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Biologie I

by admin

Die meisten Menschen kennen Kohlenhydrate, eine Art Makromolekül, besonders wenn es darum geht, was wir essen. Um Gewicht zu verlieren, halten sich einige Personen an „kohlenhydratarme“ Diäten. Athleten hingegen „laden“ oft vor wichtigen Wettkämpfen, um sicherzustellen, dass sie genug Energie haben, um auf hohem Niveau zu konkurrieren. Kohlenhydrate sind in der Tat ein wesentlicher Bestandteil unserer Ernährung; Getreide, Obst und Gemüse sind alle natürlichen Quellen von Kohlenhydraten. Kohlenhydrate versorgen den Körper mit Energie, insbesondere durch Glukose, einen einfachen Zucker, der Bestandteil von Stärke und Bestandteil vieler Grundnahrungsmittel ist. Kohlenhydrate haben auch andere wichtige Funktionen bei Menschen, Tieren und Pflanzen.

Molekülstrukturen

Kohlenhydrate können durch die stöchiometrische Formel (CH2O)n dargestellt werden, wobei n die Anzahl der Kohlenstoffe im Molekül ist. Mit anderen Worten, das Verhältnis von Kohlenstoff zu Wasserstoff zu Sauerstoff beträgt 1:2: 1 in Kohlenhydratmolekülen. Diese Formel erklärt auch den Ursprung des Begriffs „Kohlenhydrat“: die Komponenten sind Kohlenstoff („Carbo“) und die Komponenten von Wasser (daher „Hydrat“). Kohlenhydrate werden in drei Subtypen eingeteilt: Monosaccharide, Disaccharide und Polysaccharide.

Monosaccharide

Monosaccharide (mono– = „eins“; Sacchar– = „süß“) sind einfache Zucker, von denen der häufigste Glukose ist. In Monosacchariden liegt die Anzahl der Kohlenstoffe normalerweise zwischen drei und sieben. Die meisten Monosaccharidnamen enden mit dem Suffix –ose. Wenn der Zucker eine Aldehydgruppe (die funktionelle Gruppe mit der Struktur R-CHO) aufweist, wird er als Aldose bezeichnet, und wenn er eine Ketongruppe (die funktionelle Gruppe mit der Struktur RC(= O) R‘) aufweist, wird er als Ketose bezeichnet. Abhängig von der Anzahl der Kohlenstoffe im Zucker können sie auch als Triosen (drei Kohlenstoffe), Pentosen (fünf Kohlenstoffe) und / oder Hexosen (sechs Kohlenstoffe) bezeichnet werden. Abbildung 1 zeigt die Monosaccharide.

Die molekularen Strukturen von Glyceraldehyd, einer Aldose, und Dihydroxyaceton, einer Ketose, werden gezeigt. Beide Zucker haben ein Drei-Kohlenstoff-Rückgrat. Glyceraldehyd hat eine Carbonylgruppe (c doppelt an O gebunden) an einem Ende der Kohlenstoffkette mit Hydroxylgruppen (OH), die an die anderen Kohlenstoffe gebunden sind. Dihydroxyaceton hat eine Carbonylgruppe in der Mitte der Kette und Alkoholgruppen an jedem Ende. Die molekularen Strukturen von linearen Formen von Ribose, einer Pentose, und Glucose, einer Hexose, werden ebenfalls gezeigt. Sowohl Ribose als auch Glucose sind Aldosen mit einer Carbonylgruppe am Ende der Kette und Hydroxylgruppen, die an die anderen Kohlenstoffe gebunden sind.

Abbildung 1. Monosaccharide werden basierend auf der Position ihrer Carbonylgruppe und der Anzahl der Kohlenstoffe im Rückgrat klassifiziert. Aldosen haben eine Carbonylgruppe (grün markiert) am Ende der Kohlenstoffkette und Ketosen haben eine Carbonylgruppe in der Mitte der Kohlenstoffkette. Trioses, pentoses und hexoses haben drei, fünf und sechs Kohlenstoffrückgrat beziehungsweise.

Die chemische Formel für Glucose lautet C6H12O6. Beim Menschen ist Glukose eine wichtige Energiequelle. Während der Zellatmung wird Energie aus Glukose freigesetzt, und diese Energie wird zur Herstellung von Adenosintriphosphat (ATP) verwendet. Pflanzen synthetisieren Glukose unter Verwendung von Kohlendioxid und Wasser, und Glukose wiederum wird für den Energiebedarf der Pflanze verwendet. Überschüssige Glukose wird oft als Stärke gespeichert, die von Menschen und anderen Tieren, die sich von Pflanzen ernähren, katabolisiert wird (der Abbau größerer Moleküle durch Zellen).Galactose (Teil von Lactose oder Milchzucker) und Fructose (Teil von Saccharose oder Fruchtzucker) sind andere übliche Monosaccharide. Obwohl Glucose, Galactose und Fructose alle die gleiche chemische Formel (C6H12O6) haben, unterscheiden sie sich strukturell und chemisch (und werden als Isomere bezeichnet) aufgrund der unterschiedlichen Anordnung funktioneller Gruppen um den asymmetrischen Kohlenstoff; Alle diese Monosaccharide haben mehr als einen asymmetrischen Kohlenstoff (Abbildung 2).

Praxis

Die molekularen Strukturen der linearen Formen von Glucose, Galactose und Fructose werden gezeigt. Glucose und Galactose sind beide Aldosen mit einer Carbonylgruppe (Kohlenstoff doppelt an Sauerstoff gebunden) an einem Ende des Moleküls. An jeden der anderen Reste ist eine Hydroxyl (OH) -Gruppe gebunden. In Glucose befindet sich die an den zweiten Kohlenstoff gebundene Hydroxylgruppe auf der linken Seite der Molekülstruktur und alle anderen Hydroxylgruppen auf der rechten Seite. In Galactose sind die Hydroxylgruppen, die an den dritten und vierten Kohlenstoff gebunden sind, links und die Hydroxylgruppen, die an den zweiten, fünften und sechsten Kohlenstoff gebunden sind, rechts. Frucose ist eine Ketose mit C-Atomen, die am zweiten Kohlenstoff an O gebunden sind. Allen anderen Kohlenstoffen sind Hydroxylgruppen zugeordnet. Die dem dritten Kohlenstoff zugeordnete Hydroxylgruppe befindet sich links und alle anderen Hydroxylgruppen rechts.

Abbildung 2. Glucose, Galactose und Fructose sind alle Hexosen. Sie sind strukturelle Isomere, dh sie haben die gleiche chemische Formel (C6H12O6), aber eine andere Anordnung der Atome.

Was für Zucker sind das, Aldose oder Ketose?

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Glucose und Galactose sind Aldosen. Fructose ist eine Ketose.

Monosaccharide können als lineare Kette oder als ringförmige Moleküle existieren; In wässrigen Lösungen werden sie normalerweise in Ringformen gefunden (Abbildung 3). Glucose in Ringform kann zwei verschiedene Anordnungen der Hydroxylgruppe (-OH) um den anomeren Kohlenstoff (Kohlenstoff 1, der bei der Ringbildung asymmetrisch wird) aufweisen. Wenn die Hydroxylgruppe im Zucker unter der Kohlenstoffzahl 1 liegt, soll sie sich in der Alpha (α) -Position befinden, und wenn sie sich über der Ebene befindet, soll sie sich in der Beta (β) -Position befinden.

Die Umwandlung von Glucose zwischen linearen und Ringformen wird gezeigt. Der Glukosering hat fünf Kohlenstoffe und einen Sauerstoff. In Alpha-Glucose ist die erste Hydroxylgruppe in einer nach unten gerichteten Position verriegelt, und in Beta-Glucose ist der Ring in einer nach oben gerichteten Position verriegelt. Strukturen für Ringformen von Ribose und Fructose werden ebenfalls gezeigt. Beide Zucker haben einen Ring mit vier Kohlenstoffen und einem Sauerstoff.

Abbildung 3. Fünf und sechs Kohlenstoffmonosaccharide existieren im Gleichgewicht zwischen linearen und Ringformen. Wenn sich der Ring bildet, wird die Seitenkette, an der er schließt, in einer α- oder β-Position verriegelt. Fructose und Ribose bilden ebenfalls Ringe, obwohl sie im Gegensatz zum sechsgliedrigen Ring der Glukose fünfgliedrige Ringe bilden.

Disaccharide

Disaccharide (di– = „zwei“) bilden sich, wenn zwei Monosaccharide eine Dehydratisierungsreaktion durchlaufen (auch Dehydratisierungssynthese genannt). Während dieses Prozesses verbindet sich die Hydroxylgruppe eines Monosaccharids mit dem Wasserstoff eines anderen Monosaccharids, wobei ein Wassermolekül freigesetzt wird und eine kovalente Bindung gebildet wird. Eine kovalente Bindung, die zwischen einem Kohlenhydratmolekül und einem anderen Molekül (in diesem Fall zwischen zwei Monosacchariden) gebildet wird, wird als glykosidische Bindung bezeichnet (Abbildung 4). Glykosidische Bindungen (auch glykosidische Bindungen genannt) können vom Alpha- oder Beta-Typ sein.

Die Bildung von Saccharose aus Glucose und Fructose wird gezeigt. In Saccharose ist der Kohlenstoff Nummer eins des Glucoserings über einen Sauerstoff mit dem Kohlenstoff Nummer zwei der Fructose verbunden.

Abbildung 4. Saccharose wird gebildet, wenn ein Monomer von Glucose und ein Monomer von Fructose in einer Dehydratisierungsreaktion verbunden werden, um eine glykosidische Bindung zu bilden. Dabei geht ein Wassermolekül verloren. Konventionell werden die Kohlenstoffatome in einem Monosaccharid von dem endständigen Kohlenstoff nummeriert, der der Carbonylgruppe am nächsten liegt. In Saccharose wird eine glykosidische Bindung zwischen Kohlenstoff 1 in Glucose und Kohlenstoff 2 in Fructose gebildet.

Übliche Disaccharide sind Lactose, Maltose und Saccharose (Abbildung 5). Lactose ist ein Disaccharid, das aus den Monomeren Glucose und Galactose besteht. Es kommt natürlich in Milch vor. Maltose oder Malzzucker ist ein Disaccharid, das durch eine Dehydratisierungsreaktion zwischen zwei Glucosemolekülen gebildet wird. Das häufigste Disaccharid ist Saccharose oder Haushaltszucker, der aus den Monomeren Glucose und Fructose besteht.

Die chemischen Strukturen von Maltose, Lactose und Saccharose werden gezeigt. Sowohl Maltose als auch Lactose werden aus zwei Glucosemonomeren hergestellt, die ringförmig miteinander verbunden sind. In Maltose zeigt der Sauerstoff in der glykosidischen Bindung nach unten. In Lactose zeigt der Sauerstoff in der glykosidischen Bindung nach oben. Saccharose wird aus Glucose- und Fructosemonomeren hergestellt. Der Sauerstoff in der glykosidischen Bindung zeigt nach unten.

Abbildung 5. Übliche Disaccharide sind Maltose (Getreidezucker), Lactose (Milchzucker) und Saccharose (Haushaltszucker).

Polysaccharide

Eine lange Kette von Monosacchariden, die durch glykosidische Bindungen verbunden sind, wird als Polysaccharid (poly– = „viele“) bezeichnet. Die Kette kann verzweigt oder unverzweigt sein und verschiedene Arten von Monosacchariden enthalten. Das Molekulargewicht kann 100.000 Dalton oder mehr betragen, abhängig von der Anzahl der verbundenen Monomere. Stärke, Glykogen, Cellulose und Chitin sind primäre Beispiele für Polysaccharide.Stärke ist die gespeicherte Form von Zuckern in Pflanzen und besteht aus einer Mischung von Amylose und Amylopektin (beide Polymere von Glucose). Pflanzen sind in der Lage, Glukose zu synthetisieren, und die überschüssige Glukose, die über den unmittelbaren Energiebedarf der Pflanze hinausgeht, wird als Stärke in verschiedenen Pflanzenteilen, einschließlich Wurzeln und Samen, gespeichert. Die Stärke in den Samen liefert dem Embryo beim Keimen Nahrung und kann auch als Nahrungsquelle für Mensch und Tier dienen. Die vom Menschen konsumierte Stärke wird durch Enzyme wie Speichelamylasen in kleinere Moleküle wie Maltose und Glucose zerlegt. Die Zellen können dann die Glukose aufnehmen.Stärke besteht aus Glucosemonomeren, die durch α 1-4 oder α 1-6 glykosidische Bindungen verbunden sind. Die Zahlen 1-4 und 1-6 beziehen sich auf die Kohlenstoffzahl der beiden Reste, die sich zur Bildung der Bindung verbunden haben. Wie in Abbildung 6 dargestellt, ist Amylose Stärke, die durch unverzweigte Ketten von Glucosemonomeren (nur α 1-4-Verknüpfungen) gebildet wird, während Amylopektin ein verzweigtes Polysaccharid ist (α 1-6-Verknüpfungen an den Verzweigungspunkten).

Die chemischen Strukturen von Amylose und Amylopektin werden gezeigt. Amylose besteht aus unverzweigten Ketten von Glucose-Untereinheiten, und Amylopektin besteht aus verzweigten Ketten von Glucose-Untereinheiten.

Abbildung 6. Amylose und Amylopektin sind zwei verschiedene Formen von Stärke. Amylose besteht aus unverzweigten Ketten von Glucosemonomeren, die durch α 1,4-glykosidische Bindungen verbunden sind. Amylopektin besteht aus verzweigten Ketten von Glucosemonomeren, die durch α 1,4- und α 1,6-glykosidische Bindungen verbunden sind. Aufgrund der Art und Weise, wie die Untereinheiten verbunden sind, haben die Glucoseketten eine helikale Struktur. Glykogen (nicht gezeigt) ähnelt in seiner Struktur Amylopektin, ist jedoch stärker verzweigt.

Glykogen ist die Speicherform von Glucose bei Menschen und anderen Wirbeltieren und besteht aus Monomeren von Glucose. Glykogen ist das tierische Äquivalent von Stärke und ist ein hochverzweigtes Molekül, das normalerweise in Leber- und Muskelzellen gespeichert wird. Wenn der Blutzuckerspiegel sinkt, wird Glykogen abgebaut, um Glukose in einem als Glykogenolyse bekannten Prozess freizusetzen.

Cellulose ist das am häufigsten vorkommende natürliche Biopolymer. Die Zellwand von Pflanzen besteht hauptsächlich aus Zellulose; Dies bietet strukturelle Unterstützung für die Zelle. Holz und Papier sind meist zellulosehaltig. Cellulose besteht aus Glucosemonomeren, die durch β 1-4 glykosidische Bindungen verbunden sind (Abbildung 7).

Die chemische Struktur von Cellulose wird gezeigt. Cellulose besteht aus unverzweigten Ketten von Glucose-Untereinheiten.

Abbildung 7. In Cellulose sind Glucosemonomere in unverzweigten Ketten durch β 1-4 glykosidische Verknüpfungen verknüpft. Aufgrund der Art und Weise, wie die Glucose-Untereinheiten verbunden sind, wird jedes Glucosemonomer relativ zum nächsten umgedreht, was zu einer linearen, faserigen Struktur führt.

Wie in Abbildung 7 gezeigt, wird jedes andere Glucosemonomer in Cellulose umgedreht und die Monomere werden als verlängerte lange Ketten dicht gepackt. Dies verleiht Cellulose ihre Steifigkeit und hohe Zugfestigkeit — was für Pflanzenzellen so wichtig ist. Während die β 1-4-Verknüpfung von menschlichen Verdauungsenzymen nicht abgebaut werden kann, können Pflanzenfresser wie Kühe, Koalas, Büffel und Pferde mit Hilfe der spezialisierten Flora in ihrem Magen zellulosereiches Pflanzenmaterial verdauen und als Nahrungsquelle nutzen. Bei diesen Tieren leben bestimmte Arten von Bakterien und Protisten im Pansen (Teil des Verdauungssystems von Pflanzenfressern) und sezernieren das Enzym Cellulase. Der Anhang von Weidetieren enthält auch Bakterien, die Zellulose verdauen, was ihm eine wichtige Rolle im Verdauungssystem von Wiederkäuern einräumt. Cellulasen können Cellulose in Glucosemonomere zerlegen, die vom Tier als Energiequelle verwendet werden können. Termiten sind auch in der Lage, Cellulose aufgrund der Anwesenheit anderer Organismen in ihrem Körper abzubauen, die Cellulasen absondern.

Ein Foto zeigt eine Biene im Flug, die Nektar von einer Blume holt.

Abbildung 8. Insekten haben ein hartes äußeres Exoskelett aus Chitin, einer Art Polysaccharid. (credit: Louise Docker)

Kohlenhydrate erfüllen verschiedene Funktionen bei verschiedenen Tieren. Arthropoden (Insekten, Krebstiere und andere) haben ein äußeres Skelett, das als Exoskelett bezeichnet wird und ihre inneren Körperteile schützt (wie in der Biene in Abbildung 8 zu sehen). Dieses Exoskelett besteht aus dem biologischen Makromolekül Chitin, einem polysaccharidhaltigen Stickstoff. Es besteht aus sich wiederholenden Einheiten von N-Acetyl-β-d-Glucosamin, einem modifizierten Zucker. Chitin ist auch ein Hauptbestandteil von Pilzzellwänden; Pilze sind weder Tiere noch Pflanzen und bilden ein eigenes Königreich in der Domäne Eukarya.

Zusammenfassung des Abschnitts

Kohlenhydrate sind eine Gruppe von Makromolekülen, die eine lebenswichtige Energiequelle für die Zelle darstellen und Pflanzenzellen, Pilzen und allen Arthropoden, zu denen Hummer, Krabben, Garnelen, Insekten und Spinnen gehören, strukturelle Unterstützung bieten. Kohlenhydrate werden in Abhängigkeit von der Anzahl der Monomere im Molekül als Monosaccharide, Disaccharide und Polysaccharide klassifiziert. Monosaccharide sind durch glykosidische Bindungen verbunden, die als Ergebnis von Dehydratisierungsreaktionen gebildet werden, wobei Disaccharide und Polysaccharide gebildet werden, wobei für jede gebildete Bindung ein Wassermolekül eliminiert wird. Glucose, Galactose und Fructose sind übliche Monosaccharide, während übliche Disaccharide Lactose, Maltose und Saccharose umfassen. Stärke und Glykogen, Beispiele für Polysaccharide, sind die Speicherformen von Glucose in Pflanzen bzw. Die langen Polysaccharidketten können verzweigt oder unverzweigt sein. Cellulose ist ein Beispiel für ein unverzweigtes Polysaccharid, während Amylopektin, ein Bestandteil von Stärke, ein hochverzweigtes Molekül ist. Die Speicherung von Glukose in Form von Polymeren wie Glykogenstärke macht sie für den Stoffwechsel etwas weniger zugänglich; Dies verhindert jedoch, dass sie aus der Zelle austritt oder einen hohen osmotischen Druck erzeugt, der eine übermäßige Wasseraufnahme durch die Zelle verursachen könnte.

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