A legtöbb ember ismeri a szénhidrátokat, az egyik típusú makromolekulát, különösen, ha arról van szó, amit eszünk. A testsúlycsökkenés érdekében egyesek betartják az” alacsony szénhidráttartalmú ” étrendet. A sportolók ezzel szemben gyakran” szénhidrátterhelés ” a fontos versenyek előtt, hogy elegendő energiájuk legyen a magas szintű versenyhez. A szénhidrátok valójában étrendünk alapvető részét képezik; a szemek, a gyümölcsök és a zöldségek mind a szénhidrátok természetes forrásai. A szénhidrátok energiát szolgáltatnak a szervezetnek, különösen a glükózon keresztül, amely egy egyszerű cukor, amely a keményítő összetevője, és számos alapvető élelmiszer összetevője. A szénhidrátoknak más fontos funkcióik is vannak az emberekben, az állatokban és a növényekben.

molekuláris struktúrák

a szénhidrátokat a sztöchiometrikus képlet (CH2O)n képviseli, ahol n a molekulában lévő karbonok száma. Más szóval, a szén aránya a hidrogénhez az oxigénhez 1:2:1 a szénhidrát molekulákban. Ez a képlet magyarázza a “szénhidrát”kifejezés eredetét is: az összetevők szén (“carbo”) és a víz összetevői (tehát”hidrát”). A szénhidrátok három altípusba sorolhatók: monoszacharidok, diszacharidok és poliszacharidok.

monoszacharidok

a monoszacharidok (mono– = “egy”; sacchar– = “édes”) egyszerű cukrok, amelyek közül a leggyakoribb a glükóz. A monoszacharidokban a karbonok száma általában három-hét. A legtöbb monoszacharid név a –ose utótaggal végződik. Ha a cukornak van egy aldehidcsoportja (az R-CHO szerkezetű funkcionális csoport), akkor aldózként ismert, és ha ketoncsoportja van (az RC(=O)R szerkezetű funkcionális csoport), akkor ketóznak nevezik. A cukorban lévő karbonok számától függően triózok (három szén), pentózok (öt szén) és hexózok (hat szén) néven is ismertek. A monoszacharidok illusztrációját lásd az 1. ábrán.

1.ábra. A monoszacharidokat karbonilcsoportjuk helyzete és a gerincben lévő karbonok száma alapján osztályozzák. Az aldózisoknak karbonilcsoportjuk van (zölden jelölve) a szénlánc végén, a ketózisoknak pedig karbonilcsoportjuk van a szénlánc közepén. A triózoknak, pentózoknak és hexózoknak három, öt, illetve hat szén-dioxid-gerincük van.

a glükóz kémiai képlete C6H12O6. Emberben a glükóz fontos energiaforrás. A sejtes légzés során az energia felszabadul a glükózból, és ezt az energiát az adenozin-trifoszfát (ATP) előállítására használják. A növények szén-dioxiddal és vízzel szintetizálják a glükózt, a glükózt pedig az üzem energiaigényére használják. A felesleges glükózt gyakran katabolizált keményítőként tárolják (a nagyobb molekulák sejtek általi lebontása) az emberek és más, növényekkel táplálkozó állatok.

a galaktóz (a laktóz vagy a tejcukor egy része) és a fruktóz (a szacharóz vagy a gyümölcscukor egy része) egyéb gyakori monoszacharidok. Bár a glükóz, a galaktóz és a fruktóz mindegyike azonos kémiai képlettel rendelkezik (C6H12O6), szerkezetileg és kémiailag különböznek (és izomerekként ismertek), mivel az aszimmetrikus szén körül különböző funkcionális csoportok vannak elrendezve; ezeknek a monoszacharidoknak egynél több aszimmetrikus szénük van (2.ábra).

gyakorlat

2.ábra. A glükóz, a galaktóz és a fruktóz mind hexóz. Szerkezeti izomerek, ami azt jelenti, hogy azonos kémiai képlettel rendelkeznek (C6H12O6), de az atomok eltérő elrendezése.

milyen cukrok ezek, aldóz vagy ketóz?

Click to Show Answer

a glükóz és a galaktóz aldózis. A fruktóz ketóz.

a monoszacharidok lineáris láncként vagy gyűrű alakú molekulákként létezhetnek; vizes oldatokban általában gyűrűformákban találhatók (3.ábra). A gyűrűs formában lévő glükóznak a hidroxilcsoport (-OH) két különböző elrendezése lehet az anomerikus szén körül (szén 1, amely aszimmetrikus lesz a gyűrűképződés folyamatában). Ha a hidroxilcsoport a cukor 1-es szénszáma alatt van, akkor azt mondják, hogy Alfa (α) helyzetben van, és ha a sík felett van, akkor azt mondják, hogy béta (β) helyzetben van.

3. ábra. Öt és hat szén-monoszacharid létezik egyensúlyban a lineáris és a gyűrűs formák között. Amikor a gyűrű kialakul, az oldalsó lánc, amelyen bezáródik, α vagy β helyzetbe van zárva. A fruktóz és a ribóz is gyűrűket alkot, bár öttagú gyűrűket alkotnak, szemben a hattagú glükózgyűrűvel.

diszacharidok

diszacharidok (di– = “kettő”) alakulnak ki, amikor két monoszacharid dehidratációs reakción megy keresztül (más néven dehidratációs szintézis). E folyamat során az egyik monoszacharid hidroxilcsoportja egy másik monoszacharid hidrogénjével kombinálódik, felszabadítva egy vízmolekulát, kovalens kötést képezve. A szénhidrátmolekula és egy másik molekula (ebben az esetben két monoszacharid között) között kovalens kötés glikozidos kötésként ismert (4.ábra). A glikozidos kötések (más néven glikozidos kötések) lehetnek alfa vagy béta típusúak.

4.ábra. A szacharóz akkor keletkezik, amikor a glükóz monomerje és a fruktóz monomerje dehidrációs reakcióban glikozidos kötést képez. A folyamat során egy vízmolekula elvész. Konvenció szerint a monoszacharid szénatomjai a karbonilcsoporthoz legközelebb eső terminális szénből vannak számozva. Szacharózban glikozidos kapcsolat alakul ki a glükóz szén-1 és a fruktóz szén-2 között.

a közös diszacharidok közé tartozik a laktóz, a maltóz és a szacharóz (5.ábra). A laktóz glükóz és galaktóz monomerekből álló diszacharid. Természetesen megtalálható a tejben. A maltóz vagy malátacukor egy diszacharid, amelyet két glükózmolekulák közötti dehidrációs reakció képez. A leggyakoribb diszacharid a szacharóz, vagy asztali cukor, amely a glükóz és a fruktóz monomerjeiből áll.

5. ábra. A közös diszacharidok közé tartoznak a maltóz (gabonacukor), a laktóz (tejcukor) és a szacharóz (asztali cukor).

poliszacharidok

a glikozidkötésekkel összekapcsolt monoszacharidok hosszú láncát poliszacharidnak (poli– = “sok”) nevezik. A lánc elágazó vagy elágazó lehet, és különböző típusú monoszacharidokat tartalmazhat. A molekulatömeg 100 000 dalton vagy annál nagyobb lehet az összekapcsolt monomerek számától függően. A poliszacharidok elsődleges példái a keményítő, a glikogén, a cellulóz és a kitin.

a keményítő a cukrok növényekben tárolt formája, amilóz és amilopektin (mindkettő glükózpolimer) keverékéből áll. A növények képesek szintetizálni a glükózt, a felesleges glükózt pedig a növény azonnali energiaigényén túl keményítőként tárolják különböző növényi részekben, beleértve a gyökereket és a magokat is. A magokban lévő keményítő az embrió számára táplálékot biztosít, mivel csírázik, és táplálékforrásként is szolgálhat az emberek és az állatok számára. Az emberek által fogyasztott keményítőt enzimek, például nyálas amilázok lebontják kisebb molekulákra, például maltózra és glükózra. A sejtek ezután felszívják a glükózt.

a keményítő glükóz monomerekből áll, amelyeket α 1-4 vagy α 1-6 glikozidkötések kötnek össze. Az 1-4 és 1-6 számok a kötéshez csatlakozott két maradék szénszámára utalnak. Mint az Ábra szemlélteti 6, amilóztartalmú a keményítő által alkotott elágazó láncot a glükóz monomerek (csak α 1-4 kapcsolatok), mivel amilopektin egy elágazó poliszacharid (α 1-6 kapcsolatok a fióktelep pont).

6. ábra. Az amilóz és az amilopektin a keményítő két különböző formája. Az amilóz az α1,4 glikozidos kötésekkel összekapcsolt glükóz monomerek elágazó láncaiból áll. Az amilopektin α1,4 és α1,6 glikozidos kötésekkel összekapcsolt glükózmonomerek elágazó láncaiból áll. Az alegységek összekapcsolásának módja miatt a glükózláncok spirális szerkezetűek. A glikogén (nem látható) szerkezete hasonló az amilopektinhez, de sokkal elágazóbb.

a glikogén a glükóz tárolási formája emberekben és más gerincesekben, és glükóz monomerjeiből áll. A glikogén a keményítő állati megfelelője, és egy erősen elágazó molekula, amelyet általában máj-és izomsejtekben tárolnak. Amikor a vércukorszint csökken, a glikogén lebomlik, hogy felszabadítsa a glükózt egy glikogenolízisnek nevezett folyamatban.

a cellulóz a legelterjedtebb természetes biopolimer. A növények sejtfala többnyire cellulózból készül; ez szerkezeti támogatást nyújt a sejtnek. A fa és a papír többnyire cellulóz jellegű. A cellulóz glükóz monomerekből áll, amelyeket β 1-4 glikozidkötések kötnek össze (7.ábra).

amint az a 7. ábrán látható, a cellulózban lévő összes többi glükóz-monomer átfordul, és a monomerek szorosan, hosszabb láncként vannak csomagolva. Ez adja a cellulóz merevségét és nagy szakítószilárdságát—ami annyira fontos a növényi sejtek számára. Míg a β 1-4 kapcsolatot nem lehet lebontani az emberi emésztő enzimek, növényevők, mint a tehenek, koalák, bivalyok, és a lovak képesek, segítségével a speciális növény a gyomorban, megemészteni növényi anyag, amely gazdag cellulóz, és használja, mint egy élelmiszer-forrás. Ezekben az állatokban bizonyos baktérium-és protisztfajok a bendőben (a növényevők emésztőrendszerének egy részében) élnek, és a celluláz enzimet választják ki. A legeltető állatok függeléke olyan baktériumokat is tartalmaz, amelyek emésztik a cellulózt, ami fontos szerepet játszik a kérődzők emésztőrendszerében. A cellulóz lebonthatja a cellulózt glükóz monomerekké, amelyeket az állat energiaforrásként használhat. A termeszek képesek lebontani a cellulózt is, mivel más organizmusok vannak jelen a testükben, amelyek cellulázokat szekretálnak.

8. ábra. A rovaroknak kemény külső külső vázuk van kitinből, egyfajta poliszacharidból. (hitel: Louise Docker)

a szénhidrátok különböző funkciókat szolgálnak különböző állatokban. Az ízeltlábúaknak (rovarok, rákok stb.) van egy külső csontvázuk, az úgynevezett exoskeleton, amely védi belső testrészeiket (amint azt a 8. ábrán látható méh). Ez az exoskeleton a biológiai makromolekula kitinből készül, amely poliszacharid tartalmú nitrogén. Az N-acetil-β-D-glükózamin, egy módosított cukor ismétlődő egységeiből készül. A kitin a gombasejtek falainak egyik fő alkotóeleme is; a gombák sem állatok, sem növények, és saját királyságot alkotnak az Eukarya tartományban.

szakasz összefoglaló

a szénhidrátok olyan makromolekulák egy csoportja, amelyek a sejt létfontosságú energiaforrásai, és szerkezeti támogatást nyújtanak a növényi sejteknek, gombáknak és az összes ízeltlábúnak, beleértve a homárokat, rákokat, garnélarákot, rovarokat és pókokat. A szénhidrátokat monoszacharidoknak, diszacharidoknak és poliszacharidoknak kell besorolni a molekulában lévő monomerek számától függően. A monoszacharidokat glikozid kötések kötik össze, amelyek dehidratációs reakciók következtében alakulnak ki, diszacharidokat és poliszacharidokat képezve, minden egyes kötéshez vízmolekula eliminációjával. A glükóz, a galaktóz és a fruktóz gyakori monoszacharidok, míg a közös diszacharidok közé tartozik a laktóz, a maltóz és a szacharóz. A keményítő és a glikogén, például a poliszacharidok, a glükóz tárolási formái növényekben,illetve állatokban. A hosszú poliszacharid láncok elágazóak vagy elágazóak lehetnek. A cellulóz egy nem elágazó poliszacharid példája, míg az amilopektin, a keményítő összetevője, erősen elágazó molekula. A glükóz tárolása polimerek formájában, mint például a glikogén keményítő, kissé kevésbé teszi elérhetővé az anyagcserét; ez azonban megakadályozza, hogy kiszivárogjon a sejtből, vagy magas ozmotikus nyomást hozzon létre, amely túlzott vízfelvételt okozhat a sejtben.

ellenőrizze megértését

válaszoljon az alábbi kérdésre, hogy megtudja, mennyire érti az előző szakaszban tárgyalt témákat. Ez a rövid kvíz nem számít bele az osztályodba, és korlátlan számú alkalommal megismételheted.

használja ezt a kvízt, hogy ellenőrizze a megértését, majd eldöntse, hogy (1) tanulmányozza tovább az előző részt, vagy (2) lépjen tovább a következő szakaszra.