УГЉИКОХИДРАТИ: ХЕМИЈСКА СТРУКТУРА, КЛАСИФИКАЦИЈА И ФУНКЦИЈЕ - БИОЛОГИЈА - 2025

Тхе угљени хидрати , угљених хидрата или сахариди, су органски молекули да енергетска кућа у живим бићима. Они су најзаступљеније биомолекуле и укључују: шећере, скроб и целулозу, између осталих једињења која се налазе у живим организмима.

Организми који врше фотосинтезу (биљке, алге и неке бактерије) главни су произвођачи угљених хидрата у природи. Структура ових сахарида може бити линеарна или разграната, једноставна или сложена, а могу се повезати и са биомолекулама друге класе.

На пример, угљени хидрати се могу везати за протеине да би формирали гликопротеине. Такође се могу повезати са молекулима липида, стварајући тако гликолипиде, биомолекуле које формирају структуру биолошких мембрана. Угљикохидрати су такође присутни у структури нуклеинских киселина.

У почетку су угљени хидрати препознати као молекули ћелијске енергије за складиштење. Потом су утврђене и друге важне функције које угљени хидрати испуњавају у биолошким системима.

Сва жива бића имају своје ћелије прекривене густим слојем сложених угљених хидрата. Угљикохидрати се састоје од моносахарида, малих молекула састављених од три до девет атома угљеника везаних за хидроксилне групе (-ОХ), који могу варирати у величини и конфигурацији.

Важно својство угљених хидрата је огромна структурна разноликост унутар ове класе молекула, што им омогућава да обављају широк спектар функција као што су генерисање ћелијских сигналних молекула, формирање ткива и генерисање идентитета различитих крвних група код људи.

Исто тако, ванћелијски матрикс у вишим еукариотама је богат излученим угљеним хидратима, неопходним за опстанак ћелије и комуникацију. Ове механизме препознавања ћелија користе разни патогени да би инфицирали ћелије домаћина.

Моносахариди се могу повезати гликозидним везама да би формирали широку палету угљених хидрата: дисахариде, олигосахариде и полисахариде. Проучавање структуре и функције угљених хидрата у биолошким системима назива се гликобиологија.

Хемијска структура

Угљикохидрати се састоје од атома угљеника, водоника и кисеоника. Већина њих може се представити емпиријском формулом (ЦХ2О) н, где је н број угљеника у молекули. Другим речима, однос угљеника, водоника и кисеоника је 1: 2: 1 у молекулама угљених хидрата.

Ова формула објашњава порекло термина "угљени хидрат", јер су састојци атоми угљеника ("угљеник") и атоми воде (дакле, "хидрати"). Иако се угљени хидрати углавном састоје од ова три атома, постоје неки угљени хидрати са азотом, фосфором или сумпором.

У свом основном облику, угљени хидрати су једноставни шећери или моносахариди. Ови једноставни шећери могу се комбиновати један са другим да би формирали сложеније угљене хидрате.

Комбинација два једноставна шећера је дисахарид. Олигосахариди садрже између два до десет једноставних шећера, а полисахариди су највећи угљени хидрати, сачињени од више од десет јединица моносахарида.

Структура угљених хидрата одређује како се енергија складишти у њиховим везама током њиховог формирања фотосинтезом, а такође и како се те везе прекидају током ћелијског дисања.

Класификација

Моносахариди

Моносахариди су елементарне јединице угљених хидрата, због чега су најједноставнија структура сахарида. Физички, моносахариди су безбојне кристалне чврсте супстанце. Већина има сладак укус.

Са хемијске тачке гледишта, моносахариди могу бити алдехиди или кетони, у зависности од тога где се карбонилна група (Ц = О) налази у линеарним угљеним хидратима. Структурно моносахариди могу да формирају равне ланце или затворене прстенове.

Будући да моносахариди поседују хидроксилне групе, већина је растворљива у води а нетопљива у неполарним растварачима.

Зависно од броја угљеника у својој структури, моносахарид ће имати различита имена, на пример: триоза (ако има 3 атома Ц), пентоза (ако има 5Ц) и тако даље.

Дисахариди

Дисахариди су двоструки шећери који се стварају спајањем два моносахарида у хемијском процесу званом синтеза дехидрације, јер се током реакције губи молекул воде. Позната је и као реакција кондензације.

Дакле, дисахарид је свака супстанца која се састоји од две молекуле једноставних шећера (моносахарида) повезаних гликозидном везом.

Киселине имају способност да прекидају ове везе, због тога дисахариди се могу пробавити у стомаку.

Дисахариди су обично водотопљиви и слатки када се гутају. Три главна дисахарида су сахароза, лактоза и малтоза: сахароза долази из споја глукозе и фруктозе; лактоза долази из споја глукозе и галактозе; а малтоза долази из уједињења два молекула глукозе.

Олигосахариди

Олигосахариди су сложени полимери сачињени од неколико једноставних јединица шећера, то јест између 3 до 9 моносахарида.

Реакција је иста која формира дисахариде, али они такође потичу разградњом сложенијих молекула шећера (полисахариди).

Већина олигосахарида налази се у биљкама и делује као растворљива влакна, што може помоћи у спречавању опстипације. Међутим, већина људи нема ензиме који би их могли пробавити, осим малтотриозе.

Из тог разлога, олигосахариди који се у почетку не пробављају у танком цреву могу разградити бактерије које нормално настањују у дебелом цреву процесом ферментације. Пребиотици испуњавају ову функцију, служе као храна корисним бактеријама.

Полисахариди

Полисахариди су највећи сахаридни полимери, састоје се од више од 10 (до хиљада) моносахаридних јединица распоређених линеарно или разгранато. Варијације у просторном распореду дају овим шећерима њихова вишеструка својства.

Полисахариди могу бити састављени од истог моносахарида или комбинацијом различитих моносахарида. Ако се формирају понављањем јединица истог шећера, називају се хомополизахариди као што су гликоген и скроб, који су угљени хидрати животиња и биљака.

Ако се полисахарид састоји од јединица различитих шећера, они се називају хетерополисахариди. Већина садржи само две различите јединице и обично су повезане са протеинима (гликопротеини, као што је гама глобулин у крвној плазми) или липидима (гликолипиди, као што су ганглиозиди).

Карактеристике

Четири главне функције угљених хидрата су: обезбеђивање енергије, складиштење енергије, стварање макромолекула и спречавање распада протеина и масти.

Угљикохидрати се разграђују кроз варење у једноставне шећере. Они апсорбују ћелије танког црева и транспортују се до свих ћелија у телу где ће бити оксидоване да би добили енергију у облику аденосин трифосфата (АТП).

Молекули шећера који се у датом тренутку не користе у производњи енергије чувају се као део резервних полимера, као што су гликоген и скроб.

Нуклеотиди, основне јединице нуклеинских киселина, у својој структури имају молекуле глукозе. Неколико важних протеина повезано је са молекулама угљених хидрата, на пример: фоликул стимулишући хормон (ФСХ), који учествује у процесу овулације.

Пошто су угљени хидрати главни извор енергије, њихова брза разградња спречава да се друге биомолекуле разграде за енергију. Стога, када је ниво шећера нормалан, протеини и липиди су заштићени од разградње.

Неки угљени хидрати су растворљиви у води, они функционишу као основна храна код скоро свих, а оксидација ових молекула главни је пут производње енергије у већини нефото-синтетичких ћелија.

Нерастворљиви угљени хидрати се придружују формирању сложенијих структура које служе као заштита. На пример: целулоза формира зид биљних ћелија заједно са хемицелулозама и пектином. Хитин формира ћелијску стијенку гљивица и егзоскелет артропода.

Такође, пептидогликан формира ћелијску стијенку бактерија и цијанобактерија. Животињско везивно ткиво и скелетни зглобови чине полисахариди.

Многи угљени хидрати се ковалентно вежу на протеине или липиде формирајући сложеније структуре, које заједно називају гликокоњугати. Ови комплекси делују као ознаке које одређују унутарћелијску локацију или метаболичку судбину ових молекула.

Храна која садржи угљене хидрате

Угљикохидрати су битна компонента здраве прехране, јер су главни извор енергије. Међутим, неке намирнице имају здравије угљене хидрате који нуде већу количину хранљивих састојака, на пример:

Скроб

Шкробна храна је главни извор угљених хидрата. Ови скроби су обично сложени угљени хидрати, то јест, састоје се од многих шећера спојених заједно да би формирали дугачки молекуларни ланац. Из овог разлога скробу је потребно дуже пробавити.

Постоји широк спектар намирница које садрже скроб. Житарице укључују храну која садржи велики шкроб, на пример: пасуљ, сочиво и рижа. Житарице такође садрже ове угљене хидрате, на пример: зоб, јечам, пшеницу и њихове деривате (брашно и тестенине).

Махунарке и орашасти плодови такође садрже угљене хидрате у облику шкроба. Поред тога, поврће попут: кромпир, слатки кромпир, кукуруз и тиквице такође је богато садржајем шкроба.

Важно је да су многи угљени хидрати извор влакана. Другим речима, влакна су у основи врста угљених хидрата које тело може само делимично пробавити.

Слично сложеним угљеним хидратима, угљикохидратна влакна се полако пробављају.

Воће и поврће

Воће и поврће има велику количину угљених хидрата. За разлику од скроба, воће и поврће садрже једноставне угљене хидрате, то јест угљене хидрате са једним или два сахарида причвршћена једно уз друго.

Ови угљени хидрати, једноставни у својој молекуларној структури, пробављају се лакше и брже од сложених. Ово даје представу о различитим нивоима и врстама угљених хидрата у храни.

Дакле, неко воће има више садржаја угљених хидрата по оброку, на пример: банане, јабуке, поморанџе, диње и грожђе имају више угљених хидрата него неко поврће попут шпината, брокуле и кеља, шаргарепе, печурке и патлиџани.

Млеко

Слично поврћу и воћу, млечна је храна која садржи једноставне угљене хидрате. Млеко има свој шећер који се зове лактоза, дисахарид слатког укуса. Једна шоља овог еквивалента је око 12 грама угљених хидрата.

На тржишту постоји много верзија млека и јогурта. Без обзира да ли конзумирате читаву или редуцирану верзију одређеног млека, количина угљених хидрата ће бити иста.

Слаткиши

Слаткиши су још један познати извор угљених хидрата. Ту спадају шећер, мед, слаткиши, вештачка пића, колачићи, сладолед, међу многим другим десертима. Сви ови производи садрже високе концентрације шећера.

С друге стране, нека прерађена и рафинирана храна садржи сложене угљене хидрате, на пример: хлеб, пиринач и беле тестенине. Важно је напоменути да рафинирани угљени хидрати нису хранљиви попут угљених хидрата који се налазе у воћу и поврћу.

Метаболизам угљених хидрата

Метаболизам угљених хидрата је скуп метаболичких реакција које укључују формирање, разградњу и конверзију угљених хидрата у ћелијама.

Метаболизам угљених хидрата је изузетно очуван и може се посматрати чак и из бактерија, главни пример је Лац Оперон Е. цоли.

Угљикохидрати су важни у многим метаболичким путевима, укључујући фотосинтезу, најважнију реакцију стварања угљених хидрата у природи.

Из угљендиоксида и воде биљке користе енергију сунца за синтезу молекула угљених хидрата.

Са своје стране, животињске и гљивичне ћелије разграђују угљене хидрате, које се троше у биљним ткивима, да би добили енергију у облику АТП-а кроз процес зван ћелијско дисање.

Код кичмењака, глукоза се преноси крвљу кроз тело. Ако су ћелијске залихе енергије ниске, глукоза се разграђује метаболичком реакцијом званом гликолиза да би се добила одређена енергија и неки метаболички интермедијари.

Молекули глукозе који нису потребни за непосредну производњу енергије чувају се као гликоген у јетри и мишићима, процесом који се назива гликогенеза.

Неки једноставни угљени хидрати имају своје путеве разградње, попут неких сложенијих угљених хидрата. Лактоза, на пример, захтева деловање ензима лактазе, који разбија њене везе и ослобађа његове основне моносахариде, глукозу и галактозу.

Глукоза је главни угљени хидрат који конзумирају ћелије, а чини око 80% извора енергије.

Глукоза се дистрибуира у ћелијама, где се кроз посебне транспортере може ући у деградацију или складиштити као гликоген.

У зависности од метаболичких потреба ћелије, глукоза се такође може користити за синтезу других моносахарида, масних киселина, нуклеинских киселина и одређених аминокиселина.

Главна функција метаболизма угљених хидрата је одржавање контроле нивоа шећера у крви, то је оно што се назива интерна хомеостаза.

Референце

1. Албертс, Б., Јохнсон, А., Левис, Ј., Морган, Д., Рафф, М., Робертс, К. и Валтер, П. (2014). Молекуларна биологија ћелије (6. изд.). Гарланд Сциенце.
2. Берг, Ј., Тимоцзко, Ј., Гатто, Г. и Страиер, Л. (2015). Биохемија (8. изд.). ВХ Фрееман анд Цомпани.
3. Цампбелл, Н. & Рееце, Ј. (2005). Биологија (друго издање) Пеарсон Едуцатион.
4. Дасхти, М. (2013). Брзи поглед на биохемију: Метаболизам угљених хидрата. Цлиницал Биоцхемистри, 46 (15), 1339-1352.
5. Лодисх, Х., Берк, А., Каисер, Ц., Криегер, М., Бретсцхер, А., Плоегх, Х., Амон, А. и Мартин, К. (2016). Молекуларна ћелијска биологија (8. изд.). ВХ Фрееман анд Цомпани.
6. Маугхан, Р. (2009). Метаболизам угљених хидрата. Хирургија, 27 (1), 6–10.
7. Нелсон, Д., Цок, М. и Лехнингер, А. (2013). Лехнингерови принципи биохемије (6. ^тх ). ВХ Фрееман анд Цомпани.
8. Соломон, Е., Берг, Л. и Мартин, Д. (2004). Биологија (7. изд.) Ценгаге Леарнинг.
9. Воет, Д., Воет, Ј. и Пратт, Ц. (2016). Основе биохемије: живот на молекуларном нивоу (5. изд.). Вилеи.