CARBOHIDRAȚI: STRUCTURĂ CHIMICĂ, CLASIFICARE ȘI FUNCȚII - BIOLOGIE - 2025

De carbohidrați , carbohidrați sau zaharide, sunt molecule organice care a stoca energie în ființe vii. Sunt cele mai abundente biomolecule și includ: zaharuri, amidonuri și celuloză, printre alți compuși găsiți în organismele vii.

Organismele care realizează fotosinteza (plante, alge și unele bacterii) sunt principalii producători de carbohidrați din natură. Structura acestor zaharide poate fi liniară sau ramificată, simplă sau compusă și se pot asocia, de asemenea, cu biomoleculele unei alte clase.

De exemplu, carbohidrații se pot lega la proteine ​​pentru a forma glicoproteine. De asemenea, se pot asocia cu molecule lipidice, formând astfel glicolipide, biomoleculele care formează structura membranelor biologice. Carbohidrații sunt prezenți și în structura acizilor nucleici.

Inițial, carbohidrații au fost recunoscuți ca molecule de stocare a energiei celulare. Ulterior, au fost determinate alte funcții importante pe care le îndeplinesc carbohidrații în sistemele biologice.

Toate ființele vii au celulele lor acoperite de un strat dens de carbohidrați complexi. Carbohidrații sunt alcătuiți din monosacharide, molecule mici formate din trei până la nouă atomi de carbon atașați grupărilor hidroxilice (-OH), care pot varia ca dimensiune și configurație.

O proprietate importantă a carbohidraților este diversitatea structurală imensă din această clasă de molecule, care le permite să îndeplinească o gamă largă de funcții, cum ar fi generarea de molecule de semnalizare a celulelor, formarea țesuturilor și generarea identității diferitelor grupe de sânge la om.

De asemenea, matricea extracelulară în eucariote superioare este bogată în carbohidrați secretați, esențială pentru supraviețuirea și comunicarea celulelor. Aceste mecanisme de recunoaștere a celulelor sunt exploatate de o varietate de agenți patogeni pentru a-și infecta celulele gazdă.

Monozaharidele pot fi legate prin legături glicozidice pentru a forma o mare varietate de carbohidrați: dizaharide, oligozaharide și polizaharide. Studiul structurii și funcției carbohidraților în sistemele biologice se numește glicobiologie.

Structura chimică

Carbohidratii sunt formati din atomi de carbon, hidrogen si oxigen. Cele mai multe dintre acestea pot fi reprezentate de formula empirică (CH2O) n, unde n este numărul de atomi de carbon din moleculă. Cu alte cuvinte, raportul dintre carbon, hidrogen și oxigen este de 1: 2: 1 în moleculele de carbohidrați.

Această formulă explică originea termenului "carbohidrat", deoarece componentele sunt atomi de carbon ("carbo") și atomi de apă (prin urmare, "hidrat"). Deși carbohidrații sunt constituiți în principal din acești trei atomi, există unii carbohidrați cu azot, fosfor sau sulf.

În forma lor de bază, carbohidrații sunt zaharuri simple sau monosacharide. Aceste zaharuri simple se pot combina între ele pentru a forma carbohidrați mai complexi.

Combinația a două zaharuri simple este un dizaharid. Oligozaharidele conțin între două până la zece simple zaharuri, iar polizaharidele sunt cei mai mari carbohidrați, formate din mai mult de zece unități monosacharide.

Structura carbohidraților determină modul în care energia este stocată în legăturile lor în timpul formării lor prin fotosinteză, precum și modul în care aceste legături sunt rupte în timpul respirației celulare.

Clasificare

monozaharide

Monozaharidele sunt unitățile elementare ale carbohidraților, motiv pentru care sunt cea mai simplă structură a unei zaharide. Fizic, monosacharidele sunt solide cristale incolore. Majoritatea au un gust dulce.

Din punct de vedere chimic, monosacharidele pot fi aldehide sau cetone, în funcție de locul în care grupa carbonil (C = O) se află în carbohidrații liniari. Din punct de vedere structural, monosacharidele pot forma lanțuri drepte sau inele închise.

Deoarece monosacharidele posedă grupe hidroxil, majoritatea sunt solubile în apă și insolubile în solvenții nepolari.

În funcție de numărul de carboni din structura sa, o monosacharidă va avea diferite denumiri, de exemplu: triose (dacă are 3 atomi de C), pentoză (dacă are 5C) și așa mai departe.

dizaharide

Dizaharidele sunt zaharuri duble care se formează prin reunirea a două monosacaride într-un proces chimic numit sinteză de deshidratare, deoarece o moleculă de apă se pierde în timpul reacției. Este cunoscută și sub numele de reacție de condensare.

Astfel, un dizaharid este orice substanță care este compusă din două molecule de zaharuri simple (monosacharide) legate între ele printr-o legătură glicozidică.

Acizii au capacitatea de a rupe aceste legături, din acest motiv, dizaharidele pot fi digerate în stomac.

Dizaharidele sunt, în general, solubile în apă și dulci atunci când sunt ingerate. Cele trei dizaharide principale sunt zaharoza, lactoza și maltoza: zaharoza provine din unirea glucozei și fructozei; lactoza provine din unirea glucozei și galactozei; iar maltoza provine din unirea a două molecule de glucoză.

oligozaharidele

Oligozaharidele sunt polimeri complexi alcătuiți din câteva unități simple de zahăr, adică între 3 și 9 monosacharide.

Reacția este aceeași care formează dizaharidele, dar provin și din descompunerea moleculelor de zahăr mai complexe (polizaharide).

Majoritatea oligozaharidelor se găsesc în plante și acționează ca fibre solubile, care pot ajuta la prevenirea constipației. Cu toate acestea, majoritatea oamenilor nu au enzimele care să le digere, cu excepția maltotriozei.

Din acest motiv, oligozaharidele care nu sunt digerate inițial în intestinul subțire pot fi defalcate de bacterii care în mod normal populează intestinul gros printr-un proces de fermentare. Prebioticele îndeplinesc această funcție, servind ca aliment pentru bacteriile benefice.

polizaharidele

Polizaharidele sunt cei mai mari polimeri de zaharide, sunt alcătuiți din mai mult de 10 (până la mii) unități monosacharide dispuse în mod liniar sau ramificat. Variațiile în amenajarea spațială sunt ceea ce le oferă acestor zaharuri proprietățile lor multiple.

Polizaharidele pot fi compuse din aceeași monosacharidă sau printr-o combinație de monosacharide diferite. Dacă sunt formate prin repetarea unităților din același zahăr, ele sunt numite homopolizaharide, cum ar fi glicogenul și amidonul, care sunt carbohidrații de stocare a animalelor și plantelor, respectiv.

Dacă polizaharida este alcătuită din unități din diferite zaharuri, ele sunt numite heteropolizaharide. Majoritatea conțin doar două unități diferite și sunt de obicei asociate cu proteine ​​(glicoproteine, cum ar fi gama globulină în plasma sanguină) sau lipide (glicolipide, cum ar fi gangliosidele).

Caracteristici

Cele patru funcții principale ale carbohidraților sunt: ​​furnizarea de energie, stocarea energiei, construirea macromoleculelor și prevenirea descompunerii proteinelor și grăsimilor.

Carbohidrații se descompun prin digestie în zaharuri simple. Acestea sunt absorbite de celulele intestinului subțire și sunt transportate la toate celulele corpului unde vor fi oxidate pentru a obține energie sub formă de adenozina trifosfat (ATP).

Moleculele de zahăr care nu sunt utilizate la producerea de energie la un moment dat, sunt păstrate ca parte a polimerilor de rezervă, cum ar fi glicogenul și amidonul.

Nucleotidele, unitățile fundamentale ale acizilor nucleici, au structura lor molecule de glucoză. Câteva proteine ​​importante sunt asociate cu molecule de carbohidrați, de exemplu: hormonul de stimulare a foliculilor (FSH), care este implicat în procesul de ovulație.

Deoarece carbohidrații sunt principala sursă de energie, degradarea rapidă a acestora împiedică alte biomolecule să fie degradate pentru energie. Astfel, atunci când nivelul de zahăr este normal, proteinele și lipidele sunt protejate de degradare.

Unele carbohidrați sunt solubile în apă, funcționează ca un aliment de bază în aproape toată lumea, iar oxidarea acestor molecule este calea principală pentru producerea de energie în majoritatea celulelor care nu sunt fotosintetice.

Carbohidrații insolubili se asociază pentru a forma structuri mai complexe care servesc drept protecție. De exemplu: celuloza formează peretele celulelor plantelor împreună cu hemicelulozele și pectina. Chitina formează peretele celular al ciupercilor și exoscheletul artropodelor.

De asemenea, peptidoglicanul formează peretele celular al bacteriilor și cianobacteriilor. Țesutul conjunctiv animal și articulațiile scheletului sunt formate din polizaharide.

Mulți carbohidrați sunt legați covalent la proteine ​​sau lipide formând structuri mai complexe, numite colectiv glicoconjugate. Aceste complexe acționează ca etichete care determină locația intracelulară sau soarta metabolică a acestor molecule.

Alimente care conțin carbohidrați

Carbohidrații sunt o componentă esențială a unei diete sănătoase, deoarece sunt principala sursă de energie. Cu toate acestea, unele alimente au carbohidrați mai sănătoși care oferă o cantitate mai mare de nutrienți, de exemplu:

Amidonuri

Alimentele cu amidon sunt principala sursă de carbohidrați. Aceste amidonuri sunt în general carbohidrați complexi, adică sunt alcătuite din multe zaharuri unite pentru a forma un lanț molecular lung. Din acest motiv, amidonul durează mai mult pentru a fi digerat.

Există o gamă largă de alimente care conțin amidon. Cerealele includ alimentele bogate în amidon, de exemplu: fasole, linte și orez. Cerealele conțin și acești carbohidrați, de exemplu: ovăz, orz, grâu și derivații acestora (făinuri și paste).

Leguminoasele și nucile conțin și carbohidrați sub formă de amidon. În plus, legumele precum: cartofii, cartofii dulci, porumbul și dovlecelul sunt, de asemenea, bogate în conținut de amidon.

Important este că mulți carbohidrați sunt o sursă de fibre. Cu alte cuvinte, fibra este practic un tip de carbohidrați pe care organismul nu-i poate digera decât parțial.

Similar cu carbohidrații complexi, fibrele de carbohidrați tind să fie digerate lent.

Fructe si legume

Fructele și legumele sunt bogate în carbohidrați. Spre deosebire de amidonuri, fructele și legumele conțin carbohidrați simpli, adică carbohidrați cu unul sau două zaharide atașate între ele.

Aceste carbohidrați, fiind simple în structura lor moleculară, sunt digerate mai ușor și mai rapid decât cele complexe. Acest lucru oferă o idee despre diferitele niveluri și tipuri de carbohidrați din alimente.

Astfel, unele fructe au un conținut de carbohidrați mai mult pe porție, de exemplu: banane, mere, portocale, pepeni și struguri au mai mulți carbohidrați decât unele legume precum spanac, broccoli și kale, morcovi, ciuperci și vinete.

Lapte

Similar cu legumele și fructele, produsele lactate sunt alimente care conțin carbohidrați simpli. Laptele are propriul zahăr numit lactoză, un dizaharid cu gust dulce. O cană din acesta este echivalentă cu aproximativ 12 grame de carbohidrați.

Pe piață există multe versiuni de lapte și iaurt. Indiferent dacă consumi o versiune integrală sau cu un conținut redus de grăsimi ale unei anumite lactate, cantitatea de carbohidrați va fi aceeași.

Dulciurile

Dulciurile sunt o altă sursă binecunoscută de carbohidrați. Acestea includ zahăr, miere, bomboane, băuturi artificiale, prăjituri, înghețată, printre multe alte deserturi. Toate aceste produse conțin concentrații mari de zaharuri.

Pe de altă parte, unele alimente procesate și rafinate conțin carbohidrați complecși, de exemplu: pâine, orez și paste albe. Este important de menționat că carbohidrații rafinați nu sunt hrănitori precum carbohidrații găsiți în fructe și legume.

Metabolizarea carbohidraților

Metabolizarea carbohidraților este setul de reacții metabolice care implică formarea, degradarea și transformarea carbohidraților în celule.

Metabolizarea carbohidraților este foarte conservată și poate fi observată chiar și din bacterii, principalul exemplu fiind Lac Operon de E. coli.

Carbohidrații sunt importanți în multe căi metabolice, inclusiv fotosinteza, cea mai importantă reacție de formare a carbohidraților din natură.

Din dioxid de carbon și apă, plantele folosesc energie de la soare pentru a sintetiza molecule de carbohidrați.

La rândul lor, celulele animale și fungice descompun carbohidrații, consumate în țesuturile plantelor, pentru a obține energie sub formă de ATP printr-un proces numit respirație celulară.

La vertebrate, glucoza este transportată în tot corpul prin sânge. Dacă depozitele de energie celulară sunt scăzute, glucoza este descompusă printr-o reacție metabolică numită glicoliză pentru a produce o anumită energie și unii intermediari metabolici.

Moleculele de glucoză care nu sunt necesare pentru producerea imediată a energiei sunt stocate sub formă de glicogen în ficat și mușchi, printr-un proces numit glicogeneză.

Unii carbohidrați simpli au propriile căi de degradare, precum unii dintre carbohidrații mai complexi. Lactoza, de exemplu, necesită acțiunea enzimei lactază, care își rupe legăturile și eliberează monosacharidele sale fundamentale, glucoza și galactoza.

Glucoza este principalul carbohidrat consumat de celule, constituie aproximativ 80% din sursele de energie.

Glucoza este distribuită în celule, unde poate intra prin transportatori specifici pentru a fi degradată sau depozitată sub formă de glicogen.

În funcție de necesitățile metabolice ale unei celule, glucoza poate fi folosită și pentru sintetizarea altor monosacharide, acizi grași, acizi nucleici și anumiți aminoacizi.

Principala funcție a metabolismului carbohidraților este de a menține controlul nivelului de zahăr din sânge, aceasta este ceea ce este cunoscut sub numele de homeostază internă.

Referințe

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. și Walter, P. (2014). Biologia moleculară a celulei (ediția a 6-a). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biochimie (ediția a VIII-a). WH Freeman and Company.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biologie (ediția a II-a) Pearson Education.
4. Dashty, M. (2013). O privire rapidă asupra biochimiei: Metabolizarea carbohidraților. Biochimie clinică, 46 (15), 1339-1352.
5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. și Martin, K. (2016). Biologie celulară moleculară (ediția a VIII-a). WH Freeman and Company.
6. Maughan, R. (2009). Metabolizarea carbohidraților. Chirurgie, 27 (1), 6-10.
7. Nelson, D., Cox, M. și Lehninger, A. (2013). Principiile biochimiei Lehninger (a 6- ^a ). WH Freeman and Company.
8. Solomon, E., Berg, L. și Martin, D. (2004). Biologie (ediția a 7-a) Cengage Learning.
9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Fundamentele biochimiei: viața la nivel molecular (ediția a 5-a). Wiley.