Struktur kimia karbohidrat, klasifikasi dan fungsi



The karbohidrat, karbohidrat atau sakarida, adalah molekul organik yang menyimpan tenaga dalam makhluk hidup. Mereka adalah biomolekul paling banyak dan termasuk: gula, kanji dan selulosa, antara sebatian lain yang terdapat dalam organisma hidup.

Organisma yang menjalankan fotosintesis (tumbuhan, alga dan beberapa bakteria) adalah pengeluar utama karbohidrat dalam alam semula jadi. Struktur sakar ini boleh bersifat linier atau bercabang, mudah atau kompleks dan juga boleh dikaitkan dengan biomolekul jenis lain.

Sebagai contoh, karbohidrat boleh mengikat protein untuk membentuk glikoprotein. Mereka juga boleh dikaitkan dengan molekul lipid, membentuk glikolipid, biomolekul yang membentuk struktur membran biologi. Karbohidrat juga terdapat dalam struktur asid nukleik.

Pada mulanya, karbohidrat diiktiraf sebagai molekul penyimpanan tenaga sel. Seterusnya, fungsi penting lain yang karbohidrat memenuhi sistem biologi ditentukan.

Semua makhluk hidup mempunyai sel-sel mereka dilindungi oleh lapisan padat karbohidrat kompleks. Karbohidrat terdiri daripada monosakarida, molekul kecil yang dibentuk oleh tiga hingga sembilan atom karbon yang melekat pada kumpulan hidroksil (-OH), yang boleh berbeza-beza mengikut saiz dan konfigurasi.

Properti karbohidrat penting adalah kepelbagaian struktur yang luar biasa dalam kelas molekul ini, yang membolehkan mereka melakukan pelbagai fungsi seperti menjana molekul isyarat sel, membentuk tisu dan menghasilkan identiti kumpulan darah yang berbeda pada manusia..

Begitu juga, matriks ekstraselular dalam eukariot yang lebih tinggi kaya dengan karbohidrat yang disegel, penting untuk survival sel dan komunikasi. Mekanisme pengiktirafan sel ini dimanfaatkan oleh pelbagai patogen untuk menjangkiti sel-sel tuan rumah mereka.

Monosakarida boleh dikaitkan dengan hubungan glikosida untuk membentuk pelbagai jenis karbohidrat: disakarida, oligosakarida dan polisakarida. Kajian struktur dan fungsi karbohidrat dalam sistem biologi dipanggil glycobiology.

Indeks

  • 1 Struktur kimia
  • 2 Klasifikasi
    • 2.1 Monosaccharides
    • 2.2 Disaccharides
    • 2.3 Oligosakarida 
    • 2.4 Polisakarida
  • 3 Fungsi
  • 4 Makanan yang mengandungi karbohidrat
    • 4.1 Para kanji
    • 4.2 Buah-buahan dan sayur-sayuran
    • 4.3 Susu
    • 4.4 gula-gula
  • 5 metabolisme karbohidrat
  • 6 Rujukan

Struktur kimia

Karbohidrat terdiri daripada karbon, hidrogen dan atom oksigen. Kebanyakannya boleh diwakili oleh formula empirik (CH2O) n, di mana n adalah bilangan karbon dalam molekul. Dalam erti kata lain, nisbah karbon, hidrogen dan oksigen adalah 1: 2: 1 dalam molekul karbohidrat.

Rumusan ini menerangkan asal istilah "karbohidrat" kerana komponennya adalah atom karbon ("karbo") dan atom air (oleh itu, "hidrat"). Walaupun karbohidrat terbentuk terutamanya oleh tiga atom ini, terdapat beberapa karbohidrat dengan nitrogen, fosfor atau sulfur.

Dalam bentuk asasnya, karbohidrat adalah gula mudah atau monosakarida. Gula mudah ini boleh digabungkan bersama untuk membentuk karbohidrat yang lebih kompleks.

Gabungan dua gula sederhana adalah disaccharide. Oligosakarida mengandungi antara dua hingga sepuluh gula mudah, dan polisakarida adalah karbohidrat terbesar, yang terdiri daripada lebih daripada sepuluh unit monosakarida.

Struktur karbohidrat menentukan bagaimana tenaga tersimpan dalam ikatannya semasa pembentukannya oleh fotosintesis, dan juga bagaimana ikatan ini pecah semasa respirasi selular.

Pengkelasan

Monosaccharides

Monosaccharides adalah unit asas karbohidrat, itulah sebabnya ia adalah struktur mudah sakarida. Secara fizikal, monosakarida adalah pepejal kristal tanpa warna. Kebanyakan mempunyai rasa manis.

Dari sudut pandangan kimia, monosakarida boleh menjadi aldehid atau keton, bergantung di mana kumpulan karbonil (C = O) terletak di karbohidrat linear. Secara struktur, monosakarida boleh membentuk rantai linear atau cincin tertutup.

Kerana monosakarida mempunyai kumpulan hidroksil, kebanyakannya larut dalam air dan tidak larut dalam pelarut bukan kutub.

Bergantung pada jumlah karbon yang anda miliki dalam struktur anda, monosakarida akan mempunyai nama yang berbeza, contohnya: triosa (jika anda mempunyai 3 C atom), pentose (jika anda mempunyai 5C) dan sebagainya.

Disaccharides

Disaccharides adalah gula berganda yang terbentuk dengan menyertai dua monosakarida dalam proses kimia yang disebut sintesis dehidrasi, kerana molekul air hilang semasa reaksi. Ia juga dikenali sebagai reaksi pemeluwapan.

Oleh itu, disaccharide adalah sebarang bahan yang terdiri daripada dua molekul gula mudah (monosakarida) yang dihubungkan bersama melalui hubungan glikosid.

Asid mempunyai keupayaan untuk memecahkan ikatan ini, kerana sebab ini, disakarida dapat dicerna dalam perut.

Disaccharides biasanya larut dalam air dan manis apabila ditelan. Tiga disaccharides utama adalah sukrosa, laktosa dan maltosa: sukrosa berasal dari mengikat glukosa dan fruktosa; laktosa berasal dari kesatuan glukosa dan galaktosa; dan maltosa berasal dari kesatuan dua molekul glukosa.

Oligosakarida

Oligosakarida adalah polimer kompleks yang dibentuk oleh beberapa unit gula sederhana, iaitu, antara 3 hingga 9 monosakarida.

Reaksi adalah sama yang membentuk disaccharides, tetapi juga berasal dari pecahan molekul gula yang lebih kompleks (polisakarida).

Kebanyakan oligosakarida terdapat di dalam tumbuhan dan bertindak sebagai serat larut, yang boleh membantu mencegah sembelit. Walau bagaimanapun, manusia tidak mempunyai enzim untuk mencerna mereka kebanyakannya, kecuali untuk maltotriose.

Atas sebab ini, oligosakarida yang tidak dicerna pada mulanya di usus kecil boleh direndahkan oleh bakteria yang lazimnya mendiami usus besar melalui proses penapaian. Prebiotik memenuhi fungsi ini, berfungsi sebagai makanan untuk bakteria berfaedah.

Polisakarida

Polisakarida adalah polimer saccharida terbesar, mereka dibentuk oleh lebih daripada 10 (sehingga beribu-ribu) unit monosakarida yang disusun secara lurus atau bercabang. Variasi dalam susunan spatial adalah apa yang memberikan sifat berganda kepada gula ini.

Polisakarida boleh terdiri daripada monosakarida yang sama atau dengan kombinasi monosakarida yang berbeza. Sekiranya mereka dibentuk oleh unit berulang gula yang sama, mereka dipanggil homopolysaccharides, seperti glikogen dan kanji, masing-masing karbohidrat penyimpanan haiwan dan tumbuhan..

Jika polisakarida terdiri daripada unit gula yang berbeza, ia dipanggil heteropolysaccharides. Kebanyakan hanya mengandungi dua unit yang berbeza dan biasanya dikaitkan dengan protein (glikoprotein, seperti gamma globulin dalam plasma darah) atau lipid (glikolipid, seperti gangliosida).

Fungsi

Keempat fungsi utama karbohidrat adalah: menyediakan tenaga, menyimpan tenaga, membina makromolekul dan mencegah penurunan protein dan lemak.

Karbohidrat direndahkan oleh pencernaan dalam gula mudah. Ini diserap oleh sel usus kecil dan diangkut ke semua sel badan di mana mereka akan teroksidasi untuk tenaga dalam bentuk adenosine triphosphate (ATP).

Molekul gula yang tidak digunakan dalam pengeluaran tenaga pada suatu masa tertentu, disimpan sebagai sebahagian daripada polimer rizab seperti glikogen dan kanji.

Nukleotida, unit asas asid nukleik, mempunyai molekul glukosa dalam strukturnya. Beberapa protein penting dikaitkan dengan molekul karbohidrat, contohnya: hormon merangsang folikel (FSH) yang campur tangan dalam proses ovulasi.

Kerana karbohidrat adalah sumber utama tenaga, degradasi pesatnya menghalang biomolekul lain daripada menjadi terdegradasi untuk mendapatkan tenaga. Oleh itu, apabila paras gula adalah normal, protein dan lipid dilindungi daripada kemerosotan.

Sesetengah karbohidrat adalah larut dalam air, ia berfungsi sebagai makanan ruji secara praktikal di seluruh dunia, dan pengoksidaan molekul-molekul ini adalah sumber utama pengeluaran tenaga di kebanyakan sel-sel fotosintesis..

Karbohidrat tidak larut dikaitkan untuk membentuk struktur yang lebih kompleks yang berfungsi sebagai perlindungan. Contohnya: selulosa membentuk dinding sel tumbuhan bersama hemicelluloses dan pektin. Chitin membentuk dinding sel-sel kulat dan exoskeleton arthropod.

Juga, peptidoglycan membentuk dinding sel bakteria dan cyanobacteria. Tisu penghubung haiwan dan sendi tulang terbentuk oleh polisakarida.

Banyak karbohidrat covalently terikat kepada protein atau lipid, membentuk struktur yang lebih kompleks, secara kolektif dipanggil glycoconjugates. Kompleks ini bertindak sebagai label yang menentukan lokasi intraselular atau nasib metabolik molekul-molekul ini

Makanan yang mengandungi karbohidrat

Karbohidrat adalah komponen penting dalam diet yang sihat, kerana ia adalah sumber tenaga utama. Walau bagaimanapun, sesetengah makanan mempunyai karbohidrat yang lebih sihat yang menawarkan lebih banyak nutrien, contohnya:

Pati

Makanan yang mengandungi kanji adalah sumber utama karbohidrat. Starch ini adalah karbohidrat kompleks biasa, iaitu, ia terbentuk oleh banyak gula yang bergabung bersama membentuk rantaian molekul yang panjang. Atas sebab ini, kanji mengambil masa lebih lama untuk dicerna.

Terdapat pelbagai makanan yang mengandungi kanji. Biji-bijian termasuk makanan dengan kandungan kanji yang tinggi, contohnya: kacang, lentil dan beras. Bijirin juga mengandungi karbohidrat ini, contohnya: oat, barli, gandum dan derivatifnya (tepung dan pasta) .

Kekacang dan kacang juga mengandungi karbohidrat dalam bentuk kanji. Selain itu, sayuran seperti: kentang, ubi jalar, jagung dan labu juga kaya dengan kandungan kanji.

Adalah penting untuk diperhatikan bahawa banyak karbohidrat adalah sumber serat. Iaitu, serat pada asasnya adalah sejenis karbohidrat yang badannya boleh mencerna hanya sebahagiannya.

Sama seperti karbohidrat kompleks, serat karbohidrat cenderung perlahan dicerna.

Buah-buahan dan sayur-sayuran

Buah-buahan dan sayur-sayuran mempunyai kandungan karbohidrat yang tinggi. Berbeza dengan kanji, buah-buahan dan sayur-sayuran mengandungi karbohidrat ringkas, iaitu, karbohidrat dengan satu atau dua sakarida yang dihubungkan bersama.

Karbohidrat ini, mudah dalam struktur molekul mereka, dicerna lebih mudah dan cepat daripada yang kompleks. Ini memberikan idea tentang tahap dan jenis karbohidrat yang berbeza yang dimiliki oleh makanan.

Oleh itu, beberapa buah-buahan mempunyai lebih banyak kandungan karbohidrat setiap hidangan, sebagai contoh, pisang, epal, oren, tembikai dan anggur mempunyai lebih karbohidrat beberapa sayur-sayuran seperti bayam, brokoli dan kale, lobak merah, cendawan dan terung.

Susu itu

Sama seperti sayur-sayuran dan buah-buahan, produk tenusu adalah makanan yang mengandungi karbohidrat mudah. Susu mempunyai gula sendiri yang dipanggil laktosa, disaccharide manis. Satu cawan ini sama dengan kira-kira 12 gram karbohidrat.

Terdapat banyak versi susu dan yogurt di pasaran. Tidak kira sama ada anda memakan satu versi lemak penuh atau dikurangkan daripada susu tertentu, jumlah karbohidrat akan sama.

Gula-gula

Gula adalah satu lagi sumber karbohidrat yang terkenal. Ini termasuk gula, madu, gula-gula, minuman buatan, kue, ais krim, antara pencuci mulut yang lain. Semua produk ini mengandungi kepekatan gula yang tinggi.

Untuk sebahagiannya, beberapa makanan yang diproses dan halus mengandungi karbohidrat kompleks, contohnya: roti, nasi dan pasta putih. Adalah penting untuk diperhatikan bahawa karbohidrat halus tidak berkhasiat seperti karbohidrat yang mempunyai buah-buahan dan sayur-sayuran.

Metabolisme karbohidrat

Metabolisme karbohidrat adalah satu set reaksi metabolik yang melibatkan pembentukan, degradasi dan penukaran karbohidrat dalam sel.

Metabolisme karbohidrat sangat dipelihara dan boleh dilihat walaupun dari bakteria, contoh utama ialah Lac Operon. E. coli.

Karbohidrat penting dalam banyak laluan metabolik seperti fotosintesis, reaksi pembentukan karbohidrat yang paling penting di alam.

Dari karbon dioksida dan air, tumbuh-tumbuhan menggunakan tenaga matahari untuk mensintesis molekul karbohidrat.

Sementara itu, haiwan dan kulat sel memecahkan karbohidrat, digunakan dalam tisu tumbuhan, untuk tenaga dalam bentuk ATP melalui proses yang dikenali sebagai pernafasan sel.

Dalam vertebrata, glukosa diangkut ke seluruh tubuh melalui darah. Jika rizab tenaga selular adalah rendah, glukosa dihina oleh tindak balas metabolik yang dinamakan glikolisis untuk menghasilkan beberapa tenaga dan beberapa perantaraan metabolik.

Molekul glukosa tidak diperlukan untuk pengeluaran tenaga segera disimpan sebagai glikogen dalam hati dan otot, melalui proses yang dipanggil glikogenesis.

Sesetengah karbohidrat mudah mempunyai laluan degradasi mereka sendiri, seperti beberapa karbohidrat yang lebih kompleks. Laktosa, sebagai contoh, memerlukan tindakan enzim laktase yang terbelah dan mengeluarkan hubungannya asas monosakarida, glukosa dan galaktosa.

Glukosa adalah karbohidrat utama yang digunakan oleh sel, yang membentuk kira-kira 80% sumber tenaga.

Glukosa diagihkan kepada sel-sel, di mana ia boleh memasuki pengangkut tertentu untuk direndahkan atau disimpan sebagai glikogen.

Bergantung kepada keperluan metabolik sel, glukosa juga boleh digunakan untuk mensintesis monosakarida lain, asid lemak, asid nukleik dan asid amino tertentu.

Fungsi utama metabolisme karbohidrat adalah untuk mengekalkan kawalan kadar gula darah, ini yang dikenali sebagai homeostasis dalaman.

Rujukan

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Biologi Molekul Sel (Ed ed.). Sains Garland.
  2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biokimia (Ed ed.). W. H. Freeman dan Syarikat.
  3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biologi (Ed ed.) Pendidikan Pearson.
  4. Dashty, M. (2013). Pemeriksaan biokimia cepat: metabolisme karbohidrat. Biokimia klinikal, 46(15), 1339-1352.
  5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Biologi Sel Molekul (Ed ed.). W. H. Freeman dan Syarikat.
  6. Maughan, R. (2009). Metabolisme karbohidrat. Pembedahan, 27(1), 6-10.
  7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Prinsip Biokimia Lehninger (6th). W.H. Freeman dan Syarikat.
  8. Salomo, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biologi (7 ed.) Pembelajaran Cengage.
  9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Asas-Asas Biokimia: Kehidupan di Tahap Molekul (Edisi ke-5). Wiley.