HIILIHYDRAATIT: KEMIALLINEN RAKENNE, LUOKITTELU JA TOIMINNOT - BIOLOGIA - 2026

Hiilihydraatteja, hiilihydraatteja tai sakkarideja, ovat orgaanisia molekyylejä, jotka varastoida energiaa eläviä olentoja. Ne ovat yleisimpiä biomolekyylejä ja sisältävät sokereita, tärkkelyksiä ja selluloosaa muun muassa elävissä organismeissa olevien yhdisteiden joukossa.

Fotosynteesiä suorittavat organismit (kasvit, levät ja jotkut bakteerit) ovat luonnossa tärkeimpiä hiilihydraattien tuottajia. Näiden sakkaridien rakenne voi olla suoraketjuinen tai haaroittunut, yksinkertainen tai yhdiste, ja ne voivat myös liittyä toisen luokan biomolekyyleihin.

Esimerkiksi hiilihydraatit voivat sitoutua proteiineihin muodostaen glykoproteiineja. Ne voivat myös liittyä lipidimolekyyleihin muodostaen siten glykolipidejä, biomolekyylejä, jotka muodostavat biologisten membraanien rakenteen. Hiilihydraatteja on myös läsnä nukleiinihappojen rakenteessa.

Alun perin hiilihydraatit tunnistettiin solun energian varastointimolekyyleiksi. Myöhemmin määritettiin muut tärkeät toiminnot, jotka hiilihydraatit täyttävät biologisissa järjestelmissä.

Kaikkien elävien olosuhteiden solut peitetään tiheällä monimutkaisten hiilihydraattikerroksella. Hiilihydraatit koostuvat monosakkarideista, pienistä molekyyleistä, jotka koostuvat kolmesta yhdeksään hiiliatomia, jotka ovat kiinnittyneet hydroksyyliryhmiin (-OH), jotka voivat vaihdella kooltaan ja konfiguraatiollaan.

Tärkeä hiilihydraattien ominaisuus on valtava rakenteellinen monimuotoisuus tämän molekyyliluokan sisällä, mikä antaa niiden mahdollisuuden suorittaa laajan valikoiman toimintoja, kuten generoida solumerkki-molekyylejä, muodostaa kudoksia ja luoda erilaisten veriryhmien identiteetti ihmisissä.

Samoin korkeammissa eukaryooteissa oleva solunulkoinen matriisi sisältää runsaasti erittyviä hiilihydraatteja, jotka ovat välttämättömiä solujen selviytymiselle ja kommunikoinnille. Eri patogeenit hyödyntävät näitä solutunnistusmekanismeja isäntäsolujensa tartuttamiseksi.

Monosakkaridit voidaan yhdistää glykosidisidoksilla monenlaisten hiilihydraattien muodostamiseksi: disakkaridit, oligosakkaridit ja polysakkaridit. Hiilihydraattien rakenteen ja toiminnan tutkimusta biologisissa järjestelmissä kutsutaan glykobiologiaksi.

Kemiallinen rakenne

Hiilihydraatit koostuvat hiili-, vety- ja happiatomeista. Suurin osa näistä voidaan edustaa empiirisellä kaavalla (CH20) n, jossa n on hiilen lukumäärä molekyylissä. Toisin sanoen hiilen, vedyn ja hapen suhde on 1: 2: 1 hiilihydraattimolekyyleissä.

Tämä kaava selittää termin "hiilihydraatti" alkuperän, koska komponentit ovat hiiliatomeja ("hiili") ja vesiatomeja (siis "hydraatti"). Vaikka hiilihydraatit koostuvat pääasiassa näistä kolmesta atomista, on hiilihydraatteja, joissa on typpeä, fosforia tai rikkiä.

Perusmuodossaan hiilihydraatit ovat yksinkertaisia ​​sokereita tai monosakkarideja. Nämä yksinkertaiset sokerit voivat yhdistyä toistensa kanssa muodostaen monimutkaisempia hiilihydraatteja.

Kahden yksinkertaisen sokerin yhdistelmä on disakkaridi. Oligosakkaridit sisältävät kahdesta kymmeneen yksinkertaista sokeria, ja polysakkaridit ovat suurimpia hiilihydraatteja, jotka koostuvat yli kymmenestä monosakkaridiyksiköstä.

Hiilihydraattien rakenne määrää, kuinka energia varastoituu sidoksissa niiden muodostumisen aikana fotosynteesillä, ja myös kuinka nämä sidokset hajoavat solujen hengityksen aikana.

Luokittelu

monosakkaridit

Monosakkaridit ovat hiilihydraattien alkuaineyksiköitä, minkä vuoksi ne ovat sakkaridin yksinkertaisin rakenne. Fysikaalisesti monosakkaridit ovat värittömiä kiteisiä kiinteitä aineita. Useimmilla on makea maku.

Kemiallisesta näkökulmasta monosakkaridit voivat olla aldehydejä tai ketoneja riippuen siitä, missä karbonyyliryhmä (C = O) sijaitsee lineaarisissa hiilihydraateissa. Rakenteellisesti monosakkaridit voivat muodostaa suoria ketjuja tai suljettuja renkaita.

Koska monosakkarideilla on hydroksyyliryhmiä, suurin osa liukenee veteen ja liukenemattomiin ei-polaarisiin liuottimiin.

Riippuen hiilimääristä rakenteessaan, monosakkaridilla on erilaisia ​​nimiä, esimerkiksi: trios (jos siinä on 3 C-atomia), pentoosi (jos siinä on 5C) ja niin edelleen.

disakkaridit

Disakkaridit ovat kaksinkertaisia ​​sokereita, jotka muodostuvat saattamalla kaksi monosakkaridia yhteen kemiallisessa prosessissa, jota kutsutaan dehydraatiosynteesiksi, koska vesimolekyyli menetetään reaktion aikana. Se tunnetaan myös kondensoitumisreaktiona.

Siten disakkaridi on mikä tahansa aine, joka koostuu kahdesta molekyylistä yksinkertaisia ​​sokereita (monosakkarideja), jotka on kytketty toisiinsa glykosidisidoksen kautta.

Hapoilla on kyky hajottaa nämä sidokset, tästä syystä disakkaridit voidaan sulauttaa mahassa.

Disakkaridit ovat yleensä vesiliukoisia ja makeita nieltynä. Kolme pääasiallista disakkaridia ovat sakkaroosi, laktoosi ja maltoosi: sakkaroosi tulee glukoosin ja fruktoosin liitoksesta; laktoosi tulee glukoosin ja galaktoosin liitoksesta; ja maltoosi tulee kahden glukoosimolekyylin liitoksesta.

oligosakkaridit

Oligosakkaridit ovat monimutkaisia ​​polymeerejä, jotka koostuvat harvoista yksinkertaisista sokeriyksiköistä, ts. 3 - 9 monosakkaridista.

Reaktio on sama, joka muodostaa disakkarideja, mutta ne tulevat myös monimutkaisempien sokerimolekyylien (polysakkaridien) hajoamisesta.

Suurin osa oligosakkarideista löytyy kasveista ja ne toimivat liukoisina kuituina, mikä voi auttaa estämään ummetusta. Suurimmalla osalla ihmisistä ei kuitenkaan ole entsyymejä sulamaan niitä, paitsi maltotrioosia.

Tästä syystä bakteerit voivat hajottaa oligosakkarideja, joita ei alun perin pilkotta ohutsuolessa käymisprosessin kautta. Prebiootit täyttävät tämän tehtävän ja toimivat ruokana hyödyllisille bakteereille.

polysakkaridit

Polysakkaridit ovat suurimpia sakkaridipolymeerejä, ja ne koostuvat yli 10 (jopa tuhansista) monosakkaridiyksiköistä, jotka on järjestetty lineaarisella tai haarautuneella tavalla. Alueellisen järjestelyn vaihtelut antavat näille sokereille monipuoliset ominaisuutensa.

Polysakkaridit voivat koostua samasta monosakkaridista tai yhdistelmällä erilaisia ​​monosakkarideja. Jos ne muodostuvat toistamalla saman sokerin yksiköitä, niitä kutsutaan homopolysakkarideiksi, kuten glykogeeniksi ja tärkkelykseksi, jotka ovat vastaavasti eläinten ja kasvien varastointihiilihydraatteja.

Jos polysakkaridit koostuvat yksiköistä eri sokereita, niitä kutsutaan heteropolysakkarideiksi. Suurin osa sisältää vain kahta erilaista yksikköä ja liittyy yleensä proteiineihin (glykoproteiineihin, kuten veriplasman gamma-globuliiniin) tai lipideihin (glykolipidit, kuten gangliosidit).

ominaisuudet

Hiilihydraattien neljä päätoimintoa ovat: energian tarjoaminen, energian varastointi, makromolekyylien rakentaminen ja proteiinien ja rasvojen hajoamisen estäminen.

Hiilihydraatit hajoutetaan pilkkomalla yksinkertaisiksi sokereiksi. Nämä imeytyvät ohutsuolen solut ja kuljetetaan kaikkiin kehon soluihin, joissa ne hapettuvat energian saamiseksi adenosiinitrifosfaatin (ATP) muodossa.

Sokerimolekyylit, joita ei käytetä energian tuottamiseen tiettynä ajankohtana, varastoidaan osana varapolymeerejä, kuten glykogeenia ja tärkkelystä.

Nukleotideilla, nukleiinihappojen perusyksiköillä, on rakenteessaan glukoosimolekyylejä. Hiilihydraattimolekyyleihin liittyy useita tärkeitä proteiineja, esimerkiksi: follikkelia stimuloiva hormoni (FSH), joka on mukana ovulaatioprosessissa.

Koska hiilihydraatit ovat pääasiallinen energialähde, niiden nopea hajoaminen estää muita biomolekyylejä hajoamasta energiaa varten. Siten, kun sokeritasot ovat normaaleja, proteiinit ja lipidit ovat suojattu hajoamiselta.

Jotkut hiilihydraatit ovat vesiliukoisia, ne toimivat peruselintarvikkeina melkein kaikissa, ja näiden molekyylien hapettuminen on pääenergian tuotantoreitti useimmissa ei-fotosynteettisissä soluissa.

Liukenemattomat hiilihydraatit yhdistyvät monimutkaisempien rakenteiden muodostamiseksi, jotka toimivat suojana. Esimerkiksi: selluloosa muodostaa kasvisolujen seinämän yhdessä hemiselluloosien ja pektiinin kanssa. Kitiini muodostaa sienten soluseinän ja niveljalkaisten eksoskeleton.

Lisäksi peptidoglykaani muodostaa bakteerien ja syanobakteerien soluseinän. Eläinten sidekudos ja luu-nivelet koostuvat polysakkarideista.

Monet hiilihydraatit ovat sitoutuneet kovalenttisesti proteiineihin tai lipideihin, jotka muodostavat monimutkaisempia rakenteita, joita yhdessä kutsutaan glykokonjugaateiksi. Nämä kompleksit toimivat merkeinä, jotka määrittävät näiden molekyylien solunsisäisen sijainnin tai metabolisen kohtalon.

Ruoka, joka sisältää hiilihydraatteja

Hiilihydraatit ovat tärkeä osa terveellistä ruokavaliota, koska ne ovat tärkein energialähde. Joissakin elintarvikkeissa on kuitenkin terveellisempiä hiilihydraatteja, jotka tarjoavat suuremman määrän ravintoaineita, esimerkiksi:

tärkkelykset

Tärkkelysruoat ovat pääasiallinen hiilihydraattien lähde. Nämä tärkkelykset ovat yleensä monimutkaisia ​​hiilihydraatteja, ts. Ne koostuvat monista sokereista, jotka on liitetty yhteen muodostamaan pitkä molekyyliketju. Tästä syystä tärkkelysten sulattaminen vie kauemmin.

Tärkkelyksiä sisältäviä ruokia on laaja. Viljoihin kuuluvat esimerkiksi elintarvikkeet, joissa on paljon tärkkelystä: pavut, linssit ja riisi. Vilja sisältää myös näitä hiilihydraatteja, esimerkiksi: kaura, ohra, vehnä ja niiden johdannaiset (jauhot ja pastaa).

Palkokasvit ja pähkinät sisältävät myös hiilihydraatteja tärkkelyksen muodossa. Lisäksi vihannekset, kuten perunat, bataatit, maissi ja kurpitsa, sisältävät myös paljon tärkkelyspitoisuutta.

Tärkeää on, että monet hiilihydraatit ovat kuidun lähde. Toisin sanoen kuitu on pohjimmiltaan hiilihydraattityyppi, jonka elimistö pystyy sulattamaan vain osittain.

Samoin kuin monimutkaiset hiilihydraatit, hiilihydraattikuidut sulavat yleensä hitaasti.

Hedelmiä ja kasviksia

Hedelmissä ja vihanneksissa on paljon hiilihydraatteja. Toisin kuin tärkkelykset, hedelmät ja vihannekset sisältävät yksinkertaisia ​​hiilihydraatteja, ts. Hiilihydraatteja, joissa on yksi tai kaksi toisiinsa kiinnittynyttä sakkaridia.

Nämä hiilihydraatit, koska niiden molekyylirakenne on yksinkertainen, sulavat helpommin ja nopeammin kuin monimutkaiset. Tämä antaa kuvan hiilihydraattien eri tasoista ja tyypeistä elintarvikkeissa.

Siksi joillakin hedelmillä on enemmän hiilihydraattipitoisuutta annosta kohden, esimerkiksi: banaaneissa, omenoissa, appelsiineissa, meloneissa ja viinirypäleissä on enemmän hiilihydraatteja kuin joissakin vihanneksissa, kuten pinaatissa, parsakaalissa ja lehtikaleissa, porkkanoissa, sienet ja munakoisot.

Maito

Samoin kuin vihannekset ja hedelmät, meijeri on ruokia, jotka sisältävät yksinkertaisia ​​hiilihydraatteja. Maidossa on oma sokeri nimeltään laktoosi, makea makuinen disakkaridi. Yksi kuppi tätä vastaa noin 12 grammaa hiilihydraatteja.

Maidosta ja jogurtista on markkinoilla monia versioita. Riippumatta siitä, kulutatko tietyn meijerin kokonaista vai vähärasvaista versiota, hiilihydraattien määrä on sama.

Makeiset

Makeiset ovat toinen tunnettu hiilihydraattien lähde. Näitä ovat sokeri, hunaja, karkkeja, keinotekoiset juomat, evästeet, jäätelö, monien muiden jälkiruokaten joukossa. Kaikki nämä tuotteet sisältävät korkeat sokeripitoisuudet.

Toisaalta jotkut jalostetut ja jalostetut elintarvikkeet sisältävät esimerkiksi monimutkaisia ​​hiilihydraatteja: leipää, riisiä ja valkoista pastaa. On tärkeää huomata, että puhdistetut hiilihydraatit eivät ole ravitsevia, kuten hedelmistä ja vihanneksista löytyvät hiilihydraatit.

Hiilihydraattien metabolia

Hiilihydraattien metabolia on joukko aineenvaihduntareaktioita, joihin sisältyy hiilihydraattien muodostumista, hajoamista ja muuntamista soluihin.

Hiilihydraattien metabolia on erittäin konservoitunutta ja sitä voidaan havaita jopa bakteereista, pääesimerkki on E. colin Lac Operon.

Hiilihydraatit ovat tärkeitä monissa aineenvaihduntareiteissä, mukaan lukien fotosynteesi, luonnon tärkein hiilihydraattien muodostumisreaktio.

Hiilidioksidista ja vedestä kasvit käyttävät auringon energiaa hiilihydraattimolekyylien syntetisointiin.

Eläin- ja sienisolut puolestaan ​​hajottavat kasvakudoksissa kuluttamat hiilihydraatit energian saamiseksi ATP: n muodossa prosessin, jota kutsutaan soluhengityksenä.

Selkärankaisilla glukoosi kulkeutuu koko kehon veren kautta. Jos solun energiavarastot ovat vähäisiä, glukoosi hajoaa glykolyysiä kutsutaan metabolisen reaktion kautta, jolloin saadaan joitain energiaa ja joitain metabolisia välituotteita.

Glukoosimolekyylit, joita ei tarvita välittömään energiantuotantoon, varastoidaan glykogeeninä maksaan ja lihakseen, nimeltään glykogeneesi.

Joillakin yksinkertaisilla hiilihydraateilla on omat hajoamisreittinsä, kuten joillakin monimutkaisemmilla hiilihydraateilla. Esimerkiksi laktoosi vaatii laktaasi-entsyymin vaikutusta, joka hajottaa sidoksensa ja vapauttaa sen perustavanlaatuiset monosakkaridit, glukoosi ja galaktoosi.

Glukoosi on pääasiallinen solujen kuluttama hiilihydraatti, sen osuus energianlähteistä on noin 80%.

Glukoosi jakaantuu soluihin, missä se voi päästä erityisten kuljettajien kautta hajotettavaksi tai varastoitavaksi glykogeeninä.

Solun aineenvaihduntavaatimuksista riippuen glukoosia voidaan käyttää myös muiden monosakkaridien, rasvahappojen, nukleiinihappojen ja tiettyjen aminohappojen syntetisointiin.

Hiilihydraattiaineenvaihdunnan päätehtävänä on ylläpitää verensokeripitoisuuden hallintaa. Tätä kutsutaan sisäiseksi homeostaasiksi.

Viitteet

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Solun molekyylibiologia (6. painos). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biokemia (8. painos). WH Freeman ja yritys.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biologia (2. painos) Pearson Education.
4. Dashty, M. (2013). Pikakatsaus biokemiaan: Hiilihydraattiaineenvaihdunta. Clinical Biochemistry, 46 (15), 1339 - 1352.
5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. ja Martin, K. (2016). Molecular Cell Biology (8. painos). WH Freeman ja yritys.
6. Maughan, R. (2009). Hiilihydraattien metabolia. Leikkaus, 27 (1), 6–10.
7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Lehningerin biokemian periaatteet (6. ^th). WH Freeman ja yritys.
8. Solomon, E., Berg, L. ja Martin, D. (2004). Biologia (7. painos) Cengage Learning.
9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Biokemian perusteet: Elämä molekyylitasolla (5. painos). Wiley.