3.1: Вуглеводи

Last updated
Save as PDF

Page ID: 8088

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Вуглеводи - це макромолекули, з якими більшість споживачів дещо знайомі. Щоб схуднути, деякі особини дотримуються «низькоуглеводних» дієт. Спортсмени, навпаки, часто «карбі-навантажують» перед важливими змаганнями, щоб переконатися, що у них достатньо енергії, щоб змагатися на високому рівні. Вуглеводи насправді є невід'ємною частиною нашого раціону; зернові, фрукти та овочі - це природні джерела вуглеводів. Вуглеводи забезпечують організм енергією, особливо через глюкозу, простий цукор. Вуглеводи також мають інші важливі функції у людини, тварин та рослин.

Фото хліба і макаронних виробів — **Малюнок\(\PageIndex{1}\):** Хліб, макарони та цукор містять високий вміст вуглеводів. («Пшенична продукція» Міністерства сільського господарства США знаходиться у відкритому доступі)

Вуглеводи можуть бути представлені стехіометрической формулою (CH ₂ O) _n, де n - число вуглеводів в молекулі. Іншими словами, співвідношення вуглецю до водню до кисню становить 1:2:1 в молекулах вуглеводів. Ця формула також пояснює походження терміна «вуглевод»: компонентами є вуглець («карбо») і компоненти води (звідси, «гідрат»). Вуглеводи класифікуються на три підтипи: моносахариди, дисахариди і полісахариди.

Моносахариди

Моносахариди (моно- = «один»; сахар- = «солодкий») - прості цукру, найпоширенішим з яких є глюкоза. У моносахаридів кількість вуглецю зазвичай коливається від трьох до семи. Більшість назв моносахаридів закінчуються суфіксом -ose.

Хімічна формула глюкози - C ₆ H ₁₂ O ₆. У людини глюкоза є важливим джерелом енергії. Під час клітинного дихання енергія виділяється з глюкози, і ця енергія використовується, щоб допомогти зробити аденозинтрифосфат (АТФ). Рослини синтезують глюкозу за допомогою вуглекислого газу і води, а глюкоза в свою чергу використовується для енергетичних потреб рослини. Надлишок глюкози часто зберігається у вигляді крохмалю, який катаболізується (розпад більших молекул клітинами) людьми та іншими тваринами, які харчуються рослинами.

Галактоза (входить до складу лактози, або молочного цукру) і фруктоза (міститься в сахарозі, в фруктах) - інші поширені моносахариди. Хоча глюкоза, галактоза та фруктоза мають однакову хімічну формулу (C ₆ H ₁₂ O ₆), вони відрізняються структурно та хімічно (і відомі як ізомери) через різне розташування функціональних груп навколо асиметричного вуглецю; всі ці моносахариди мають більше одного асиметричного карбону. Усередині одного моносахарида всі атоми з'єднані один з одним міцними ковалентними зв'язками.

Хімічні структури глюкози, галактози та фруктози. — **Малюнок\(\PageIndex{2}\):** Глюкоза, галактоза та фруктоза - це все гексози. Вони є структурними ізомерами, тобто вони мають однакову хімічну формулу (C ₆ H ₁₂ O ₆), але різне розташування атомів. Лінії між атомами являють собою ковалентні зв'язки.

дисахариди

Дисахариди (ді- = «два») утворюються, коли два моносахариди проходять реакцію зневоднення (також відому як реакція конденсації або синтез зневоднення). Під час цього процесу гідроксильна (ОН) група одного моносахариду з'єднується з воднем іншого моносахариду, виділяючи молекулу води і утворюючи ковалентний зв'язок, який з'єднує два моносахариди разом.

Загальні дисахариди включають лактозу, мальтозу і сахарозу (рис.\(\PageIndex{3}\)). Лактоза - це дисахарид, що складається з мономерів глюкози і галактози. Він утворюється в результаті реакції зневоднення між глюкозою і молекулами галактози, яка видаляє молекулу води і утворює ковалентний зв'язок. Він міститься в природному вигляді в молоці. Мальтоза, або солодовий цукор, являє собою дисахарид, що складається з двох молекул глюкози, з'єднаних ковалентним зв'язком. Найпоширенішим дисахаридом є сахароза, або столовий цукор, який складається з мономерів глюкози та фруктози, також з'єднаних ковалентним зв'язком.

структури дисахаридів — **Малюнок\(\PageIndex{3}\):** Загальні дисахариди включають мальтозу (зерновий цукор), лактозу (молочний цукор) та сахарозу (столовий цукор).

Полісахариди

Довгий ланцюг моносахаридів, пов'язаних глікозидними зв'язками, відома як полісахарид (полі- = «багато»). Ланцюг може бути розгалуженою або нерозгалуженою, а також в ній можуть міститися різні види моносахаридів. Всі моносахариди з'єднані між собою ковалентними зв'язками. Молекулярна маса може становити 100 000 дальтон або більше залежно від кількості приєднаних мономерів. Крохмаль, глікоген, целюлоза та хітин є первинними прикладами полісахаридів.

Крохмаль є збереженою формою цукрів у рослині і складається з суміші амілози та амілопектину (обох полімерів глюкози). В основному крохмаль - це довгий ланцюжок мономерів глюкози. Рослини здатні синтезувати глюкозу, а надлишок глюкози, поза безпосередніми енергетичними потребами рослини, зберігається у вигляді крохмалю в різних частинок рослин, включаючи коріння та насіння. Крохмаль у насінні забезпечує їжу для ембріона, коли він проростає, а також може виступати джерелом їжі для людей та тварин. Крохмаль, який споживається людиною, розщеплюється ферментами, такими як слинні амілази, на більш дрібні молекули, такі як мальтоза та глюкоза. Потім клітини можуть поглинати глюкозу.

Глікоген є формою зберігання глюкози у людини та інших хребетних тварин і складається з мономерів глюкози. Глікоген є тваринним еквівалентом крохмалю і являє собою сильно розгалужену молекулу, яка зазвичай зберігається в клітині печінки і м'язів. Всякий раз, коли рівень глюкози в крові знижується, глікоген розщеплюється, щоб вивільнити глюкозу в процесі, відомому як глікогеноліз.

структури крохмалю — **Малюнок\(\PageIndex{4}\):** Амілоза і амілопектин - дві різні форми крохмалю. Амілоза складається з нерозгалужених ланцюжків мономерів глюкози. Амілопектин складається з розгалужених ланцюжків мономерів глюкози. Через спосіб з'єднання субодиниць ланцюги глюкози мають спіральну структуру. Глікоген (не показаний) за структурою схожий на амілопектин, але більш сильно розгалужений.

Целюлоза - найпоширеніший природний біополімер. Клітинна стінка рослин здебільшого виготовлена з целюлози; це забезпечує структурну підтримку клітини. Дерево і папір в основному мають целюлозну природу. Целюлоза складається з мономерів глюкози (рис.\(\PageIndex{5}\)).

целюлозні фібрили — **Малюнок\(\PageIndex{5}\):** У целюлозі мономери глюкози пов'язані нерозгалуженими ланцюгами. Через спосіб з'єднання субодиниць глюкози кожен мономер глюкози перевертається відносно наступного, що призводить до лінійної, волокнистої структури.

Вуглеводи виконують різні функції у різних тварин. Членистоногі (комахи, ракоподібні та інші) мають зовнішній скелет, званий екзоскелетом, який захищає їх внутрішні частини тіла (як видно на бджолі на малюнку\(\PageIndex{6}\)). Цей екзоскелет виготовлений з біологічної макромолекули хітину, що представляє собою азот, що містить полісахарид. Він виготовлений з повторюваних одиниць N-ацетил- β -d-глюкозаміну, модифікованого цукру. Хітин також є основним компонентом грибкових клітинних стінок; гриби не є ні тваринами, ні рослинами і утворюють власне царство в області Еукарія.

бджола летить до фіолетовий квітка — **Малюнок\(\PageIndex{6}\):** Комахи мають жорсткий зовнішній екзоскелет, виготовлений з хітину, типу полісахариду. (кредит: Луїза Докер)

Як вуглеводна структура співвідноситься з функцією?

Енергія може зберігатися в зв'язках молекули. Зв'язки, що з'єднують два атоми вуглецю або з'єднують атом вуглецю з атомом водню, є високоенергетичними зв'язками. Розрив цих зв'язків вивільняє енергію. Ось чому наші клітини можуть отримувати енергію з молекули глюкози (C ₆ H ₁₂ O ₆).

Полісахариди утворюють довгі волокнисті ланцюги, які здатні будувати міцні структури, такі як клітинні стінки.

Посилання

Якщо не зазначено інше, зображення на цій сторінці ліцензуються відповідно до CC-BY 4.0 OpenStax.

OpenStax, Біологія. OpenStax CNX. 27 травня 2016 р. http://cnx.org/contents/s8Hh0oOc@9.10:QhGQhr4x@6/Biological-Molecules