KOOLHYDRATEN: CHEMISCHE STRUCTUUR, CLASSIFICATIE EN FUNCTIES - BIOLOGIE - 2025

De koolhydraten , koolhydraten of sachariden zijn organische moleculen die energie opslaan in levende wezens. Het zijn de meest voorkomende biomoleculen en omvatten: suikers, zetmeel en cellulose, naast andere verbindingen die in levende organismen worden aangetroffen.

Organismen die fotosynthese uitvoeren (planten, algen en sommige bacteriën) zijn de belangrijkste producenten van koolhydraten in de natuur. De structuur van deze sacchariden kan lineair of vertakt, eenvoudig of samengesteld zijn, en ze kunnen ook associëren met biomoleculen van een andere klasse.

Koolhydraten kunnen bijvoorbeeld aan eiwitten binden om glycoproteïnen te vormen. Ze kunnen ook associëren met lipidemoleculen en zo glycolipiden vormen, de biomoleculen die de structuur van biologische membranen vormen. Koolhydraten zijn ook aanwezig in de structuur van nucleïnezuren.

Aanvankelijk werden koolhydraten erkend als moleculen voor de opslag van cellulaire energie. Vervolgens werden andere belangrijke functies bepaald die koolhydraten vervullen in biologische systemen.

Alle levende wezens hebben hun cellen bedekt met een dichte laag complexe koolhydraten. Koolhydraten bestaan ​​uit monosacchariden, kleine moleculen die bestaan ​​uit drie tot negen koolstofatomen die zijn bevestigd aan hydroxylgroepen (-OH), die kunnen variëren in grootte en configuratie.

Een belangrijke eigenschap van koolhydraten is de enorme structurele diversiteit binnen deze klasse van moleculen, waardoor ze een breed scala aan functies kunnen vervullen, zoals het genereren van celsignaleringsmoleculen, het vormen van weefsels en het genereren van de identiteit van de verschillende bloedgroepen bij mensen.

Evenzo is de extracellulaire matrix in hogere eukaryoten rijk aan uitgescheiden koolhydraten, essentieel voor celoverleving en communicatie. Deze celherkenningsmechanismen worden door een verscheidenheid aan pathogenen benut om hun gastheercellen te infecteren.

Monosacchariden kunnen worden verbonden door glycosidebindingen om een ​​breed scala aan koolhydraten te vormen: disacchariden, oligosacchariden en polysacchariden. De studie van de structuur en functie van koolhydraten in biologische systemen wordt glycobiologie genoemd.

Chemische structuur

Koolhydraten bestaan ​​uit koolstof-, waterstof- en zuurstofatomen. De meeste hiervan kunnen worden weergegeven door de empirische formule (CH2O) n, waarbij n het aantal koolstofatomen in het molecuul is. Met andere woorden, de verhouding tussen koolstof, waterstof en zuurstof is 1: 2: 1 in koolhydraatmoleculen.

Deze formule verklaart de oorsprong van de term "koolhydraat", aangezien de componenten koolstofatomen ("carbo") en atomen van water zijn (daarom "hydraat"). Hoewel koolhydraten voornamelijk uit deze drie atomen bestaan, zijn er enkele koolhydraten met stikstof, fosfor of zwavel.

In hun basisvorm zijn koolhydraten eenvoudige suikers of monosacchariden. Deze eenvoudige suikers kunnen met elkaar worden gecombineerd om meer complexe koolhydraten te vormen.

De combinatie van twee eenvoudige suikers is een disaccharide. Oligosacchariden bevatten twee tot tien enkelvoudige suikers, en polysacchariden zijn de grootste koolhydraten, die uit meer dan tien monosaccharide-eenheden bestaan.

De structuur van koolhydraten bepaalt hoe energie wordt opgeslagen in hun bindingen tijdens hun vorming door fotosynthese, en ook hoe deze bindingen worden verbroken tijdens cellulaire ademhaling.

Classificatie

Monosacchariden

Monosacchariden zijn de elementaire eenheden van koolhydraten en daarom zijn ze de eenvoudigste structuur van een sacharide. Fysiek zijn monosacchariden kleurloze kristallijne vaste stoffen. De meeste hebben een zoete smaak.

Vanuit chemisch oogpunt kunnen monosacchariden aldehyden of ketonen zijn, afhankelijk van waar de carbonylgroep (C = O) zich bevindt in lineaire koolhydraten. Structureel kunnen monosacchariden rechte ketens of gesloten ringen vormen.

Omdat monosacchariden hydroxylgroepen bezitten, zijn de meeste oplosbaar in water en onoplosbaar in niet-polaire oplosmiddelen.

Afhankelijk van het aantal koolstofatomen in zijn structuur, zal een monosaccharide verschillende namen hebben, bijvoorbeeld: triose (als het 3 C-atomen heeft), pentose (als het 5C heeft) enzovoort.

Disacchariden

Disachariden zijn dubbele suikers die worden gevormd door twee monosachariden bij elkaar te brengen in een chemisch proces dat dehydratatiesynthese wordt genoemd, omdat tijdens de reactie een molecuul water verloren gaat. Het is ook bekend als een condensatiereactie.

Een disaccharide is dus elke stof die is samengesteld uit twee moleculen van enkelvoudige suikers (monosacchariden) die via een glycosidebinding met elkaar zijn verbonden.

Zuren hebben het vermogen om deze bindingen te verbreken, daarom kunnen disacchariden in de maag worden verteerd.

Disacchariden zijn over het algemeen in water oplosbaar en zoet als ze worden ingenomen. De drie belangrijkste disachariden zijn sucrose, lactose en maltose: sucrose komt voort uit de combinatie van glucose en fructose; lactose komt uit de vereniging van glucose en galactose; en maltose komt van de vereniging van twee glucosemoleculen.

Oligosacchariden

Oligosacchariden zijn complexe polymeren die bestaan ​​uit enkele eenvoudige suikereenheden, dat wil zeggen tussen de 3 en 9 monosacchariden.

De reactie is dezelfde die disacchariden vormt, maar ze komen ook voort uit de afbraak van meer complexe suikermoleculen (polysacchariden).

De meeste oligosacchariden worden in planten aangetroffen en werken als oplosbare vezels, die constipatie kunnen helpen voorkomen. De meeste mensen hebben echter niet de enzymen om ze te verteren, behalve maltotriose.

Om deze reden kunnen oligosacchariden die aanvankelijk niet in de dunne darm worden verteerd, worden afgebroken door bacteriën die normaal in de dikke darm wonen via een fermentatieproces. Prebiotica vervullen deze functie en dienen als voedsel voor nuttige bacteriën.

Polysacchariden

Polysacchariden zijn de grootste saccharidepolymeren, ze bestaan ​​uit meer dan 10 (tot duizenden) monosaccharide-eenheden die lineair of vertakt zijn gerangschikt. Variaties in ruimtelijke ordening geven deze suikers hun meerdere eigenschappen.

Polysacchariden kunnen zijn samengesteld uit hetzelfde monosaccharide of door een combinatie van verschillende monosacchariden. Als ze worden gevormd door zich herhalende eenheden van dezelfde suiker, worden ze homopolysacchariden genoemd, zoals glycogeen en zetmeel, die de opslagkoolhydraten van respectievelijk dieren en planten zijn.

Als het polysaccharide bestaat uit eenheden van verschillende suikers, worden ze heteropolysacchariden genoemd. De meeste bevatten slechts twee verschillende eenheden en worden meestal geassocieerd met eiwitten (glycoproteïnen, zoals gammaglobuline in bloedplasma) of lipiden (glycolipiden, zoals gangliosiden).

Kenmerken

De vier belangrijkste functies van koolhydraten zijn: energie leveren, energie opslaan, macromoleculen opbouwen en de afbraak van eiwitten en vetten voorkomen.

Koolhydraten worden door vertering afgebroken tot enkelvoudige suikers. Deze worden opgenomen door de cellen van de dunne darm en naar alle cellen van het lichaam getransporteerd waar ze worden geoxideerd om energie te verkrijgen in de vorm van adenosinetrifosfaat (ATP).

De suikermoleculen die op een bepaald moment niet worden gebruikt bij de productie van energie, worden opgeslagen als onderdeel van reservepolymeren zoals glycogeen en zetmeel.

Nucleotiden, de fundamentele eenheden van nucleïnezuren, hebben glucosemoleculen in hun structuur. Verschillende belangrijke eiwitten worden geassocieerd met koolhydraatmoleculen, bijvoorbeeld: follikelstimulerend hormoon (FSH), dat betrokken is bij het ovulatieproces.

Omdat koolhydraten de belangrijkste energiebron zijn, voorkomt hun snelle afbraak dat andere biomoleculen worden afgebroken voor energie. Dus als de suikerniveaus normaal zijn, worden eiwitten en lipiden beschermd tegen afbraak.

Sommige koolhydraten zijn oplosbaar in water, ze fungeren voor bijna iedereen als basisvoedsel en de oxidatie van deze moleculen is de belangrijkste route voor energieproductie in de meeste niet-fotosynthetische cellen.

Onoplosbare koolhydraten associëren zich om meer complexe structuren te vormen die als bescherming dienen. Bijvoorbeeld: cellulose vormt samen met hemicellulose en pectine de wand van plantencellen. Chitine vormt de celwand van schimmels en het exoskelet van geleedpotigen.

Ook vormt peptidoglycaan de celwand van bacteriën en cyanobacteriën. Dierlijk bindweefsel en skeletgewrichten bestaan ​​uit polysacchariden.

Veel koolhydraten zijn covalent gebonden aan eiwitten of lipiden, waardoor complexere structuren worden gevormd, gezamenlijk glycoconjugaten genoemd. Deze complexen fungeren als tags die de intracellulaire locatie of het metabolische lot van deze moleculen bepalen.

Voedingsmiddelen die koolhydraten bevatten

Koolhydraten zijn een essentieel onderdeel van een gezond voedingspatroon, aangezien ze de belangrijkste energiebron zijn. Sommige voedingsmiddelen bevatten echter gezondere koolhydraten die een grotere hoeveelheid voedingsstoffen bevatten, bijvoorbeeld:

Zetmeel

Zetmeelrijke voedingsmiddelen zijn de belangrijkste bron van koolhydraten. Deze zetmelen zijn over het algemeen complexe koolhydraten, dat wil zeggen dat ze bestaan ​​uit vele suikers die met elkaar zijn verbonden om een ​​lange moleculaire keten te vormen. Om deze reden duurt het langer voordat zetmelen verteren.

Er is een breed scala aan voedingsmiddelen die zetmeel bevatten. Granen bevatten voedingsmiddelen met een hoog zetmeelgehalte, bijvoorbeeld bonen, linzen en rijst. Granen bevatten ook deze koolhydraten, bijvoorbeeld: haver, gerst, tarwe en hun derivaten (meel en pasta).

Peulvruchten en noten bevatten ook koolhydraten in de vorm van zetmeel. Bovendien zijn groenten zoals: aardappelen, zoete aardappelen, maïs en pompoen ook rijk aan zetmeel.

Belangrijk is dat veel koolhydraten een bron van vezels zijn. Met andere woorden, vezels zijn in feite een soort koolhydraten die het lichaam slechts gedeeltelijk kan verteren.

Net als bij complexe koolhydraten, hebben koolhydraatvezels de neiging langzaam te worden verteerd.

Fruit en groenten

Fruit en groenten bevatten veel koolhydraten. In tegenstelling tot zetmeel bevatten fruit en groenten enkelvoudige koolhydraten, dat wil zeggen koolhydraten met een of twee aan elkaar gehechte sachariden.

Deze koolhydraten, die eenvoudig in hun moleculaire structuur zijn, worden gemakkelijker en sneller verteerd dan complexe. Dit geeft een idee van de verschillende gehaltes en soorten koolhydraten in voedingsmiddelen.

Zo bevatten sommige fruitsoorten meer koolhydraten per portie, bijvoorbeeld: bananen, appels, sinaasappels, meloenen en druiven bevatten meer koolhydraten dan sommige groenten zoals spinazie, broccoli en boerenkool, wortelen, champignons en aubergines.

Melk

Net als groenten en fruit, is zuivel voedsel dat enkelvoudige koolhydraten bevat. Melk heeft zijn eigen suiker, lactose genaamd, een zoet smakende disaccharide. Een kopje hiervan komt overeen met ongeveer 12 gram koolhydraten.

Er zijn veel varianten van melk en yoghurt op de markt. Ongeacht of u een hele of vetarme versie van een bepaald zuivelproduct consumeert, de hoeveelheid koolhydraten is hetzelfde.

De snoep

Snoep is een andere bekende bron van koolhydraten. Deze omvatten suiker, honing, snoep, kunstmatige dranken, koekjes, ijs en vele andere desserts. Al deze producten bevatten hoge concentraties suikers.

Aan de andere kant bevatten sommige bewerkte en geraffineerde voedingsmiddelen complexe koolhydraten, bijvoorbeeld: brood, rijst en witte pasta. Het is belangrijk op te merken dat geraffineerde koolhydraten niet voedzaam zijn, zoals de koolhydraten in fruit en groenten.

Koolhydraat metabolisme

Koolhydraatmetabolisme is de reeks metabole reacties die de vorming, afbraak en omzetting van koolhydraten in cellen omvatten.

Het koolhydraatmetabolisme is sterk geconserveerd en kan zelfs door bacteriën worden waargenomen, met als belangrijkste voorbeeld de Lac Operon van E. coli.

Koolhydraten zijn belangrijk in veel metabole routes, waaronder fotosynthese, de belangrijkste reactie van de natuur op het gebied van koolhydraatvorming.

Uit kooldioxide en water gebruiken planten energie van de zon om koolhydraatmoleculen te synthetiseren.

Dierlijke en schimmelcellen van hun kant breken koolhydraten af ​​die in plantenweefsels worden geconsumeerd om energie te verkrijgen in de vorm van ATP via een proces dat cellulaire ademhaling wordt genoemd.

Bij gewervelde dieren wordt glucose via het bloed door het lichaam getransporteerd. Als de cellulaire energiereserves laag zijn, wordt glucose afgebroken door een metabolische reactie, glycolyse genaamd, om wat energie en enkele metabolische tussenproducten te produceren.

Glucosemoleculen die niet nodig zijn voor onmiddellijke energieproductie, worden als glycogeen opgeslagen in de lever en spieren, via een proces dat glycogenese wordt genoemd.

Sommige eenvoudige koolhydraten hebben hun eigen afbraakroutes, zoals sommige van de meer complexe koolhydraten. Lactose vereist bijvoorbeeld de werking van het enzym lactase, dat zijn bindingen verbreekt en zijn fundamentele monosacchariden, glucose en galactose, afgeeft.

Glucose is het belangrijkste koolhydraat dat door cellen wordt geconsumeerd, het vormt ongeveer 80% van de energiebronnen.

Glucose wordt gedistribueerd naar cellen, waar het via specifieke transporteurs kan worden afgebroken of opgeslagen als glycogeen.

Afhankelijk van de metabolische vereisten van een cel, kan glucose ook worden gebruikt om andere monosacchariden, vetzuren, nucleïnezuren en bepaalde aminozuren te synthetiseren.

De belangrijkste functie van het koolhydraatmetabolisme is om de bloedsuikerspiegel onder controle te houden, dit is wat bekend staat als interne homeostase.

Referenties

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Moleculaire biologie van de cel (6e ed.). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biochemie (8e ed.). WH Freeman and Company.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biologie (2e ed.) Pearson Education.
4. Dashty, M. (2013). Een korte blik op biochemie: koolhydraatmetabolisme. Clinical Biochemistry, 46 (15), 1339-1352.
5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Moleculaire celbiologie (8e ed.). WH Freeman and Company.
6. Maughan, R. (2009). Koolhydraat metabolisme. Chirurgie, 27 (1), 6-10.
7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Lehninger Principles of Biochemistry (6 ^e ). WH Freeman and Company.
8. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biologie (7e ed.) Cengage Learning.
9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level (5e ed.). Wiley.