الكربوهيدرات التركيب الكيميائي والتصنيف والوظائف

ال الكربوهيدرات, الكربوهيدرات أو السكريات ، هي جزيئات عضوية تخزن الطاقة في الكائنات الحية. وهي الجزيئات الحيوية الأكثر وفرة وتشمل: السكريات والنشويات والسليلوز ، من بين المركبات الأخرى الموجودة في الكائنات الحية.

الكائنات الحية التي تنفذ عملية التمثيل الضوئي (النباتات والطحالب وبعض البكتيريا) هي المنتج الرئيسي للكربوهيدرات في الطبيعة. يمكن أن يكون هيكل هذه السكريات خطيًا أو متفرعًا أو بسيطًا أو مركبًا ويمكن أن يرتبط أيضًا بجزيئات حيوية من نوع آخر.

على سبيل المثال ، يمكن للكربوهيدرات ربط البروتينات لتشكيل البروتينات السكرية. يمكن أيضًا ربطها بجزيئات الدهون ، وتشكيل جليكوليبيدات ، وهي جزيئات حيوية تشكل بنية الأغشية البيولوجية. الكربوهيدرات موجودة أيضا في بنية الأحماض النووية.

في البداية ، تم التعرف على الكربوهيدرات باعتبارها جزيئات تخزين الطاقة الخلوية. بعد ذلك ، تم تحديد الوظائف الهامة الأخرى التي تؤديها الكربوهيدرات في النظم البيولوجية.

جميع الكائنات الحية لديها خلاياها مغطاة بطبقة كثيفة من الكربوهيدرات المعقدة. تتكون الكربوهيدرات من أحادي السكاريد ، وهي جزيئات صغيرة تتكون من ثلاث إلى تسع ذرات كربون مرتبطة بمجموعات الهيدروكسيل ، والتي يمكن أن تختلف في الحجم والتكوين.

من الخصائص الهامة للكربوهيدرات التنوع الهيكلي الهائل داخل هذه الفئة من الجزيئات ، والتي تتيح لها أداء مجموعة واسعة من الوظائف مثل توليد جزيئات إشارات الخلايا ، وتشكيل الأنسجة وتوليد هوية مجموعات الدم المختلفة في البشر..

وبالمثل ، فإن المصفوفة خارج الخلية في حقيقيات النوى الأعلى غنية بالكربوهيدرات المفرزة ، وهي ضرورية لبقاء الخلية والتواصل. يتم تسخير آليات التعرف على الخلايا بواسطة مجموعة متنوعة من مسببات الأمراض لإصابة خلاياها المضيفة.

يمكن ربط السكريات الأحادية بواسطة روابط جليكوسيدية لتشكيل مجموعة كبيرة ومتنوعة من الكربوهيدرات: ديساكاريدس ، السكريات السكاريدية والسكريات. تدعى دراسة بنية ووظيفة الكربوهيدرات في النظم البيولوجية باسم glycobiology.

مؤشر

• 1 التركيب الكيميائي
• 2 التصنيف
  • 2.1 أحادي السكريات
  • 2.2 ديساكاريديس
  • 2.3 قلة السكريات 
  • 2.4 السكريات
• 3 وظائف
• 4 الأطعمة التي تحتوي على الكربوهيدرات
  • 4.1 النشويات
  • 4.2 الفواكه والخضروات
  • 4.3 الحليب
  • 4.4 الحلويات
• 5 التمثيل الغذائي للكربوهيدرات
• 6 المراجع

التركيب الكيميائي

تتكون الكربوهيدرات من ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين. يمكن تمثيل معظمها بواسطة الصيغة التجريبية (CH2O) n ، حيث n هو عدد الكربونات في الجزيء. بمعنى آخر ، فإن نسبة الكربون والهيدروجين والأكسجين هي 1: 2: 1 في جزيئات الكربوهيدرات.

تشرح هذه الصيغة أصل مصطلح "الكربوهيدرات" لأن المكونات هي ذرات الكربون ("كاربو") وذرات الماء (وبالتالي ، "هيدرات"). على الرغم من أن الكربوهيدرات تتشكل بشكل أساسي بواسطة هذه الذرات الثلاث ، إلا أن هناك بعض الكربوهيدرات مع النيتروجين أو الفوسفور أو الكبريت.

في شكله الأساسي ، الكربوهيدرات هي السكريات البسيطة أو السكريات الأحادية. يمكن دمج هذه السكريات البسيطة معًا لتشكيل الكربوهيدرات الأكثر تعقيدًا.

مزيج من اثنين من السكريات البسيطة هو disaccharide. يحتوي السكريات السكرية على ما بين 2 إلى 10 سكريات بسيطة ، والسكريات هي أكبر الكربوهيدرات ، التي تتكون من أكثر من عشر وحدات من السكريات الأحادية..

تحدد بنية الكربوهيدرات كيفية تخزين الطاقة في روابطها أثناء تكوينها بواسطة التمثيل الضوئي ، وكذلك كيفية كسر هذه الروابط أثناء التنفس الخلوي.

تصنيف

السكريات الأحادية

السكريات الأحادية هي الوحدات الأولية للكربوهيدرات ، وهذا هو السبب في أنها أبسط بنية للسكريد. جسديا ، السكريات الأحادية هي مواد صلبة بلورية بدون لون. معظمها لها طعم حلو.

من وجهة النظر الكيميائية ، يمكن أن تكون السكريات الأحادية الألدهيدات أو الكيتونات ، اعتمادًا على مكان وجود مجموعة الكربونات (C = O) في الكربوهيدرات الخطية. من الناحية الهيكلية ، يمكن أن تشكل السكريات الأحادية سلاسل خطية أو حلقات مغلقة.

لأن السكريات الأحادية تحتوي على مجموعات هيدروكسيل ، معظمها قابل للذوبان في الماء وغير قابل للذوبان في المذيبات غير القطبية.

بناءً على عدد الكربونات الموجودة في هيكلك ، سيكون لأحادي السكاريد أسماء مختلفة ، على سبيل المثال: ثلاثي (إذا كان لديك 3 ذرات) ، بنتوس (إذا كان لديك 5C) وهكذا..

المركبات السكرية الثنائية

ديسكاريد هي سكريات مزدوجة تتشكل عن طريق ضم اثنين من السكريات الأحادية في عملية كيميائية تسمى تخليق الجفاف ، لأن جزيء الماء يضيع أثناء التفاعل. ومن المعروف أيضا باسم رد فعل التكثيف.

وبالتالي ، فإن مادة disaccharide هي أي مادة تتكون من جزيئين من السكريات البسيطة (monosaccharides) يرتبطان معاً من خلال رابط glycosidic..

الأحماض لديها القدرة على كسر هذه الروابط ، ولهذا السبب ، يمكن هضم السكاريد في المعدة.

السكاريد قابل للذوبان في الماء بشكل عام وحلوة عند البلع. ثلاثة ديساكريديس الرئيسية هي السكروز واللاكتوز والمالتوز: السكروز يأتي من رابطة الجلوكوز والفركتوز. اللاكتوز يأتي من اتحاد الجلوكوز والجالاكتوز. ويأتي المالتوز من اتحاد جزيئين الجلوكوز.

يغوساكاريدس

Oligosaccharides عبارة عن بوليمرات معقدة تتكون من وحدات قليلة من السكريات البسيطة ، أي ما بين 3 إلى 9 سكريات أحادية.

يكون رد الفعل هو نفسه الذي يشكل السكاريد ، ولكنه يأتي أيضًا من انهيار جزيئات السكر الأكثر تعقيدًا (السكاريد).

تم العثور على معظم oligosaccharides في النباتات وتكون بمثابة الألياف القابلة للذوبان ، والتي يمكن أن تساعد في منع الإمساك. ومع ذلك ، لا يمتلك البشر الإنزيمات اللازمة لهضمها في الغالب ، باستثناء المالتوتريوز.

لهذا السبب ، قد تتحلل البكتيريا السكرية التي لا يتم هضمها في البداية في الأمعاء الدقيقة عن طريق البكتيريا التي تعيش عادة الأمعاء الغليظة من خلال عملية التخمير. Prebiotics الوفاء بهذه الوظيفة ، بمثابة الغذاء للبكتيريا المفيدة.

السكريات

السكاريد هي أكبر بوليمرات السكاريد ، وتتكون من أكثر من 10 (آلاف) وحدات من السكريات الأحادية مرتبة بطريقة خطية أو متفرعة. الاختلافات في الترتيب المكاني هي ما يعطي خصائص متعددة لهذه السكريات.

يمكن أن تتكون السكريات من نفس السكريات الأحادية أو عن طريق مزيج من السكريات الأحادية المختلفة. إذا تم تكوينها بواسطة وحدات متكررة من نفس السكر ، فإنها تسمى عديدات السكاريد المتجانسة ، مثل الجليكوجين والنشا ، وهما كربوهيدرات تخزين الحيوانات والنباتات ، على التوالي..

إذا كان السكاريد يتكون من وحدات من السكريات المختلفة التي يطلق عليها السكريات غير المتجانسة. يحتوي معظمها فقط على وحدتين مختلفتين وعادة ما يرتبطان بالبروتينات (البروتينات السكرية ، مثل غلوبيولين جاما في بلازما الدم) أو الدهون (الجليكوليبيدات ، مثل الجانجليوزيد).

وظائف

الوظائف الأربع الرئيسية للكربوهيدرات هي: توفير الطاقة ، تخزين الطاقة ، بناء الجزيئات الكبيرة ومنع تدهور البروتينات والدهون.

تتحلل الكربوهيدرات عن طريق الهضم في السكريات البسيطة. يتم امتصاص هذه الخلايا بواسطة خلايا الأمعاء الدقيقة ويتم نقلها إلى جميع خلايا الجسم حيث يتم أكسدتها للحصول على الطاقة في شكل ثلاثي فوسفات الأدينوسين (ATP).

يتم تخزين جزيئات السكر التي لا تستخدم في إنتاج الطاقة في أي وقت ، كجزء من البوليمرات الاحتياطية مثل الجليكوجين والنشا.

تمتلك النيوكليوتيدات ، وهي الوحدات الأساسية للأحماض النووية ، جزيئات الجلوكوز في تركيبتها. ترتبط العديد من البروتينات المهمة بجزيئات الكربوهيدرات ، على سبيل المثال: الهرمون المنبه للجريب (FSH) الذي يتدخل في عملية الإباضة.

نظرًا لأن الكربوهيدرات هي المصدر الرئيسي للطاقة ، فإن تدهورها السريع يمنع تحلل الجزيئات الحيوية الأخرى للحصول على الطاقة. وبالتالي ، عندما تكون مستويات السكر طبيعية ، تكون البروتينات والدهون محمية من التدهور.

بعض الكربوهيدرات قابلة للذوبان في الماء ، وتعمل كغذاء أساسي في العالم بأسره تقريبًا ، وأكسدة هذه الجزيئات هي المصدر الرئيسي لإنتاج الطاقة في معظم الخلايا غير الضوئية..

ترتبط الكربوهيدرات غير القابلة للذوبان بتكوين هياكل أكثر تعقيدًا تعمل كحماية. على سبيل المثال: السليلوز يشكل جدار الخلايا النباتية جنبا إلى جنب مع hemicelluloses والبكتين. يشكل الكيتين جدار الخلايا الفطرية والهيكل الخارجي للمفصليات.

أيضا ، ببتيدوغليكان يشكل جدار الخلية من البكتيريا والبكتيريا الزرقاء. تتشكل الأنسجة الضامة للحيوانات والمفاصل الهيكلية بواسطة السكريات.

ترتبط العديد من الكربوهيدرات تساهميًا بالبروتينات أو الدهون ، وتشكل هياكل أكثر تعقيدًا تسمى مجتمعة الجليكوكوجنات. تعمل هذه المجمعات كتسميات تحدد الموقع داخل الخلايا أو المصير الأيضي لهذه الجزيئات

الأطعمة التي تحتوي على الكربوهيدرات

الكربوهيدرات هي عنصر أساسي في اتباع نظام غذائي صحي ، لأنها المصدر الرئيسي للطاقة. ومع ذلك ، تحتوي بعض الأطعمة على كربوهيدرات أكثر صحة توفر كمية أكبر من العناصر الغذائية ، على سبيل المثال:

النشا

الأطعمة التي تحتوي على النشا هي المصدر الرئيسي للكربوهيدرات. توجد هذه النشويات في الكربوهيدرات المعقدة عمومًا ، أي أنها تتكون من العديد من السكريات المرتبطة ببعضها البعض لتشكل سلسلة جزيئية طويلة. لهذا السبب ، تستغرق النشويات وقتًا أطول للهضم.

هناك مجموعة واسعة من الأطعمة التي تحتوي على النشا. تشمل الحبوب الأطعمة التي تحتوي على نسبة عالية من النشا ، على سبيل المثال: الفول والعدس والأرز. تحتوي الحبوب أيضًا على هذه الكربوهيدرات ، على سبيل المثال: الشوفان والشعير والقمح ومشتقاته (الدقيق والمعكرونة) .

تحتوي البقوليات والمكسرات أيضًا على الكربوهيدرات في شكل نشاء. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الخضروات مثل: البطاطا والبطاطا الحلوة والذرة والقرع غنية أيضًا بمحتوى النشا.

من المهم أن نلاحظ أن العديد من الكربوهيدرات هي مصدر للألياف. أي أن الألياف هي نوع من الكربوهيدرات التي يمكن للجسم أن يهضمها جزئيًا فقط.

على غرار الكربوهيدرات المعقدة ، تميل ألياف الكربوهيدرات إلى الهضم ببطء.

الفواكه والخضروات

الفواكه والخضروات تحتوي على نسبة عالية من الكربوهيدرات. على عكس النشويات ، تحتوي الفواكه والخضروات على الكربوهيدرات البسيطة ، أي الكربوهيدرات مع واحد أو اثنين من السكريات المرتبطة ببعضها البعض.

هذه الكربوهيدرات ، كونها بسيطة في تركيبها الجزيئي ، يتم هضمها بسهولة وبسرعة أكبر من تلك المعقدة. هذا يعطي فكرة عن مستويات وأنواع الكربوهيدرات المختلفة التي يمتلكها الطعام.

وبالتالي ، تحتوي بعض الثمار على نسبة أكبر من الكربوهيدرات لكل وجبة ، على سبيل المثال: يحتوي الموز والتفاح والبرتقال والبطيخ والعنب على عدد أكبر من الكربوهيدرات من بعض الخضروات مثل السبانخ والبروكلي واللفت والجزر ، الفطر والباذنجان.

الحليب

على غرار الخضار والفواكه ، منتجات الألبان هي الأطعمة التي تحتوي على الكربوهيدرات البسيطة. يحتوي الحليب على سكر خاص به يسمى اللاكتوز ، وهو ثنائي السكاريد ذي المذاق الحلو. كوب واحد من هذا يساوي حوالي 12 غراما من الكربوهيدرات.

هناك العديد من إصدارات الحليب واللبن في السوق. بغض النظر عما إذا كنت تستهلك نسخة كاملة أو مخففة من الدهون من منتجات الألبان ، فإن كمية الكربوهيدرات ستكون هي نفسها.

الحلويات

الحلويات هي مصدر آخر معروف للكربوهيدرات. وتشمل هذه السكر ، والعسل ، والحلويات ، والمشروبات الاصطناعية ، والكعك ، والآيس كريم ، من بين العديد من الحلويات الأخرى. كل هذه المنتجات تحتوي على تركيزات عالية من السكريات.

من جانبها ، تحتوي بعض الأطعمة المصنعة والمكررة على كربوهيدرات معقدة ، على سبيل المثال: الخبز والأرز والمعكرونة البيضاء. من المهم أن نلاحظ أن الكربوهيدرات المكررة ليست مغذية مثل الكربوهيدرات التي تمتلكها الفواكه والخضروات.

التمثيل الغذائي للكربوهيدرات

استقلاب الكربوهيدرات هو مجموعة من ردود الفعل الأيضية التي تنطوي على تكوين وتدهور وتحويل الكربوهيدرات في الخلايا.

يتم الحفاظ على عملية التمثيل الغذائي للكربوهيدرات بشكل كبير ويمكن ملاحظتها حتى من البكتيريا ، والمثال الرئيسي هو Lac Operon. كولاي.

الكربوهيدرات مهمة في العديد من مسارات التمثيل الغذائي مثل التمثيل الضوئي ، وهو رد فعل تكوين الكربوهيدرات الأكثر أهمية في الطبيعة.

من ثاني أكسيد الكربون والماء ، تستخدم النباتات طاقة الشمس لتجميع جزيئات الكربوهيدرات.

تقوم الخلايا الحيوانية والفطرية ، من جانبها ، بتحطيم الكربوهيدرات ، المستهلكة في الأنسجة النباتية ، للحصول على الطاقة في شكل ATP من خلال عملية تسمى التنفس الخلوي..

في الفقاريات ، يتم نقل الجلوكوز في جميع أنحاء الجسم عن طريق الدم. إذا كانت مخازن الطاقة الخلوية منخفضة ، يتحلل الجلوكوز عن طريق تفاعل استقلابي يسمى تحلل السكر لإنتاج القليل من الطاقة وبعض الوسطيات الأيضية.

يتم تخزين جزيئات الجلوكوز غير اللازمة لإنتاج الطاقة بشكل فوري كجليكوجين في الكبد والعضلات ، من خلال عملية تسمى تكوين الجليكوجين.

بعض الكربوهيدرات البسيطة لها مسارات تدهور خاصة بها ، مثل بعض الكربوهيدرات الأكثر تعقيدًا. اللاكتوز ، على سبيل المثال ، يتطلب عمل إنزيم اللاكتاز الذي يكسر روابطه ويطلق السكريات الأحادية الأساسية ، الجلوكوز والجالاكتوز.

الجلوكوز هو الكربوهيدرات الرئيسية التي تستهلكها الخلايا ، والتي تشكل حوالي 80 ٪ من مصادر الطاقة.

يتم توزيع الجلوكوز على الخلايا ، حيث يمكن أن يدخل من خلال ناقلات معينة لتتحلل أو تخزن كجليكوجين.

اعتمادًا على المتطلبات الأيضية للخلية ، يمكن أيضًا استخدام الجلوكوز لتركيب السكريات الأحادية الأخرى والأحماض الدهنية والأحماض النووية وبعض الأحماض الأمينية.

وتتمثل المهمة الرئيسية لعملية التمثيل الغذائي للكربوهيدرات في الحفاظ على السيطرة على مستويات السكر في الدم ، وهذا ما يعرف باسم التوازن الداخلي.

مراجع

1. Alberts، B.، Johnson، A.، Lewis، J.، Morgan، D.، Raff، M.، Roberts، K. & Walter، P. (2014). البيولوجيا الجزيئية للخلية (الطبعة السادسة). علوم الطوق.
2. Berg، J.، Tymoczko، J.، Gatto، G. & Strayer، L. (2015). كيمياء حيوية (الطبعة الثامنة). دبليو إتش فريمان وشركاه.
3. كامبل ، ن. وريس ، ج. (2005). علم الاحياء (2nd ed.) بيرسون التعليم.
4. داشتي ، م. (2013). نظرة سريعة على الكيمياء الحيوية: استقلاب الكربوهيدرات. الكيمياء الحيوية السريرية, 46(15) ، 1339-1352.
5. Lodish، H.، Berk، A.، Kaiser، C.، Krieger، M.، Bretscher، A.، Ploegh، H.، Amon، A. & Martin، K. (2016). بيولوجيا الخلية الجزيئية (الطبعة الثامنة). دبليو إتش فريمان وشركاه.
6. موغان ، ر. (2009). التمثيل الغذائي للكربوهيدرات. عملية جراحية, 27(1) ، 6-10.
7. Nelson، D.، Cox، M. & Lehninger، A. (2013). مبادئ ليهنغر للكيمياء الحيوية (6^عشر). W.H. فريمان وشركاه.
8. Solomon، E.، Berg، L. & Martin، D. (2004). علم الاحياء (الطبعة 7) Cengage التعلم.
9. Voet، D.، Voet، J. & Pratt، C. (2016). أساسيات الكيمياء الحيوية: الحياة على المستوى الجزيئي (الطبعة الخامسة). وايلي.