групи, повечето са разтворими във вода и неразтворими в неполярни разтворители.

В зависимост от броя на въглеродите в структурата си, монозахаридът ще има различни имена, например: триоза (ако има 3 С атоми), пентоза (ако има 5С) и така нататък.

дизахариди

Дисахаридите са двойни захари, които се образуват чрез обединяване на два монозахарида в химичен процес, наречен синтез на дехидратация, тъй като по време на реакцията се губи молекула вода. Известен е също като реакция на кондензация.

По този начин, дизахарид е всяко вещество, което се състои от две молекули от прости захари (монозахариди), свързани заедно чрез гликозидна връзка.

Киселините имат способността да разрушат тези връзки, поради тази причина дизахаридите могат да се усвояват в стомаха.

Дисахаридите обикновено са водоразтворими и сладки при поглъщане. Трите основни дизахариди са захароза, лактоза и малтоза: захарозата идва от съединението на глюкоза и фруктоза; лактозата идва от съединението на глюкоза и галактоза; а малтозата идва от обединението на две молекули глюкоза.

олигозахариди

Олигозахаридите са сложни полимери, съставени от няколко прости захарни единици, тоест между 3 до 9 монозахариди.

Реакцията е същата, която образува дизахариди, но те идват и от разграждането на по-сложни захарни молекули (полизахариди).

Повечето олигозахариди се намират в растенията и действат като разтворими фибри, което може да помогне за предотвратяване на запек. Въпреки това, повечето хора нямат ензимите, които да ги усвояват, с изключение на малтотриозата.

Поради тази причина олигозахаридите, които първоначално не се усвояват в тънките черва, могат да бъдат разградени от бактерии, които обикновено обитават дебелото черво чрез процес на ферментация. Пребиотиците изпълняват тази функция, служейки като храна за полезните бактерии.

Полизахариди

Полизахаридите са най-големите захаридни полимери, те са съставени от повече от 10 (до хиляди) монозахаридни единици, подредени по линеен или разклонен начин. Различията в пространственото подреждане са това, което дава на тези захари техните многобройни свойства.

Полизахаридите могат да бъдат съставени от един и същ монозахарид или от комбинация от различни монозахариди. Ако се образуват чрез повтарящи се единици на една и съща захар, те се наричат ​​хомополизахариди като гликоген и нишесте, които са съответно въглехидрати за съхранение на животни и растения.

Ако полизахаридът е съставен от единици от различни захари, те се наричат ​​хетерополизахариди. Повечето съдържат само две различни единици и обикновено са свързани с протеини (гликопротеини, като гама глобулин в кръвната плазма) или липиди (гликолипиди, като ганглиозиди).

Характеристика

Четирите основни функции на въглехидратите са: осигуряване на енергия, съхраняване на енергия, изграждане на макромолекули и предотвратяване на разграждането на протеини и мазнини.

Въглехидратите се разграждат чрез храносмилането до прости захари. Те се абсорбират от клетките на тънките черва и се транспортират до всички клетки на тялото, където ще бъдат окислени, за да получат енергия под формата на аденозин трифосфат (АТФ).

Молекулите на захарта, които не се използват в производството на енергия в даден момент, се съхраняват като част от резервните полимери като гликоген и нишесте.

Нуклеотидите, основните единици на нуклеиновите киселини, имат глюкозни молекули в своята структура. Няколко важни протеина са свързани с въглехидратни молекули, например: фоликулостимулиращ хормон (FSH), който участва в процеса на овулация.

Тъй като въглехидратите са основният източник на енергия, бързото им разграждане не позволява на други биомолекули да се разграждат за енергия. По този начин, когато нивата на захарта са нормални, протеините и липидите са защитени от разграждане.

Някои въглехидрати са разтворими във вода, функционират като основна храна в почти всички и окисляването на тези молекули е основният път за производството на енергия в повечето не-фотосинтетични клетки.

Неразтворимите въглехидрати се свързват, за да образуват по-сложни структури, които служат за защита. Например: целулозата образува стената на растителните клетки заедно с хемицелулозите и пектина. Хитинът образува клетъчната стена на гъбичките и екзоскелета на членестоногите.

Също така, пептидогликанът образува клетъчната стена на бактерии и цианобактерии. Съединителната тъкан на животните и скелетните стави са изградени от полизахариди.

Много въглехидрати са ковалентно свързани с протеини или липиди, образуващи по-сложни структури, наречени като цяло гликоконюгати. Тези комплекси действат като тагове, които определят вътреклетъчното местоположение или метаболитната съдба на тези молекули.

Храни, които съдържат въглехидрати

Въглехидратите са основен компонент на здравословната диета, тъй като те са основният източник на енергия. Някои храни обаче имат по-здравословни въглехидрати, които предлагат по-голямо количество хранителни вещества, например:

Нишесте

Нишестените храни са основният източник на въглехидрати. Тези нишестета обикновено са сложни въглехидрати, тоест те са съставени от много захари, свързани заедно, образуващи дълга молекулна верига. Поради тази причина нишестетата отнемат повече време за смилане.

Има богата гама от храни, които съдържат нишесте. Зърнените храни включват храни с високо съдържание на скорбяла, например: боб, леща и ориз. Зърнените култури също съдържат тези въглехидрати, например: овес, ечемик, пшеница и техните производни (брашна и тестени изделия).

Бобовите растения и ядките също съдържат въглехидрати под формата на нишесте. Освен това зеленчуците като: картофи, сладки картофи, царевица и тиква също са богати на съдържание на нишесте.

Важното е, че много въглехидрати са източник на фибри. С други думи, фибрите са основно вид въглехидрати, които тялото може само частично да усвои.

Подобно на сложните въглехидрати, въглехидратните влакна са склонни да се усвояват бавно.

Плодове и зеленчуци

Плодовете и зеленчуците са с високо съдържание на въглехидрати. За разлика от нишестетата, плодовете и зеленчуците съдържат прости въглехидрати, тоест въглехидрати с един или два захариди, прикрепени един към друг.

Тези въглехидрати, бидейки прости в молекулярната си структура, се усвояват по-лесно и бързо от сложните. Това дава представа за различните нива и видове въглехидрати в храните.

По този начин някои плодове имат повече съдържание на въглехидрати на порция, например: банани, ябълки, портокали, пъпеши и грозде имат повече въглехидрати, отколкото някои зеленчуци като спанак, броколи и кале, моркови и др. гъби и патладжани.

Мляко

Подобно на зеленчуците и плодовете, млечните са храни, които съдържат прости въглехидрати. Млякото има собствена захар, наречена лактоза, дизахарид на сладък вкус. Една чаша от това се равнява на около 12 грама въглехидрати.

На пазара има много версии на мляко и кисело мляко. Независимо от това дали консумирате цяла или с намалена мазнина версия на определена мандра, количеството въглехидрати ще бъде същото.

Сладкишите

Сладките са друг добре известен източник на въглехидрати. Те включват захар, мед, бонбони, изкуствени напитки, бисквитки, сладолед, сред много други десерти. Всички тези продукти съдържат високи концентрации на захари.

От друга страна, някои преработени и рафинирани храни съдържат сложни въглехидрати, например: хляб, ориз и бели тестени изделия. Важно е да се отбележи, че рафинираните въглехидрати не са хранителни като въглехидратите, които се съдържат в плодовете и зеленчуците.

Въглехидратна обмяна

Въглехидратният метаболизъм е съвкупността от метаболитни реакции, които включват образуването, разграждането и превръщането на въглехидратите в клетките.

Метаболизмът на въглехидрати е силно запазен и може да се наблюдава дори от бактерии, като основният пример е Lac Operon от E. coli.

Въглехидратите са важни в много метаболитни пътища, включително фотосинтезата, най-важната реакция на образуването на въглехидрати в природата.

От въглеродния диоксид и водата растенията използват енергия от слънцето за синтезиране на въглехидратни молекули.

От своя страна животните и гъбичните клетки разграждат въглехидратите, консумирани в растителните тъкани, за да получат енергия под формата на АТФ чрез процес, наречен клетъчно дишане.

При гръбначните животни глюкозата се транспортира през тялото чрез кръвта. Ако запасите от клетъчна енергия са ниски, глюкозата се разгражда чрез метаболитна реакция, наречена гликолиза, за да се получи малко енергия и някои метаболитни междинни продукти.

Молекулите на глюкозата, които не са необходими за незабавното производство на енергия, се съхраняват като гликоген в черния дроб и мускулите, чрез процес, наречен гликогенеза.

Някои прости въглехидрати имат свои собствени пътища на разграждане, като някои от по-сложните въглехидрати. Лактозата например изисква действието на ензима лактаза, който разрушава връзките й и освобождава основните му монозахариди, глюкоза и галактоза.

Глюкозата е основният въглехидрат, консумиран от клетките, той представлява приблизително 80% от енергийните източници.

Глюкозата се разпределя в клетките, където може да влезе чрез специфични транспортери, за да бъде разградена или съхранявана като гликоген.

В зависимост от метаболитните нужди на клетката, глюкозата може да се използва и за синтезиране на други монозахариди, мастни киселини, нуклеинови киселини и някои аминокиселини.

Основната функция на въглехидратния метаболизъм е да поддържа контрола на нивата на кръвната захар, това е това, което е известно като вътрешна хомеостаза.

Препратки

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Молекулярна биология на клетката (6-то изд.). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Биохимия (8-мо изд.). WH Freeman и компания.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Биология (2-ро изд.) Pearson Education.
4. Дашти, М. (2013). Бърз поглед към биохимията: въглехидратен метаболизъм. Клинична биохимия, 46 (15), 1339-1352.
5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Молекулярна клетъчна биология (8-мо изд.). WH Freeman и компания.
6. Maughan, R. (2009). Въглехидратна обмяна. Хирургия, 27 (1), 6–10.
7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Принципи на биохимията на Ленингер (6 ^-ти). WH Freeman и компания.
8. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Биология (7-мо изд.) Учебно обучение.
9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Основи на биохимията: живот на молекулярно ниво (5-то изд.). Уайли.