Cấu trúc, phân loại và chức năng hóa học carbohydrate



các carbohydrate, carbohydrate hoặc sacarit, là các phân tử hữu cơ dự trữ năng lượng trong cơ thể sống. Chúng là những phân tử sinh học phong phú nhất và bao gồm: đường, tinh bột và cellulose, trong số các hợp chất khác được tìm thấy trong các sinh vật sống.

Các sinh vật thực hiện quang hợp (thực vật, tảo và một số vi khuẩn) là nhà sản xuất chính của carbohydrate trong tự nhiên. Cấu trúc của các sacarit này có thể là tuyến tính hoặc phân nhánh, đơn giản hoặc hợp chất và cũng có thể được liên kết với các phân tử sinh học loại khác.

Ví dụ, carbohydrate có thể liên kết protein để tạo thành glycoprotein. Chúng cũng có thể được liên kết với các phân tử lipid, tạo thành glycolipid, các phân tử sinh học tạo thành cấu trúc của màng sinh học. Carbonhydrate cũng có mặt trong cấu trúc của axit nucleic.

Ban đầu, carbohydrate được công nhận là phân tử lưu trữ năng lượng tế bào. Sau đó, các chức năng quan trọng khác mà carbohydrate thực hiện trong các hệ thống sinh học đã được xác định.

Tất cả các sinh vật có các tế bào của họ được bao phủ bởi một lớp dày đặc carbohydrate phức tạp. Carbonhydrat được tạo thành từ các monosacarit, các phân tử nhỏ được hình thành từ ba đến chín nguyên tử carbon gắn liền với các nhóm hydroxyl (-OH), có thể thay đổi kích thước và cấu hình.

Một tính chất quan trọng của carbohydrate là sự đa dạng cấu trúc to lớn trong lớp phân tử này, cho phép chúng thực hiện một loạt các chức năng như tạo ra các phân tử tín hiệu tế bào, hình thành các mô và tạo ra bản sắc của các nhóm máu khác nhau ở người..

Tương tự như vậy, ma trận ngoại bào ở sinh vật nhân chuẩn cao hơn rất giàu carbohydrate được tiết ra, rất cần thiết cho sự sống và liên lạc của tế bào. Các cơ chế nhận dạng tế bào này được khai thác bởi nhiều loại mầm bệnh để lây nhiễm vào tế bào chủ của chúng.

Monosacarit có thể được liên kết bởi các liên kết glycosid để tạo thành một lượng lớn carbohydrate: disacarit, oligosacarit và polysacarit. Nghiên cứu về cấu trúc và chức năng của carbohydrate trong các hệ thống sinh học được gọi là glycobiology.

Chỉ số

  • 1 Cấu trúc hóa học
  • 2 Phân loại
    • 2.1 Monosacarit
    • 2.2 Disacarit
    • 2.3 Oligosacarit 
    • 2.4 Polysacarit
  • 3 chức năng
  • 4 Thực phẩm có chứa carbohydrate
    • 4.1 Tinh bột
    • 4.2 Trái cây và rau quả
    • 4.3 Sữa
    • 4.4 Đồ ngọt
  • 5 Chuyển hóa carbohydrate
  • 6 tài liệu tham khảo

Cấu trúc hóa học

Carbonhydrate được tạo thành từ các nguyên tử carbon, hydro và oxy. Hầu hết trong số này có thể được biểu diễn bằng công thức thực nghiệm (CH2O) n, trong đó n là số lượng cacbon trong phân tử. Nói cách khác, tỷ lệ carbon, hydro và oxy là 1: 2: 1 trong các phân tử carbohydrate.

Công thức này giải thích nguồn gốc của thuật ngữ "carbohydrate" vì các thành phần là nguyên tử carbon ("carbo") và nguyên tử nước (do đó, "hydrate"). Mặc dù carbohydrate được hình thành chủ yếu bởi ba nguyên tử này, nhưng có một số carbohydrate có nitơ, phốt pho hoặc lưu huỳnh.

Ở dạng cơ bản, carbohydrate là các loại đường đơn hoặc monosacarit. Những loại đường đơn giản này có thể được kết hợp với nhau để tạo thành carbohydrate phức tạp hơn.

Sự kết hợp của hai loại đường đơn giản là một disacarit. Oligosacarit chứa từ hai đến mười loại đường đơn giản và polysacarit là carbohydrate lớn nhất, bao gồm hơn mười đơn vị monosacarit.

Cấu trúc của carbohydrate quyết định cách năng lượng được lưu trữ trong các liên kết của nó trong quá trình hình thành bởi quá trình quang hợp và cũng như cách các liên kết này bị phá vỡ trong quá trình hô hấp tế bào.

Phân loại

Monosacarit

Monosacarit là đơn vị cơ bản của carbohydrate, đó là lý do tại sao chúng là cấu trúc đơn giản nhất của sacarit. Về mặt vật lý, monosacarit là chất rắn kết tinh không có màu. Hầu hết có một hương vị ngọt ngào.

Từ quan điểm hóa học, các monosacarit có thể là aldehyd hoặc ketone, tùy thuộc vào vị trí của nhóm carbonyl (C = O) trong carbohydrate tuyến tính. Về mặt cấu trúc, monosacarit có thể tạo thành chuỗi tuyến tính hoặc vòng kín.

Bởi vì monosacarit có các nhóm hydroxyl, hầu hết là hòa tan trong nước và không hòa tan trong dung môi không phân cực.

Tùy thuộc vào số lượng cacbon mà bạn có trong cấu trúc của mình, một monosacarit sẽ có các tên khác nhau, ví dụ: bộ ba (nếu bạn có 3 nguyên tử C), pentose (nếu bạn có 5C), v.v..

Disacarit

Các disacarit là các loại đường đôi được hình thành bằng cách nối hai monosacarit trong một quá trình hóa học gọi là tổng hợp mất nước, vì một phân tử nước bị mất trong quá trình phản ứng. Nó còn được gọi là phản ứng ngưng tụ.

Do đó, một disacarit là bất kỳ chất nào bao gồm hai phân tử đường đơn (monosacarit) liên kết với nhau thông qua liên kết glycosid.

Axit có khả năng phá vỡ các liên kết này, vì lý do này, disacarit có thể được tiêu hóa trong dạ dày.

Disacarit thường hòa tan trong nước và ngọt khi nuốt. Ba disacarit chính là sucrose, lactose và maltose: sucrose đến từ sự liên kết của glucose và fructose; đường sữa đến từ sự kết hợp của glucose và galactose; và maltose đến từ sự kết hợp của hai phân tử glucose.

Oligosacarit

Oligosacarit là các polyme phức tạp được hình thành bởi một vài đơn vị đường đơn giản, nghĩa là từ 3 đến 9 monosacarit.

Phản ứng giống nhau tạo thành các disacarit, nhưng cũng xuất phát từ sự phân hủy của các phân tử đường phức tạp hơn (polysacarit).

Hầu hết các oligosacarit được tìm thấy trong thực vật và hoạt động như chất xơ hòa tan, có thể giúp ngăn ngừa táo bón. Tuy nhiên, con người không sở hữu các enzyme để tiêu hóa chúng, ngoại trừ maltotriose.

Vì lý do này, oligosacarit không được tiêu hóa ban đầu ở ruột non có thể bị phân hủy bởi các vi khuẩn thường sống trong ruột già thông qua quá trình lên men. Prebiotic hoàn thành chức năng này, phục vụ như thức ăn cho vi khuẩn có lợi.

Polysacarit

Polysacarit là các polyme sacarit lớn nhất, chúng được hình thành bởi hơn 10 (đến hàng ngàn) đơn vị monosacarit được sắp xếp theo kiểu tuyến tính hoặc phân nhánh. Các biến thể trong cách sắp xếp không gian là những gì mang lại nhiều tính chất cho các loại đường này.

Các polysacarit có thể được cấu tạo từ cùng một monosacarit hoặc bằng cách kết hợp các monosacarit khác nhau. Nếu chúng được hình thành bởi các đơn vị lặp lại của cùng một loại đường, chúng được gọi là homopolysacarit, chẳng hạn như glycogen và tinh bột, là các carbohydrate lưu trữ của động vật và thực vật, tương ứng..

Nếu polysacarit bao gồm các đơn vị đường khác nhau, chúng được gọi là heteropolysacarit. Hầu hết chỉ chứa hai đơn vị khác nhau và thường được liên kết với protein (glycoprotein, như gamma globulin trong huyết tương) hoặc lipid (glycolipids, chẳng hạn như ganglioside).

Chức năng

Bốn chức năng chính của carbohydrate là: cung cấp năng lượng, dự trữ năng lượng, xây dựng các đại phân tử và ngăn chặn sự thoái hóa của protein và chất béo.

Carbonhydrate bị phân hủy do tiêu hóa trong các loại đường đơn giản. Chúng được hấp thụ bởi các tế bào của ruột non và được vận chuyển đến tất cả các tế bào của cơ thể, nơi chúng sẽ bị oxy hóa thành năng lượng dưới dạng adenosine triphosphate (ATP).

Các phân tử đường không được sử dụng trong sản xuất năng lượng tại bất kỳ thời điểm nào, được lưu trữ như một phần của các polyme dự trữ như glycogen và tinh bột.

Nucleotide, đơn vị cơ bản của axit nucleic, có các phân tử glucose trong cấu trúc của chúng. Một số protein quan trọng có liên quan đến các phân tử carbohydrate, ví dụ: hormone kích thích nang trứng (FSH) can thiệp vào quá trình rụng trứng.

Bởi vì carbohydrate là nguồn năng lượng chính, sự xuống cấp nhanh chóng của chúng ngăn chặn các phân tử sinh học khác bị thoái hóa để thu được năng lượng. Do đó, khi lượng đường bình thường, protein và lipid được bảo vệ khỏi sự xuống cấp.

Một số carbohydrate hòa tan trong nước, chúng hoạt động như một loại thực phẩm chủ yếu trên toàn thế giới và quá trình oxy hóa của các phân tử này là nguồn sản xuất năng lượng chính trong hầu hết các tế bào không quang hợp..

Carbohydrate không hòa tan được liên kết để tạo thành các cấu trúc phức tạp hơn phục vụ như là bảo vệ. Ví dụ: cellulose tạo thành thành tế bào thực vật cùng với hemiaelluloses và pectin. Chitin tạo thành bức tường của các tế bào nấm và exoskeleton của động vật chân đốt.

Ngoài ra, peptidoglycan tạo thành thành tế bào của vi khuẩn và vi khuẩn lam. Các mô liên kết của động vật và khớp xương được hình thành bởi các polysacarit.

Nhiều carbohydrate liên kết cộng hóa trị với protein hoặc lipid, tạo thành các cấu trúc phức tạp hơn, gọi chung là glycoconjugates. Các phức hợp này hoạt động như các nhãn xác định vị trí nội bào hoặc số phận trao đổi chất của các phân tử này

Thực phẩm có chứa carbohydrate

Carbonhydrate là một thành phần thiết yếu của chế độ ăn uống lành mạnh, vì chúng là nguồn năng lượng chính. Tuy nhiên, một số thực phẩm có carbohydrate lành mạnh hơn cung cấp một lượng chất dinh dưỡng lớn hơn, ví dụ:

Tinh bột

Thực phẩm có chứa tinh bột là nguồn carbohydrate chính. Những tinh bột này nói chung là carbohydrate phức tạp, có nghĩa là, chúng được hình thành bởi nhiều loại đường kết hợp với nhau tạo thành một chuỗi phân tử dài. Vì lý do này, tinh bột mất nhiều thời gian hơn để được tiêu hóa.

Có một loạt các loại thực phẩm có chứa tinh bột. Các loại ngũ cốc bao gồm các loại thực phẩm có hàm lượng tinh bột cao, ví dụ: đậu, đậu lăng và gạo. Ngũ cốc cũng chứa các carbohydrate này, ví dụ: yến mạch, lúa mạch, lúa mì và các dẫn xuất của nó (bột và mì ống) .

Các loại đậu và các loại hạt cũng chứa carbohydrate ở dạng tinh bột. Ngoài ra, các loại rau như: khoai tây, khoai lang, ngô và bí ngô cũng rất giàu hàm lượng tinh bột.

Điều quan trọng cần lưu ý là nhiều carbohydrate là một nguồn chất xơ. Đó là, chất xơ về cơ bản là một loại carbohydrate mà cơ thể chỉ có thể tiêu hóa một phần.

Tương tự như carbohydrate phức tạp, các sợi carbohydrate có xu hướng được tiêu hóa chậm.

Trái cây và rau quả

Trái cây và rau quả có hàm lượng carbohydrate cao. Trái ngược với tinh bột, trái cây và rau quả chứa carbohydrate đơn giản, nghĩa là carbohydrate có một hoặc hai sacarit liên kết với nhau.

Những carbohydrate, đơn giản trong cấu trúc phân tử của chúng, được tiêu hóa dễ dàng và nhanh chóng hơn những loại phức tạp. Điều này đưa ra ý tưởng về các mức độ và loại carbohydrate khác nhau mà thực phẩm sở hữu.

Do đó, một số loại trái cây có hàm lượng carbohydrate nhiều hơn trên mỗi khẩu phần, ví dụ: chuối, táo, cam, dưa và nho có nhiều carbohydrate hơn một số loại rau như rau bina, bông cải xanh và cải xoăn, cà rốt, nấm và cà tím.

Sữa

Tương tự như rau và trái cây, các sản phẩm từ sữa là thực phẩm có chứa carbohydrate đơn giản. Sữa có đường riêng gọi là đường sữa, một loại disacarit có vị ngọt. Một cốc này tương đương với khoảng 12 gram carbohydrate.

Có rất nhiều phiên bản sữa và sữa chua trên thị trường. Bất kể bạn đang tiêu thụ một phiên bản đầy đủ hay giảm chất béo của một loại sữa cụ thể, lượng carbohydrate sẽ như nhau.

Đồ ngọt

Kẹo là một nguồn carbohydrate nổi tiếng khác. Chúng bao gồm đường, mật ong, kẹo, đồ uống nhân tạo, bánh quy, kem, trong số nhiều món tráng miệng khác. Tất cả các sản phẩm này có chứa đường nồng độ cao.

Về phần mình, một số thực phẩm chế biến và tinh chế có chứa carbohydrate phức tạp, ví dụ: bánh mì, gạo và mì trắng. Điều quan trọng cần lưu ý là carbohydrate tinh chế không bổ dưỡng như carbohydrate mà trái cây và rau quả sở hữu.

Chuyển hóa carbohydrate

Sự chuyển hóa carbohydrate là tập hợp các phản ứng trao đổi chất liên quan đến sự hình thành, suy thoái và chuyển đổi carbohydrate trong tế bào.

Sự chuyển hóa carbohydrate được bảo tồn cao và có thể được quan sát ngay cả từ vi khuẩn, ví dụ chính là Lac Operon. E.coli.

Carbohydrate rất quan trọng trong nhiều con đường trao đổi chất như quang hợp, phản ứng hình thành carbohydrate quan trọng nhất trong tự nhiên.

Từ carbon dioxide và nước, thực vật sử dụng năng lượng của mặt trời để tổng hợp các phân tử carbohydrate.

Về phần mình, các tế bào động vật và nấm phá vỡ carbohydrate, được tiêu thụ trong các mô thực vật, để có được năng lượng dưới dạng ATP thông qua một quá trình gọi là hô hấp tế bào..

Ở động vật có xương sống, glucose được vận chuyển khắp cơ thể qua máu. Nếu dự trữ năng lượng tế bào thấp, glucose bị suy giảm do phản ứng trao đổi chất gọi là glycolysis để tạo ra một ít năng lượng và một số chất trung gian trao đổi chất.

Các phân tử glucose không cần thiết cho sản xuất năng lượng ngay lập tức được lưu trữ dưới dạng glycogen trong gan và cơ, thông qua một quá trình gọi là glycogenesis.

Một số carbohydrate đơn giản có con đường thoái hóa của riêng mình, như một số carbohydrate phức tạp hơn. Lactose, ví dụ, đòi hỏi hoạt động của enzyme lactase phá vỡ liên kết của nó và giải phóng các monosacarit cơ bản, glucose và galactose.

Glucose là carbohydrate chính được tiêu thụ bởi các tế bào, chiếm khoảng 80% nguồn năng lượng.

Glucose được phân phối đến các tế bào, nơi nó có thể đi qua các chất vận chuyển cụ thể để được phân hủy hoặc lưu trữ dưới dạng glycogen.

Tùy thuộc vào yêu cầu trao đổi chất của một tế bào, glucose cũng có thể được sử dụng để tổng hợp các monosacarit khác, axit béo, axit nucleic và một số axit amin nhất định.

Chức năng chính của chuyển hóa carbohydrate là duy trì kiểm soát lượng đường trong máu, đây là cái được gọi là cân bằng nội môi.

Tài liệu tham khảo

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Sinh học phân tử của tế bào (Tái bản lần thứ 6). Khoa học vòng hoa.
  2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Hóa sinh (Tái bản lần thứ 8). W. H. Freeman và Công ty.
  3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Sinh học (Tái bản lần 2) Giáo dục Pearson.
  4. Bảnh bao, M. (2013). Một cái nhìn nhanh về hóa sinh: Chuyển hóa carbohydrate. Sinh hóa lâm sàng, 46(15), 1339-1352.
  5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Sinh học tế bào phân tử (Tái bản lần thứ 8). W. H. Freeman và Công ty.
  6. Maughan, R. (2009). Chuyển hóa carbohydrate. Phẫu thuật, 27(1), 6-10.
  7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Nguyên tắc sinh hóa của Lehninger (6thứ). W.H. Freeman và công ty.
  8. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Sinh học (Tái bản lần thứ 7).
  9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Nguyên tắc cơ bản của hóa sinh: Sự sống ở cấp độ phân tử (Tái bản lần thứ 5). Wiley.