Kohlenhydrate chemische Struktur, Klassifizierung und Funktionen

Die KohlenhydrateKohlenhydrate oder Saccharide sind organische Moleküle, die Energie in Lebewesen speichern. Sie sind die am häufigsten vorkommenden Biomoleküle und schließen ein: Zucker, Stärken und Zellulose, neben anderen Verbindungen, die in lebenden Organismen gefunden werden.

Die Organismen, die Photosynthese betreiben (Pflanzen, Algen und einige Bakterien), sind die Hauptproduzenten von Kohlenhydraten in der Natur. Die Struktur dieser Saccharide kann linear oder verzweigt, einfach oder zusammengesetzt sein und sie können auch mit Biomolekülen einer anderen Klasse assoziiert sein.

Zum Beispiel können Kohlenhydrate Proteine ​​binden, um Glykoproteine ​​zu bilden. Sie können auch mit Lipidmolekülen assoziiert sein und bilden Glykolipide, die Biomoleküle, die die Struktur biologischer Membranen bilden. Kohlenhydrate sind auch in der Struktur von Nukleinsäuren vorhanden.

Anfangs wurden Kohlenhydrate als zelluläre Energiespeichermoleküle erkannt. Anschließend wurden weitere wichtige Funktionen, die Kohlenhydrate in biologischen Systemen erfüllen, bestimmt.

Alle Lebewesen haben ihre Zellen mit einer dichten Schicht komplexer Kohlenhydrate bedeckt. Kohlenhydrate bestehen aus Monosacchariden, kleinen Molekülen aus drei bis neun Kohlenstoffatomen, die an Hydroxylgruppen gebunden sind (-OH), die in Größe und Konfiguration variieren können.

Eine wichtige Eigenschaft von Kohlenhydraten ist die enorme strukturelle Vielfalt innerhalb dieser Klasse von Molekülen, die es ihnen ermöglicht, eine Vielzahl von Funktionen zu erfüllen, z. B. die Erzeugung von Zellsignalmolekülen, die Bildung von Geweben und die Erzeugung unterschiedlicher Blutgruppen beim Menschen.

In ähnlicher Weise ist die extrazelluläre Matrix in höheren Eukaryoten reich an abgesonderten Kohlenhydraten, die für das Überleben und die Kommunikation von Zellen essentiell sind. Diese Zell-Erkennungsmechanismen werden von einer Vielzahl von Pathogenen genutzt, um ihre Wirtszellen zu infizieren.

Monosaccharide können durch glycosidische Bindungen verknüpft werden, um eine große Vielfalt an Kohlenhydraten zu bilden: Disaccharide, Oligosaccharide und Polysaccharide. Die Untersuchung der Struktur und Funktion von Kohlenhydraten in biologischen Systemen wird Glykobiologie genannt.

Index

• 1 Chemische Struktur
• 2 Klassifizierung
  • 2.1 Monosaccharide
  • 2.2 Disaccharide
  • 2.3 Oligosaccharide
  • 2.4 Polysaccharide
• 3 Funktionen
• 4 Lebensmittel, die Kohlenhydrate enthalten
  • 4.1 Die Stärken
  • 4.2 Obst und Gemüse
  • 4.3 Milch
  • 4.4 Die Süßigkeiten
• 5 Kohlenhydratstoffwechsel
• 6 Referenzen

Chemische Struktur

Kohlenhydrate bestehen aus Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen. Die meisten davon können durch die empirische Formel (CH2O) n dargestellt werden, wobei n die Anzahl der Kohlenstoffatome im Molekül ist. Mit anderen Worten, das Verhältnis von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff beträgt 1: 2: 1 in Kohlenhydratmolekülen.

Diese Formel erklärt den Ursprung des Begriffs "Kohlenhydrat", da die Komponenten Kohlenstoffatome ("Carbo") und Wasseratome (daher "Hydrat") sind. Obwohl Kohlenhydrate hauptsächlich von diesen drei Atomen gebildet werden, gibt es einige Kohlenhydrate mit Stickstoff, Phosphor oder Schwefel.

In seiner Grundform sind Kohlenhydrate einfache Zucker oder Monosaccharide. Diese einfachen Zucker können miteinander kombiniert werden, um komplexere Kohlenhydrate zu bilden.

Die Kombination von zwei einfachen Zuckern ist ein Disaccharid. Oligosaccharide enthalten zwischen zwei und zehn einfache Zucker, und Polysaccharide sind die größten Kohlenhydrate, die aus mehr als zehn Einheiten von Monosacchariden bestehen.

Die Struktur von Kohlenhydraten bestimmt, wie Energie in ihren Bindungen während ihrer Bildung durch Photosynthese gespeichert wird und wie diese Bindungen während der Zellatmung gebrochen werden.

Klassifizierung

Monosaccharide

Monosaccharide sind die elementaren Einheiten von Kohlenhydraten, daher sind sie die einfachste Struktur eines Saccharids. Physikalisch sind Monosaccharide kristalline Feststoffe ohne Farbe. Die meisten haben einen süßen Geschmack.

Aus chemischer Sicht können die Monosaccharide Aldehyde oder Ketone sein, abhängig davon, wo sich die Carbonylgruppe (C = O) in den linearen Kohlenhydraten befindet. Strukturell können Monosaccharide lineare Ketten oder geschlossene Ringe bilden.

Da Monosaccharide Hydroxylgruppen aufweisen, sind die meisten wasserlöslich und in unpolaren Lösungsmitteln unlöslich.

Abhängig von der Anzahl der Kohlenstoffe in seiner Struktur wird ein Monosaccharid verschiedene Namen haben, zum Beispiel: Triose (wenn es 3 C-Atome hat), Pentose (wenn es 5C hat) und so weiter.

Disaccharide

Die Disaccharide sind Doppelzucker, die durch die Verbindung zweier Monosaccharide in einem chemischen Prozess, der sogenannten Dehydratisierungssynthese, gebildet werden, weil ein Molekül Wasser während der Reaktion verloren geht. Es ist auch als Kondensationsreaktion bekannt.

Ein Disaccharid ist also eine Substanz, die aus zwei Molekülen einfacher Zucker (Monosaccharide) zusammengesetzt ist, die durch eine glykosidische Bindung miteinander verbunden sind.

Säuren haben die Fähigkeit, diese Bindungen aufzubrechen, aus diesem Grund können Disaccharide im Magen verdaut werden.

Disaccharide sind im Allgemeinen in Wasser löslich und süß beim Verschlucken. Die drei wichtigsten Disaccharide sind Saccharose, Lactose und Maltose: Saccharose stammt aus der Bindung von Glucose und Fructose; Lactose kommt aus der Vereinigung von Glucose und Galactose; und Maltose kommt von der Vereinigung von zwei Molekülen Glukose.

Oligosaccharide 

Oligosaccharide sind komplexe Polymere, die aus wenigen Einheiten einfacher Zucker, dh zwischen 3 und 9 Monosacchariden, gebildet werden.

Die Reaktion ist die gleiche, die die Disaccharide bildet, kommt aber auch aus dem Abbau von komplexeren Zuckermolekülen (Polysacchariden).

Die meisten Oligosaccharide werden in Pflanzen gefunden und wirken als lösliche Ballaststoffe, die Verstopfung vorbeugen können. Jedoch besitzen Menschen nicht die Enzyme, um sie hauptsächlich zu verdauen, außer für Maltotriose.

Aus diesem Grund können Oligosaccharide, die anfangs nicht im Dünndarm verdaut werden, durch die Bakterien, die normalerweise den Dickdarm durch einen Fermentationsprozess bewohnen, abgebaut werden. Die Präbiotika erfüllen diese Funktion, dienen als Nahrung für die nützlichen Bakterien.

Polysaccharide

Polysaccharide sind die größten Saccharidpolymere, sie werden aus mehr als 10 (bis zu Tausenden) Einheiten von Monosacchariden gebildet, die in einer linearen oder verzweigten Weise angeordnet sind. Die Variationen in der räumlichen Anordnung verleihen diesen Zuckern die vielfältigen Eigenschaften.

Die Polysaccharide können aus dem gleichen Monosaccharid oder durch Kombination verschiedener Monosaccharide zusammengesetzt sein. Wenn sie aus wiederholten Einheiten des gleichen Zuckers gebildet werden, heißen sie Homopolysaccharide, wie Glykogen und Stärke, die die Speicherkohlenhydrate von Tieren bzw. Pflanzen sind.

Wenn das Polysaccharid aus Einheiten verschiedener Zucker zusammengesetzt ist, werden sie als Heteropolysaccharide bezeichnet. Die meisten enthalten nur zwei verschiedene Einheiten und sind gewöhnlich mit Proteinen (Glykoproteinen, wie Gammaglobulin im Blutplasma) oder Lipiden (Glykolipiden, wie Gangliosiden) assoziiert.

Funktionen

Die vier Hauptfunktionen von Kohlenhydraten sind: Bereitstellung von Energie, Speicherung von Energie, Aufbau von Makromolekülen und Verhinderung des Abbaus von Proteinen und Fetten.

Kohlenhydrate werden durch Verdauung in einfachen Zuckern abgebaut. Diese werden von den Zellen des Dünndarms aufgenommen und zu allen Zellen des Körpers transportiert, wo sie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) zur Energiegewinnung oxidiert werden.

Zuckermoleküle, die zu keinem Zeitpunkt zur Energiegewinnung genutzt werden, werden als Reserve-Polymere wie Glykogen und Stärke gespeichert.

Nukleotide, die fundamentalen Einheiten von Nukleinsäuren, besitzen Glucosemoleküle in ihrer Struktur. Mehrere wichtige Proteine ​​sind mit Kohlenhydratmolekülen assoziiert, zum Beispiel: das follikelstimulierende Hormon (FSH), das in den Ovulationsprozess eingreift.

Da Kohlenhydrate die Hauptquelle für Energie sind, verhindert ihr schneller Abbau, dass andere Biomoleküle abgebaut werden, um Energie zu erhalten. Wenn die Zuckerspiegel normal sind, werden Proteine ​​und Lipide vor Abbau geschützt.

Einige Kohlenhydrate sind in Wasser löslich, sie fungieren praktisch in der ganzen Welt als Grundnahrungsmittel, und die Oxidation dieser Moleküle ist die Hauptquelle der Energieproduktion in den meisten nicht photosynthetischen Zellen.

Unlösliche Kohlenhydrate werden assoziiert, um komplexere Strukturen zu bilden, die als Schutz dienen. Zum Beispiel: Cellulose bildet zusammen mit Hemicellulosen und Pektin die Wand von Pflanzenzellen. Chitin bildet die Wand von Pilzzellen und das Exoskelett von Arthropoden.

Außerdem bildet Peptidoglycan die Zellwand von Bakterien und Cyanobakterien. Das Bindegewebe von Tieren und Skelettgelenken wird von Polysacchariden gebildet.

Viele Kohlenhydrate sind kovalent an Proteine ​​oder Lipide gebunden und bilden komplexere Strukturen, die zusammen als Glycokonjugate bezeichnet werden. Diese Komplexe wirken als Markierungen, die den intrazellulären Ort oder das metabolische Schicksal dieser Moleküle bestimmen

Lebensmittel, die Kohlenhydrate enthalten

Kohlenhydrate sind ein wesentlicher Bestandteil einer gesunden Ernährung, da sie die wichtigste Energiequelle darstellen. Einige Nahrungsmittel haben jedoch gesündere Kohlenhydrate, die eine größere Menge an Nährstoffen bieten, zum Beispiel:

Die Stärken

Lebensmittel, die Stärke enthalten, sind die Hauptquelle für Kohlenhydrate. Diese Stärken sind im Allgemeinen komplexe Kohlenhydrate, das heißt, sie werden von vielen Zuckern gebildet, die miteinander verbunden sind und eine lange Molekülkette bilden. Aus diesem Grund brauchen Stärken länger, um verdaut zu werden.

Es gibt eine große Auswahl an Lebensmitteln, die Stärke enthalten. Die Körner enthalten Lebensmittel mit hohem Stärkegehalt, zum Beispiel: Bohnen, Linsen und Reis.Körner enthalten auch diese Kohlenhydrate, zum Beispiel: Hafer, Gerste, Weizen und seine Derivate (Mehl und Pasta).

Hülsenfrüchte und Nüsse enthalten auch Kohlenhydrate in Form von Stärken. Darüber hinaus sind Gemüse wie Kartoffeln, Süßkartoffeln, Mais und Kürbis auch reich an Stärke.

Es ist wichtig zu beachten, dass viele Kohlenhydrate eine Quelle von Ballaststoffen sind. Das heißt, Faser ist im Grunde eine Art von Kohlenhydraten, die der Körper nur teilweise verdauen kann.

Ähnlich wie bei komplexen Kohlenhydraten tendieren Kohlenhydratfasern dazu, langsam verdaut zu werden.

Obst und Gemüse

Obst und Gemüse haben einen hohen Kohlenhydratgehalt. Im Gegensatz zu Stärke enthalten Obst und Gemüse einfache Kohlenhydrate, dh Kohlenhydrate mit einem oder zwei miteinander verknüpften Sacchariden.

Diese Kohlenhydrate, die einfach in ihrer molekularen Struktur sind, werden leichter und schneller verdaut als komplexe. Dies gibt eine Vorstellung von den verschiedenen Niveaus und Arten von Kohlenhydraten, die das Nahrungsmittel besitzt.

So haben einige Früchte mehr Kohlehydrat pro Portion, zum Beispiel: Bananen, Äpfel, Orangen, Melonen und Trauben haben mehr Kohlenhydrate als einige Gemüse wie Spinat, Brokkoli und Grünkohl, Karotten, Pilze und Auberginen.

Die Milch

Ähnlich wie Gemüse und Obst sind Milchprodukte Lebensmittel, die einfache Kohlenhydrate enthalten. Milch hat ihren eigenen Zucker namens Laktose, ein süß schmeckendes Disaccharid. Eine Tasse davon entspricht etwa 12 Gramm Kohlenhydrate.

Es gibt viele Versionen von Milch und Joghurt auf dem Markt. Unabhängig davon, ob Sie eine Voll- oder eine Fettversion einer bestimmten Molkerei konsumieren, ist die Menge an Kohlenhydraten gleich.

Die Süßigkeiten

Süßigkeiten sind eine weitere bekannte Quelle von Kohlenhydraten. Dazu gehören Zucker, Honig, Süßigkeiten, künstliche Getränke, Kekse, Eiscreme, unter vielen anderen Desserts. Alle diese Produkte enthalten hohe Konzentrationen von Zuckern.

Auf der anderen Seite enthalten einige verarbeitete und raffinierte Lebensmittel komplexe Kohlenhydrate, zum Beispiel: Brot, Reis und weiße Nudeln. Es ist wichtig zu beachten, dass raffinierte Kohlenhydrate nicht so nahrhaft sind wie die Kohlenhydrate in Obst und Gemüse.

Kohlenhydrat-Stoffwechsel

Der Metabolismus von Kohlenhydraten ist der Satz metabolischer Reaktionen, die die Bildung, den Abbau und die Umwandlung von Kohlenhydraten in Zellen beinhalten.

Der Kohlenhydratstoffwechsel ist hoch konserviert und kann sogar von Bakterien beobachtet werden, das wichtigste Beispiel ist der Lac Operon E. coli.

Kohlenhydrate sind in vielen Stoffwechselwegen wie der Photosynthese, der wichtigsten Kohlenhydratbildungsreaktion in der Natur, wichtig.

Aus Kohlendioxid und Wasser nutzen Pflanzen die Energie der Sonne, um Kohlenhydratmoleküle zu synthetisieren.

Tier- und Pilzzellen bauen ihrerseits Kohlenhydrate ab, die in Pflanzengeweben verbraucht werden, um Energie in Form von ATP durch einen Prozess zu erhalten, der als Zellatmung bezeichnet wird.

Bei Wirbeltieren wird Glukose durch das Blut durch den Körper transportiert. Wenn die zellulären Energiespeicher niedrig sind, wird Glukose durch eine metabolische Reaktion, die Glykolyse genannt wird, abgebaut, um wenig Energie und einige metabolische Zwischenprodukte zu produzieren.

Glukosemoleküle, die nicht für die sofortige Energieproduktion benötigt werden, werden als Glykogen in der Leber und im Muskel gespeichert, durch einen Prozess, der Glykogenese genannt wird.

Einige einfache Kohlenhydrate haben ihre eigenen Abbauwege, wie einige der komplexeren Kohlenhydrate. Laktose zum Beispiel erfordert die Wirkung des Laktaseenzyms, das seine Bindungen aufbricht und seine fundamentalen Monosaccharide Glukose und Galaktose freisetzt.

Glukose ist das Hauptkohlehydrat, das von Zellen verbraucht wird und etwa 80% der Energiequellen ausmacht.

Glukose wird an Zellen verteilt, wo sie durch spezifische Transporter eindringen kann, um abgebaut oder als Glykogen gespeichert zu werden.

Abhängig von den metabolischen Anforderungen einer Zelle kann Glucose auch verwendet werden, um andere Monosaccharide, Fettsäuren, Nukleinsäuren und bestimmte Aminosäuren zu synthetisieren.

Die Hauptfunktion des Kohlenhydratstoffwechsels besteht darin, die Kontrolle des Blutzuckerspiegels aufrechtzuerhalten, dies ist die sogenannte interne Homöostase.

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