OGĻHIDRĀTI: ĶĪMISKĀ STRUKTŪRA, KLASIFIKĀCIJA UN FUNKCIJAS - BIOLOĢIJA - 2025

Par ogļhidrāti , ogļhidrātu vai saharīdi, ir organiskas molekulas, kas veikalu enerģija dzīvajām būtnēm. Tās ir visizplatītākās biomolekulas un citu savienojumu, kas atrodami dzīvos organismos, skaitā: cukuri, cietes un celuloze.

Organismi, kas veic fotosintēzi (augi, aļģes un dažas baktērijas), ir galvenie ogļhidrātu ražotāji dabā. Šo saharīdu struktūra var būt lineāra vai sazarota, vienkārša vai salikta, un tos var saistīt arī ar citas klases biomolekulām.

Piemēram, ogļhidrāti var saistīties ar olbaltumvielām, veidojot glikoproteīnus. Tās var saistīties arī ar lipīdu molekulām, tādējādi veidojot glikolipīdus - biomolekulas, kas veido bioloģisko membrānu struktūru. Nukleīnskābju struktūrā ir arī ogļhidrāti.

Sākumā ogļhidrāti tika atzīti par šūnu enerģijas uzkrāšanas molekulām. Pēc tam tika noteiktas citas svarīgas funkcijas, kuras ogļhidrāti pilda bioloģiskajās sistēmās.

Visu dzīvo lietu šūnas sedz blīvs sarežģītu ogļhidrātu slānis. Ogļhidrātus veido monosaharīdi, mazas molekulas, kas sastāv no trim līdz deviņiem oglekļa atomiem, kas piesaistīti hidroksilgrupām (-OH), un to lielums un konfigurācija var atšķirties.

Svarīga ogļhidrātu īpašība ir milzīga šīs molekulas klases struktūras daudzveidība, kas ļauj tām veikt plašu funkciju spektru, piemēram, ģenerēt šūnu signālmolekulas, veidot audus un radīt dažādu asinsgrupu identitāti cilvēkiem.

Tāpat ārpusšūnu matrica augstākajos eikariotos ir bagāta ar izdalītajiem ogļhidrātiem, kas nepieciešami šūnu izdzīvošanai un komunikācijai. Šos šūnu atpazīšanas mehānismus izmanto dažādi patogēni, lai inficētu savas saimnieka šūnas.

Monosaharīdus var saistīt ar glikozīdiskām saitēm, veidojot visdažādākos ogļhidrātus: disaharīdus, oligosaharīdus un polisaharīdus. Ogļhidrātu struktūras un funkcijas izpēte bioloģiskajās sistēmās tiek saukta par glikobioloģiju.

Ķīmiskā struktūra

Ogļhidrātus veido oglekļa, ūdeņraža un skābekļa atomi. Lielāko daļu no tām var attēlot ar empīrisko formulu (CH2O) n, kur n ir oglekļa atomu skaits molekulā. Citiem vārdiem sakot, oglekļa, ūdeņraža un skābekļa attiecība ogļhidrātu molekulās ir 1: 2: 1.

Šī formula izskaidro termina "ogļhidrāti" izcelsmi, jo komponenti ir oglekļa atomi ("oglekļa") un ūdens atomi (tātad "hidrāts"). Lai arī ogļhidrātus galvenokārt veido šie trīs atomi, ir daži ogļhidrāti ar slāpekli, fosforu vai sēru.

Pamata formā ogļhidrāti ir vienkārši cukuri vai monosaharīdi. Šie vienkāršie cukuri var apvienoties viens ar otru, veidojot sarežģītākus ogļhidrātus.

Divu vienkāršu cukuru kombinācija ir disaharīds. Oligosaharīdi satur no diviem līdz desmit vienkāršiem cukuriem, un polisaharīdi ir lielākie ogļhidrāti, kas sastāv no vairāk nekā desmit monosaharīdu vienībām.

Ogļhidrātu struktūra nosaka to, kā enerģija tiek uzkrāta to saitēs to veidošanās laikā fotosintēzes laikā, kā arī tas, kā šīs saites tiek sadalītas šūnu elpošanas laikā.

Klasifikācija

Monosaharīdi

Monosaharīdi ir ogļhidrātu elementārās vienības, tāpēc tie ir vienkāršākā saharīda struktūra. Fiziski monosaharīdi ir bezkrāsainas kristāliskas cietās vielas. Lielākajai daļai ir salda garša.

No ķīmiskā viedokļa monosaharīdi var būt aldehīdi vai ketoni, atkarībā no tā, kur karbonilgrupa (C = O) atrodas lineārajos ogļhidrātos. Strukturāli monosaharīdi var veidot taisnas ķēdes vai slēgtus gredzenus.

Tā kā monosaharīdiem ir hidroksilgrupas, lielākā daļa šķīst ūdenī un nešķīst nepolāros šķīdinātājos.

Atkarībā no oglekļa atomu skaita tā struktūrā monosaharīdam būs dažādi nosaukumi, piemēram: trioze (ja tajā ir 3 C atomi), pentoze (ja tai ir 5C) utt.

Disaharīdi

Disaharīdi ir dubultā cukuri, kas veidojas, apvienojot divus monosaharīdus ķīmiskajā procesā, ko sauc par dehidratācijas sintēzi, jo reakcijas laikā tiek zaudēta ūdens molekula. To sauc arī par kondensācijas reakciju.

Tādējādi disaharīds ir jebkura viela, kas sastāv no divām vienkāršu cukuru (monosaharīdu) molekulām, kas savienotas kopā caur glikozīdisko saiti.

Skābēm ir spēja salauzt šīs saites, šī iemesla dēļ disaharīdus var sagremot kuņģī.

Disaharīdi parasti šķīst ūdenī un norijot ir saldi. Trīs galvenie disaharīdi ir saharoze, laktoze un maltoze: saharoze nāk no glikozes un fruktozes savienības; laktoze nāk no glikozes un galaktozes savienības; un maltoze nāk no divu glikozes molekulu savienības.

Oligosaharīdi

Oligosaharīdi ir sarežģīti polimēri, kas sastāv no dažām vienkāršām cukura vienībām, tas ir, no 3 līdz 9 monosaharīdiem.

Reakcija ir tāda pati, kas veido disaharīdus, bet tie rodas arī sarežģītāku cukura molekulu (polisaharīdu) sadalīšanās rezultātā.

Lielākā daļa oligosaharīdu ir atrodami augos un darbojas kā šķīstoša šķiedra, kas var palīdzēt novērst aizcietējumus. Tomēr lielākajai daļai cilvēku nav fermentu, lai tos sagremotu, izņemot maltotriozi.

Šī iemesla dēļ oligosaharīdus, kas sākotnēji netiek sagremoti tievajās zarnās, var sadalīt baktērijas, kas parasti fermentācijas procesā apdzīvo resno zarnu. Prebiotikas pilda šo funkciju, kalpojot par pārtiku labvēlīgajām baktērijām.

Polisaharīdi

Polisaharīdi ir lielākie saharīdu polimēri, tie sastāv no vairāk nekā 10 (līdz tūkstošiem) monosaharīdu vienībām, kas sakārtotas lineārā vai sazarotā veidā. Telpiskā izvietojuma variācijas ir tas, kas piešķir šiem cukuriem daudzkārtīgās īpašības.

Polisaharīdi var sastāvēt no viena un tā paša monosaharīda vai dažādu monosaharīdu kombinācijas. Ja tie veidojas, atkārtojot viena un tā paša cukura vienības, tos sauc par homopolisaharīdiem, piemēram, glikogēnu un cieti, kas attiecīgi ir dzīvnieku un augu ogļhidrāti.

Ja polisaharīdu veido dažādu cukuru vienības, tos sauc par heteropolisaharīdiem. Lielākā daļa satur tikai divas dažādas vienības un parasti ir saistītas ar olbaltumvielām (glikoproteīniem, piemēram, gamma globulīnu asins plazmā) vai lipīdiem (glikolipīdiem, piemēram, gangliozīdiem).

Iespējas

Četras galvenās ogļhidrātu funkcijas ir: enerģijas nodrošināšana, enerģijas uzkrāšana, makromolekulu veidošana un olbaltumvielu un tauku sadalīšanās novēršana.

Gremošanas procesā ogļhidrāti tiek sadalīti vienkāršos cukuros. Tos absorbē tievās zarnas šūnas un transportē uz visām ķermeņa šūnām, kur tās tiks oksidētas, lai iegūtu enerģiju adenozīna trifosfāta (ATP) veidā.

Cukura molekulas, kuras noteiktā brīdī netiek izmantotas enerģijas ražošanā, tiek uzkrātas kā rezerves polimēri, piemēram, glikogēns un ciete.

Nukleotīdu, nukleīnskābju pamatvienību, struktūrā ir glikozes molekulas. Ar ogļhidrātu molekulām ir saistītas vairākas svarīgas olbaltumvielas, piemēram: folikulu stimulējošais hormons (FSH), kas ir iesaistīts ovulācijas procesā.

Tā kā ogļhidrāti ir galvenais enerģijas avots, to ātrā sadalīšanās neļauj citām biomolekulām sadalīties enerģijas iegūšanai. Tādējādi, kad cukura līmenis ir normāls, olbaltumvielas un lipīdi tiek pasargāti no noārdīšanās.

Daži ogļhidrāti šķīst ūdenī, funkcionē kā pamata produkts gandrīz visiem, un šo molekulu oksidēšana ir galvenais enerģijas ražošanas ceļš lielākajā daļā nefotosintētisko šūnu.

Nešķīstošie ogļhidrāti asociējas, veidojot sarežģītākas struktūras, kas kalpo kā aizsardzība. Piemēram: celuloze kopā ar hemicelulozes un pektīnu veido augu šūnu sienu. Hitīns veido sēnīšu šūnu sienu un posmkāju eksoskeletu.

Arī peptidoglikāns veido baktēriju un zilaļģu baktēriju šūnu sienas. Dzīvnieku saistaudus un skeleta locītavas veido polisaharīdi.

Daudzi ogļhidrāti ir kovalenti saistīti ar olbaltumvielām vai lipīdiem, veidojot sarežģītākas struktūras, ko kopīgi sauc par glikokonjugātiem. Šie kompleksi darbojas kā tagi, kas nosaka šo molekulu intracelulāro atrašanās vietu vai metabolisma likteni.

Pārtika, kas satur ogļhidrātus

Ogļhidrāti ir būtiska veselīga uztura sastāvdaļa, jo tie ir galvenais enerģijas avots. Tomēr dažos pārtikas produktos ir veselīgāki ogļhidrāti, kas piedāvā lielāku uzturvielu daudzumu, piemēram:

Cietes

Cietes saturoši pārtikas produkti ir galvenais ogļhidrātu avots. Šīs cietes parasti ir sarežģīti ogļhidrāti, tas ir, tās sastāv no daudziem cukuriem, kas savienoti kopā, veidojot garu molekulāru ķēdi. Šī iemesla dēļ cietes sagremošana prasa ilgāku laiku.

Ir plašs pārtikas produktu klāsts, kas satur cietes. Graudos ietilpst pārtikas produkti, kuros ir daudz cietes, piemēram: pupiņas, lēcas un rīsi. Graudaugi satur arī šos ogļhidrātus, piemēram: auzas, mieži, kvieši un to atvasinājumi (milti un makaroni).

Pākšaugi un rieksti satur arī ogļhidrātus cietes veidā. Turklāt dārzeņiem, piemēram: kartupeļiem, saldajiem kartupeļiem, kukurūzai un skvošam, ir arī cietes saturs.

Svarīgi ir tas, ka daudzi ogļhidrāti ir šķiedrvielu avots. Citiem vārdiem sakot, šķiedra būtībā ir ogļhidrātu veids, kuru ķermenis var sagremot tikai daļēji.

Līdzīgi kā sarežģītajiem ogļhidrātiem, ogļhidrātu šķiedras mēdz sagremot lēnām.

Augļi un dārzeņi

Augļos un dārzeņos ir daudz ogļhidrātu. Pretstatā cietei augļi un dārzeņi satur vienkāršus ogļhidrātus, tas ir, ogļhidrātus ar vienu vai diviem saharīdiem, kas piestiprināti viens otram.

Šie ogļhidrāti, tā kā to molekulārā struktūra ir vienkārša, tiek sagremoti vieglāk un ātrāk nekā sarežģīti. Tas dod priekšstatu par dažādiem ogļhidrātu līmeņiem un veidiem pārtikas produktos.

Tādējādi dažiem augļiem vienā porcijā ir vairāk ogļhidrātu, piemēram: banānos, ābolos, apelsīnos, melonēs un vīnogās ir vairāk ogļhidrātu nekā dažos dārzeņos, piemēram, spinātos, brokoļos un kāpostos, burkānos, sēnes un baklažāni.

Piens

Līdzīgi dārzeņiem un augļiem piena produkti ir pārtikas produkti, kas satur vienkāršus ogļhidrātus. Pienam ir savs cukurs, ko sauc par laktozi, saldas garšas disaharīdu. Viena tase tas ir ekvivalents apmēram 12 gramiem ogļhidrātu.

Tirgū ir daudz piena un jogurta versiju. Neatkarīgi no tā, vai jūs patērējat konkrētas piena pārstrādes produktu versiju ar samazinātu tauku saturu vai samazinātu tauku saturu, ogļhidrātu daudzums būs vienāds.

Saldumi

Saldumi ir vēl viens labi zināms ogļhidrātu avots. Starp daudziem citiem desertiem tie ietver cukuru, medu, konfektes, mākslīgos dzērienus, cepumus, saldējumu. Visi šie produkti satur augstu cukuru koncentrāciju.

No otras puses, daži apstrādāti un rafinēti pārtikas produkti satur, piemēram, sarežģītus ogļhidrātus: maizi, rīsus un baltos makaronus. Svarīgi ņemt vērā, ka rafinētie ogļhidrāti nav barojoši kā ogļhidrāti, kas atrodami augļos un dārzeņos.

Ogļhidrātu metabolisms

Ogļhidrātu metabolisms ir metabolisma reakciju kopums, kas ietver ogļhidrātu veidošanos, sadalīšanos un pārveidošanu šūnās.

Ogļhidrātu metabolisms ir ļoti konservēts, un to var novērot pat no baktērijām, galvenais piemērs ir E. coli Lac Operon.

Ogļhidrāti ir svarīgi daudzos metabolisma ceļos, ieskaitot fotosintēzi, dabas svarīgāko ogļhidrātu veidošanās reakciju.

No oglekļa dioksīda un ūdens augi izmanto saules enerģiju, lai sintezētu ogļhidrātu molekulas.

No savas puses dzīvnieku un sēnīšu šūnas noārda ogļhidrātus, ko patērē augu audos, lai iegūtu enerģiju ATP formā, izmantojot procesu, ko sauc par šūnu elpošanu.

Mugurkaulniekiem glikoze caur ķermeni tiek transportēta visā ķermenī. Ja šūnu enerģijas krājumi ir zemi, glikoze tiek sadalīta caur metabolisma reakciju, ko sauc par glikolīzi, lai iegūtu daļu enerģijas un dažus metabolisma starpproduktus.

Glikozes molekulas, kas nav vajadzīgas tūlītējai enerģijas ražošanai, aknās un muskuļos tiek glabātas kā glikogēns, izmantojot procesu, ko sauc par glikoģenēzi.

Dažiem vienkāršiem ogļhidrātiem ir savi sadalīšanās ceļi, tāpat kā dažiem sarežģītākiem ogļhidrātiem. Piemēram, laktozei nepieciešama fermenta laktāzes darbība, kas sašķeļ saites un izdala pamata monosaharīdus, glikozi un galaktozi.

Glikoze ir galvenais ogļhidrāts, ko patērē šūnas, un tas veido aptuveni 80% no enerģijas avotiem.

Glikoze tiek izplatīta šūnās, kur caur īpašiem transportētājiem tā var iekļūt, lai noārdītos vai tiktu uzglabāta kā glikogēns.

Atkarībā no šūnas vielmaiņas vajadzībām glikozi var izmantot arī citu monosaharīdu, taukskābju, nukleīnskābju un noteiktu aminoskābju sintezēšanai.

Ogļhidrātu metabolisma galvenā funkcija ir uzturēt kontroli pār cukura līmeni asinīs, tas ir tas, ko sauc par iekšējo homeostāzi.

Atsauces

1. Alberts, B., Džonsons, A., Lūiss, J., Morgans, D., Rafs, M., Roberts, K. un Valters, P. (2014). Šūnas molekulārā bioloģija (6. izdevums). Garland zinātne.
2. Bergs, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Bioķīmija (8. izdevums). WH Freeman un uzņēmums.
3. Kempbela, N. un Reece, J. (2005). Bioloģija (2. red.) Pīrsona izglītība.
4. Dashty, M. (2013). Īss bioķīmijas apskats: Ogļhidrātu metabolisms. Klīniskā bioķīmija, 46 (15), 1339-1352.
5. Lodish, H., Berks, A., Kaizers, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molekulāro šūnu bioloģija (8. izdevums). WH Freeman un uzņēmums.
6. Maughan, R. (2009). Ogļhidrātu metabolisms. Ķirurģija, 27. (1), 6. – 10.
7. Nelsons, D., Kokss, M. un Lehingers, A. (2013). Lehninger Principles of Biochemistry (6 ^th ). WH Freeman un uzņēmums.
8. Zālamans, E., Bergs, L. un Martins, D. (2004). Bioloģija (7. izdevums) Cengage mācīšanās.
9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Bioķīmijas pamati: dzīve molekulārā līmenī (5. izdevums). Vilejs.