KOHLENHYDRATE: CHEMISCHE STRUKTUR, KLASSIFIZIERUNG UND FUNKTIONEN - BIOLOGIE - 2025

Die Kohlenhydrate , Kohlenhydrate oder Saccharide sind organische Moleküle, die Energie in Lebewesen speichern. Sie sind die am häufigsten vorkommenden Biomoleküle und umfassen unter anderem Zucker, Stärke und Cellulose, die in lebenden Organismen vorkommen.

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 assoziieren.

Beispielsweise können Kohlenhydrate an Proteine ​​binden, um Glykoproteine ​​zu bilden. Sie können sich auch mit Lipidmolekülen verbinden und so Glykolipide bilden, die Biomoleküle, die die Struktur biologischer Membranen bilden. Kohlenhydrate sind auch in der Struktur von Nukleinsäuren vorhanden.

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

Alle Lebewesen haben ihre Zellen von einer dichten Schicht komplexer Kohlenhydrate bedeckt. Kohlenhydrate bestehen aus Monosacchariden, kleinen Molekülen aus drei bis neun Kohlenstoffatomen, die an Hydroxylgruppen (-OH) gebunden sind und 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 breite Palette von Funktionen auszuführen, wie z. B. die Erzeugung von Zellsignalmolekülen, die Bildung von Geweben und die Erzeugung der Identität verschiedener Blutgruppen beim Menschen.

Ebenso ist die extrazelluläre Matrix in höheren Eukaryoten reich an sekretierten Kohlenhydraten, die für das Überleben und die Kommunikation der Zellen essentiell sind. Diese Zellerkennungsmechanismen werden von einer Vielzahl von Krankheitserregern genutzt, um ihre Wirtszellen zu infizieren.

Monosaccharide können durch glykosidische Bindungen verbunden werden, um eine Vielzahl von Kohlenhydraten zu bilden: Disaccharide, Oligosaccharide und Polysaccharide. Die Untersuchung der Struktur und Funktion von Kohlenhydraten in biologischen Systemen wird als Glykobiologie bezeichnet.

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 Kohlenstoffe im Molekül ist. Mit anderen Worten beträgt das Verhältnis von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff in Kohlenhydratmolekülen 1: 2: 1.

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

Kohlenhydrate sind in ihrer Grundform einfache Zucker oder Monosaccharide. Diese einfachen Zucker können sich miteinander verbinden, 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 Monosaccharideinheiten bestehen.

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

Einstufung

Monosaccharide

Monosaccharide sind die elementaren Einheiten von Kohlenhydraten, weshalb sie die einfachste Struktur eines Saccharids sind. Monosaccharide sind physikalisch farblose kristalline Feststoffe. Die meisten haben einen süßen Geschmack.

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

Da Monosaccharide Hydroxylgruppen besitzen, sind die meisten in Wasser löslich und in unpolaren Lösungsmitteln unlöslich.

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

Disaccharide

Disaccharide sind Doppelzucker, die gebildet werden, indem zwei Monosaccharide in einem chemischen Prozess zusammengebracht werden, der als Dehydratisierungssynthese bezeichnet wird, da während der Reaktion ein Wassermolekül verloren geht. Es ist auch als Kondensationsreaktion bekannt.

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

Säuren haben die Fähigkeit, diese Bindungen aufzubrechen, weshalb Disaccharide im Magen verdaut werden können.

Disaccharide sind im Allgemeinen wasserlöslich und süß, wenn sie eingenommen werden. Die drei Hauptdisaccharide sind Saccharose, Lactose und Maltose: Saccharose entsteht durch die Vereinigung von Glucose und Fructose; Laktose entsteht durch die Vereinigung von Glukose und Galaktose; und Maltose kommt aus der Vereinigung zweier Glucosemoleküle.

Oligosaccharide

Oligosaccharide sind komplexe Polymere, die aus wenigen einfachen Zuckereinheiten bestehen, dh zwischen 3 und 9 Monosacchariden.

Die Reaktion ist die gleiche, die Disaccharide bildet, aber sie entstehen auch durch den Abbau komplexerer Zuckermoleküle (Polysaccharide).

Die meisten Oligosaccharide kommen in Pflanzen vor und wirken als lösliche Ballaststoffe, die Verstopfung vorbeugen können. Die meisten Menschen haben jedoch nicht die Enzyme, um sie zu verdauen, außer Maltotriose.

Aus diesem Grund können Oligosaccharide, die anfänglich nicht im Dünndarm verdaut werden, von Bakterien abgebaut werden, die normalerweise durch einen Fermentationsprozess im Dickdarm leben. Präbiotika erfüllen diese Funktion und dienen als Nahrung für nützliche Bakterien.

Polysaccharide

Polysaccharide sind die größten Saccharidpolymere. Sie bestehen aus mehr als 10 (bis zu Tausenden) Monosaccharideinheiten, die linear oder verzweigt angeordnet sind. Variationen in der räumlichen Anordnung verleihen diesen Zuckern ihre vielfältigen Eigenschaften.

Polysaccharide können aus demselben Monosaccharid oder durch eine Kombination verschiedener Monosaccharide zusammengesetzt sein. Wenn sie durch Wiederholung von Einheiten desselben Zuckers gebildet werden, werden sie Homopolysaccharide wie Glykogen und Stärke genannt, die die Speicherkohlenhydrate von Tieren bzw. Pflanzen sind.

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

Eigenschaften

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 Zucker zerlegt. Diese werden von den Zellen des Dünndarms absorbiert und zu allen Körperzellen transportiert, wo sie oxidiert werden, um Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) zu erhalten.

Die Zuckermoleküle, die zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht zur Energieerzeugung verwendet werden, werden als Teil von Reservepolymeren wie Glykogen und Stärke gespeichert.

Nukleotide, die Grundeinheiten von Nukleinsäuren, haben Glukosemoleküle in ihrer Struktur. Mehrere wichtige Proteine ​​sind mit Kohlenhydratmolekülen assoziiert, zum Beispiel das Follikel-stimulierende Hormon (FSH), das am Eisprung beteiligt ist.

Da Kohlenhydrate die Hauptenergiequelle sind, verhindert ihr schneller Abbau, dass andere Biomoleküle zur Energiegewinnung abgebaut werden. Wenn der Zuckergehalt normal ist, werden Proteine ​​und Lipide vor dem Abbau geschützt.

Einige Kohlenhydrate sind wasserlöslich, sie fungieren in fast jedem als Grundnahrungsmittel, und die Oxidation dieser Moleküle ist der Hauptweg der Energieerzeugung in den meisten nicht photosynthetischen Zellen.

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

Peptidoglycan bildet auch die Zellwand von Bakterien und Cyanobakterien. Tierisches Bindegewebe und Skelettgelenke bestehen aus Polysacchariden.

Viele Kohlenhydrate sind kovalent an Proteine ​​oder Lipide gebunden und bilden komplexere Strukturen, die zusammen als Glykokonjugate bezeichnet werden. Diese Komplexe fungieren als Tags, 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 Hauptenergiequelle sind. Einige Lebensmittel enthalten jedoch gesündere Kohlenhydrate, die eine höhere Menge an Nährstoffen enthalten, zum Beispiel:

Stärken

Stärkehaltige Lebensmittel sind die Hauptquelle für Kohlenhydrate. Diese Stärken sind im Allgemeinen komplexe Kohlenhydrate, dh sie bestehen aus vielen Zuckern, die miteinander verbunden sind und eine lange Molekülkette bilden. Aus diesem Grund dauert die Verdauung von Stärken länger.

Es gibt eine breite Palette von Lebensmitteln, die Stärke enthalten. Zu den Körnern gehören Lebensmittel mit hohem Stärkegehalt, z. B. Bohnen, Linsen und Reis. Getreide enthält auch diese Kohlenhydrate, zum Beispiel: Hafer, Gerste, Weizen und deren Derivate (Mehle und Nudeln).

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

Wichtig ist, dass viele Kohlenhydrate eine Faserquelle sind. Mit anderen Worten, Ballaststoffe sind im Grunde eine Art von Kohlenhydraten, die der Körper nur teilweise verdauen kann.

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

Früchte und Gemüse

Obst und Gemüse sind reich an Kohlenhydraten. Im Gegensatz zu Stärken enthalten Obst und Gemüse einfache Kohlenhydrate, dh Kohlenhydrate mit einem oder zwei aneinander gebundenen Sacchariden.

Diese Kohlenhydrate sind in ihrer Molekülstruktur einfach und lassen sich leichter und schneller verdauen als komplexe. Dies gibt eine Vorstellung von den verschiedenen Mengen und Arten von Kohlenhydraten in Lebensmitteln.

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

Milch

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

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

Die Süßigkeiten

Süßigkeiten sind eine weitere bekannte Quelle für Kohlenhydrate. Dazu gehören Zucker, Honig, Süßigkeiten, künstliche Getränke, Kekse, Eiscreme und viele andere Desserts. Alle diese Produkte enthalten hohe Zuckerkonzentrationen.

Andererseits 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.

Kohlenhydratstoffwechsel

Der Kohlenhydratstoffwechsel ist eine Reihe von Stoffwechselreaktionen, bei denen Kohlenhydrate in Zellen gebildet, abgebaut und umgewandelt werden.

Der Kohlenhydratstoffwechsel ist hoch konserviert und kann sogar von Bakterien beobachtet werden. Das Hauptbeispiel ist das Lac Operon von E. coli.

Kohlenhydrate sind wichtig für viele Stoffwechselwege, einschließlich der Photosynthese, der wichtigsten Reaktion der Natur auf die Bildung von Kohlenhydraten.

Pflanzen nutzen aus Kohlendioxid und Wasser Sonnenenergie, um Kohlenhydratmoleküle zu synthetisieren.

Tier- und Pilzzellen bauen ihrerseits Kohlenhydrate ab, die in pflanzlichen Geweben verbraucht werden, um durch einen als Zellatmung bezeichneten Prozess Energie in Form von ATP zu gewinnen.

Bei Wirbeltieren wird Glukose durch das Blut durch den Körper transportiert. Wenn die zellulären Energiespeicher niedrig sind, wird Glukose durch eine als Glykolyse bezeichnete Stoffwechselreaktion abgebaut, um etwas Energie und einige Stoffwechselzwischenprodukte zu produzieren.

Glukosemoleküle, die für die sofortige Energieerzeugung nicht benötigt werden, werden durch einen als Glykogenese bezeichneten Prozess als Glykogen in Leber und Muskel gespeichert.

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

Glukose ist das Hauptkohlenhydrat, das von den Zellen verbraucht wird. Sie macht ungefähr 80% der Energiequellen aus.

Glukose wird an Zellen verteilt, wo sie über bestimmte Transporter in den Abbau gelangen oder als Glykogen gespeichert werden kann.

Abhängig von den Stoffwechselanforderungen einer Zelle kann Glucose auch zur Synthese anderer Monosaccharide, Fettsäuren, Nukleinsäuren und bestimmter Aminosäuren verwendet werden.

Die Hauptfunktion des Kohlenhydratstoffwechsels besteht darin, die Kontrolle des Blutzuckerspiegels aufrechtzuerhalten. Dies wird als interne Homöostase bezeichnet.

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