ძირითადი მასალა
ბიოლოგია
ნახშირწყლები
ნახშირწყლების მიმოხილვა: მონოსაქარიდების, დისაქარიდებისა და პოლისაქარიდების სტრუქტურა.
შესავალი
რისგან შედგება კარტოფილი? მისი მასის ძირითად ნაწილს წყალი ქმნის, მცირე ნაწილს კი — ცხიმები, ცილები...და უამრავი ნახშირწყალი ერთად (დაახლოებით 37 გრამი ნახშირწყალი საშუალო ზომის კარტოფილში).
ნახშირწყალბადების ნაწილი შაქრების სახითაა წარმოდგენილი. ისინი მზა „საწვავს" ქმნიან კარტოფილისთვის ან ადამიანისთვის, რომელიც მას მიირთმევს. კარტოფილის ნახშირწყალბადების შედარებით მეტი ნაწილი ბოჭკოების ფორმით გვხვდება, მათ შორის ცელულოზას პოლიმერებად, რომლებიც კარტოფილის უჯრედის კედლის სტრუქტურას ქმნის. ნახშირწყლების უდიდესი ნაწილი კი სახამებლის სახითაა წარმოდგენილი — გლუკოზის მოლეკულების გრძელ ჯაჭვებად, რომლებიც ამ საწვავის შესანახ ფორმას წარმოადგენენ. კარტოფილი ფრის, ჩიფსების ან ღუმელში გამომცხვარი კარტოფილის მირთმევის შემდეგ თქვენი საჭმლის მომნელებელი ტრაქტის ფერმენტები შლიან გლუკოზის ამ გრძელ ჯაჭვებს პატარა შაქრებად, რათა თქვენმა უჯრედებმა მათი გამოყენება შეძლონ.
ნახშირწყლები ბიოლოგიური მოლეკულებია, რომლებიც ნახშირბადის, წყალბადისა და ჟანგბადისგან შედგება. ელემენტების პროპორცია დაახლოებით ასეთია: ერთი ნახშირბადის ატომი (start text, C, end text) ერთ წყლის მოლეკულაზე (start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text). ამ შემადგენლობის მიხედვით ჰქვიათ ნახშირწყლები: ნახშირბადს (ნახშირ-) პლუს წყალი (-წყალი). ნახშირწყლების ჯაჭვები სხვადასხვა სიგრძისაა. ბიოლოგიურად მნიშვნელოვანი ნახშირწყლების სამი კატეგორია არსებობს: მონოსაქარიდები, დისაქარიდები და პოლისაქარიდები. ამ სტატიაში განვიხილავთ თითოეული ტიპის ნახშირწყალს და ასევე მათ ძირითად ენერგეტიკულ და სტრუქტურულ როლებს ადამიანსა და სხვა ორგანიზმებში.
მონოსაქარიდები
მონოსაქარიდები (mono- = „ერთი"; sacchar- = „შაქარი") მარტივი შაქრებია, რომელთაგან ყველაზე გავრცელებული გლუკოზაა. მონოსაქარიდების ფორმულაა left parenthesis, start text, C, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, right parenthesis, start subscript, n, end subscript და ისინი ძირითადად სამიდან შვიდამდე ნახშირბადის ატომს შეიცავენ.
მონოსაქარიდებში ჟანგბადის ატომების უმეტესობა ჰიდროქსილის (start text, O, H, end text) ჯგუფებში შედის, მაგრამ ერთ-ერთი მათგანი კარბონილის (start text, C, end text, equals, start text, O, end text) ჯგუფის ნაწილია. კარბონილის (start text, C, end text, equals, start text, O, end text) ჯგუფის პოზიცია შეიძლება გამოვიყენოთ შაქრების კატეგორიებად დაყოფისთვის:
- თუ შაქარს აქვს ალდეჰიდის ჯგუფი, ანუ, კარბონილის ნახშირბადი ჯაჭვის ბოლოშია, იგი ცნობილია ალდოზას სახელით.
- თუ კარბონილის ნახშირბადი (C) ჯაჭვის შუაშია, მაშინ მის ორივე ბოლოში სხვა ნახშირბადებია, იგი ქმნის კეტონურ ჯგუფს, ხოლო შაქარს კეტოზა ეწოდება.
შაქრების დასახელება ხშირად მათში შემავალი ნახშირბადის ატომების რაოდენობებს ეფუძნება: მაგალითად, ტრიოზა (სამი ნახშირბადი), პენტოზა (ხუთი ნახშირბადი) და ჰექსოზა (ექვსი ნახშირბადი).
გლუკოზა და მისი იზომერები
ერთი მნიშვნელოვანი მონოსაქარიდია გლუკოზა, ექვსნახშირბადიანი შაქარი, რომლის ფორმულაა start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript.
სხვა მარტივი მონოსაქარიდები მოიცავს გალაქტოზასა (რომელიც შეადგენს ლაქტოზას, რძეში აღმოჩნილი შაქრის ნაწილს) და ფრუქტოზას (ხილში).
გლუკოზას, გალაქტოზასა და ფრუქტოზას აქვთ საერთო ქიმიური ფორმულა (start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript), მაგრამ განსხვავდებიან ატომების ორგანიზაციით, რაც მათ ერთმანეთის იზომერებს ხდის. ფრუქტოზა გლუკოზასა და გალაქტოზას სტრუქტურული იზომერია, რაც ნიშნავს იმას, რომ მისი ატომები ერთმანეთთან განსხვავებული თანმიმდევრობითაა დაკავშირებული.
გლუკოზა და გალაქტოზა ერთმანეთის სტერეოიზომერებია: მათი ატომების თანმიმდევრობა ერთნაირია, მაგრამ ერთ-ერთი ასიმეტრიული ნახშირბადის გარშემო სამგანზომილებიანი განლაგება — სხვადასხვა. დააკვირდით დიაგრამას, რომელზეც ჰიდროქსილის (start text, O, H, end text) ჯგუფის სივრცეში ორიენტაციის ცვლილება წითლადაა აღნიშნული. ეს მცირე განსხვავებაც საკმარისია იმისთვის, რომ ფერმენტებმა გლუკოზასა და გალაქტოზას ერთმანეთისგან გარჩევა შეძლონ და მხოლოდ ერთ-ერთი მათგანი ჩართონ ქიმიურ რეაქციაშიstart superscript, 1, end superscript.
შაქრის რგოლური ფორმები
ალბათ, უკვე შეამჩნიეთ, რომ აქამდე განხილული შაქრებიდან ყველა წრფივი მოლეკულაა (სწორი ჯაჭვები). ეს შეიძლება, გეუცნაუროთ, რადგან შაქრებს ძირითადად რგოლებად ხატავენ. აღმოჩნდა, რომ ორივე სწორია: ბევრი ხუთ და ექვსნახშირბადიანი შაქარი არსებობს როგორც წრფივი, ასევე რგოლისებრი სახით.
ეს ფორმები წონასწორობაშია ერთმანეთთან, მაგრამ შაქრების „საყვარელი" ფორმა მაინც რგოლურია (განსაკუთრებით კი წყალხსნარებში). მაგალითად, ხსნარში გლუკოზის ძირითადი კონფიგურაცია 6-ნახშირბადიანი რგოლია. გლუკოზის 99%-ზე მეტი სწორედ ამ ფორმით გვხვდებაcubed.
მაშინაც კი, როცა გლუკოზა 6-ნახშირბადიანი რგოლის სახითაა, იგი ორი, განსხვავებული თვისებების მქონე ფორმით შეიძლება, შეგვხვდეს. რგოლის წარმოქმნისას კარბონილის start text, O, end text ჰიდროქსილად გარდაიქმნება და რგოლის ან ზემოთ მოექცევა (იმავე მხარეს, საითაც start text, C, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, H, end text ჯგუფია), ან ქვემოთ (ამ ჯგუფის საპირისპირო მხარეს). როცა ჰიდროქსილი ქვევითაა, გლუკოზა ალფა (α) ფორმაშია, კარბოქსილის ზემოთ მოქცევის დროს კი — ბეტა (β) ფორმაში.
დისაქარიდები
დისაქარიდები (di- = „ორი") იქმნება, როცა ორი მონოსაქარიდი ერთმანეთს დეჰიდრატაციის რეაქციის (ასევე ცნობილია, როგორც კონდენსაციის რეაქცია ან დეჰიდრატაციული სინთეზი) შედეგად უკავშირდება. ამ პროცესში, ერთი მონოსაქარიდის ჰიდროქსილის ჯგუფი უერთდება მეორეს წყალბადს, შედეგად, თავისუფლდება წყლის მოლეკულა და იქმნება კოვალენტური ბმა — გლიკოზიდური ბმა.
მაგალითად, ქვემოთ მოცემული დიაგრამა გვაჩვენებს გლუკოზასა და ფრუქტოზას მონომერების შეერთებას დეჰიდრატაციის რეაქციის მეშვეობით, რათა წარმოიქმნას საქაროზა - ის დისაქარიდი, რომელსაც სუფრის შაქრის სახელით ვიცნობთ (ამ რეაქციის დროს ასევე გამოთავისუფლდება წყლის მოლეკულა, რომელიც გამოსახული არაა).
ზოგ შემთხვევაში მნიშვნელოვანია, ორი შაქრის რგოლური მოლეკულიდან რომელი ნახშირბადებია დაკავშირებული გლიკოზიდური ბმით. მონოსაქარიდის თითოეული ნახშირბადი დანომრილია და მათგან პირველი ის არის, რომელიც კარბონილის ჯგუფთან ყველაზე ახლოა (მოლეკულის ხაზოვან მდგომარეობაში ყოფნისას). დანომვრა გლუკოზასა და ფრუქტოზას მაგალითზეა ნაჩვენები ზემოთ. საქაროზას მოლეკულაში გლუკოზას 1-ლი ნახშირბადი ფრუქტოზას მე-2 ნახშირბადს უკავშირდება, ამიტომ ამ ბმას 12-გლიკოზიდური ბმა ეწოდება.
გავრცელებული დისაქარიდებიდან აღსანიშნავია ლაქტოზა, მალტოზა და საქაროზა. ლაქტოზა დისაქარიდია, რომელიც გლუკოზასა და გალაქტოზასგან შედგება და ბუნებაში რძეში გვხვდება. ბევრ ზრდასრულ ადამიანს ლაქტოზას მონელება არ შეუძლია, რაც ლაქტოზის აუტანლობით ვლინდება (შესაძლოა, ამის შესახებ თქვენ და თქვენმა მეგობრებმა ბევრი იცოდეთ კიდეც). მალტოზა, ანუ ალაოს შაქარი, დისაქარიდია, რომელიც ორი გლუკოზასგან შედგება. ყველაზე გავრცელებული დისაქარიდი საქაროზაა (სუფრის შაქარი), რომელიც გლუკოზასა და ფრუქტოზასგანაა წარმოქმნილი.
პოლისაქარიდები
გლიკოზიდური ბმებით დაკავშირებულ მონოსაქარიდების გრძელ ჯაჭვს ჰქვია პოლისაქარიდი (poly- = „ბევრი"). ჯაჭვი შეიძლება იყოს როგორც დატოტვილი, ასევე დაუტოტველი და შეიძლება შეიცავდეს მონოსაქარიდების სხვადასხვა ტიპებს. პოლისაქარიდის მოლეკულური წონა საკმაოდ მაღალი შეიძლება იყოს და 100, comma000 დალტონს აღწევდეს ანდაც მეტს, თუ საკმარისი მონომერი შეერთდება. სახამებელი, გლიკოგენი, ცელულოზა და ქიტინი ცოცხალი ორგანიზმებისთვის მნიშვნელოვანი პოლისაქარიდების მაგალითებია.
სამარაგო პოლისაქარიდები
სახამებელი შაქრების სამარაგო ფორმაა მცენარეებში და ორი პოლისაქარიდის, ამილოზასა და ამილოპექტინის (ორივე გლუკოზის პოლიმერია), ნაზავია. მცენარეები გლუკოზას სინათლის ენერგიის გამოყენებით, ფოტოსინთეზის გზით წარმოქმნიან, ჭარბ გლუკოზას კი, რომელიც იმ წუთას არ სჭირდებათ, სხვადასხვა ნაწილში ინახავენ, მათ შორის ფესვებსა და თესლებში. თესლში არსებული სახამებელი საკვების წყაროა მცენარის ჩანასახისთვის, ასევე ადამიანებისა და ცხოველებისთვის, რომელთა საჭმლის მომნელებელ ტრაქტშიც ფერმენტები შლიან მას გლუკოზას მონომერებამდე.
სახამებელში გლუკოზას მონომერები α ფორმით არსებობს (რომლის 1-ლი ნახშირბადის ჰიდროქსილის ჯგუფიც რგოლის ქვემოთაა მოქცეული) და ისინი ერთმანეთს ძირითადად 14 გლიკოზიდური ბმებით უკავშირდება (ანუ გლიკოზიდური ბმებით, რომელთაც ერთი მონომერის 1-ლი და მეორეს მე-4 ნახშირბადი წარმოქმნის).
- ამილოზა დაუტოტავი ჯაჭვებისგან შედგება, რომლებსაც სულ 14 გლიკოზიდური ბმებით დაკავშირებული გლუკოზას მონომერების ქმნის.
- ამილოპექტინი დატოტვილი პოლისაქარიდია. მიუხედავად იმისა, რომ მისი მონომერების უმეტესობა ერთმანეთთან დაკავშირებულია 14 ბმებით, პერიოდულად დამატებითი 16 ბმებიც გვხვდება, რის შედეგადაც იქმნება დატოტვის წერტილები.
ამ სუბერთეულების დაკავშირების თავისებურების გამო ამილოზასა და ამილოპექტინში გლუკოზის ჯაჭვები ძირითადად სპირალურ სტრქუტურას ქმნიან, როგორც დიაგრამაზე ჩანს ქვემოთ.
ეს მცენარეებისთვის მშვენიერია, მაგრამ ჩვენ? ადამიანებსა და სხვა ხერხემლიანებში გლუკოზას სამარაგო ფორმა გლიკოგენია. სახამებლის მსგავსად ისიც გლუკოზას მონომერებისგან შემდგარი პოლიმერია და ამილოპექტინზე კიდევ უფრო დატოტვილია.
გლიკოგენი ჩვეულებრივ ღვიძლსა და კუნთოვან უჯრედებში ინახება. როდესაც სისხლში გლუკოზის დონე მცირდება, გლიკოგენი ჰიდროლიზის საშუალებით იშლება , გლუკოზის მონომერების წარმოსაქმნელად, რომელთა შეწოვა და გამოყენებაც უჯრედებისათვის შესაძლებელია.
სტრუქტურული პოლისაქარიდები
ენერგიის დამარაგება პოლისაქარიდების ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი ფუნქციაა, მაგრამ მათ კიდევ ერთი მთავარი როლი აკისრიათ: სტრუქტურის წარმოქმნა. ცელულოზა, მაგალითად, მცენარეული უჯრედის კედლის (უჯრედის შემომსაზღვრავი მყარი სტრუქტურა, სალათის ფოთლისა და სხვა ბოსტნეულის ხრამუნობის მიზეზი) მთავარი კომპონენტია. ხე და ქაღალდი ძირითადად ცელულოზასგან შედგება, თავად ცელულოზა კი 14 გლიკოზიდური ბმით დაკავშირებული გლუკოზის მონომერების დაუტოტავი ჯაჭვებისგანაა წარმოქმნილი.
ამილოზასგან განსხვავებით, ცელულოზა შედგება β ფორმის გლუკოზას მონომერებისგან, რაც მას განსხვავებულ თვისებებს ანიჭებს. როგორც ზედა სურათზეა ნაჩვენები, ყოველი მეორე გლუკოზას მონომერი თავის მეზობელთან მიმართებაში ამოტრიალებულია, რის შედეგადაც ვიღებთ ცელულოზას გრძელ, სწორ, არასპირალისებურ ჯაჭვებს. ეს ჯაჭვები ერთად გროვდება, რომ შექმნან პარალელური „შეკვრები", რომლებიც ერთმანეთთან ჰიდროქსილის ჯგუფებს შორის არსებული წყალბადური ბმებითაა დაკავშირებულებიstart superscript, 4, comma, 5, end superscript. ეს ანიჭებს ცელულოზას სიმტკიცეს და გაჭიმვადობის მაღალ მაჩვენებელს, რაც მცენარეული უჯრედისტვის მნიშვნელოვანია.
ცელულოზას β გლიკოზიდური ბმები ადამიანის მომნელებელი სისტემის მიერ ვერ ირღვევა, ანუ, ადამიანებს ცელულოზას გადამუშავება არ შეგვიძლია (ეს იმას არ ნიშნავს, რომ ჩვენს რაციონში ცელულოზა არ შედის, ის, უბრალოდ, გადაუმუშავებელ მდგომარეობაში ტოვებს ჩვენს ორგანიზმს). თუმცა ზოგიერთ ბალახისმჭამელს, მაგალითად, ძროხებს, კოალებს, კამეჩებსა და ცხენებს, სპეციალური მიკრობები ჰყავს, რომლებიც ცელულოზას გადამუშავებაში ეხმარება მათ. ეს მიკრობები საჭმლის მომნელებელ ტრაქტში ცხოვრობენ და ცელულოზას გლუკოზას მონომერებად შლიან, რომლებსაც შემდეგ ცხოველი იყენებს. ხისმჭამელი ტერმიტებიც შლიან ცელულოზას მათ ნაწლავებში არსებული მიკროორგანიზმების დახმარებით.
ცელულოზა სპეციფიკურად მცენარეებში არსებული ნივთიერებაა, თუმცა პოლისაქარიდები მნიშვნელოვან სტრუქტურულ როლს ასრულებს არამცენარეულ სახეობებშიც. მაგალითად, ფეხსახსრიანებს (მწერები და კიბოსნაირები) მყარი გარეგანი ჩონჩხი აქვთ, კანისეული ჩონჩხი, რომელიც მათი ორგანიზმის რბილ, შიდა ნაწილებს იცავს. გარეგანი ჩონჩხი მაკრომოლეკულა ქიტინისგან შედგება, რომელიც ცელულოზას ჰგავს, მაგრამ შეცვლილი გლუკოზას ერთეულებისგან შედგება, რომლებსაც აზოტისშემცველი ფუნქციური ჯგუფი აქვთ დაკავშირებული. ქიტინი სოკოების უჯრედის კედლების მთავარი კომპონენტიცაა. სოკო არც ცხოველია არც მცენარე, მათ თავიანთი სამეფო აქვთ.
გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?
პოსტები ჯერ არ არის.