Carbohidrații (zaharurile) reprezintă o parte esențială a dietei noastre. Cerealele, fructele și legumele sunt surse naturale de carbohidrați, care furnizează corpului energie, mai ales sub formă de glucoză, un zahar simplu ce intră în componența amidonului și a multor alimente de bază.
În afară de a furniza energie, zaharurile îndeplinesc și alte funcții importante la oameni, animale și plante.
Structură moleculară
Carbohidrații sunt reprezentați prin formula stoechiometrică (CH2O)n, în care n este numărul atomilor de carbon din moleculă. Cu alte cuvinte, raportul C:H:O din moleculele de carbohidrați este 1:2:1. Oamenii de știință clasifică zaharurile în trei subgrupe: monozaharide, dizaharide și polizaharide.
Monozaharidele
Monozaharidele sunt zaharuri simple, cel mai cunoscut fiind glucoza. Numărul atomilor de carbon din structura monozaharidelor variază de la trei la șapte. Majoritatea denumirilor monozaharidelor se termină cu sufixul -oză.
Dacă un zahar prezintă în structură o grupare aldehidică (o grupare funcțională cu formula R-CHO), atunci ea este o aldoză, iar dacă prezintă o grupare cetonică (o grupare funcțională cu formula RC(=O)R’), atunci ea este o cetoză. În funcție de numărul de atomi de carbon, există trioze (trei atomi de carbon), pentoze (cinci atomi de carbon) și hexoze (șase atomi de carbon).
Figura 1 – Monozaharidele sunt clasificate în funcție de poziția grupării carbonil și de numărul de atomi de carbon. Aldozele prezintă gruparea carbonil (cu verde) la capătul lanțului de carbon, iar cetozele au gruparea carbonil în mijlocul lanțului de carbon. Triozele, pentozele și hexozele au trei, cinci, respectiv șase atomi de carbon.
Formula chimică a glucozei este C6H12O6. La om, glucoza este o sursă de energie importantă. În timpul respirației celulare, energia eliberată de glucoză este utilizată pentru sinteza adenozin-trifosfatului (ATP). Plantele sintetizează glucoza pornind de la dioxid de carbon și apă. Oamenii și alte animale se hrănesc cu plante pentru a obține glucoza prin catabolizarea amidonului.
Galactoza (o componentă a lactozei din lapte) și fructoza (o componentă a sucrozei din fructe) sunt alte monozaharide des întâlnite. Deși glucoza, galactoza și fructoza prezintă aceeași formulă chimică (C6H12O6), ele diferă din punct de vedere structural și chimic datorită aranjamentului diferit al grupărilor funcționale în jurul atomului de carbon asimetric.
Glucoza, galactoza și fructoza sunt monozaharide izomere, ceea ce înseamnă că ele prezintă aceeași formulă chimică, dar au structuri chimice ușor diferite. Glucoza și galactoza sunt aldoze, iar fructoza este o cetoză.
Monozaharidele pot exista sub formă de catene (lanțuri) liniare sau sub formă de inele; în soluție apoasă, ele există, de regulă, sub formă inelară. Glucoza în forma sa inelară poate avea două aranjamente ale grupării hidroxil (OH) legate de atomul de carbon anomeric (atomul de carbon din poziția 1, care devine asimetric în momentul formării inelului). Dacă gruparea hidroxil se află sub planul atomului de carbon din poziția 1, atunci ea este în poziție alfa, iar dacă se află deasupra planului, atunci este în poziție beta.
Figura 2 – Monozaharidele cu cinci și șase atomi de carbon există în echilibru între formele liniare și inelare.
Dizaharidele
Dizaharidele se formează atunci când două monozaharide suferă o reacție de deshidratare. În timpul acestui proces, gruparea hidroxil a unei molecule de monozaharidă se combină cu atomul de hidrogen ale altei molecule de monozaharidă, eliberând o moleculă de apă și formând o legătură covalentă. Acest tip de legătură formată între două molecule de carbohidrați (în acest caz, două monozaharide) se numește legătură glicozidică. Legăturile glicozidice pot fi de tip alfa sau beta.
Figura 3 – Sucroza se formează atunci când o moleculă de glucoză și una de fructoză se unesc printr-o reacție de deshidratare pentru a forma o legătură glicozidică.
Cele mai cunoscute dizaharide sunt maltoza, lactoza și sucroza. Lactoza este formată din monomeri de glucoza și galactoză și se întâlnește în lapte. Maltoza este formată din două molecule de glucoză. Sucroza (zaharoza sau zahărul de masă) este formată din monomeri de glucoză și fructoză.
Polizaharidele
Polizaharidele sunt lanțuri lungi de monozaharide unite prin legături glicozidice. Lanțul poate fi ramificat sau neramificat și poate conține tipuri diferite de monozaharide. Masa moleculară poate depăși 100.000 de daltoni, în funcție de numărul monomerilor implicați. Amidonul, glicogenul, celuloza și chitina sunt exemplu cunoscute de polizaharide.
Amidonul este forma de stocare a zaharurilor la plante și este format dintr-un amestec de amiloză și amilopectină (ambele polimeri ai glucozei). Plantele pot sintetiza glucoză, iar excesul acesteia este stocat sub formă de amidon în diferite părți ale plantei, cum sunt rădăcinile și semințele. Amidonul din semințe furnizează hrană embrionului în timpul germinării, dar poate fi și sursă de hrană pentru om și animale. Amidonul consumat de oameni este degradat de enzime, cum sunt amilazele salivare, în molecule mai mici (maltoză sau glucoză). Apoi celulele pot absorbi glucoza.
Amidonul este format din monomeri de glucoză uniți prin legături glicozidice alfa 1-4 sau alfa 1-6. Numerele 1-4 și 1-6 se referă la pozițiile atomilor de carbon din cei doi monomeri între care se formează legătura. După cum se observă din Figura 4, amiloza este formată din lanțuri neramificate de monomeri de glucoză (doar legături alfa 1-4), iar amilopectina este o polizaharidă ramificată (la punctele de ramificare există legături alfa 1-6).
Figura 4 – Amiloza și amilopectina sunt două forme diferite de amidon.
Glicogenul este forma de stocare a glucozei întâlnită la oameni și alte vertebrate și este alcătuit din monomeri de glucoză. Glicogenul este echivalentul animal al amidonului și este o moleculă puternic ramificată întâlnită predominant în ficat și celulele musculare. Atunci când nivelul glucozei sanguine scade, glicogenul este degradat pentru a elibera glucoză prin procesul de glicogenoliză.
Celuloza este cel mai abundent biopolimer natural. Peretele celular al plantelor este format predominant din celuloză, ceea ce oferă suport structural celulei. Lemnul și hârtia sunt de natură celulozică. Celuloza este formată din monomeri de glucoză legați prin legături glicozidice beta 1-4 (Figura 5).
Figura 5 – În celuloză, monomerii de glucoză sunt legați prin legături glicozidice beta 1-4 neramificate.
După cum se observă din Figura 5, fiecare al doilea monomer de glucoză este inversat, iar monomerii sunt împachetați strâns în lanțuri lungi. Acest lucru conferă celulozei rigiditate și rezistență la tracțiune – trăsături foarte importante pentru celulele plantelor.
Legătura beta 1-4 nu poate fi descompusă de enzimele digestive umane, însă animalele erbivore sunt capabile, cu ajutorul enzimelor specializate (celulaze) din stomacul lor, să digereze materialul vegetal bogat în celuloză. Celulazele descompun celuloza în monomeri de glucoză, care apoi este utilizată ca sursă de energie.
Termitele pot descompune și ele celuloza datorită prezenței în corpul lor a altor organisme capabile să producă celulaze.
Carbohidrații îndeplinesc și alte funcții la diferite animale. Artropodele (insecte, crustacee etc.) prezintă un schelet exterior, denumit exoschelet, care le protejează părțile interne ale corpului. Acest exoschelet este format din macromolecula biologică numită chitină, care este o polizaharidă cu conținut de azot. Aceasta este formată din unități repetitive de N-acetil-beta-D-glucozamină (un zahar modificat). Chitina este, de asemenea, o componentă esențială a peretelui celular de la ciuperci.
Sursa (text și ilustrații): Openstax.org