کربوهیدرات چیست؟ – ساختار و انواع آن
مولکول بزرگ بیولوژیکی که گسترده ترین مواد آلی محسوب می شود و متشکل از اتم های کربن، هیدروژن و اکسیژن است، کربوهیدرات نامیده می شود. کربوهیدرات ها در واقع مواد مغذی هستند که به عنوان ذخیره کننده ی انرژی در بدن محسوب می شوند. این ماکرومولکول ها همان قند، نشاسته و فیبرها هستند. به کربوهیدرات های ساده در کتاب علوم پایه هفتم، پرداخته شده است. برای این که با این دسته از ماکرومولکول ها و انواع آن ها و نقشی که برای حیات دارند، بیشتر آشنا شویم، این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک را همراه باشیم.
فهرست مطالب :
۱- کربوهیدرات چیست؟
۲- ساختار کربوهیدرات ها
۳- انواع کربوهیدرات ها از لحاظ پیچیدگی
۱-۳- کربوهیدرات های ساده
۲-۳- کربوهیدرات های پیچیده
۴- انواع کربوهیدرات ها از لحاظ پلیمریزاسیون
۱-۴- مونوساکاریدها
۲-۴- دی ساکاریدها
۳-۴- الیگوساکاریدها
۴-۴- پلی ساکاریدها
۵- سوخت وساز کربوهیدرات ها
۶- نقش کربوهیدرات ها در بدن
۱- کربوهیدرات چیست؟
کربوهیدرات ها ماکرومولکول های بزرگ زیستی هستند که با فرمول مولکولی Cn (H۲O)n، از اکسیژن، کربن و هیدروژن تشکیل شده اند. کربوهیدراتها به نام ساکاریدها نیز هستند و قندها، نشاسته و سلولز را شامل می شوند. ساکاریدها به چهار دسته مونوساکاریدها (گلوکز، فروکتوز)، دی ساکاریدها (ساکارز ، مالتوز)، الیگوساکاریدها و پلی ساکاریدها (نشاسته، سلولز) تقسیم می شوند.
۲- ساختار کربوهیدرات ها :
همان طور که گفته شد کربوهیدراتها با فرمول مولکولی Cn (H۲O)n ساختار زنجیری دارند. اما برخی از انواع آن ها مانند دیوکسی ریبوز و گلیسرول از این فرمول مولکولی پیروی نمی کنند. اگر ساکاریدها دارای عامل آلدهیدی باشند به عنوان آلدوز و اگر دارای عامل کتونی باشند، کتوز خوانده می شوند. در طول زنجیر ساکاریدها با افزایش تعداد کربن ها، مراکز فضایی نیز در آن ها زیاد خواهد شد. با توجه به تعداد کربن هایی که در ساختار آن ها وجود دارد، تریوز (سه کربنی)، تتروز (چهار کربنی)، پنج کربنی (پنتوز)، شش کربنی (هگزوز) و … نامیده می شوند. ساختار کربوهیدرات ها یا به شکل خطی و یا حلقوی می باشد.
نکته :
فرمالدهید (CH۲O) به عنوان ساده ترین قند شناخته شده توسط شیمیدانان است در صورتی که گروهی دیگر گلیکوآلدهیدها را به عنوان ساده ترین قند می شناسند.
۳- انواع کربوهیدرات ها از لحاظ پیچیدگی :
این قندها را با توجه به درجه ی پیچیدگی به دو دسته ی ساده و مرکب تقسیم می شوند.
۱-۳- کربوهیدرات های ساده :
این کربوهیدراتها که در میوه ها، لبنیات مثل شیر، قند تصفیه شده مثل آب نبات و قند سفره و … یافت می شوند، نوع ساده و قابل جذب است که به آسانی توسط سلول های بدن تجزیه و انرژی تولید می کنند. استفاده از این نوع قندها، بدن را با کاهش قند خون مواجه می کند چون ترشح انسولین را افزایش می دهد. در نتیجه فرد با خوردن قندهای ساده، احتیاج به استفاده مجدد پیدا می کند و ممکن است که باعث دیابت شوند.
۲-۳- کربوهیدرات های پیچیده :
وقتی چند مولکول قند به صورت زنجیره های انشعاب یافته، در کنار هم قرار گیرند، کربوهیدراتهای پیچیده را تولید می کنند. این نوع از کربوهیدرات ها در لوبیا، غلات کامل (برنج قهوه ای، بلغور، جو، غلات سبوس دار، گندم سیاه)، نخود فرنگی، سبزیجات (نشاسته ای و غیرنشاسته ای) و حبوبات وجود دارند. این کربوهیدرات ها ویتامین ها، فیبرها و مواد معدنی زیادی را دارا بوده و گلوکز و کالری بالایی داشته و در صورت مصرف باعث می شوند که فرد تا زمان بلندی احساس سیری کند.
۴- انواع کربوهیدرات ها از لحاظ پلیمریزاسیون :
کربوهیدراتها بر اساس نوع پلیمرشدن، به چهار دسته ی مونوساکارید، دی ساکارید، الیگوساکارید و پلی ساکارید تقسیم می کنند.
۱-۴- مونوساکاریدها :
مونوساکاریدها دارای فرمول کلی (CH۲O)n که در آن n عدد سه یا بیشتر از سه می باشد. برخی از مونوساکاریدها مانند اسیدهای اورونیک این فرمول را ندارند و برخی از مواد دیگر نیز (مانند اینوزیتول) دارای این فرمول هستند، ولی مونوساکارید نمی باشند. مونوساکارید ها به عنوان واحد سازنده قندها (مونومر) و ساده ترین قند نامیده می شوند که با اتصال به هم می توانند دی ساکارید، الیگوساکارید و پلی ساکاریدها را ایجاد کنند. در ساختار ساکاریدها، کربن هایی که دارای چهار گروه متفاوت باشند به عنوان کربن کایرال شناخته می شوند (به جزء کربن های انتهایی). ایزومرهای مختلفی در ساکاریدها از طریق متفاوت بودن قرار گرفتن شاخه های جانبی آن به وجود می آید که دارای فرمول شیمیایی یکسان ولی خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی هستند (مثل گلوکز و گالاکتوز).
این قندهای ساده، محلول در آب بوده و به شکل جامد بلوری و بی رنگ می باشند. از بین مونوساکاریدها گلوکز، فروکتوز و گالاکتوز شیرین هستند. مونوساکاریدها مانند گلوکز به عنوان منابع مهم انرژی در بدن هستند که برای سوخت و ساز استفاده می شوند و یا تبدیل به پلی ساکاریدها می شوند تا بعد مورد استفاده قرار گیرند. در گیاهان این ذخیره سازی به صورت نشاسته و در انسان در سلول های کبدی و عضلانی به صورت گلیکوژن است. مونوساکاریدها به شکل خطی دارای زنجیری از کربن هستند که گروه های کربونیل و هیدروکسیل دارند. با توجه به این که گروه آلدهیدی یا کتونی داشته باشند، آلدوز یا کتوز نامیده می شوند.
۲-۴- دی ساکاریدها :
وقتی دو مونوساکارید با پیوند گلیکوزیدی (با حذف یک مولکول آب) به هم متصل شوند، دی ساکاریدها را تشکیل می دهند. این قندها که قند مضاعف نیز نامیده می شوند، جزء قندهای ساده بوده و محلول در آب هستند. از این قندها می توان به ساکاروز و مالتوز اشاره کرد. برای اینکه یک دی ساکارید به مونوساکارید تجزیه شود می تواند با کمک یک آنزیم به نام دی ساکاریداز (سوکراز، لاکتاز، مالتاز) و مصرف یک مولکول آب، پیوند گلیکوزیدی را بشکند. فرآیند تشکیل دی ساکارید که با حذف مولکول آب است، دهیدراتاسیون نام دارد.
به عنوان مثال لاکتوز از به هم پیوستن دو مونوساکارید گلوکز و گالاکتوز، ساکاروز از دو مونوساکارید گلوکز و فروکتوز و مالتوز از دو تا گلوکز ساخته می شود.
۳-۴- الیگوساکاریدها :
وقتی تعداد سه تا ده مونوساکارید با پیوندهای گلیکوزیدی به هم متصل شوند، قندی که تشکیل می شود یک الیگوساکارید خواهد بود. یکی از این نوع قندها گلیکولیپیدها هستند که در واکنش های ایمنی بدن دخالت دارند. همچنین این قندها می توانند با شناسایی سلول ها به آن ها متصل شوند. بعضی از الیگوساکاریدها به شکل طبیعی گلیکوپروتئین ها و گلیکولیپیدها وجود دارند و برخی دیگر در گیاهان به شکل ذخیره شده یا انتقال دهنده ی کربوهیدراتها هستند. همچنین برخی از الیگوساکاریدها از تجزیه میکروبی نشاسته و سلولز که پلی ساکارید هستند، به دست می آیند. الیگوساکاریدها در پیوند اکسیدی در دستگاه گلژی شرکت می کنند. در این دستگاه مونوساکارید می تواند به پلی پپتید متصل شود.
۴-۴- پلی ساکاریدها :
پلیمرهایی از کربوهیدرات ها که با اتصال مونوساکاریدها با پیوندهای گلیکوزیدی به دست می آیند، به نام پلی ساکاریدها هستند. تعداد مونوساکاریدهای تشکیل دهنده ی آن ها بیش از ده تا است. بیشترین قندها در مواد غذایی، پلی ساکاریدها هستند که با استفاده از کاتالیزورهای آنزیمی مانند آمیلاز، با هیدرولیز می توانند مونوساکاریدها و الیگوساکاریدها را به وجود آورند. اگر همه ی مونوساکاریدهای تشکیل دهنده ی پلی ساکاریدها یک نوع باشد، آن را هموپلی ساکارید یا هموگلیکان و اگر متفاوت باشند، هترو پلی ساکارید یا هتروگلیکان نامیده می شود.
از پلی ساکاریدها که جزء کربوهیدرات های پیچیده هستند، می توان گلیکوژن و گالاکتوژن (قندهای ذخیره ای) و سلولز و کیتین (قندهای ساختاری) را نام برد. با توجه به این موضوع نقش پلی ساکاریدها ذخیره ای و یا ساختاری می باشد. به عنوان مثال نشاسته در گیاهان ذخیره می شود، سلولز در ساختار دیواره سلولی گیاهان نقش دارد و فراوان ترین مولکول آلی می باشد و گلیکوژن به عنوان نشاسته حیوانی است. کیتین نیز نقش ساختاری در دیواره ی سلولی برخی قارچ ها و اسکلت بندپایان دارد. از سلولز در صنایع کاغذ و نساجی و از کیتین در ساخت نخ های جراحی استفاده می شود.
۵- سوخت وساز کربوهیدرات ها :
در مسیر سوخت وساز و متابولیسم، کربوهیدرات ها نقش اساسی دارند. ابتدا گیاهان انرژی خورشیدی را با استفاده از آب و دی اکسید کربن به صورت ماده ی ذخیره ای تبدیل می کنند. با مصرف گیاهان توسط قارچ ها و حیوانات، کربوهیدرات های ذخیره شده با تنفس سلولی و تجزیه شدن به صورت انرژی در اختیار سلول ها قرار می گیرند. این انرژی به صورت ATP در حیوانات و گیاهان ذخیره می شود.
در انسان نیز پلی ساکاریدها به مونوساکاریدها مانند گلوکز و فروکتوز تجزیه می شوند تا بتوانند در سلول ها استفاده شوند. بیشتر این قندهای ساده که گلوکز می باشد به صورت گلیکوژن در بافت ها ذخیره می شوند. متابولیسم گلوکز به دو شکل هوازی یا بی هوازی انجام می شود.
در روش هوازی، دو مولکول اسید پیرویک ایجاد شده از شکستن مولکول گلوکز، با دکربوکسیله شدن و تبدیل شدن به مشتق استیل و ترکیب با کوآنزیم A، استیل کوآنزیم A را ایجاد می کند. سپس این ترکیب به آب، دی اکسید کربن و انرژی در چرخه ی کربس تبدیل می شود. اما در روش بی هوازی که در شرایط اضطراری مانند فعالیت های سنگین ایجاد می شود، دو مولکول اسید پیرویک ایجاد شده احیاء شده و به اسید لاکتیک تبدیل می شود.
نکته :
در روش هوازی ۳۸ واحد ATP و در روش بی هوازی ۲ واحد ATP ایجاد می شود.
۶- نقش کربوهیدرات ها در بدن :
قندها اول این که وظیفه ی تأمین انرژی به شکل گلوکز برای مغز را به عهده دارند. دوم این که مانع تجزیه اسیدهای آمینه می شوند تا انرژی تأمین شود. قندها می توانند سلول و پروتئین را تشخیص دهند. همچنین از کتوز در اثر تجزیه اسیدهای چرب جلوگیری می کنند.
