بدن همه‌ی ما به عنوان یک موجود زنده، از کوچک‌ترین واحد سازنده‌ی حیات یعنی سلول‌ها تشکیل شده است. همانطور که از فصل اول زیست دهم می‌دانیم، سلول‌ها تمامی ویژگی‌های یک موجود زنده را دارند که یکی از مهمترین آنها داشتن متابولیسم یا به زبان ساده‌تر، غذا خوردن است. حال غذای مورد علاقه‌ی سلول‌های بدن ما چیست؟ برای پاسخ به این سوال بیایید به یک مثال بپردازیم.
فرض کنید که پس از انجام یک فعالیت بدنی شدید، آماده‌ی میل کردن یک بشقاب پر از ماکارونی و سیب زمینی سرخ کرده هستید. این غذاها سرشار از ماده‌ای به نام کربوهیدرات هستند که با ورود به دستگاه گوارش و آغاز فرآیندهای مربوطه (هضم و جذب) به مولکولهای کوچک‌تری تحت عنوان گلوکز تبدیل شده و به عنوان سوخت اصلی سلول‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
با مجله‌ی بیوزوم همراه باشید تا در ادامه‌ی این مطلب، اطلاعات تکمیلی و مفیدی درباره‌ی کربوهیدرات ها به دست آورید.
با توجه به توضیحات بالا، دریافتیم که کربوهیدرات ها گروهی از بیومولکول‌ها یا همان مولکولهای زیستی هستند و به همین دلیل پایه و اساس تشکیل آنها بر روی اتم کربن بنا شده است. همچنین باید بدانیم که علاوه بر اتم کربن، حضور عناصری مانند هیدروژن و اکسیژن نیز برای تشکیل یک مولکول کربوهیدرات ضروری است.
گروه‌بندی کربوهیدرات ها
زیست‌شناسان برای گروه‌بندی کربوهیدرات ها آنها را از دو نظرِ ساختار مولکولی و گروه‌های عاملی مورد بررسی قرار میدهند که بر این اساس اگر ویژگی مورد نظر ما ساختار مولکولی باشد، کربوهیدرات ها به 3 دسته و اگر گروه‌های عاملی مورد بررسی قرار گیرد به 2 دسته تقسیم می‌شوند که در ادامه‌ی این مطلب به بررسی هریک به تفضیل خواهیم پرداخت:
از نظر ساختار مولکولی
مونوساکارید (Monosaccharides)
دی‌ساکارید (Disaccharides)
پلی‌ساکارید (Polysaccharide)
بیشتر بدانید: اگر کربوهیدرات ها را از نظر گروه‌های عاملی بررسی کنیم، آنگاه به 2 دسته‌ی آلدوز‌ها (دارای گروه آلدهیدی) و کتوزها (دارای گروه کتونی) تقسیم می‌شوند
مونوساکاریدها
مونو به معنی 1 و ساکارید به معنی قند است. مونوساکاریدها دسته‌ای از کربوهیدرات ها با ساختاری ساده هستند که مثال بارز آنها سوخت اصلی سلول‌ها یعنی گلوکوز (Glucose) است.
گفتنی است که همه‌ی مونوساکاریدها در ساختار مولکولی خود از فرمول CH2On پیروی می‌کنند و بیشتر اتم‌های اکسیژن در این ترکیبات به شکل هیدروکسیل (OH) بوده اما فقط یکی از اتم‌های کربن در گروه کربونیل(C=O) وارد ساختار مونوساکاریدها می‌شوند.
نکته: مونوساکارید در حالت کلی بین ۳ تا ۷ اتم کربن دارند.
اگر تعداد کربن‌های مونوساکاریدها را مورد بررسی قرار داده و آنها را بر این اساس نام گذاری کنیم، 4 گروه زیر حاصل می‌شود:
قند 3 کربنه تریوز (Trioses)
قند 4 کربنه تتروز (Tetrose)
قند 5 کربنه (Pentoses)
قند 6 کربنه (Hexoses)
حال که با ساختار اولیه‌ی مونوساکاریدها آشنا شدیم، وقتش رسیده تا درباره‌ی تعدادی از معروف‌ترین آنها نیز یاد گرفته و بدانیم که نسبت به یکدیگر چه حالتی را تشکیل میدهند.
گلوکز
گلوکوز به عنوان مشهورترین مونوساکارید شناخته می‌شود و سوخت اصلی سلول‌ها نیز است. گلوکز دارای 6 اتم کربن با فرمول شیمیایی C6H12O6 بوده و همانطور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، در حالت پایدار ساختاری حلقوی دارد.
علاوه‌بر گلوکز، قندهای شناخته‌شده‌ی دیگری نیز به نامهای گالاکتوز (Galactose) و فروکتوز (Fructose) وجود دارند. گالاکتوز پیش ساز قند شیر (که در ادامه به آن می‌پردازیم) بوده و فروکتوز همان قند میوه است.
همانطور که از تصاویر بالا متوجه شده‌اید، گلوکوز، گالاکتوز و فروکتوز فرمول شیمیایی یکسانی دارند اما چیزی که این مونوساکاریدها را از یکدیگر متمایز می‌کند، موقعیت و جای‌گیری اتم‌های آنها است. به همین دلیل این مولکولهای مونوساکاریدی با یکدیگر ایزومر (Isomer) هستند.
نکته: در علم شیمی ایزومر یا همپار (Isomers) به ترکیباتی می‌گویند که برخلاف داشتن فرمول شیمیایی یک‌سان، فرمول ساختاری متفاوتی دارند.
گفتنی است که ایزومرها نیز خود به گروه‌های مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند، به طور مثال: فروکتوز ایزومر ساختاری (Structural Isomer) گلوکز و گالاکتوز می‌باشد و این بدان معنا است که در فرمول ساختاری فروکتوز، اتم‌های آن به صورت متفاوتی نسبت به فرمول ساختاریِ دو مونوساکارید دیگر یعنی گلوکز و گالاکتوز چیده شده‌اند.
علاوه‌بر ایزومر ساختاری، نوع دیگری از ایزومرها به نام ایزومرهای فضایی (Stereoisomer) وجود دارد که به عنوان مثال می‌توانیم از گلوکز و گالاکتوز یاد کنیم که برای هم ایزومر فضایی محسوب می‌شوند. یعنی اتم‌های این دو مونوساکارید از نظر ترتیب چینش مانند یکدیگر اند اما قرارگیری اتم‌های آنها در فضای 3 بعدی با هم فرق دارد که در این صورت ایزومر فضایی را در گلوکوز و گالاکتوز به صورت تغییر جهت گروه هیدروکسیل می‌توان مشاهده کرد.
نکته: داشتن رابطه‌ی ایزومر فضایی بین گلوکز و گالاکتوز می‌تواند این امکان را برای آنزیم‌های لیز یا سنتز کننده بوجود آورد که این دو مونوساکارید را از یکدیگر تشخیص داده و فرآیندهای متابولیسمی را به راحتی پیش ببرند.
دی ساکاریدها
مولکول کربوهیدراتیِ دی ساکارید (disaccharide) به معنای یک مولکول حاوی 2 قند است. اتصال این تک قندها در ساختار دی ساکارید بواسطه‌ی فرآیندی به نام سنتز آبدهی یا دهیدراسیون انجام شده که در نهایت با خروج یک مولکول آب، واکنش به پایان رسیده و از اتصال 2 مونوساکارید، 1 دی ساکارید حاصل می‌شود.
نکته: به پیوندی که بین دو مونوساکارید برقرار می‌شود، پیوند گلیکوزیدی گفته شده که از نوع کووالانسی است.
حال که با دی ساکاریدها آشنا شدیم و دانستیم که چطور بوجود می‌آیند، بد نیست که با تعدادی از معروف‌ترینِ آنها نیز آشنا شویم:
ساکارُز (Sucrose)
ساکارز در اصل همان مولکول کربوهیدرات موجود در قند و شکری است که به طور روزانه مصرف می‌کنیم، این دی ساکاریدِ پر طرفدار و شیرین هنگامی بوجود می‌آید که یک مولکول گلوکز با یک مولکول فروکتوز پیوند برقرار کرده و یک مولکول آب آزاد شود.
لاکتوز (Lactose)
لاکتوز اولین قندی است که توسط شیر مادر وارد سیستم گوارشی همه‌ی ما شده است. این دی ساکارید که به قند شیر نیز معروف است از اتصال یک مولکول گلوکز و یک مولکول گالاکتوز بوجود آمده که پس از ایجاد پیوند گلیکوزیدی بین این دو مونوساکارید، یک مولکول آب آزاد می‌شود.
توجه: گاهی اوقات سیستم گوارش برخی افراد به دلیل ایجاد نقص عملکردی در آنزیمی به نام لاکتاز، دارای یک ضعف گوارشی شده و قادر به تجزیه‌ی لاکتوز نیستند. در این حالت می‌گوییم که دستگاه گوارش آنها دارای حساسیت به لاکتوز است.
مالتوز (Maltose)
قند عصاره مالت یا جو را مالتوز می‌نامیم. این دی ساکارید نقش مهمی را در صنعت دلستر (آب جو) سازی ایفا می‌کند و زمانی بوجود می‌آید که دو گلوکز به روش سنتز آبدهی به یکدیگر متصل شوند.
پلی‌ساکارید
پلی ساکاریدها غالب‌ترین کربوهیدرات موجود در مواد غذایی گیاهی و جانوری هستند. این دسته از کربوهیدرات ها شامل واحدهای کوچک مونوساکاریدی است که به صورت زنجیرهای بلند (صاف و منشعب) به یکدیگر متصل شده‌اند. اصلی‌ترین مونومر یک پلی ساکارید گلوکز است. همانطور که می‌دانیم، گلوکز یکی از حیاتی‌ترین مواد مورد نیاز برای انسان، گیاهان و جانوران است و اغلب پلی ساکاریدها به عنوان منبع این ماده‌ی حیاتی شناخته می‌شود. همچنین گفتنی است که از مهمترین انواع پلی ساکاریدها می‌توان به سلولز، نشاسته و گلیکوژن اشاره کرد که در ادامه به بررسی هریک می‌پردازیم:
سلولز (Cellulose)
نقش بیولوژیک: نقش ساختاری در دیواره‌ی سلول‌های گیاهی با تشکیل الیاف‌های فیبری
نقش مصرفی: توسط دستگاه گوارش انسان و جانوران گوشت‌خوار هضم نمی‌شود
ساختار: پیوندهای گلیکوزیدی از نوع بتا 1 به 4
کاربردهای غیر زیستی: صنعت نخ و پارچه بافی و به کار گیری در تولید پوشاک اصلی‌ترین کاربرد غیر زیستی سلولز است و همچنین به صورت الیاف استریلیزه شده مانند گازها، زخم‌پوش‌ها و… در علوم بالینی هم کاربرد دارد. گفتنی است که از سلولز در ساخت مواد قابل انفجار، صنعت پلاستیک، تولید رنگ و… نیز استفاده می‌شود.
نشاسته (Starch)
نقش بیولوژیک: ماده‌ی ساخته و ذخیره شده توسط جاندارن آتوتروف مانند گیاهان (به 2 شکل آمیلوز و آمیلوپکتین یافت می‌شوند)
نقش مصرفی: علاوه بر گیاهان که می‌توانند از این کربوهیدرات استفاده کنند، نشاسته توسط جانوران همه‌چیز خوار مانند انسان بیش‌ترین مصرف را دارد
ساختار: پیوندهای گلیکوزیدی از نوع آلفا 1 به 4 در زنجیره‌های اصلی و آلفا 1 به 6 در محل انشعاب شاخه
کاربردهای غیر زیستی: ساخت مکملهای ورزشی
گلیکوژن (Glycogen)
نقش بیولوژیک: گلیکوژن که یک پلی ساکارید پرشاخه است، به عنوان کربوهیدرات ذخیره‌ای سلول‌های جانوری شناخته می‌شود.
نقش مصرفی: جانوران هر زمان که احتیاج به گلوکز داشته باشند، با شکستن مولکولهای گلیکوژن ذخیره شده در کبد و ماهیچه آن را تامین می‌کنند. (گلیکوژن ماهیچه‌ای به مصرف خود سلول‌های عضلانی می‌رسد)
ساختار: پیوندهای گلیکوزیدی از نوع آلفا 1 به 4 در زنجیره‌های اصلی و آلفا 1 به 6 در محل انشعاب شاخه
کاربردهای غیر زیستی: ساخت مکملهای ورزشی، استفاده در تولید فرآورده‌های پروتئینی مصنوعی و…
جمع بندی
در این مطلب آموختیم که کربوهیدرات نیز مانند لیپید، پروتئین و نوکلئیک اسید، یک مولکول زیستی است که از کربن، هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده است. این بیومولکول به دلیل ساختار شیمیایی خود اغلب در حالت نرمال، به عنوان سوخت‌های اصلی سلول در نظر گرفته شده و در فرآیند تنفس سلولی (که در مطالب بعدی راجع‌به آن میخوانید) باعث تولید ATP یا همان باتری‌های زیستی می‌شود.
سوالات متداول
1- کربوهیدرات چیست؟
کربوهیدرات یک گروه بزرگ از مولکولهای زیستی است که به دلیل داشتن ساختار شیمیایی نسبتا پیچیدهی خود آنها را در گروه درشت مولکولها نیز قرار میدهند. کربوهیدرات ها از ترکیب اتم‌های کربن، هیدروژن و اکسیژن تشکیل می‌شوند و اگر از لحاظ ساختاری آنها را بررسی کنیم به 3 گروه مونوساکارید، دی‌ساکارید و پلی ساکارید تقسیم می‌شوند.
2- کربوهیدرات در گیاهان چه مولکول‌هایی هستند؟
از آن‌جایی که گیاهان جز موجودات اتوتروف و بعضا میکسوتروف هستند، پس مواد حاصل از متابولیسم سلولی خود (فتوسنتز) را برای استفاده‌های بعدی در خود ذخیره می‌کنند. این مواد که اغلب کربوهیدرات بوده و در دسته‌ی پلی ساکاریدها قرار می‌گیرند، نشاسته نام دارند که درباره‌ی ساختار، پیوندها و انواع آن در مطلب بالا توضیح داده شده است.
3- کربوهیدرات بدنسازی چیست؟
پس از پیشرفت بیوتکنولوژی و صنعت خالصسازی مواد، شرکتهای داروسازی و مکمل سازی از این روش جهت تولید مکملهای کربوهیدراتی، پروتئینی و… استفاده کردند، که امروزه نوع کربوهیدراتی آن را برای بدنسازی به نامهای گینر، مس و کربو میشناسیم.
مبحث کربوهیدرات‌ها خیلی جالب و آموزنده بود
با تشکر از شما
مطلب بسیار مفیدی بود بخصوص بخش کربوهیدرات
🙏🙏🙏