21.5: كيمياء الكربوهيدرات

تعتبر الكربوهيدرات جزءاً أساسياً من النظام الغذائي للإنسان والحيوان. تعد الحبوب والفواكه والخضروات مصادر طبيعية للكربوهيدرات التي تمد الجسم بالطاقة، خاصة من خلال الجلوكوز، وهو سكر بسيط موجود في النشا وفي العديد من الأطعمة الأساسية. والصيغة المتكافئة له (CH₂O)_n، حيث أن n هو عدد يمثل أعداد الكربون في جزيئة الكربوهيدرات. بمعنى آخر، نسبة الكربون إلى الهيدروجين إلى الأكسجين هي 1:2:1 في جزيئة الكربوهيدرات. تشرح هذه الصيغة أيضاً أصل مصطلح “كربوهيدرات”: المكونات هي الكربون (“كربو”) والماء (“هيدرات”). يمكن تصنيف الكربوهيدرات إلى بسيطة ومعقدة. السكريات الأحادية والسكريات هي كربوهيدرات بسيطة. السكريات المتعددة هي كربوهيدرات معقدة.

السكريات الأحادية

السكريات الأحادية هي سكريات بسيطة، وأكثرها شيوعاً هو الجلوكوز. في السكريات الأحادية، نتراوح أعداد الكربون عادة من ثلاثة إلى سبعة. إذا كان السكر يحتوي على مجموعة ألدهيد (المجموعة الوظيفية ذات البنية R-CHO)، فهو عبارة عن ألدوز، وإذا كان يحتوي على مجموعة كيتون (المجموعة الوظيفية ذات الهيكلRC(=O)R'))، فهو كيتوز. اعتماداً على أعداد الكربون في السكر، يمكن أن تكون ثلاثية (ثلاثة ذرات كربون)، وخماسية (خمسة ذرات كربون)، و/أو سداسية (ستة ذرات كربون).

يعد الجالاكتوز والفركتوز من السكريات الأحادية الشائعة الأخرى. الجلوكوز والجالاكتوز والفركتوز هي السكريات الأحادية الايزوميرية (هيكسوز)، مما يعني أن لها نفس الصيغة الكيميائية ولكن لها هياكل مختلفة قليلاً. الجلوكوز والجلاكتوز عبارة عن ألدوز، والفركتوز عبارة عن كيتوز.

يمكن أن توجد السكريات الأحادية كسلسلة خطية أو جزيئات على شكل حلقة. في المحاليل المائية، تكون في العادة على شكل حلقات. يمكن أن يحتوي الجلوكوز الذي على شكل حلقة على ترتيبين مختلفين لمجموعة الهيدروكسيل (OH) الموجودة حول الكربون الأنوميري (الكربون 1 الذي يصبح غير متناظر عند عملية تكوين الحلقة). إذا كانت مجموعة الهيدروكسيل موجودة أسفل مستوى الكربون رقم 1 في السكر، فهي في وضعية ألفا (α)، وإذا كانت فوق المستوى، فهي في وضعية بيتا (β).

السكريات الثنائية

تتكون السكريات الثنائية عندما يخضع اثنان من السكريات الأحادية لتفاعل التجفاف (أو لتفاعل التكثيف أو لتخليق تجفافي). خلال هذه العملية، تتحد مجموعة هيدروكسيل من سكر أحادي' مع ذرة هيدروجين لسكر أحادي' آخر، مما يؤدي إلى إطلاق جزيء ماء وتشكيل رابطة تساهمية. وهذا ما يسمى برابطة الجليكوزيد. يمكن أن تكون روابط الجليكوزيد (أو الروابط الجليكوزيدية) من نوع ألفا أو بيتا. تتشكل رابطة ألفا عندما تكون مجموعة OH للكربون 1 للجلوكوز الأول في أسفل مستوى الحلقة، وتتشكل رابطة بيتا عندما تكون مجموعة OH للكربون 1 في أعلى مستوى الحلقة. السكريات الثنائية الأكثر شيوعاً هي السكروز، أو سكر المائدة، والتي تتكون من مونوميرات الجلوكوز والفركتوز.

السكريات المتعدّدة

سلسلة طويلة من السكريات الأحادية المرتبطة بروابط جليكوزيدية عبارة عن سكر متعدّد. قد تكون السلسلة متفرعة أو غير متفرعة، وقد تحتوي على أنواع مختلفة من السكريات الأحادية. قد يكون الوزن الجزيئي 100000 دالتون أو أكثر اعتماداً على عدد المونوميرات المرتبطة. النشاء والجليكوجين والسليلوز والكيتين أمثلة على السكريات المتعدّدة.

تخزن النباتات النشاء على شكل سكريات. في النباتات، يشتمل خليط الأميلوز والأميلوبكتين (كلاهما من بوليمرات الجلوكوز) على هذه السكريات. يتكون النشاء من مونوميرات الجلوكوز التي ترتبط ببعضها بروابط غليكوزيدية α 1-4 أو α 1-6. الأرقام 1-4 و1-6 تشير إلى عدد الكربون للمادتين اللتين انضمتا لتكوين الرابطة.

الجليكوجين هو شكل تخزين الجلوكوز في البشر والفقاريات الأخرى ويتكون من مونوميرات الجلوكوز. الجليكوجين هو المكافئ الحيواني للنشاء وهو جزيء شديد التشعب يتم تخزينه عادة في خلايا الكبد والعضلات. عندما تنخفض مستويات الجلوكوز في الدم، يتحلل الجليكوجين لتحرير الجلوكوز.

السليلوز هو البوليمر الحيوي الطبيعي الأكثر وفرة. يتكون السليلوز في الغالب من جدار الخلية النباتية. هذا يوفر الدعم الهيكلي للخلية. الخشب والورق في الغالب من السليلوز في الطبيعة. يتكون السليلوز من مونوميرات الجلوكوز التي لها روباط جليكوزيدية β 1-4.

هذا النص مقتبس من Openstax, Biology 2e, Chapter 3.4: Carbohydrates.

الكربوهيدرات مركبات تتألف من الكربون،والهيدروجين والأكسجين. تأخذ هذه الجزيئات اسمها من الصيغة المجملة للعديد من السكاكر الأحادية،التي تحتوي على ذرّتي هيدروجين وذرة أكسجين لكل ذرة كربون. الكربوهيدرات البسيطة هي جزيئات أحادية القسيمة تُسمى سكاكر أحادية ودايمرات تُسمى سكاكر ثنائية.

أما الكربوهيدرات المعقدة فهي بوليمرات تُسمى سكاكر متعددة. يمكن تصنيف السكر الأحادي إلى ألدوز،أو كيتوز،وفقًا لمجموعته الوظيفية. تلك التي تحتوي على مجموعة ألدهايد تُسمى الدوزات،والتي تحتوي على مجموعة كيتون تُسمى كيتوزات.

عادة ما تحتوي السكاكر الأحادية على ثلاث إلى سبع ذرات كربون في سلسلتها. يمكن ترقيم كل ذرة كربون بدءًا بالرقم 1 من الطرف الأقرب إلى ذرة الكربون في الكربونيل. يمكن أن تُشكل السكاكر هياكل حلَقية غير مستوية،وتوجد في الطبيعة غالبًا بهذا الشكل الدوري.

تتشكل الهياكل الحلَقية عندما تتفاعل مجموعة كربونيل مع مجموعة هيدروكسيل على الطرف المقابل من الجزيء بواسطة تفاعل تكثيفي. تُعرف ذرة الكربون المرتبطة بالألدهايد النشط أو الكيتون،بذرة الكربون الأنوميرية. هذه البنيات الحلَقية من الكربون والأكسجين،يمكن أن تتواجد على شكل أنوميرين:ألفا وبيتا.

الأنوميرات هي أيزوميرات بنيوية،تختلف في تشكيلها عند ذرة الكربون التي في الكربونيل. في نموذج ألفا،تكون مجموعة الهيدروكسيل على ذرة الكربون الأنوميرية ومجموعة CH2OH على ذرة الكربون الأخيرة ضمن الحلقة على طرفي الحلقة المتقابلين،وفي نموذج بيتا،تكونان على الطرف ذاته. يُستخدم اصطلاح تسمية مشابه لتسمية الروابط التي تصل بين السكاكر الأحادية وبين الجزيئات الأخرى.

تُعرف الروابط المتشكلة تحت بنية الحلقة بروابط ألفا،بينما تُعرف تلك التي فوقها بروابط بيتا. تشير الأرقام في اسم الروابط الغليكوسيدية إلى عدد ذرات الكربون من السكاكر الأحادية المشاركة في الروابط. عندما يرتبط سكران أحاديان معًا بواسطة روابط غليكوسيدية،يشكلان سكاكر ثنائية.

الروابط الغليكوسيدية روابط تساهمية تتشكل بتفاعل مجموعة الهيدروكسيل من أحد السكاكر الأحادية مع ذرة الكربون الأنوميرية من السكر الأحادي الآخر مع إلغاء جزيء ماء. السكاكر المتعددة أو الكربوهيدرات المعقدة،هي سلسلة السكاكر الأحادية مرتبطة بعضها ببعض بروابط تساهمية. قد يتسبب الاختلاف في الروابط الغليكوسيدية الموجودة في هذه الجزيئات بظهور أنواع مختلفة من السكاكر المتعددة من السكر الأحادي ذاته.

جزيئات الجلوكوز المرتبطة بواسطة روابط بيتا 1, 4 جليكوسيدية،تُشكل السليولوز،وهو سكر متعدد غير قابل للذوبان في الماء. فيما تُشكل جزيئات الجلوكوز المرتبطة بواسطة روابط ألفا 1, 4 جليكوسيدية،الأميلوز،وهو بوليمر قابل للذوبان في الماء،وأحد مكوّنات النشا. النشا والسليولوز من السكاكر المتعددة الموجودة في النباتات.

الغلايكوجين جزيء غير قابل للذوبان في الماء،مكوّن من جلوكوز مرتبط بواسطة روابط ألفا 1, 4 الغليكوسيدية،وتفرع متقاطع بواسطة روابط ألفا 1, 6 الغليكوسيدية. الغلايكوجين سكر متعدد يُستخدم للتخزين في الحيوانات.