Cząsteczki węglowodanów: struktura, różne typy i przykłady

Wiele naturalnych materiałów to polimery, w tym celuloza drewna i węglowodany zawarte w żywności. Nazywane są one biopolimerami i są gigantycznymi cząsteczkami zbudowanymi z łańcuchów lub sieci połączonych małych cząsteczek organicznych. Cztery z najważniejszych klas cząsteczek biologicznych to białka, lipidy, kwasy nukleinowe i węglowodany. Ten artykuł zawiera ogólny przegląd atomów węgla zwanych węglowodanami, czym one są i dlaczego są ważne.

Jak sama nazwa wskazuje, węglowodany to hydraty węgla. Oznacza to, że mają węgiel, wodór i tlen. Ogólnie wzór na cząsteczkę węglowodanu to CH₂O, a stosunek pierwiastkowy dla węglowodanu wynosi 1:2:1 dla C: H:O.

Zrobićpolimerwszelkiego rodzaju, potrzebujesz monomerów. Monomery to pojedyncze jednostki, które są budulcem dłuższego łańcucha. Monomery węglowodanów to monosacharydy. Monosacharydy można znaleźć w prostym łańcuchu węglowym lub w pierścieniu. Wszystkie monosacharydy mają wzór C₆H₁₂O₆. Jako takie są izomerami strukturalnymi. Przykłady różnych monosacharydów zostaną podane w sekcji poniżej. Monosacharydy to tak zwane cukry proste.

Disacharydy powstają w wyniku reakcji odwodnienia, która pozwala na połączenie się monosacharydów. Dalsze odwadnianie skutkuje dodaniem większej ilości monomerów z wytworzeniem polisacharydu.

Węglowodany proste nazywane są cukrami prostymi. Polisacharydy to tak zwane węglowodany złożone. Chemicznie oznacza to trzy lub więcej połączonych cukrów. Przykłady powszechnych disacharydów i polisacharydów podano poniżej.

Glukoza jest najczęstszym węglowodanem i jednym z najważniejszych. Glukoza to aldoza (w postaci łańcucha zawiera aldehyd) i heksoza (cukier sześciowęglowy). W roztworze wodnym glukoza występuje głównie w formie cyklicznej.

Glukoza jest wytwarzana przez rośliny podczas fotosyntezy przy użyciu dwutlenku węgla i światła słonecznego. Cząsteczki glukozy są przetwarzane na skrobię do przechowywania w roślinach. Ludzie otrzymują glukozę, jedząc rośliny.

Ludzie wykorzystują glukozę jako energię. Procesy glikolizy i oddychania komórkowego pozwalają komórce rozkładać cząsteczki glukozy, co jest sposobem na pozyskiwanie energii z jedzenia, które spożywasz. W wyniku oddychania komórkowego regenerujesz cząsteczki ATP, które są walutą energetyczną organizmu.

Fruktoza to kolejny powszechny monosacharyd. Być może słyszałeś o „wysokiej fruktozie” w żywności i napojach. To jest fruktoza, o której mówią! Fruktoza jest heksozą, podobnie jak glukoza, ale jest to ketoza zamiast aldozy. Zwykły cukier stołowy to dwucukier złożony z cząsteczki glukozy i cząsteczki fruktozy. Cukier stołowy jest chemicznie znany jako sacharoza i możesz przeczytać więcej na ten temat poniżej.

Galaktoza to kolejny monosacharyd, który jest aldozą i heksozą. Jest powszechnie spotykany jako monosacharyd w grochu.

Galaktozemia to choroba, w której nie występuje enzym potrzebny do przekształcenia galaktozy w glukozę. To duży problem dla noworodków, jeśli nie zostanie złapany wcześnie. Bez tego enzymu poziom galaktozy we krwi jest wysoki i może powodować różne objawy, w tym utratę wagi i żółtaczkę. Jeśli zostaną wykryte wcześnie, wszystkie źródła galaktozy można usunąć z diety dziecka. W końcu dziecko opracowuje alternatywną ścieżkę metabolizowania galaktozy.

Być może słyszałeś o tym cukrze jako części innego rodzaju ważnej makrocząsteczki biologicznej: kwasów nukleinowych. Ryboza i dezoksyryboza są ważnymi częściami kwasów nukleinowych. Tworzą szkielet cukrowo-fosforanowy. Ryboza znajduje się w RNA, a dezoksyryboza w DNA.

Disacharydy powstają przez areakcja na odwodnienie. Na przykład, gdy dwie cząsteczki glukozy tworzą disacharyd, grupa alkoholowa jednej glukozy i wodór z grupy alkoholowej innego alkoholu tworzą wodę. Pozostaje wiązanie poprzez tlen między dwoma monomerami. To wiązanie nazywa się wiązaniem glikozydowym lub wiązaniem glikozydowym.

Disacharydy nie mogą być metabolizowane przez ludzi. Dlaczego? Cóż, disacharyd jest zbyt duży, aby przejść przez błonę komórkową. W rezultacie wszelkie disacharydy (lub większe łańcuchy) muszą najpierw zostać rozłożone przez enzym. Następnie składowe monosacharydy mogą być metabolizowane.

Prawdopodobnie dobrze znasz sacharozę. Sacharoza jest również znana jako cukier stołowy lub po prostu cukier. Sacharoza to cukier, który dodajesz do mieszanki, gdy próbujesz upiec ciasto.

Sacharoza powstaje, gdy glukoza i fruktoza tworzą dwucukier. Ponieważ fruktoza jest słodsza niż sacharoza, gdy sacharoza jest hydrolizowana na jej części składowe, roztwór staje się jeszcze słodszy. Pszczoły hydrolizują sacharozę do glukozy i fruktozy. Dlatego miód jest taki słodki.

Aby rozłożyć sacharozę, musisz mieć enzym sacharozę.

Laktoza to cukier znajdujący się w mleku. Występuje w mleku ludzi i innych ssaków. Laktoza składa się z galaktozy i glukozy. Nie jest tak słodki jak sacharoza (jak można się domyślić, ponieważ mleko nie jest tak słodkie jak cukier!).

Aby rozłożyć laktozę na części składowe, potrzebny jest enzym laktaza. Osoby, które nie mają laktazy, są określane jako „nietolerujący laktozy”. Wiele osób nie toleruje laktozy; po prostu mogą o tym nie wiedzieć.

Maltoza to disacharyd utworzony przez dwa monomery glukozy. Aby rozłożyć maltozę, organizm ludzki potrzebuje enzymu maltazy.

Polisacharydy to łańcuchy monosacharydów połączone wieloma wiązaniami glikozydowymi. Polisacharydy są najobficiej występującymi cząsteczkami węglowodanów w żywych organizmach, ponieważ pełnią różne funkcje, w tym zapewniają strukturę roślinom i magazynują energię.

Powstają w wyniku reakcji między grupą alkoholową (-OH) jednej cząsteczki glukozy a grupą alkoholową innej cząsteczki glukozy, tworząc wiązania. Wiązania te powstają w kółko między monosacharydami. Ten rodzaj reakcji nazywa się reakcją polimeryzacji kondensacyjnej (lub syntezą odwodnienia) ponieważ cząsteczka wody powstaje z grupy funkcyjnej OH jednego alkoholu, a H z drugiego alkohol.

Skrobia jest jednym z najważniejszych węglowodanów, ponieważ stanowi dużą część diety człowieka. Skrobia to polimer, który przechowuje glukozę w roślinach, zwłaszcza bulwach (pomyśl ziemniaki). Podczas gdy ludzie mogą jeść skrobię w celu uzyskania energii, rośliny mogą również rozkładać skrobię i wykorzystywać glukozę jako energię, gdy nie mogą tak bardzo fotosyntetyzować.

Ten polisacharyd składa się z amylozy (łańcuchy glukozy) i amylopektyny (rozgałęzione łańcuchy glukozy).

Aby rozłożyć skrobię, organizm ludzki wykorzystuje wiele enzymów zwanych łącznie amylazami. Enzymy te rozkładają długie łańcuchy skrobi na mniejsze jednostki, które organizm ludzki może metabolizować. Amylazy można znaleźć w ustach. Dlatego trawienie zaczyna się w twoich ustach.

Celuloza to węglowodan występujący w roślinach. Jest ważnym składnikiem strukturalnym ścian komórek roślinnych. Można go również znaleźć w różnych włóknach roślinnych, takich jak bawełna. Bez celulozy rośliny byłyby o wiele bardziej zwiotczałe.

Celuloza to liniowy polimer glukozy. Szczególna konformacja wiązań glikozydowych w celulozie nie jest przyswajalna przez ludzi. W związku z tym ludzie mogą jeść skrobię, ale nie celulozę.

Glikogen to polisacharyd, którego zwierzęta używają do przechowywania energii. Glikogen, który składa się z silnie rozgałęzionych łańcuchów glukozy, jest magazynowany głównie w wątrobie. Kiedy nic nie jesz lub jesteś na czczo, twoje ciało wykorzystuje glikogen znajdujący się w tych sklepach, aby uzyskać glukozę, której potrzebujesz jako źródło energii.