کربوهیدرات چیست؟ — اجزا، ساختار، عملکرد و متابولیسم — آنچه باید بدانید

کربوهیدرات یک ترکیب طبیعی یا مشتق شده از ترکیبی با فرمول شیمیایی عمومی CΧ (H2O)Υ، از مولکول‌های کربن (C)، هیدروژن (H) و اکسیژن (O) تشکیل شده است. کربوهیدرات‌ها گسترده‌ترین مواد آلی هستند و در بدن نقش حیاتی دارند. در این مطلب درباره ساختار شیمیایی، واحدهای تشکیل‌دهنده، انواع آن، تولید یا آنابولیسم و متابولیسم کربوهیدارت توضیح داده‌ایم.

کربوهیدرات چیست؟

کربوهیدرات یکی از مولکول‌های زیستی متشکل از اتم‌های کربن (C)، هیدروژن (H) و اکسیژن (O) است که معمولاً با نسبت اتم هیدروژن و اکسیژن 2 به 1 (مانند آب) و در نتیجه با فرمول تجربی CΜ (H2O)Ν (Μ ممکن است با Ν متفاوت باشد یا نباشد) ساخته می‌شود. با این حال، همه کربوهیدرات‌ها دقیقا با این تعریف استوکیومتری مطابقت ندارند (به عنوان مثال، اسیدهای اورونیک، قندهای اکسیژنه مانند فوکوز) و از طرفی همه مواد شیمیایی که مطابق با این تعریف هستند نیز به عنوان کربوهیدرات طبقه‌بندی نمی‌شوند (به عنوان مثال فرمالدهید).

فیلم آموزش علوم تجربی – پایه هفتم در فرادرس

کلیک کنید

واژه کربوهیدرات بیشتر در بیوشیمی رایج است، جایی که این واژه مترادف ساکارید است، گروهی که شامل قندها، نشاسته و سلولز هستند. ساکاریدها به چهار گروه شیمیایی تقسیم می‌شوند:

• مونوساکاریدها
• دی ساکاریدها
• اولیگوساکاریدها
• پلی ساکاریدها

مونوساکاریدها و دی‌ساکاریدها، کوچکترین کربوهیدرات‌ها (با وزن مولکولی پایین)، معمولاً قند نامیده می‌شوند. در حالی که نام علمی کربوهیدرات ها پیچیده است، اما نام مونوساکاریدها و دی‌ساکاریدها غالباً در پسوند -ose که در اصل از گلوکز گرفته شده است، تقریباً برای همه قندها به کار می‌رود.

سلولز، پلی ساکاریدی است که در دیواره سلولی همه گیاهان یافت می‌شود، یکی از اجزای اصلی فیبر غذایی و نامحلول است. اگرچه سلولز قابل هضم نیست اما فیبرهای غذایی نامحلول با کاهش آب مدفوع و کمک به دفع آن، به حفظ لوله گوارشی سالم کمک می‌کنند. از دیگر پلی‌ساکاریدهای موجود در فیبر غذایی می‌توان به نشاسته و اینولین مقاوم اشاره کرد که برخی از باکتری‌ها را در میکروبیوتای روده بزرگ، تغذیه می‌کنند و توسط این باکتری‌ها متابولیزه می‌شوند و اسیدهای چرب زنجیره کوتاه تولید می‌کند.

ساختار کربوهیدارت ها چگونه است؟

قبلاً نام کربوهیدرات در شیمی برای هر ترکیبی با فرمول CΜ (H2O)Ν استفاده می‌شد. به دنبال این تعریف، برخی از شیمی‌دان‌ها فرمالدهید (CH2O) را ساده‌ترین کربوهیدرات می‌دانند، در حالی که برخی دیگر گلیکو‌آلدهیدها را ساده‌ترین کربوهیدرات می‌دانند. امروزه این اصطلاح به طور کلی در مفهوم بیوشیمی درک می‌شود که ترکیباتی را که فقط دارای یک یا دو کربن هستند را حذف می‌کند و شامل بسیاری از کربوهیدرات‌های بیولوژیکی است که از این فرمول طبعیت نمی‌کنند.

فیلم آموزش بیوشیمی کربوهیدرات و لیپید در فرادرس

کلیک کنید

به عنوان مثال، در حالی که به نظر می‌رسد فرمول‌های فوق نمایانگر کربوهیدرات های شناخته شده هستند، کربوهیدرات‌های فراگیر و فراوان اغلب از این فرمول پیروی نمی‌کنند. به عنوان مثال، کربوهیدرات های اغلب گروه‌های شیمیایی مانند: N-استیل (به عنوان مثال کیتین)، سولفات (به عنوان مثال گلیکوزامینو گلیکان‌ها)، اسید کربوکسیلیک (به عنوان مثال اسید سیالیک) و انواع دئوکسی (به عنوان مثال فوکوز و اسید سیالیک) را دارند.

شیمی کربوهیدات چیست؟

شیمی کربوهیدرات زیرشاخه‌ای از شیمی است که در درجه اول مربوط به سنتز، ساختار و عملکرد کربوهیدرات‌ها است. به دلیل ساختار کلی کربوهیدرات، سنتز آن‌ها غالباً با پیوندهای گلیکوزیدی و واکنش با گروه‌های هیدروکسیل انجام می‌شود. در نتیجه تا حد زیادی به استفاده از گروه‌های محافظت‌کننده متکی است. در شیمی کربوهیدرات استالیزاسیون کربوهیدرات یک واکنش آلی و یک وسیله بسیار موثر برای تأمین یک گروه محافظ است.

استون یا 2،2- دی‌متیل‌هیدروکسی‌پروپان به عنوان معرف استالیزاسیون، واکنش تحت کنترل واکنش ترمودینامیکی است و منجر به تولید پنتوز می‌شود. واکنش در واقع یک استالیزاسیون متقابل است. کنترل واکنش حرکتی از 2- متوکسی پروپن به عنوان معرف حاصل می‌شود. ریبوز D به خودی خود یک همی‌استال و در تعادل با پیرانوز 3 است.

در محلول آبی، ریبوز، 75 درصد به فرم پیرانوز و 25 درصد به فرم فورانوز است و استال 4 متفاوت تشکیل می‌شوند. استالیزاسیون انتخابی کربوهیدرات و تشکیل استال‌هایی که دارای خواص غیر معمولی هستند با استفاده از استیل‌های آریل سولفونیل به دست می‌آیند. نمونه‌ای از استیل‌های آریل سولفونیل به عنوان گروه‌های محافظ کربوهیدرات، استیل‌های فنیل سولفونیل اتیلیدین هستند. این استال‌ها در برابر هیدرولیز اسید مقاوم هستند و می‌توانند به راحتی تحت شرایط احیا کلاسیک محافظت شوند.

انواع کربوهیدرات ها چه هستند؟

کربوهیدرات‌ها عبارتند از پلی هیدروکسی آلدئیدها، کتون‌ها، الکل‌ها، اسیدها، مشتقات ساده و پلیمرهای آن‌ها که دارای پیوندهایی از نوع استال هستند. آن‌ها ممکن است با توجه به درجه پلیمریزاسیون به مونوساکاریدها، دی ساکاریدها، الیگوساکاریدها و پلی ساکاریدها طبقه‌بندی شوند. همچنین کربوهیدرات ها را از نظر درجه پیچیدگی می‌توان به دو دسته کربوهیدارتهای مرکب یا پیچیده و کربوهیدراتهای ساده دسته‌بندی کرد.

فیلم آموزش علوم تجربی – پایه هفتم در فرادرس

کلیک کنید

کربوهیدارت های ساده چه هستند؟

کربوهیدرات های ساده به سرعت توسط بدن تجزیه می شوند تا به عنوان انرژی استفاده شوند. کربوهیدرات های ساده به طور طبیعی در غذاهایی مانند میوه‌ها و لبنیاتی همچون شیر یافت می‌شوند. همچنین در قندهای فرآوری شده و تصفیه شده مانند آب نبات، قند سفره، شربت و نوشابه وجود دارند. بیشترین میزان کربوهیدرات مصرفی باید از کربوهیدرات‌های پیچیده (نشاسته) و قندهای طبیعی تأمین شود. از جمله کربوهیدراتهای پیچیده می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• شکر خام
• شکر قهوه‌ای
• شربت ذرت
• گلوکز
• فروکتوز
• ساکارز
• کنسانتره آب میوه

اگرچه این نوع از کربوهیدرات به سرعت انرژی بدن را تأمین می‌کنند، خوردن قندهای ساده میزان ترشح انسولین را بالا می‌برد، در نتیجه فرد پس از خوردن آن‌ها به سرعت دچار افت قند خون شده و نیاز به مصرف مجدد قند دارد. بنابراین در صورت استفاده زیاد، ریسک ابتلا به انواع دیابت و سندرم متابولیک افزایش خواهند یافت.

کربوهیدرات های مرکب چه هستند؟

کربوهیدراتهای پیچیده از مولکول‌های قند تشکیل می‌شوند که به صورت زنجیره‌های منشعب به یکدیگر متصل شده‌اند. کربوهیدراتهای پیچیده در غذاهایی مانند نخود فرنگی، لوبیا، غلات کامل و سبزیجات یافت می‌شوند. کربوهیدرات های ساده و پیچیده هر دو در بدن به گلوکز (قند خون) تبدیل و به عنوان انرژی استفاده می شوند.

غذاهای حاوی کربوهیدرات مرکب، ویتامین‌ها، مواد معدنی و فیبرهایی را فراهم می‌کنند که برای سلامتی مهم هستند اما برخلاف کربوهیداتهای طبیعی، انواع فرآوری شده فاقد سایر مواد مغذی هستند و صرفا کالری و گلوکز بالایی دارند. کربوهیدراتهای مرکب در بدنسازی و ورزشکاران پر مصرف هستند چرا که به مدت طولانی باعث حفظ انرژی، احساس سیری و جلوگیری از عضله‌سوزی می‌شوند. برخی از کربوهیدراتهای پیچیده و فرآوری نشده عبارتند از:

• غلات کامل مانند برنج قهوه‌ای
• بلغور
• جو دوسر
• جو
• غلات سبوس‌دار
• کینوا
• گندم سیاه
• سبزیجات نشاسته‌ای شامل سیب‌زمینی، سیب‌زمینی شیرین و ذرت
• سبزیجات غیر نشاسته‌ای مانند مارچوبه، کدو سبز و بروکلی
• حبوباتی همچون لوبیا، عدس و نخود

مونوساکارید چیست؟

ساکاریدهای طبیعی به طور کلی از دو کربوهیدرات ساده به نام مونوساکاریدها (Monosaccharides) با فرمول کلی (CH2O)Ν ساخته می‌شوند که n سه یا بیشتر باشد. یک مونوساکارید معمولی دارای ساختار Η – (CHOH) Χ(C = O) - (CHOH)Υ – Η است، یعنی در آلدهید یا کتون با بسیاری از گروه‌های هیدروکسیل اضافه شده، معمولاً یکی از هر اتم کربن که بخشی از گروه عملکردی آلدهید یا کتون. نمونه‌هایی از مونوساکاریدها گلوکز، فروکتوز و گلیسرآلدئیدها هستند.

فیلم آموزش بیوشیمی عمومی – جامع و به زبان ساده در فرادرس

کلیک کنید

با این حال، برخی از مواد بیولوژیکی که معمولاً مونوساکاریدها نامیده می‌شوند با این فرمول مطابقت ندارند (به عنوان مثال اسیدهای اورونیک و قندهای اکسیژنه مانند فوکوز). بسیاری از مواد شیمیایی وجود دارد که مطابق با این فرمول هستند اما مونوساکارید محسوب نمی‌شوند (به عنوان مثال فرمالدئید با فرمول CH2O و اینوزیتول (CH2O) 6).

شکل زنجیره باز مونوساکارید اغلب با یک حلقه بسته وجود دارد که در آن گروه آلدهید / کتون کربونیل کربن (C = O) و گروه هیدروکسیل (-OH) واکنش می‌دهند و با ایجاد یک پل C-O-C یک نیم استیل تشکیل می‌دهند. مونوساکاریدها به روش‌های مختلفی به هم متصل شده و دی ساکارید، اولیگوساکارید یا پلی‌ساکاریدها را می‌سازند.

مونوساکاریدها قندهای ساده نیز نامیده می‌شوند چون ساده‌ترین شکل قند و اساسی‌ترین واحد (مونومر) کربوهیدرات ها هستند. فرمول کلی ΝH۲ΝOΝ است، البته همه مولکول‌ها متناسب با این فرمول (به عنوان مثال اسید استیک) کربوهیدرات نیستند. مونوساکاریدها معمولاً بی‌رنگ، محلول در آب و جامدات بلوری هستند. برخلاف نام آن‌ها، فقط بعضی از مونوساکاریدها مانند گلوکز (دکستروز)، فروکتوز (لوولوز) و گالاکتوز طعم شیرینی دارند.

هر اتم کربن که از یک گروه هیدروکسیل پشتیبانی کند، کایرال است به جز مواردی که در انتهای زنجیره هستند. این مسئله باعث به وجود آمدن فرم‌های ایزومریک مختلف می‌شود که همگی فرمول شیمیایی یکسانی دارند. به عنوان مثال، گالاکتوز و گلوکز هر دو آلدوکتوز هستند اما ساختارهای فیزیکی و خواص شیمیایی مختلفی دارند. مونوساکارید گلوکز در سوخت و ساز بدن نقش اساسی دارد و انرژی شیمیایی آن از طریق گلیکولیز و چرخه اسید سیتریک ذخیره و در موقع لزوم مصرف می‌شود.

برخی دیگر از مونوساکاریدها نیز می‌توانند در موجود زنده به گلوکز تبدیل شوند. گلوکز که به عنوان منبع انرژی و برای سنتز نشاسته، گلیکوژن و سلولز استفاده می‌شود، هگزوز است. ریبوز و دئوکسی‌ریبوز (به ترتیب در RNA و DNA) قندهای پنتوز  هستند. نمونه‌هایی از هپتوز نیز شامل کتوز، منوهپتولوز و سدو هپتولوز می‌شوند. مونوساکاریدهای دارای هشت یا بیشتر کربن به ندرت وجود دارند زیرا کاملاً بی‌ثبات هستند. در محلول‌های آبی اگر بیش از چهار کربن داشته باشد مونوساکاریدها به صورت حلقه وجود دارند.

مونوساکاریدها منبع اصلی سوخت و ساز بدن هستند که هم به عنوان منبع انرژی (گلوکز مهمترین ماده در طبیعت است) و هم در بیوسنتز مورد استفاده قرار می‌گیرند. هنگامی که مونوساکاریدها بلافاصله توسط بسیاری از سلول‌ها مورد نیاز نباشند، آن‌ها به فرم‌های کارآمدتر در فضا، اغلب پلی ساکاریدها تبدیل می‌شوند. در بسیاری از حیوانات از جمله انسان، این فرم ذخیره‌سازی به ویژه در سلول‌های کبدی و عضلانی گلیکوژن است. در گیاه از نشاسته به همین منظور استفاده می‌شود.

کربوهیدرات فراوان سلولز، یک جز ساختاری از دیواره سلولی گیاهان و انواع مختلفی از جلبک‌ها است. ریبوز یکی از اجزای RNA و دئوکسی ریبوز یکی از اجزای ساختاری DNA هستند. لیکسوز جز لیکسوفلاوین است که در قلب انسان یافت می‌شود. ریبولوز و زایلولوز در مسیر پنتوز فسفات تولید می‌شوند. گالاکتوز، یکی از اجزای لاکتوز قند شیر، در گالاکتولیپیدها در غشای سلول‌های گیاهی و در گلیکوپروتئین‌ها در بسیاری از بافت ها وجود دارد. مانوز در متابولیسم انسان، به ویژه در گلیکوزیلاسیون پروتئین‌های خاص رخ می‌دهد.

فروکتوز یا قند میوه در بسیاری از گیاهان و انسان‌ها یافت و در کبد متابولیزه می‌شود، هنگام هضم مستقیماً به روده‌ها جذب و در منی هم به عنوان منبع تغذیه اسپرم‌ها وجود دارد. ترهالوز، قند عمده در بدن حشرات، به سرعت به دو مولکول گلوکز هیدرولیز می‌شود تا انرژی لازم برای پرواز مداوم آن‌ها را پشتیبانی کند.

مونوساکاریدهای خطی

مونوساکاریدهای ساده دارای اسکلت کربنی خطی و منشعب نشده با یک گروه عملکردی کربونیل (C = O) و یک گروه هیدروکسیل (OH) بر روی هریک از اتم‌های باقی مانده کربن هستند. بنابراین، ساختار مولکولی یک مونوساکارید ساده را می‌توان به صورت Η(CHOH) Ν(C = O) (CHOH)ΜΗ نوشت، جایی که Ν+ 1 +Μ = Χ، به طوری که فرمول اصلی آن CΧH2ΧOΧ باشد. طبق قرارداد، اتم‌های کربن از 1 تا x در امتداد ستون فقرات شماره‌گذاری می‌شوند و از انتهای نزدیک‌ترین گروه به گروه C = O شروع می‌شوند.

مونوساکاریدها ساده‌ترین واحدهای کربوهیدرات و ساده‌ترین شکل قند هستند. اگر کربونیل در موقعیت 1 باشد (یعنی n یا m صفر باشد)، مولکول با یک گروه فرمیل Η(C = O) شروع می‌شود و یک آلدهید است. در آن صورت، این ترکیب آلدوز نامیده می‌شود. در غیر این صورت، این مولکول دارای یک گروه کتو، یک کربونیل (C = O) بین دو کربن است پس یک کتون است و کتوز نامیده می‌شود. کتوزهای مهم در بیولوژی معمولاً کربونیل را در موقعیت 2 دارند. طبقه‌بندی‌های مختلف فوق را می‌توان ترکیب کرد و در نتیجه نام‌هایی مانند آلدوهگزوز و کتتریوز ایجاد می‌شود.

نام کلی‌تر برای مونوساکاریدهای زنجیره باز ترکیبی از یک پیشوند یونانی است که تعداد کربن‌ها را نشان می‌دهد ( مثلا هگزا، پنتا، تری، تترا، پنتا) با پسوندهای - اوز برای آلدوزها و - اولوز برای کتوز مشخص می‌شوند. در حالت دوم، اگر کاربونیل در موقعیت 2 نباشد، سپس موقعیت آن با یک پیوند عددی نشان داده می‌شود. بنابراین به عنوان مثال، Η(C = O) (CHOH)4H پنتوز، Η(CHOH) (C = O) (CHOH) 3H پنتولوز و Η(CHOH)2 (C = O) (CHOH)2H پنت -3-اولوز هستند.

استریو ایزومرهای زنجیره باز

دو مونوساکارید با نمودارهای مولکولی معادل (طول زنجیره‌ای و موقعیت کربونیل یکسان) ممکن است هنوز استریوایزومرهای متمایز باشند که مولکول‌های آن‌ها از نظر جهت مکانی متفاوت است. این فقط در صورتی اتفاق می‌افتد که این مولکول شامل یک مرکز استریوژنیک، به ویژه یک اتم کربن باشد که کایرال باشد (به چهار زیر ساختار مولکولی مجزا متصل شود). این چهار پیوند می‌توانند از هر دو پیکربندی در فضا برخوردار باشند که با توجه به قدرت آن‌ها متمایز است.

در یک مونوساکارید با زنجیره باز ساده، هر کربن غیر از اتم‌های اول و آخرین زنجیره و (در کتوزها) کربن با گروه کتو، کایرال است. سیستم فیشر یک روش سیستماتیک برای رسم فرمول اسکلتی مونوساکاریدهای حلقوی است به طوری که قدرت هر کربن کایرال به خوبی مشخص شده است. هر استریوایزومر یک مونوساکارید با زنجیره باز ساده را می‌توان با موقعیت‌های (راست یا چپ) در نمودار فیشر هیدروکسیل‌های کایرال (هیدروکسیل‌های متصل به کربن‌های کایرال) شناسایی کرد.

در مدل فیشر، دو ایزومر تصویر آینه‌ای با تغییر موقعیت همه هیدروکسیل‌های کایرال از راست به چپ متفاوت هستند. ایزومرهای تصویر آینه ای از نظر شیمیایی در محیط‌های غیر کایرال یکسان هستند اما معمولاً دارای ویژگی های بیوشیمیایی و وقایع بسیار متفاوتی در طبیعت هستند.

کانفورماسیون مونوساکاریدها

مانند بسیاری از مولکول‌های کایرال، دو استریوایزومر گلیسرالدهید به تدریج جهت عبور قطبی نور قطبی شده را حتی در محلول عبور می‌دهد. دو استریوایزومر با توجه به حس چرخش با پیشوندهای d- و l- مشخص می‌شوند:

• d-glyceraldehyde dextrorotatory: محور قطبی را در جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخاند.
• l-glyceraldehyde levototator: آن را خلاف جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخاند.

در سیستم فیشر، پیشوندهای d- و l- پیکربندی دومین اتم کربن از پایین را مشخص می‌کند:

• d- اگر گروه هیدروکسیل در سمت راست باشد
• l- اگر گروه هیدروکسیل در سمت چپ باشد.

توجه داشته باشید که پیشوندهای d- و l- جهت چرخش نور را نشان نمی‌دهد بلکه نشان‌دهنده آرایش در تمام مراکز کایرال است. دو انانتیومر همیشه نور را در جهت مخالف و به همان میزان می‌چرخانند.

دی ساکارید چیست؟

دی ساکارید (که به آن قند مضاعف یا بیوز نیز گفته می‌شود) قندی است که هنگام اتصال دو مونوساکارید توسط پیوند گلیکوزیدی ایجاد می‌شود. دی ساکاریدها مانند مونوساکاریدها قندهای ساده ای هستند که در آب حل می‌شوند. سه نمونه متداول از دی ساکاریدها ساکارز، لاکتوز و مالتوز با ۱۲ اتم کربن هستند. دی‌ساکاریدها یکی از چهار گروه شیمیایی کربوهیدرات (مونوساکاریدها، دی ساکاریدها، اولیگوساکاریدها و پلی ساکاریدها) هستند. تفاوت در این ساکاریدها به دلیل آرایش‌های اتمی درون مولکول است.

اتصال مونوساکاریدها به یک قند مضاعف با واکنش تراکم اتفاق می‌افتد، که فقط شامل حذف یک مولکول آب از گروه‌های عملکردی است. تجزیه یک قند مضاعف به دو مونوساکارید آن با هیدرولیز و با کمک نوعی آنزیم به نام دی ساکاریداز حاصل می‌شود. همانطور که با ساختن قند بزرگتر یک مولکول آب خارج می‌شود، تجزیه آن باعث صرف یک مولکول آب می‌شود. این واکنش‌ها در متابولیسم حیاتی هستند. هر دی ساکارید با کمک دی‌ساکاریداز مربوطه (سوکراز، لاکتاز و مالتاز) تجزیه می‌شود.

پیوند گلیکوزیدی می‌تواند بین هر گروه هیدروکسی روی مونوساکارید مؤلفه تشکیل شود. بنابراین، حتی اگر هر دو قند مؤلفه یکسان باشند (به عنوان مثال، گلوکز)، ترکیبات مختلف پیوند (رژیوشیمی) و استریوشیمی (آلفا یا بتا) منجر به تولید دی ساکاریدها می‌شود که دیاستروایزومرها با خواص شیمیایی و فیزیکی مختلف هستند. بسته به ترکیبات مونوساکارید، دی ساکاریدها گاهی کریستالی، گاهی محلول در آب و گاهی مزه شیرین و احساس چسبندگی دارند. دی ساکاریدها می‌توانند با تشکیل پیوندهای گلیکوزیدی با سایر ترکیبات آلی، تشکیل بیوسیدها به عنوان گروه های عملکردی عمل کنند.

طبقه بندی دی ساکاریدها

از نظر کارکرد، دو نوع متفاوت از دی‌ساکاریدها وجود دارند:

• دی‌ساکاریدهای احیا کننده: یکی از مونوساکاریدهای سازنده احیا کننده است چون یک واحد همی استال آزاد دارد که می‌تواند به عنوان  گروه آلدهید احیا کننده عمل کند. لاکتوز، مالتوز و سلوبیوز نمونه‌هایی از دی ساکاریدهای احیا کننده هستند که هرکدام دارای یک واحد همی استال و واحد دیگر توسط پیوند گلیکوزیدیک اشغال می‌شود و از این طریق نمی‌تواند به عنوان یک عامل کاهنده عمل کند. با آزمایش ووهلک یا تست Fearon روی متیل آمین به راحتی می‌توان آن‌ها را تشخیص داد.

فیلم آموزش بیوشیمی کربوهیدرات و لیپید

کلیک کنید

• دی‌ساکاریدهای غیر احیایی: مونوساکاریدها سازنده از طریق پیوند استال بین مراکز آنومری آن‌ها پیوند می‌یابند. این نتیجه باعث می‌شود که هیچ یک از مونوساکاریدها با یک واحد همی‌استال که آزاد است به عنوان یک عامل احیا کننده عمل کند. ساکارز و ترهالوز نمونه‌هایی از دی ساکاریدهای غیر احیایی هستند زیرا پیوند گلیکوزیدی آن‌ها بین اتم‌های کربن همی‌استال مربوطه است. کاهش واکنش شیمیایی قندهای غیر احیایی در مقایسه با قندهای کاهنده، ممکن است در مواردی که ثبات در ذخیره‌سازی مهم است، یک مزیت باشد.

تشکیل یک مولکول دی ساکارید از دو مولکول مونوساکارید با جابجایی یک گروه هیدروکسی از یک مولکول و یک هسته هیدروژن (یک پروتون) از مولکول دیگر انجام می‌شود، طوری که پیوندهای خالی موجود بر روی مونوساکاریدها، دو مونومر را به هم متصل می‌کند. به دلیل حذف مولکول آب از محصول، اصطلاحا به چنین فرآیندی واکنش دهیدراتاسیون گفته می‌شود.

به عنوان مثال، قند شیر (لاکتوز) یک ساکارید است که با متراکم‌سازی یک مولکول از هریک از مونوساکاریدهای گلوکز و گالاکتوز ساخته می‌شود، در حالی که ساکارز دی ساکارید موجود در نیشکر و چغندر قند، محصول متراکم گلوکز و فروکتوز است. مالتوز، دی‌ساکارید رایج دیگر، از دو مولکول گلوکز تغلیظ می‌شود. واکنش دهیدراتاسیون که مونوساکاریدها را به ساکاریدها متصل و مچنین مونوساکاریدها را به پلی ساکاریدهای پیچیده‌تر متصل می‌کند و پیوندهای گلیکوزیدی را تشکیل می‌دهد.

پیوند گلیکوزیدی می‌تواند بین هر گروه هیدروکسی روی مونوساکارید تشکیل شود. بنابراین حتی اگر هر دو قند یکسان باشند (به عنوان مثال گلوکز)، ترکیبات مختلف پیوند (رژیوشیمی) و استریوشیمی (آلفا یا بتا) منجر به دی‌ساکاریدها می‌شود که دیاستروایزومرها با خواص شیمیایی و فیزیکی مختلف هستند.

بر اساس نوع مونوساکاریدها، دی‌ساکاریدها گاهی کریستالی، گاهی محلول در آب و گاهی مزه شیرین و چسبندگی دارند. دی‌ساکاریدها می‌توانند با تشکیل پیوندهای گلیکوزیدی با سایر ترکیبات آلی، به عنوان گروه‌های عملکردی بیوسیدها را تشکیل بدهند.

اولیگوساکارید چیست؟

الیگوساکارید (Oligosaccharide) یک پلیمر ساکارید حاوی تعداد کمی (به طور معمول سه تا ده) مونوساکاریدها (قندهای ساده) است. الیگوساکاریدها می‌توانند عملکردهای زیادی از جمله شناسایی سلول و اتصال سلول داشته باشند. به عنوان مثال، گلیکولیپیدها نقش مهمی در پاسخ ایمنی دارند. آن‌ها به طور معمول به عنوان گلیکان وجود دارند.

زنجیره‌های الیگوساکارید متصل به لیپیدها یا به زنجیره‌های جانبی آمینواسید سازگار در پروتئین‌ها، توسط پیوندهای N- یا O- گلیکوزیدیک. الیگوساکاریدهای N- linked همیشه پنتازاکاریدهای متصل به آسپاراژین از طریق اتصال بتا به ازت آمین زنجیره جانبی هستند. به صورت متناوب، الیگوساکاریدهای پیوند یافته از طریق اکسیژن، به طور کلی به گروه الکل زنجیره جانبی به ترئونین یا سرین متصل می‌شوند.

همه اولیگوساکاریدهای طبیعی به عنوان اجزای گلیکوپروتئین‌ها یا گلیکولیپیدها وجود ندارند. بعضی از آن‌ها مانند سری رافینوز به صورت ذخیره یا انتقال کربوهیدرات در گیاهان اتفاق می‌افتد. موارد دیگر مانند مالتودکسترین یا سلولودکسترین در نتیجه تجزیه میکروبی پلی ساکاریدهای بزرگتر مانند نشاسته یا سلولز ایجاد می‌شود.

الیگوساکاریدهای O-Linked

الیگوساکاریدها که در گلیکوزیلاسیون مرتبط با اکسیژن شرکت می‌کنند به ترئونین یا سرین در گروه هیدروکسیل زنجیره جانبی متصل می‌شوند. گلیکوزیلاسیون پیوندی اکسیدی در دستگاه گلژی رخ می‌دهد، جایی که واحدهای مونوساکارید به یک زنجیره کامل پلی پپتیدی اضافه می‌شوند. پروتئین‌های سطح سلول و پروتئین‌های خارج سلول O- گلیکوزیله هستند. سایت‌های گلیکوزیلاسیون در الیگوساکاریدهای وابسته به O با ساختارهای ثانویه و سوم پلی‌پپتید تعیین می‌شود، جایی که گلیکوزیل ترانسفرازها به آن‌ها قند اضافه می‌کند.

پلی ساکارید چیست؟

پلی ساکاریدها (Polysaccharides) یا پلی کربوهیدرات فراوان‌ترین کربوهیدرات موجود در مواد غذایی هستند. آن‌ها کربوهیدرات های پلیمری با زنجیره بلند هستند که از واحدهای مونوساکاریدی تشکیل شده‌اند و توسط پیوندهای گلیکوزیدی به یکدیگر متصل شده‌اند. این کربوهیدرات می‌تواند با استفاده از آنزیم‌های آمیلاز به عنوان کاتالیزور که قندهای سازنده (مونوساکاریدها یا الیگوساکاریدها) را تولید می‌کند با آب (هیدرولیز) واکنش نشان دهند.

فیلم آموزش بیوشیمی کربوهیدرات و لیپید در فرادرس

کلیک کنید

ساختار آن‌ها از خطی تا بسیار منشعب تنوع دارد. به عنوان مثال می‌توان به پلی ساکاریدهای ذخیره‌ای مانند نشاسته، گلیکوژن و گالاکتوژن و از پلی ساکاریدهای ساختاری به سلولز و کیتین اشاره کرد. پلی ساکاریدها اغلب کاملاً ناهمگن و دارای تغییرات جزئی در واحدهای تکرار شونده خود هستند. بسته به ساختار، این ماکرومولکول‌ها می‌توانند خواص متمایزی از بلوک‌های سازنده مونوساکاریدی خود داشته باشند.

ممکن است آمورف باشند و یا حتی در آب حل نشوند. وقتی همه مونوساکاریدهای موجود در یک پلی ساکارید یک نوع باشند، به آن هوموپلی ساکارید یا هموگلیکان گفته می‌شود اما در صورت وجود بیش از یک نوع مونوساکارید، آن‌ها را هترو پلی ساکارید یا هتروگلیکان می‌نامند.

ساکاریدهای طبیعی به طور کلی از کربوهیدرات های ساده به نام مونوساکاریدها با فرمول کلی (CH2O)Ν تشکیل شده‌اند که Ν سه یا بیشتر است. نمونه‌هایی از مونوساکاریدها گلوکز، فروکتوز و گلیسرالدهید است. پلی‌ساکاریدها دارای یک فرمول کلی CΧ(H2O)Υ هستند که Χ معمولاً بین 200 تا 2500 عدد زیادی است. هنگامی که واحدهای تکرار کننده در ستون فقرات پلیمر مونوساکاریدهای شش کربنی هستند، به طور معمول فرمول کلی ساده می‌شود تا (C6H10O5)Ν که 40 ≤ Ν ≤ 3000 است.

به عنوان یک قاعده کلی، پلی ساکاریدها حاوی بیش از ده واحد مونوساکارید هستند، در حالی که الیگوساکاریدها حاوی سه تا ده واحد مونوساکارید هستند. اما قطع دقیق با توجه به قرارداد تا حدودی متفاوت است. پلی ساکاریدها دسته مهمی از پلیمرهای بیولوژیکی هستند. عملکرد آن‌ها در موجودات زنده معمولاً مربوط به ساختار یا ذخیره است. از نشاسته (یک پلیمر گلوکز) به عنوان پلی ساکارید ذخیره‌سازی در گیاهان استفاده می‌شود که هم به صورت آمیلوز و هم آمیلوپکتین شاخه‌دار یافت می‌شود.

در حیوانات، پلیمر گلوکز از نظر ساختاری، گلیکوژن با انشعاب متراکم‌تر است که گاهی اوقات نشاسته حیوانی نامیده می‌شود. خواص گلیکوژن اجازه می‌دهد تا سریع‌تر متابولیزه شود که متناسب با زندگی فعال حیوانات در حال حرکت است. در باکتری‌ها، آن‌ها نقش مهمی در چند سلولی باکتری دارند. سلولز و کیتین نمونه‌هایی از پلی ساکاریدهای ساختاری هستند. سلولز در دیواره سلولی گیاهان و موجودات دیگر استفاده و گفته می‌شود که فراوان‌ترین مولکول آلی روی زمین است.

این کاربردهای زیادی از جمله نقش چشمگیر در صنایع کاغذ و نساجی دارد و به عنوان ماده اولیه تولید ریون (از طریق فرآیند ویسکوز)، استات سلولز، سلولید و نیترو سلولز استفاده می‌شود. کیتین نیز ساختاری مشابه دارد اما دارای شاخه‌های جانبی حاوی نیتروژن است که قدرت آن را افزایش می‌دهند و در اسکلت‌های بیرونی بندپایان و در دیواره سلولی برخی از قارچ‌ها وجود دارد. همچنین چندین کاربرد از جمله نخ‌های جراحی دارد. همچنین پلی ساکاریدها شامل کالوز یا لامینارین، کریزولامینارین، زایلان، آرابینوکسیلان، منان، فوکوئیدان و گالاکتومانان هستند.

پلی ساکاریدهای تغذیه‌ای منابع مشترک انرژی هستند. بسیاری از ارگانیسم‌ها می‌توانند نشاسته را به راحتی به گلوکز تجزیه کنند. با این حال، بیشتر ارگانیسم‌ها نمی‌توانند سلولز یا سایر پلی ساکاریدها مانند کیتین و آرابینوکسیلان‌ها را متابولیزه کنند. این نوع کربوهیدرات ها توسط برخی از باکتری‌ها و پروتئین‌ها می‌توانند متابولیزه شوند. به عنوان مثال نشخوارکنندگان و موریانه‌ها از میکروارگانیسم‌ها برای پردازش سلولز استفاده می‌کنند. حتی اگر این پلی ساکاریدهای پیچیده خیلی هضم نشده باشند، عناصر غذایی مهمی را برای انسان فراهم می‌کنند.

این کربوهیدرات که فیبر غذایی نامیده می‌شود، هضم غذا را در میان سایر مزایا تقویت می‌کنند. اقدام اصلی فیبرهای غذایی تغییر ماهیت محتوای دستگاه گوارش و تغییر نحوه جذب سایر مواد مغذی و شیمیایی است. فیبرهای محلول به روده باریک به اسیدهای صفراوی متصل می‌شوند و احتمال ورود آن‌ها به بدن را کم می‌کند. این به نوبه خود باعث کاهش سطح کلسترول در خون می‌شود.

فیبر محلول همچنین جذب قند و پاسخ هورمونی به آن را بعد از خوردن کاهش می‌دهد، سطح چربی خون را نرمال می‌کند و پس از تخمیر در روده بزرگ، اسیدهای چرب زنجیره کوتاه به عنوان محصولات جانبی با فعالیت‌های فیزیولوژیکی گسترده تولید خواهد کرد.

اگرچه فیبر نامحلول با کاهش خطر ابتلا به دیابت در ارتباط است، هنوز محققین مکانیزم بروز آن را نیافته‌اند. فیبرهای غذایی هنوز به طور رسمی به عنوان یک عنصر مغذی ضروری پیشنهاد نشده‌اند اما برای رژیم غذایی مهم تلقی می‌شوند، مقامات نظارتی در بسیاری از کشورهای پیشرفته توصیه می‌کنند که میزان فیبر مصرفی افزایش یابد.

نشاسته چیست؟

نشاسته یک پلیمر گلوکز است که در آن واحدهای گلوکوپیرانوز توسط پیوندهای آلفا به هم متصل می‌شوند. از مخلوط آمیلوز (15 تا 20 درصد) و آمیلوپکتین (80 تا 85 درصد) تشکیل شده است. آمیلوز از یک زنجیره خطی متشکل از چند صد مولکول گلوکز تشکیل شده است و آمیلوپکتین یک مولکول شاخه‌ای است که از چندین هزار واحد گلوکز ساخته شده است (هر زنجیره 24 تا 30 واحد گلوکز یک واحد آمیلوپکتین است). نشاسته در آب نامحلول است.

با شکستن پیوندهای آلفا (پیوندهای گلیکوزیدی) می توان هضم کرد. هم انسان و هم سایر حیوانات آمیلاز دارند، بنابراین می‌توانند نشاسته را هضم کنند. سیب‌زمینی، برنج، گندم و ذرت منابع اصلی نشاسته در رژیم غذایی انسان هستند. تشکیل نشاسته نشاسته روش‌هایی است که گیاهان گلوکز را ذخیره می‌کنند.

گلیکوژن چیست؟

گلیکوژن به عنوان ذخیره ثانویه انرژی طولانی مدت در سلول‌های حیوانی و قارچی با ذخیره انرژی اولیه در بافت چربی عمل می‌کند. گلیکوژن در درجه اول توسط کبد و عضلات ساخته می‌شود اما همچنین می‌تواند توسط گلیکوژنز در مغز و معده ساخته شود. گلیکوژن مشابه نشاسته است، یک پلیمر گلوکز در گیاهان و گاهی اوقات به عنوان نشاسته حیوانی نامیده می‌شود، ساختاری مشابه آمیلوپکتین دارد اما به طور گسترده‌ای شاخه‌ای و فشرده‌تر از نشاسته است. گلیکوژن پلیمری از پیوندهای گلیکوزیدی α (1 → ۴) است که با شاخه‌های α (1 → 6) پیوند خورده است.

گلیکوژن به صورت گرانول در سیتوزول یا سیتوپلاسم در بسیاری از انواع سلول‌ها یافت می‌شود و نقش مهمی در چرخه گلوکز دارد. گلیکوژن یک ذخیره انرژی تشکیل می‌دهد که می‌تواند به سرعت بسیج شود تا نیاز ناگهانی به گلوکز را برآورده کند اما یک منبع فشرده کمتر و سریع‌تر از تری گلیسیرید (لیپیدها) به عنوان ذخیره انرژی در دسترس است.

پلی ساکاریدهای اسیدی

پلی ساکاریدهای اسیدی پلی ساکاریدهایی هستند که حاوی گروه‌های کربوکسیل (مانند پکتین)، گروه‌های فسفات و یا گروه‌های استر سولفوریک (به عنوان مثال کاراگینان) هستند. گروه اسیدی ممکن است آزاد باشند یا به شکل نمک سدیم، پتاسیم، کلسیم یا آمونیوم یا به طور طبیعی با متانول استری شوند.

پلی ال ها

پلی‌اُل یک ترکیب آلی است که شامل چندین گروه هیدروکسیل است. اصطلاح پلی‌اُل بسته به اینکه در زمینه علوم غذایی استفاده می‌شود یا از شیمی پلیمر، می‌تواند کمی متفاوت باشد. یک مولکول با بیش از دو گروه هیدروکسیل یک پلی‌اُل است، با سه - یک تری‌ُال و با چهار گروه هیدروکسیل، تترول نام دارد. طبق عادت، پلی‌اُل به ترکیباتی که شامل سایر گروه‌های عملکردی هستند اشاره نمی‌کند.

پلیمرهای پلی ال ها

یک نمونه معمول، پلی‌اتیلن اکسید یا پلی‌اتیلن گلیکول (PEG) و پلی‌پروپیلن گلیکول (PPG) است. پلی‌اُل‌ها با دی‌ایزوسیانات‌ها واکنش می‌دهند و پلی‌یورتان تولید می‌کنند. از پلی‌یورتان‌ها برای ایجاد کف انعطاف‌پذیر برای تشک‌ها و نشیمن‌ها، عایق‌های محکم کف، یخچال و فریزرها، کفی کفش الاستومری، الیاف (به عنوان مثال اسپاندکس)، پوشش، مهر و موم‌ها و چسب‌ها استفاده می‌شود.

اصطلاح پلی‌اُل همچنین به پلیمرهای متشکل از بسیاری از گروه‌های هیدروکسیل نسبت داده می‌شود، به عنوان مثال پلی‌وینیل الکل فرمول (CH2CHOH)Ν دارد، یعنی دارای Ν گروه الکلی است که Ν می‌تواند هزار باشد. سلولز یک پلیمر با بسیاری از گروه‌های الکلی است اما معمولاً از آن به عنوان پلی‌ال یاد نمی‌شود. باید بین ترکیبات پلیمری حاوی گروه‌های هیدروکسیل انتهایی (پلی اتیلن‌های پلی اتیلن و پلی اتیلن‌های پلی استر) و ترکیبات پلیمری حاوی گروه‌های هیدروکسیل متعدد (به عنوان مثال الکل پلی‌وینیل) تمایز قائل شد.

اصطلاح عمومی پلی‌اُل فقط از نام‌گذاری شیمیایی مشتق شده و فقط وجود چندین گروه هیدروکسیل را نشان می‌دهد، هیچ ویژگی مشترکی را نمی‌توان به همه پلی‌اُل‌ها اختصاص داد. با این حال، پلی‌اُل‌ها به طور معمول در دمای اتاق به دلیل اتصال پیوند هیدروژن بسیار چسبناک (در حالت پلیمری) و در صورت وزن مولکولی کم، جامد هستند.

پلی ال های با وزن مولکولی کم

پلی ال‌های با وزن مولکولی به طور گسترده‌ای در شیمی پلیمر مورد استفاده قرار می‌گیرند، جایی که آن‌ها به عنوان عوامل پیوند عرضی عمل می‌کنند. به عنوان مثال از رزین‌های آلکید در رنگ‌ها و در قالب‌ها برای ریخته‌گری استفاده می‌شود. آن‌ها رزین یا چسباننده غالب در اکثر پوشش‌های تجاری مبتنی بر روغن هستند. سالانه تقریباً 200000 تن رزین آلکید تولید می‌شود. این‌ها بر اساس پیوند مونومرهای واکنشی با تشکیل استر است. پلی‌اُل‌های مورد استفاده در تولید رزین‌های الکیدی تجاری گلیسرول، تری متیلول پروپان و پنتا اریتریتول هستند.

قندهای الکلی

الکل‌های قندی، دسته‌ای از پلی‌اُل‌های با وزن مولکولی کم، معمولاً با هیدروژناسیون قندها به دست می‌آیند. آن‌ها فرمول (CHOH) ΝH2 دارند، جایی که Ν = 4 - 6 است.  الکل‌های قندی به دلیل کم کالری بودن نسبت به مواد قندی به غذاها اضافه می‌شوند. با این حال، به طور کلی شیرینی کمتری دارند و اغلب با مواد شیرین‌تر ترکیب می‌شوند. به طور مثال به آدامس‌ها اضافه می‌شوند زیرا توسط باکتری‌های موجود در دهان تجزیه و به اسیدها متابولیزه نمی‌شوند و بنابراین موجب پوسیدگی دندان نمی‌شوند. مالتیتول، سوربیتول، زایلیتول، اریتریتول و ایزومالت الکل‌های قندی رایج هستند.

گلیکوگان چیست؟

گلیکوژن به عنوان ذخیره ثانویه انرژی در طولانی مدت و در سلول‌های حیوانی و قارچی، با ذخیره انرژی اولیه در بافت چربی عمل می کند. گلیکوژن در درجه اول توسط کبد و عضلات ساخته می‌شود اما همچنین می تواند توسط گلیکوژنز در مغز و معده ساخته شود. گلیکوژن مشابه نشاسته است، یک پلیمر گلوکز در گیاهان و گاهی اوقات نشاسته حیوانی نامیده می‌شود، ساختاری مشابه آمیلوپکتین دارد اما به طور گسترده‌ای شاخه‌ای و فشرده‌تر از نشاسته است. گلیکوژن پلیمری از پیوندهای گلیکوزیدی α (1 → 4) است که با شاخه‌های α (1 → 6) پیوند خورده پیوند خورده است.

گلیکوژن به صورت گرانول در سیتوزول یا سیتوپلاسم بسیاری از انواع سلول‌ها یافت می‌شود و نقش مهمی در چرخه گلوکز دارد. گلیکوژن یک ذخیره انرژی تشکیل می‌دهد که می‌تواند به سرعت تجزیه شود تا نیاز ناگهانی به گلوکز را برآورده کند اما به جز گلیکوژن، یک منبع با تجزیه و متابولیسم سریع‌تر، یعنی تری‌گلیسیریدها (لیپیدها) به عنوان ذخیره انرژی در دسترس سلول هستند. در سلول‌های کبدی، گلیکوژن می‌تواند تا 8 درصد (100 تا 120 گرم در بزرگسالان) وزن تازه را بلافاصله بعد از خوردن غذا تشکیل دهد. فقط گلیکوژن ذخیره شده در کبد، می‌تواند برای اندام‌های دیگر قابل دسترس و متابولیزه شدن باشد. در عضلات، گلیکوژن در غلظت کم یعنی حدود یک تا دو درصد از عضله یافت می‌شود.

مقدار گلیکوژن ذخیره شده در بدن، به ویژه در عضلات، کبد و سلول‌های قرمز خون، با فعالیت بدنی، میزان متابولیسم پایه و عادات غذایی مانند روزه (Fast) متناوب متفاوت است. مقادیر کمی گلیکوژن در کلیه‌ها یافت می‌شوند و حتی مقادیر کمتری نیز در سلول‌های خاص گلیال در مغز و گلبول‌های سفید وجود دارند. همچنین  رحم برای تغذیه جنین، گلیکوژن را در دوران بارداری ذخیره می‌کند. گلیکوژن از یک زنجیره با شاخه‌هایی از بقایای گلوکز تشکیل شده است و در کبد و عضلات ذخیره می‌شود. می‌توان نقش و خصوصیات گلیکوژن را در موارد زیر خلاصه کرد:

• ذخیره انرژی برای حیوانات
• شکل اصلی کربوهیدرات ذخیره شده در بدن حیوانات
• در آب نامحلول است و در مخلوط با ید به رنگ قرمز - قهوه‌ای می‌شود.
• از طریق هیدرولیز گلوکز تولید می‌شود.

گالاکتوژن چیست؟

گالاکتوژن یک پلی ساکارید گالاکتوزی است که به عنوان ذخیره انرژی در حلزون‌های ریه دار خشکی‌زی و برخی از «تازه‌شکم‌پایان» (Caenogastropoda) عمل می‌کند. این پلی ساکارید منحصر به تولید مثل است و فقط در آلبومین از سیستم تولید مثل حلزون ماده و مایع پریویتلین تخم وجود دارد. گالاکتوژن به عنوان ذخیره انرژی برای رشد جنین و جوجه‌ عمل می‌کند که بعداً در نوجوانان و بزرگسالان با گلیکوژن جایگزین می‌شود.

اینولین چیست؟

اینولین یک پلی ساکارید طبیعی است، کربوهیدرات پیچیده‌ای متشکل از فیبر و یک ماده غذایی گیاهی که نمی‌تواند به طور کامل توسط آنزیم‌های گوارشی انسان تجزیه شود. آرابینوکسیلان‌ها هم در دیواره سلول‌های اولیه و ثانویه گیاهان یافت می‌شوند و کوپلیمرهای دو قندی آرابینوز و زایلوز هستند. همچنین ممکن است اثرات مفیدی بر سلامت انسان داشته باشند.

سلولز چیست؟

اجزای ساختاری گیاهان در درجه اول از سلولز تشکیل می‌شوند. ساختار چوب تا حد زیادی شامل سلولز و لیگنین است، در حالی که کاغذ و پنبه تقریبا از سلولز خالص هستند. سلولز پلیمری است که با واحدهای تکراری از گلوکز ساخته می‌شود که با پیوندهای بتا به هم متصل شده‌اند. انسان و بسیاری از حیوانات فاقد آنزیمی برای از بین بردن پیوندهای بتا هستند، بنابراین سلولز را هضم نمی‌کنند.

حیوانات خاصی مانند موریانه‌ها می‌توانند سلولز را هضم کنند، زیرا باکتری‌های حاوی آنزیم تجزیه کننده این پیوند در روده آن‌ها وجود دارد. سلولز در آب نامحلول است و وقتی با ید مخلوط می‌شود تغییر رنگ نمی‌دهد. طبیعتا با هیدرولیز سلولز، گلوکز تولید می‌شود. سلولز فراوان‌ترین کربوهیدرات در طبیعت است. سلولز عمدتا برای تولید مقوا و کاغذ استفاده می‌شود.

مقادیر کمتری به طیف گسترده‌ای از محصولات مشتق شده مانند سلفون و ریون تبدیل می‌شود. تبدیل سلولز از محصولات انرژی‌زا به سوخت‌های زیستی مانند اتانول سلولزی به عنوان منبع سوخت تجدیدپذیر در دست توسعه است. سلولز برای مصارف صنعتی عمدتا از خمیر چوب و پنبه بدست می‌آید. برخی از حیوانات، به ویژه نشخوارکنندگان و موریانه‌ها، می‌توانند سلولز را با کمک میکروارگانیسم‌های همزیستی که در روده آن‌ها زندگی و هضم می‌شوند.

در تغذیه انسان، سلولز یک ماده غیر قابل هضم از فیبرهای غذایی نامحلول است، به عنوان یک ماده حجیم آب‌دوست برای مدفوع و به طور بالقوه به مدفوع کمک می‌کند. سلولز طعم ندارد و بدون بو، آب‌دوست و دارای زاویه تماس 20 تا 30 درجه است، در آب و بیشتر حلال‌های آلی محلول نیست، کایرال است و زیست‌تخریب‌پذیر است. سلولز در دمای 467 درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود.

با تیمار آن با اسیدهای معدنی غلیظ در دمای بالا می‌توان آن را از نظر شیمیایی به واحدهای گلوکز تقسیم کرد. در مقایسه با نشاسته، سلولز نیز بسیار کریستالی است. در حالی‌که نشاسته در صورت حرارت دادن بیش از 60 تا 70 درجه سانتی‌گراد در آب (همانند پخت و پز) تحت انتقال کریستالی به آمورف قرار می‌گیرد، سلولز برای بی‌شکل شدن در آب به دمای 320 درجه سانتی‌گراد و فشار 25 مگاپاسکال نیاز دارد.

آرابینوز چیست؟

آرابینوکسیلان یک همی سلولز است که در دیواره های سلول اولیه و ثانویه گیاهان، از جمله چوب و دانه غلات یافت می‌شود و متشکل از کوپلیمرهای دو قند پنتوز به نام آرابینوز و گزیلوز است. آرابینوکسیلان‌ها در دیواره‌های سلول اولیه و ثانویه گیاهان یافت می‌شوند و کوپلیمرهای دو قند آرابینوز و زایلوز هستند و ممکن است اثرات مفیدی بر سلامت انسان داشته باشند.

فیلم آموزش بیوشیمی عمومی – جامع و به زبان ساده در فرادرس

کلیک کنید

آرابینوکسیلان‌ها عمدتا نقش ساختاری در سلول‌های گیاهی دارند. همچنین مخازن مقادیر زیادی اسید فرولیک و سایر اسیدهای فنلی هستند که به طور کووالانسی با آن‌ها اتصال دارند. اسید فنلیک‌ها همچنین ممکن است در دفاع از جمله محافظت در برابر عوامل بیماری‌زای قارچی نقش داشته باشند.

آرابینوکسیلان‌ها یکی از اجزای اصلی فیبرهای غذایی محلول و نامحلول هستند که نشان داده می‌شود دارای فواید مختلف سلامتی هستند. آرابینوکسیلان‌ها به دلیل اسیدهای فنلی متصل به خود، دارای فعالیت آنتی‌اکسیدانی هستند. ظرفیت تبادل یونی و ویسکوزیته آن‌ها نیز تا حدی مسئول تأثیرات متابولیکی مفید آن‌ها هستند.

کیتین چیست؟

کیتین یکی از پلیمرهای طبیعی و جزء ساختاری اسکلت بیرونی بسیاری از حیوانات و حشرات را تشکیل می‌دهد و با گذشت زمان در محیط طبیعی قابل تجزیه است. تجزیه آن ممکن است توسط آنزیم‌هایی به نام کیتیناز کاتالیز شود که توسط میکروارگانیسم‌هایی مانند باکتری‌ها و قارچ‌ها ترشح می‌شود و توسط برخی گیاهان تولید می‌شود. بعضی از این میکروارگانیسم‌ها دارای گیرنده‌های قندهای ساده حاصل از تجزیه کیتین هستند.

اگر کیتین شناسایی شود، سپس با شکاف پیوندهای گلیکوزیدی، آنزیم‌هایی تولید می‌کنند تا آن را هضم کنند تا به قندهای ساده و آمونیاک تبدیل شود. از نظر شیمیایی، کیتین ارتباط تنگاتنگی با کیتوزان دارد (یکی از مشتقات محلول در آب کیتین). همچنین از آنجا که یک زنجیره طولانی و منشعب از گلوکز است، با سلولز ارتباط نزدیک دارد. هر دو ماده از ساختار و قدرت ارگانیسم محافظت می‌کنند.

پکتین چیست؟

پکتین‌ها خانواده‌ای از پلی ساکاریدهای پیچیده هستند که حاوی بقایای اسید اورونیک 1 - 4 هستند. آن‌ها در بیشتر دیواره‌های سلولی اولیه و در قسمت‌های غیر چوبی گیاهان خشک وجود دارند. پکتین، گروهی از کربوهیدرات های محلول در آب است که در دیواره‌های سلولی و بافت‌های بین سلولی گیاهان خاص یافت می‌شود. در میوه‌های گیاهان، پکتین به حفظ دیواره سلول‌های مجاور کمک می‌کند. میوه‌های نارس حاوی پیش‌ساز پروتوپکتین هستند که به پکتین تبدیل شده و با رسیدن محصول محلول در آب می‌شوند.

در این مرحله پکتین به میوه‌های رسیده کمک می‌کند تا ثابت بمانند و شکل خود را حفظ کنند. با رسیدن بیش از حد میوه، پکتین موجود در آن به قندهای ساده و کاملاً محلول در آب تجزیه می‌شود. در نتیجه، میوه نارس نرم شده و شروع به از دست دادن شکل می‌کند. از پکتین به دلیل توانایی در ایجاد یک محلول غلیظ مانند ژل، به صورت تجاری در تهیه ژله، مربا و مارمالاد استفاده می‌شود.

خاصیت ضخیم‌کننده بودن آن همچنین باعث مفید بودن آن در صنایع شیرینی‌سازی، داروسازی و نساجی است. مواد پكتیک از یک گروه همراه با پلی ساكارید تشکیل شده است كه با آب گرم یا محلول‌های آبی اسیدهای رقیق قابل استخراج است. منابع اصلی پکتین تجاری، پوست مرکبات و به میزان کمتری در تفاله سیب است. مقادیر بسیار کمی از پکتین در حضور اسیدهای میوه و شکر برای تشکیل ژله کافی است.

پکتین فوایدی برای انسان دارد از جمله می‌توان به توانایی آن در کاهش سطح لیپوپروتئین با چگالی کم (LDL) و در نتیجه کاهش سطح کلسترول، کاهش سرعت عبور غذا از روده و بهبود اسهال اشاره کرد. پکتین‌ها همچنین می‌توانند مسیرهای مرگ سلولی را در سلول‌های سرطانی فعال کنند، این نشان می‌دهد که پکتین‌ها ممکن است نقش مهمی در پیشگیری از انواع خاصی از سرطان داشته باشند.

مولکول های گلیکوزیله

گلیکوپروتئین‌ها و گلیکولیپیدها طبق تعریف، با کربوهیدرات ها پیوند کووالانسی دارند. آن‌ها در سطح سلول بسیار فراوان هستند و فعل و انفعالات آن‌ها به پایداری کلی سلول کمک می‌کنند. گلیکوزیلاسیون فرآیندی است که در آن کربوهیدرات با پیوند کووالانسی به یک مولکول آلی متصل می‌شود و ساختارهایی مانند گلیکوپروتئین‌ها و گلیکولیپیدها را ایجاد می‌کند. گلیکوزیلاسیون شامل اتصال الیگوساکارید به آسپاراژین از طریق اتصال بتا به نیتروژن آمین زنجیره جانبی است.

فیلم آموزش بیوشیمی کربوهیدرات و لیپید در فرادرس

کلیک کنید

روند گلیکوزیلاسیون متصل به N، همزمان ترجمه همزمان یا همزمان با آن اتفاق می‌افتد. اعتقاد بر این است که گلیکوزیلاسیون N- پیوند یافته به دلیل ماهیت آب‌دوست قندها به تعیین چین‌خوردگی پلی پپتیدها کمک می‌کند.‌ تمام الیگوساکاریدهای متصل به N پنتازاکارید یعنی به طول پنج مونوساکارید هستند. در N- گلیکوزیلاسیون برای یوکاریوت‌ها، بستر الیگوساکارید درست در غشای شبکه آندوپلاسمی مونتاژ می‌شود.

برای پروکاریوت‌ها، این فرآیند در غشای پلاسمایی رخ می‌دهد. در هر دو حالت، بستر گیرنده یک باقی‌مانده آسپاراژین است. باقی‌مانده آسپاراژین که به یک الیگوساکارید متصل به N متصل است معمولاً در توالی Asn- Χ - Ser / Thr قرار دارد که در آن Χ می‌تواند هر اسید آمینه‌ای به جز پرولین باشد، توالی Asp ،Glu ،Leu یا Trp در این موقعیت نادر است.

گلیکو پروتئین ها

گلیکوپروتئین‌ها دارای ساختارهای متمایز الیگوساکارید هستند که تأثیرات چشمگیری بر بسیاری از خصوصیات آن‌ها دارند که بر عملکردهای حیاتی مانند آنتی‌ژنی، حلالیت و مقاومت در برابر پروتئازها تأثیر می‌گذارد. گلیکوپروتئین‌ها به عنوان گیرنده‌های سطح سلول، مولکول‌های چسبندگی سلول، ایمونوگلوبولین‌ها و آنتی‌ژن‌های توموری مرتبط هستند.

گلیکولیپیدها چه هستند؟

گلیکولیپیدها برای شناسایی سلول مهم هستند و برای تعدیل عملکرد پروتئین‌های غشایی که به عنوان گیرنده عمل می‌کنند. گلیکولیپیدها مولکول‌های لیپیدی هستند که به الیگوساکاریدها متصل می‌شوند، به طور کلی در دو لایه لیپیدی وجود دارند. علاوه بر این، آن‌ها می‌توانند به عنوان گیرنده برای شناسایی سلول و سیگنالینگ سلولی عمل کنند. سر اولیگوساکارید به عنوان یک اتصال‌دهنده در فعالیت گیرنده‌ها نقش دارد.

مکانیسم‌های اتصال گیرنده به الیگوساکارید به ترکیب الیگوساکاریدهایی که در بالای سطح غشا در معرض یا ارائه می‌شوند بستگی دارد. تنوع زیادی در مکانیسم‌های اتصال گلیکولیپیدها وجود دارد، همین مسئله آن‌ها را به عنوان محلی برای تعامل و ورود به هدف برای عوامل بیماری‌زا تبدیل می‌کند. به عنوان مثال، فعالیت چپرون‌ها (Chaperone) گلیکولیپیدها برای ارتباط آن‌ها با عفونت HIV بررسی شده است.

لکتین چیست؟

بسیاری از سلول‌ها پروتئین‌های متصل به کربوهیدرات ویژه‌ای را که به عنوان لکتین شناخته می‌شود، تولید می‌کنند که باعث چسبندگی سلول با الیگوساکاریدها می‌شود. سلکتین‌ها، یک خانواده از لکتین‌ها، در برخی از فرآیندهای چسبندگی سلول به سلول از جمله در لکوسیت‌ها به سلول‌های اندوتلیال،  واسطه هستند.

در پاسخ ایمنی، سلول‌های اندوتلیال می‌توانند برخی از سلکتین‌ها را در پاسخ به آسیب سلول‌ها به طور موقت بیان کنند. یک تعامل متقابل سلکتین - الیگوساکارید بین دو مولکول رخ خواهد داد که به گلبول‌های سفید خون اجازه می‌دهد تا به از بین بردن عفونت یا آسیب کمک کنند. اتصال بین پروتئین و کربوهیدرات اغلب توسط پیوند هیدروژنی و نیروهای واندوالس ایجاد می‌شود.

متابولیسم کربوهیدرات ها

متابولیسم کربوهیدرات کل فرآیندهای بیوشیمیایی مسئول تشکیل متابولیسم، تجزیه و تبدیل مجدد کربوهیدرات ها در موجودات زنده است. کربوهیدرات‌ها در بسیاری از مسیرهای ضروری متابولیسم یکی از اجزای مهم هستند. گیاهان کربوهیدرات‌ها را با استفاده از دی اکسید کربن و آب از طریق فتوسنتز سنتز می‌کنند که به آن‌ها اجازه می‌دهد انرژی جذب شده از نور خورشید را به صورت ماده در پلاست‌های خود ذخیره کنند.

فیلم آموزش بیوشیمی عمومی – جامع و به زبان ساده در فرادرس

کلیک کنید

هنگامی که حیوانات و قارچ ها گیاهان را مصرف می‌کنند، از طریق تنفس سلولی این کربوهیدرات های ذخیره شده را تجزیه می‌کنند تا انرژی در دسترس سلول‌ها قرار گیرد. حیوانات و گیاهان به طور موقت انرژی آزاد شده را به صورت مولکول‌های پرانرژی مانند ATP برای استفاده در فرآیندهای مختلف سلولی ذخیره می‌کنند. اگرچه انسان انواع کربوهیدرات‌ها را مصرف می‌کند، هضم باعث تجزیه کربوهیدرات های پیچیده به چند مونومر ساده (مونوساکاریدها) برای متابولیسم: گلوکز، فروکتوز و گالاکتوز می‌شود.

گلوکز حدود 80 درصد از محصولات را تشکیل می‌دهد و ساختار اصلی است که به سلول‌های بافت توزیع می‌شود، جایی که تجزیه خواهد شد یا به عنوان گلیکوژن ذخیره می‌شود. در تنفس هوازی که شکل اصلی تنفس سلولی در انسان است، کربوهیدرات ها استفاده و به گلوکز و اکسیژن متابولیزه می‌شوند تا انرژی آزاد کنند، دی اکسید کربن و آب به عنوان محصولات جانبی تولید می‌شوند. بیشتر فروکتوز و گالاکتوز به کبد منتقل شده و در آنجا به گلوکز تبدیل شوند.

برخی از کربوهیدرات های ساده مانند برخی از کربوهیدرات‌های پیچیده، مسیرهای اکسیداسیون آنزیمی خاص خود را دارند. به عنوان مثال دی ساکارید لاکتوز نیاز به تجزیه آنزیم لاکتاز به اجزای مونوساکارید، گلوکز و گالاکتوز دارد. در ادامه انواع مسیرهای متابولیک کربوهیدرات ها را توضیح داده‌ایم.

گلیکولیز چیست؟

گلیکولیز فرآیند تجزیه یک مولکول گلوکز به دو مولکول پیروات است، در حالی که انرژی آزاد شده در طی این فرآیند را به عنوان ATP و NADH ذخیره می‌کند. تقریباً تمام موجوداتی که گلوکز را تجزیه و از گلیکولیز استفاده می‌کنند. تنظیم گلوکز و استفاده از محصول دسته اصلی است که در آن‌ها این مسیرها بین ارگانیسم‌ها متفاوت است. در برخی از بافت‌ها و ارگانیسم‌ها، گلیکولیز تنها روش تولید انرژی است. این مسیر در تنفس بی‌هوازی و هوازی مشترک است.

گلیکولیز شامل ده مرحله است که به دو مرحله تقسیم می‌شود. در مرحله اول، به تجزیه دو مولکول ATP نیاز دارد. در مرحله دوم، انرژی شیمیایی از واسطه ها به ATP و NADH منتقل می‌شود. تجزیه یک مولکول گلوکز منجر به ایجاد دو مولکول پیروات می‌شود که می تواند با اکسید شدن بیشتر به انرژی بیشتری در فرآیندهای بعدی دسترسی پیدا کند. گلیکولیز را می‌توان در مراحل مختلف فرآیند از طریق تنظیم بازخورد تنظیم کرد. مرحله‌ای که بیشترین تنظیمات را انجام می‌دهد مرحله سوم است.

این مقررات برای اطمینان از عدم تولید بیش از حد بدن مولکول‌های پیروات است. این مقررات همچنین اجازه می‌دهد تا مولکول‌های گلوکز در اسیدهای چرب ذخیره شوند. آنزیم‌های مختلفی وجود دارد که در طول گلیکولیز استفاده می‌شود. آنزیم‌ها به تنظیم و پیشروی فرآیند متابولیسم کربوهیدرات ها می‌کنند.

گلوکونئوژنز چیست؟

گلوكونئوژنز فرآیند معكوس گلیكولیز است. این شامل تبدیل مولکول‌های غیر از کربوهیدرات به گلوکز است. مولکول‌های غیر کربوهیدرات که در این مسیر تبدیل می شوند شامل پیروات، لاکتات، گلیسرول، آلانین و گلوتامین هستند. این فرآیند زمانی اتفاق می افتد که مقدار گلوکز کاهش یابد. کبد محل اصلی گلوکونئوژنز است اما برخی نیز در کلیه رخ می‌دهد.

کبد عضوی است که مولکول‌های مختلف غیر از کربوهیدرات را تجزیه کرده و آن‌ها را به اندام‌ها و بافت‌های دیگر می‌فرستد تا در گلوکونئوژنز استفاده شود. این مسیر توسط چندین مولکول مختلف تنظیم می‌شود. گلوکاگون، هورمون آدرنوکورتیکوتروپیک و ATP باعث تشدید گلوکونئوژنز می‌شود. گلوكونئوژنز توسط فسفر ،ADP و انسولین مهار خواهد شد. انسولین و گلوکاگون دو تنظیم کننده متداول گلوکونئوژنز هستند.

گلیکوژنولیز چیست؟

گلیکوژنولیز به تجزیه گلیکوژن اشاره دارد. در کبد، عضلات و کلیه، این فرآیند برای تأمین گلوکز در صورت لزوم اتفاق می‌افتد. یک مولکول منفرد گلوکز از شاخه ای از گلیکوژن شکافته شده و در طی این فرآیند به گلوکز- 1- فسفات تبدیل می‌شود. سپس این مولکول می‌تواند به گلوکز- 6- فسفات، واسطه‌ای در مسیر گلیکولیز تبدیل شود که قادر به خروج از سلول نیست. سپس متابولیسم گلوکز- 6- فسفات می‌تواند از طریق گلیکولیز پیشرفت کند. گلیکولیز فقط زمانی که گلوکز از گلیکوژن سرچشمه می‌گیرد به ورودی یک مولکول ATP نیاز دارد.

در روش دیگر، گلوکز- 6- فسفات می‌تواند در کبد و کلیه‌ها به گلوکز تبدیل شود و به آن اجازه می‌دهد در صورت لزوم سطح گلوکز خون را افزایش دهد. گلوکاگون در کبد هنگامی که گلوکز خون کاهش می‌یابد، گلیکوژنولیز را تحریک می‌کند که معروف به افت قند خون است. گلیکوژن موجود در کبد می‌تواند به عنوان منبع پشتیبان گلوکز بین وعده‌های غذایی عمل کند. آدرنالین باعث تحریک تجزیه گلیکوژن در عضله اسکلتی حین ورزش می‌شود. در عضلات، گلیکوژن منبع انرژی سریعاً در دسترس را برای حرکت تضمین می کند.

گلیکوژنز چیست؟

گلیکوژنز به فرآیند سنتز گلیکوژن اشاره دارد. در انسان گلوکز اضافی از طریق این فرآیند به گلیکوژن تبدیل می‌شود. گلیکوژن یک ساختار بسیار منشعب است، متشکل از گلوکز به شکل گلوکز- 6- فسفات، بهم پیوسته است. انشعاب گلیکوژن حلالیت آن را افزایش و اجازه می دهد تعداد بیشتری از مولکول‌های گلوکز برای تجزیه در دسترس باشند.

گلیکوژنز در درجه اول در کبد، عضلات اسکلتی و کلیه اتفاق می‌افتد. مسیر گلیکوژنز مانند اکثر مسیرهای مصنوعی انرژی مصرف می‌کند زیرا برای هر مولکول گلوکز معرفی شده ATP و UTP مصرف می‌شود. پیش از این در مطلب گلیکوژنز و گلیکوژنولیز چیست؟ — به زبان ساده درباره مراحل، تنظیم کننده‌های هورمونی و عملکرد و تفاوت این دو مکانیسم به خوبی توضیح داده شده‌اند که توصیه می‌کنیم برای مطالعه آن + اینجا کلیک کنید.

مسیر پنتوز فسفات چیست؟

مسیر پنتوز فسفات یک روش جایگزین برای اکسیداسیون گلوکز است. در کبد، بافت چربی، قشر آدرنال، بیضه، غدد شیری، سلول‌های فاگوسیت‌کننده و گلبول‌های قرمز خون رخ می‌دهد و محصولی تولید می‌کند که در سایر فرآیندهای سلولی استفاده می‌شود، در حالی که NADP را به NADPH کاهش می‌دهد. این مسیر از طریق تغییر در فعالیت گلوکز- 6- فسفات دهیدروژناز تنظیم می‌شود.

متابولیسم فروکتوز چگونه است؟

فروکتوز برای ورود به مسیر گلیکولیز باید مراحل اضافی خاصی را طی کند. آنزیم‌های واقع در بافت‌های خاص می‌توانند یک گروه فسفات به فروکتوز اضافه کنند. این فسفوریلاسیون باعث ایجاد فروکتوز-6-فسفات، واسطه‌ای در مسیر گلیکولیز می‌شود که می‌تواند مستقیماً در آن بافت‌ها تجزیه شود. این مسیر در عضلات، بافت چربی و کلیه اتفاق می‌افتد. در کبد، آنزیم‌ها فروکتوز- 1- فسفات تولید می‌کنند که وارد مسیر گلیکولیز و بعداً به صورت گلیسرآلدهید و دی هیدروکسی استون فسفات تجزیه می‌شود.

متابولیسم گالاکتوز چگونه است؟

لاکتوز یا قند شیر از یک مولکول گلوکز و یک مولکول گالاکتوز تشکیل شده است. پس از جدا شدن از گلوکز، گالاکتوز برای تبدیل به گلوکز به کبد می‌رود. گالاکتوکیناز از یک مولکول ATP برای فسفوریلاسیون گالاکتوز استفاده می‌کند. سپس گالاکتوز فسفریله شده به گلوکز- 1- فسفات و سپس در نهایت گلوکز- 6- فسفات تبدیل می‌شود که می‌تواند در گلیکولیز تجزیه شود.

کاتابولیسم کربوهیدرات ها

کاتابولیسم واکنش متابولیکی است که سلول‌ها برای تجزیه مولکول‌های بزرگتر و استخراج انرژی، متحمل آن می‌شوند. دو مسیر عمده متابولیکی کاتابولیسم مونوساکارید وجود دارد:

• گلیکولیز
• چرخه اسید سیتریک

در گلیکولیز، ابتدا هیدرولازهای گلیکوزید، اولیگو و پلی ساکاریدها را به مونوساکاریدها تقسیم می‌شوند. سپس واحدهای مونوساکاریدی می‌توانند وارد کاتابولیسم مونوساکارید شوند. یک سرمایه گذاری ATP 2 در مراحل اولیه گلیکولیز برای فسفوریلات گلوکز به گلوکز 6- فسفات (G6P) و فروکتوز 6- فسفات (F6P) به فروکتوز 1 ،6- بی‌فسفات (FBP) مورد نیاز است، در نتیجه واکنش را به جلو جبران می‌کند. در انسان، همه انواع کربوهیدرات ها قابل استفاده نیستند زیرا آنزیم‌های گوارشی و متابولیکی لازم وجود ندارند.

کنترل هورمونی کربوهیدرات ها

تنظیم گلوکز تنظیم برای حفظ سطح ثابت گلوکز در بدن است. هورمون‌های آزاد شده از لوزالمعده متابولیسم کلی گلوکز را تنظیم می‌کنند. انسولین و گلوکاگون هورمون‌های اصلی هستند که در حفظ سطح ثابت گلوکز در خون دخیل هستند و ترشح هریک از آن‌ها با میزان مواد مغذی موجود کنترل می‌شود.

میزان انسولین آزاد شده در خون و حساسیت سلول‌ها به انسولین هر دو میزان گلوکز تجزیه شده در سلول‌ها را تعیین می‌کند. افزایش سطح گلوکاگون باعث فعال شدن آنزیم‌های کاتالیز کننده گلیکوژنولیز می‌شود و آنزیم‌های کاتالیز کننده گلیکوژنز را مهار می‌کند. برعکس، در صورت وجود مقادیر بالای انسولین در خون، گلیکوژنز افزایش یافته و گلیکوژنولیز مهار می‌شود.

سطح گلوکز در گردش خون (که به طور غیررسمی به عنوان قند خون شناخته می‌شود) مهمترین عامل تعیین‌کننده میزان گلوکاگون یا انسولین تولید شده است. ترشح گلوکاگون با سطح پایین گلوکز خون رسوب می‌کند، در حالی که سطح بالای گلوکز خون سلول‌ها را برای تولید انسولین تحریک می‌کند. از آنجا که میزان گلوکز در گردش خون تا حد زیادی با مصرف کربوهیدرات های رژیم غذایی تعیین می‌شود، رژیم غذایی از طریق انسولین جنبه‌های اصلی متابولیسم را کنترل می‌کند.

در انسان انسولین توسط سلول‌های بتا در پانکراس ساخته می‌شود، چربی و گلیکوژن در سلول‌های بافت چربی ذخیره می‌شوند و در صورت نیاز سلول‌های کبدی آزاد خواهند شد. صرف نظر از سطح انسولین خون، هیچ گلوكزی از ذخایر گلیكوژن داخلی از سلول‌های عضلانی به خون ترشح نمی‌شود.

کربوهیدارت ها چگونه ذخیره می شوند؟

کربوهیدرات‌ها به طور معمول به عنوان پلیمرهای طولانی از مولکول‌های گلوکز با پیوندهای گلیکوزیدی برای پشتیبانی ساختاری (به عنوان مثال کیتین سلولز) یا ذخیره انرژی (به عنوان مثال گلیکوژن و نشاسته) ذخیره می‌شوند. با این حال، میل شدید اکثر کربوهیدرات‌ها به آب باعث می‌شود ذخیره مقدار زیادی کربوهیدرات به دلیل وزن مولکولی زیادی که از مجموعه آب - کربوهیدرات حاصل شده است، ناکارآمد باشد.

در اکثر ارگانیسم‌ها، کربوهیدرات‌های اضافی به طور منظم کاتابولیزه می‌شوند و استیل کوآنزیم A ایجاد می‌کنند که ترکیب اساسی برای مسیر سنتز اسیدهای چرب است. به طور معمول از اسیدهای چرب، تری‌گلیسیرید و سایر چربی‌ها برای ذخیره انرژی در طولانی مدت استفاده می‌شود. ویژگی آب‌گریز لیپیدها، آن‌ها را به شکل فشرده‌تری از ذخیره انرژی نسبت به کربوهیدرات های آب دوست تبدیل می‌کند.

با این حال حیوانات از جمله انسان، فاقد آنزیم‌های لازم هستند و بنابراین گلوکز را از لیپیدها سنتز نمی‌کنند (به استثنای چند مورد مثل گلیسرول). در بعضی از حیوانات (مانند موریانه) و برخی از میکروارگانیسم‌ها (مانند آغازیان و باکتری‌ها)، سلولز می‌تواند در هنگام هضم جدا شده و به صورت گلوکز جذب شود.

عملکرد کربوهیدرات ها چیست؟

کربوهیدرات ها چهار عملکرد اصلی در بدن دارند:

• تأمین انرژی به ویژه برای مغز به شکل گلوکز
• جلوگیری از تجزیه اسیدهای آمینه برای تأمین انرژی
• جلوگیری از کتوز در اثر تجزیه اسیدهای چرب
• تشخیص سلول و پروتئین

هورمون‌های گلیکوپروتئینی ممکن است توسط کبد از جریان خون خارج شوند که گذشت زمان باعث تجزیه کربوهیدراتها از گلیکوپروتئین‌ها خواهند شد.

بیماری های مرتبط با متابولیسم کربوهیدارت ها

با توجه به تنوع کربوهیدارت ها و نقش مکمل آن‌ها در کنار سایر مولکول‌های زیستی و فراوانی آن‌ها در بدن، هر گونه اختلال در مسیر تولید، تنظیم، متابولیسم و عملکرد آن‌ها باعث بیماری یا مشکلاتی خواهد شد. در ادامه به برخی از بیماری‌هایی که با نقص در تولید و تنظیم کربوهیدرات ها در ارتباط هستند اشاره کرده‌ایم.

دیابت شیرین

گروهی از اختلالات متابولیکی شامل دیابت نوع ۱، دیابت نوع ۲ و دیابت بارداری هستند که با افزایش سطح قند خون در مدت زمان طولانی مشخص می‌شود. علائم اغلب شامل تکرر ادرار، افزایش تشنگی و افزایش اشتها است. در صورت عدم درمان، دیابت می‌تواند عوارض زیادی ایجاد کند. عوارض حاد می تواند شامل کتواسیدوز دیابتی، حالت هیپرگلیسمی هیپراسمولار یا مرگ باشد.

عوارض جدی طولانی مدت شامل بیماری‌های قلبی عروقی، سکته مغزی، بیماری مزمن کلیه، زخم پا، آسیب به اعصاب، آسیب به چشم و اختلال شناختی است. در گذشته درباره نوع دیگری از دیابت، علل، علائم و درمان آن در مطلبی تحت عنوان دیابت بی مزه چیست؟ — انواع، علل، علائم و درمان مقاله کاملی نوشته شده است که می‌توانید آن را مطالعه کنید.

عدم تحمل لاکتوز

یک بیماری شایع است که به دلیل کاهش توانایی هضم لاکتوز، قند موجود در محصولات لبنی ایجاد می‌شود. مبتلایان از نظر میزان لاکتوز قابل تحمل قبل از بروز علائم متفاوت هستند. علائم ممکن است شامل درد شکم، نفخ شکم، اسهال، گاز و حالت تهوع باشد. این علائم معمولاً سی دقیقه تا دو ساعت پس از خوردن یا نوشیدن غذای حاوی شیر شروع می‌شود. شدت آن‌ها معمولاً به مقدار خوردن یا نوشیدن فرد بستگی دارد. عدم تحمل لاکتوز صدمه‌ای به دستگاه گوارش وارد نمی‌کند.

سوء جذب فروکتوز

یک اختلال گوارشی است که در آن جذب فروکتوز توسط حاملان کم فروکتوز در سلول‌های روده کوچک اختلال ایجاد می‌کند. این منجر به افزایش غلظت فروکتوز در کل روده می‌شود. بروز در بیمارانی که به علائم سندرم روده تحریک‌پذیر مبتلا هستند، بیشتر از حد در جمعیت طبیعی نیست.

با این حال، به دلیل شباهت در علائم، بیماران مبتلا به سوء‌جذب فروکتوز غالباً در مشخصات افراد مبتلا به سندرم روده تحریک‌پذیر متناسب هستند. در بعضی موارد، سوء‌جذب فروکتوز ممکن است توسط چندین بیماری ایجاد شود که باعث آسیب روده مانند بیماری سلیاک می‌شوند.

گالاکتوزمی

یک اختلال متابولیک ژنتیکی نادر است که بر توانایی فرد در متابولیسم صحیح گالاکتوز قند تأثیر می‌گذارد. «گالاکتوزمی» (Galactosemia) به دنبال یک حالت توارثی اتوزومال مغلوب است که باعث کمبود آنزیمی می‌شود که مسئول تخریب کافی گالاکتوز است. گالاکتوزمی به صورت اتوزومی مغلوب به ارث می رسد، به این معنی که کودک برای نشان دادن بیماری باید یک ژن جهش یافته از هر والد به ارث برساند. هتروزیگوت‌ها ناقل هستند زیرا آن‌ها یک ژن طبیعی و یک ژن معیوب را به ارث می‌برند. حاملان هیچ علائمی از گالاکتوزمی نشان نمی‌دهند.

بیماری ذخیره گلیکوژن

یک اختلال متابولیکی است که به دلیل کمبود آنزیم در سنتز گلیکوژن، تجزیه گلیکوژن یا گلیکولیز، به طور معمول در عضلات و یا سلول‌های کبدی تأثیر می‌گذارد. GSD دو علت ژنتیکی و اکتسابی دارد. GSD ژنتیکی در اثر هر خطای ذاتی متابولیسم (آنزیم‌های معیوب ژنتیکی) درگیر در این فرآیندها ایجاد می‌شود.

درمان به نوع بیماری ذخیره گلیکوژن بستگی دارد. GSD I به طور معمول با وعده‌های غذایی كوچک كربوهیدرات و نشاسته ذرت كه به آن درمان نشاسته ذرت می‌گویند، برای جلوگیری از افت قند خون درمان می‌شود. سایر درمان‌ها ممكن است شامل آلوپورینول و عامل تحریک كلونی گرانولوسیت انسانی باشند.

گلایکومیکس چیست؟

گلایکومیکس به معنای مطالعه جامع گلیکوم‌ یعنی کل قندها، اعم از آزاد یا موجود در مولکول‌های پیچیده‌تر در یک ارگانیسم  از جنبه ژنتیک، فیزیولوژیک، آسیب‌شناسی است. گلایکومیک مطالعه سیستماتیک تمام ساختارهای گلیکان از یک نوع سلول یا ارگانیسم خاص است و زیرمجموعه‌ای از گلیکوبیولوژی محسوب می‌شود.

اصطلاح گلایکمیک از پیشوند شیمیایی شیرینی یا قند glyco - گرفته شده است و برای پیروی از قرارداد نامگذاری omics که توسط ژنومیک (که با ژن‌ها سروکار دارد) و پروتئومیکس (که با پروتئین‌ها سرو کار دارد) ایجاد شده است. اهمیت مطالعات گلایکومیکس در عملکردهای مختلف و مهم گلیکان‌ها است که برخی از آن‌ها عبارتند از موارد زیر:

• گلیکو پروتئین‌ها و گلیکو لیپیدهای موجود در سطح سلول نقش مهمی در شناسایی باکتری و ویروس دارند.
• در مسیرهای سیگنالینگ سلولی نقش دارند و عملکرد سلول را تعدیل می‌کنند.
• در سیستم ایمنی ذاتی مهم هستند.
• رشد سرطان را تعیین می‌کنند.
• آنها سرنوشت سلولی را تنظیم، از تکثیر جلوگیری و همچنین گردش خون را تنظیم می‌کنند.
• بر پایداری و جمع شدن پروتئین‌ها تأثیر می‌گذارند.
• بر مسیر و سرنوشت گلیکوپروتئین‌ها تأثیر دارند.
• بسیاری از بیماری‌های خاص موروثی با گلیکان‌ها و متابولیسم آن‌ها در ارتباط هستند.

همچنین این مطالعات در بخش‌های مهمی از علم پزشکی تأثیر دارند از جمله:

• در پیوند سلول‌های بنیادی خون‌ساز، لکتین‌ها برای جلوگیری از پیوند، سلول‌ها را شکننده می‌کنند.
• فعال سازی و گسترش سلول‌های CD8 سیتولیتیک در درمان سرطان گلایکمیک به ویژه در میکروبیولوژی مهم است زیرا گلیکان‌ها نقش‌های مختلفی در فیزیولوژی باکتری دارند.
• تحقیقات در مورد گلیکومیک‌های باکتریایی می‌توانند منجر به داروهای جدید گلیکان فعال زیستی واکسن‌های گلیکوکانژوگه شود.

رژیم کاهش کربوهیدرات

رژیم‌های کم کربوهیدرات ممکن است مزایای سلامتی را از دست بدهند، مانند افزایش دریافت فیبر در رژیم غذایی که از کربوهیدرات ‌های با کیفیت بالا در حبوبات، غلات سبوس‌دار، میوه‌ها و سبزیجات ارائه می‌شود. از معایب رژیم غذایی کم کربوهیدرات می‌توان به هالیتوز، سردرد و یبوست اشاره کرد. تحقیقات درباره اثرات نامطلوب احتمالی رژیم‌های غذایی محدود شده از کربوهیدرات، به ویژه برای خطرات احتمالی پوکی استخوان و بروز سرطان، همچنان ادامه دارند.

فیلم آموزش تغذیه – اصول رژیم و تغذیه در فرادرس

کلیک کنید

رژیم‌های غذایی با محدودیت کربوهیدرات می‌توانند به اندازه رژیم‌های کم چربی در کاهش وزن در کوتاه مدت و در صورت کاهش کالری دریافتی موثر باشند. در بیانیه علمی انجمن غدد درون‌ریز گفته شده است که وقتی کالری دریافتی ثابت بماند به نظر نمی‌رسد که حتی با تغییرات بسیار بارز مقدار چربی در مقابل کربوهیدرات موجود در رژیم غذایی، میزان تجمع چربی در بدن تحت تأثیر قرار گیرد. در دراز مدت، کاهش وزن یا نگهداری موثر به محدودیت کالری بستگی دارد، نه به نسبت عناصر مغذی در رژیم غذایی.

استدلال طرفداران رژیم غذایی این است که کربوهیدرات ها با افزایش سطح انسولین خون باعث تجمع چربی نامناسب می‌شوند و رژیم‌های کم کربوهیدرات از مزیت متابولیک برخوردار هستند، با شواهد بالینی پشتیبانی نمی‌شود. به علاوه، مشخص نیست که رژیم کم‌ کربوهیدرات چگونه بر سلامت قلب و عروق تأثیر می‌گذارد. طبق برخی تحقیقات محدودیت کربوهیدرات ممکن است مارکرهای چربی را در خطر بیماری‌های قلبی عروقی بهبود بخشد.

رژیم‌های غذایی محدود شده با کربوهیدرات در جلوگیری از شروع دیابت نوع 2 موثرتر از یک رژیم غذایی سالم سالم نیستند اما برای افراد مبتلا به دیابت نوع 2، گزینه‌ای مناسب برای کاهش وزن یا کمک به کنترل قند خون هستند. توصیه می‌شود که افراد مبتلا به دیابت به جای رژیم غذایی متمرکز بر کربوهیدرات یا سایر عناصر مغذی، باید رژیم غذایی سالم داشته باشند.

شکل شدید رژیم کم کربوهیدرات یا رژیم کتوژنیک به عنوان یک رژیم غذایی پزشکی برای درمان صرع به خصوص در کودکان نیز تجویز می‌شود. این رژیم به عنوان یک رژیم لاغری به عنوان وسیله‌ای برای کاهش وزن تبدیل شد اما با عوارض جانبی نامطلوبی مانند سطح پایین انرژی و افزایش گرسنگی، بی‌خوابی، حالت تهوع و ناراحتی دستگاه گوارش نیز همراه است.