3 Wichtige Klassifizierungen von Kohlenhydraten und ihre Bedeutung

Einige der Hauptgruppen, unter denen die Kohlenhydrate mit ihren chemischen Strukturen und Funktionen unterteilt sind, sind folgende:

Die Kohlenhydrate oder Saccharide werden am einfachsten als Polyhydroxyaldehyde oder -ketone und ihre Derivate definiert.

Organische Verbindungen in dieser Gruppe werden so genannt, weil sie aus Wasserstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen, die letzten zwei im Verhältnis 2: 1.

Die Kohlenhydrate sind sowohl in tierischen als auch in pflanzlichen Geweben weit verbreitet. In tierischen Zellen kommen sie hauptsächlich in Form von Glukose und Glykogen vor, während in Pflanzen Zellulose und Stärke ihre Hauptvertreter sind.

Einstufung:

Kohlenhydrate werden in drei Hauptgruppen unterteilt:

(I) Monosaccharide,

(II) Disaccharide und

(III) Polysaccharide.

I. Monosaccharide (einfache Zucker):

Monosaccharide sind jene Zucker, die nicht in eine einfachere Form hydrolysiert werden können. Sie haben die empirische Formel (CH ₂ O) n. Die einfachsten Monosaccharide sind die drei Kohlenstofftrioseglyceraldehyd und Dihydroxyaceton.

In Abhängigkeit von der Anzahl der Kohlenstoffatome, die sie besitzen, können einfache Zucker in verschiedene Klassen unterteilt werden, wie Triosen, Tetrosen, Pentosen, Hexosen oder Heptosen; und als Aldosen oder Ketosen, basierend darauf, ob die Aldehyd- oder Ketongruppen vorhanden sind. Beispiele sind:

Innerhalb jeder Kategorie werden Zucker weiter nach der linken oder rechten Anordnung der H- und OH-Gruppen um das Kohlenstoffatom neben dem terminalen primären Alkoholkohlenstoff (z. B. Kohlenstoff 5 in Glucose) unterschieden. Wenn die OH-Gruppe an diesem Kohlenstoff rechts ist, ist der Zucker ein Mitglied der D (Dextrorotatory) -Serie; Wenn es auf der linken Seite ist, ist es Mitglied der L (Laevorotatory) -Serie.

Die meisten der im Stoffwechsel von Säugern vorkommenden Monosaccharide haben die D-Konfiguration. Verbindungen, die die gleiche Strukturformel haben, sich aber in der Atomkonfiguration unterscheiden, sind als Stereoisomere bekannt.

Monosaccharide von physiologischer Bedeutung:

A. Trios:

Sie bilden sich im Körper während des Stoffwechsels der Hexosen. Beispiele sind Glyceraldehyd und Dihydroxyaceton.

B. Pentosen:

Sie sind wichtige Bestandteile von Nukleinsäuren und viele Coenzyme. Sie werden auch als Intermediate während bestimmter Stoffwechselvorgänge gebildet. Beispiele sind Ribose, ein Strukturelement von ATP, Nukleinsäuren und Coenzyme NAD, NADP und Flavoproteine; Ribulose; Arabinose und Xylose.

C. Hexosen:

Sie sind physiologisch die wichtigsten Monosaccharide, z. B. Glucose, Fructose, Galactose und Mannose.

(i) Glukose

Es wird normalerweise in den Fruchtsäften gefunden und im Körper durch Hydrolyse von Stärke, Rohrzucker, Maltose und Laktose gebildet. Glukose ist der "Zucker" des Körpers. Die Glukose-Struktur kann als Ketten- oder Ringform dargestellt werden (-Pyranose-Hexagon-Struktur mit fünf Kohlenstoffen und einem Sauerstoff; und Furanose-hat eine Pentagon-Struktur mit vier Kohlenstoffen und einem Sauerstoff).

(ii) Fruktose:

Es kommt natürlich in Fruchtsäften und Honig vor. Die Hydrolyse von Rohrzucker im Körper führt ebenfalls zu Fruktose.

(iii) Galactose:

Als Bestandteil von Glykolipiden und Glykoproteinen wird es in den Brustdrüsen synthetisiert und zur Milchzucker hydrolysiert.

(iv) Mannose:

Es wird durch Hydrolyse von pflanzlichen Mannosanen und Gummis erhalten. Mannose ist ein Bestandteil des prothetischen Polysaccharids von Albuminen, Globulinen und Mucoproteinen.

Pentosen und Hexosen existieren sowohl in offenen Ketten als auch in Ringformen.

Abgeleitete Monosaccharide:

Monosaccharide werden verschiedenartig modifiziert, um verschiedene Substanzen zu bilden. Die wichtigen Derivate sind:

(i) Deoxyzucker:

Desoxygenierung von Ribose produziert Desoxyribose. Letzteres ist ein Bestandteil von in DNA gefundenen Desoxyribotiden.

(ii) Aminozucker:

Die Monosaccharide haben eine Aminogruppe - (NH ₂ ). Glucosamin bildet Chitin, Pilzcellulose, Hyaluronsäure und Chondriotinsulfat. Galactosamin ist ebenfalls ein Bestandteil von Chondriotinsulfat.

(iii) Zuckersäure:

Ascorbinsäure ist eine Zuckersäure. Glucuronsäure und Galacturonsäure kommen in Mucopolysacchariden vor.

(iv) Zuckeralkohol

Glycerin ist an der Lipidsynthese beteiligt; Mannit ist Speicheralkohol in einigen Früchten und Braunalgen.

II. Disaccharide:

Disaccharide bestehen aus zwei Monosacchariden, die durch eine glykosidische Verknüpfung (COC) verbunden sind. Ihre allgemeine Formel ist C _n (H ₂ O) _n-1. Die häufigsten Disaccharide sind Maltose, Laktose und Saccharose.

(i) Maltose:

Es entsteht als Zwischenprodukt der Wirkung von Amylasen auf Stärke und enthält zwei D-Glucosereste in 1, 4-Verknüpfung. Es wird in nachweisbaren Mengen in den meisten keimenden Samen und Geweben gefunden, in denen die Stärke abgebaut wird.

(ii) Lactose:

Es ist in der Milch enthalten, kommt aber sonst nicht in der Natur vor. Bei der Hydrolyse erhält man D-Galactose und D-Glucose. Da Lactose einen freien anomeren Kohlenstoff am Glucoserest aufweist, ist Lactose ein reduzierendes Disaccharid.

(iii) Saccharose oder Rohrzucker ist ein Disaccharid von Glucose und Fructose. Die Hydrolyse von Saccharose zu D-Glucose und D-Fructose wird häufig als Inversion bezeichnet, da sie von einer Nettoänderung der optischen Rotation von Dextro zu Levo begleitet wird, da das äquimolare Gemisch aus Glucose und Fructose gebildet wird (dieses Gemisch wird oft als Invertzucker bezeichnet). . Diese Reaktion wird durch Enzyme namens Invertasen katalysiert. Saccharose ist in der Pflanzenwelt extrem reich und ist als Haushaltszucker bekannt.

(iv) Trehalose:

Es enthält zwei D-Glucosereste und ist als Saccharose ein nicht reduzierendes Disaccharid. Es ist der Hauptzucker in der Hernolymphe vieler Insekten.

III. Trisaccharide:

Eine Reihe von Trisacchariden kommt in der Natur frei vor. Raffinose ist reichlich in Zuckerrüben und vielen anderen höheren Pflanzen zu finden. Melezitose wird im Saft einiger Nadelbäume gefunden.

IV. Polysaccharide:

Die meisten der in der Natur vorkommenden Kohlenhydrate kommen als Polysaccharide mit hohem Molekulargewicht vor. Sie sind komplexe Kohlenhydrate, die durch Polymerisation einer großen Anzahl von Monosaccharidmonomeren gebildet werden. Polysaccharide werden auch als Glykane bezeichnet.

Sie sind langkettig und können verzweigt oder unverzweigt sein. Bei vollständiger Hydrolyse mit Säure oder spezifischen Enzymen ergeben diese Polysaccharide Monosaccharide und / oder einfache Monosaccharidderivate. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung gibt es zwei Arten von Polysacchariden: Homopolysaccharide und Heteropolysaccharide.

(i) Homopolysaccharide oder Homoglycane sind solche komplexen Kohlenhydrate, die durch Polymerisation nur eines Typs von Monosaccharidmonomeren gebildet werden. Stärke, Glykogen und Cellulose bestehen beispielsweise aus einem einzigen Monosaccharid-Typ, der als Glucose bezeichnet wird.

In Abhängigkeit von der beteiligten Monosaccharideinheit wird Polysaccharid Glucan (hergestellt aus Glucose), Fructan (hergestellt aus Fructose), Xylan (mit Xylose), Araban (hergestellt aus Arabinose), Galactan (gebildet aus Galactose) usw. genannt.

(ii) Heterpolysaccharide oder Heteroglycane sind solche komplexen Kohlenhydrate, die durch Kondensation von entweder Monosaccharidderivaten oder mehr als einem Typ von Monosaccharidmonomer erzeugt werden, z. B. Chitin, Agar, Peptidoglycan, Arabanogalactane, Arabanoxylane usw.

In Abhängigkeit von ihrer biologischen Funktion gibt es drei Haupttypen: Speicher-, Struktur- und Mucopolysaccharide.

A. Lagerungspolysaccharide:

Diese Polysaccharide dienen als Reservefutter. Stärke, die in Pflanzen am häufigsten vorkommt, und Glykogen in Tieren werden gewöhnlich in Form von großen Körnchen im Zytoplasma von Zellen abgelagert.

1. Stärke:

Stärke (C ₆ H ₁₀ O ₅ ) x ist die wichtigste Nahrungsquelle für Kohlenhydrate und wird in Getreide, Kartoffeln, Hülsenfrüchten und anderem Gemüse gefunden. Natürliche Stärke ist in Wasser unlöslich und färbt sich mit Jodlösung blau. Es ist ein Polyglucan-Homosaccharid. Stärke besteht aus zwei Komponenten, Amylose und Amylopektin.

(a) Amylose (15-20%):

Es ist eine nicht verzweigte, helikale Struktur, die aus Glucoseresten in ∞-1, 4-Verknüpfung besteht.

(b) Amylopektin (80-85%):

Es besteht aus hochverzweigten Ketten mit 24-30 Glucoseresten pro Kette. Die Glucosereste sind durch gly (1 → 4) glycosidische Bindung in der Kette und durch ∞ (1 → 16) Verknüpfung an den Verzweigungspunkten vereint.

2. Glykogen:

Es ist das Hauptspeicherpolysaccharid tierischer Zellen, das Gegenstück von Stärke in Pflanzenzellen. Glykogen kommt besonders häufig in der Leber vor, wo es bis zu 10% des Nassgewichts erreichen kann. Wie Amyl-Pektin ist Glykogen ein Polysaccharid von D-Glucose in einer ∞ (1 -> 4) -Bindung. Es ist jedoch stärker verzweigt; Die Zweige treten etwa alle 8 bis 12 Glucoserückstände auf.

Die Verzweigungsverknüpfungen sind β (l -> 6). Der gerade Teil ist spiralförmig verdreht, wobei jede Windung sechs Glukoseeinheiten aufweist. Der Abstand zwischen zwei Verzweigungspunkten beträgt 10-14 Glucoserückstände. Glykogen wird leicht durch ∞- und β-Amylasen zu Glucose bzw. Maltose hydrolysiert.

3. Inulin:

Es ist ein Fructanspeicherpolysaccharid von Wurzeln und Knollen von Dahlien und verwandten Pflanzen. Inulin wird im menschlichen Körper nicht metabolisiert und wird leicht durch die Nieren gefiltert. Es wird daher zur Prüfung der Nierenfunktion, insbesondere der glomelulären Filtration, verwendet.

B. Strukturpolysaccharid:

Es handelt sich um Polysaccharide, die an der Gestaltung des strukturellen Rahmens der Zellwände in Pflanzen und am Tiergerüst beteiligt sind. Strukturelle Polysaccharide sind zwei Haupttypen; Chitin und Cellulose.

1. Chitin:

Es ist ein komplexes Kohlenhydrat vom Heteropolysaccharid-Typ, das als struktureller Bestandteil von Pilzwänden (Pilzcellulose) und Exoskelett von Insekten und Krustentieren gefunden wird. Chitin ist ein Homopolymer von N-Acetyl-D-glucosamin in β (1 → 4) -Verbindung mit einer unverzweigten Konfiguration.

2. Cellulose:

Das am häufigsten vorkommende Zellwand- und Strukturpolysaccharid in der Pflanzenwelt ist Cellulose, ein lineares Polymer von D-Glucose in β (1 → 4) -Verknüpfung. Zellulose kommt auch in einigen niederen Wirbellosen vor. Es ist fast ausschließlich extrazellulär. Bei vollständiger Hydrolyse mit starken Säuren ergibt Cellulose nur D-Glucose, bei partieller Hydrolyse die reduzierende Disaccharidcellulose, bei der die Verknüpfung zwischen den D-Glucoseeinheiten β (1 → 4) ist.

Cellulose wird weder von α noch von β-Amylase gebunden. Enzyme, die die β (1 → 4) -Bindungen von Cellulose hydrolysieren können, werden im Verdauungstrakt der meisten Säugetiere nicht ausgeschieden; Daher können sie Zellulose nicht für Lebensmittel verwenden. Die Wiederkäuer, z. B. die Kuh, können jedoch Cellulose als Nahrung verwenden, da Bakterien im Pansen das Enzym Cellulose bilden, die Cellulose zu D-Glucose hydrolysiert.

Zellulosemoleküle treten nicht einzeln auf, sondern eine Reihe von Ketten ist in einer engen antiparallelen Weise angeordnet. Die Moleküle werden durch intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen zwischen der Hydroxylgruppe an Position 6 der Glucosereste eines Moleküls und glycosidischem Sauerstoff zwischen zwei Glucoseresten des benachbarten Moleküls zusammengehalten. Es gibt auch eine intramolekulare Verstärkung der Kette durch Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen der Hydroxylgruppe in Position 3 und dem Sauerstoffatom des nächsten Rests.

C. Mucopolysaccharide:

Mucopolysaccharide oder Schleimstoffe sind in Pflanzen und Tieren recht häufig. Das am häufigsten vorkommende saure Mucopolysaccharid ist Hyaluronsäure, die in Zellmänteln und in der extrazellulären Grundsubstanz des Bindegewebes von Wirbeltieren vorhanden ist.

Die sich wiederholende Einheit von Hyaluronsäure ist eine Disaccharidverbindung von D-Glucoronsäure und N-Acetyl-D-Glucosamin in β- (1 -> 3) -Bindung. Ein anderes saures Mucopolysaccharid ist Chondroitin, dessen Schwefelsäurederivate Chondroitin-4-sulfat und Chondroitin-6-sulfat die Hauptstrukturkomponenten von Zellmänteln, Knorpel, Knochen und anderen Bindegewebsstrukturen in Wirbeltieren sind.

Biologische Bedeutung von Kohlenhydraten:

1. Hauptquelle für Energie:

Kohlenhydrate sind für Tiere unerlässlich, da sie sie als Atembrennstoff verwenden. In tierischen Zellen dienen Kohlenhydrate in Form von Glukose und Glykogen als wichtige Energiequelle für die Vitalaktivitäten.

2. Strukturbestandteile von Zellen:

Kohlenhydrate dienen bei manchen Tieren und in Pflanzen als wichtiges Strukturmaterial, wo sie das Zellulosegerüst bilden.

3. Schlüsselrolle im Stoffwechsel:

Kohlenhydrate spielen eine Schlüsselrolle im Stoffwechsel von Aminosäuren und Fettsäuren.

4. Sonderfunktionen:

Einige Kohlenhydrate haben eine hochspezifische Funktion, z. B. Ribose in den Nukleoproteinen der Zellen und Galactose in bestimmten Lipiden.