Süsivesikud keemiline struktuur, klassifikatsioon ja funktsioonid



The süsivesikuid, süsivesikud või sahhariidid on orgaanilised molekulid, mis säilitavad energiat elusolendites. Need on kõige suuremad biomolekulid ja nende hulka kuuluvad: suhkrud, tärklised ja tselluloos, teiste elusorganismides leiduvate ühendite hulgas..

Fotosünteesi teostavad organismid (taimed, vetikad ja mõned bakterid) on peamised süsivesikute tootjad looduses. Nende sahhariidide struktuur võib olla lineaarne või hargnenud, lihtne või ühend ja võib olla seotud ka teist tüüpi biomolekulidega..

Näiteks võivad süsivesikud siduda valke glükoproteiinide moodustamiseks. Neid võib seostada ka lipiidimolekulidega, mis moodustavad glükolipiide, biomolekule, mis moodustavad bioloogiliste membraanide struktuuri. Süsivesikud on olemas ka nukleiinhapete struktuuris.

Esialgu tunnustati süsivesikuid rakuliste energia salvestusmolekulidena. Seejärel määrati kindlaks teised olulised funktsioonid, mida süsivesikud bioloogilistes süsteemides täidavad.

Kõigil elusolenditel on nende rakud kaetud tiheda keerukate süsivesikute kihiga. Süsivesikud koosnevad monosahhariididest, väikestest molekulidest, mis on moodustunud 3 kuni 9 süsinikuaatomiga, mis on seotud hüdroksüülrühmadega (-OH), mis võivad erineda suuruse ja konfiguratsiooni poolest..

Süsivesikute oluline omadus on tohutu struktuuriline mitmekesisus selle molekuli klassi sees, mis võimaldab neil täita mitmesuguseid funktsioone, nagu näiteks raku signaalimolekulide genereerimine, kudede moodustamine ja erinevate veregruppide identiteedi loomine inimestel..

Samamoodi on kõrgemates eukarüootides olev rakuväline maatriks rikas sekreteeritud süsivesikute poolest, mis on olulised rakkude ellujäämiseks ja suhtlemiseks. Neid rakkude äratundmise mehhanisme rakendavad paljud patogeenid oma peremeesrakkude nakatamiseks.

Monosahhariidid võivad olla seotud glükosiidsidemetega, moodustades suure hulga süsivesikuid: disahhariide, oligosahhariide ja polüsahhariide. Bioloogilistes süsteemides süsivesikute struktuuri ja funktsiooni uurimist nimetatakse glükobioloogiaks.

Indeks

  • 1 Keemiline struktuur
  • 2 Klassifikatsioon
    • 2.1 Monosahhariidid
    • 2.2 Disahhariidid
    • 2.3 Oligosahhariidid 
    • 2.4 Polüsahhariidid
  • 3 Funktsioonid
  • 4 Süsivesikuid sisaldavad toidud
    • 4.1 Tärklised
    • 4.2 Puu- ja köögiviljad
    • 4.3 Piim
    • 4.4 Maiustused
  • 5 Süsivesikute ainevahetus
  • 6 Viited

Keemiline struktuur

Süsivesikud koosnevad süsiniku-, vesinik- ja hapnikuaatomitest. Enamikku neist võib esindada empiirilise valemiga (CH2O) n, kus n on süsinikuaatomite arv molekulis. Teisisõnu on süsiniku, vesiniku ja hapniku suhe süsivesikute molekulides 1: 2: 1.

See valem selgitab termini "süsivesikud" päritolu, kuna komponendid on süsinikuaatomid ("carbo") ja vee aatomid (seega "hüdraat"). Kuigi süsivesikuid moodustavad peamiselt need kolm aatomit, on mõned süsivesikud lämmastiku, fosfori või väävlisisaldusega..

Oma põhivormis on süsivesikud lihtsad suhkrud või monosahhariidid. Neid lihtsaid suhkruid saab kombineerida, et moodustada keerulisemaid süsivesikuid.

Kahe lihtsa suhkru kombinatsioon on disahhariid. Oligosahhariidid sisaldavad kahte kuni kümmet lihtsat suhkrut ja polüsahhariidid on suurimad süsivesikud, mis koosnevad rohkem kui kümnest ühikahhariidist..

Süsivesikute struktuur määrab kindlaks, kuidas fotosünteesi käigus selle sidemete ajal energiasisaldus salvestatakse ja kuidas need sidemed raku hingamise ajal purunevad.

Klassifikatsioon

Monosahhariidid

Monosahhariidid on süsivesikute elementaarsed ühikud, mistõttu nad on sahhariidi lihtsaim struktuur. Füüsiliselt on monosahhariidid ilma värvita kristallilised. Enamikul neist on magus maitse.

Keemilisest seisukohast võivad monosahhariidid olla aldehüüdid või ketoonid, sõltuvalt sellest, kus karbonüülrühm (C = O) asub lineaarsetes süsivesinikutes. Struktuuriliselt võivad monosahhariidid moodustada lineaarseid ahelaid või suletud tsükleid.

Kuna monosahhariididel on hüdroksüülrühmad, siis enamik neist on vees lahustuvad ja mittepolaarsetes lahustites lahustumatud.

Sõltuvalt teie struktuuris olevate süsinikuaatomite arvust on monosahhariidil erinevad nimed, näiteks: trioos (kui sul on 3 C aatomit), pentoos (kui sul on 5C) ja nii edasi.

Disahhariidid

Disahhariidid on kahekordsed suhkrud, mis moodustuvad kahe monosahhariidi ühendamisel keemilises protsessis, mida nimetatakse dehüdratsiooni sünteesiks, sest reaktsiooni käigus kaob vee molekul. Seda tuntakse ka kui kondensatsioonireaktsiooni.

Seega on disahhariid ükskõik milline aine, mis koosneb kahest lihtsa suhkru molekulist (monosahhariidid), mis on omavahel seotud glükosiidse sideme kaudu.

Happel on võime neid sidemeid murda, mistõttu võib disahhariide maos lagundada.

Disahhariidid on üldiselt vees lahustuvad ja neelamisel magusad. Kolm peamist disahhariidi on sahharoos, laktoos ja maltoos: sahharoos pärineb glükoosi ja fruktoosi sidumisest; laktoos pärineb glükoosi ja galaktoosi liitumisest; ja maltoos pärineb kahe glükoosimolekuli liitumisest.

Oligosahhariidid

Oligosahhariidid on keerulised polümeerid, mis on moodustatud mõne ühikuga lihtsaid suhkruid, st 3 kuni 9 monosahhariidi..

Reaktsioon on sama, mis moodustab disahhariide, kuid see tuleneb ka keerukamate suhkrumolekulide (polüsahhariidide) lagunemisest..

Enamik oligosahhariide leidub taimedes ja toimivad lahustuva kiu kujul, mis võib aidata ära hoida kõhukinnisust. Kuid inimestel ei ole ensüüme enam nende seedimiseks, välja arvatud maltotrioos.

Sel põhjusel võivad oligosahhariidid, mida ei seedita algselt peensooles, lagundada bakterid, mis tavaliselt elavad paksusooles fermentatsiooniprotsessi kaudu. Prebiootikumid täidavad seda funktsiooni, on toiduks kasulikele bakteritele.

Polüsahhariidid

Polüsahhariidid on suurimad sahhariidpolümeerid, need moodustavad rohkem kui 10 (kuni tuhandeni) monosahhariidi ühikut, mis on paigutatud lineaarselt või hargnenud ahelaga. Ruumilise paigutuse variatsioonid annavad nendele suhkrutele mitmeid omadusi.

Polüsahhariidid võivad koosneda samast monosahhariidist või erinevate monosahhariidide kombinatsioonist. Kui neid moodustavad sama suhkru korduvad ühikud, nimetatakse neid homopolüsahhariidideks, näiteks glükogeeniks ja tärkliseks, mis on vastavalt loomade ja taimede säilitamise süsivesikud..

Kui polüsahhariid koosneb erinevate suhkrute ühikutest, nimetatakse neid heteropolüsahhariidideks. Enamik sisaldab ainult kahte erinevat ühikut ja on tavaliselt seotud valkudega (glükoproteiinid nagu gamma-globuliin vereplasmas) või lipiididega (glükolipiidid nagu gangliosiidid)..

Funktsioonid

Süsivesikute neli põhifunktsiooni on: pakkuda energiat, hoida energiat, ehitada makromolekule ja vältida valkude ja rasvade lagunemist.

Süsivesikud lagunevad lihtsate suhkrute lagundamise teel. Neid imendavad peensoole rakud ja neid transporditakse organismi kõikidesse rakkudesse, kus nad oksüdeeruvad energiaks adenosiintrifosfaadina (ATP)..

Suhkru molekule, mida ei kasutata energia tootmisel igal ajal, säilitatakse osana reservpolümeeridest, nagu glükogeen ja tärklis..

Nukleotiidid, nukleiinhapete põhiosad, omavad nende struktuuris glükoosimolekule. Mitmed olulised valgud on seotud süsivesikute molekulidega, näiteks: folliikuleid stimuleeriv hormoon (FSH), mis sekkub ovulatsiooniprotsessi..

Kuna süsivesikud on peamine energiaallikas, takistab nende kiire lagunemine teiste biomolekulide lagunemist energia saamiseks. Seega, kui suhkrusisaldus on normaalne, on valgud ja lipiidid kaitstud lagunemise eest.

Mõned süsivesikud on vees lahustuvad, nad toimivad peamise toiduainena praktiliselt kogu maailmas ning nende molekulide oksüdatsioon on peamine energiatootmise allikas enamikes mitte-fotosünteetilistes rakkudes..

Lahustumatud süsivesikud on seotud keerukamate struktuuride loomisega, mis toimivad kaitsena. Näiteks: tselluloos moodustab taimerakkude seina koos hemitsellulooside ja pektiiniga. Kitit moodustab seente rakkude seina ja lülijalgsete exoskeleton.

Samuti moodustab peptidoglükaan bakterite ja tsüanobakterite rakuseina. Loomade sidekoe ja skeleti liigeste moodustavad polüsahhariidid.

Paljud süsivesikud on kovalentselt seotud valkude või lipiididega, moodustades keerukamaid struktuure, mida nimetatakse kollektiivselt glükokonjugaatideks. Need kompleksid toimivad märgistena, mis määravad nende molekulide rakusisese asukoha või metaboolse saatuse

Süsivesikuid sisaldavad toidud

Süsivesikud on tervisliku toitumise oluline osa, kuna need on peamised energiaallikad. Mõnedel toitudel on aga tervislikumad süsivesikud, mis pakuvad suuremat toitaineid, näiteks:

Tärklised

Tärklist sisaldavad toidud on peamine süsivesikute allikas. Need tärklised on üldiselt komplekssed süsivesikud, st need moodustavad paljud suhkrud, mis on omavahel ühendatud, moodustades pika molekulaarse ahela. Sel põhjusel kulub tärkliste lagundamiseks kauem aega.

Seal on palju toitu, mis sisaldavad tärklisi. Teradeks on kõrge tärklisesisaldusega toidud, näiteks oad, läätsed ja riis. Teraviljad sisaldavad ka neid süsivesikuid, näiteks: kaer, oder, nisu ja selle derivaadid (jahu ja pasta) .

Ka kaunviljad ja pähklid sisaldavad tärkliste kujul süsivesikuid. Lisaks sellele on köögiviljad nagu kartul, maguskartul, mais ja kõrvitsad ka tärklisesisaldusega.

Oluline on märkida, et paljud süsivesikud on kiu allikas. See tähendab, et kiud on põhimõtteliselt süsivesikute tüüp, mida keha saab seedida ainult osaliselt.

Sarnaselt keerukatele süsivesikutele kalduvad süsivesikute kiud lagundama aeglaselt.

Puu- ja köögiviljad

Puuviljadel ja köögiviljadel on kõrge süsivesikute sisaldus. Erinevalt tärklistest sisaldavad puuviljad ja köögiviljad lihtsaid süsivesikuid, st süsivesikuid ühe või kahe sahhariidiga, mis on omavahel seotud.

Need süsivesikud, mis on molekulaarstruktuuris lihtsad, lagundatakse kergemini ja kiiremini kui keerulised. See annab ülevaate erinevatest süsivesikute tasemetest ja tüüpidest, mis toidul on.

Seega on mõnedel puuviljadel portsjoni kohta rohkem süsivesikute sisaldust: näiteks banaanid, õunad, apelsinid, melonid ja viinamarjad sisaldavad rohkem süsivesikuid kui mõned köögiviljad nagu spinat, brokkoli ja lehtkapsas, porgand, seened ja baklažaanid.

Piim

Sarnaselt köögiviljadele ja puuviljadele on piimatooted lihtsad süsivesikuid sisaldavad toidud. Piimal on oma suhkur, mida nimetatakse laktoosiks, magusa maitsega disahhariidiks. Üks tass sellest on umbes 12 grammi süsivesikuid.

Turul on palju piima ja jogurtit. Sõltumata sellest, kas tarbite teatud piimarasva täis- või vähendatud rasvasisaldust, on süsivesikute kogus sama.

Maiustused

Maiustused on veel üks tuntud süsivesikute allikas. Nende hulka kuuluvad suhkur, mesi, kommid, kunstlikud joogid, küpsised, jäätis, paljude teiste magustoitude hulgas. Kõik need tooted sisaldavad suurtes kogustes suhkruid.

Mõned töödeldud ja rafineeritud toidud sisaldavad omakorda keerulisi süsivesikuid, näiteks leiba, riisi ja valget pasta. Oluline on märkida, et rafineeritud süsivesikud ei ole nii toituvad kui puuviljad ja köögiviljad.

Süsivesikute ainevahetus

Süsivesikute ainevahetus on metaboolsete reaktsioonide kogum, mis hõlmab süsivesikute moodustumist, lagunemist ja muundamist rakkudes..

Süsivesikute ainevahetus on väga konserveerunud ja seda võib täheldada isegi bakteritest, mille peamiseks näiteks on Lac-operon. E. coli.

Süsivesikud on olulised paljudes ainevahetusradades nagu fotosüntees, mis on kõige olulisem süsivesikute moodustumise reaktsioon looduses..

Süsinikdioksiidist ja veest kasutavad taimed päikeseenergiat süsivesikute molekulide sünteesimiseks.

Loomade ja seente rakud lagundavad omakorda taime kudedes tarbitud süsivesikuid, et saada energiat ATP kujul rakulise hingamise teel..

Selgroogsete puhul transporditakse glükoosi kogu keha kaudu verega. Kui rakulised energiavarud on madalad, laguneb glükoos metaboolse reaktsiooni abil, mida nimetatakse glükolüüsiks, et tekitada vähe energiat ja mõningaid metaboolseid vaheühendeid.

Glükoosimolekule, mida ei ole vaja kohe energia tootmiseks, säilitatakse glükogeenina maksas ja lihastes, mida nimetatakse glükogeneesiks..

Mõnedel lihtsatel süsivesikutel on oma lagunemisteed, nagu mõned keerulisemad süsivesikud. Laktoos nõuab näiteks laktaasiensüümi toimet, mis purustab oma sidemed ja vabastab oma põhilised monosahhariidid, glükoos ja galaktoos..

Glükoos on peamine süsivesik, mida rakud tarbivad, moodustades umbes 80% energiaallikatest.

Glükoos jaotub rakkudesse, kus see võib siseneda läbi spetsiifiliste transportijate, mis lagundatakse või säilitatakse glükogeenina.

Sõltuvalt raku metaboolsetest vajadustest võib glükoosi kasutada ka teiste monosahhariidide, rasvhapete, nukleiinhapete ja teatud aminohapete sünteesimiseks..

Süsivesikute ainevahetuse peamine ülesanne on säilitada veresuhkru taseme kontroll, seda nimetatakse sisemise homeostaasiks.

Viited

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Raku molekulaarbioloogia (6. trükk). Garland Science.
  2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biokeemia (8. väljaanne). W. H. Freeman ja Company.
  3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Bioloogia (2. väljaanne) Pearson Education.
  4. Dashty, M. (2013). Kiire biokeemia: süsivesikute ainevahetus. Kliiniline biokeemia, 46(15), 1339-1352.
  5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molekulaarrakkude bioloogia (8. väljaanne). W. H. Freeman ja Company.
  6. Maughan, R. (2009). Süsivesikute ainevahetus. Operatsioon, 27(1), 6-10.
  7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Lehningeri biokeemia põhimõtted (6)th). W.H. Freeman ja Company.
  8. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Bioloogia (7. ed.) Cengage'i õppimine.
  9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Biokeemia alused: elu molekulaarsel tasandil (5. väljaanne). Wiley.