Karbohydrat

D - Glukose D - Fruktose
Ribose - furanoseform

Karbohydrater , karbohydrater , karbohydrater eller sakkarider er biomolekyler som hovedsakelig består av karbon , hydrogen og oksygen , selv om noen av dem også inneholder andre bioelementer som: nitrogen , svovel og fosfor . Hovedfunksjonene til karbohydrater i levende vesener er å gi umiddelbar energi (ikke overraskende, de er hovedkilden til energi, gjennom en oksidasjonsprosess , i de fleste ikke -fotosyntetiske celler ), så vel som en strukturell funksjon. Kjemisk er karbohydrater definert som polyhydroksyaldehyder eller polyhydroksyketoner (eller alternativt stoffer hvis hydrolyse gir opphav til disse forbindelsene), som betegner tilstedeværelsen av disse funksjonelle gruppene : hydroksylet , som forekommer flere ganger langs karbonatkjeden, og en karbonylgruppe , som kan være aldehyd eller keton . De primære biologiske formene for energilagring og energiforbruk ; [ 1 ] Cellulose fyller en strukturell funksjon som en del av plantens cellevegg , mens kitin er hovedbestanddelen av leddyrets eksoskeleton .

Tidligere var de kjent som karbohydrater, fordi i deres empiriske formel er hydrogen- og oksygenatomer bundet sammen. Karbohydrat eller karbohydrat er feilbetegnelser, da disse molekylene ikke er hydratiserte karbonatomer, det vil si bundet til vannmolekyler , men i stedet består av karbonatomer bundet til andre funksjonelle grupper som karbonyl og hydroksyl . Dette navnet kommer fra den kjemiske nomenklaturen på 1800-tallet , siden de første isolerte stoffene reagerte på grunnformelen C n (H 2 O) n (hvor "n" er et heltall ≥ 3). Derfor har begrepet "karbohydrat" blitt beholdt, selv om det senere ble vist at de ikke var det. I tillegg insisterer angelsaksiske vitenskapelige tekster på å kalle dem karbohydrater , noe som får en til å tro at dette er deres riktige navn. På samme måte, i kosthold , er navnet på karbohydrater oftere brukt.

Karbohydrater kan gjennomgå reaksjoner med forestring , aminering , reduksjon , oksidasjon , noe som gir hver av strukturene en spesifikk egenskap, for eksempel løselighet .

Definisjoner og etymologier

Funksjoner

Karbohydrater produseres for det meste av planter under fotosyntese (en kompleks prosess der karbondioksid fra miljøet omdannes til enkle sukkerarter). Karbohydrater er forbindelser som hovedsakelig består av karbon- , hydrogen- og oksygenatomer . De har vanskelig å bryte kovalente kjemiske bindinger , men de lagrer en stor mengde energi , som frigjøres når molekylet oksideres . I naturen er de en essensiell bestanddel av levende vesener , som utgjør en del av isolerte biomolekyler eller assosiert med andre som proteiner og lipider , og er de mest tallrike organiske forbindelsene i naturen.

Karbohydrater fyller to grunnleggende roller i levende vesener. På den ene siden er de energimolekyler for umiddelbar bruk av cellene ( glukose ) eller som lagres for senere forbruk ( stivelse og glykogen ); 1 g gir 4,5 kcal . På den annen side har noen polysakkarider en viktig strukturell funksjon siden de utgjør en del av celleveggen til planter ( cellulose ) eller skjellaget til leddyr .

Klassifisering

Avhengig av kompleksiteten til molekylet, klassifiseres karbohydrater i monosakkarider , oligosakkarider (inkludert disakkarider , som ofte klassifiseres separat på grunn av deres biologiske betydning) og polysakkarider . Til denne gruppen legges andre biomolekyler som presenterer i sin struktur, i tillegg til karbohydratdelen, en annen kjemisk forskjellig del: derivater av monosakkarider , heteropolysakkarider , peptidoglykaner , glykoproteiner og glykolipider .

Monosakkarider

Monosakkarider eller oser er monomerene til karbohydrater, det vil si de enkleste elementære enhetene, som ikke kan hydrolyseres til enklere karbohydrater. Monosakkarider har følgende egenskaper: de er nøytrale, fargeløse, krystallinske faste stoffer, løselige i vann, [ 3 ] tungtløselige i alkohol og generelt uløselige i aceton , eter og andre ikke-polare løsningsmidler; vanligvis søt på smak. Noen kjente eksempler på monosakkarider er glukose (det viktigste cellulære energidrivstoffet), galaktose , fruktose eller ribose , blant andre.

Den generelle kjemiske formelen for et monosakkarid er (CH 2 O) n , hvor n er et hvilket som helst tall lik eller større enn tre, grensen er syv karbonatomer. [ 4 ] Denne empiriske formelen er imidlertid ikke alltid oppfylt, bortsett fra derivater av monosakkarider, som kan oppnås fra reduksjonsprosesser (slik er tilfellet med deoksysukker som deoksyribose , med molekylformel C 5 H 10 O 4 ), ved oksidasjon (danner sure sukkerarter, når det gjelder glukuronsyre , hvis kjemiske formel er C 6 H 10 O 7 ), og ved substitusjon, som i tilfellet med aminosukker, hvor nitrogen også vises som et bioelement .

Monosakkarider er klassifisert i henhold til tre forskjellige egenskaper: plasseringen av karbonylgruppen , antall karbonatomer den inneholder, og dens chiralitet .

Karbonylgruppen kan finnes i den ene enden av kjeden, i dette tilfellet er det et aldehyd , eller inne i karbonkjeden, og er dermed en keton . Hvis molekylet har en aldehydgruppe, er monosakkaridet en aldose , [ 5 ] , på den annen side, hvis det har en ketongruppe , er monosakkaridet en ketose . Monosakkarider er, fra et kjemisk synspunkt, polyalkoholer , på grunn av tilstedeværelsen av hydroksylgrupper , og avhengig av karbonylgruppen de presenterer, skilles de mellom polyhydroksyaldehyder og polyhydroksyketoner.

Avhengig av antall karboner, finnes trioser hvis de har tre karbonatomer, tetroser hvis de har fire, pentoser hvis de har fem, de med seks karbonatomer kalles heksoser , og til slutt de med syv karbonatomer er heptosene .

For nomenklaturen av monosakkarider er det vanlig å bruke disse to siste kriteriene i kombinasjon, og prefiksere navnet som angir antall karboner i monomeren, prefikset aldo- eller keto- avhengig av karbonylgruppen den presenterer. Dermed er glukose en aldoheksose (et polyhydroksyaldehyd med seks karbonatomer), mens ribulose er en ketopentose (en polyhydroksyketon med fem karbonatomer).

I tillegg, på grunn av tilstedeværelsen av asymmetriske karboner (det vil si de karbonene som har alle sine forskjellige radikaler), presenterer de isomerisme. Alle karboner bortsett fra de i endene av kjeden, så vel som karbonylkarbonet, er asymmetriske. Tilstedeværelsen av asymmetriske karboner muliggjør eksistensen av stereoisomerisme . Det eneste monosakkaridet som ikke har noe kiralt senter er ketotriosedihydroksyaceton . [ 6 ]

På grunn av denne asymmetrien har hvert monosakkarid et visst antall isomerer . For eksempel har aldoheksose D-glukose formelen (CH 2 O) 6 , hvorav, bortsett fra to av de seks karbonatomene, alle er kirale sentre, noe som gjør D-glukose til en av de mulige stereoisomerene . Når det gjelder glyseraldehyd , en aldotriose , er det et par mulige stereoisomerer, som er enantiomerer og epimerer (1,3 - dihydroksyaceton , den tilsvarende ketose, er et symmetrisk molekyl uten kirale sentre).

D- eller L-betegnelsen er laget i henhold til orienteringen til det asymmetriske karbonet lengst fra karbonylgruppen: hvis hydroksylgruppen er til høyre for molekylet er det et D-sukker, hvis det er til venstre er det et L-sukker. sukker er det vanligste, vanligvis er bokstaven D utelatt.

Notasjonen D eller L indikerer bare "familien" eller serien som forbindelsen tilhører, ikke nødvendigvis tegnet på rotasjonen den gir til polarisert lys. For eksempel er ketohexose D-fruktose sterkt venstredrejende , til tross for at den tilhører D-serien (faktisk kalles fruktose også nettopp levulose, da det er et veldig venstredrejende molekyl). På samme måte er glukose høyredreiende , og får dermed også det tidligere mye brukte navnet dekstrose. [ 7 ]

Differensieringen av karbohydrater i disse seriene eller "familiene" er av biologisk betydning. Høyere organismer bruker og syntetiserer praktisk talt kun karbohydrater fra D-serien. Det er svært få forbindelser i L-serien tilstede i cellestrukturer eller i menneskets organiske kropper.

Monosakkarider som har en aldehydgruppe er reduserende stoffer, spesielt i et alkalisk medium . På den annen side har ketoser, i motsetning til enkle ketoner, også reduserende kapasitet i alkalisk medium, på grunn av deres enkle isomerisering gjennom mellomliggende enolformer til aldoser. [ 8 ] Noen monosakkaridgjenkjenningsreaksjoner brukt i laboratoriet drar fordel av denne reduserende kapasiteten.

Avledede monosakkarider

Følgende typer avledede monosakkarider skilles:

  • Deoksysukker : Disse monosakkaridene har erstattet hydroksylgruppen til et av karbonene deres med et hydrogen. 2-Deoksyribose skiller seg ut i deoksysukkerene, som er en del av DNA- strukturen . [ 9 ]
  • Aminosukker : Aminosukker har erstattet en hydroksylgruppe med en aminogruppe , som vanligvis forekommer ved karbon 2. Aminogruppen acetyleres ofte , som i tilfellet med N-acetylglukosamin . [ 10 ]
  • Alditoler : Alditoler er polyoler med åpen kjede. I disse molekylene er aldehyd- eller ketongruppen redusert til en alkoholgruppe. På grunn av sin biologiske betydning skiller ribitol og glyserol seg ut . [ 11 ]
Sykling

Monosakkarider med fem eller flere karbonatomer, samt aldotetroser (oser med fire karbonatomer med en aldehydfunksjonell gruppe) vises vanligvis i en syklisk form og danner ringer når de er i vandig løsning. For å gjøre dette har karbonylkarbonet dannet en kovalent binding med oksygenet til hydroksylgruppen festet til et karbonatom som ligger i samme kjede. Dermed skjer en hemiacetalbinding (hvis en hydroksylgruppe reagerer med et aldehyd) eller en hemicetalbinding (hvis reaksjonen er mellom en hydroksylgruppe og et keton). Fra dannelsen av hemiacetal- og hemicetalbindinger oppstår det et ekstra asymmetrisk karbon (den hvis fire radikaler alle er forskjellige), som kalles anomerisk karbon , som er festet med en oksygenbro til karbonet som hydroksylgruppen som reagerte kom fra. Tilstedeværelsen av det asymmetriske karbonet tillater tilsynekomsten av to nye stereoisomerer : når hydroksylgruppen til det anomere senteret er lokalisert (i henhold til Fischer-projeksjonen ) på samme side som hydroksylet festet til det fjerneste kirale senteret, er det betegnet α, mens hvis den er plassert på motsatte sider er kjent som β. Nevnte par av resulterende stereoisomerer kalles "anomerer" .

De sykliske strukturene som dannes kan være pyranose, oppkalt etter deres analogi med den seks-hjørnede ringen kalt pyrano; eller furanoser, analogt med det femhjørnede molekylet kalt furan. De fleste av de sistnevnte har en tendens til å komme fra aldopentoser og ketoheksoser. Imidlertid viser seks-atomringen av aldopyranose mye mer stabilitet enn aldofuranose. [ 12 ] ​[ 13 ]

Bruk i celler

Monosakkarider er hovedkilden til drivstoff for metabolisme , og brukes både som energikilde (glukose er den viktigste i naturen) og i biosyntese . Når monosakkarider ikke er nødvendig for cellene, omdannes de raskt til en annen form, for eksempel polysakkarider. I tillegg er ribose og deoksyribose strukturelle komponenter i nukleinsyrer . De florerer i plantevev, der de danner de fibrøse eller treaktige elementene i deres struktur og næringsreserveforbindelsene til knoller, frø og frukt. De er også vidt distribuert i dyrevev, oppløst i organiske væsker og i komplekse molekyler med ulike funksjoner. Planter syntetiserer karbohydrater fra CO 2 og H 2 O, og fanger opp lysenergi i en prosess som kalles fotosyntese. Disse karbohydratene inntas av dyr, og brukes i stor grad som drivstoff. I det menneskelige kostholdet er karbohydrater hovedleverandørene av energi. I et balansert kosthold bør karbohydrater gi mellom 50 og 60 % av de totale kaloriene.

Biosfærens hovedenergisyklus avhenger i stor grad av metabolismen av karbohydrater. La oss kort undersøke denne syklusen. I fotosyntesen fanger planter CO 2 fra atmosfæren og «fikserer» det til karbohydrater. Den grunnleggende reaksjonen kan beskrives (på en sterkt forenklet måte) som reduksjon av CO 2 til karbohydrater, i dette tilfellet representert ved glukose, produsert av lys. Mye av disse karbohydratene lagres i planter i form av stivelse eller cellulose. Dyr får karbohydrater ved å spise planteetende planter eller dyr. Dermed blir karbohydrater syntetisert av planter til slutt de viktigste karbonkildene for alt dyrevev. I den andre halvdelen av syklusen utfører både planter og dyr, gjennom oksidativt stoffskifte, en reaksjon som er det motsatte av fotosyntesen, som igjen produserer CO 2 og H 2 O. Denne oksidasjonen av karbohydrater Karbon er hovedenergi- generere prosess av metabolisme. [ 14 ]

Disakkarider

Disakkarider er karbohydrater som består av to monosakkaridmolekyler, og derfor, når de hydrolyseres, produserer de to frie monosakkarider. De to monosakkaridene er forbundet med en kovalent binding kjent som en glykosidbinding , etter en kondensasjonsreaksjon som involverer tap av et hydrogenatom fra ett monosakkarid og en hydroksylgruppe fra det andre monosakkaridet, med påfølgende dannelse av et molekyl av H 2 O , slik at formelen for umodifiserte disakkarider er C 12 H 22 O 11 .

De er krystallinske faste stoffer, løselige i vann, lite i alkohol, uløselige i eter, med en søt smak, optisk aktive.

Noen vanlige disakkarider er:

  • Sukrose . Det er det mest tallrike disakkaridet og hovedformen der karbohydrater transporteres i planter. Den består av ett glukosemolekyl og ett fruktosemolekyl . Det systematiske navnet på sukrose, O-α-D-glukopyranosyl-(1→2)-β-D-fruktofuranosid, indikerer fire ting:
    • Monosakkaridene som utgjør den er glukose og fruktose.
    • Arrangement av molekyler i rommet: Glukose adopterer pyranoseformen og fruktose en furanose.
    • Monosakkaridbinding: anomer karbon en (C1) av α-glukose er alfa-bundet til C2 av fruktose og danner 2-O-(alfa-D-glukopyranosyl)-beta-D-fruktofuranosid og frigjør et vannmolekyl.
    • Suffikset -osid indikerer at det anomere karbonet til begge monosakkaridene deltar i glykosidbindingen, derfor har det ikke reduserende kraft. Bindingen er dikarbonyl, siden de anomere karbonene til de to osene er involvert i dannelsen.
  • laktose . Det er melkesukker . Det er et disakkarid som består av et galaktosemolekyl og et glukosemolekyl; Det finnes naturlig bare i melk. Det systematiske navnet på laktose er O-β-D-galaktopyranosyl-(1→4)-D-glukopyranose. Siden karbon 1 av glukose forblir fri, er forbindelsen reduserende og har alfa- og betaformer. Personer som er laktoseintolerante er ikke i stand til å fordøye dette sukkeret (eller fordøye det med store vanskeligheter), på grunn av mangel på laktase , enzymet som er ansvarlig for å hydrolysere O-glykosidbindingen som forbinder de to osene. [ 15 ]
  • Maltose . Også kjent som maltsukker, er det et disakkarid dannet av to glukosemolekyler koblet sammen med en α(1→4)-binding; det oppnås ved hydrolyse av stivelse . Maltose, som har en fri karbonylgruppe, er et reduserende sukker, som potensielt kan oksideres. Denne frie anomere hydroksylen kan være både α og β, og er det som gir maltose dens mutarotasjonskarakteristikk . [ 16 ]
  • isomaltose . Disakkarid hvis systematiske navn er α-D-glukopyranosyl-(1→6)-α-D-glukopyranose. Isomaltose oppnås fra hydrolyse av glykogen og stivelse , reserve homopolysakkarider, i hvis forgreninger to D-glukopyranoser er forbundet med en α(1→6)-binding. Det er også et reduserende sukker. [ 17 ]
  • Cellobiose . Det er et disakkarid dannet av to glukosemolekyler koblet sammen med en β(1→4)-binding; Det er oppnådd fra hydrolyse av cellulose . [ 18 ] Dets systematiske navn er β-D-glukopyranosyl-(1→4)-β-D-glukopyranose. Cellobiose har reduserende kraft.

Oligosakkarider

Oligosakkarider er sammensatt av tre til ti molekyler av monosakkarider [ 19 ] som frigjøres ved hydrolysering. Definisjonen av hvor lenge et karbohydrat må være for å regnes som en oligo eller polysakkarid varierer i henhold til forfatterne. Avhengig av antall monosakkarider i kjeden, er det disakkarider (som laktose ), tetrasakkarid ( stachyose ), pentasakkarider, etc.

Oligosakkarider er ofte funnet knyttet til proteiner , og danner glykoproteiner , som en vanlig form for modifikasjon etter proteinsyntese . Disse post-translasjonelle modifikasjonene inkluderer Lewis-oligosakkaridene , ansvarlige for blodgruppeinkompatibiliteter , alfa-Gal- epitopen som er ansvarlig for hyperakutt avstøtning ved xenotransplantasjon , og O-GlcNAc- modifikasjoner.

De finnes vanligvis i morsmelk, frukt, grønnsaker og honning, både i sin frie konfigurasjon og i form av glykolipider og glykoproteiner. [ 20 ]

Polysakkarider

Polysakkarider er kjeder, forgrenede eller ikke, av mer enn ti monosakkarider, som er et resultat av kondensering av mange monosakkaridmolekyler med tap av flere vannmolekyler. Dens empiriske formel er: (C 6 H 10 O 5 ) n . Polysakkarider representerer en viktig klasse av biologiske polymerer og deres funksjon i levende organismer er vanligvis relatert til struktur eller lagring.

Polysakkarider, i motsetning til lipider og proteiner , kan gi opphav til både lineære og forgrenede polymerer. Dette er fordi glykosidbindingene som forbinder de forskjellige osene kan forekomme i enhver hydroksylgruppe i monosakkaridet. Imidlertid er de fleste polysakkarider lineære og de med grener gjør det i veldefinerte former. [ 21 ]

Homopolysakkarider

Homopolysakkarider er en type polysakkarider som er dannet av en enkelt type monomerer, oser eller derivater derav, som er forbundet med O-glykosidbindinger. [ 22 ] Innenfor homopolysakkaridene kan de som har en reservefunksjon og de som virker med en strukturell funksjon skilles. [ 22 ] Homopolysakkarider får ofte et navn som er avledet fra typen ose som danner dem: stivelse, glykogen eller cellulose kan derfor generelt grupperes som glukaner (polysakkarider dannet ved foreningen av D-enheter). -Glukose). [ 22 ] På sin side er galaktaner polymerer som utelukkende dannes av galaktose . [ 21 ]

Homopolysakkarider med reservefunksjon

De mest fremtredende homopolysakkaridene med en karbohydratreservefunksjon for å oppnå energi i metabolske reaksjoner er glykogen og stivelse:

  • Stivelse er måten de fleste planter lagrer monosakkarider på, det vil si at dens funksjon er næringsreserve i grønnsaker. Stivelsen avsettes i cellene, i en organell kjent som en amyloplast , og danner granuler hvis form og størrelse varierer avhengig av opprinnelsesplanten. Stivelse er hovedkarbohydratet i menneskets kosthold. Det finnes i overflod i brød , mais , frokostblandinger , poteter , ris , frukt , meieriprodukter som melk og yoghurt , og visse belgfrukter. [ 23 ] Selv om stivelse kan syntetiseres av de fleste planteceller, er stivelseslagring i knoller (som poteter ) og frø kjent for sin overflod . [ 24 ]
Den er sammensatt av to forskjellige glukaner, amylose (lineær) og amylopektin (forgrenet), som begge er polymerer av glukose, men er forskjellige i struktur og egenskaper. Stivelse inneholder vanligvis omtrent 20 % amylose og resten er amylopektin. Denne andelen varierer i henhold til opprinnelsen til stivelsen. Både amylose og amylopektin er fordøyelige av enzymene amylase og glukosidase , som finnes i både spytt og bukspyttkjerteljuice . [ 25 ] Amylose : Sammensatt av 1000 til 5000 enheter D-glukose, som gir en molekylmasse mellom 160 og 800 kDa. Glukose er assosiert med hverandre ved α(1→4) glykosidbindinger, og danner lange kjeder. Denne typen ledd tillater et spiralformet arrangement av kjeden, viklet rundt en sentral akse. Hver omdreining av helixen omfatter seks glukoseenheter. Hydroksylgruppene til monosakkariddelene vender utover, og etterlater det indre av helixen et relativt hydrofobt miljø. I vann har amylosemolekyler en tendens til å assosieres og utfelles, og det er derfor de ikke danner stabile løsninger. Reaksjonen med jod brukes til å gjenkjenne stivelse (denne kjemiske reaksjonen er kjent som "jodtesten" ). Amylose-jod-komplekset er ansvarlig for den intense blå fargen, mens den som består av jod og amylopektin gir en farge som varierer mellom rød og fiolett. [ 26 ] Den indre diameteren til amylosehelixen er stor nok til å romme jodmolekyler. Denne fargen forsvinner ved oppvarming, siden strukturen som er produsert brytes. [ 27 ] Amylopektin : Har en større molekylstørrelse enn amylose; den kan nå masser på opptil 100 millioner Da, noe som innebærer polymerisering av mer enn 600 000 glukose. Den grunnleggende strukturen ligner på amylose, det vil si at den består av glukose bundet av α (1→4) glykosidbindinger, men den utmerker seg ved å ha forgreninger. Forgreningene er lineære kjeder på omtrent 24 til 26 glukoser bundet sammen av alfa-1->4 glykosidbindinger, som er koblet til en sentral kjede med lignende struktur, ved en α-glykosidbinding fra karbon 1 av den første glukosen til karbon 6 av en glukose i hovedkjeden (alfa-1->6-binding). Grenene er atskilt fra hverandre med omtrent ti glukoseenheter av kjeden de er satt inn på. Fra de primære forgreningene er andre sekundære grener løsrevet med alfa-1->6-bindinger, og fra disse tertiære grener som har en forlengelse på 15 til 16 enheter. Skjemaet i figur 1-21 indikerer den mulige strukturen til amylopektin. Når stivelse varmes opp i vann, danner amylopektin svært viskøse løsninger. De mange hydroksylgruppene på overflaten av molekylet tiltrekker seg vann og det dannes en stabil gel (stivelsespasta). De strukturelle forskjellene mellom amylose- og amylopektinmolekylene bestemmer at komplekset med jod er farget; amylopektin gir fiolett farge. Stivelse har ingen reduserende kapasitet, glykosidbindingene i amylose- eller amylopektinmolekylene blokkerer potensielle aldehydfunksjoner (bortsett fra en i den ene enden av hovedkjeden). Stivelsen i maten brytes ned av enzymer i fordøyelsessaft til dens bestanddeler er frigjort. Bare monosakkarider kan absorberes av tarmslimhinnen og brukes av kroppen. [ 14 ] Leveren og musklene er de rikeste vevene på glykogen. Det er en polymer av α-D-glukoser som ligner mye på amylopektin, det vil si at den har en forgrenet struktur, med lineære kjeder av glukose koblet med α(1→4)-bindinger, satt inn i andre med α(1→6)-bindinger . Dens molekylmasse når hundrevis av millioner av Da. Grenene er atskilt med mindre enn ti glukoseenheter fra kjeden de er satt inn fra. fig. 1-22 viser skjematisk et segment av molekylet. Siden strukturen er veldig kompakt på grunn av nærhet til grenene, danner den ikke geler da det ikke er plass igjen til å holde på vannet; På den annen side fikserer amylopektin, med en mer åpen forgrenet struktur, en større mengde vann. Vandige løsninger av glykogen har et opaliserende utseende. Gir mahogni-rød farge med jod; det reduserer ikke. [ 14 ] Homopolysakkarider med strukturell funksjon

Cellulose og kitin er eksempler på strukturelle polysakkarider . Cellulose danner celleveggen til planter og andre organismer, det er det mest tallrike naturlige organiske molekylet på jorden. [ 29 ] Kitin har en struktur som ligner på cellulose, men har nitrogen i grenene og øker dermed styrken; Det finnes i eksoskjelettet til leddyr og i celleveggene til mange sopp.Det er karakterisert ved å være et modifisert, motstandsdyktig og hardt polysakkarid.

Cellulose består av mer enn 10 000 glukoseenheter koblet med β(1→4) glykosidbindinger. Strukturen er lineær, den har ingen forgreninger. Forskjellen i geometrien til α(1→4)- og β(1→4)-bindingene er ansvarlig for den forskjellige konformasjonen av amylose- og cellulosemolekylene, til tross for at begge er lineære polymerer av glukose. Ved β(1→4)-bindingene til cellulose roterer hver glukoseenhet 180° i forhold til den forrige. Dette gjør det mulig å danne lange rettlinjede kjeder, stabilisert av bindinger av hydrogenbindingstype. I stedet favoriserer α(1→4)-bindingene til amylose den spiralformede konformasjonen. Cellulosetrådene er gruppert i parallelle bunter som danner mikrofibriller med stor fysisk motstand. Bidrag til denne motstanden er de mange hydrogenbindingene mellom nabokjeder. Menneskelige fordøyelsessafter har ikke enzymer som er i stand til å katalysere hydrolysen av beta-glukosidbindinger, og av denne grunn kan ikke cellulose brukes som næringsstoff. Cellulose som kommer inn med plantemat blir ikke modifisert i sin transitt gjennom tarmkanalen. I plantecellevegger er cellulosemikrofibriller innebygd i en matrise som inneholder andre polysakkarider og proteiner av fibrøs type. Sammensetningen av denne matrisen varierer i forskjellige planter og til og med i forskjellige deler av samme plante; mer komplekse og variable polysakkarider finnes vanligvis, slik som hemicelluloser og pektiner .

Kitin ( fra gresk χιτών , "tunika, dekker") er den nest mest tallrike organiske forbindelsen på jorden etter cellulose. Den ble oppdaget i 1811 av den franske kjemikeren Henri Braconnot . [ 30 ] Kitin er et homopolysakkarid som består av N-acetylglukosaminmolekyler koblet sammen av O-glykosidiske β(1→4)-bindinger. [ 14 ] Kitin er ordnet i ark som ligner på cellulose, og som cellulose er det ikke fordøyelig av virveldyr. Kitin er funnet å danne eksoskelettene til leddyr, i tillegg til celleveggen til sopp, blant andre strukturer. [ 31 ]​ [ 32 ]

På et industrielt nivå hentes kitin hovedsakelig fra krepsdyr , da det er den mest tilgjengelige kilden, til tross for at det finnes i flere strukturer av andre levende vesener. Skalldyrindustrien, spesielt den som er relatert til krepsdyr, genererer en stor mengde avfall som er skadelig for miljøet på grunn av sin langsomme nedbrytning, som, lagt til relativt høye prosenter av kitin, gjør den ideell for å skaffe og bruke denne biopolymeren. for bruk og transformasjon til forskjellige produkter. Kitosan , en biopolymer som består av N-acetylglukosamin og glukosaminrester , finnes naturlig i celleveggene til enkelte planter og sopp (se for eksempel arten Mucor rouxii ). [ 33 ] Industrielt kan det oppnås fra en delvis kjemisk deacetyleringsreaksjon av kitin. [ 34 ]

Begge biopolymerene har vært kjent siden antikken (kitin har blitt funnet i eksoskjelettet til trilobitter , fra paleozoikum) [ 33 ] I dag har begge et stort antall anvendelser på ulike felt takket være sin overflod, og brukes i hår og hudpleieprodukter, da de har fuktighetsgivende egenskaper som hindrer huden i å tørke ut.

Andre homopolysakkarider og heteropolysakkarider

Andre polysakkarider inkluderer callose (et beta-glukan av planteopprinnelse, sammensatt av glukosemolekyler koblet sammen med β-1,3-bindinger), laminarin (en reserveglukan som er karakteristisk for brunalger dannet av β-1,3-bindinger og β-1,6 i en 3:1-forhold), maltodekstrin (et polysakkarid som er et resultat av delvis hydrolyse av stivelse, brukt som tilsetningsstoff i næringsmiddelindustrien), xylaner (en gruppe hemicelluloser som finnes i cellevegger til planter og i noen alger), og galaktomannaner (polysakkarider ). består av et mannoseskjelett og laterale galaktosegrener). [ 35 ]

Funksjonen til karbohydrater

Karbohydrater utfører ulike funksjoner, blant dem er energiske og strukturelle.

Energikarbohydrater

Monosakkarider og disakkarider, slik som glukose , fungerer som biologisk brensel, og gir umiddelbar energi til cellene; det er ansvarlig for å opprettholde muskelaktivitet , kroppstemperatur , blodtrykk , tarmens funksjon og aktiviteten til nevroner . Karbohydrater i tillegg til å ha funksjonen til å gi umiddelbar energi til cellene, gir de også reserveenergi til cellene.

Strukturelle karbohydrater

Noen polysakkarider danner svært resistente biologiske strukturer:

  • Murein eller Peptidoglycan: Komponent av celleveggene til bakterier.
  • Cellulose: Komponent av plantecelleveggen.
  • Kitin: Utgjør eksoskjelettet til leddyr som insekter og krepsdyr og celleveggen til sopp.

I tillegg kan vi finne karbohydrater som utgjør en del av strukturen til andre biomolekyler som proteiner, lipider og nukleinsyrer.

Det viktigste strukturelle polysakkaridet til planter er cellulose, disse danner den fibrøse delen av celleveggen til planteceller. [ 4 ]

Karbohydratmetabolisme

Karbohydrater representerer de viktigste energilagringsmolekylene, fordi de fungerer som reserver i grønnsaker . Planter lagrer store mengder stivelse produsert fra glukose produsert ved fotosyntese , og i mye mindre grad, lipider (langvarig energilagring).

Dyr lagrer i utgangspunktet triglyserider (lipider). I motsetning til karbohydrater tjener lipider til å lagre og få energi på lengre sikt. De lagrer også en viss mengde glykogen , hovedsakelig i muskler og lever . [ 36 ] Selv om mange dyrevev og organer kan bruke karbohydrater og lipider om hverandre som energikilde, kan andre, spesielt erytrocytter og nervevev ( hjerne ), ikke katabolisere lipider og må kontinuerlig tilføres glukose.

I fordøyelsesrøret hydrolyseres polysakkaridene i kostholdet (i hovedsak stivelse ) av glukosidasene i fordøyelsessaften, og gir monosakkarider, som er de endelige fordøyelsesproduktene ; disse absorberes av cellene i tarmepitelet og kommer inn i leveren gjennom portalsirkulasjonen , hvor omtrent 60 % metaboliseres. I leveren kan glukose også omdannes til lipider som deretter transporteres til fettvev .

Muskel er et vev hvor fermentering representerer en svært viktig metabolsk vei siden muskelceller kan leve i lange perioder i miljøer med lav oksygenkonsentrasjon . Når disse cellene jobber aktivt, overstiger energibehovet deres evne til å fortsette oksidativ karbohydratmetabolisme siden hastigheten på denne oksidasjonen begrenses av hastigheten som oksygen kan fornyes med i blodet. Muskler, i motsetning til andre vev, produserer store mengder laktat som slippes ut i blodet og går tilbake til leveren for å bli omdannet til glukose, en metabolsk prosess kjent som Cori-syklusen .

De viktigste metabolske rutene for karbohydrater er:

I oksidativ metabolisme finner vi vanlige veier med lipider som Krebs-syklusen og respirasjonskjeden . Oligo og polysakkarider brytes først ned til monosakkarider av enzymer kalt glykosidhydrolaser. Monosakkaridene kan deretter gå inn i de katabolske glukosebanene.

Det viktigste hormonet som kontrollerer karbohydratmetabolismen er insulin .

Ernæring

Konsentrasjonen av karbohydrater i en person varierer fra 8,3 til 14,5 g for hvert kilo kroppsvekt. Det foreslås at 55-60 % av den daglige energien som menneskekroppen trenger, skal komme fra karbohydrater, enten hentet fra matvarer rik på stivelse , som pasta , eller fra kroppens reserver ( glykogen ). Overdreven inntak av sukker -type karbohydrater anbefales ikke på grunn av deres sterkt oksiderende aktivitet : dietter med mye kalorier eller med mye glukose fremskynder cellulær aldring . Det sier seg selv at hyperkaloriske dietter kan være nødvendig i iskaldt klima eller til tider med stor muskelslitasje. Merk at en stillesittende livsstil eller mangel på tilstrekkelige daglige bevegelser av menneskekroppen forårsaker dårlig metabolisme av fett og karbohydrater.

Karbohydrater, på grunn av deres sterke hydrofile karakter, omgir seg med vannpartikler, opptar mer plass i cellene, og blir lettere angrepet av de verste hydrolytiske enzymene enn proteiner eller fett , og derfor er de en kilde til rask produksjon av energi . Proteiner og fett er viktige komponenter for å bygge kroppsvev og celler, og derfor bør det anbefales å ikke kaste bort slike ressurser ved å bruke dem til energiproduksjon.

Karbohydrater er ikke essensielle næringsstoffer, siden kroppen kan få all sin energi fra syntese av proteiner og fett gjennom glukoneogenese . [ 37 ] Hjernen kan ikke forbrenne fett og trenger glukose for energi fra kroppen, og kan derfor syntetisere denne glukosen fra protein. Proteinmetabolismen gir 4  kcal per gram, mens fett inneholder 9 kcal og alkohol 7 kcal per gram.

Matvarer med høyt karbohydratinnhold er pasta , poteter , fiber , frokostblandinger , belgfrukter , grønnsaker og frukt. [ 38 ] Karbohydrater hjelper til med dematerialisering av sukker i blodet, og takket være dem sikrer vi at den gjennomsnittlige andelen insulin i blodet ikke synker. Basert på bevis på risiko for hjertesykdom og fedme , anbefaler Institute of Medicine ( USA ) at amerikanske og kanadiske voksne får 40 til 65 % av energien i kosten fra karbohydrater. [ 39 ] FAO ( Food and Agriculture Organization) og WHO (World Health Organization) anbefaler at nasjonale kostholdsretningslinjer etablerer målet om 55 til 75 % av total energi fra karbohydrater, men bare 10 % fra matvarer fra fritt sukker (enkle karbohydrater). ). [ 40 ]

Skillet mellom "gode karbohydrater" og "dårlige karbohydrater" er et skille som mangler vitenskapelig grunnlag. Selv om disse konseptene har blitt brukt i utformingen av ketogene dietter, for eksempel lavkarbodietter , som fremmer en reduksjon i forbruket av korn og stivelse til fordel for proteiner. Resultatet er en reduksjon i nivåene av insulin som brukes til å metabolisere sukker og en økning i bruken av fett til energi gjennom ketose , en prosess også kjent som kaninsulting . [ referanse nødvendig ]

Sykdommer under fordøyelsen

Hvis nedbrytningen av karbohydrater under fordøyelsen er svekket på grunn av arvelig tarmsykdom, en tarmsykdom, underernæring eller medikamenter som skader slimhinnen i tynntarmen , når det ufordøyde karbohydratet tykktarmen , hvor det forårsaker osmotisk diaré . Bakteriell fermentering av forbindelser produserer store volumer CO 2 og H 2 , som forårsaker magekramper . [ referanse nødvendig ]

Klassifisering

Ernæringsfysiologer og kostholdseksperter har tidligere klassifisert karbohydrater som enkle ( monosakkarider og disakkarider ) eller komplekse ( oligosakkarider og polysakkarider ). Begrepet komplekst karbohydrat ble først brukt i Senate Select Committee-publikasjonen Dietary Goals for the United States (1977), hvor de ble kalt "frukt, grønnsaker og hele korn." [ 41 ] Kostholdsretningslinjer anbefaler generelt at komplekse karbohydrater og næringsrike enkle karbohydratkilder som frukt og meieriprodukter bør dekke hoveddelen av karbohydratinntaket. 2005 USDA Dietary Guidelines for Americans dispensed med den enkle/komplekse forskjellen, i stedet for å anbefale hel, fiberrik mat. [ 42 ]

Den glykemiske indeksen og det glykemiske belastningssystemet er populære alternative rangeringsmetoder som rangerer karbohydratrike matvarer basert på deres effekt på blodsukkernivået . Insulinindeksen er en lignende, nyere rangeringsmetode som rangerer matvarer basert på deres effekt på insulinnivåer . Dette systemet forutsetter at matvarer med høy glykemisk indeks kan erklæres som det mest akseptable matinntaket.

Den felles WHO/FAO-ekspertrapporten om kosthold, ernæring og forebygging av kroniske sykdommer (WHOs tekniske rapportserie 916) anbefaler at karbohydratinntaket skal utgjøre 55-75 % av den daglige energien, men begrenser forbruket av "fritt sukker" til 10 %.

Industrielle applikasjoner

Karbohydrater brukes til å lage tekstiler , plast og andre produkter. Cellulose kan gjøres til viskoserayon [ 43 ] og papirprodukter . Cellulosenitrat (nitrocellulose) brukes til fremstilling av lakk , sement , pistolbomull , celluloid og lignende typer plast. [ 44 ] Stivelsen og pektinet , et stivningsmiddel , brukes i tilberedning av mat til mennesker og storfe . Arabisk tyggegummi brukes i demulcent narkotika , og er et tilsetningsstoff i næringsmiddelindustrien under nummeret E-414. [ 45 ] Det brukes spesielt i produksjon av gelébønner, tyggegummi, så vel som i god konfekt, brusende drikker og til og med i vinsektoren. Agar , en komponent i noen avføringsmidler , brukes som et fortykningsmiddel i matvarer og som et medium for bakterievekst ; også ved fremstilling av limmaterialer , liming og emulsjoner . Hemicellulose brukes til å modifisere papir under produksjonen. Dextraner er polysakkarider som brukes i medisin som blodplasmavolumutvidere for å motvirke akutte sjokk. [ 46 ] Et annet karbohydrat, heparinsulfat , er et blodantikoagulant .

Karbohydratkjemi

Karbohydrater er reaktanter i ulike organiske reaksjoner , for eksempel:

  1. Acetylering .
  2. Reaksjonen med Cyanohydrin.
  3. Lobry -de Bruyn-van Ekenstein-transformasjonen .
  4. Amadori -transponeringen .
  5. Nephs reaksjon .
  6. Wohls degradering .
  7. Koenigs -Knorr-reaksjonen .
  8. Maillard-reaksjon eller ikke - enzymatisk brunfarging.

Se også

Bibliografi

  • Macarulla, Jose M.; Goñi, Happy M. (1981). Biomolekyler. Forelesninger i strukturell biokjemi . Barcelona: Reverté S.A. ISBN  84-291-7338-2 . Hentet 2. oktober 2019 . 
  • Nelson, David L.; Cox, Michael M. Knife, Claudi M., red. Lehninger. Principles of Biochemistry (femte utgave). Omega-utgaver. s. 238.239. ISBN  9788428216678 . 

Referanser

  1. ^ Alberts, Bruce (1992). Cellens molekylærbiologi . Omega. s. 46. ​​ISBN  84-282-0896-4 . 
  2. ↑ [Iupac]Iupac.Org
  3. ↑ Biosfæreprosjektet (red.). "Monosakkaridene" . Spanias regjering. Kunnskapsdepartementet . Hentet 2. oktober 2019 . 
  4. ↑ a b Curtis, Helena. "3". Organiske molekyler . Panamerikansk. 
  5. ↑ Clinic University of Navarra . "Hva er aldose? - Medisinsk ordbok» . Hentet 23. november 2019 . 
  6. ↑ Universitetet på Balearene. «Karbohydrater. monomerene. Ketoser» . Hentet 23. november 2019 . 
  7. ↑ Yufera Primo, Eduardo (1993). "3. 4". Ved Polytechnic University of Valencia, red. Grunnleggende og anvendt organisk kjemi. Fra molekylet til industrien. Bind II (Første utgave). Jeg reverserte SA p. 895. ISBN  978-84-291-7953-8 . 
  8. ↑ Macarulla, Jose M. (1981). «3» . Biomolekyler. Forelesninger i strukturell biokjemi . Barcelona: Reverté SA s. 38-40. ISBN  84-291-7338-2 . Hentet 2. oktober 2019 . 
  9. ^ "Karbohydratnomenklatur (anbefalinger fra 1996) "Innledning, 2-Carb-0 og 2-Carb-1"" (PDF) . Hentet 6. oktober 2019 . 
  10. ↑ Macarulla og Goñi, 1981 , s. 40.
  11. ↑ Macarulla og Goñi, 1981 , s. 41.
  12. ↑ Nelson, Cox , s. 238, 239.
  13. ↑ Universitetet på Balearene (red.). "Monosakkarid-cyklisering" . Hentet 19. oktober 2019 . 
  14. ↑ a b c d White A. Biologisk kjemi. Athenaeum. (2000).
  15. ↑ Mayo Clinic (red.). "Laktoseintoleranse" . Hentet 18. oktober 2019 . 
  16. ↑ Melo, Virginia; Cuamatzi, Oscar (2010). Biokjemi av metabolske prosesser (Andre utgave). Jeg snudde. s. 59. ISBN  9686708618 . 
  17. ↑ Fornaguera, Jaime; Gomez, Georgina (2004). Biokjemi: Vitenskapen om livet . Distance State University. s. 168. ISBN  978-9968-31-326-1 . Hentet 19. oktober 2019 . 
  18. ↑ Clinic University of Navarra. "Medisinsk ordbok - Cellobiose" . Hentet 23. november 2019 . 
  19. ↑ Livskvalitet, mat og menneskers helse: Vitenskapelige grunnlag. Skrevet av José Bello Gutiérrez , s. 17, på Google Books
  20. ↑ Boehm, Gunther; Stahl, Bernd; Jelinek, Jurgen; Knol, Jan; Miniello, Vito; Mer, Guido E. (november 2005). "Prebiotiske karbohydrater i morsmelk og blandinger". Acta Pædiatrica 94 (449): 18-21. 
  21. ↑ a b Voet, Donald; Voet, Judith G. (2006). Biokjemi (tredje utgave). Buenos Aires: Redaksjonell Médica Panamericana SA s. 377. ISBN  950-06-2301-3 . 
  22. ↑ a b c Garrido Pertierra, Amando; Teijon Rivera, Jose Maria; White Gaitan, Dolores; Villaverde Gutierrez, Carmen; Mendoza Oltras, Carlos; Ramirez Rodrigo, Jesus (2006). «Kapittel V. Tema 22». Fundamentals of Structural Biochemistry (andre utgave). Madrid: Tebar SL s. 325. ISBN  978-84-7360-228-0 . 
  23. ↑ MedlinePlus (red.). "Matvarer som inneholder stivelse" . Hentet 20. oktober 2019 . 
  24. ↑ Nelson, Cox , s. 245.
  25. ↑ Forskning og vitenskap, red. (1. september 2009). «Stivelsen» . Hentet 20. oktober 2019 . 
  26. ^ Geissman, T.A. (1973). Prinsipper for organisk kjemi (andre utgave). Madrid: Jeg snudde. s. 568. ISBN  978-84-291-7180-8 . 
  27. ↑ Martín-Sánchez, María Teresa; Martin-Sanchez; Pinto, Gabriel (25. november 2012). National Autonomous University of Mexico, red. "Lugols reagens: Historien om dens oppdagelse og didaktiske anvendelser" (pdf) . Hentet 25. oktober 2019 . 
  28. ↑ Nelson, Cox , s. 246.
  29. ↑ Sanz Tejedor, Himmelfart. Celluloseteknologi. Papirindustrien» . Industriell organisk kjemi . School of Industrial Engineering - UVa . Hentet 2. november 2019 . 
  30. ↑ Ruíz-Herrera, José (1. juli 1993). "Kitinen" . Forskning og vitenskap . Hentet 2. november 2019 . (krever abonnement) . 
  31. ↑ Macarulla og Goñi, 1981 , s. 247.
  32. ↑ Iberoaerican Society of Chitin. "Hva er kitin?" . Hentet 22. november 2019 . 
  33. ↑ a b Lárez Velásquez, Cristóbal (2006). "Kittin og kitosan: materialer fra fortiden for nåtiden og fremtiden" (PDF) . Fremskritt innen kjemi . vol. 1 (nr. 2). s. 15-21. ISSN  1856-5301 . Hentet 22. november 2019 . 
  34. ↑ Sierra Escobar, Diana Marcela; Ossa Orozco, Claudia Patricia; Quintana, Marco Antonio; Ospina, Wilton Alexander (april 2013). "Optimalisering av en ekstraksjonsprotokoll for kitin og kitosan fra krepsdyrskall". Scientia et Technica (det teknologiske universitetet i Pereira). vol. 18 (nr. 1). ISSN  0122-1701 . 
  35. ↑ Carpita, Nicholas; McCann, Maureen (2000). «Celleveggen» . I Buchanan, BB; Gruissem, W.; Jones, RL, red. Planters biokjemi og molekylærbiologi . Rockville, MD: American Society of Plant Physiologists. ISBN  0-943088-37-2 . 
  36. ↑ Clarin (8. mai 2014). "Glykogen, idrettsutøverens viktigste drivstoff" . Hentet 19. januar 2020 . 
  37. ↑ Manninen, Anssi H (31. desember 2004). "Metabolske effekter av dietter med svært lite karbohydrater: Misforståtte "skurker" av menneskelig metabolisme" . Journal of the International Society of Sports Nutrition 1 (2): 7-11. ISSN  1550-2783 . PMC  2129159 . PMID  18500949 . doi : 10.1186/1550-2783-1-2-7 . Hentet 3. juni 2021 . 
  38. ↑ Mayo Clinic (red.). "Karbohydrater: hvordan de kan være en del av et sunt kosthold" . Hentet 26. desember 2019 . 
  39. ↑ Food and Nutrition Board (2002/2005). Diettreferanseinntak for energi, karbohydrater, fiber, fett, fettsyrer, kolesterol, proteiner og aminosyrer ( ødelagt lenke tilgjengelig på Internet Archive ; se historikk , første og siste versjon ). . Washington, D.C.: The National Academies Press . Side 769 . ISBN 0-309-08537-3
  40. ↑ Felles WHO/FAO-ekspertkonsultasjon (2003). Kosthold, ernæring og forebygging av kroniske sykdommer ( PDF ). Genève: Verdens helseorganisasjon . Side 55-56. ISBN 92-4-120916-X
  41. ↑ Felles WHO/FAO-ekspertkonsultasjon (1998), Carbohydrates in human nutrition , kapittel 1 . ISBN 92-5-104114-8 .
  42. ↑ DHHS og USDA , Dietary Guidelines for Americans 2005 , Kapittel 7 Karbohydrater Arkivert 2011-03-04 på Wayback Machine
  43. ↑ Universitetet i Granada. Institutt for kjemiteknikk (red.). "Viskose (Rayon) syntese" . Hentet 26. desember 2019 . 
  44. ↑ School of Industrial Engineering (red.). "Kjemiske behandlinger og derivater av cellulose." . Hentet 26. desember 2019 . 
  45. ↑ Organisering av forbrukere og brukere (OCU) (20. juni 2018). «Gummi arabicum, er det trygt å bruke?» . Hentet 29. januar 2019 . 
  46. ↑ Rodríguez, Olga Viviana; Hansen, Henry (2007). Innhenting av dekstran og fruktose ved bruk av agroindustrielle rester med stammen Leuconostoc mesenteroides NRRL B512-F (n.7). Magasin fra School of Engineering i Antioquia. s. 159-172. ISSN  2463-0950 . 

Eksterne lenker