УГЛЕВОДЫ: ХИМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА, КЛАССИФИКАЦИЯ И ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В углеводах , углеводы или сахариды, являются органическими молекулами , которые запасают энергию в живых существах. Они представляют собой наиболее распространенные биомолекулы и включают в себя сахара, крахмалы и целлюлозу, а также другие соединения, обнаруженные в живых организмах.

Организмы, осуществляющие фотосинтез (растения, водоросли и некоторые бактерии), являются основными производителями углеводов в природе. Структура этих сахаридов может быть линейной или разветвленной, простой или сложной, и они также могут ассоциироваться с биомолекулами другого класса.

Например, углеводы могут связываться с белками с образованием гликопротеинов. Они также могут связываться с молекулами липидов, образуя гликолипиды, биомолекулы, которые образуют структуру биологических мембран. Углеводы также присутствуют в структуре нуклеиновых кислот.

Первоначально углеводы были признаны молекулами хранения энергии клетки. Впоследствии были определены другие важные функции, которые выполняют углеводы в биологических системах.

Клетки всех живых существ покрыты плотным слоем сложных углеводов. Углеводы состоят из моносахаридов, небольших молекул, состоящих из трех-девяти атомов углерода, прикрепленных к гидроксильным группам (-ОН), которые могут различаться по размеру и конфигурации.

Важным свойством углеводов является огромное структурное разнообразие внутри этого класса молекул, что позволяет им выполнять широкий спектр функций, таких как генерация сигнальных молекул клеток, формирование тканей и формирование идентичности различных групп крови у людей.

Точно так же внеклеточный матрикс у высших эукариот богат секретируемыми углеводами, необходимыми для выживания и коммуникации клеток. Эти механизмы распознавания клеток используются различными патогенами для заражения своих клеток-хозяев.

Моносахариды могут быть связаны гликозидными связями с образованием широкого спектра углеводов: дисахаридов, олигосахаридов и полисахаридов. Изучение структуры и функции углеводов в биологических системах называется гликобиологией.

Химическая структура

Углеводы состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. Большинство из них можно представить эмпирической формулой (CH2O) n, где n - количество атомов углерода в молекуле. Другими словами, соотношение углерода, водорода и кислорода в молекулах углеводов составляет 1: 2: 1.

Эта формула объясняет происхождение термина «углевод», поскольку компонентами являются атомы углерода («углевод») и атомы воды (следовательно, «гидрат»). Хотя углеводы в основном состоят из этих трех атомов, есть некоторые углеводы с азотом, фосфором или серой.

В своей основной форме углеводы представляют собой простые сахара или моносахариды. Эти простые сахара могут объединяться друг с другом с образованием более сложных углеводов.

Комбинация двух простых сахаров представляет собой дисахарид. Олигосахариды содержат от двух до десяти простых сахаров, а полисахариды - самые большие углеводы, состоящие из более чем десяти моносахаридных единиц.

Структура углеводов определяет, как энергия сохраняется в их связях во время их образования в процессе фотосинтеза, а также как эти связи разрываются во время клеточного дыхания.

классификация

Моносахариды

Моносахариды - это элементарные единицы углеводов, поэтому они представляют собой простейшую структуру сахаридов. Физически моносахариды представляют собой бесцветные кристаллические твердые вещества. У большинства сладкий вкус.

С химической точки зрения моносахариды могут быть альдегидами или кетонами, в зависимости от того, где находится карбонильная группа (C = O) в линейных углеводах. Структурно моносахариды могут образовывать прямые цепи или замкнутые кольца.

Поскольку моносахариды обладают гидроксильными группами, большинство из них растворимо в воде и нерастворимо в неполярных растворителях.

В зависимости от количества атомов углерода в его структуре моносахарид будет иметь разные названия, например: триоза (если он имеет 3 атома углерода), пентоза (если он имеет 5 атомов углерода) и так далее.

дисахаридов

Дисахариды - это двойные сахара, которые образуются путем объединения двух моносахаридов в химическом процессе, называемом дегидратационным синтезом, поскольку молекула воды теряется во время реакции. Это также известно как реакция конденсации.

Таким образом, дисахарид - это любое вещество, состоящее из двух молекул простых сахаров (моносахаридов), связанных вместе гликозидной связью.

Кислоты обладают способностью разрушать эти связи, по этой причине дисахариды могут перевариваться в желудке.

Дисахариды обычно водорастворимы и сладки при приеме внутрь. Три основных дисахарида - это сахароза, лактоза и мальтоза: сахароза образуется в результате соединения глюкозы и фруктозы; лактоза образуется в результате союза глюкозы и галактозы; а мальтоза образуется в результате объединения двух молекул глюкозы.

олигосахариды

Олигосахариды - это сложные полимеры, состоящие из нескольких простых сахарных звеньев, то есть от 3 до 9 моносахаридов.

Реакция такая же, как при образовании дисахаридов, но они также возникают при расщеплении более сложных молекул сахара (полисахаридов).

Большинство олигосахаридов содержится в растениях и действует как растворимая клетчатка, которая помогает предотвратить запор. Однако у большинства людей нет ферментов для их переваривания, за исключением мальтотриозы.

По этой причине олигосахариды, которые изначально не перевариваются в тонком кишечнике, могут расщепляться бактериями, которые обычно населяют толстый кишечник, в процессе ферментации. Пребиотики выполняют эту функцию, служа пищей для полезных бактерий.

Полисахариды

Полисахариды - это крупнейшие полимеры сахаридов, они состоят из более чем 10 (до тысяч) моносахаридных единиц, расположенных линейно или разветвленно. Различия в пространственном расположении - вот что придает этим сахарам их многочисленные свойства.

Полисахариды могут состоять из одного и того же моносахарида или из комбинации разных моносахаридов. Если они образованы повторяющимися единицами одного и того же сахара, их называют гомополисахаридами, такими как гликоген и крахмал, которые являются запасными углеводами животных и растений соответственно.

Если полисахарид состоит из единиц различных сахаров, они называются гетерополисахаридами. Большинство из них содержат только две разные единицы и обычно связаны с белками (гликопротеинами, такими как гамма-глобулин в плазме крови) или липидами (гликолипидами, такими как ганглиозиды).

Характеристики

Четыре основные функции углеводов: обеспечение энергией, хранение энергии, построение макромолекул и предотвращение распада белков и жиров.

Углеводы расщепляются на простые сахара. Они абсорбируются клетками тонкого кишечника и транспортируются ко всем клеткам тела, где они окисляются для получения энергии в форме аденозинтрифосфата (АТФ).

Молекулы сахара, которые не используются в производстве энергии в данный момент, хранятся как часть резервных полимеров, таких как гликоген и крахмал.

Нуклеотиды, основные единицы нуклеиновых кислот, имеют в своей структуре молекулы глюкозы. Несколько важных белков связаны с молекулами углеводов, например: фолликулостимулирующий гормон (ФСГ), который участвует в процессе овуляции.

Поскольку углеводы являются основным источником энергии, их быстрое разложение предотвращает расщепление других биомолекул для получения энергии. Таким образом, когда уровень сахара в норме, белки и липиды защищены от разложения.

Некоторые углеводы растворимы в воде, функционируют как основной продукт питания практически у всех, и окисление этих молекул является основным путем производства энергии в большинстве нефотосинтезирующих клеток.

Нерастворимые углеводы объединяются, образуя более сложные структуры, которые служат защитой. Например: целлюлоза вместе с гемицеллюлозами и пектином образует стенку растительных клеток. Хитин образует клеточную стенку грибов и экзоскелет членистоногих.

Также пептидогликан образует клеточную стенку бактерий и цианобактерий. Соединительная ткань и суставы скелета животных состоят из полисахаридов.

Многие углеводы ковалентно связаны с белками или липидами, образуя более сложные структуры, вместе называемые гликоконъюгатами. Эти комплексы действуют как метки, которые определяют внутриклеточное расположение или метаболическую судьбу этих молекул.

Продукты, содержащие углеводы

Углеводы - важный компонент здорового питания, так как они являются основным источником энергии. Однако некоторые продукты содержат более здоровые углеводы, которые предлагают большее количество питательных веществ, например:

Крахмал

Крахмалистые продукты являются основным источником углеводов. Эти крахмалы обычно представляют собой сложные углеводы, то есть они состоят из множества сахаров, соединенных вместе, чтобы образовать длинную молекулярную цепь. По этой причине крахмалы перевариваются дольше.

Существует множество продуктов, содержащих крахмал. К зерновым относятся продукты с высоким содержанием крахмала, например бобы, чечевица и рис. Злаки также содержат эти углеводы, например: овес, ячмень, пшеница и их производные (мука и макаронные изделия).

Бобовые и орехи также содержат углеводы в виде крахмала. Кроме того, такие овощи, как картофель, сладкий картофель, кукуруза и кабачки, также богаты крахмалом.

Важно отметить, что многие углеводы являются источником клетчатки. Другими словами, клетчатка - это тип углеводов, которые организм может переваривать лишь частично.

Как и сложные углеводы, углеводные волокна перевариваются медленно.

Фрукты и овощи

Фрукты и овощи богаты углеводами. В отличие от крахмалов, фрукты и овощи содержат простые углеводы, то есть углеводы с одним или двумя прикрепленными друг к другу сахаридами.

Эти углеводы, будучи простыми по своей молекулярной структуре, перевариваются легче и быстрее, чем сложные. Это дает представление о различных уровнях и типах углеводов в пище.

Таким образом, некоторые фрукты содержат больше углеводов на порцию, например: бананы, яблоки, апельсины, дыни и виноград содержат больше углеводов, чем некоторые овощи, такие как шпинат, брокколи и капуста, морковь, грибы и баклажаны.

Молоко

Как и овощи и фрукты, молочные продукты - это продукты, содержащие простые углеводы. В молоке содержится сахар - лактоза, дисахарид сладкого вкуса. Одна чашка этого эквивалента примерно 12 граммов углеводов.

На рынке существует множество разновидностей молока и йогурта. Независимо от того, употребляете ли вы цельные или обезжиренные молочные продукты, количество углеводов будет одинаковым.

Конфеты

Сладости - еще один известный источник углеводов. К ним относятся сахар, мед, конфеты, искусственные напитки, печенье, мороженое и многие другие десерты. Все эти продукты содержат высокие концентрации сахаров.

С другой стороны, некоторые обработанные и рафинированные продукты содержат сложные углеводы, например: хлеб, рис и белая паста. Важно отметить, что рафинированные углеводы не так питательны, как углеводы, содержащиеся во фруктах и ​​овощах.

Углеводный обмен

Углеводный обмен - это набор метаболических реакций, которые включают образование, деградацию и преобразование углеводов в клетках.

Углеводный обмен очень консервативен и может наблюдаться даже у бактерий, главным примером которых является Lac-оперон E. coli.

Углеводы играют важную роль во многих метаболических путях, включая фотосинтез, наиболее важную природную реакцию образования углеводов.

Из углекислого газа и воды растения используют энергию солнца для синтеза молекул углеводов.

Со своей стороны, клетки животных и грибов расщепляют углеводы, потребляемые тканями растений, для получения энергии в форме АТФ посредством процесса, называемого клеточным дыханием.

У позвоночных глюкоза переносится по телу через кровь. Если запасы энергии в клетках низкие, глюкоза расщепляется в результате метаболической реакции, называемой гликолизом, с образованием некоторой энергии и некоторых промежуточных продуктов метаболизма.

Молекулы глюкозы, которые не нужны для немедленного производства энергии, хранятся в виде гликогена в печени и мышцах в процессе, называемом гликогенезом.

У некоторых простых углеводов есть собственные пути разложения, как у некоторых из более сложных углеводов. Лактоза, например, требует действия фермента лактазы, который разрывает его связи и высвобождает его основные моносахариды, глюкозу и галактозу.

Глюкоза - основной углевод, потребляемый клетками, она составляет около 80% источников энергии.

Глюкоза распределяется по клеткам, где она может поступать через определенные транспортеры, чтобы расщепляться или храниться в виде гликогена.

В зависимости от метаболических потребностей клетки глюкоза также может использоваться для синтеза других моносахаридов, жирных кислот, нуклеиновых кислот и некоторых аминокислот.

Основная функция углеводного обмена - поддерживать контроль уровня сахара в крови, это то, что известно как внутренний гомеостаз.

Ссылки

1. Альбертс, Б., Джонсон, А., Льюис, Дж., Морган, Д., Рафф, М., Робертс, К., Уолтер, П. (2014). Молекулярная биология клетки (6-е изд.). Наука о гирляндах.
2. Берг, Дж., Тимочко, Дж., Гатто, Г., Страйер, Л. (2015). Биохимия (8-е изд.). WH Freeman and Company.
3. Кэмпбелл, Н. и Рис, Дж. (2005). Биология (2-е изд.) Pearson Education.
4. Дашты М. (2013). Краткий обзор биохимии: углеводный обмен. Клиническая биохимия, 46 (15), 1339-1352.
5. Лодиш, Х., Берк, А., Кайзер, К., Кригер, М., Бретчер, А., Плоег, Х., Амон, А. и Мартин, К. (2016). Молекулярная клеточная биология (8-е изд.). WH Freeman and Company.
6. Maughan, R. (2009). Углеводный обмен. Хирургия, 27 (1), 6–10.
7. Нельсон Д., Кокс М. и Ленингер А. (2013). Lehninger Принципы биохимии (6- ^{е место} ). WH Freeman and Company.
8. Соломон, Э., Берг, Л., Мартин, Д. (2004). Биология (7-е изд.) Cengage Learning.
9. Воет Д., Воет Дж. И Пратт К. (2016). Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне (5-е изд.). Wiley.