SACHARIDY: CHEMICKÁ ŠTRUKTÚRA, KLASIFIKÁCIA A FUNKCIE - BIOLÓGIE - 2026

Tieto sacharidy , uhľohydráty alebo sacharidy, sú organické molekuly, ktoré akumulátor energie v živých bytostí. Sú to najbohatšie biomolekuly a zahŕňajú: cukry, škroby a celulózu, okrem iných zlúčenín nájdených v živých organizmoch.

Organizácie, ktoré vykonávajú fotosyntézu (rastliny, riasy a niektoré baktérie), sú hlavnými výrobcami uhľohydrátov v prírode. Štruktúra týchto sacharidov môže byť lineárna alebo rozvetvená, jednoduchá alebo zložená a môžu sa tiež spájať s biomolekulami inej triedy.

Napríklad uhľohydráty sa môžu viazať na proteíny za vzniku glykoproteínov. Môžu sa tiež asociovať s lipidovými molekulami, čím vytvárajú glykolipidy, biomolekuly, ktoré tvoria štruktúru biologických membrán. Sacharidy sú tiež prítomné v štruktúre nukleových kyselín.

Na začiatku boli uhľohydráty rozpoznávané ako molekuly akumulácie bunkovej energie. Následne boli stanovené ďalšie dôležité funkcie, ktoré uhľovodíky plnia v biologických systémoch.

Všetky živé veci majú svoje bunky pokryté hustou vrstvou komplexných uhľohydrátov. Sacharidy sú tvorené monosacharidmi, malé molekuly pozostávajúce z troch až deviatich atómov uhlíka naviazané na hydroxylové skupiny (-OH), ktoré sa môžu meniť veľkosťou a konfiguráciou.

Dôležitou vlastnosťou uhľohydrátov je obrovská štrukturálna diverzita v rámci tejto triedy molekúl, ktorá im umožňuje vykonávať širokú škálu funkcií, ako je generovanie bunkových signalizačných molekúl, vytváranie tkanív a generovanie identity rôznych krvných skupín u ľudí.

Podobne je extracelulárna matrica vo vyšších eukaryotoch bohatá na vylučované uhľohydráty, ktoré sú nevyhnutné pre prežitie buniek a komunikáciu. Tieto mechanizmy rozpoznávania buniek využívajú rôzne patogény na infikovanie svojich hostiteľských buniek.

Monosacharidy môžu byť spojené glykozidovými väzbami za vzniku širokej škály uhľohydrátov: disacharidov, oligosacharidov a polysacharidov. Štúdium štruktúry a funkcie uhľohydrátov v biologických systémoch sa nazýva glykobiológia.

Chemická štruktúra

Sacharidy sú tvorené atómami uhlíka, vodíka a kyslíka. Väčšinu z nich môže predstavovať empirický vzorec (CH2O) n, kde n je počet uhlíkov v molekule. Inými slovami, pomer uhlíka, vodíka a kyslíka je 1: 2: 1 v sacharidových molekulách.

Tento vzorec vysvetľuje pôvod termínu „uhľohydrát“, pretože jeho zložkami sú atómy uhlíka („karbo“) a atómy vody (teda „hydrát“). Hoci uhľohydráty sa skladajú hlavne z týchto troch atómov, niektoré uhľohydráty obsahujú dusík, fosfor alebo síru.

V základnej forme sú uhľohydráty jednoduché cukry alebo monosacharidy. Tieto jednoduché cukry sa môžu navzájom kombinovať a vytvárať zložitejšie sacharidy.

Kombinácia dvoch jednoduchých cukrov je disacharid. Oligosacharidy obsahujú medzi dvoma až desiatimi jednoduchými cukrami a polysacharidy sú najväčšie uhľohydráty, zložené z viac ako desiatich monosacharidových jednotiek.

Štruktúra uhľohydrátov určuje, ako sa energia ukladá v ich väzbách počas ich tvorby fotosyntézou, a tiež ako sa tieto väzby zlomia počas bunkového dýchania.

klasifikácia

monosacharidy

Monosacharidy sú elementárne jednotky uhľohydrátov, a preto sú najjednoduchšou štruktúrou sacharidov. Fyzikálne sú monosacharidy bezfarebné kryštalické pevné látky. Väčšina z nich má sladkú chuť.

Z chemického hľadiska môžu byť monosacharidy aldehydy alebo ketóny, v závislosti od toho, kde sa karbonylová skupina (C = O) nachádza v lineárnych uhľovodíkoch. Monosacharidy môžu štruktúrne tvoriť priame reťazce alebo uzavreté kruhy.

Pretože monosacharidy majú hydroxylové skupiny, väčšina je rozpustná vo vode a nerozpustná v nepolárnych rozpúšťadlách.

V závislosti od počtu uhlíkov vo svojej štruktúre bude mať monosacharid rôzne názvy, napríklad: trióza (ak má 3 atómy uhlíka), pentóza (ak má 5 ° C) atď.

disacharidy

Disacharidy sú dvojité cukry, ktoré vznikajú spojením dvoch monosacharidov v chemickom procese nazývanom dehydratačná syntéza, pretože počas reakcie sa stráca molekula vody. Je tiež známa ako kondenzačná reakcia.

Disacharid je teda akákoľvek látka, ktorá sa skladá z dvoch molekúl jednoduchých cukrov (monosacharidov) spojených glykozidovou väzbou.

Kyseliny majú schopnosť tieto väzby prerušiť, z tohto dôvodu sa disacharidy môžu tráviť v žalúdku.

Disacharidy sú všeobecne po rozpustení vo vode rozpustné a sladké. Tri hlavné disacharidy sú sacharóza, laktóza a maltóza: sacharóza pochádza zo spojenia glukózy a fruktózy; laktóza pochádza zo spojenia glukózy a galaktózy; a maltóza pochádza zo spojenia dvoch molekúl glukózy.

oligosacharidy

Oligosacharidy sú komplexné polyméry vyrobené z niekoľkých jednoduchých jednotiek cukru, to znamená medzi 3 až 9 monosacharidmi.

Reakcia je rovnaká ako pri vzniku disacharidov, ale tiež pochádza z rozkladu zložitejších molekúl cukru (polysacharidy).

Väčšina oligosacharidov sa nachádza v rastlinách a pôsobí ako rozpustná vláknina, čo môže pomôcť zabrániť zápche. Väčšina ľudí však nemá enzýmy na ich trávenie, s výnimkou maltotriózy.

Z tohto dôvodu sa oligosacharidy, ktoré sa pôvodne netrávia v tenkom čreve, môžu štiepiť baktériami, ktoré normálne obývajú hrubé črevo fermentačným procesom. Prebiotiká plnia túto funkciu a slúžia ako potrava pre prospešné baktérie.

polysacharidy

Polysacharidy sú najväčšie sacharidové polyméry, sú tvorené z viac ako 10 (až tisícok) monosacharidových jednotiek usporiadaných lineárne alebo rozvetveným spôsobom. Rozdiely v priestorovom usporiadaní spôsobujú týmto cukrom viacnásobné vlastnosti.

Polysacharidy sa môžu skladať z rovnakého monosacharidu alebo z kombinácie rôznych monosacharidov. Ak sú tvorené opakujúcimi sa jednotkami toho istého cukru, nazývajú sa homopolysacharidy, ako je glykogén a škrob, ktoré sú zásobnými sacharidmi zvierat a rastlín.

Ak je polysacharid tvorený jednotkami rôznych cukrov, nazývajú sa heteropolysacharidy. Väčšina z nich obsahuje iba dve rôzne jednotky a zvyčajne sú spojené s proteínmi (glykoproteíny, ako je gama globulín v krvnej plazme) alebo lipidmi (glykolipidy, ako sú gangliozidy).

Vlastnosti

Štyri hlavné funkcie uhľohydrátov sú: dodávanie energie, ukladanie energie, vytváranie makromolekúl a zabránenie rozkladu bielkovín a tukov.

Sacharidy sa rozkladajú trávením na jednoduché cukry. Tieto sú absorbované bunkami tenkého čreva a sú transportované do všetkých buniek tela, kde budú oxidované, aby získali energiu vo forme adenozíntrifosfátu (ATP).

Molekuly cukru, ktoré sa nepoužívajú pri výrobe energie v danom okamihu, sa ukladajú ako súčasť rezervných polymérov, ako je glykogén a škrob.

Nukleotidy, základné jednotky nukleových kyselín, majú vo svojej štruktúre molekuly glukózy. S molekulami uhľohydrátov je spojených niekoľko dôležitých proteínov, napríklad hormón stimulujúci folikuly (FSH), ktorý sa podieľa na ovulačnom procese.

Pretože uhľohydráty sú hlavným zdrojom energie, ich rýchla degradácia zabraňuje degradácii iných biomolekúl na energiu. Ak sú teda hladiny cukru normálne, proteíny a lipidy sú chránené pred degradáciou.

Niektoré uhľohydráty sú rozpustné vo vode, fungujú ako základné jedlo takmer v každom a oxidácia týchto molekúl je hlavnou cestou výroby energie vo väčšine ne-fotosyntetických buniek.

Nerozpustné uhľohydráty sa spájajú a tvoria zložitejšie štruktúry, ktoré slúžia ako ochrana. Napríklad: celulóza tvorí stenu rastlinných buniek spolu s hemicelulózami a pektínom. Chitín tvorí bunkovú stenu húb a exoskeleton článkonožcov.

Peptidoglykán tiež vytvára bunkovú stenu baktérií a cyanobaktérií. Spojivové tkanivá zvierat a kostrové kĺby sa skladajú z polysacharidov.

Mnoho uhľohydrátov sa kovalentne viaže na proteíny alebo lipidy tvoriace komplexnejšie štruktúry, súhrnne nazývané glykokonjugáty. Tieto komplexy pôsobia ako prívesky, ktoré určujú intracelulárne umiestnenie alebo metabolický osud týchto molekúl.

Potraviny, ktoré obsahujú uhľohydráty

Sacharidy sú nevyhnutnou súčasťou zdravej výživy, pretože sú hlavným zdrojom energie. Niektoré potraviny však obsahujú zdravšie uhľohydráty, ktoré ponúkajú väčšie množstvo živín, napríklad:

škroby

Škrobové potraviny sú hlavným zdrojom uhľohydrátov. Tieto škroby sú zvyčajne komplexné uhľohydráty, to znamená, že sú tvorené mnohými cukrami, ktoré sú spolu spojené, aby vytvorili dlhý molekulový reťazec. Z tohto dôvodu strávia škroby trávenie dlhšie.

Existuje široká škála potravín, ktoré obsahujú škroby. Zrná zahŕňajú potraviny s vysokým obsahom škrobu, napríklad: fazuľa, šošovica a ryža. Obilniny tiež obsahujú tieto uhľohydráty, napríklad: ovos, jačmeň, pšenica a ich deriváty (múka a cestoviny).

Strukoviny a orechy tiež obsahujú uhľohydráty vo forme škrobov. Okrem toho zelenina ako: zemiaky, sladké zemiaky, kukurica a tekvica sú tiež bohaté na obsah škrobu.

Dôležité je, že veľa sacharidov je zdrojom vlákniny. Inými slovami, vláknina je v podstate typom uhľohydrátov, ktoré telo môže stráviť iba čiastočne.

Podobne ako komplexné uhľohydráty majú uhľohydrátové vlákna tendenciu pomaly sa tráviť.

Ovocie a zelenina

Ovocie a zelenina majú vysoký obsah uhľohydrátov. Na rozdiel od škrobov obsahuje ovocie a zelenina jednoduché uhľohydráty, to znamená uhľohydráty s jedným alebo dvoma sacharidmi, ktoré sú navzájom spojené.

Tieto uhľovodíky, ktoré majú jednoduchú molekulárnu štruktúru, sa trávia ľahšie a rýchlejšie ako komplexné. To dáva predstavu o rôznych hladinách a druhoch uhľohydrátov v potravinách.

Niektoré druhy ovocia majú teda na jednu porciu väčší obsah uhľohydrátov: napríklad banány, jablká, pomaranče, melóny a hrozno majú viac uhľohydrátov ako niektoré druhy zeleniny, napríklad špenát, brokolica a kel, mrkva, huby a baklažány.

mlieko

Podobne ako zelenina a ovocie, aj mliečne výrobky sú potraviny, ktoré obsahujú jednoduché sacharidy. Mlieko má svoj vlastný cukor nazývaný laktóza, sladko-chutnajúci disacharid. Jedna šálka z toho zodpovedá asi 12 gramom uhľohydrátov.

Na trhu existuje veľa verzií mlieka a jogurtov. Bez ohľadu na to, či konzumujete celú mliečnu verziu so zníženým obsahom tukov, množstvo uhľohydrátov bude rovnaké.

Sladkosti

Sladkosti sú ďalším dobre známym zdrojom uhľohydrátov. Patria medzi ne cukor, med, cukríky, umelé nápoje, sušienky, zmrzlina a mnoho ďalších dezertov. Všetky tieto výrobky obsahujú vysoké koncentrácie cukrov.

Na druhej strane, niektoré spracované a rafinované potraviny obsahujú komplexné uhľohydráty, napríklad: chlieb, ryža a biele cestoviny. Je dôležité poznamenať, že rafinované uhľohydráty nie sú výživné ako uhľohydráty nachádzajúce sa v ovocí a zelenine.

Metabolizmus uhľohydrátov

Metabolizmus uhľohydrátov je skupina metabolických reakcií, ktoré zahŕňajú tvorbu, degradáciu a konverziu uhľohydrátov v bunkách.

Metabolizmus uhľohydrátov je vysoko konzervovaný a možno ho pozorovať dokonca aj od baktérií, hlavným príkladom je Lac Operon E. coli.

Sacharidy sú dôležité v mnohých metabolických cestách vrátane fotosyntézy, najdôležitejšej reakcie tvorby uhľohydrátov v prírode.

Z oxidu uhličitého a vody rastliny využívajú energiu zo slnka na syntézu molekúl uhľohydrátov.

Živočíšne a plesňové bunky rozkladajú uhľovodíky, ktoré sa spotrebúvajú v rastlinných tkanivách, aby získali energiu vo forme ATP prostredníctvom procesu nazývaného bunkové dýchanie.

U stavovcov sa glukóza transportuje krvou do celého tela. Ak sú zásoby bunkovej energie nízke, glukóza sa rozkladá metabolickou reakciou nazývanou glykolýza, aby sa vytvorila určitá energia a niektoré metabolické medziprodukty.

Molekuly glukózy, ktoré nie sú potrebné na okamžitú výrobu energie, sa ukladajú ako glykogén v pečeni a svale prostredníctvom procesu nazývaného glykogenéza.

Niektoré jednoduché uhľohydráty majú svoje vlastné cesty rozkladu, ako niektoré zložitejšie uhľohydráty. Napríklad laktóza vyžaduje pôsobenie enzýmu laktáza, ktorý prerušuje jeho väzby a uvoľňuje základné monosacharidy, glukózu a galaktózu.

Glukóza je hlavný sacharid spotrebovaný bunkami, predstavuje približne 80% energetických zdrojov.

Glukóza sa distribuuje do buniek, kde môže vstúpiť cez špecifické transportéry, ktoré sa degradujú alebo ukladajú ako glykogén.

V závislosti od metabolických požiadaviek bunky sa glukóza môže tiež použiť na syntézu ďalších monosacharidov, mastných kyselín, nukleových kyselín a určitých aminokyselín.

Hlavnou funkciou metabolizmu uhľohydrátov je udržiavanie kontroly nad hladinou cukru v krvi, čo sa nazýva vnútorná homeostáza.

Referencie

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Molecular Biology of Cell (6. vydanie). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biochemistry (8. vydanie). WH Freeman and Company.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biológia (2. vydanie) Pearson Education.
4. Dashty, M. (2013). Stručný prehľad o biochémii: metabolizmus uhľohydrátov. Clinical Biochemistry, 46 (15), 1339-1352.
5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molecular Celí Biology (8. vydanie). WH Freeman and Company.
6. Maughan, R. (2009). Metabolizmus uhľohydrátov. Surgery, 27 (1), 6-10.
7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Lehninger Základy biochémie (6 ^th ). WH Freeman and Company.
8. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biológia (7. vydanie) Cengage Learning.
9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Základy biochémie: Život na molekulárnej úrovni (5. vydanie). Wiley.