الكربوهيدرات: التركيب الكيميائي والتصنيف والوظائف - مادة الاحياء - 2025

و الكربوهيدرات والنشويات أو السكريات، هي الجزيئات العضوية التي تخزين الطاقة في الكائنات الحية. إنها الجزيئات الحيوية الأكثر وفرة وتشمل: السكريات والنشويات والسليلوز ، من بين المركبات الأخرى الموجودة في الكائنات الحية.

الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي (النباتات والطحالب وبعض البكتيريا) هي المنتج الرئيسي للكربوهيدرات في الطبيعة. يمكن أن تكون بنية هذه السكريات خطية أو متفرعة ، بسيطة أو مركبة ، ويمكن أيضًا أن ترتبط بجزيئات حيوية من فئة أخرى.

على سبيل المثال ، يمكن أن ترتبط الكربوهيدرات بالبروتينات لتكوين البروتينات السكرية. يمكنهم أيضًا الارتباط بجزيئات الدهون ، وبالتالي تكوين جليكوليبيد ، الجزيئات الحيوية التي تشكل بنية الأغشية البيولوجية. توجد الكربوهيدرات أيضًا في بنية الأحماض النووية.

في البداية ، تم التعرف على الكربوهيدرات على أنها جزيئات تخزين الطاقة الخلوية. بعد ذلك ، تم تحديد الوظائف الهامة الأخرى التي تؤديها الكربوهيدرات في النظم البيولوجية.

جميع الكائنات الحية تغطي خلاياها طبقة كثيفة من الكربوهيدرات المعقدة. تتكون الكربوهيدرات من السكريات الأحادية ، وهي جزيئات صغيرة تتكون من ثلاث إلى تسع ذرات كربون مرتبطة بمجموعات الهيدروكسيل (-OH) ، والتي يمكن أن تختلف في الحجم والتكوين.

من الخصائص المهمة للكربوهيدرات التنوع الهيكلي الهائل داخل هذه الفئة من الجزيئات ، مما يسمح لها بأداء مجموعة واسعة من الوظائف مثل توليد جزيئات إشارات الخلية ، وتشكيل الأنسجة ، وتكوين هوية مجموعات الدم المختلفة في البشر.

وبالمثل ، فإن المصفوفة خارج الخلية في حقيقيات النوى الأعلى غنية بالكربوهيدرات المُفرزة ، الضرورية لبقاء الخلية والتواصل. يتم استغلال آليات التعرف على الخلايا هذه من قبل مجموعة متنوعة من مسببات الأمراض لإصابة الخلايا المضيفة.

يمكن ربط السكريات الأحادية عن طريق روابط جليكوسيدية لتشكيل مجموعة متنوعة من الكربوهيدرات: السكريات الثنائية ، السكريات قليلة السكاريد ، والسكريات المتعددة. تسمى دراسة بنية ووظيفة الكربوهيدرات في النظم البيولوجية بعلم الأحياء السكرية.

التركيب الكيميائي

تتكون الكربوهيدرات من ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين. يمكن تمثيل معظمها بالصيغة التجريبية (CH2O) n ، حيث n هو عدد الكربون في الجزيء. بمعنى آخر ، نسبة الكربون والهيدروجين والأكسجين هي 1: 2: 1 في جزيئات الكربوهيدرات.

تشرح هذه الصيغة أصل مصطلح "الكربوهيدرات" لأن المكونات هي ذرات الكربون ("الكربوهيدرات") وذرات الماء (لذلك ، "الهيدرات"). على الرغم من أن الكربوهيدرات تتكون أساسًا من هذه الذرات الثلاث ، إلا أن هناك بعض الكربوهيدرات مع النيتروجين أو الفوسفور أو الكبريت.

الكربوهيدرات في شكلها الأساسي هي سكريات بسيطة أو سكريات أحادية. يمكن أن تتحد هذه السكريات البسيطة مع بعضها البعض لتكوين كربوهيدرات أكثر تعقيدًا.

مزيج من اثنين من السكريات البسيطة هو ثنائي السكاريد. تحتوي السكريات القليلة القلة على ما بين اثنين إلى عشرة سكريات بسيطة ، والسكريات المتعددة هي أكبر الكربوهيدرات ، وتتكون من أكثر من عشر وحدات أحادية السكاريد.

تحدد بنية الكربوهيدرات كيفية تخزين الطاقة في روابطها أثناء تكوينها عن طريق التمثيل الضوئي ، وكذلك كيفية كسر هذه الروابط أثناء التنفس الخلوي.

تصنيف

السكريات الأحادية

السكريات الأحادية هي الوحدات الأولية للكربوهيدرات ، وهذا هو السبب في أنها أبسط بنية للسكاريد. فيزيائيًا ، السكريات الأحادية عبارة عن مواد صلبة بلورية عديمة اللون. معظمهم لديهم طعم حلو.

من وجهة نظر كيميائية ، يمكن أن تكون السكريات الأحادية عبارة عن ألدهيدات أو كيتونات ، اعتمادًا على مكان وجود مجموعة الكربونيل (C = O) في الكربوهيدرات الخطية. من الناحية الهيكلية ، يمكن أن تشكل السكريات الأحادية سلاسل مستقيمة أو حلقات مغلقة.

نظرًا لأن السكريات الأحادية تمتلك مجموعات هيدروكسيل ، فإن معظمها قابل للذوبان في الماء وغير قابل للذوبان في المذيبات غير القطبية.

اعتمادًا على عدد الكربون في هيكله ، سيكون للسكريات الأحادية أسماء مختلفة ، على سبيل المثال: triose (إذا كان يحتوي على 3 ذرات C) ، البنتوز (إذا كان يحتوي على 5C) وما إلى ذلك.

السكريات

السكاريد الثنائي عبارة عن سكريات مزدوجة تتشكل عن طريق وضع اثنين من السكريات الأحادية معًا في عملية كيميائية تسمى تخليق الجفاف ، لأن جزيء من الماء يُفقد أثناء التفاعل. يُعرف أيضًا باسم تفاعل التكثيف.

وبالتالي ، فإن السكاريد هو أي مادة تتكون من جزيئين من السكريات البسيطة (السكريات الأحادية) مرتبطة ببعضها البعض من خلال رابطة جليكوسيدية.

الأحماض لديها القدرة على كسر هذه الروابط ، ولهذا السبب يمكن هضم السكاريد في المعدة.

السكاريد ثنائي السكاريد بشكل عام قابل للذوبان في الماء وحلو عند تناوله. السكاريدات الثلاثة الرئيسية هي السكروز واللاكتوز والمالتوز: يأتي السكروز من اتحاد الجلوكوز والفركتوز. يأتي اللاكتوز من اتحاد الجلوكوز والجالاكتوز ؛ والمالتوز يأتي من اتحاد جزيئين من الجلوكوز.

قلة السكريات

السكريات القليلة هي بوليمرات معقدة تتكون من عدد قليل من وحدات السكر البسيطة ، أي ما بين 3 إلى 9 سكريات أحادية.

التفاعل هو نفسه الذي يُشكل السكاريد ، ولكنه يأتي أيضًا من تحلل جزيئات السكر الأكثر تعقيدًا (السكريات).

توجد معظم السكريات قليلة السكاريد في النباتات وتعمل كألياف قابلة للذوبان ، والتي يمكن أن تساعد في منع الإمساك. ومع ذلك ، فإن معظم البشر ليس لديهم الإنزيمات لهضمها ، باستثناء المالتوتريوز.

لهذا السبب ، يمكن تكسير السكريات قليلة السكاريد التي لم يتم هضمها في البداية في الأمعاء الدقيقة بواسطة البكتيريا التي تعيش عادةً في الأمعاء الغليظة من خلال عملية التخمير. تؤدي البريبايوتكس هذه الوظيفة ، حيث تعمل كغذاء للبكتيريا المفيدة.

السكريات

السكريات المتعددة هي أكبر بوليمرات السكريد ، وتتكون من أكثر من 10 (حتى آلاف) وحدات أحادية السكاريد مرتبة بطريقة خطية أو متفرعة. الاختلافات في الترتيب المكاني هو ما يعطي هذه السكريات خصائصها المتعددة.

يمكن أن تتكون السكريات من نفس السكريات الأحادية أو من مزيج من السكريات الأحادية المختلفة. إذا تم تشكيلها عن طريق تكرار وحدات من نفس السكر ، فإنها تسمى عديدات السكاريد المتجانسة مثل الجليكوجين والنشا ، وهي كربوهيدرات تخزين الحيوانات والنباتات ، على التوالي.

إذا كان عديد السكاريد مكونًا من وحدات من سكريات مختلفة ، فيطلق عليها عديدات السكاريد غير المتجانسة. تحتوي معظمها على وحدتين مختلفتين فقط وعادة ما ترتبط بالبروتينات (البروتينات السكرية ، مثل جاما جلوبيولين في بلازما الدم) أو الدهون (الجليكوليبيدات ، مثل الغانغليوزيدات).

المميزات

تتمثل الوظائف الرئيسية الأربعة للكربوهيدرات في: توفير الطاقة ، وتخزين الطاقة ، وبناء الجزيئات الضخمة ، ومنع تكسير البروتينات والدهون.

يتم تكسير الكربوهيدرات من خلال الهضم إلى سكريات بسيطة. يتم امتصاص هذه الخلايا من قبل خلايا الأمعاء الدقيقة ويتم نقلها إلى جميع خلايا الجسم حيث ستتأكسد للحصول على الطاقة على شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).

يتم تخزين جزيئات السكر التي لا تستخدم في إنتاج الطاقة في لحظة معينة كجزء من البوليمرات الاحتياطية مثل الجليكوجين والنشا.

النيوكليوتيدات ، الوحدات الأساسية للأحماض النووية ، لها جزيئات الجلوكوز في بنيتها. ترتبط العديد من البروتينات المهمة بجزيئات الكربوهيدرات ، على سبيل المثال: هرمون تحفيز الجريب (FSH) ، والذي يشارك في عملية التبويض.

لأن الكربوهيدرات هي المصدر الرئيسي للطاقة ، فإن تحللها السريع يمنع الجزيئات الحيوية الأخرى من التحلل من أجل الطاقة. وهكذا ، عندما تكون مستويات السكر طبيعية ، فإن البروتينات والدهون محمية من التدهور.

بعض الكربوهيدرات قابلة للذوبان في الماء ، وتعمل كغذاء أساسي في كل شخص تقريبًا ، وأكسدة هذه الجزيئات هي الطريق الرئيسي لإنتاج الطاقة في معظم الخلايا غير الضوئية.

ترتبط الكربوهيدرات غير القابلة للذوبان لتشكيل هياكل أكثر تعقيدًا تعمل كحماية. على سبيل المثال: يشكل السليلوز جدار الخلايا النباتية مع الهيميسيلولوز والبكتين. يشكل الكيتين جدار الخلية من الفطريات والهيكل الخارجي لمفصليات الأرجل.

أيضا ، الببتيدوغليكان يشكل جدار الخلية للبكتيريا والبكتيريا الزرقاء. يتكون النسيج الضام الحيواني والمفاصل الهيكلية من السكريات.

ترتبط العديد من الكربوهيدرات تساهميًا بالبروتينات أو الدهون وتشكل هياكل أكثر تعقيدًا ، تسمى مجتمعة glycoconjugates. تعمل هذه المجمعات كعلامات تحدد الموقع داخل الخلايا أو المصير الأيضي لهذه الجزيئات.

الأطعمة التي تحتوي على الكربوهيدرات

الكربوهيدرات عنصر أساسي في أي نظام غذائي صحي ، لأنها المصدر الرئيسي للطاقة. ومع ذلك ، تحتوي بعض الأطعمة على كربوهيدرات صحية توفر كمية أكبر من العناصر الغذائية ، على سبيل المثال:

النشويات

الأطعمة النشوية هي المصدر الرئيسي للكربوهيدرات. هذه النشويات عبارة عن كربوهيدرات معقدة بشكل عام ، أي أنها تتكون من العديد من السكريات المرتبطة ببعضها البعض لتشكيل سلسلة جزيئية طويلة. لهذا السبب ، يستغرق هضم النشويات وقتًا أطول.

هناك مجموعة كبيرة من الأطعمة التي تحتوي على النشويات. تشمل الحبوب الأطعمة التي تحتوي على نسبة عالية من النشا ، على سبيل المثال: الفاصوليا والعدس والأرز. تحتوي الحبوب أيضًا على هذه الكربوهيدرات ، على سبيل المثال: الشوفان والشعير والقمح ومشتقاتها (الدقيق والمعكرونة).

تحتوي البقوليات والمكسرات أيضًا على الكربوهيدرات في شكل نشويات. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الخضروات مثل: البطاطس والبطاطا الحلوة والذرة والقرع غنية أيضًا بمحتوى النشا.

الأهم من ذلك ، أن العديد من الكربوهيدرات هي مصدر للألياف. بمعنى آخر ، الألياف هي في الأساس نوع من الكربوهيدرات لا يستطيع الجسم هضمه إلا جزئيًا.

على غرار الكربوهيدرات المعقدة ، تميل ألياف الكربوهيدرات إلى الهضم ببطء.

فواكه وخضراوات

الفواكه والخضروات غنية بالكربوهيدرات. على عكس النشويات ، تحتوي الفواكه والخضروات على كربوهيدرات بسيطة ، أي كربوهيدرات مع سكريات أو اثنتين مرتبطة ببعضها البعض.

هذه الكربوهيدرات ، لكونها بسيطة في تركيبها الجزيئي ، يتم هضمها بسهولة وسرعة أكبر من الكربوهيدرات المعقدة. هذا يعطي فكرة عن المستويات المختلفة وأنواع الكربوهيدرات في الأطعمة.

وبالتالي ، تحتوي بعض الفواكه على نسبة عالية من الكربوهيدرات لكل حصة ، على سبيل المثال: يحتوي الموز ، والتفاح ، والبرتقال ، والبطيخ ، والعنب على كربوهيدرات أكثر من بعض الخضروات مثل السبانخ والبروكلي واللفت والجزر ، الفطر والباذنجان.

حليب

على غرار الخضار والفواكه ، فإن منتجات الألبان هي الأطعمة التي تحتوي على الكربوهيدرات البسيطة. يحتوي الحليب على سكر خاص به يسمى اللاكتوز ، وهو ثنائي السكاريد الحلو المذاق. كوب واحد من هذا يعادل حوالي 12 جرامًا من الكربوهيدرات.

هناك العديد من أنواع الحليب والزبادي في السوق. بغض النظر عما إذا كنت تستهلك نسخة كاملة أو قليلة الدسم من منتج ألبان معين ، فإن كمية الكربوهيدرات ستكون هي نفسها.

الحلوى

الحلويات هي مصدر آخر معروف للكربوهيدرات. وتشمل هذه السكر ، والعسل ، والحلوى ، والمشروبات الاصطناعية ، والبسكويت ، والآيس كريم ، من بين العديد من الحلويات الأخرى. تحتوي كل هذه المنتجات على تركيزات عالية من السكريات.

من ناحية أخرى ، تحتوي بعض الأطعمة المصنعة والمكررة على كربوهيدرات معقدة ، على سبيل المثال: الخبز والأرز والمعكرونة البيضاء. من المهم ملاحظة أن الكربوهيدرات المكررة ليست مغذية مثل الكربوهيدرات الموجودة في الفواكه والخضروات.

التمثيل الغذائي للكربوهيدرات

التمثيل الغذائي للكربوهيدرات هو مجموعة من التفاعلات الأيضية التي تنطوي على تكوين وتحلل وتحويل الكربوهيدرات في الخلايا.

يتم الحفاظ على التمثيل الغذائي للكربوهيدرات بشكل كبير ويمكن ملاحظته حتى من البكتيريا ، والمثال الرئيسي هو Lac Operon من E. coli.

الكربوهيدرات مهمة في العديد من مسارات التمثيل الغذائي بما في ذلك التمثيل الضوئي ، وهو أهم تفاعل طبيعي لتكوين الكربوهيدرات.

من ثاني أكسيد الكربون والماء ، تستخدم النباتات الطاقة من الشمس لتجميع جزيئات الكربوهيدرات.

من جانبها ، تقوم الخلايا الحيوانية والفطرية بتكسير الكربوهيدرات ، المستهلكة في الأنسجة النباتية ، للحصول على الطاقة في شكل ATP من خلال عملية تسمى التنفس الخلوي.

في الفقاريات ، ينتقل الجلوكوز في جميع أنحاء الجسم عبر الدم. إذا كانت مخازن الطاقة الخلوية منخفضة ، يتم تكسير الجلوكوز من خلال تفاعل استقلابي يسمى تحلل السكر لإنتاج بعض الطاقة وبعض المركبات الأيضية الوسيطة.

يتم تخزين جزيئات الجلوكوز غير اللازمة لإنتاج الطاقة الفوري كجليكوجين في الكبد والعضلات ، من خلال عملية تسمى تكوين الجليكوجين.

بعض الكربوهيدرات البسيطة لها مسارات تحلل خاصة بها ، مثل بعض الكربوهيدرات الأكثر تعقيدًا. اللاكتوز ، على سبيل المثال ، يتطلب عمل إنزيم اللاكتاز ، الذي يكسر روابطه ويطلق السكريات الأحادية الأساسية ، الجلوكوز والجالاكتوز.

الجلوكوز هو الكربوهيدرات الرئيسي الذي تستهلكه الخلايا ، ويشكل حوالي 80٪ من مصادر الطاقة.

يتم توزيع الجلوكوز على الخلايا ، حيث يمكن أن يدخل من خلال ناقلات محددة ليتم تحللها أو تخزينها كجليكوجين.

اعتمادًا على متطلبات التمثيل الغذائي للخلية ، يمكن أيضًا استخدام الجلوكوز في تصنيع السكريات الأحادية الأخرى والأحماض الدهنية والأحماض النووية وبعض الأحماض الأمينية.

تتمثل الوظيفة الرئيسية لعملية التمثيل الغذائي للكربوهيدرات في الحفاظ على السيطرة على مستويات السكر في الدم ، وهذا ما يعرف بالتوازن الداخلي.

المراجع

1. ألبرتس ، ب ، جونسون ، أ ، لويس ، ج. ، مورغان ، د. ، راف ، إم ، روبرتس ، ك.والتر ، ب. (2014). البيولوجيا الجزيئية للخلية (الطبعة السادسة). علوم جارلاند.
2. بيرج ، جيه ، تيموكزكو ، جيه ، جاتو ، ج.ستراير ، إل (2015). الكيمياء الحيوية (الطبعة الثامنة). دبليو فريمان وشركاه.
3. كامبل ، إن وريس ، ج. (2005). علم الأحياء (الطبعة الثانية) تعليم بيرسون.
4. داشتي ، م. (2013). نظرة سريعة على الكيمياء الحيوية: استقلاب الكربوهيدرات. الكيمياء الحيوية السريرية، 46 (15) ، 1339-1352.
5. لوديش ، هـ ، بيرك ، أ ، كايزر ، سي ، كريجر ، إم ، بريتشر ، إيه ، بلويج ، إتش ، آمون ، إيه ومارتن ، ك. (2016). بيولوجيا الخلية الجزيئية (الطبعة الثامنة). دبليو فريمان وشركاه.
6. موجان ، ر. (2009). التمثيل الغذائي للكربوهيدرات. الجراحة ، 27 (1) ، 6-10.
7. نيلسون ، د. ، كوكس ، إم ولينينجر ، أ. (2013). مبادئ Lehninger للكيمياء الحيوية (^السادس). دبليو فريمان وشركاه.
8. سولومون ، إي ، بيرج ، إل ومارتن ، د. (2004). علم الأحياء (الطبعة السابعة) Cengage Learning.
9. Voet ، D. ، Voet ، J. & Pratt ، C. (2016). أساسيات الكيمياء الحيوية: الحياة على المستوى الجزيئي (الطبعة الخامسة). وايلي.