SACHARIDY: CHEMICKÁ STRUKTURA, KLASIFIKACE A FUNKCE - BIOLOGIE - 2025

Tyto sacharidy, uhlohydráty nebo sacharidy, jsou organické molekuly, které akumulátor energie v živých bytostí. Jsou to nejhojnější biomolekuly a zahrnují: cukry, škroby a celulózu, mimo jiné sloučeniny vyskytující se v živých organismech.

Organismy, které provádějí fotosyntézu (rostliny, řasy a některé bakterie), jsou hlavními výrobci sacharidů v přírodě. Struktura těchto sacharidů může být lineární nebo rozvětvená, jednoduchá nebo složená a mohou se také sdružovat s biomolekuly jiné třídy.

Sacharidy se například mohou vázat na proteiny a vytvářet glykoproteiny. Mohou se také asociovat s lipidovými molekulami, čímž vytvářejí glykolipidy, biomolekuly, které tvoří strukturu biologických membrán. Sacharidy jsou také přítomny ve struktuře nukleových kyselin.

Zpočátku byly uhlohydráty rozpoznávány jako molekuly akumulace buněčné energie. Následně byly stanoveny další důležité funkce, které uhlohydráty plní v biologických systémech.

Všechny živé věci mají své buňky pokryty hustou vrstvou komplexních uhlohydrátů. Sacharidy jsou tvořeny monosacharidy, malé molekuly tvořené třemi až devíti atomy uhlíku připojenými k hydroxylovým skupinám (-OH), které se mohou lišit velikostí a konfigurací.

Důležitou vlastností uhlohydrátů je obrovská strukturální rozmanitost v této třídě molekul, která jim umožňuje vykonávat širokou škálu funkcí, jako je generování buněčných signalizačních molekul, vytváření tkání a generování identity různých krevních skupin u lidí.

Podobně je extracelulární matrice ve vyšších eukaryotech bohatá na sekretované uhlohydráty, nezbytné pro přežití buněk a komunikaci. Tyto mechanismy rozpoznávání buněk jsou využívány různými patogeny k infikování jejich hostitelských buněk.

Monosacharidy mohou být spojeny glykosidickými vazbami za vzniku široké škály sacharidů: disacharidů, oligosacharidů a polysacharidů. Studium struktury a funkce uhlohydrátů v biologických systémech se nazývá glycobiologie.

Chemická struktura

Sacharidy jsou tvořeny atomy uhlíku, vodíku a kyslíku. Většinu z nich může představovat empirický vzorec (CH2O) n, kde n je počet atomů uhlíku v molekule. Jinými slovy, poměr uhlíku, vodíku a kyslíku je 1: 2: 1 v uhlovodíkových molekulách.

Tento vzorec vysvětluje původ termínu "uhlohydrát", protože jeho složkami jsou atomy uhlíku ("uhlovodík") a atomy vody (tedy "hydrát"). Ačkoli jsou uhlohydráty tvořeny hlavně těmito třemi atomy, některé uhlohydráty obsahují dusík, fosfor nebo síru.

Ve své základní formě jsou uhlohydráty jednoduché cukry nebo monosacharidy. Tyto jednoduché cukry se mohou vzájemně kombinovat a vytvářet složitější uhlohydráty.

Kombinace dvou jednoduchých cukrů je disacharid. Oligosacharidy obsahují mezi dvěma až deseti jednoduchými cukry a polysacharidy jsou největšími uhlohydráty tvořenými více než deseti monosacharidovými jednotkami.

Struktura uhlohydrátů určuje, jak je energie ukládána v jejich vazbách během jejich tvorby fotosyntézou, a také to, jak jsou tyto vazby během buněčného dýchání přerušeny.

Klasifikace

Monosacharidy

Monosacharidy jsou elementární jednotky uhlohydrátů, a proto jsou nejjednodušší strukturou sacharidů. Fyzikálně jsou monosacharidy bezbarvé krystalické pevné látky. Většina z nich má sladkou chuť.

Z chemického hlediska mohou být monosacharidy aldehydy nebo ketony, v závislosti na tom, kde se karbonylová skupina (C = O) nachází v lineárních uhlohydrátech. Strukturálně mohou monosacharidy tvořit přímé řetězce nebo uzavřené kruhy.

Protože monosacharidy mají hydroxylové skupiny, většina je rozpustná ve vodě a nerozpustná v nepolárních rozpouštědlech.

V závislosti na počtu uhlíků ve své struktuře bude mít monosacharid různá jména, například: trioza (pokud má 3 atomy C), pentóza (pokud má 5C) atd.

Disacharidy

Disacharidy jsou dvojité cukry, které vznikají spojením dvou monosacharidů v chemickém procesu zvaném dehydratační syntéza, protože během reakce se ztratí molekula vody. Je také známa jako kondenzační reakce.

Disacharid je tedy jakákoli látka, která se skládá ze dvou molekul jednoduchých cukrů (monosacharidů) spojených glykosidickou vazbou.

Kyseliny mají schopnost tyto vazby rozbít, z tohoto důvodu mohou být disacharidy tráveny v žaludku.

Disacharidy jsou při požití obecně rozpustné ve vodě a sladké. Tři hlavní disacharidy jsou sacharóza, laktóza a maltóza: sacharóza pochází ze spojení glukózy a fruktózy; laktóza pochází ze spojení glukózy a galaktózy; a maltóza pochází ze spojení dvou molekul glukózy.

Oligosacharidy

Oligosacharidy jsou komplexní polymery vyrobené z několika jednoduchých cukerných jednotek, tj. Mezi 3 až 9 monosacharidy.

Reakce je stejná, že tvoří disacharidy, ale také pocházejí z rozkladu složitějších molekul cukru (polysacharidy).

Většina oligosacharidů se vyskytuje v rostlinách a působí jako rozpustná vláknina, což může zabránit zácpě. Většina lidí však nemá enzymy, které by je trávily, s výjimkou maltotriózy.

Z tohoto důvodu mohou být oligosacharidy, které nejsou původně štěpeny v tenkém střevě, rozloženy bakteriemi, které normálně obývají tlusté střevo fermentačním procesem. Prebiotika plní tuto funkci a slouží jako potrava pro prospěšné bakterie.

Polysacharidy

Polysacharidy jsou největší sacharidové polymery, jsou tvořeny z více než 10 (až tisíců) monosacharidových jednotek uspořádaných lineárním nebo rozvětveným způsobem. Změny v prostorovém uspořádání jsou tím, co dává těmto cukrům jejich vícenásobné vlastnosti.

Polysacharidy mohou být složeny ze stejného monosacharidu nebo kombinací různých monosacharidů. Pokud jsou vytvářeny opakováním jednotek stejného cukru, nazývají se homopolysacharidy, jako je glykogen a škrob, což jsou ukládací uhlovodíky zvířat a rostlin.

Pokud je polysacharid tvořen jednotkami různých cukrů, nazývají se heteropolysacharidy. Většina obsahuje pouze dvě různé jednotky a je obvykle spojena s proteiny (glykoproteiny, jako je například gama globulin v krevní plazmě) nebo lipidy (glykolipidy, jako jsou gangliosidy).

Funkce

Čtyři hlavní funkce uhlohydrátů jsou: poskytování energie, ukládání energie, budování makromolekul a zabránění rozkladu bílkovin a tuků.

Sacharidy se rozkládají trávením na jednoduché cukry. Jsou absorbovány buňkami tenkého střeva a jsou transportovány do všech buněk těla, kde budou oxidovány, aby získaly energii ve formě adenosintrifosfátu (ATP).

Molekuly cukru, které se nepoužívají při výrobě energie v daném okamžiku, se ukládají jako součást rezervních polymerů, jako je glykogen a škrob.

Nukleotidy, základní jednotky nukleových kyselin, mají ve své struktuře molekuly glukózy. S molekulami sacharidů je spojeno několik důležitých proteinů, například: folikuly stimulující hormon (FSH), který se podílí na ovulačním procesu.

Protože sacharidy jsou hlavním zdrojem energie, jejich rychlá degradace zabraňuje degradaci dalších biomolekul na energii. Když jsou tedy hladiny cukru normální, jsou proteiny a lipidy chráněny před degradací.

Některé uhlohydráty jsou rozpustné ve vodě, fungují téměř ve všech potravinách a oxidace těchto molekul je hlavní cestou produkce energie ve většině ne-fotosyntetických buněk.

Nerozpustné uhlohydráty se spojují a vytvářejí složitější struktury, které slouží jako ochrana. Například: celulóza tvoří stěnu rostlinných buněk společně s hemicelulózami a pektinem. Chitin tvoří buněčnou stěnu hub a exoskeleton členovců.

Peptidoglykan také tvoří buněčnou stěnu bakterií a sinic. Živočišná pojivová tkáň a kostní klouby jsou tvořeny polysacharidy.

Mnoho uhlohydrátů je kovalentně vázáno na proteiny nebo lipidy, které tvoří složitější struktury, souhrnně nazývané glykokonjugáty. Tyto komplexy fungují jako značky, které určují intracelulární umístění nebo metabolický osud těchto molekul.

Potraviny, které obsahují uhlohydráty

Sacharidy jsou nezbytnou součástí zdravé výživy, protože jsou hlavním zdrojem energie. Některé potraviny však mají zdravější uhlohydráty, které nabízejí vyšší množství živin, například:

Škroby

Škrobová jídla jsou hlavním zdrojem uhlohydrátů. Tyto škroby jsou obecně složité sacharidy, to znamená, že jsou tvořeny mnoha cukry spojenými dohromady a vytvářejí dlouhý molekulární řetězec. Z tohoto důvodu tráví škroby déle.

Existuje celá řada potravin, které obsahují škroby. Zrna zahrnují potraviny s vysokým obsahem škrobu, například: fazole, čočka a rýže. Obiloviny také obsahují tyto uhlohydráty, například: oves, ječmen, pšenice a jejich deriváty (mouky a těstoviny).

Luštěniny a ořechy také obsahují uhlohydráty ve formě škrobů. Navíc zelenina jako: brambory, sladké brambory, kukuřice a tykev jsou také bohaté na obsah škrobu.

Důležité je, že mnoho sacharidů je zdrojem vlákniny. Jinými slovy, vláknina je v podstatě typem uhlohydrátů, které tělo může trávit pouze částečně.

Podobně jako u složitých uhlohydrátů mají uhlovodíková vlákna tendenci se trávit pomalu.

Ovoce a zelenina

Ovoce a zelenina mají vysoký obsah uhlohydrátů. Na rozdíl od škrobů obsahuje ovoce a zelenina jednoduché uhlohydráty, tj. Uhlohydráty s jedním nebo dvěma sacharidy navzájem spojenými.

Tyto uhlohydráty, které mají jednoduchou molekulární strukturu, se tráví snadněji a rychleji než složité. To dává představu o různých hladinách a typech uhlohydrátů v potravinách.

Některé druhy ovoce mají tedy na jednu porci větší obsah sacharidů, například: banány, jablka, pomeranče, melouny a hrozny mají více sacharidů než některá zelenina, jako je špenát, brokolice a kale, mrkev, houby a lilky.

Mléko

Podobně jako zelenina a ovoce, mléčné výrobky jsou potraviny, které obsahují jednoduché uhlohydráty. Mléko má svůj vlastní cukr zvaný laktóza, sladce chutnající disacharid. Jeden šálek z toho odpovídá asi 12 gramům uhlohydrátů.

Na trhu existuje mnoho verzí mléka a jogurtu. Bez ohledu na to, zda konzumujete celou nebo mléčnou verzi určité mlékárny, bude množství uhlohydrátů stejné.

Sladkosti

Sladkosti jsou dalším známým zdrojem uhlohydrátů. Patří mezi ně cukr, med, bonbóny, umělé nápoje, sušenky, zmrzlina a mnoho dalších dezertů. Všechny tyto výrobky obsahují vysoké koncentrace cukrů.

Na druhé straně některé zpracované a rafinované potraviny obsahují složité uhlohydráty, například: chléb, rýže a bílé těstoviny. Je důležité si uvědomit, že rafinované uhlohydráty nejsou výživné jako uhlohydráty v ovoci a zelenině.

Metabolismus uhlohydrátů

Metabolismus uhlohydrátů je soubor metabolických reakcí, které zahrnují tvorbu, degradaci a přeměnu uhlohydrátů v buňkách.

Metabolismus uhlohydrátů je vysoce konzervativní a lze jej pozorovat i u bakterií, přičemž hlavním příkladem je Lac Operon E. coli.

Sacharidy jsou důležité v mnoha metabolických drahách, včetně fotosyntézy, nejdůležitější reakce tvorby uhlovodíků v přírodě.

Z oxidu uhličitého a vody rostliny používají energii ze slunce k syntéze molekul uhlohydrátů.

Živočišné a houbové buňky rozkládají sacharidy, spotřebované v rostlinných tkáních, aby získaly energii ve formě ATP prostřednictvím procesu zvaného buněčné dýchání.

U obratlovců je glukóza transportována skrz krev skrz tělo. Pokud jsou zásoby buněčné energie nízké, glukóza se rozkládá metabolickou reakcí zvanou glykolýza za vzniku určité energie a některých metabolických meziproduktů.

Molekuly glukózy nepotřebné pro okamžitou produkci energie se ukládají jako glykogen v játrech a svalu prostřednictvím procesu zvaného glykogeneze.

Některé jednoduché uhlohydráty mají své vlastní cesty degradace, jako některé složitější uhlohydráty. Laktóza například vyžaduje působení enzymu laktázy, který narušuje jeho vazby a uvolňuje základní monosacharidy, glukózu a galaktózu.

Glukóza je hlavním uhlohydrátem spotřebovaným buňkami, představuje přibližně 80% energetických zdrojů.

Glukóza je distribuována do buněk, kde může vstoupit přes specifické transportéry, aby byla degradována nebo uložena jako glykogen.

V závislosti na metabolických požadavcích buňky lze glukózu použít také k syntéze dalších monosacharidů, mastných kyselin, nukleových kyselin a určitých aminokyselin.

Hlavní funkcí metabolismu uhlohydrátů je udržovat kontrolu nad hladinou cukru v krvi, což se nazývá interní homeostáza.

Reference

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Molekulární biologie buňky (6. vydání). Věnec věnec.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biochemistry (8. ed.). WH Freeman and Company.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biology (2nd ed.) Pearson Education.
4. Dashty, M. (2013). Rychlý pohled na biochemii: metabolismus uhlohydrátů. Clinical Biochemistry, 46 (15), 1339-1352.
5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molecular Cell Biology (8. ed.). WH Freeman and Company.
6. Maughan, R. (2009). Metabolismus uhlohydrátů. Chirurgie, 27 (1), 6–10.
7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Lehninger Základy biochemie (6 ^th). WH Freeman and Company.
8. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biologie (7. vydání) Cengage Learning.
9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Základy biochemie: Život na molekulární úrovni (5. vydání). Wiley.