Dla ludzkiego ciała, jak również innych żywych istot, potrzebna jest energia. Bez tego żadne procesy nie mogą się odbyć. W końcu każda reakcja biochemiczna, każdy proces enzymatyczny czy etap metabolizmu wymaga źródła energii.
Dlatego znaczenie substancji, które dostarczają organizmowi siły na całe życie, jest bardzo duże i ważne. Czym są te substancje? Węglowodany, białka, tłuszcze. Budowa każdego z nich jest inna, należą one do zupełnie innych klas związków chemicznych, ale jedna z ich funkcji jest podobna – dostarczanie organizmowi energii niezbędnej do życia. Rozważ jedną grupę wymienionych substancji - węglowodany.
Klasyfikacja węglowodanów
Skład i strukturę węglowodanów od momentu ich odkrycia określała ich nazwa. Rzeczywiście, według wczesnych źródeł uważano, że jest to grupa związków, w których strukturze znajdują się atomy węgla związane z cząsteczkami wody.
Dokładniejsza analiza, a także zgromadzone informacje o różnorodności tych substancji pozwoliły udowodnić, że nie wszyscy przedstawiciele mają tylko taki skład. Jednakżeta cecha jest nadal jedną z tych, które determinują strukturę węglowodanów.
Nowoczesna klasyfikacja tej grupy związków wygląda następująco:
- Monosacharydy (ryboza, fruktoza, glukoza itp.).
- Oligosacharydy (biozy, triozy).
- Polisacharydy (skrobia, celuloza).
Ponadto wszystkie węglowodany można podzielić na dwie duże grupy:
- przywracanie;
- nie do odbudowy.
Struktura cząsteczek węglowodanów w każdej grupie zostanie omówiona bardziej szczegółowo.
Monosacharydy: charakterystyka
Ta kategoria obejmuje wszystkie proste węglowodany, które zawierają grupę aldehydową (aldozy) lub ketonową (ketozy) i nie więcej niż 10 atomów węgla w strukturze łańcucha. Jeśli spojrzysz na liczbę atomów w głównym łańcuchu, to monosacharydy można podzielić na:
- trioses (aldehyd glicerynowy);
- tetrozy (erytruloza, erytroza);
- pentozy (ryboza i dezoksyryboza);
- heksozy (glukoza, fruktoza).
Wszyscy inni przedstawiciele nie są tak ważni dla ciała jak ci wymienieni.
Cechy struktury cząsteczek
Ze względu na swoją budowę, monozy mogą być prezentowane zarówno w postaci łańcucha, jak i węglowodanów cyklicznych. Jak to się stało? Chodzi o to, że centralny atom węgla w związku jest asymetrycznym centrum, wokół którego cząsteczka w roztworze może się obracać. W ten sposób powstają izomery optyczne monosacharydów w formie L i D. W którejwzór glukozy, zapisany w postaci prostego łańcucha, może być uchwycony mentalnie przez grupę aldehydową (lub keton) i zwinięty w kulkę. Otrzymana zostanie odpowiednia formuła cykliczna.
Struktura chemiczna węglowodanów serii monoz jest dość prosta: liczba atomów węgla tworzących łańcuch lub cykl, z których każdy z grup hydroksylowych i atomów wodoru znajduje się po różnych lub po tej samej stronie. Jeśli wszystkie struktury o tej samej nazwie znajdują się po jednej stronie, powstaje izomer D, jeśli są one różne naprzemiennie, powstaje izomer L. Jeśli zapiszemy ogólny wzór najczęstszego przedstawiciela monosacharydów glukozy w postaci molekularnej, to będzie on wyglądał następująco: . Co więcej, ten zapis odzwierciedla również strukturę fruktozy. W końcu chemicznie te dwie monozy są izomerami strukturalnymi. Glukoza jest alkoholem aldehydowym, fruktoza jest alkoholem ketonowym.
Struktura i właściwości węglowodanów wielu monosacharydów są ze sobą ściśle powiązane. Rzeczywiście, ze względu na obecność grup aldehydowych i ketonowych w składzie struktury, należą one do alkoholi aldehydowych i ketonowych, co determinuje ich charakter chemiczny i reakcje, w które są w stanie wejść.
Dlatego glukoza wykazuje następujące właściwości chemiczne:
1. Reakcje z powodu obecności grupy karbonylowej:
- utlenianie - reakcja "srebrnego lustra";
- ze świeżo wytrąconym wodorotlenkiem miedzi (II) - kwasem aldonowym;
- silne utleniacze mogą tworzyć kwasy dwuzasadowe (aldarowe), przekształcając nie tylko aldehyd, ale także jedną grupę hydroksylową;
- odzyskiwanie - konwertowane na alkohole wielowodorotlenowe.
2. Cząsteczka zawiera również grupy hydroksylowe, które odzwierciedlają strukturę. Właściwości węglowodanów, na które ma wpływ grupowanie danych:
- zdolność do alkilowania - tworzenie eterów;
- acylacja - tworzenie estrów;
- jakościowa reakcja dla wodorotlenku miedzi(II).
3. Wysoce specyficzne właściwości glukozy:
- butyric;
- alkohol;
- fermentacja kwasu mlekowego.
Funkcje wykonywane w ciele
Struktura i funkcja węglowodanów serii monoz są ściśle powiązane. Te ostatnie polegają przede wszystkim na udziale w reakcjach biochemicznych organizmów żywych. Jaką rolę odgrywają w tym cukry proste?
- Podstawa do produkcji oligo- i polisacharydów.
- Pentozy (ryboza i dezoksyryboza) to najważniejsze cząsteczki biorące udział w tworzeniu ATP, RNA, DNA. A oni z kolei są głównymi dostawcami materiału dziedzicznego, energii i białka.
- Stężenie glukozy w ludzkiej krwi jest prawdziwym wskaźnikiem ciśnienia osmotycznego i jego zmian.
Oligosacharydy: struktura
Struktura węglowodanów z tej grupy sprowadza się do obecności w składzie dwóch (dioz) lub trzech (trioz) cząsteczek cukrów prostych. Są też takie, które zawierają 4, 5 lub więcej struktur (do 10), ale najczęściej są to disacharydy. Oznacza to, że podczas hydrolizyzwiązki rozkładają się, tworząc glukozę, fruktozę, pentozę i tak dalej. Jakie związki należą do tej kategorii? Typowym przykładem jest sacharoza (zwykły cukier trzcinowy), laktoza (główny składnik mleka), m altoza, laktuloza, izom altoza.
Struktura chemiczna węglowodanów z tej serii ma następujące cechy:
- Ogólny wzór cząsteczek molekularnych: C12H22O11.
- Dwie identyczne lub różne reszty monozy w strukturze disacharydowej są połączone ze sobą mostkiem glikozydowym. Charakter tego związku określi zdolność redukującą cukru.
- Redukcja disacharydów. Struktura węglowodanów tego typu polega na utworzeniu mostka glikozydowego pomiędzy grupą hydroksylową aldehydu a grupami hydroksylowymi różnych cząsteczek monosu. Należą do nich: m altoza, laktoza i tak dalej.
- Nieredukujący – typowy przykład sacharozy – gdy tworzy się mostek pomiędzy grupami hydroksylowymi tylko odpowiednich grup, bez udziału struktury aldehydowej.
W ten sposób strukturę węglowodanów można pokrótce przedstawić jako wzór cząsteczkowy. Jeśli potrzebna jest szczegółowa, szczegółowa struktura, można ją przedstawić za pomocą rzutów graficznych Fishera lub wzorów Hawortha. W szczególności, dwa cykliczne monomery (monozy) są albo różne albo identyczne (w zależności od oligosacharydu), połączone mostkiem glikozydowym. Podczas budowania należy wziąć pod uwagę zdolność przywracania, aby poprawnie wyświetlić połączenie.
Przykłady cząsteczek disacharydowych
Jeżeli zadanie jest w formie: „Zwróć uwagę na cechy strukturalne węglowodanów”, to w przypadku disacharydów najlepiej najpierw wskazać, z jakich reszt monozowych się składają. Najczęstsze typy to:
- sacharoza - zbudowana z alfa-glukozy i beta-fruktozy;
- m altoza - z pozostałości glukozy;
- cellobioza - składa się z dwóch reszt beta-glukozy w formie D;
- laktoza - galaktoza + glukoza;
- laktuloza - galaktoza + fruktoza i tak dalej.
Następnie, zgodnie z dostępnymi resztami, należy sporządzić wzór strukturalny z wyraźnym wskazaniem typu mostka glikozydowego.
Ważność dla organizmów żywych
Rola disacharydów jest również bardzo ważna, nie tylko struktura jest ważna. Funkcje węglowodanów i tłuszczów są na ogół podobne. Podstawą jest składnik energetyczny. Jednak w przypadku niektórych poszczególnych disacharydów należy podać ich specyficzne znaczenie.
- Sacharoza jest głównym źródłem glukozy w ludzkim organizmie.
- Laktoza znajduje się w mleku ssaków, w tym do 8% w mleku kobiet.
- Laktuloza jest uzyskiwana w laboratorium do użytku medycznego i dodawana do produktów mlecznych.
Każdy dwucukier, trójcukier i tak dalej w ludzkim ciele i innych stworzeniach podlega natychmiastowej hydrolizie, tworząc monozy. To właśnie ta cecha leży u podstaw wykorzystywania tej klasy węglowodanów przez ludzi w ich surowej, niezmienionej postaci (cukier buraczany lub trzcinowy).
Polisacharydy: cechy cząsteczek
Funkcje, skład i struktura węglowodanów z tej serii mają ogromne znaczenie dla organizmów żywych istot, a także dla działalności gospodarczej człowieka. Najpierw powinieneś dowiedzieć się, które węglowodany są polisacharydami.
Jest ich dużo:
- skrobi;
- glikogen;
- murein;
- glukomannan;
- celuloza;
- dekstryna;
- galaktomannan;
- muromin;
- substancje pektynowe;
- amyloza;
- chityna.
To nie jest pełna lista, ale tylko najważniejsze dla zwierząt i roślin. Jeśli wykonujesz zadanie „Oznacz cechy strukturalne węglowodanów wielu polisacharydów”, to przede wszystkim powinieneś zwrócić uwagę na ich strukturę przestrzenną. Są to bardzo obszerne, gigantyczne cząsteczki, składające się z setek jednostek monomeru usieciowanych glikozydowymi wiązaniami chemicznymi. Często struktura cząsteczek węglowodanów polisacharydowych jest kompozycją warstwową.
Istnieje pewna klasyfikacja takich cząsteczek.
- Homopolisacharydy - składają się z tych samych, powtarzających się jednostek monosacharydów. W zależności od monoz mogą to być heksozy, pentozy itd. (glukany, mannany, galaktany).
- Heteropolisacharydy - utworzone przez różne jednostki monomerowe.
Związki o liniowej strukturze przestrzennej powinny zawierać np. celulozę. Większość polisacharydów ma strukturę rozgałęzioną – skrobia, glikogen, chityna i tak dalej.
Rola w ciele żywych istot
Struktura i funkcje tej grupy węglowodanów są ściśle związane z życiową aktywnością wszystkich stworzeń. Na przykład rośliny w postaci rezerwowego składnika odżywczego gromadzą skrobię w różnych częściach pędu lub korzenia. Głównym źródłem energii dla zwierząt są ponownie polisacharydy, których rozpad wytwarza całkiem sporo energii.
Węglowodany odgrywają bardzo ważną rolę w strukturze komórki. Pokrycie wielu owadów i skorupiaków składa się z chityny, mureina jest składnikiem ściany komórkowej bakterii, celuloza jest podstawą roślin.
Rezerwowym składnikiem odżywczym pochodzenia zwierzęcego są cząsteczki glikogenu lub, jak to się powszechnie nazywa, tłuszcz zwierzęcy. Jest magazynowany w oddzielnych częściach ciała i pełni nie tylko funkcję energetyczną, ale także ochronną przed wpływami mechanicznymi.
Dla większości organizmów bardzo ważna jest struktura węglowodanów. Biologia każdego zwierzęcia i rośliny jest taka, że wymaga stałego, niewyczerpanego źródła energii. I tylko oni mogą to dać, a przede wszystkim w postaci polisacharydów. Tak więc całkowity rozkład 1 g węglowodanów w wyniku procesów metabolicznych prowadzi do uwolnienia 4,1 kcal energii! To jest maksimum, żadnych połączeń. Dlatego węglowodany muszą być obecne w diecie każdego człowieka i zwierzęcia. Rośliny natomiast dbają o siebie: w procesie fotosyntezy tworzą w sobie skrobię i ją przechowują.
Ogólne właściwości węglowodanów
Struktura tłuszczów, białek i węglowodanówogólnie podobne. W końcu wszystkie są makrocząsteczkami. Nawet niektóre z ich funkcji mają charakter pospolity. Należy podsumować rolę i znaczenie wszystkich węglowodanów w życiu biomasy planety.
- Skład i struktura węglowodanów implikuje ich zastosowanie jako materiału budulcowego powłoki komórek roślinnych, błon zwierzęcych i bakteryjnych, a także do tworzenia organelli wewnątrzkomórkowych.
- Funkcja ochronna. Jest charakterystyczny dla organizmów roślinnych i objawia się tworzeniem cierni, kolców itd.
- Rola plastiku - tworzenie ważnych cząsteczek (DNA, RNA, ATP i inne).
- Funkcja receptora. Polisacharydy i oligosacharydy są aktywnymi uczestnikami transferów transportowych przez błonę komórkową, „strażnikami”, które wychwytują efekty.
- Najważniejsza jest rola energii. Zapewnia maksymalną energię wszystkim procesom wewnątrzkomórkowym, a także pracy całego organizmu.
- Regulacja ciśnienia osmotycznego - kontroluje to glukoza.
- Niektóre polisacharydy stają się rezerwowym składnikiem odżywczym, źródłem energii dla stworzeń zwierzęcych.
Tak więc oczywiste jest, że struktura tłuszczów, białek i węglowodanów, ich funkcje i rola w organizmach żywych systemów mają decydujące i decydujące znaczenie. Cząsteczki te są twórcami życia, zachowują je i podtrzymują.
Węglowodany z innymi związkami wielkocząsteczkowymi
Znana jest również rola węglowodanów nie w czystej postaci, ale w połączeniu z innymi cząsteczkami. Należą do nich najczęstszejak:
- glikozoaminoglikany lub mukopolisacharydy;
- glikoproteiny.
Struktura i właściwości węglowodanów tego typu są dość złożone, ponieważ różne grupy funkcyjne są połączone w kompleks. Główną rolą cząsteczek tego typu jest udział w wielu procesach życiowych organizmów. Przedstawicielami są: kwas hialuronowy, siarczan chondroityny, heparan, siarczan keratanu i inne.
Istnieją również kompleksy polisacharydów z innymi biologicznie aktywnymi cząsteczkami. Na przykład glikoproteiny lub lipopolisacharydy. Ich istnienie jest ważne w powstawaniu reakcji immunologicznych organizmu, ponieważ są one częścią komórek układu limfatycznego.
