Δομή και ιδιότητες υδατανθράκων

Βασικές έννοιες

Σε αυτό το άρθρο, θα μάθουμε για τη δομή και τις ιδιότητες των υδατανθράκων των τριών κύριων κατηγοριών υδατανθράκων:μονοσακχαρίτες, ολιγοσακχαρίτες και πολυσακχαρίτες.

Υδατάνθρακες

Οι υδατάνθρακες είναι μια από τις πιο σημαντικές κατηγορίες μορίων της ζωής. Συγκεκριμένα, οι υδατάνθρακες είναι γνωστοί για τη λειτουργικότητά τους ως μονάδες ενέργειας, γι' αυτό και οι «υδατάνθρακες» αποτελούν ουσιαστικό μέρος της ανθρώπινης διατροφής. Πράγματι, παίζουν σημαντικό ρόλο στην αποθήκευση ενέργειας, με τη μορφή πολυσακχαριτών, και στην ενεργειακή δαπάνη, με τη μορφή μονοσακχαριτών ή «σακχάρων». Επιπλέον, οι υδατάνθρακες έχουν δομικές λειτουργίες ως συστατικά των κυτταρικών τοιχωμάτων στα φυτά και τα βακτήρια. Οι υδατάνθρακες βοηθούν επίσης στην κυτταρική ταυτοποίηση, καθώς μοναδικές αλυσίδες σακχάρων που συνδέονται σε μια κυτταρική μεμβράνη παρέχουν ένα «δαχτυλικό αποτύπωμα» που επιτρέπει την αναγνώριση του τύπου και του είδους του κυττάρου.

Οι σημαντικές λειτουργίες τους στο μεταβολισμό, τη δομή και την ταυτοποίηση επιτρέπονται από τη δομή και τις ιδιότητες των υδατανθράκων. Όπως θα δούμε, οι υδατάνθρακες έχουν αξιοσημείωτη δομική ποικιλομορφία.

Μονοσακχαρίτης Δομή και Ιδιότητες

Οι μονοσακχαρίτες είναι τα απλούστερα μόρια υδατανθράκων. Στην πραγματικότητα, οι μονοσακχαρίτες είναι μονομερή μεγαλύτερων υδατανθράκων, που σημαίνει ότι είναι η μικρότερη μονάδα δομής και ιδιοτήτων των υδατανθράκων και αποτελούν τα δομικά στοιχεία μεγαλύτερων μορίων. Όλοι οι μονοσακχαρίτες έχουν χημικό τύπο C(n)H(2n)O(n), με βασική δομή μη διακλαδισμένης αλυσίδας. Όταν απεικονίζονται ως γραμμικό μόριο (προβολή Fischer), οι μονοσακχαρίτες έχουν μια καρβονυλική ομάδα συνδεδεμένη με έναν άνθρακα, ενώ οι άλλοι άνθρακες έχουν μια ομάδα αλκοόλης ως λειτουργική ομάδα.

Οι βιοχημικοί αριθμούν τους άνθρακες των μονοσακχαριτών με βάση τη θέση του καρβονυλίου, με το άκρο που βρίσκεται πιο κοντά στο καρβονύλιο να φέρει την ένδειξη άνθρακας 1.

Ισομερή

Οι βιοχημικοί ταξινομούν τους μονοσακχαρίτες διαφορετικά με βάση τη θέση της καρβονυλικής τους ομάδας. Οι μονοσακχαρίτες με το καρβονύλιο τους στο ένα άκρο της ανθρακικής αλυσίδας ονομάζονται αλδόζες, αναφερόμενοι στην ομάδα αλδεΰδης που σχηματίζεται από το καρβονύλιο. Αντίθετα, οι μονοσακχαρίτες με το καρβονύλιο τους σε έναν εσωτερικό άνθρακα ονομάζονται κετόζες, που αναφέρεται στην προκύπτουσα κετόνη.

Μεταξύ μονοσακχαριτών με τον ίδιο αριθμό ανθράκων, οι αλδόζες και οι κετόζες είναι αυτό που οι χημικοί αποκαλούν «συνταγματικά ισομερή» το ένα του άλλου. Αυτό σημαίνει ότι έχουν τον ίδιο χημικό τύπο, αλλά διαφορετική συνδεσιμότητα μεταξύ των ατόμων τους.

Επιπλέον, πολλοί μονοσακχαρίτες είναι εναντιομερή, ή κατοπτρικές εικόνες, ο ένας του άλλου. Οι βιοχημικοί χρησιμοποιούν τα γράμματα D και L για να διαφοροποιήσουν τα εναντιομερή μονοσακχαριτών. Στην προβολή Fischer, ο προσδιορισμός του D έναντι του L εξαρτάται από την κατεύθυνση της ομάδας υδροξυλίου του χειρόμορφου άνθρακα που βρίσκεται πιο μακριά από το καρβονύλιο. Συγκεκριμένα, τα σάκχαρα D έχουν την υδροξυλική ομάδα στραμμένη προς τα δεξιά, ενώ τα σάκχαρα L έχουν μια ομάδα υδροξυλίου με αριστερή κατεύθυνση. Είναι ενδιαφέρον ότι τα βιολογικά συστήματα χρησιμοποιούν μόνο ένα εναντιομερές από κάθε μονοσακχαρίτη, με επιβεβαίωση D.

Κυκλοποίηση

Παρά τη χρησιμότητα της προβολής Fischer, οι περισσότεροι πέντε ή έξι μονοσακχαρίτες έχουν γενικά κυκλικές μοριακές δομές, λόγω της μοναδικής δομής και ιδιοτήτων των υδατανθράκων. Με έναν όξινο καταλύτη, οι μονοσακχαρίτες υφίστανται αυθόρμητα μια αντίδραση κυκλοποίησης, όπου η καρβονυλική ομάδα προσβάλλεται από το υδροξύλιο του άνθρακα 4 ή 5. Αυτό συμβαίνει τόσο σε αλδόζες όσο και σε κετόζες, με αποτέλεσμα έναν πενταμελή ή εξαμελή δακτύλιο όπου ένα από τα μέλη είναι το οξυγόνο από το επιτιθέμενο υδροξύλιο.

Οι βιοχημικοί αποκαλούν την κυκλική μορφή των μονοσακχαριτών την προβολή τους Haworth, ένα διάγραμμα υδατανθράκων που χρησιμοποιείται για την περαιτέρω ταξινόμηση των σακχάρων. Για παράδειγμα, οι βιοχημικοί ταξινομούν τους πενταμελείς δακτυλίους ως φουρανόσες και τους εξαμελείς δακτυλίους ως πυρανόσες.

Είναι ενδιαφέρον ότι μια μοναδική ιδιότητα των υδατανθράκων είναι ότι όλοι οι μονοσακχαρίτες με περισσότερους από πέντε άνθρακες μπορούν να σχηματίσουν είτε φουρανόζες είτε πυρανόσες. Ωστόσο, οι πυρανώσεις είναι πιο συχνές και σταθερές, καθώς οι εξαμελείς δακτύλιοι έχουν γενικά πάντα μικρότερη τάση δακτυλίου από τους πενταμελείς δακτυλίους.

Επιπλέον, η κυκλοποίηση μονοσακχαρίτη έχει ως αποτέλεσμα ο άνθρακας που φέρει καρβονύλιο να γίνει χειρόμορφος. Δύο χειρόμορφες θέσεις του άνθρακα είναι δυνατές από την κυκλοποίηση και οι βιοχημικοί χρησιμοποιούν τον όρο «ανωμερές» για να διαφοροποιήσουν τους μονοσακχαρίτες που διαφέρουν μόνο σε σχέση με αυτές τις θέσεις. Αντίστοιχα, οι βιοχημικοί αποκαλούν τον άνθρακα που φέρει το καρβονύλιο «ανωμερικό άνθρακα».

Οι όροι "άλφα" και "βήτα" περιγράφουν αυτά τα δύο ισομερή. Τα βήτα ισομερή έχουν την ανωμερή υδροξυλομάδα τους στραμμένη προς την ίδια κατεύθυνση με τον άνθρακα 6, ενώ το άλφα ισομερές έχει την ανωμερή υδροξυλομάδα του προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Σε συμφωνία με άλλες αντιδράσεις προσθήκης καρβονυλίου, η κυκλοποίηση γενικά δεν ευνοεί μια συγκεκριμένη χειρόμορφη θέση, επομένως οι οργανισμοί έχουν γενικά και τα δύο ανωμερή. Ωστόσο, τα ανωμερή ορισμένων μονοσακχαριτών είναι πιο σταθερά από άλλα. Για παράδειγμα, η βήτα-γλυκόζη τείνει να έχει μεγαλύτερη σταθερότητα από την άλφα-γλυκόζη.

Παραδείγματα μονοσακχαριτών

Ας δούμε μερικούς μονοσακχαρίτες που εξυπηρετούν βιολογικές λειτουργίες

Ριβόζη (άλφα-D-ριβοφουρανόζη)

Γλυκόζη (βήτα-D-γλυκοπυρανόζη)

Γαλακτόζη (βήτα-D-γαλακτοπυρανόζη)

Φρουκτόζη (βήτα-D-φρουκτοφουρανόζη)

Ολιγοσακχαρίτης Δομή και Ιδιότητες

Συχνά, λίγοι μονοσακχαρίτες συσσωματώνονται σε δομές που ονομάζονται ολιγοσακχαρίτες. Πολλοί ολιγοσακχαρίτες έχουν μόνο δύο μονοσακχαρίτες, που ονομάζονται δισακχαρίτες, που είναι ο κύριος υδατάνθρακας στο φυτικό σιρόπι (σακχαρόζη), το γάλα (λακτόζη) και τη ζάχαρη βύνης (μαλτόζη).

Άλλες κοινές δομές ολιγοσακχαριτών περιλαμβάνουν τις διακλαδισμένες αλυσίδες που συνδέονται με πρωτεΐνες ή λιπίδια της μεμβράνης στο εξωτερικό των κυττάρων. Η αλληλουχία και η χημεία αυτών των αλυσίδων υδατανθράκων τείνει να είναι μοναδική για κάθε τύπο κυττάρου, επιτρέποντας την κυτταρική ταυτοποίηση σε ευκαρυωτικούς οργανισμούς.

Γλυκοζιδικός Σύνδεσμος

Οι μονοσακχαρίτες συνδέονται μεταξύ τους χρησιμοποιώντας γλυκοσιδικούς δεσμούς, οι οποίοι περιλαμβάνουν ένα άτομο οξυγόνου που συνδέει δύο δακτυλίους υδατανθράκων. Ο σχηματισμός γλυκοσιδικού δεσμού είναι ένα είδος αντίδρασης συμπύκνωσης, όπου χάνεται το υδρογόνο μιας υδροξυλομάδας σε ένα σάκχαρο και ολόκληρη η υδροξυλική ομάδα του άλλου σακχάρου, σχηματίζοντας νερό ως υποπροϊόν. Όπως η κυκλοποίηση, αυτό περιλαμβάνει επίσης έναν όξινο καταλύτη.

Επιπλέον, κάθε γλυκοσιδικός δεσμός περιλαμβάνει τουλάχιστον έναν ανωμερή άνθρακα. Η χειρομορφία του εμπλεκόμενου ανωμερούς άνθρακα καθορίζει εάν η γλυκοσιδική σύνδεση ταξινομείται ως "άλφα" ή "βήτα". Για παράδειγμα, η λακτόζη έχει πάντα μια βήτα γλυκοσιδική σύνδεση, επειδή ο ανωμερής άνθρακας της βήτα γαλακτόζης σχηματίζει πάντα τη σύνδεση με τον άνθρακα 4 της γλυκόζης.

Αντίθετα, οι γλυκοσιδικοί δεσμοί διασπούν τις αντιδράσεις υδρόλυσης, οι οποίες είναι ουσιαστικά αντίστροφες συμπυκνώσεις.

Πολυσακχαρίτης Δομή και Ιδιότητες

Επιπλέον, οι μονοσακχαρίτες μπορούν να σχηματίσουν μεγάλες πολυμερείς δομές που ονομάζονται πολυσακχαρίτες. Συχνά, οι οργανισμοί χρησιμοποιούν πολυσακχαρίτες για αποθήκευση ενέργειας ή δομική σταθερότητα.

Για αποθήκευση ενέργειας, τα ζώα χρησιμοποιούν έναν πολυσακχαρίτη που ονομάζεται γλυκογόνο, ενώ τα φυτά χρησιμοποιούν έναν που ονομάζεται άμυλο. Τόσο το γλυκογόνο όσο και το άμυλο αποτελούνται εξ ολοκλήρου από άλφα-γλυκόζη συνδεδεμένη με κυρίως άλφα-1,4 γλυκοσιδικούς δεσμούς, οι οποίοι βρίσκονται μεταξύ των ανθράκων 1 και 4. Αυτοί οι δεσμοί σχηματίζουν ελικοειδείς αλυσίδες γλυκόζης. Περιστασιακά, εμφανίζονται δεσμοί άλφα-1,6 στις αλυσίδες, με αποτέλεσμα τη διακλάδωση της αλυσίδας.

Το γλυκογόνο τείνει να διακλαδίζεται κάθε 8-10 γλυκόζη, ενώ η αμυλοπηκτίνη, το διακλαδιζόμενο συστατικό του αμύλου, διακλαδίζεται κάθε 12-20 γλυκόζη. Επίσης, το άμυλο έχει ένα συστατικό που ονομάζεται αμυλάση, το οποίο σχηματίζει απλές, μη διακλαδισμένες έλικες.

Για δομική σταθερότητα, τα φυτά χρησιμοποιούν τον πολυσακχαρίτη κυτταρίνη. Σε αντίθεση με το άμυλο και το γλυκογόνο, η κυτταρίνη χρησιμοποιεί δεσμούς βήτα-γλυκόζης και βήτα-1,4. Επίσης, κάθε εναλλασσόμενη γλυκόζη έχει έναν ανεστραμμένο προσανατολισμό που οδηγεί σε μια ευθεία αλυσίδα, αντί σε μια έλικα. Για να σχηματιστεί ένα κυτταρικό τοίχωμα, οι αλυσίδες γλυκόζης τοποθετούνται η μία δίπλα στην άλλη, σχηματίζοντας φύλλα κυτταρίνης, τα οποία συγκρατούνται ισχυρά μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου.

Άλλοι πολυσακχαρίτες που σχηματίζουν κυτταρικό τοίχωμα περιλαμβάνουν τη χιτίνη, που βρίσκεται στους μύκητες, και την πεπτιδογλυκάνη, που βρίσκεται στα βακτήρια. Και οι δύο αυτοί πολυσακχαρίτες χρησιμοποιούν χημικά τροποποιημένες άλφα-γλυκόζες και δεσμούς βήτα-1,4.