Name: carbohydrate structures and types
Uploaded: 2020-11-23T11:47:33.000Z
Duration: 3 min 25 s
Channel: JoVE

Węglowodany to związki złożone z węgla, wodoru i tlenu. Cząsteczki te biorą swoją nazwę od empirycznego wzoru wielu cukrów prostych, które mają dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu na każdy węgiel.
Węglowodany proste to monomery zwane cukrem prostym i dimery zwane disacharydami. Węglowodany złożone to polimery zwane polisacharydami.
Monosacharyd można sklasyfikować jako aldozę lub ketozę ze względu na jego grupę funkcyjną. Te, które mają grupę aldehydową, nazywane są aldozami, a te mające grupę ketonową nazywane są ketozami.
Monosacharydy zwykle zawierają w swoich łańcuchach od trzech do siedmiu atomów węgla. Każdy z atomów węgla można ponumerować, zaczynając od numeru jeden od końca znajdującego się najbliżej węgla karbonylowego.
Cukry mogą tworzyć niepłaskie struktury pierścieniowe i w naturze występują głównie w tej cyklicznej formie. Struktury pierścieniowe powstają, gdy grupa karbonylowa reaguje z grupą hydroksylową na przeciwległym końcu cząsteczki w reakcji kondensacji. Węgiel przyłączony do reaktywnego aldehydu lub ketonu jest również znany jako węgiel anomeryczny.
Te struktury pierścieni węgiel-tlen mogą istnieć jako dwie anomery: alfa i beta. Anomery to izomery strukturalne, które różnią się konfiguracją na węglu karbonylowym. W postaci alfa grupa hydroksylowa na anomerycznym węglu i grupa CH2OH na ostatnim węglu w pierścieniu znajdują się po przeciwnych stronach pierścienia, aw postaci beta znajdują się po tej samej stronie.
Podobna konwencja nazewnictwa jest stosowana w przypadku wiązań łączących monosacharydy z innymi cząsteczkami. 
Wiązania utworzone poniżej struktury pierścienia są znane jako wiązania alfa, podczas gdy te powyżej pierścienia są znane jako wiązania beta. Liczby w nazwie wiązań glikozydowych wskazują liczbę atomów węgla z cukrów prostych, które są zaangażowane w wiązania.
Kiedy dwa monosacharydy łączą się ze sobą wiązaniami glikozydowymi, tworzą disacharydy.
Wiązania glikozydowe to wiązania kowalencyjne, które powstają, gdy grupa hydroksylowa jednego monosacharydu reaguje z anomerycznym węglem innego monosacharydu z eliminacją cząsteczki wody.
Polisacharydy lub węglowodany złożone to łańcuch cukrów prostych połączonych wiązaniami kowalencyjnymi. Różnice w wiązaniach glikozydowych obecnych w tych cząsteczkach mogą powodować różne rodzaje polisacharydów z tego samego monosacharydu.
Cząsteczki glukozy połączone wiązaniami β-1,4-glikozydowymi tworzą celulozę, nierozpuszczalny w wodzie polisacharyd. Cząsteczki glukozy połączone wiązaniami α-1,4-glikozydowymi tworzą amylozę, rozpuszczalny w wodzie polimer i składnik skrobi. Skrobia i celuloza to polisacharydy występujące w roślinach.
Glikogen to nierozpuszczalna w wodzie cząsteczka zbudowana z glukozy połączona wiązaniami α-1,4-glikozydowymi i przerywanymi rozgałęzieniami w ścisłych wiązaniach α-1,6-glikozydowych. Glikogen służy jako polisacharyd magazynujący u zwierząt.

chemia węglowodanów

Chemistry of Carbohydrates

Węglowodany stanowią istotny składnik diety ludzi i zwierząt. Zboża, owoce i warzywa to naturalne źródła węglowodanów, które dostarczają organizmowi energii, szczególnie poprzez glukozę – cukier prosty, który jest składnikiem skrobi i składnikiem wielu podstawowych produktów spożywczych. Wzór stechiometryczny (CH2O)n, gdzie n jest liczbą atomów węgla w cząsteczce, reprezentuje węglowodany. Innymi słowy, stosunek węgla do wodoru i tlenu w cząsteczkach węglowodanów wynosi 1:2:1. Wzór ten wyjaśnia również pochodzenie terminu „węglowodany”: składnikami są węgiel („węglowodór”) i woda („hydrat”). Węglowodany można podzielić na proste i złożone. Monosacharydy i disacharydy są węglowodanami prostymi. Polisacharydy są węglowodanami złożonymi.

Monosacharydy

Monosacharydy to cukry proste, z których najpowszechniejszym jest glukoza. W monosacharydach liczba atomów węgla zwykle waha się od trzech do siedmiu. Jeśli cukier ma grupę aldehydową (grupa funkcyjna o strukturze R-CHO), jest to aldoza, a jeśli ma grupę ketonową (grupa funkcyjna o strukturze RC(=O)R'), jest to ketoza. W zależności od liczby atomów węgla w cukrze mogą to być triozy (trzy atomy węgla), pentozy (pięć atomów węgla) i/lub heksozy (sześć atomów węgla).

Galaktoza i fruktoza to inne popularne monosacharydy. Glukoza, galaktoza i fruktoza to izomeryczne monosacharydy (heksozy), co oznacza, że mają ten sam wzór chemiczny, ale nieco inną strukturę. Glukoza i galaktoza to aldozy, a fruktoza to ketoza.

Monosacharydy mogą występować w postaci łańcucha liniowego lub cząsteczek w kształcie pierścienia. W roztworach wodnych mają one zwykle postać pierścieniową. Glukoza w postaci pierścienia może mieć dwa różne układy grup hydroksylowych (OH) wokół anomerycznego węgla (węgiel 1, który staje się asymetryczny w procesie tworzenia pierścienia). Jeśli grupa hydroksylowa znajduje się w cukrze poniżej atomu węgla nr 1, znajduje się ona w pozycji alfa (α), a jeśli znajduje się powyżej płaszczyzny, znajduje się w pozycji beta (β).

Disacharydy

Disacharydy powstają, gdy dwa monosacharydy ulegają reakcji odwodnienia (lub reakcji kondensacji lub syntezy odwodnienia). Podczas tego procesu grupa hydroksylowa jednego monosacharydu łączy się z wodorem innego monosacharydu, uwalniając cząsteczkę wody i tworząc wiązanie kowalencyjne. Nazywa się to wiązaniem glikozydowym. Wiązania glikozydowe (lub wiązania glikozydowe) mogą być typu alfa lub beta. Wiązanie alfa powstaje, gdy grupa OH na węglu-1 pierwszej glukozy znajduje się poniżej płaszczyzny pierścienia, a wiązanie beta tworzy się, gdy grupa OH na węglu-1 znajduje się powyżej płaszczyzny pierścienia. Najpopularniejszym disacharydem jest sacharoza, czyli cukier stołowy, który składa się z monomerów glukozy i fruktozy.

Polisacharydy

Długi łańcuch monosacharydów połączonych wiązaniami glikozydowymi to polisacharyd. Łańcuch może być rozgałęziony lub nierozgałęziony i może zawierać różne rodzaje monosacharydów. Masa cząsteczkowa może wynosić 100 000 daltonów lub więcej, w zależności od liczby połączonych monomerów. Skrobia, glikogen, celuloza i chityna są przykładami polisacharydów.

Rośliny magazynują skrobię w postaci cukrów. W roślinach cukry te zawierają mieszaninę amylozy i amylopektyny (oba polimery glukozy). Skrobia zawiera monomery glukozy połączone wiązaniami glikozydowymi α1-4 lub α1-6. Liczby 1-4 i 1-6 odnoszą się do liczby atomów węgla w dwóch resztach, które połączyły się, tworząc wiązanie.

Glikogen jest formą magazynowania glukozy u ludzi i innych kręgowców i składa się z monomerów glukozy. Glikogen jest zwierzęcym odpowiednikiem skrobi i jest silnie rozgałęzioną cząsteczką, zwykle magazynowaną w komórkach wątroby i mięśni. Kiedy poziom glukozy we krwi spada, glikogen rozkłada się, uwalniając glukozę.

Celuloza jest najobficiej występującym naturalnym biopolimerem. Celuloza składa się głównie ze ściany komórkowej rośliny. Zapewnia to wsparcie strukturalne komórki. Drewno i papier mają głównie charakter celulozowy. Monomery glukozy obejmują celulozę, która łączy wiązania β1-4glikozydowe

Chemia węglowodanów

Węglowodany są istotną częścią diety ludzi i zwierząt. Zboża, owoce i warzywa są naturalnymi źródłami węglowodanów, które zapewniają ...

Education

JoVE Core

Molecular Biology

Biologia molekularna

Unit 1

Jednostka 1

Biochemistry of the Cell

Biochemia komórki

KEY TERMS AND CONCEPTS

Kluczowe terminy i pojęcia

carbohydrate structures and types

Carbohydrates are biomolecules built from carbon, hydrogen, and oxygen. Their chemistry helps explain how simple sugars join together and how larger carbohydrate molecules form.

The smallest carbohydrates are monosaccharides, or single sugar units. These can link to make disaccharides, which contain two sugar units, and polysaccharides, which are long chains of many sugar units.

Carbohydrates play an important role in biology because they are part of the structures and processes found in living things. Understanding their basic chemistry makes it easier to identify how these molecules are grouped and how their forms differ.

Carbohydrate Structures and Types

the periodic table and organismal elements

the-periodic-table-and-organismal-elements

Element Groups in Living Things

Living things are built from elements found on the periodic table. This page focuses on the elements that make up organisms and how they are grouped in biology. These organismal elements are usually divided into major, minor, and trace categories. Major elements make up most of the mass of living matter. Minor elements are needed in smaller amounts. Trace elements are present in very small amounts but still play important roles. The periodic table helps show where these elements fit and how...

functional groups

Functional Groups in Organic Molecules

Functional groups are the parts of organic molecules that give them specific chemical behavior. They help determine how a compound reacts and what properties it has. In organic chemistry, these groups are used to classify molecules in a clear way. Hydrocarbons are one common class of organic compounds. They contain only carbon and hydrogen. Alcohols, aldehydes, and ketones are other classes that are identified by their functional groups. These groups make each class behave differently from the...

polymers

Polymer Structures and Uses

Polymers are large molecules built from repeating smaller units called monomers. Their long-chain structure gives them many different properties and makes them useful in everyday materials. Polymers can form in two main ways. In addition polymerization, monomers join together without losing any atoms. In condensation polymerization, monomers link while a small molecule is released. These two pathways help explain how many common plastics and related materials are made. The structure of a...

what are lipids?

Lipids in Cells: Fats and Membranes

Lipids are a group of biomolecules found in living things. They are known for their role in energy storage and in building cell membranes. This makes them important in many parts of biology. Fats are one common type of lipid. Other lipids include phospholipids and steroids. Each group has a different structure and a different job in the body. Phospholipids are especially important because they help form cell membranes. Steroids also belong to the lipid group, and they have their own distinct...

structure of lipids

Types of Lipids and Their Structure

Lipids are a major group of biological molecules, and their structure helps explain their different forms. Many lipids are built from fatty acids, which are long hydrocarbon chains with a carboxyl group. The carbon chain is hydrophobic, meaning it does not mix well with water, while the carboxyl group is the acidic end. Triglycerides are one common lipid type. They consist of a glycerol molecule joined to three fatty acid chains. Saturated triglycerides have fatty acids with only single...

chemistry of carbohydrates

Carbohydrates are biomolecules built from carbon, hydrogen, and oxygen. Their chemistry helps explain how simple sugars join together and how larger carbohydrate molecules form. The smallest carbohydrates are monosaccharides, or single sugar units. These can link to make disaccharides, which contain two sugar units, and polysaccharides, which are long chains of many sugar units. Carbohydrates play an important role in biology because they are part of the structures and processes found in...

nucleic acids

Nucleic Acids and Genetic Information

Nucleic acids carry genetic information in cells. They include DNA and RNA, which are made from nucleotide building blocks. These molecules store, copy, and help use the instructions needed for life. DNA is the main long-term storage molecule for genetic information. RNA helps carry and use that information in cells. Together, these nucleic acids connect the code in a cell to the proteins it can make.

intermolecular forces

Forces Between Molecules

Forces between molecules help explain why matter behaves the way it does. These intermolecular attractions act between separate molecules, not within a single molecule. They are often much weaker than the bonds that hold atoms together inside a molecule, but they still affect many properties of liquids and solids. Several common types of intermolecular forces are covered in this topic. These include dipole-dipole forces, hydrogen bonding, ion-dipole forces, and van der Waals forces. Van der...

noncovalent attractions in biomolecules

How Biomolecules Hold Their Shape

Biomolecules hold their shape through noncovalent attractions. These interactions occur within and between molecules and help control the structure and stability of complexes. They are different from covalent bonds because they do not involve sharing electrons. Four main noncovalent interactions are important in biology: hydrogen bonds, van der Waals forces, ionic bonds, and hydrophobic interactions. Hydrogen bonds form when a hydrogen atom is covalently bonded to a strongly electronegative...

pH Scale and Acid-Base Balance

pH measures how acidic or basic an aqueous solution is. It is a key way to describe the balance between acids and bases in water-based solutions. The pH scale shows this balance with low values for acidic solutions and high values for basic solutions. Neutral solutions fall in the middle of the scale. Understanding pH helps explain how different substances behave in water. It also helps compare solutions that are more acidic, more basic, or neutral.

hydrolysis of atp

ATP Hydrolysis and Energy Release

ATP hydrolysis is a key chemical reaction in cells that releases energy. ATP, or adenosine triphosphate, is the molecule cells use to store and transfer energy for many processes. During hydrolysis, water breaks the bond in ATP’s terminal phosphate group. This reaction converts ATP into ADP, or adenosine diphosphate, and inorganic phosphate. The released energy can then be used to drive cellular work. High school biology students often see ATP hydrolysis as part of energy transfer in living...

key terms and concepts

Explore carbohydrate structures, from monosaccharides to polysaccharides, and learn how carbon, hydrogen, and oxygen form key biomolecules in living things.

Carbohydrate Structures and Types | JoVE K12

molecular biology

JoVE Core Molecular Biology showcases the molecular processes of the cell through clear and concise animated video lessons. Additionally, in scientist-in-action videos, these concepts' application is demonstrated through real experiments in modern laboratories.

Carbohydrate Structures and Types

Description

Transcript

Tags