3 główne klasyfikacje węglowodanów i ich znaczenie

Niektóre z głównych grup, w których węglowodany są podzielone z ich struktur chemicznych i funkcji są następujące:

Węglowodany lub sacharydy są najprościej definiowane jako polihydroksy aldehydy lub ketony i ich pochodne.

Związki organiczne w tej grupie są tak zwane, ponieważ składają się z węgla wodorowego i tlenu, dwa ostatnie w stosunku 2: 1.

Węglowodany są szeroko rozpowszechnione zarówno w tkankach zwierzęcych, jak i roślinnych. W komórkach zwierzęcych występują głównie w postaci glukozy i glikogenu, podczas gdy w roślinach celuloza i skrobia są ich głównymi przedstawicielami.

Klasyfikacja:

Węglowodany są podzielone na trzy główne grupy:

(I) Monosacharydy,

(II) Disacharydy i

(III) Polisacharydy.

I. Monosacharydy (cukry proste):

Monosacharydy to takie cukry, których nie można zhydrolizować w prostszą formę. Mają wzór empiryczny (CH ₂ O) n. Najprostszymi monosacharydami są trójosiarczanowy aldehyd glicerynowy i dihydroksyaceton.

W zależności od liczby posiadanych atomów węgla, cukry proste można podzielić na różne klasy, takie jak triosy, tetrozy, pentozy, heksozy lub heptozy; i jako alozy lub ketozy, w oparciu o to, czy obecne są grupy aldehydowe lub ketonowe. Przykładami są:

W każdej kategorii cukry są dalej rozróżniane zgodnie z wyrównaniem lewej lub prawej grupy H i OH wokół atomu węgla sąsiadującego z końcowym węglem pierwszorzędowego alkoholu (np. Węgla 5 w glukozie). Gdy grupa OH tego węgla znajduje się po prawej stronie, cukier jest członkiem serii D (Dotrtrygotatory); kiedy jest po lewej stronie, jest członkiem serii L (Laevorotatory).

Większość monosacharydów występujących w metabolizmie ssaków ma konfigurację D. Związki, które mają taki sam wzór strukturalny, ale różnią się konfiguracją atomową, są znane jako stereoizomery.

Monosacharydy o znaczeniu fizjologicznym:

A. Triosi:

Powstają w ciele podczas rozkładu metabolicznego heksoz. Przykładami są aldehyd glicerynowy i dihydroksyaceton.

B. Pentoses:

Są ważnymi składnikami kwasów nukleinowych i wielu koenzymów. Powstają również jako półprodukty podczas pewnych procesów metabolicznych. Przykładami są Riboza, która jest strukturalnym elementem ATP, kwasów nukleinowych i koenzymów NAD, NADP i białek flavo; Ribulose; Arabinoza i ksyloza.

C. Heksozy:

Są fizjologicznie najważniejsze z monosacharydów, np. Glukoza, fruktoza, galaktoza i mannoza.

(i) Glukoza:

Występuje normalnie w sokach owocowych i powstaje w organizmie przez hydrolizę skrobi, cukru trzcinowego, maltozy i laktozy. Glukoza jest "cukrem" organizmu. Strukturę glukozy można przedstawić jako łańcuch lub formę pierścieniową (struktura piramidowo-sześciokątna z pięcioma atomami węgla i jednym tlenem oraz furanoza - ma strukturę pięciokąta z czterema atomami węgla i jednym tlenem).

(ii) Fruktoza:

Występuje naturalnie w sokach owocowych i miodzie. Hydroliza cukru trzcinowego w organizmie również daje fruktozę.

(iii) Galaktoza:

Składnik glikolipidów i glikoprotein jest syntetyzowany w gruczołach sutkowych i hydrolizowany w celu wytworzenia laktozy mleka.

(iv) Mannoza:

Uzyskuje się go na drodze hydrolizy mannozów roślinnych i dziąseł. Mannoza jest składnikiem protetycznego polisacharydu albumin, globulin i mukoprotein.

Pentozy i heksozy występują zarówno w łańcuchach otwartych, jak iw formach pierścieniowych.

Pochodne monosacharydy:

Monosacharydy są modyfikowane w różny sposób, tworząc różne substancje. Ważne instrumenty pochodne to:

(i) Cukier odtleniony:

Deoksygenacja rybozy powoduje deoksyrybozę. Ta ostatnia jest składnikiem deoksyrybotydów znajdujących się w DNA.

(ii) Cukry aminowe:

Monosacharydy mają grupę aminową - (NH2). Glukozamina tworzy chitynę, celulozę grzybową, kwas hialuronowy i siarczan chondriotynowy. Galaktozamina jest podobnie składnikiem siarczanu chondriotyny.

(iii) Kwas cukrowy:

Kwas askorbinowy jest kwasem cukrowym. Kwas glukuronowy i galakturonowy występują w mukopolisacharydach.

(iv) Alkohol cukrowy:

Glicerol jest zaangażowany w syntezę lipidów; Mannitol jest składnikiem alkoholu w niektórych owocach i brązowych algach.

II. Disacharydy:

Disacharydy składają się z dwóch monosacharydów połączonych wiązaniem glikozydowym (COC). Ich ogólny wzór to C _n (H ₂ O) _n-1 Najczęściej występującymi disacharydami są maltoza, laktoza i sacharoza.

(i) Maltoza:

Powstaje jako produkt pośredni działania amylaz na skrobię i zawiera dwie reszty D-glukozy w wiązaniu 1, 4. Znajduje się w wykrywalnej ilości w większości kiełkujących nasion i tkanek, w których rozkłada się skrobię.

(ii) Laktoza:

Występuje w mleku, ale poza tym nie występuje w przyrodzie. Degraduje D-galaktozę i D-glukozę podczas hydrolizy. Ponieważ ma on wolny anomeryczny węgiel na reszcie glukozy, laktoza jest disacharydem redukującym.

(iii) Sacharoza lub cukier trzcinowy jest disacharydem glukozy i fruktozy. Hydroliza sacharozy do D-glukozy i D-fruktozy jest często nazywana inwersją, ponieważ towarzyszy jej netowa zmiana skręcalności optycznej z dekstro do lewy, gdy tworzy się równomolowa mieszanina glukozy i fruktozy (ta mieszanka często nazywana jest cukrem inwertowanym) . Ta reakcja jest katalizowana przez enzymy zwane inwertazami. Sacharoza występuje niezwykle obficie w świecie roślin i jest znana jako cukier stołowy.

(iv) Trehaloza:

Zawiera dwie reszty D-glukozy i jest nieredukującym disacharydem jako sacharoza. Jest to główny cukier występujący w haernolimfie wielu owadów.

III. Trisaccharides:

Wiele trisacharydów występuje w przyrodzie. Raffinose znajduje się w obfitości w burakach cukrowych i wielu innych wyższych roślinach. Melezitoza znajduje się w sokach niektórych drzew iglastych.

IV. Polisacharydy:

Większość występujących w przyrodzie węglowodanów występuje jako polisacharydy o wysokiej masie cząsteczkowej. Są to węglowodany złożone, które powstają w wyniku polimeryzacji dużej liczby monomerów monosacharydowych. Polisacharydy są również nazywane glikanami.

Są one długo łańcuchowe, które mogą być rozgałęzione lub nierozgałęzione. Po zakończeniu hydrolizy kwasami lub specyficznymi enzymami, te polisacharydy dają monosacharydy i / lub proste pochodne monosacharydów. W zależności od składu polisacharydy są dwojakiego rodzaju: homopolisacharydy i heteropolisacharydy.

(i) Homopolisacharydy lub homoglikany to złożone węglowodany, które powstają w wyniku polimeryzacji tylko jednego rodzaju monomerów monosacharydowych. Na przykład skrobia, glikogen i celuloza składają się z jednego rodzaju monosacharydu zwanego glukozą.

W zależności od zaangażowanej jednostki monosacharydowej, polisacharyd jest nazywany glukanem (wytworzonym z glukozy), fruktanem (wytworzonym z fruktozy), ksylanem (zawierającym ksylozę), arabanem (wytworzonym z arabinozy), galaktanem (utworzonym z galaktozy) itp.

(ii) Heteropolisacharydy lub heteroglikany to złożone węglowodany, które są wytwarzane przez kondensację pochodnych monosacharydów lub więcej niż jednego rodzaju monomeru monosacharydu, np. chityny, agaru, peptydoglikanu, arabanogalaktanów, arabanooksanów itp.

W zależności od ich funkcji biologicznej polisacharydy składają się z trzech głównych typów przechowywania, strukturalnych i mukopolisacharydów.

A. Przechowywanie Polisacharydy:

Te polisacharydy służą jako pokarm rezerwowy. Skrobia, najobficiej występująca w roślinach i glikogen u zwierząt, jest zwykle osadzana w postaci dużych granulek w cytoplazmie komórek.

1. Skrobia:

Skrobia (C ₆ H ₁₀ O ₅ ) x jest najważniejszym źródłem pożywienia węglowodanów i występuje w zbożach, ziemniakach, roślinach strączkowych i innych warzywach. Naturalna skrobia jest nierozpuszczalna w wodzie i daje niebieski kolor z roztworem jodu. Jest to homosacharyd poliglukanu. Skrobia składa się z dwóch składników, amylozy i amylopektyny.

(a) Amyloza (15-20%):

Jest to nierozgałęziona, helikalna struktura składająca się z reszt glukozy w wiązaniu ∞-1, 4.

(b) Amylopektyna (80-85%):

Składa się z silnie rozgałęzionych łańcuchów mających 24-30 reszt glukozy w łańcuchu. Reszty glukozy połączone są wiązaniem ∞ (1-> 4) glikozydowym w łańcuchu i wiązaniem ∞ (1-> 16) w punktach rozgałęzień.

2. Glikogen:

Jest to główny magazynowany polisacharyd komórek zwierzęcych, odpowiednik skrobi w komórkach roślinnych. Glikogen jest szczególnie bogaty w wątrobę, gdzie może osiągnąć do 10% wilgotnej masy. Podobnie jak amylo-pektyna, glikogen jest polisacharydem D-glukozy w wiązaniu ∞ (1-> 4). Jest jednak silniej rozgałęziony; gałęzie występują co około 8 do 12 reszt glukozy.

Połączenia między gałęziami to β (l -> 6). Prosta część jest skręcona śrubowo z każdym zwojem mającym sześć jednostek glukozy. Odległość między dwoma punktami rozgałęzienia wynosi 10-14 reszt glukozy. Glikogen jest łatwo hydrolizowany przez amylazy ∞ i β, odpowiednio dając glukozę i maltozę.

3. Inulina:

Jest to polisacharyd magazynujący fruktan z korzeniami i bulwami Dahlia i roślin pokrewnych. Inulina nie jest metabolizowana w organizmie człowieka i jest łatwo filtrowana przez nerki. Jest zatem stosowany w testach czynności nerek, szczególnie filtracji glomelarnej.

B. Strukturalny polisacharyd:

Są polisacharydami, które biorą udział w tworzeniu strukturalnego szkieletu ścian komórkowych roślin i szkieletu zwierząt. Strukturalne polisacharydy są dwóch głównych typów; chityna i celuloza.

1. Chityna:

Jest to złożony węglowodan typu heteropolisacharydu, który znajduje się jako składnik strukturalny ścian grzybów (celuloza grzybowa) i egzoszkielet owadów i skorupiaków. Chityna jest homopolimerem N-acetylo-D-glukozoaminy w wiązaniu β (1 → 4) o nierozgałęzionej konfiguracji.

2. Celuloza:

Najobszerniejszą ścianą komórkową i strukturalnym polisacharydem w świecie roślin jest celuloza, liniowy polimer D-glukozy w wiązaniu β (1 → 4). Celuloza występuje również u niektórych mniejszych bezkręgowców. Jest to prawie całkowicie zdarzenie pozakomórkowe. Po całkowitej hydrolizie silnymi kwasami celuloza daje tylko D-glukozę, ale częściowa hydroliza daje redukującą celulozę disacharydu, w której wiązanie między jednostkami D-glukozy wynosi β (1 → 4).

Celuloza nie jest przyłączona ani przez α ani β-amylazę. Enzymy zdolne do hydrolizowania wiązań β (1 → 4) celulozy nie są wydzielane w przewodzie pokarmowym większości ssaków; i dlatego nie mogą używać celulozy do jedzenia. Jednakże, przeżuwacze, np. Krowa, mogą wykorzystywać celulozę jako pożywienie, ponieważ bakterie w żwaczu tworzą enzymatyczną celulozę, która hydrolizuje celulozę do D-glukozy.

Cząsteczki celulozy nie występują pojedynczo, zamiast tego wiele łańcuchów jest zamkniętych w przeciwległy sposób. Cząsteczki są utrzymywane razem przez międzycząsteczkowe wiązania wodorowe pomiędzy grupą hydroksylową w pozycji 6 reszt glukozy jednej cząsteczki i glikozydowym tlenem pomiędzy dwiema resztami glukozy sąsiedniej cząsteczki. Istnieje również wewnątrzcząsteczkowe wzmocnienie łańcucha przez tworzenie wiązań wodorowych pomiędzy grupą hydroksylową w pozycji trzeciej a atomem tlenu kolejnej reszty.

C. Mukopolisacharydy:

Mukopolisacharydy lub śluzy są dość powszechne zarówno u roślin jak i zwierząt. Najobficiej kwaśny mukopolisacharyd jest kwasem hialuronowym obecnym w powłokach komórkowych i zewnątrzkomórkowej zmielonej substancji tkanki łącznej kręgowców.

Powtarzającą się jednostką kwasu hialuronowego jest disacharydowy związek kwasu D-glukoronowego i N-acetylo-D-glukozoaminy w wiązaniu β (1-> 3). Kolejnym kwaśnym mukopolisacharydem jest chondroityna, której pochodne kwasu siarkowego siarczan chondroityny i siarczan chondroityny 6 są głównymi składnikami strukturalnymi powłok komórek, chrząstek, kości i innych struktur tkanki łącznej kręgowców.

Biologiczne znaczenie węglowodanów:

1. Główne źródło energii:

Węglowodany są niezbędne dla zwierząt, ponieważ wykorzystują je jako paliwo do oddychania. W komórkach zwierzęcych węglowodany w postaci glukozy i glikogenu służą jako ważne źródło energii dla czynności życiowych.

2. Strukturalne składniki komórek:

Węglowodany służą jako ważny materiał strukturalny u niektórych zwierząt i roślin, gdzie stanowią szkielet celulozy.

3. Kluczowa rola w metabolizmie:

Węglowodany odgrywają kluczową rolę w metabolizmie aminokwasów i kwasów tłuszczowych.

4. Funkcje specjalne:

Niektóre węglowodany mają wysoce specyficzną funkcję, np. Ryboza w nukleoproteinach komórek i galaktoza w niektórych lipidach.