węglowodany

węglowodany są podstawą diety na całym świecie. Cieszą się również dużą negatywną uwagą w mediach. Ponieważ nowe modne diety wchodzą i wychodzą z mody, każda z nich ma inny pomysł na odpowiednią ilość węglowodanów do spożycia. Chociaż kiedyś był uważany za super jedzenie, cukier (najprostsze węglowodany) jest teraz pokazany w nikczemnym świetle. Istnieje nawet ruch, aby cukier został przeklasyfikowany jako niebezpieczny i uzależniający lek! Polisacharydy (to, co ludzie tradycyjnie uważają za „węglowodany”) były powszechnie hated kilka lat temu, ale teraz są mieszane opinie. Diety ketogeniczne (niskowęglowodanowe, wysokobiałkowe i tłuszczowe) wypadły z łask ze względu na ryzyko dla zdrowia, jednak nadal toczy się debata, czy węglowodany są dobre dla ciebie. Kulturyści twierdzą, że są dobre dla wydajności ćwiczeń i metabolizmu. Dietetycy ostrzegają o ryzyku zwiększonego poziomu cukru we krwi i przyrostu masy ciała. Z kontekstu debaty na temat zdrowej żywności nie zawsze jest jasne, czym są węglowodany. Termin ten jest często używany jako „catch-all” dla każdej żywności skrobiowej. Podczas gdy skrobia jest węglowodanem, istnieje również wiele innych. Węglowodany są makroskładnikiem pokarmowym (cząsteczki, które muszą być spożywane w stosunkowo dużych ilościach, aby utrzymać życie). Są najobficiej występującą biomolekułą na ziemi i przybierają różne formy. Cukry, cząsteczki sygnalizacyjne, części lub nasz układ odpornościowy, kwasy nukleinowe i wiele składników strukturalnych tworzą się z węglowodanów.

skład chemiczny węglowodanów daje im kilka właściwości, które pomagają im wypełniać tak wiele różnych ról. Co najważniejsze, są one tworzone z podstawowych jednostek, które mogą być następnie połączone ze sobą jak klocki Lego, tworząc duże i unikalne cząsteczki. Jedynymi biomolekułami, które są lepsze od węglowodanów, są białka. Wspólny wzór cząsteczkowy dla każdego węglowodanu wynosi

Cn (H2O) n

nazwa tych cząsteczek pochodzi od tego stosunku: dla każdego atomu węgla (carbo -) jest taka sama ilość wody (-hydrat). Ponieważ połączenie węgla, wodoru i tlenu można łatwo utlenić, ale mają tendencję do samodzielnego rozkładu, węglowodany mają zarówno wysoki potencjał energetyczny, jak i stabilność strukturalną. To czyni je idealnymi do napędzania reakcji biochemicznych. W rzeczywistości utlenianie węglowodanów glukozy jest podstawową reakcją chemiczną, która napędza całe życie na ziemi.

najmniejszymi grupami funkcjonalnymi węglowodanów są monosacharydy. Słowo korzeniowe „sacharyd” pochodzi od greckiego słowa oznaczającego słodki, ponieważ jednostki te mają charakterystyczny słodki smak. Monosacharydy są czasami określane jako cukry proste. Tworzą najprostsze węglowodany i są to łańcuchy węglowe z wieloma grupami funkcyjnymi alkoholu (- OH) i specjalnym podwójnym wiązaniem tlenu (ketonem lub aldozą), które pozwala łańcuchowi tworzyć pierścień. Istnieje wiele przykładów cukrów prostych, które są spożywane na energię. Glukoza jest cząsteczką mierzoną w wskaźnikach poziomu cukru we krwi i jest kluczowym źródłem energii biologicznej dla całego życia.

fruktoza to rodzaj cukru wytwarzany w roślinach. Jest źródłem słodyczy w syropie kukurydzianym o wysokiej zawartości fruktozy.

galaktoza jest rodzajem cukru wytwarzanego przez ssaki, który może wiązać się z glukozą, tworząc laktozę.

istnieje również wiele rodzajów monosacharydów, które nie są trawione dla energii. Ryboza jest głównym składnikiem strukturalnym nukleotydów tworzących DNA i RNA. Mannoza jest cukrem prostym obecnym w cząsteczkach sygnalizacyjnych znanych jako glikoproteiny.

disacharydy

rodzaje cukrów, z którymi większość ludzi będzie zaznajomiona, to disacharydy, dwa monosacharydy połączone ze sobą specjalnym wiązaniem. Wiązanie, które łączy dwa monosacharydy, nazywa się wiązaniem glikozydowym. Występują one, ponieważ specjalny węgiel w pierścieniu monosacharydu (węgiel anomeryczny) może łączyć się z grupą-OH na innym monosacharydie, tworząc połączenie z wodą. Disacharydy mają większą, podwójnie pierścieniową strukturę i mają różne właściwości, na podstawie których połączone są monosacharydy, a także lokalizację i stereochemię wiązań glikozydowych. Wiele naturalnie występujących cukrów jest disacharydami glukozy i niektórych innych monosacharydów. Sacharoza (cukier stołowy) składa się z dwóch monosacharydów glukozy i fruktozy. Laktoza (cukier mleczny) składa się z monosacharydów glukozy i galaktozy. Maltoza (częściowo trawiona skrobia) składa się z dwóch połączonych ze sobą monosacharydów glukozy i jest produktem słodowania.

polisacharydy

większość węglowodanów nie istnieje jako stosunkowo małe monosacharydy lub disacharydy, ale zamiast tego tworzą masywne łańcuchy cukrów prostych połączonych ze sobą wiązaniami glikozydowymi. Struktury te są bardzo zróżnicowane pod względem formy i funkcji, ale są zbiorczo znane jako polisacharydy. Technicznie termin węglowodany obejmuje wszystkie sacharydy, jednak w języku potocznym ludzie używają go w odniesieniu do skrobi. Polisacharydy zwykle nie mają charakterystycznego słodkiego smaku monosacharydów i disacharydów. Mogą się znacznie różnić wielkością, od zaledwie kilku jednostek monosacharydów, do rozległych kompleksów setek monosacharydów. Mogą również mieć różne struktury. Polisacharydy, w których Wiązanie glikozydowe występuje w tym samym miejscu na każdej jednostce, tworzą długie łańcuchy, które owijają się wokół siebie, tworząc struktury spiralne. Alternatywnie, niektóre jednostki mogą mieć wiele wiązań glikozydowych, powodując luźną, rozgałęziającą się strukturę. Wreszcie, polisacharydy mogą składać się całkowicie z pojedynczej jednostki monosacharydowej (homopolisacharydy) lub mogą mieć powtarzające się wzory dwóch lub trzech różnych monosacharydów (heteropolisacharydy).

Homopolisacharydy

polisacharydy stosowane jako źródła energii zwykle są homopolisacharydami złożonymi z glukozy. W roślinach to źródło energii nazywa się skrobią i występuje w dwóch odmianach. Amyloza jest skrobią nierozgałęziającą się. Tworzy zwarte heliksy, które pakują się w strukturę krystaliczną. Ponieważ jest szczelnie upakowana, amyloza jest bardziej gęsta energetycznie, ale mniej rozpuszczalna i trudniejsza do strawienia. Amylopektyna to skrobia o krótkich, rozgałęzionych łańcuchach. Jest lekkostrawny i łatwo rozpuszcza się w wodzie, ale jest mniej gęsty energetycznie, ponieważ gałęzie uniemożliwiają szczelne pakowanie. Kucharze używają skrobi jako źródeł energii i środków zagęszczających. Zwierzęta i grzyby mają cząsteczkę analogiczną do skrobi zwaną glikogenem. Zamiast tworzyć struktury spiralne, takie jak skrobia, glikogen tworzy granulki silnie rozgałęzionych łańcuchów glukozy przyłączonych do centralnego białka. Jest wytwarzany w wątrobie i służy jako średnioterminowe magazynowanie energii dla tkanki mięśniowej. Przezroczysta galaretowata substancja na dnie puszki spamu to głównie glikogen.

Homopolisacharydy mogą również tworzyć wytrzymałe materiały konstrukcyjne. Celuloza jest wytrzymałym i włóknistym materiałem, który pomaga tworzyć ściany komórkowe w roślinach i mikroorganizmach. Zbudowana jest z liniowych łańcuchów glukozy. Jednak w przeciwieństwie do amylozy, kształt wiązań glikozydowych sprawia, że struktura jest nierozpuszczalna i trudna do strawienia. Celuloza jest określana jako błonnik pokarmowy w żywności i stanowi większość włókien bawełnianych, produktów papierowych i drewna. Chityna jest kolejnym strukturalnym homopolisacharydem, który często występuje w przyrodzie. Tworzy egzoszkielety owadów i łuski ryb. Podobnie jak celuloza, chityna powstaje na nierozpuszczalnych łańcuchach liniowej glukozy. Jednak każda jednostka glukozy jest modyfikowana, aby mieć dołączoną do niej grupę aminową (- NH2).

Heteropolisacharydy

Heteropolisacharydy zawierają dwa lub trzy różne monosacharydy w powtarzających się wzorach. Węglowodany te są zwykle ściśle związane z lipidem lub białkiem tworzącym struktury hybrydowe zwane glikolipidami lub glikoproteinami. Cząsteczki te znajdują się szeroko w roślinach, zwierzętach i mikroorganizmach. Składniki i kształt tych cząsteczek mają ogromną różnorodność, a dokładna struktura wielu z nich jest nadal nieznana. Wiele heteropolisacharydów ma znaczenie medyczne. Przykłady obejmują kwas hialuronowy, który działa jako wysoce hydrofilowy absorbent wstrząsów i smar w chrząstce, skórze i tkankach nerwowych; heparyna, która jest antykoagulantem naturalnie obecnym we krwi i immunoglobuliny (przeciwciała), które są niezbędne dla aktywnego układu odpornościowego.

wniosek

węglowodany są rozległą klasą biomolekuł, których złożoność i różnorodność funkcji konkuruje z białkami. Ich wielkość może wahać się od stosunkowo prostych monosacharydów do rozległych kompleksów polisacharydów. Mają unikalne połączenie stabilności strukturalnej i wysokiej energii potencjalnej, co czyni je idealnymi wśród makrocząsteczek do napędzania metabolizmu, ale mają również wiele innych funkcji, w tym strukturę i sygnalizację komórkową. Robimy węglowodany krzywdę, myśląc tylko o nich jak o makaronach i ziemniakach. Są unikalną i bardzo zróżnicowaną rodziną cząsteczek niezbędnych dla całego życia na ziemi.