UGLJIKOHIDRATI: KEMIJSKA STRUKTURA, KLASIFIKACIJA I FUNKCIJE - BIOLOGIJA - 2025

U ugljikohidrata, ugljikohidrata ili saharidi su organski molekule koje pohranjuju energiju u živim bićima. Oni su najzastupljenije biomolekule i uključuju: šećere, škrob i celulozu, među ostalim spojevima koji se nalaze u živim organizmima.

Organizmi koji provode fotosintezu (biljke, alge i neke bakterije) glavni su proizvođači ugljikohidrata u prirodi. Struktura ovih saharida može biti linearna ili razgranata, jednostavna ili složena, a mogu se povezati i s biomolekulama druge klase.

Na primjer, ugljikohidrati se mogu vezati za proteine ​​i tvore glikoproteine. Mogu se povezati i s molekulama lipida, stvarajući tako glikolipide, biomolekule koje tvore strukturu bioloških membrana. Ugljikohidrati su također prisutni u strukturi nukleinskih kiselina.

U početku su ugljikohidrati prepoznati kao stanične molekule za skladištenje energije. Potom su određene druge važne funkcije koje ugljikohidrati ispunjavaju u biološkim sustavima.

Sva živa bića imaju svoje stanice prekrivene gustim slojem složenih ugljikohidrata. Ugljikohidrati se sastoje od monosaharida, malih molekula sastavljenih od tri do devet atoma ugljika vezanih za hidroksilne skupine (-OH), koje mogu varirati u veličini i konfiguraciji.

Važno svojstvo ugljikohidrata je ogromna strukturna raznolikost unutar ove klase molekula, što im omogućuje obavljanje širokog spektra funkcija poput stvaranja signalnih molekula stanica, formiranja tkiva i stvaranja identiteta različitih krvnih grupa u ljudi.

Isto tako, izvanstanični matriks u višim eukariotama bogat je izlučenim ugljikohidratima, neophodnim za preživljavanje stanica i komunikaciju. Ove mehanizme raspoznavanja stanica koriste razni patogeni da bi inficirali stanice domaćina.

Monosaharidi se mogu povezati glikozidnim vezama kako bi se formirao širok izbor ugljikohidrata: disaharidi, oligosaharidi i polisaharidi. Proučavanje strukture i funkcije ugljikohidrata u biološkim sustavima naziva se glikobiologija.

Kemijska struktura

Ugljikohidrati se sastoje od atoma ugljika, vodika i kisika. Većina njih može se predstaviti empirijskom formulom (CH2O) n, gdje je n broj ugljika u molekuli. Drugim riječima, omjer ugljika, vodika i kisika je 1: 2: 1 u molekulama ugljikohidrata.

Ova formula objašnjava porijeklo izraza "ugljikohidrati", jer su sastojci ugljikovi atomi ("ugljik") i atomi vode (dakle, "hidrati"). Iako se ugljikohidrati sastoje uglavnom od ova tri atoma, postoje neki ugljikohidrati s dušikom, fosforom ili sumporom.

U svom osnovnom obliku ugljikohidrati su jednostavni šećeri ili monosaharidi. Ti se jednostavni šećeri mogu kombinirati jedan s drugim kako bi tvorili složenije ugljikohidrate.

Kombinacija dvaju jednostavnih šećera je disaharid. Oligosaharidi sadrže između dva do deset jednostavnih šećera, a polisaharidi su najveći ugljikohidrati, sačinjeni od više od deset monosaharidnih jedinica.

Struktura ugljikohidrata određuje kako se energija skladišti u njihovim vezama tijekom njihova stvaranja fotosintezom, a također i kako se te veze razbijaju tijekom staničnog disanja.

Klasifikacija

monosaharidi

Monosaharidi su elementarne jedinice ugljikohidrata, zbog čega su najjednostavnija struktura saharida. Fizički su monosaharidi bezbojna kristalna kruta tvar. Većina ima slatki okus.

S kemijskog stajališta, monosaharidi mogu biti aldehidi ili ketoni, ovisno o tome gdje se karbonilna skupina (C = O) nalazi u linearnim ugljikohidratima. Strukturno monosaharidi mogu tvoriti ravne lance ili zatvorene prstenove.

Budući da monosaharidi posjeduju hidroksilne skupine, većina je topiva u vodi, a netopljiva u nepolarnim otapalima.

Ovisno o broju ugljika u svojoj strukturi, monosaharid će imati različita imena, na primjer: trioza (ako ima 3 C atoma), pentoza (ako ima 5C) i tako dalje.

disaharidi

Disaharidi su dvostruki šećeri koji nastaju spajanjem dva monosaharida u kemijskom procesu koji se naziva sinteza dehidracije, jer se tijekom reakcije gubi molekula vode. Poznata je i kao reakcija kondenzacije.

Dakle, disaharid je svaka tvar koja se sastoji od dvije molekule jednostavnih šećera (monosaharida) povezanih glikozidnom vezom.

Kiseline imaju sposobnost razbijanja tih veza, zbog čega se disaharidi mogu probaviti u želucu.

Disaharidi su obično u vodi topivi i slatkiši. Tri glavna disaharida su saharoza, laktoza i maltoza: saharoza dolazi iz spoja glukoze i fruktoze; laktoza dolazi iz spoja glukoze i galaktoze; a maltoza dolazi iz sjedinjenja dviju molekula glukoze.

oligosaharidi

Oligosaharidi su složeni polimeri sačinjeni od nekoliko jednostavnih jedinica šećera, to jest između 3 do 9 monosaharida.

Reakcija je ista koja tvori disaharide, ali nastaju i razgradnjom složenijih molekula šećera (polisaharidi).

Većina oligosaharida nalazi se u biljkama i djeluju poput topljivih vlakana, što može spriječiti zatvor. Međutim, većina ljudi nema enzime koji bi ih mogli probaviti, osim maltotrioze.

Iz tog razloga, oligosaharidi koji se u početku ne probavljaju u tankom crijevu mogu razgraditi bakterije koje normalno nastanjuju u debelom crijevu fermentacijskim procesom. Prebiotici ispunjavaju ovu funkciju, služe kao hrana korisnim bakterijama.

polisaharidi

Polisaharidi su najveći saharidni polimeri, sastoje se od više od 10 (do tisuća) monosaharidnih jedinica smještenih u linearnom ili razgranatom obliku. Varijacije u prostornom rasporedu daju ovim šećerima njihova višestruka svojstva.

Polisaharidi se mogu sastojati od istog monosaharida ili kombinacije različitih monosaharida. Ako se formiraju ponavljanjem jedinica istog šećera, oni se nazivaju homopolisaharidi, poput glikogena i škroba, koji su skladišni ugljikohidrati životinja i biljaka.

Ako se polisaharid sastoji od jedinica različitih šećera, oni se nazivaju heteropolisaharidi. Većina ih sadrži samo dvije različite jedinice i obično su povezane s proteinima (glikoproteini, poput gama globulina u krvnoj plazmi) ili lipidima (glikolipidi, poput gangliozida).

Značajke

Četiri glavne funkcije ugljikohidrata su: osiguravanje energije, skladištenje energije, stvaranje makromolekula te sprečavanje razgradnje proteina i masti.

Ugljikohidrati se razgrađuju kroz probavu na jednostavne šećere. Oni apsorbiraju stanice tankog crijeva i transportiraju se u sve stanice tijela gdje će se oksidirati kako bi se dobila energija u obliku adenosin trifosfata (ATP).

Molekule šećera koje se ne koriste u proizvodnji energije u određenom trenutku pohranjuju se kao dio rezervnih polimera poput glikogena i škroba.

Nukleotidi, temeljne jedinice nukleinskih kiselina, u svojoj strukturi imaju molekule glukoze. Nekoliko važnih proteina povezano je s molekulama ugljikohidrata, na primjer: folikul stimulirajući hormon (FSH), koji je uključen u proces ovulacije.

Budući da su ugljikohidrati glavni izvor energije, njihova brza razgradnja onemogućuje razgradnju drugih biomolekula zbog energije. Dakle, kada su razine šećera normalne, proteini i lipidi su zaštićeni od razgradnje.

Neki ugljikohidrati su topljivi u vodi, djeluju kao osnovna hrana u gotovo svima, a oksidacija ovih molekula glavni je put za proizvodnju energije u većini nefotoksintetskih stanica.

Netopljivi ugljikohidrati udružuju se u složenije strukture koje služe kao zaštita. Na primjer: celuloza tvori zid biljnih stanica zajedno s hemicelulozama i pektinom. Chitin formira staničnu stijenku gljivica i egzoskelet artropoda.

Također, peptidoglikan tvori staničnu stijenku bakterija i cijanobakterija. Životinjsko vezivno tkivo i skeletni zglobovi sastoje se od polisaharida.

Mnogi se ugljikohidrati kovalentno vežu na proteine ​​ili lipide koji tvore složenije strukture, koje zajedno nazivaju glikokonjugati. Ovi kompleksi djeluju kao oznake koje određuju unutarćelijsku lokaciju ili metaboličku sudbinu ovih molekula.

Hrana koja sadrži ugljikohidrate

Ugljikohidrati su bitna komponenta zdrave prehrane, jer su glavni izvor energije. Međutim, neke namirnice imaju zdravije ugljikohidrate koji nude veću količinu hranjivih sastojaka, na primjer:

Škrob

Škrobna hrana je glavni izvor ugljikohidrata. Ti škrobovi su općenito složeni ugljikohidrati, to jest, sastoje se od mnogih šećera spojenih zajedno da tvore dugački molekularni lanac. Iz tog razloga škrobovima je potrebno duže probaviti.

Postoji širok raspon namirnica koje sadrže škrob. Žitarice uključuju hranu s visokim sadržajem škroba, na primjer: grah, leća i riža. Žitarice sadrže i ove ugljikohidrate, na primjer: zob, ječam, pšenicu i njihove derivate (brašno i tjestenina).

Mahunarke i orašasti plodovi također sadrže ugljikohidrate u obliku škroba. Uz to, povrće poput: krumpir, slatki krumpir, kukuruz i tikvice također su bogati sadržajem škroba.

Važno je da su mnogi ugljikohidrati izvor vlakana. Drugim riječima, vlakna su u osnovi vrsta ugljikohidrata koje tijelo može samo djelomično probaviti.

Slično složenim ugljikohidratima, ugljikohidratna vlakna se polako probavljaju.

Voće i povrće

Voće i povrće ima veliku količinu ugljikohidrata. Za razliku od škroba, voće i povrće sadrže jednostavne ugljikohidrate, to jest ugljikohidrate s jednim ili dva saharida pričvršćena jedno na drugo.

Ti se ugljikohidrati, jednostavni u svojoj molekularnoj strukturi, probavljaju lakše i brže od složenih. To daje predstavu o različitim razinama i vrstama ugljikohidrata u hrani.

Dakle, neko voće ima više ugljikohidrata po obroku, na primjer: banane, jabuke, naranče, dinje i grožđe imaju više ugljikohidrata nego neko povrće poput špinata, brokule i kelja, mrkve, gljive i patlidžani.

Mlijeko

Slično povrću i voću, mliječna je hrana koja sadrži jednostavne ugljikohidrate. Mlijeko ima vlastiti šećer koji se zove laktoza, disaharid slatkog okusa. Jedna šalica toga jednaka je oko 12 grama ugljikohidrata.

Na tržištu postoje mnoge verzije mlijeka i jogurta. Bez obzira konzumirate li cijelu ili smanjenu masnoću određene mliječne mase, količina ugljikohidrata bit će ista.

Slatkiši

Slatkiši su još jedan poznati izvor ugljikohidrata. Tu spadaju šećer, med, slatkiši, umjetna pića, kolačići, sladoled, među mnogim drugim desertima. Svi navedeni proizvodi sadrže visoku koncentraciju šećera.

S druge strane, neka prerađena i rafinirana hrana sadrži složene ugljikohidrate, na primjer: kruh, riža i bijela tjestenina. Važno je napomenuti da rafinirani ugljikohidrati nisu hranjivi poput ugljikohidrata koji se nalaze u voću i povrću.

Metabolizam ugljikohidrata

Metabolizam ugljikohidrata skup je metaboličkih reakcija koje uključuju stvaranje, razgradnju i pretvorbu ugljikohidrata u stanicama.

Metabolizam ugljikohidrata vrlo je očuvan i može se promatrati čak i iz bakterija, glavni primjer je Lac Operon E. coli.

Ugljikohidrati su važni u mnogim metaboličkim putevima, uključujući fotosintezu, najvažniju reakciju stvaranja ugljikohidrata u prirodi.

Iz ugljičnog dioksida i vode biljke koriste energiju iz sunca za sintezu molekula ugljikohidrata.

Sa svoje strane, životinjske i gljivične stanice razgrađuju ugljikohidrate, koji se troše u biljnim tkivima, kako bi dobili energiju u obliku ATP-a procesom zvanim stanično disanje.

Kod kralježnjaka se glukoza prenosi krvlju kroz tijelo. Ako su stanične zalihe energije niske, glukoza se razgrađuje metaboličkom reakcijom koja se naziva glikoliza da bi se dobila određena energija i neki metabolički intermedijari.

Molekule glukoze koje nisu potrebne za neposrednu proizvodnju energije pohranjuju se kao glikogen u jetri i mišićima, postupkom koji se naziva glikogeneza.

Neki jednostavni ugljikohidrati imaju svoje vlastite putove razgradnje, poput nekih složenijih ugljikohidrata. Na primjer, laktoza zahtijeva djelovanje enzima laktaze, koji razbija njezine veze i oslobađa njegove temeljne monosaharide, glukozu i galaktozu.

Glukoza je glavni ugljikohidrat koji konzumiraju stanice, a čini oko 80% izvora energije.

Glukoza se distribuira u ćelije, gdje se kroz posebne transportere može ući u degradaciju ili pohranjivati ​​kao glikogen.

Ovisno o metaboličkim potrebama stanice, glukoza se može koristiti i za sintezu drugih monosaharida, masnih kiselina, nukleinskih kiselina i određenih aminokiselina.

Glavna funkcija metabolizma ugljikohidrata je održavanje kontrole razine šećera u krvi, to je ono što se naziva unutarnja homeostaza.

Reference

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. i Walter, P. (2014). Molekularna biologija stanice (6. izd.). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biokemija (8. izd.). WH Freeman and Company.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biologija (2. izd.) Pearson Education.
4. Dashty, M. (2013). Brzi pogled na biokemiju: Metabolizam ugljikohidrata. Clinical Biochemistry, 46 (15), 1339-1352.
5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molekularna biološka stanica (8. izd.). WH Freeman and Company.
6. Maughan, R. (2009). Metabolizam ugljikohidrata. Kirurgija, 27 (1), 6–10.
7. Nelson, D., Cox, M. i Lehninger, A. (2013). Lehningerovi principi biokemije (6. ^st.). WH Freeman and Company.
8. Solomon, E., Berg, L. i Martin, D. (2004). Biologija (7. izd.) Cengage Learning.
9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Osnove biokemije: život na molekularnoj razini (5. izd.). Wiley.