Conţinutul principal

Curs: Biblioteca de biologie > Unitatea 5

Lecția 2: Carbohidrații

Carbohidrați

Prezentare generală a carbohidraților, inclusiv a structurii și proprietăților monozaharidelor, dizaharidelor și polizaharidelor.

Introducere

Ce se află într-un cartof? În afară de apă, care reprezintă cea mai mare parte din greutatea cartofului, există puțină grăsime, puține proteine... și o mulțime de carbohidrați (aproximativ 37 de grame într-un cartof de mărime medie).

Unii din acei carbohidrați se găsesc sub formă de zaharuri. Aceștia îi asigură cartofului, deci și persoanei care consumă cartoful, o sursă de energie. O cantitate mai mare din carbohidrații cartofului se găsesc sub formă de fibre, inclusiv polimeri de celuloză, care intră în structura pereților celulari ai cartofului. Însă majoritatea carbohidraților sunt sub formă de amidon, lanțuri lungi de molecule de glucoză legate, care reprezintă o formă de stocare a energiei. Când mănânci cartofi prăjiți, chips-uri, cartofi copți, cu toate condimentele, enzimele din tubul tău digestiv acționează asupra lanțurilor lungi de glucoză, separându-le în zaharuri mai mici, pe care le pot utiliza celulele tale.

Carbohidrații sunt molecule biologice care conțin carbon, hidrogen și oxigen, în raport de aproximativ un atom de carbon (

C

) la o moleculă de apă (

H_{2} O

). Această structură le conferă carbohidraților numele lor: sunt alcătuiți din carbon (carbo) plus apă (-hidrat). Lanțurile de carbohidrați pot avea lungimi diferite și carbohidrații importanți din punct de vedere biologic se împart în trei categorii: monozaharide, dizaharide și polizaharide. În acest articol, vom afla mai multe despre fiecare tip de carbohidrați, cât și despre rolurile energetice esențiale și structurale pe care le joacă în organismul uman, cât și în alte organisme.

Monozaharide

Monozaharidele (mono=„un”, zaharid-=„zahar”) sunt zaharuri simple, dintre care cel mai comun este glucoza. Monozaharidele au o formulă

({CH}_{2} O)_{n}

și conțin, de obicei, între trei și șapte atomi de carbon.

Toți carbohidrații au o formulă de aproape un atom de

C

pentru fiecare

H_{2} O

echivalent.

Totuși, doar monozaharidele au o formulă care constă din exact un atom de

C

pentru fiecare

H_{2} O

echivalent.

Asta se datorează faptului că formarea unei polizaharide cauzează pierderea unor atomi de

H

și de

O

, prin reacții de sinteză prin deshidratare (fără pierdere de atomi de

C

), modificând puțin raportul.

Majoritatea atomilor de oxigen din monozaharide se găsesc în grupările hidroxil (

OH

), dar unul dintre ei face parte din gruparea carbonil (

C = O

). Poziția grupării carbonil (

C = O

) poate fi folosită pentru a clasifica zaharurile:

Dacă zaharul are o grupare aldehidă, adică C-ul din carbonil este ultimul din lanț, este cunoscut ca o aldoză.
Dacă C-ul din carbonil se găsește în interiorul lanțului, astfel încât să existe alți carboni de ambele laturi ale sale, formează o grupre cetonă și zaharul se numește cetoză.

Zaharurile sunt numite și după numărul lor de atomi de carbon: unele din cele mai comune tipuri sunt triozele (trei atomi de carbon), pentozele (cinci atomi de carbon) și hexozele (șase atomi de carbon).

Tabel modificat din OpenStax Biology.

Glucoza și izomerii săi

O monozaharidă importantă este glucoza, un zahar care conține șase carboni cu formula

C_{6} H_{12} O_{6}

. Alte monozaharide comune sunt galactoza (care face parte din lactoză, zaharul care se găsește în lapte) și fructoza (găsită în fructe).

Glucoza, galactoza și fructoza au aceeași formulă chimică (

C_{6} H_{12} O_{6}

), dar diferă în organizarea atomilor, ceea ce îi face să fie izomeri unii altora. Fructoza este un izomer structural al glucozei și galactozei, ceea ce înseamnă că atomii săi sunt legați într-o ordine diferită.

Glucoza și galactoza sunt stereoizomeri unii altuia: atomii lor sunt legați în aceeași ordine , dar au o organizare 3D a atomilor din jurul unuia din carbonii asimetrici. Poți vedea acest lucru în diagramă, ca o modificare în orientarea grupării hidroxil (

OH

), marcată în roșu. Această diferență mică este suficientă pentru ca enzimele să deosebească glucoza de galactoză, alegând doar unul din zaharuri pentru a participa în reacțiile chimice

^{1}

Forme inelare ale zaharurilor

Probabil că ați observat faptul că zaharurile despre care am vorbit până acum sunt molecule liniare (lanțuri drepte). Acest lucru poate părea ciudat, deoarece zaharurile sunt adesea desenate sub formă inelară. După cum se dovedește, ambele sunt corecte: multe zaharuri care conțin cinci sau șase atomi de carbon pot exista atât ca un lanț drept, cât și ca una sau mai multe forme inelare.

Aceste forme sunt în echilibru unele cu altele, dar echilibrul favorizează puternic structurile inelare (în special în soluții apoase sau bazate pe apă). De exemplu, în soluție, configurația principală a glucozei este un inel cu șase carboni. Peste 99% din glucoză se găsește, de obicei, sub această formă

^{3}

Chiar și atunci când glucoza este sub forma unui inel cu șase carboni, poate apărea în două forme diferite, cu proprietăți diferite. În timpul formării inelului,

O

din carbonil, care este transformat într-o grupare hidroxil, va fi prins fie „deasupra” inelului (de aceeași parte cu grupul

{CH}_{2} OH

), fie „dedesubtul” inelului (pe partea opusă a acestei grupări). Când hidroxilul este jos se spune că glucoza este în forma ei alfa (α), iar când este sus se spune că glucoza este în forma ei beta (β).

Tabel modificat din OpenStax Biology.

Dizaharide

Dizaharidele (di-= „două”) se formează atunci când două monozaharide se unesc printr-o reacție de deshidratare, cunoscută și sub numele de reacție de condensare ori de deshidratare. În acest proces, gruparea hidroxil a unei monozaharide se combină cu hidrogenul alteia, eliberând o moleculă de apă și formând o legătură covalentă, cunoscută sub numele de legătură glicozidică.

De exemplu, diagrama de mai jos prezintă monomerii glucozei și fructozei combinându-se pentru a forma zaharoza, un dizaharid pe care noi îl cunoaștem sub numele de zahăr. (Reacția eliberează, de asemenea, o moleculă de apă, care nu este ilustrată.)

În unele cazuri, este important să știm care carboni din cele două inele de de zahar sunt legați printr-o legătură glicozidică. Fiecare atom de carbon dintr-o monozaharidă primește un număr, începând cu carbonul terminal care este cel mai aproape de gruparea carbonil (când zahărul este în forma sa liniară). Această numerotare este prezentată mai sus pentru glucoză și fructoză. Într-o moleculă de zaharoză, carbonul

1

al glucozei este legat la carbonul

2

al fructozei, așa că această legătură se numește legătură

1

-

2

glicozidică.

Dizaharide comune includ lactoza, maltoza și zaharoza. Lactoza este un dizaharid format din glucoză și galactoză și se găsește, în mod natural, în lapte. Mulți oameni nu pot digera lactoza la maturitate, rezultând în intoleranța la lactoză (cu care tu sau prietenii tăi s-ar putea să fiți familiari). Maltoza, sau zahărul de malț, este o dizaharidă formată din două molecule de glucoză. Cea mai comună dizaharidă este zaharoza (zahărul de masă), care este formată din glucoză și fructoză.

Polizaharide

Un lanț lung de monozaharide legate prin legături glicozidice se numește polizaharidă (poli-=„multe”). Lanțul poate fi ramificat sau neramificat și poate conține diferite tipuri de monozaharide. Masa moleculară a unei polizaharide poate fi destul de mare, atingând

100,

000

daltoni sau mai mult dacă se unesc destui monomeri. Amidonul, glicogenul, celuloza și chitina sunt câteva exemple majore de polizaharide importante din organismele vii.

Polizaharide de stocare

Amidonul este forma stocată a zaharurilor din plante și este format din amestecul a două polizaharide, amiloză și amilopectină (ambii fiind polimeri ai glucozei). Plantele pot sintetiza glucoza, cu ajutorul energiei luminoase, în procesul fotosinteză, iar excesul de glucoză, pe lângă nevoile energetice imediate ale plantei, este stocat sub formă de glucoză în diferite părți ale plantei, inclusiv în rădăcini și semințe. Amidonul din semințe asigură hrana embrionului când germinează și poate servi, de asemenea, ca sursă de hrană pentru oameni și animale, care o să-l descompună în monomeri de glucoză, cu ajutorul enzimelor digestive.

În amidon, monomerii de glucoză sunt în forma α (cu gruparea hidroxil a carbonului fiind dedesubtul inelului) și sunt legați în principal prin legături

1

-

4

glicozidice (legături în care atomii de carbon

1

și

4

ai celor doi monomeri formează o legătură glicozidică).

Amiloza constă în totalitate din lanțuri neramificate, formate din monomeri de glucoză, conectați prin legături $1$ ‍ $-$ ‍ $4$ ‍.
Amilopectina este o polizaharidă ramificată. Deși majoritatea monomerilor săi sunt legați prin legături $1$ ‍ $-$ ‍ $4$ ‍, legături suplimentare $1$ ‍ $-$ ‍ $6$ ‍ apar periodic și rezultă în puncte de ramificare.

Datorită modului în care sunt unite subunitățile, lanțurile de glucoză din amiloză și amilopectină au, de obicei, o structură spiralată, cum este ilustrat în diagrama de mai jos.

Acest lucru e minunat pentru plante, dar cum rămâne cu noi? Glicogenul este forma de stocare a glucozei la oameni și la alte vertebrate. Ca amidonul, glicogenul este un polimer al monomerilor de glucoză și este chiar mai puternic ramificat decât amilopectina.

Glicogenul este de obicei stocat în ficat și în celulele musculare. Ori de câte ori scade nivelul glucozei din sânge, glicogenul este descompus prin hidroliză ca să elibereze monomeri de glucoză, pe care celulele le absorb și le folosesc.

Polizaharide structurale

Deși polizaharidele sunt importante pentru depozitarea energiei, ele joacă și un alt rol esențial: asigurarea structurii. Celuloza, de exemplu, este o componentă majoră a pereților celulari ai plantei, care sunt structuri rigide ce învelesc celula (și ajută salata verde și alte legume să fie crocante). Lemnul și hârtia sunt alcăuite în principal din celuloză, iar celuloza, la rândul său, este formată din rețele de monomeri de glucoză, unite prin legături

1

-

4

glicozidice.

Spre deosebire de amiloză, celuloza este formată din monomeri de glucoză în forma lor β, iar acest lucru îi oferă proprietăți diferite. După cum este reprezentat în figura de mai sus, fiecare al doilea monomer de glucoză este răsturnat în relație cu vecinii săi și aceasta conduce la rețele lungi, drepte, nespiralate de celuloză. Aceste lanțuri se grupează împreună pentru a forma legături paralele, care sunt ținute laolaltă de legături de hidrogen între grupările hidroxil

^{4, 5}

. Acest lucru îi conferă celulozei rigiditatea și rezistență mare la rupere, proprietăți importante pentru celulele unei plante.

Legăturile β glicozidice din celuloză nu pot fi descompuse de enzimele digestive umane, deci oamenii nu pot digera celuloza. (Acest lucru nu înseamnă că celuloza nu se găsește în dieta noastră, ci doar că trece prin noi ca și cum ar fi o fibră nedigerată, insolubilă.) Cu toate acestea, unele erbivore, precum vacile, urșii koala, bivolii și caii au microorganisme speciale care îi ajută să proceseze celuloza. Aceste microorganisme trăiesc în tubul digestiv și descompun celuloza în monomeri de glucoză care pot fi folosiți de animal. Termitele mâncătoare de lemn descompun, de asemenea, celuloza cu ajutorul microorganismelor care trăiesc în intestinele lor.

Celuloza este specifică plantelor, dar polizaharidele joacă un rol structural important și în cazul speciilor nevegetale. De exemplu, artropodele (ca insectele și crustaceele) au un schelet extern dur numit exoschelet, care le protejează părțile interne, mai sensibile. Acest exoschelet este format din macromolecula chitină, care este asemănătoare celulozei, dar este formată din unități de glucoză modificate ce conțin un grup funcțional de azot. Chitina este o componentă majoră a pereților celulari ai fungilor, care nu sunt nici animale, nici plante, ci formează propriul lor regn.

Surse:

Articolul este un derivat modificat al „Carbohydrates”, de OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Descarcă gratuit articolul original de la http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:11/Biology.

Articolul modificat este licențiat sub o licență CC-BY-NC-SA 4.0.

Lucrări citate:

U.S. Department of Agriculture, Agricultural Research Service. (2014). Basic report: 11352, potatoes, flesh and skin, raw. În USDA national nutrient database for standard reference (numărul 27). Accesat la http://ndb.nal.usda.gov/ndb/foods/show/3115?fgcd=&manu=&lfacet=&format=&count=&max=35&offset=&sort=&qlookup=11352.
Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B. și Singer, S. R. (2014). Sugar isomers have structural differences. În Biology (ed. 10, ed. AP, p. 38). New York, NY: McGraw-Hill.
Glucose. (7 iulie 2015). Accesat pe 24 iulie 2015 pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Glucose.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. și Jackson, R. B. (2011). Structural polysaccharides. În Campbell biology (ed. 10, p. 71). San Francisco, CA: Pearson.
Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H. și Heller, H. C. (2003). 3.16. Representative polysaccharides. În Life: The science of biology (ed. 7, p. 49). Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.

Referințe suplimentare:

Amylase. (16 iunie 2015). Accesat pe 24 iulie 2015 pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Amylase.

Bowen, R. (16 aprilie 2006). Absorption of monosaccharides. În Pathophysiology of the digestive system (small intestine). Accesat la http://www.vivo.colostate.edu/hbooks/pathphys/digestion/smallgut/absorb_sugars.html.

Glucose. (7 iulie 2015). Accesat pe 24 iulie 2015 pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Glucose.

Monosaccharide. (5 iulie 2015). Accesat pe 24 iulie 2015 pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Monosaccharide.

Monosaccharides. (12 noiembrie 2014). Accesat pe 24 iulie 2015 pe Wikibooks: https://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Carbohydrates/Monosaccharides.

Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H. și Heller, H. C. (2003). Polysaccharides serve as energy stores or structural materials. În Life: The science of biology (ed. 7, p. 48). Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B. și Singer, S. R. (2014). Carbohydrates: Energy storage and structural molecules. În Biology (ed. 10, ed. AP, p. 38-41). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. și Jackson, R. B. (2011). Carbohydrates serve as fuel and building material. În Campbell biology (ed. 10, p. 68-72). San Francisco, CA: Pearson.

Starch. (23 iulie 2015). Accesat pe 24 iulie 2015 pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Starch.

Stereoisomerism. (24 iunie 2015). Accesat pe 24 iulie 2015 pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Stereoisomerism.

Structural isomer. (22 mai 2015). Accesat pe 24 iulie 2015 pe Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Structural_isomer.

U.S. Department of Agriculture, Agricultural Research Service. (2014). Basic report: 11352, potatoes, flesh and skin, raw. În USDA national nutrient database for standard reference (numărul 27). Accesat la http://ndb.nal.usda.gov/ndb/foods/show/3115?fgcd=&manu=&lfacet=&format=&count=&max=35&offset=&sort=&qlookup=11352.

Vrei să te alături conversației?

Conectare

Ordonare după:

Nici o postare încă.

Înțelegi engleza? Dă clic aici pentru a vedea mai multe discuții care au loc pe site-ul în limba engleză al Khan Academy.