Koolhydraten chemische structuur, classificatie en functies

de koolhydraten, koolhydraten of sacchariden, zijn organische moleculen die energie opslaan in levende wezens. Ze zijn de meest voorkomende biomoleculen en omvatten: suikers, zetmelen en cellulose, naast andere stoffen die in levende organismen worden aangetroffen.

De organismen die fotosynthese uitvoeren (planten, algen en sommige bacteriën) zijn de belangrijkste producenten van koolhydraten in de natuur. De structuur van deze sacchariden kan lineair of vertakt, eenvoudig of samengesteld zijn en kan ook worden geassocieerd met andere biomoleculen.

Koolhydraten kunnen bijvoorbeeld eiwitten binden om glycoproteïnen te vormen. Ze kunnen ook worden geassocieerd met lipidemoleculen die glycolipiden vormen, de biomoleculen die de structuur van biologische membranen vormen. Koolhydraten zijn ook aanwezig in de structuur van nucleïnezuren.

Aanvankelijk werden koolhydraten herkend als cellulaire energieopslagmoleculen. Vervolgens werden andere belangrijke functies die koolhydraten vervullen in biologische systemen bepaald.

Alle levende wezens hebben hun cellen bedekt met een dichte laag van complexe koolhydraten. Koolhydraten bestaan ​​uit monosacchariden, kleine moleculen gevormd door drie tot negen koolstofatomen bevestigd aan hydroxylgroepen (-OH), die kunnen variëren in grootte en configuratie.

Een belangrijke eigenschap van koolhydraten is de enorme structurele diversiteit binnen deze klasse van moleculen, waardoor ze een breed scala aan functies kunnen uitvoeren, zoals het genereren van signaalmoleculen voor cellen, het vormen van weefsels en het genereren van de identiteit van verschillende bloedgroepen bij mensen..

Evenzo is de extracellulaire matrix in hogere eukaryoten rijk aan uitgescheiden koolhydraten, essentieel voor celoverleving en communicatie. Deze celherkenningsmechanismen worden gebruikt door een verscheidenheid aan pathogenen om hun gastheercellen te infecteren.

Monosacchariden kunnen worden gekoppeld door glycosidebindingen om een ​​grote verscheidenheid aan koolhydraten te vormen: disachariden, oligosacchariden en polysacchariden. De studie van de structuur en functie van koolhydraten in biologische systemen wordt glycobiologie genoemd.

index

• 1 Chemische structuur
• 2 Classificatie
  • 2.1 Monosacchariden
  • 2.2 Disacchariden
  • 2.3 Oligosacchariden 
  • 2.4 Polysacchariden
• 3 functies
• 4 Levensmiddelen die koolhydraten bevatten
  • 4.1 Het zetmeel
  • 4.2 Groenten en fruit
  • 4.3 Melk
  • 4.4 De snoepjes
• 5 Koolhydraatmetabolisme
• 6 Referenties

Chemische structuur

Koolhydraten bestaan ​​uit koolstof-, waterstof- en zuurstofatomen. De meeste hiervan kunnen worden weergegeven door de empirische formule (CH2O) n, waarbij n het aantal koolstofatomen in het molecuul is. Met andere woorden, de verhouding van koolstof, waterstof en zuurstof is 1: 2: 1 in koolhydraatmoleculen.

Deze formule verklaart de oorsprong van de term "koolhydraat" omdat de componenten koolstofatomen ("carbo") en wateratomen zijn (daarom "hydraat"). Hoewel koolhydraten voornamelijk door deze drie atomen worden gevormd, zijn er sommige koolhydraten met stikstof, fosfor of zwavel.

In de basisvorm zijn koolhydraten eenvoudige suikers of monosachariden. Deze eenvoudige suikers kunnen worden gecombineerd om meer complexe koolhydraten te vormen.

De combinatie van twee eenvoudige suikers is een disaccharide. Oligosacchariden bevatten tussen de twee tot tien eenvoudige suikers en polysacchariden zijn de grootste koolhydraten, bestaande uit meer dan tien eenheden monosachariden.

De structuur van koolhydraten bepaalt hoe energie wordt opgeslagen in zijn verbindingen tijdens de vorming ervan door fotosynthese, en ook hoe deze bindingen worden verbroken tijdens cellulaire ademhaling.

classificatie

monosacchariden

Monosacchariden zijn de elementaire eenheden van koolhydraten, daarom zijn ze de eenvoudigste structuur van een saccharide. Lichamelijk zijn monosacchariden kristallijne vaste stoffen zonder kleur. De meeste hebben een zoete smaak.

Vanuit chemisch oogpunt kunnen de monosachariden aldehyden of ketonen zijn, afhankelijk van waar de carbonylgroep (C = O) zich bevindt in de lineaire koolhydraten. Structureel kunnen monosacchariden lineaire ketens of gesloten ringen vormen.

Omdat monosacchariden hydroxylgroepen hebben, zijn de meeste wateroplosbaar en onoplosbaar in niet-polaire oplosmiddelen.

Afhankelijk van het aantal koolstoffen dat je in je structuur hebt, heeft een monosaccharide verschillende namen, bijvoorbeeld triose (als je 3 C-atomen hebt), pentose (als je 5C hebt) enzovoort.

disacchariden

De disachariden zijn dubbele suikers die worden gevormd door twee monosacchariden samen te voegen in een chemisch proces dat dehydratiesynthese wordt genoemd, omdat tijdens de reactie een molecuul water verloren gaat. Het is ook bekend als een condensatiereactie.

Een disaccharide is dus elke stof die is samengesteld uit twee moleculen van eenvoudige suikers (monosacchariden) die aan elkaar zijn gekoppeld via een glycosidische link.

Zuren hebben het vermogen om deze bindingen te verbreken, om deze reden kunnen disacchariden in de maag worden verteerd.

Disachariden zijn over het algemeen oplosbaar in water en zoet bij inslikken. De drie belangrijkste disachariden zijn sucrose, lactose en maltose: sucrose komt van de binding van glucose en fructose; lactose komt van de vereniging van glucose en galactose; en maltose komt van de vereniging van twee glucosemoleculen.

oligosacchariden

Oligosacchariden zijn complexe polymeren gevormd door enkele eenheden van eenvoudige suikers, dat wil zeggen, tussen 3 tot 9 monosacchariden.

De reactie is dezelfde die de disacchariden vormt, maar komt ook voort uit de afbraak van meer complexe suikermoleculen (polysacchariden).

De meeste oligosacchariden worden aangetroffen in planten en werken als oplosbare vezels, die kunnen helpen constipatie te voorkomen. Mensen bezitten echter niet de enzymen om ze grotendeels te verteren, behalve de maltotriose.

Om deze reden kunnen oligosacchariden die aanvankelijk niet in de dunne darm worden verteerd, worden afgebroken door de bacteriën die normaal de dikke darm bevolken via een fermentatieproces. Prebiotica vervullen deze functie, dienen als voedsel voor nuttige bacteriën.

polysacchariden

Polysacchariden zijn de grootste saccharidepolymeren, ze worden gevormd door meer dan 10 (tot aan duizenden) eenheden monosachariden die lineair of vertakt zijn gerangschikt. De variaties in het ruimtelijke arrangement geven de meerdere eigenschappen aan deze suikers.

De polysacchariden kunnen zijn samengesteld uit hetzelfde monosaccharide of door combinatie van verschillende monosacchariden. Als ze worden gevormd door herhaalde eenheden van dezelfde suiker, worden ze homopolysacchariden genoemd, zoals glycogeen en zetmeel, die respectievelijk de opslagkoolhydraten zijn van dieren en planten..

Als het polysaccharide is samengesteld uit eenheden van verschillende suikers worden zij heteropolysacchariden genoemd. De meeste bevatten slechts twee verschillende eenheden en worden gewoonlijk geassocieerd met eiwitten (glycoproteïnen, zoals gamma-globuline in het bloedplasma) of lipiden (glycolipiden, zoals gangliosiden).

functies

De vier belangrijkste functies van koolhydraten zijn: leveren energie, slaan energie op, bouwen macromoleculen en voorkomen afbraak van eiwitten en vetten.

Koolhydraten worden afgebroken door de spijsvertering in eenvoudige suikers. Deze worden door de cellen van de dunne darm geabsorbeerd en worden naar alle cellen van het lichaam getransporteerd waar ze zullen worden geoxideerd voor energie in de vorm van adenosine trifosfaat (ATP).

Suiker moleculen die niet worden gebruikt bij de productie van energie op een bepaald moment, worden opgeslagen als onderdeel van reserve polymeren zoals glycogeen en zetmeel.

Nucleotiden, de fundamentele eenheden van nucleïnezuren, bevatten glucosemoleculen in hun structuur. Verschillende belangrijke eiwitten worden geassocieerd met koolhydraatmoleculen, bijvoorbeeld: het follikelstimulerend hormoon (FSH) dat tussenbeide komt in het ovulatieproces.

Omdat koolhydraten de belangrijkste energiebron zijn, voorkomt de snelle afbraak dat andere biomoleculen worden afgebroken om energie te krijgen. Wanneer suikergehaltes normaal zijn, worden eiwitten en lipiden beschermd tegen afbraak.

Sommige koolhydraten zijn oplosbaar in water, ze fungeren als een hoofdvoedsel in praktisch de hele wereld en de oxidatie van deze moleculen is de belangrijkste bron van energieproductie in de meeste niet-fotosynthetische cellen..

Onoplosbare koolhydraten worden geassocieerd om complexere structuren te vormen die als bescherming dienen. Bijvoorbeeld: cellulose vormt de wand van plantencellen samen met hemicellulosen en pectine. Chitine vormt de wand van schimmelcellen en het exoskelet van geleedpotigen.

Ook vormt peptidoglycan de celwand van bacteriën en cyanobacteriën. Het bindweefsel van dieren en skeletachtige gewrichten worden gevormd door polysacchariden.

Veel koolhydraten zijn covalent gebonden aan eiwitten of lipiden, waardoor ze complexere structuren vormen, gezamenlijk glycoconjugaten genoemd. Deze complexen fungeren als labels die de intracellulaire locatie of het metabole lot van deze moleculen bepalen

Voedingsmiddelen die koolhydraten bevatten

Koolhydraten zijn een essentieel onderdeel van een gezond dieet, omdat ze de belangrijkste energiebron zijn. Sommige voedingsmiddelen bevatten echter gezondere koolhydraten die een grotere hoeveelheid voedingsstoffen bieden, bijvoorbeeld:

De zetmelen

Voedingsmiddelen die zetmeel bevatten, zijn de belangrijkste bron van koolhydraten. Deze zetmelen zijn in het algemeen complexe koolhydraten, dat wil zeggen ze worden gevormd door veel suikers die aan elkaar zijn verbonden en vormen een lange moleculaire keten. Om deze reden duurt het langer voordat het zetmeel is verteerd.

Er is een breed scala aan voedingsmiddelen die zetmelen bevatten. De granen omvatten voedingsmiddelen met een hoog zetmeelgehalte, bijvoorbeeld bonen, linzen en rijst. Granen bevatten ook deze koolhydraten, bijvoorbeeld: haver, gerst, tarwe en zijn derivaten (bloem en pasta) .

Peulvruchten en noten bevatten ook koolhydraten in de vorm van zetmelen. Bovendien zijn groenten zoals: aardappelen, zoete aardappelen, maïs en pompoenen ook rijk aan zetmeel.

Het is belangrijk op te merken dat veel koolhydraten een bron van vezels zijn. Dat wil zeggen, vezels zijn in feite een soort koolhydraten die het lichaam slechts gedeeltelijk kan verteren.

Net als bij complexe koolhydraten hebben koolhydraatvezels de neiging om langzaam te worden verteerd.

Fruit en groenten

Groenten en fruit hebben een hoog koolhydraatgehalte. In tegenstelling tot zetmeel bevatten fruit en groenten eenvoudige koolhydraten, dat wil zeggen koolhydraten met één of twee aan elkaar verbonden sacchariden.

Deze koolhydraten, eenvoudig in hun moleculaire structuur, worden gemakkelijker en sneller verteerd dan complexe koolhydraten. Dit geeft een idee van de verschillende niveaus en soorten koolhydraten die het voedsel bezit.

Zo hebben sommige vruchten meer koolhydraten per portie, bijvoorbeeld: bananen, appels, sinaasappels, meloenen en druiven bevatten meer koolhydraten dan sommige groenten zoals spinazie, broccoli en boerenkool, wortels, champignons en aubergines.

De melk

Net als groenten en fruit zijn zuivelproducten voedingsmiddelen die eenvoudige koolhydraten bevatten. Melk heeft zijn eigen suiker, lactose, een zoet smakende disaccharide. Eén kopje hiervan is ongeveer 12 gram koolhydraten.

Er zijn veel versies van melk en yoghurt op de markt. Ongeacht of u een volledige of een verminderde vetversie van een bepaalde zuivel gebruikt, de hoeveelheid koolhydraten is hetzelfde.

De snoepjes

Snoepjes zijn een andere bekende bron van koolhydraten. Deze omvatten suiker, honing, snoepjes, kunstmatige dranken, koekjes, ijs, en vele andere desserts. Al deze producten bevatten hoge concentraties suikers.

Sommige bewerkte en geraffineerde voedingsmiddelen bevatten complexe koolhydraten, bijvoorbeeld: brood, rijst en witte pasta. Het is belangrijk op te merken dat geraffineerde koolhydraten niet zo voedzaam zijn als de koolhydraten die groenten en fruit bevatten.

Koolhydraatmetabolisme

Het metabolisme van koolhydraten is de verzameling metabole reacties die de vorming, afbraak en omzetting van koolhydraten in cellen omvat.

Het metabolisme van koolhydraten is sterk geconserveerd en kan zelfs door bacteriën worden waargenomen, met als belangrijkste voorbeeld de Lac Operon. E. coli.

Koolhydraten zijn belangrijk in veel metabole routes zoals fotosynthese, de belangrijkste koolhydraatvormingsreactie in de natuur.

Van kooldioxide en water gebruiken planten de energie van de zon om koolhydraatmoleculen te synthetiseren.

Van hun kant, breken dierlijke en schimmelcellen koolhydraten af, geconsumeerd in plantenweefsels, om energie in de vorm van ATP te verkrijgen via een proces dat cellulaire ademhaling wordt genoemd..

Bij vertebraten wordt glucose door het hele lichaam door het bloed getransporteerd. Als de opslag van cellulaire energie laag is, wordt glucose afgebroken door een metabolische reactie die glycolyse wordt genoemd, om een ​​beetje energie te produceren en sommige metabole intermediairen.

Glucosemoleculen die niet nodig zijn voor onmiddellijke energieproductie worden opgeslagen als glycogeen in de lever en spieren, via een proces dat glycogenese wordt genoemd.

Sommige eenvoudige koolhydraten hebben hun eigen afbraakwegen, zoals sommige van de meer complexe koolhydraten. Lactose vereist bijvoorbeeld de werking van het lactase-enzym dat zijn bindingen verbreekt en zijn fundamentele monosachariden, glucose en galactose vrijgeeft.

Glucose is het belangrijkste koolhydraat dat wordt geconsumeerd door cellen en vormt ongeveer 80% van de energiebronnen.

Glucose wordt verdeeld naar cellen, waar het via specifieke transporters kan worden afgebroken of opgeslagen als glycogeen.

Afhankelijk van de metabolische vereisten van een cel, kan glucose ook worden gebruikt om andere monosacchariden, vetzuren, nucleïnezuren en bepaalde aminozuren te synthetiseren.

De belangrijkste functie van koolhydraatmetabolisme is om de bloedsuikerspiegel onder controle te houden, dit is de zogenaamde interne homeostase.

referenties

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Moleculaire biologie van de cel (6e druk). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). biochemie (8e druk). W. H. Freeman and Company.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). biologie (2e ed.) Pearson Education.
4. Dashty, M. (2013). Een snelle blik op biochemie: koolhydraatmetabolisme. Klinische biochemie, 46(15), 1339-1352.
5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Moleculaire celbiologie (8e druk). W. H. Freeman and Company.
6. Maughan, R. (2009). Koolhydraatmetabolisme. chirurgie, 27(1), 6-10.
7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Lehninger Principles of Biochemistry (6^th). W.H. Freeman and Company.
8. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). biologie (7e druk) Cengage Learning.
9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level (5de ed.). Wiley.