معلومة

لماذا تستخدم الحيوانات الجليكوجين لتخزين السكاريد بينما تستخدم النباتات النشا؟

لماذا تستخدم الحيوانات الجليكوجين لتخزين السكاريد بينما تستخدم النباتات النشا؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

شكل تخزين السكريات المتعددة للجلوكوز في الحيوانات هو الجليكوجين ، بينما في النباتات هو النشا. كلاهما عبارة عن بوليمرات α-glucose مع α-l و 4 روابط جليكوسيدية و α-l و 6 نقاط فرع جليكوسيدية (مقالة Wikipedia عن السكريات). الاختلاف الوحيد الذي تذكره معظم المصادر (على سبيل المثال ، بيرج وآخرون.) هو أن الجليكوجين يحتوي على فروع أكثر من النشا.

ليس من الواضح بالنسبة لي من هذه المعلومات ما هو تأثير التفرع المختلف على هياكل السكريات ، ولا لماذا يفضل أحدهما على الآخر في الحيوانات والنباتات.


ملخص

الفرق الرئيسي بين الجليكوجين والأميلوبكتين (المكون الرئيسي للنشا) هو ليس ال عدد من الفروع α l ، 6-glycosidic ، لكن لها ترتيب.

في الجليكوجين يتم تقسيم الفروع على التوالي ، مما ينتج عنه بنية كروية صغيرة نسبيًا غير قادرة على النمو أكثر. إنه قابل للذوبان في بيئة مائية ، وله العديد من الأطراف المكشوفة ، يمكن استقلابه بسرعة - وهو مناسب للخلايا الحيوانية التي يجب فيها تعبئة احتياطيات الطاقة استجابة للطلبات الفورية ، على سبيل المثال لتقلص العضلات.

في اميلوبكتين هناك سلسلة مركزية طويلة من عديد السكاريد تمتد منها الفروع ذات الحجم المحدود على فترات. ينتج عن ذلك جزيئات شبه بلورية أكبر بكثير (حبيبات النشا) ، وهو شكل مناسب بشكل خاص لتخزين كميات كبيرة على المدى الطويل في البذور والدرنات.

الكيمياء

هذه هي السمة المشتركة للجليكوجين وجزء الأميلوبكتين من النشا. (جزء الأميلوز غير ممنوح.) في الجليكوجين يوجد تقريبًا. نقطة فرع واحدة لكل 10 وحدات جلوكوز ، بينما في الأميلوبكتين يكون الرقم 1 لكل 24-30 (المصدر: ويكيبيديا).

التضاريس

يتم توضيح التضاريس المتفرعة المتناقضة لعدتي السكريات ، المذكورة أعلاه ، بشكل تخطيطي أدناه:

هذا تمثيل ثنائي الأبعاد. ينتشر الجليكوجين في ثلاثة أبعاد في جميع الاتجاهات من نقطة مركزية - في الواقع إنزيم التمهيدي ، الجليكوجينين. في الأبعاد الثلاثة ، تقع خيوط الأميلوبكتين جنبًا إلى جنب.

الهيكل الكلي

الرسم التوضيحي أدناه معدّل من Bell وآخرون.، يوضح الأشكال والأحجام المختلفة للهياكل الجزيئية. وتجدر الإشارة إلى أن الطبيعة شبه البلورية للأميلوبكتين يساعدها التشكل الحلزوني للسلاسل.

بدلاً من تقديم ملخص لمراجعة بيل وآخرون. (مجلة علم النبات التجريبي ، المجلد 62 ، ص 1775-1801 ، 2011) سأقتبس منهم مباشرة (مع حذف الاستشهادات الخاصة بهم).

كتحية الجليكوجين يكتبون:

تدعم كل سلسلة ، باستثناء السلاسل الخارجية غير الممنوحة ، فرعين. يسمح هذا النمط المتفرّع بالنمو الكروي لطبقات توليد الجسيمات (المستوى يتوافق مع الفضاء الكروي الذي يفصل فرعين متتاليين من جميع السلاسل الموجودة على مسافة مماثلة من مركز الجسيم). يؤدي هذا النوع من النمو إلى زيادة كثافة السلاسل في كل طبقة مما يؤدي إلى بنية أكثر ازدحامًا تدريجيًا نحو المحيط.

تتنبأ النمذجة الرياضية بقيمة قصوى لحجم الجسيمات يكون فوقها مزيد من النمو مستحيلًا حيث لن يكون هناك مساحة كافية لتفاعل السلاسل مع المواقع المحفزة لإنزيمات استقلاب الجليكوجين. ينتج عن هذا جسيم يتكون من 12 طبقة تقابل أقصى قطر يبلغ 42 نانومتر بما في ذلك 55000 من بقايا الجلوكوز. يقع 36 ٪ من هذا العدد الإجمالي في الغلاف الخارجي (غير الممنوح) وبالتالي يمكن الوصول إليه بسهولة لتقويض الجليكوجين دون إزالة الامتيازات. في الجسم الحي ، توجد جسيمات الجليكوجين في شكل حبيبات ذات حجم محدود (ماكروجليكوجين) وأيضًا حبيبات أصغر تمثل حالات وسيطة للتخليق الحيوي للجليكوجين وتدهوره (البروجليكوجين). جزيئات الجليكوجين قابلة للذوبان تمامًا في الماء ، وبالتالي ، تحدد حالة يكون فيها الجلوكوز أقل نشاطًا تناضحيًا ولكن يمكن الوصول إليه بسهولة للتعبئة السريعة من خلال إنزيمات هدم الجليكوجين كما لو كان في مرحلة الذوبان.

بخصوص أميلوبكتين يكتبون:

يحدد الأميلوبكتين واحدًا من ، إن لم يكن أكبر ، بوليمر بيولوجي معروف ويحتوي على 105-106 من مخلفات الجلوكوز. لا يوجد حد أعلى نظريًا للحجم الذي تصل إليه جزيئات الأميلوبكتين الفردية. هذا لا يرجع إلى الدرجة الأقل قليلاً من التفرع الكلي للجزيء عند مقارنته بالجليكوجين. بل يرجع ذلك إلى الطريقة التي تتوزع بها الفروع داخل الهيكل. تتركز الفروع في أقسام من جزيء الأميلوبكتين مما يؤدي إلى مجموعات من السلاسل التي تسمح بنمو غير محدد من السكاريد. الميزة الرئيسية الأخرى لهيكل كتلة الأميلوبكتين تتكون من التعبئة الكثيفة للسلاسل المتولدة في جذر المجموعات حيث تصل كثافة الفروع محليًا إلى كثافة الجليكوجين أو تتجاوزها. تولد هذه التعبئة الكثيفة للفروع سلاسل جلوكان معبأة بإحكام قريبة بما يكفي لمحاذاة وتشكيل هياكل حلزونية مزدوجة متوازية. تصطف الحلزونات الموجودة داخل مجموعة واحدة والعناقيد المجاورة وتشكل أقسامًا من الهياكل البلورية مفصولة بأقسام من مادة غير متبلورة (تحتوي على الفروع) وبالتالي تولد الطبيعة شبه البلورية للأميلوبكتين والحبيبات الناتجة عن النشا. في الواقع ، تصبح السلاسل المتبلورة غير قابلة للذوبان وتنهار عادةً إلى مادة صلبة كبيرة الحبيبات. تسمح حبيبات النشا الخاملة تناضحيًا بتخزين كميات غير محدودة من الجلوكوز التي تصبح غير متوفرة من الناحية الأيضية. في الواقع ، فإن إنزيمات تخليق النشا والتعبئة غير قادرة على التفاعل مباشرة مع الهيكل الصلب مع استثناء ملحوظ من سينثيز النشا المرتبط بالحبيبات ، وهو الإنزيم الوحيد المطلوب لتخليق الأميلوز.

كودا

يبدو أن ندرة المعلومات حول استقلاب نشا النبات تعكس مزيجًا من عدم معرفتها بالكيمياء الحيوية للنبات ، وأقل اهتمامًا عامًا بسبب التركيز العام على الكيمياء الحيوية الطبية والحيوانية. على الرغم من أنني أنا عالم الكيمياء الحيوية للحيوان (وبالتالي ، كنت جاهلًا سابقًا بالمعلومات الواردة في هذه الإجابة) أشعر أن الوقت قد حان لإصلاح هذا الخلل.


حسنًا ، يمكن تقسيم الجليكوجين إلى سكريات بشكل أسرع كثيرًا ، فالعديد من الفروع تعني العديد من النهايات لقص السكريات الفردية ، وهذه هي الطريقة التي تحشد السكر للاستخدام ، ويتم قصه من نهاية الخصلة. مع وجود العديد من الفروع ، يمكن للجليكوجين تعبئة المزيد من السكر بسرعة أكبر. هذا ليس مهمًا في النباتات ولكن في الحيوانات التي تحتاج إلى أن تكون قادرة على تعبئة الكثير من الطاقة بسرعة ، يعمل الجليكوجين بشكل أفضل. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الجليكوجين هو جزيء أصغر وأسهل في صنعه ، وهذا ليس مفاجئًا لأن الجليكوجين هو حالة أسلاف للنباتات والحيوانات.

بالنسبة إلى سبب تحول النباتات إلى النشا ، أو الحصول عليها بشكل أكثر دقة من خلال التعايش ، فإن النشويات ذات البنية البلورية المطوية تجعلها مخزنًا للطاقة أعلى كثافة ولكن أيضًا تبطئ إطلاقها ، ومع ذلك فهي أكثر استقرارًا ، وهو أمر مهم إذا كنت تريد تخزينها لفترة طويلة. من المحتمل أن تتحول الحيوانات إلى النشا أيضًا إذا لم تضطر إلى تحطيمه لهضمه ، لمجرد أنها تأخذ الكثير منه. ولكن نظرًا لأنه يتعين عليهم تفكيكه ، فلا يوجد حافز حقيقي لإعادة بنائه مرة أخرى إلى النشا عندما يكون للجليكوجين بعض المزايا وبصراحة تامة نظرًا لأن المسار موجود بالفعل والتطور لديه الكثير من "حسنًا بما فيه الكفاية".


لماذا تستخدم الحيوانات الجليكوجين لتخزين السكاريد بينما تستخدم النباتات النشا؟ - مادة الاحياء

الكربوهيدرات

المصطلح الكربوهيدرات كانت تستخدم في الأصل لوصف المركبات التي كانت حرفياً & quothydrates من الكربون & quot لأن لها الصيغة التجريبية CH2O. في السنوات الأخيرة ، تم تصنيف الكربوهيدرات على أساس تركيبتها ، وليس على أساس صيغها. يتم تعريفهم الآن على أنهم الألدهيدات والكيتونات متعدد هيدروكسي. ومن المركبات التي تنتمي إلى هذه العائلة السليلوز والنشا والجليكوجين ومعظم السكريات.

هناك ثلاث فئات من الكربوهيدرات: السكريات الأحادية ، والسكريات الثنائية ، والسكريات المتعددة. ال السكريات الأحادية هي مواد صلبة بلورية بيضاء تحتوي على مجموعة وظيفية واحدة من الألدهيد أو الكيتون. وهي مقسمة إلى فئتين ألدوز و الكيتوز على أساس ما إذا كانت الألدهيدات أو الكيتونات. يتم تصنيفها أيضًا على أنها ثلاثية أو رباعي أو بنتوز أو هيكسيوز أو هيبتوز على أساس ما إذا كانت تحتوي على ثلاث أو أربع أو خمس أو ست أو سبع ذرات كربون.

باستثناء واحد فقط ، فإن السكريات الأحادية هي مركبات نشطة بصريًا. على الرغم من أن كلا من أيزومرين D و L ممكنان ، إلا أن معظم السكريات الأحادية الموجودة في الطبيعة موجودة في التكوين D. يتم عرض الهياكل الخاصة بأيزومر D و L لأبسط ألدوز ، glyceraldehyde ، أدناه.

تم تحديد هياكل العديد من السكريات الأحادية لأول مرة بواسطة إميل فيشر في ثمانينيات وتسعينيات القرن التاسع عشر وما زالت مكتوبة وفقًا لاتفاقية طورها. يمثل إسقاط فيشر الشكل الذي سيبدو عليه الجزيء إذا تم إسقاط هيكله ثلاثي الأبعاد على قطعة من الورق. وفقًا للاتفاقية ، تتم كتابة إسقاطات Fischer عموديًا ، مع وجود الألدهيد أو الكيتون في الأعلى. تتم كتابة مجموعة -OH على ذرة كربون من الثانية إلى الأخيرة على الجانب الأيمن من الهيكل العظمي لميزومر D وعلى الجانب الأيسر من أجل أيزومر L. فيما يلي عرض لإسقاطات فيشر لاثنين من أيزومرات جلايسيرالدهيد.

يمكن الحصول على إسقاطات Fischer هذه من الهياكل الهيكلية الموضحة أعلاه عن طريق تصوير ما يمكن أن يحدث إذا وضعت نموذجًا لكل أيزومر على جهاز عرض علوي بحيث يمكن لـ CHO و CH2استقرت مجموعات OH على الزجاج ثم نظرت إلى صور هذه النماذج التي سيتم عرضها على الشاشة.

ترد توقعات فيشر لبعض السكريات الأحادية الأكثر شيوعًا في الشكل أدناه.

الجلوكوز والفركتوز لهما نفس الصيغة: C6ح12ا6. الجلوكوز هو السكر الذي يحتوي على أعلى تركيز في مجرى الدم يوجد الفركتوز في الفاكهة والعسل. استخدم إسقاطات فيشر في شكل السكريات الأحادية الشائعة لشرح الفرق بين هياكل هذه المركبات. توقع ما يجب أن يفعله الإنزيم لتحويل الجلوكوز إلى سكر الفواكه ، أو العكس.

إذا كانت سلسلة الكربون طويلة بما يكفي ، يمكن للكحول الموجود في أحد طرفي السكاريد الأحادي مهاجمة مجموعة الكربونيل في الطرف الآخر لتشكيل مركب دوري. عندما يتم تشكيل حلقة من ستة أعضاء ، يسمى ناتج هذا التفاعل أ بيرانوز هو مبين في الشكل أدناه.

عندما يتم تشكيل حلقة من خمسة أعضاء ، فإنها تسمى a فورانوز، كما هو موضح في الشكل أدناه.

هناك نوعان من الهياكل المحتملة لأشكال البيرانوز والفورانوز من السكاريد الأحادي ، والتي تسمى a - و b -anomers.

ردود الفعل التي تؤدي إلى تكوين بيرانوز أو فيورانوز يمكن عكسها. وبالتالي ، لا يهم ما إذا كنا نبدأ بعينة نقية من a -D-glucopyranose أو b-glucopyranose. في غضون دقائق ، يتم تحويل هذه الأنومرات لإعطاء خليط توازن يمثل 63.6٪ من المتجانسة b و 36.4٪ من الشانومر a. يمكن فهم التفضيل 2: 1 لـ b -anomer من خلال مقارنة هياكل هذه الجزيئات الموضحة سابقًا. في b -anomer ، كل من الضخم -OH أو -CH2بدائل OH تقع بشكل أو بآخر داخل مستوى الحلقة المكونة من ستة أعضاء. في a -anomer ، تكون إحدى مجموعات -OH متعامدة على مستوى الحلقة المكونة من ستة أعضاء ، في منطقة تشعر فيها بقوى تنافر قوية من ذرات الهيدروجين التي تقع في مواضع مماثلة حول الحلقة. نتيجة لذلك ، يكون b -anomer أكثر استقرارًا قليلاً من a -anomer.

السكريات تتشكل عن طريق تكثيف زوج من السكريات الأحادية. تراكيب السكاريد الثلاثة المهمة بالصيغة C12ح22ا11 موضحة في الشكل أدناه.

مالتوز، أو سكر الشعير ، الذي يتشكل عندما يتحلل النشا ، هو عنصر مهم في شعير الشعير المستخدم في تخمير البيرة. اللاكتوز، أو سكر الحليب ، هو ثنائي السكاريد الموجود في الحليب. الأطفال الصغار جدًا لديهم إنزيم خاص يعرف باسم اللاكتاز يساعد على هضم اللاكتوز. مع تقدمهم في السن ، يفقد الكثير من الناس القدرة على هضم اللاكتوز ولا يمكنهم تحمل الحليب أو منتجات الألبان. نظرًا لأن حليب الأم يحتوي على ضعف كمية اللاكتوز الموجودة في حليب الأبقار ، فإن الأطفال الصغار الذين يصابون بعدم تحمل اللاكتوز أثناء الرضاعة الطبيعية يتحولون إلى حليب الأبقار أو تركيبة اصطناعية تعتمد على السكروز.

المادة التي يشير إليها معظم الناس باسم & quotsugar & quot هي مادة السكاريد السكروزوالتي تستخرج إما من قصب السكر أو البنجر. السكروز هو أحلى أنواع السكاريد. إنه ما يقرب من ثلاثة أضعاف حلاوة المالتوز وستة أضعاف حلاوة اللاكتوز. في السنوات الأخيرة ، تم استبدال السكروز في العديد من المنتجات التجارية بشراب الذرة ، والذي يتم الحصول عليه عند تكسير السكريات في نشا الذرة. يتكون شراب الذرة بشكل أساسي من الجلوكوز ، والذي يحتوي على حوالي 70٪ فقط من السكر مثل السكروز. ومع ذلك ، فإن الفركتوز أكثر حلاوة بمرتين ونصف من الجلوكوز. لذلك تم تطوير عملية تجارية تستخدم إنزيم الأيزوميراز لتحويل حوالي نصف الجلوكوز الموجود في شراب الذرة إلى سكر الفواكه (انظر مشكلة الممارسة 4). يعتبر مُحلي الذرة عالي الفركتوز حلوًا تمامًا مثل السكروز وقد وجد استخدامًا واسعًا في المشروبات الغازية.

تمثل السكريات الأحادية والسكريات الأحادية جزءًا صغيرًا فقط من إجمالي كمية الكربوهيدرات في العالم الطبيعي. يوجد الجزء الأكبر من الكربوهيدرات في الطبيعة على شكل السكريات، والتي لها أوزان جزيئية كبيرة نسبيًا. تخدم السكريات وظيفتين رئيسيتين. يتم استخدامها من قبل كل من النباتات والحيوانات لتخزين الجلوكوز كمصدر للطاقة الغذائية في المستقبل وتوفر بعضًا من التركيب الميكانيكي للخلايا.

عدد قليل جدًا من أشكال الحياة تتلقى إمدادًا ثابتًا من الطاقة من بيئتها. من أجل البقاء على قيد الحياة ، كان على الخلايا النباتية والحيوانية تطوير طريقة لتخزين الطاقة في أوقات الوفرة من أجل البقاء على قيد الحياة في أوقات النقص التالية. تخزن النباتات الطاقة الغذائية في صورة عديد السكاريد المعروف باسم نشاء. هناك نوعان أساسيان من النشا: الأميلوز والأميلوبكتين. أميلوز يوجد في الطحالب والأشكال السفلية الأخرى من النباتات. وهو عبارة عن بوليمر خطي يتكون من حوالي 600 من بقايا الجلوكوز والتي يمكن التنبؤ ببنيتها عن طريق إضافة حلقات a -D-glucopyranose إلى بنية المالتوز. أميلوبكتين هو الشكل السائد للنشا في النباتات العليا. إنه بوليمر متفرع من حوالي 6000 بقايا جلوكوز مع فروع في 1 من كل 24 حلقة جلوكوز. يظهر جزء صغير من بنية الأميلوبكتين في الشكل أدناه.

يُعرف عديد السكاريد الذي تستخدمه الحيوانات للتخزين قصير المدى للطاقة الغذائية الجليكوجين. يحتوي الجليكوجين تقريبًا على نفس بنية الأميلوبكتين ، مع اختلافين طفيفين. يبلغ حجم جزيء الجليكوجين ضعف حجم الأميلوبكتين تقريبًا ، وله تقريبًا ضعف عدد الفروع.

هناك ميزة للسكريات المتفرعة مثل الأميلوبكتين والجليكوجين. خلال أوقات النقص ، تهاجم الإنزيمات أحد طرفي سلسلة البوليمر وتقطع جزيئات الجلوكوز ، واحدة تلو الأخرى. كلما زاد عدد الفروع ، زادت النقاط التي يهاجم فيها الإنزيم عديد السكاريد. وبالتالي ، فإن عديد السكاريد شديد التشعب هو الأنسب للإفراز السريع للجلوكوز من البوليمر الخطي.

كما تستخدم السكريات لتشكيل جدران الخلايا النباتية والبكتيرية. غالبًا ما تنفتح الخلايا التي لا تحتوي على جدار خلوي في المحاليل التي تكون تركيزات الملح فيها إما منخفضة جدًا (منخفضة التوتر) أو عالية جدًا (مفرطة التوتر). إذا كانت القوة الأيونية للمحلول أصغر بكثير من الخلية ، فإن الضغط الاسموزي يدفع الماء إلى الخلية لتحقيق التوازن في النظام ، مما يؤدي إلى انفجار الخلية. إذا كانت القوة الأيونية للمحلول عالية جدًا ، فإن الضغط الاسموزي يجبر الماء على الخروج من الخلية ، وتنفتح الخلية مع تقلصها. يوفر جدار الخلية القوة الميكانيكية التي تساعد على حماية الخلايا النباتية التي تعيش في أحواض المياه العذبة (القليل جدًا من الملح) أو مياه البحر (الكثير من الملح) من الصدمة التناضحية. يوفر جدار الخلية أيضًا القوة الميكانيكية التي تسمح للخلايا النباتية بدعم وزن الخلايا الأخرى.

أكثر السكريات الهيكلية وفرة هو السليلوز. يوجد الكثير من السليلوز في جدران الخلايا للنباتات وهو الأكثر وفرة من بين جميع الجزيئات البيولوجية. السليلوز عبارة عن بوليمر خطي من مخلفات الجلوكوز ، له هيكل يشبه الأميلوز أكثر من الأميلوبكتين ، كما هو موضح في الشكل أدناه. يمكن رؤية الفرق بين السليلوز والأميلوز من خلال مقارنة أرقام الأميلوز والسليلوز. يتكون السليلوز عن طريق ربط حلقات ب-جلوكوبيرانوز ، بدلاً من حلقات الجلوكوبيرانوز في النشا والجليكوجين.

البديل -OH الذي يعمل كحلقة وصل أساسية بين حلقات -جلوكوبيرانوز في النشا والجليكوجين متعامد على مستوى الحلقة المكونة من ستة أعضاء. نتيجة لذلك ، تشكل حلقات الجلوكوبيرانوز في هذه الكربوهيدرات هيكلًا يشبه درج الدرج. يكمن البديل -OH الذي يربط حلقات b-glucopyranose في السليلوز في مستوى الحلقة المكونة من ستة أعضاء. لذلك يتمدد هذا الجزيء بطريقة خطية. هذا يجعل من السهل على الروابط الهيدروجينية القوية أن تتشكل بين مجموعات -OH من الجزيئات المجاورة. وهذا بدوره يعطي السليلوز الصلابة المطلوبة ليكون بمثابة مصدر للهيكل الميكانيكي للخلايا النباتية.

يوفر السليلوز والنشا مثالاً ممتازًا على الارتباط بين بنية ووظيفة الجزيئات الحيوية. في مطلع القرن ، اقترح إميل فيشر أن بنية الإنزيم تتوافق مع المادة التي يعمل عليها ، بنفس الطريقة التي يتم بها مطابقة القفل والمفتاح. وهكذا ، فإن إنزيمات الأميليز في اللعاب التي تفكك الروابط بين جزيئات الجلوكوز في النشا لا يمكن أن تعمل على الروابط ب في السليلوز.

لا تستطيع معظم الحيوانات هضم السليلوز لأنها لا تمتلك إنزيمًا يمكنه شق الروابط ب بين جزيئات الجلوكوز. لذلك فإن السليلوز في نظامهم الغذائي يخدم فقط كألياف أو نخالة. تحتوي المسالك الهضمية لبعض الحيوانات ، مثل الأبقار والخيول والأغنام والماعز ، على بكتيريا تحتوي على إنزيمات تشق هذه الروابط ، حتى تتمكن هذه الحيوانات من هضم السليلوز.

يقدم النمل الأبيض مثالاً على العلاقة التكافلية بين البكتيريا والكائنات الحية الأعلى. لا يستطيع النمل الأبيض هضم السليلوز الموجود في الخشب الذي يأكله ، لكن أجهزته الهضمية مليئة بالبكتيريا القادرة على ذلك. اقتراح طريقة بسيطة لتخليص المنزل من النمل الأبيض ، دون قتل الحشرات الأخرى التي قد تكون مفيدة.

لسنوات عديدة ، اعتبر علماء الكيمياء الحيوية أن الكربوهيدرات مركبات خاملة مملة تملأ الفراغ بين الجزيئات المثيرة في الخلية والبروتينات. الكربوهيدرات هي شوائب يجب إزالتها عند & اقتباس البروتين. يدرك علماء الكيمياء الحيوية الآن أن معظم البروتينات موجودة بالفعل البروتينات السكرية، حيث ترتبط الكربوهيدرات تساهميًا بسلسلة البروتين. تلعب البروتينات السكرية دورًا مهمًا بشكل خاص في تكوين جدران الخلايا الصلبة التي تحيط بالخلايا البكتيرية.


ما هو النشا

النشا هو عديد السكاريد الذي تصنعه النباتات الخضراء كمخزن رئيسي للطاقة. يتم إنتاج الجلوكوز بواسطة كائنات التمثيل الضوئي كمركب عضوي بسيط. يتم تحويله إلى مواد غير قابلة للذوبان مثل الزيوت والدهون والنشا للتخزين. لا تؤثر مواد التخزين غير القابلة للذوبان مثل النشا على إمكانات الماء داخل الخلية. لا يجوز لهم الابتعاد عن مناطق التخزين. في النباتات ، يتم تحويل الجلوكوز والنشا إلى مكونات هيكلية مثل السليلوز. يتم تحويلها أيضًا إلى بروتينات ضرورية لنمو وإصلاح الهياكل الخلوية.

تخزن النباتات الجلوكوز في الأطعمة الأساسية مثل الفاكهة والدرنات مثل البطاطس والبذور مثل الأرز والقمح والذرة والكسافا. يحدث النشا في حبيبات تسمى amyloplasts ، مرتبة في هياكل شبه بلورية. يتكون النشا من نوعين من البوليمرات: أميلوز وأميلوبكتين. الأميلوز عبارة عن سلسلة خطية وحلزونية ولكن الأميلوبكتين عبارة عن سلسلة متفرعة. حوالي 25٪ من النشا في النباتات عبارة عن أميلوز بينما الباقي عبارة عن أميلوبكتين. يتم تحويل الجلوكوز 1-فوسفات أولاً إلى الجلوكوز ADP. ثم يتم بلمرة ADP-glucose عبر رابطة 1.4-alpha glycosidic بواسطة إنزيم سينسيز النشا. تشكل هذه البلمرة البوليمر الخطي ، الأميلوز. يتم إدخال روابط 1.6-alpha glycosidic إلى السلسلة عن طريق إنزيم النشا المتفرّع الذي ينتج الأميلوبكتين. تظهر حبيبات النشا من الأرز في شكل 1.

الشكل 1: حبيبات النشا في الأرز


استقلاب الجليكوجين

توازن الجليكوجين هو عملية منظمة للغاية تسمح للجسم بتخزين أو إطلاق الجلوكوز حسب احتياجاته النشطة. الخطوات الأساسية في استقلاب الجلوكوز هي تكوين الجليكوجين ، أو تخليق الجليكوجين ، وتحلل الجليكوجين ، أو تكسير الجليكوجين.

تكوّن الجليكوجين

يتطلب تخليق الجليكوجين طاقة يتم توفيرها عن طريق يوريدين ثلاثي الفوسفات (UTP). Hexokinases أو glucokinase أول الجلوكوز الخالي من الفوسفوريلات لتشكيل الجلوكوز 6 فوسفات ، والذي يتم تحويله إلى الجلوكوز -1 الفوسفات عن طريق الفوسفوجلوكوموتاز. ثم يحفز UTP-glucose-1-phosphate uridylyltransferase تنشيط الجلوكوز ، حيث يتفاعل UTP و glucose-1-phosphate لتكوين UDP-glucose. في من جديد تخليق الجليكوجين ، يحفز بروتين الجليكوجينين ارتباط UDP-glucose بنفسه. الجليكوجينين هو جهاز homodimer يحتوي على بقايا التيروزين في كل وحدة فرعية تعمل بمثابة مرساة أو نقطة ربط للجلوكوز. تتم إضافة جزيئات الجلوكوز الإضافية لاحقًا إلى الطرف المختزل لجزيء الجلوكوز السابق لتشكيل سلسلة من حوالي ثمانية جزيئات جلوكوز. ثم يمتد سينسيز الجليكوجين السلسلة عن طريق إضافة الجلوكوز عبر روابط α-1،4 glycosidic.

يتم تحفيز التفرع بواسطة amylo- (1،4 to 1،6) -transglucosidase ، والذي يُسمى أيضًا إنزيم الجليكوجين المتفرّع. ينقل إنزيم الجليكوجين المتفرع جزءًا من ستة إلى سبعة جزيئات جلوكوز من نهاية السلسلة إلى C6 لجزيء الجلوكوز الموجود داخل جزيء الجليكوجين ، مكونًا روابط α-1،6 glycosidic.

تحلل الجليكوجين

تتم إزالة الجلوكوز من الجليكوجين بواسطة فسفوريلاز الجليكوجين ، والذي يزيل الفسفور جزيء واحد من الجلوكوز من الطرف غير المختزل ، وينتج الجلوكوز -1 فوسفات. يتم تحويل الجلوكوز -1 فوسفات الناتج عن انهيار الجليكوجين إلى جلوكوز 6 فوسفات ، وهي عملية تتطلب إنزيم فوسفوجلوكوموتاز. ينقل الفوسفوجلوكوموتاز مجموعة فوسفات من بقايا سيرين فسفرة داخل الموقع النشط إلى C6 من الجلوكوز -1 فوسفات ، مما ينتج الجلوكوز -1،6-ثنائي الفوسفات. يتم بعد ذلك توصيل فوسفات الجلوكوز C1 بالموقع النشط سيرين داخل فسفوجلوكوموتاز ، ويتم تحرير الجلوكوز 6 فوسفات.

فوسفوريلاز الجليكوجين غير قادر على فصل الجلوكوز من نقاط الفروع التي تتطلب إزالة الامتياز أميلو-1،6-جلوكوزيداز ، 4-α-glucanotransferase ، أو إنزيم إزالة تفرعات الجليكوجين (GDE) ، الذي يحتوي على أنشطة إنزيم الجلوكوترانسفيراز والجلوكوزيداز. حوالي أربعة بقايا من نقطة فرع ، فوسفوريلاز الجليكوجين غير قادر على إزالة بقايا الجلوكوز. يشق GDE البقايا الثلاثة الأخيرة للفرع ويربطها بـ C4 لجزيء الجلوكوز في نهاية فرع مختلف ، ثم يزيل بقايا الجلوكوز النهائية المرتبطة بـ α-1،6 من نقطة التفرع. لا يزيل GDE الجلوكوز المرتبط α-1،6 من نقطة التفرع الفسفوري ، مما يعني أنه يتم تحرير الجلوكوز الحر. يمكن نظريًا إطلاق هذا الجلوكوز الحر من العضلات إلى مجرى الدم دون عمل الجلوكوز 6-فوسفاتاز ، لكن هذا الجلوكوز الحر يتم فسفرته بسرعة بواسطة هكسوكيناز ، مما يمنعه من دخول مجرى الدم.

يمكن تحويل الجلوكوز 6 فوسفات الناتج عن انهيار الجليكوجين إلى جلوكوز عن طريق عمل الجلوكوز 6 فوسفاتيز وإطلاقه في مجرى الدم. يحدث هذا في الكبد والأمعاء والكلى ، ولكن ليس في العضلات ، حيث يكون هذا الإنزيم غائبًا. في العضلات ، يدخل الجلوكوز 6 فوسفات في مسار التحلل السكري ويوفر الطاقة للخلية. قد يدخل الجلوكوز 6 فوسفات أيضًا في مسار فوسفات البنتوز ، مما يؤدي إلى إنتاج NADPH وخمسة سكريات كربون.


أنواع السكريات (3 أنواع)

النقاط التالية تسلط الضوء على ثلاثة أنواع رئيسية من السكريات. الأنواع هي: 1. السكريات لتخزين الطعام 2. السكريات الهيكلية 3. المواد المخاطية.

اكتب # 1. السكريات لتخزين المواد الغذائية:

هم تلك السكريات التي تعمل كطعام احتياطي. في وقت الحاجة ، يتم تخزين السكريات المائي. وبذلك تصبح السكريات التي يتم إطلاقها متاحة للخلايا الحية لإنتاج الطاقة والنشاط التخليقي الحيوي. هناك نوعان رئيسيان للتخزين polysaccha & shyrides - النشا والجليكوجين.

إنه عديد السكاريد التخزين لمعظم النباتات. يحصل البشر عليه من حبوب الحبوب (مثل الأرز والقمح) والبقوليات (البازلاء والجرام والفاصوليا) والبطاطا والتابيوكا والموز وما إلى ذلك. يتم تخزين النشا إما داخل البلاستيدات الخضراء أو البلاستيدات الخضراء الخاصة التي تسمى amyloplasts. نشويات و shycurs على شكل حبيبات مجهرية تسمى حبيبات النشا.

قد تحدث حبوب النشا منفردة أو في مجموعات. يُعرف النوعان باسم حبيبات النشا البسيطة والمركبة. قد تكون حبيبات النشا مستديرة أو بيضاوية أو متعددة الأضلاع أو على شكل قضيب في مخطط تفصيلي (الشكل 9.6). تحتوي كل حبة على عدد من الأصداف أو الطبقات مرتبة بطريقة مخروطية وغير مركزية أو غريبة الأطوار حول نقطة بروتينية تسمى هيلوم.

يتكون النشا من مركبين ، وهما الأميلوز والأميلوبكتين (الشكل 9.7). الأميلوز أكثر قابلية للذوبان في الماء من الأميلوبكتين. بشكل عام ، يتكون 20-30٪ من النشا من الأميلوز والباقي على شكل أميلوبكتين. يتكون النشا الشمعي لبعض أنواع الذرة والحبوب الأخرى من مادة الأميلوبكتين. من ناحية أخرى ، قد يحتوي نشا بعض أنواع البازلاء ذات السطح المتجعد على 98٪ من الأميلوز.

يتكون كل من الأميلوز والأميلوبكتين عن طريق تكثيف α -D- الجلوكوز (أشكال بيرانوز). يكون الأميلوز في شكل سلسلة متواصلة مستقيمة ولكن مرتبة حلزونيًا حيث يحتوي كل منعطف على حوالي ست وحدات جلوكوز.

ترتبط وحدات الجلوكوز السكرية والخلقية ببعضها البعض بواسطة روابط 1-4 α ، أي أن الرابط بين ذرة الكربون 1 من واحدة وذرة الكربون 4 من الأخرى (الشكل 9.8). يُفقد جزيء من الماء أثناء تكوين الارتباط. تتكون السلسلة المستقيمة من الأميلوز من 200-1000 وحدة جلوكوز.

يحتوي الأميلوبكتين على عدد كبير من وحدات الجلو والسكوز (2000-200000). إلى جانب السلسلة المستقيمة ، فإنه يحمل عدة سلاسل جانبية يمكن أن تتفرع أكثر.

عادة ما يكون التفرع على فترات من حوالي 25 وحدة بنائية. في مكان منشأ السلسلة الجانبية ، ترتبط ذرة الكربون 6 لبقايا الجلوكوز لسلسلة مستقيمة بذرة الكربون 1 لوحدة الجلوكوز الأولى في السلسلة الجانبية (1-6 α-link- age). أبلغ Wolform و Thompson (1956) أيضًا عن روابط 1 → 3 في حالة الأميلوبكتين.

يعطي جزء الأميلوز اللون الأزرق والأسود مع محلول اليود (محلول يوديد اليود والبوتاسيوم) بينما يعطي جزء الأميلوبكتين اللون الأحمر البنفسجي.

إنه احتياطي غذاء عديد السكاريد للحيوانات والبكتيريا والفطريات. يسمى الجليكوجين شعبيا النشا الحيواني. يتم تخزين الجليكوجين بشكل أساسي داخل الكبد (حتى 0.1 كجم) والعضلات. في الشكل ، تظهر الكربوهيدرات المعقدة على شكل حبيبات إهليلجية مسطحة تقع بحرية داخل الخلايا. يعطي عديد السكاريد لونًا ضارب إلى الحمرة مع اليود. Chemi & shycally يشبه النشا.

يحتوي على حوالي 30000 من مخلفات الجلوكوز ويبلغ وزنه الجزيئي حوالي 4.8 مليون. يتم ترتيب بقايا الجلوكوز في شجيرة شديدة التشعب مثل السلاسل. يوجد نوعان من الروابط 1-4 روابط α في الجزء المستقيم و1-6 روابط في منطقة التفرع. يكون الجزء المستقيم ملتويًا حلزونيًا مع كل دور به ست وحدات جلوكوز. المسافة بين نقطتين متفرعتين هي 10-14 بقايا جلوكوز.

وهو عبارة عن عديد السكاريد لتخزين الفركتان لجذور ودرنات الداليا والنباتات ذات الصلة. لا يتم استقلاب الإنولين في جسم الإنسان ويتم ترشيحه بسهولة من خلال الكلى. لذلك ، يتم استخدامه في اختبار وظائف الكلى ، وخاصة الترشيح الكبيبي.

النوع 2. السكريات الهيكلية:

إنها عديد السكاريد التي تشارك في تشكيل الإطار الهيكلي لجدران الخلايا في النباتات والهيكل العظمي للحيوانات. السكريات الهيكلية من نوعين رئيسيين: الكيتين والسليلوز.

إنها ثاني أكثر المواد العضوية وفرة. الكيتين عبارة عن كربوهيدرات معقد من نوع عديد السكاريد المتغاير والذي يوجد كمكون هيكلي للجدران الفطرية والهيكل الخارجي للمفصليات. غالبًا ما يُعرف الكيتين في الجدران الفطرية باسم فطر السليلوز. الكيتين ناعم وجلدي. لذلك ، فهو يوفر القوة والمرونة. يصبح صعبًا عند تشريبه ببعض البروتينات وكربونات الكالسيوم.

في الكيتين ، الوحدة الأساسية ليست جلوكوز ولكن نيتروجين يحتوي على مشتق جلوكوز معروف باسم N-acetyl glucosamine. يحتوي الكيتين على تكوين غير متفرّع. يتم ربط المونمرات ببعضها البعض من خلال 1-4 روابط β (الشكل 9.9). تقع المخلفات المجاورة عند 180 درجة. تحدث الجزيئات بالتوازي ويتم تجميعها معًا بواسطة روابط هيدروجينية.

إنه عديد السكاريد الليفي ذو قوة شد عالية يشكل عنصرًا هيكليًا لجدار الخلية في جميع النباتات ، وبعض الفطريات والطلائعيات. يرتبط Tunicin of tunicates (= ascidians) بالسليلوز (يُسمى أيضًا السليلوز الحيواني).

بالقيمة المطلقة ، السليلوز هو المادة العضوية الأكثر وفرة في المحيط الحيوي حيث يشكل 50٪ من الكربون الموجود في النباتات. تحتوي ألياف القطن على حوالي 90٪ من السليلوز بينما يحتوي الخشب على 25-50٪ من السليلوز. تشمل المواد الأخرى لجدار الخلية اللجنين ، والهيميسليلوز ، والبكتين ، والشمع ، إلخ.

تحتوي جزيئات السليلوز على سلاسل خطية وغير متفرعة على عكس السلاسل المتفرعة والحلزونية للنشا والجليكوجين. تحتوي سلسلة جزيء السليلوز على 6000 أو أكثر من مخلفات الجلوكوز.

يتم ربط بقايا الجلوكوز المتتالية معًا بواسطة روابط 1-4 β (الشكل 9.10). وبالتالي تقع جزيئات الجلوكوز البديلة عند 180 درجة مع بعضها البعض. لذلك ، تسقط مجموعات الهيدروكسيل من مخلفات الجلوكوز في جميع الاتجاهات. يتراوح الوزن الجزيئي للسليلوز بين 0.5 إلى 2.5 مليون.

لا تحدث جزيئات السليلوز منفردة. بدلاً من ذلك ، يتم ترتيب عدد من السلاسل بطريقة متقاربة. يتم تجميع الجزيئات معًا بواسطة روابط هيدروجينية بين الجزيئات بين مجموعة الهيدروكسيل في الموضع 6 من بقايا الجلوكوز لجزيء واحد والأكسجين الغليكوزيد بين اثنين من بقايا الجلوكوز للجزيء المجاور.

هناك أيضًا تقوية بين الجزيئات للسلسلة عن طريق تكوين روابط هيدروجينية بين مجموعة الهيدروكسيل في الموضع الثالث وذرة الأكسجين في البقايا التالية. يتم تجميع حوالي 2000 سلسلة أو جزيئات السليلوز معًا لتشكيل ليف دقيق مرئي تحت المجهر الإلكتروني.

(1) يشكل السليلوز الجزء الأكبر من غذاء الإنسان. ومع ذلك ، نظرًا لكونه بوليمر β-glucose ، فإن السليلوز لا يتأثر بالأميليز الموجود في العصارات الهضمية البشرية. في البشر ، يحتوي السليلوز على قيمة خشنة تحافظ على الجهاز الهضمي في اللياقة الوظيفية.

(2) السليلوز عنصر مهم في النظام الغذائي للحيوانات المجترة مثل الأبقار والجاموس. تحتوي معدة المجترات على كائنات دقيقة قادرة على هضم أو تكسير السليلوز. تمتلك القواقع والنمل الأبيض أيضًا كائنات دقيقة في أمعائها لهذا الغرض.

(3) تستخدم الميكروبات في إنتاج السكريات الذائبة من السليلوز. ثم يُسمح للسكريات بالخضوع للتخمير للحصول على الإيثانول ، والبيوتانول ، والأسيتون ، والميثان ، إلخ.

(4) يستخدم خشب السليلوز الغني في بناء الأثاث والأدوات والمواد الرياضية والورق وما إلى ذلك.

(5) Depending upon the percentage of cellulose present in the fibres, the latter are used in textiles (e.g., Cotton, Linen), preparation of sacs (e.g., Jute) or ropes (e.g., Hemp, China Jute, Deccan Hemp).

(6) Rayon and cellophane are formed of cellulose xanthate.

(7) Cellu­lose acetate is obtained by treating wood pulp with acetic acid, acetic anhydride and a catalyst. Cellulose acetates are used in preparing fibres for double knits, tericot, wrinkle proof, and moth proof clothing. Cigarette filters are also prepared from these fibres. Other uses of cellulose acetates include preparation of plastics and shatter proof glass.

(8) Cellulose nitrate is used in propellent explosives.

(9) Carboxymethyl cellulose is used as emulsifier and smoothening reagent of ice creams, cosmetics and medicines.

اكتب # 3. Mucosubstances:

Mucilage, mucus or slime forming substances are called mucosubstances. They are of two types, mucopolysaccharides and mucoproteins (= glycoproteins).

They are slimy substances or mucilages which possess acidic or aminated polysaccharides formed from galactose, mannose, sugar derivatives and uronic acids. Mucopolysaccharides or mucilages are quite common in both plants and animals.

They can be observed by cutting the unripe fruits of Okra (Lady’s finger, vern Bhindi) or soaking the husks or seeds of Plantago ovata (Plantain, vern. Isabgol). Mucopolysaccha­rides occur inside the plant cell walls, outside the cells or bodies of bacteria, blue-green algae and many aquatic plants, cementing layer between cells, inside body fluids, connective tissues and cartilages.

The important functions of mucopolysaccharides are as follows:

(1) They bind proteins in the cell walls and connective tissue.

(2) Water is held in the interstitial spaces due to mucopolysaccharides.

(3) Mucopolysaccharides occur in the cell walls of bacteria and blue-green algae. They form a layer of mucilage around them as well as other aquatic plants and protects the organisms against rotting effect of water, prevents desiccation, growth of epiphytes and attack of pathogens.

(4) They provide lubrication in ligaments and tendons.

(5) As keratan sulphate (acetyglucosamine + galactose + sulphuric acid) they occur inside skin and cornea providing both strength and flexibility.

(6) Chon­droitin sulphate (glucuronic or iduronic acid + acetyl aminogalactose) is the mucopolysaccharide found in the matrix of cartilage and connective tissue for support and elasticity.

(7) Hyalu­ronic acid (glucuronic acid +acetyl glucosamine) is the mucopolysaccharide met in extracellular fluid of animal tissues, vitreous humor of eye, synovial fluid, cerebrospinal fluid, etc. It also occurs in cementing material between animal cells as well as inside cell coat.

(8) Husk of Plantago ovata contains mucilage which is used medicinally in treating intestinal problems. It relieves irritation. Mucilage present in Aloe barbadensis reduces inflammation. It is also purgative.

(9) Mucopolysaccharide heparin (α-1, 4 glucosamine + glucuronic acid) is blood anticoagulant.

(10) Agar. Marine brown and red algae, called sea weeds, yield mucopolysac­charides of commercial value, e.g., agar, alginic acid, carragenin, etc.

Agar (agar-agar) is polymer of D-galactose, 3-6 anhydro L-galactose having sulphate esterification after every tenth galactose unit. It is used as culture medium in the laboratory, as laxative, stiffening, stabilising and emulsifying agent. It is obtained from cell wall of some red alae like Gracilaria, Gelidium and Gelidiella.

Pectin (Pectic Compounds):

It is an acidic polysaccharide that occurs in the matrix of cell wall and middle lamella (as calcium pectate). Pectin is soluble in water and can undergo ↔ sol gel interchange. Pectin is formed of galacturonic acid, galactose, methylated galacturonic acid and arabinose. It is used in making Jelly and Jams.

It is a mixture of polysaccharides of xylans, mannans, galactans, arabino-galactans and glucomannans. Hemicellulose occurs in the cell wall where it forms a link between pectic compounds and cellulose micro fibrils.

Peptidoglycan (Murein, Mucopeptide):

It is formed of heteropolysaccharide chains cross-linked by short peptides (generally tetra peptides). Heteropolysaccharide chains are formed of two alternate amino-sugar molecules, N-acetyl glucosamine (NAG) and N-acetyl muramic acid (NAM).

It is a complex formed of lipid and polysaccharide which forms the outer membrane of Gram -ve bacteria. There is a glycolipid responsible for endotoxic activity, a core polysaccharide and an antigen specific variable chain. Lipopolysaccharide induces fever, shock and other toxic effects.

Mucoproteins (glycoproteins):

The protein with conjugated monosaccharide’s form mucus. These are found in stomach, nasal secretion, intestine, vagina and are antibacterial and protective in function.


Molecular Structures

الكربوهيدرات يمكن تمثيلها بواسطة الصيغة المتكافئة (CH2س)ن, where n is the number of carbons in the molecule. بمعنى آخر ، نسبة الكربون إلى الهيدروجين إلى الأكسجين هي 1: 2: 1 في جزيئات الكربوهيدرات. This formula also explains the origin of the term “carbohydrate”: the components are carbon (“carbo”) and the components of water (hence, “hydrate”). يتم تصنيف الكربوهيدرات إلى ثلاثة أنواع فرعية: السكريات الأحادية ، والسكريات الثنائية ، والسكريات المتعددة.

السكريات الأحادية

السكريات الأحادية (mono– = “one” sacchar– = “sweet”) are simple sugars, the most common of which is glucose. في السكريات الأحادية ، يتراوح عدد الكربون عادة من ثلاثة إلى سبعة. Most monosaccharide names end with the suffix –أوز. If the sugar has an aldehyde group (the functional group with the structure R-CHO), it is known as an aldose, and if it has a ketone group (the functional group with the structure RC(=O)R’), it is known as a ketose. Depending on the number of carbons in the sugar, they also may be known as trioses (three carbons), pentoses (five carbons), and or hexoses (six carbons). See Figure 1 for an illustration of the monosaccharides.

Figure 1. Monosaccharides are classified based on the position of their carbonyl group and the number of carbons in the backbone. Aldoses have a carbonyl group (indicated in green) at the end of the carbon chain, and ketoses have a carbonyl group in the middle of the carbon chain. Trioses, pentoses, and hexoses have three, five, and six carbon backbones, respectively.

الصيغة الكيميائية للجلوكوز هي C6ح12ا6. In humans, glucose is an important source of energy. أثناء التنفس الخلوي ، يتم إطلاق الطاقة من الجلوكوز ، وتستخدم هذه الطاقة للمساعدة في صنع ثلاثي فوسفات الأدينوزين (ATP). Plants synthesize glucose using carbon dioxide and water, and glucose in turn is used for energy requirements for the plant. Excess glucose is often stored as starch that is catabolized (the breakdown of larger molecules by cells) by humans and other animals that feed on plants.

Galactose (part of lactose, or milk sugar) and fructose (part of sucrose, or fruit sugar) are other common monosaccharides. على الرغم من أن الجلوكوز والجلاكتوز والفركتوز جميعها لها نفس الصيغة الكيميائية (C6ح12ا6), they differ structurally and chemically (and are known as isomers) because of the different arrangement of functional groups around the asymmetric carbon all of these monosaccharides have more than one asymmetric carbon (Figure 2).

ممارسة

Figure 2. Glucose, galactose, and fructose are all hexoses. They are structural isomers, meaning they have the same chemical formula (C6H12O6) but a different arrangement of atoms.

What kind of sugars are these, aldose or ketose?

Monosaccharides can exist as a linear chain or as ring-shaped molecules in aqueous solutions they are usually found in ring forms (Figure 3). Glucose in a ring form can have two different arrangements of the hydroxyl group (-OH) around the anomeric carbon (carbon 1 that becomes asymmetric in the process of ring formation). If the hydroxyl group is below carbon number 1 in the sugar, it is said to be in the alpha (α) position, and if it is above the plane, it is said to be in the beta (β) موقع.

Figure 3. Five and six carbon monosaccharides exist in equilibrium between linear and ring forms. عندما تتشكل الحلقة ، يتم قفل السلسلة الجانبية التي يتم إغلاقها في وضع α أو. يشكل الفركتوز والريبوز أيضًا حلقات ، على الرغم من أنها تشكل حلقات خماسية الأعضاء على عكس الحلقة المكونة من ستة أعضاء من الجلوكوز.

السكريات

السكريات (دي– = “two”) form when two monosaccharides undergo a dehydration reaction (also known as a condensation reaction or dehydration synthesis). خلال هذه العملية ، تتحد مجموعة الهيدروكسيل الخاصة بأحد السكريات الأحادية مع هيدروجين أحادي السكاريد ، مما يؤدي إلى إطلاق جزيء من الماء وتشكيل رابطة تساهمية. تُعرف الرابطة التساهمية التي تتكون بين جزيء الكربوهيدرات وجزيء آخر (في هذه الحالة ، بين اثنين من السكريات الأحادية) باسم glycosidic bond (الشكل 4). يمكن أن تكون روابط الجليكوسيد (وتسمى أيضًا روابط جليكوسيدية) من النوع ألفا أو بيتا.

Figure 4. Sucrose is formed when a monomer of glucose and a monomer of fructose are joined in a dehydration reaction to form a glycosidic bond. في هذه العملية ، يتم فقد جزيء الماء. وفقًا للاتفاقية ، يتم ترقيم ذرات الكربون في السكاريد الأحادي من الكربون النهائي الأقرب إلى مجموعة الكربونيل. In sucrose, a glycosidic linkage is formed between carbon 1 in glucose and carbon 2 in fructose.

تشمل السكاريد المشترك اللاكتوز والمالتوز والسكروز (الشكل 5). اللاكتوز هو ثنائي السكاريد يتكون من مونومرات الجلوكوز والجلاكتوز. يوجد بشكل طبيعي في الحليب. Maltose, or malt sugar, is a disaccharide formed by a dehydration reaction between two glucose molecules. السكاريد الأكثر شيوعًا هو السكروز ، أو سكر المائدة ، والذي يتكون من مونومرات الجلوكوز والفركتوز.

Figure 5. Common disaccharides include maltose (grain sugar), lactose (milk sugar), and sucrose (table sugar).

السكريات

تُعرف سلسلة طويلة من السكريات الأحادية المرتبطة بروابط جليكوسيدية باسم أ عديد السكاريد (بولي– = “many”). قد تكون السلسلة متفرعة أو غير متفرعة ، وقد تحتوي على أنواع مختلفة من السكريات الأحادية. قد يكون الوزن الجزيئي 100000 دالتون أو أكثر اعتمادًا على عدد المونومرات المرتبطة. النشا ، الجليكوجين ، السليلوز ، والكيتين هي أمثلة أساسية على السكريات.

النشا هو الشكل المخزن للسكريات في النباتات ويتكون من خليط من الأميلوز والأميلوبكتين (كلاهما بوليمرات الجلوكوز). Plants are able to synthesize glucose, and the excess glucose, beyond the plant’s immediate energy needs, is stored as starch in different plant parts, including roots and seeds. يوفر النشا الموجود في البذور الغذاء للجنين أثناء إنباته ويمكن أن يعمل أيضًا كمصدر غذاء للإنسان والحيوان. يتم تكسير النشا الذي يستهلكه الإنسان بواسطة الإنزيمات ، مثل الأميليز اللعابي ، إلى جزيئات أصغر ، مثل المالتوز والجلوكوز. يمكن للخلايا بعد ذلك امتصاص الجلوكوز.

يتكون النشا من مونومرات الجلوكوز التي ترتبط بها α 1-4 أو α 1-6 روابط جليكوسيدية. تشير الأرقام 1-4 و1-6 إلى عدد الكربون للمتبقيين اللذين انضمتا لتشكيل الرابطة. As illustrated in Figure 6, amylose is starch formed by unbranched chains of glucose monomers (only α 1-4 روابط) ، في حين أن الأميلوبكتين عبارة عن عديد السكاريد المتفرّع (α 1-6 وصلات في نقاط الفرع).

Figure 6. Amylose and amylopectin are two different forms of starch. Amylose is composed of unbranched chains of glucose monomers connected by α 1,4 glycosidic linkages. Amylopectin is composed of branched chains of glucose monomers connected by α 1,4 and α 1,6 glycosidic linkages. بسبب الطريقة التي يتم بها ربط الوحدات الفرعية ، فإن سلاسل الجلوكوز لها بنية حلزونية. يشبه الجليكوجين (غير موضح) في تركيبه الأميلوبكتين ولكنه أكثر تشعبًا.

الجليكوجين is the storage form of glucose in humans and other vertebrates and is made up of monomers of glucose. الجليكوجين هو المكافئ الحيواني للنشا وهو جزيء شديد التشعب يتم تخزينه عادة في خلايا الكبد والعضلات. عندما تنخفض مستويات الجلوكوز في الدم ، يتم تكسير الجليكوجين لتحرير الجلوكوز في عملية تعرف باسم تحلل الجليكوجين.

السليلوز is the most abundant natural biopolymer. يتكون جدار الخلية للنباتات في الغالب من السليلوز مما يوفر الدعم الهيكلي للخلية. الخشب والورق في الغالب من السليلوز في الطبيعة. يتكون السليلوز من مونومرات الجلوكوز التي ترتبط بها β 1-4 glycosidic bonds (Figure 7).

Figure 7. In cellulose, glucose monomers are linked in unbranched chains by β 1-4 glycosidic linkages. Because of the way the glucose subunits are joined, every glucose monomer is flipped relative to the next one resulting in a linear, fibrous structure.

As shown in Figure 7, every other glucose monomer in cellulose is flipped over, and the monomers are packed tightly as extended long chains. وهذا يعطي السليلوز صلابة وقوة شد عالية - وهو أمر مهم للغاية للخلايا النباتية. بينما ال β 1-4 linkage cannot be broken down by human digestive enzymes, herbivores such as cows, koalas, buffalos, and horses are able, with the help of the specialized flora in their stomach, to digest plant material that is rich in cellulose and use it as a food source. في هذه الحيوانات ، توجد أنواع معينة من البكتيريا والطلائعيات في الكرش (جزء من الجهاز الهضمي للحيوانات العاشبة) وتفرز إنزيم السليلوز. يحتوي ملحق حيوانات الرعي أيضًا على بكتيريا تهضم السليلوز ، مما يعطيها دورًا مهمًا في الجهاز الهضمي للحيوانات المجترة. يمكن أن تحلل السليولوز السليلوز إلى مونومرات جلوكوز يمكن للحيوان استخدامها كمصدر للطاقة. النمل الأبيض قادر أيضًا على تكسير السليلوز بسبب وجود كائنات حية أخرى في أجسامها تفرز السليلوز.

Figure 8. Insects have a hard outer exoskeleton made of chitin, a type of polysaccharide. (credit: Louise Docker)

تؤدي الكربوهيدرات وظائف مختلفة في الحيوانات المختلفة. Arthropods (insects, crustaceans, and others) have an outer skeleton, called the exoskeleton, which protects their internal body parts (as seen in the bee in Figure 8). This exoskeleton is made of the biological macromolecule chitin, which is a polysaccharide-containing nitrogen. وهي مصنوعة من وحدات متكررة من N-acetyl-βد- جلوكوزامين سكر معدل. يعتبر الكيتين أيضًا مكونًا رئيسيًا من مكونات جدران الخلايا الفطرية ، فالفطريات ليست حيوانات ولا نباتات وتشكل مملكة خاصة بها في مجال Eukarya.


نشاء

Starch is the most important source of carbohydrates in the human diet and accounts for more than 50% of our carbohydrate intake. It occurs in plants in the form of granules, and these are particularly abundant in seeds (especially the cereal grains) and tubers, where they serve as a storage form of carbohydrates. The breakdown of starch to glucose nourishes the plant during periods of reduced photosynthetic activity. We often think of potatoes as a &ldquostarchy&rdquo food, yet other plants contain a much greater percentage of starch (potatoes 15%, wheat 55%, corn 65%, and rice 75%). Commercial starch is a white powder.

Starch is a mixture of two polymers: amylose and amylopectin. Natural starches consist of about 10%&ndash30% amylose and 70%&ndash90% amylopectin. Amylose is a linear polysaccharide composed entirely of D-glucose units joined by the &alpha-1,4-glycosidic linkages we saw in maltose (part (a) of Figure (PageIndex<1>)). Experimental evidence indicates that amylose is not a straight chain of glucose units but instead is coiled like a spring, with six glucose monomers per turn (part (b) of Figure (PageIndex<1>)). When coiled in this fashion, amylose has just enough room in its core to accommodate an iodine molecule. The characteristic blue-violet color that appears when starch is treated with iodine is due to the formation of the amylose-iodine complex. This color test is sensitive enough to detect even minute amounts of starch in solution.

Figure (PageIndex<1>): Amylose. (a) Amylose is a linear chain of &alpha-D-glucose units joined together by &alpha-1,4-glycosidic bonds. (b) Because of hydrogen bonding, amylose acquires a spiral structure that contains six glucose units per turn.

Amylopectin is a branched-chain polysaccharide composed of glucose units linked primarily by &alpha-1,4-glycosidic bonds but with occasional &alpha-1,6-glycosidic bonds, which are responsible for the branching. A molecule of amylopectin may contain many thousands of glucose units with branch points occurring about every 25&ndash30 units (Figure (PageIndex<2>)). The helical structure of amylopectin is disrupted by the branching of the chain, so instead of the deep blue-violet color amylose gives with iodine, amylopectin produces a less intense reddish brown.

Figure (PageIndex<2>): Representation of the Branching in Amylopectin and Glycogen. Both amylopectin and glycogen contain branch points that are linked through &alpha-1,6-linkages. These branch points occur more often in glycogen.

Dextrins are glucose polysaccharides of intermediate size. The shine and stiffness imparted to clothing by starch are due to the presence of dextrins formed when clothing is ironed. Because of their characteristic stickiness with wetting, dextrins are used as adhesives on stamps, envelopes, and labels as binders to hold pills and tablets together and as pastes. Dextrins are more easily digested than starch and are therefore used extensively in the commercial preparation of infant foods.

The complete hydrolysis of starch yields, in successive stages, glucose:

starch &rarr dextrins &rarr maltose &rarr glucose

In the human body, several enzymes known collectively as amylases degrade starch sequentially into usable glucose units.


Structure of a Polysaccharide

The structure of the molecules being combined determines the structures and properties of the resulting polysaccharide. The complex interaction between their hydroxyl groups (OH), other side groups, the configurations of the molecules, and the enzymes involved all affect the resulting polysaccharide produced. A polysaccharide used for energy storage will give easy access to the monosaccharides, while maintaining a compact structure. A polysaccharide used for support is usually assembled as a long chain of monosaccharides, which acts as a fiber. Many fibers together produce hydrogen bonds between fibers that strengthen the overall structure of the material, as seen in the image below.

The glycosidic bonds between monosaccharides consist of an oxygen molecule bridging two carbon rings. The bond is formed when a Hydroxyl group is lost from the carbon of one molecule, while the hydrogen is lost by the hydroxyl group of another monosaccharide. The carbon on the first molecule will substitute the oxygen from the second molecule as its own, and glycosidic bond is formed. Because two molecules of hydrogen and one oxygen is expelled, the reaction produced a water molecule as well. This type of reaction is called a dehydration reaction as water is removed from the reactants.


Natural Polymers

Aja Aravamudhan , . Sangamesh G. Kumbar , in Natural and Synthetic Biomedical Polymers , 2014

4.1 Introduction

Polymers of both natural and synthetic origin have been used for a variety of biomedical applications. Polysaccharides , proteins, and polyesters derived from both plant and animal kingdoms constitute the family of natural polymers. Several of these polymers are part of our diet and have been used in a variety of human applications in pharmaceutical excipients, prosthetics, drug delivery, and imaging applications. These polymers are known to be recognized by the biological environment and channeled into metabolic degradation. Due to the similarity that natural polymers share with the extracellular matrix (ECM) components, these materials may also avoid the stimulation of chronic immunological reactions and toxicity, often detected with synthetic polymers [ 1 ].

Polysaccharides consist of monosaccharides (sugars) linked together by ا-glycosidic linkages. Differences in the monosaccharide composition, linkage types and patterns, chain shapes, and molecular weight dictate their physical properties, such as solubility, viscosity, gelling potential, and/or surface and interfacial properties. Polysaccharides are derived from renewable resources, like plants, animals, and microorganisms, and are therefore widely distributed in nature. In addition, polysaccharides perform different physiological functions and hence have great potential applications in the fields of tissue engineering and regenerative medicine [ 1 ] ( Figure 4.1 ).

Figure 4.1 . The use of polysaccharides in biomedical applications.

There are hundreds of known polysaccharides. A list of polysaccharides from varying sources is given below:

Examples of polysaccharides from higher plants include starch, cellulose, and exudate gums like arabinogalactan, guar gum, and gum arabic.

Examples of algal polysaccharides: alginates, galactans, and carrageenan.

Examples of polysaccharides from animals: chitin, chitosan, glycosaminoglycans (GAGs), and hyaluronic acid (HA).

Examples of polysaccharides from microorganisms: dextran, gellan gum, pullulan, xanthan gum, and bacterial cellulose.

Their monomer composition and biological source provides these polysaccharides with different sets of physicochemical properties. Often, polymers of natural origin have limitations in terms of their solubility and industrially acceptable processability factors such as high temperature of melting, which are commonly applied to synthetic polymers. For instance, the majority of polysaccharides are water-soluble and oxidize at elevated temperatures beyond their melting point. These limitations have to be overcome prior to designing any products using polysaccharides. For instance, techniques to cross-link polymer chains have been developed to stabilize polysaccharide structures in order to give structural stability in aqueous environments [ 2 , 3 ]. Polysaccharide chitin in its native form cannot be produced into desired sizes and shapes due to its inability to dissolve in most common industrial solvents. Thus, chitosan, the deacetylated form of chitin, was produced and applied widely instead of native chitin itself, as chitosan is a water-soluble polymer at low pH. Due to its properties, chitosan is widely used for biomedical applications [ 4 ]. The following sections will summarize these efforts in the context of biomedical applications (as shown in Figure 4.1 ) of polysaccharides, invoking native polysaccharides, semi-synthetic polysaccharide derivatives, and their blends with other synthetic polymers.


Why do animals use glycogen for their polysaccharide storage whereas plants use starch? - مادة الاحياء

Glycogen is the storage form of glucose in animals and humans which is analogous to the starch in plants. Glycogen is synthesized and stored mainly in the liver and the muscles. Structurally, glycogen is very similar to amylopectin with alpha acetal linkages, however, it has even more branching and more glucose units are present than in amylopectin. Various samples of glycogen have been measured at 1,700-600,000 units of glucose.

The structure of glycogen consists of long polymer chains of glucose units connected by an alpha acetal linkage. The graphic on the left shows a very small portion of a glycogen chain. All of the monomer units are alpha-D-glucose, and all the alpha acetal links connect C # 1 of one glucose to C # 4 of the next glucose.

The branches are formed by linking C # 1 to a C # 6 through an acetal linkages. In glycogen, the branches occur at intervals of 8-10 glucose units, while in amylopectin the branches are separated by 12-20 glucose units.

Carbon # 1 is called the anomeric carbon and is the center of an acetal functional group. A carbon that has two ether oxygens attached is an acetal.

The Alpha position is defined as the ether oxygen being on the opposite side of the ring as the C # 6. In the chair structure this results in a downward projection . This is the same definition as the -OH in a hemiacetal.


شاهد الفيديو: الكشف عن النشا في ورقة نبات (قد 2022).


تعليقات:

  1. Bleoberis

    في رأيي ، هذه مجرد البداية. أقترح عليك محاولة البحث في Google.com

  2. Vishura

    هذه إجابة قيمة للغاية

  3. Zionah

    أننا سنفعل بدون فكرتك الممتازة

  4. Banain

    نفسك ، لقد اخترعت مثل هذه الإجابة التي لا تضاهى؟

  5. Deagmund

    شخص ما لديه حرف اليكسيا)))))

  6. Mitaur

    يا لها من إجابة مسلية

  7. Nikogami

    أقبل عن طيب خاطر. موضوع مثير للاهتمام ، وسوف أشارك. معا نستطيع أن نتوصل إلى الإجابة الصحيحة. أنا مطمئن.

  8. Friduwulf

    البديل الممتاز



اكتب رسالة