פחמימות: מבנה כימי, סיווג ותפקודים - ביולוגיה - 2025

הפחמימות , פחמימות או סוכרים, הם מולקולות אורגניות כי אנרגית חנות יצור חיים. הם הבי-מולקולות הנפוצות ביותר וכוללים: סוכרים, עמילנים ותאית, בין תרכובות אחרות המצויות באורגניזמים חיים.

אורגניזמים המבצעים פוטוסינתזה (צמחים, אצות וכמה חיידקים) הם היצרנים העיקריים של פחמימות בטבע. המבנה של סכרידים אלה יכול להיות ליניארי או מסועף, פשוט או מורכב, והם יכולים גם לקשר עם ביומולקולות ממעמד אחר.

לדוגמה, פחמימות יכולות להיקשר לחלבונים ליצירת גליקופרוטאינים. הם יכולים גם להתחבר למולקולות ליפידים, ובכך ליצור גליקוליפידים, הבי-מולקולות המהוות את מבנה הממברנות הביולוגיות. פחמימות קיימות גם במבנה של חומצות גרעין.

בתחילה הוכרו פחמימות כמולקולות לאחסון אנרגיה תאית. לאחר מכן נקבעו פונקציות חשובות אחרות שהפחמימות ממלאות במערכות ביולוגיות.

כל היצורים החיים מכוסים בתאים שכבה צפופה של פחמימות מורכבות. פחמימות מורכבות ממונוסכרידים, מולקולות קטנות המורכבות משלושה עד תשעה אטומי פחמן המחוברים לקבוצות הידרוקסיל (-OH), שיכולים להשתנות בגודל ובקונפיגורציה שלהם.

מאפיין חשוב של פחמימות הוא המגוון המבני האדיר בתוך סוג זה של מולקולות, המאפשר להם לבצע מגוון רחב של פונקציות כמו יצירת מולקולות איתות תאים, יצירת רקמות, ויצירת זהות של קבוצות דם שונות בבני אדם.

באופן דומה, המטריצה ​​החוץ תאית באיקריוטים גבוהים עשירה בפחמימות מופרשות, חיוניות להישרדות ותקשורת. מנגנוני זיהוי תאים אלה מנוצלים על ידי מגוון של פתוגנים כדי להדביק את התאים המארחים שלהם.

ניתן לקשר בין מונוסכרידים באמצעות קשרים גליקוזידיים ליצירת מגוון רחב של פחמימות: דיסכרידים, אוליגוסכרידים ופוליסכרידים. חקר המבנה והתפקוד של הפחמימות במערכות ביולוגיות נקרא גליקוביולוגיה.

מבנה כימי

פחמימות מורכבות מאטומי פחמן, מימן וחמצן. את רוב אלה ניתן לייצג על ידי הנוסחה האמפירית (CH2O) n, כאשר n הוא מספר הפחמימות במולקולה. במילים אחרות, היחס בין פחמן, מימן וחמצן הוא 1: 2: 1 במולקולות הפחמימות.

נוסחה זו מסבירה את מקור המונח "פחמימה" מכיוון שהרכיבים הם אטומי פחמן ("פחמימה") ואטומי מים (לפיכך, "מימה"). למרות שפחמימות מורכבות בעיקר משלושת האטומים הללו, ישנם כמה פחמימות עם חנקן, זרחן או גופרית.

בצורתם הבסיסית, הפחמימות הינן סוכרים פשוטים או מונוסכרידים. סוכרים פשוטים אלה יכולים להשתלב זה עם זה ליצירת פחמימות מורכבות יותר.

השילוב של שני סוכרים פשוטים הוא דיסכריד. אוליגוסכרידים מכילים בין שניים לעשרה סוכרים פשוטים, ופוליסכרידים הם הפחמימות הגדולות ביותר, המורכבות ביותר מעשר יחידות מונוסכרידים.

מבנה הפחמימות קובע כיצד אנרגיה נאגרת בקשרים שלהם במהלך היווצרותם על ידי פוטוסינתזה, וכן כיצד נשברים הקשרים הללו במהלך הנשימה התאית.

מִיוּן

מונוסכרידים

מונוסכרידים הם היחידות היסודיות של הפחמימות, וזו הסיבה שהן המבנה הפשוט ביותר של סכריד. מבחינה פיזית, מונוסכרידים הם מוצקים גבישיים חסרי צבע. לרוב טעם מתוק.

מנקודת מבט כימית, מונוסכרידים יכולים להיות אלדהידים או קטונים, תלוי היכן שקבוצת הפחמן (C = O) נמצאת בפחמימות ליניאריות. מבחינה מבנית, מונוסכרידים יכולים ליצור שרשראות ישרות או טבעות סגורות.

מכיוון שמונוסכרידים מחזיקים בקבוצות הידרוקסיליות, הרוב מסיסים במים ולא מסיסים בממסים לא קוטביים.

בהתאם למספר הפחמימות במבנה שלה, למונוסכריד יהיו שמות שונים, למשל: טריוז (אם יש לו 3 C אטומים), פנטוזה (אם יש לו 5C) וכן הלאה.

דיסכרידים

דיסכרידים הם סוכרים כפולים הנוצרים על ידי קירוב של שני מונוסכרידים יחד בתהליך כימי הנקרא סינתזת התייבשות, מכיוון שמולקולת מים הולכת לאיבוד במהלך התגובה. זה ידוע גם כתגובת עיבוי.

לפיכך, דיסכריד הוא כל חומר המורכב משתי מולקולות של סוכרים פשוטים (מונוסכרידים) המקושרים זה לזה דרך קשר גליקוזידי.

לחומצות יש את היכולת לשבור קשרים אלו, מסיבה זו ניתן לעכל דיסכרידים בבטן.

דיסכרידים בדרך כלל מסיסים במים ומתוקים בעת נטילתם. שלושת הדיסכרידים העיקריים הם סוכרוז, לקטוז ומלטוז: סוכרוז מגיע מאיחוד הגלוקוז והפרוקטוז; לקטוז מגיע מאיחוד הגלוקוז והגלקטוז; ומלטוז מגיע מאיחוד של שתי מולקולות גלוקוז.

אוליגוסכרידים

אוליגוסכרידים הם פולימרים מורכבים המורכבים ממעט יחידות סוכר פשוטות, כלומר בין 3 עד 9 מונוסכרידים.

התגובה זהה ליצירת דיסכרידים, אך הם מגיעים גם מהתפרקות מולקולות סוכר מורכבות יותר (פוליסכרידים).

מרבית האוליגוסכרידים נמצאים בצמחים ופועלים כסיבים מסיסים, מה שיכול לעזור במניעת עצירות. עם זאת, לרוב בני האדם אין את האנזימים לעיכולם, למעט מלטוטריוז.

מסיבה זו, אוליגוסכרידים שלא מתעכלים בתחילה במעי הדק יכולים להתפרק על ידי חיידקים המאכלסים בדרך כלל את המעי הגס בתהליך תסיסה. הפרוביוטיקה ממלאת פונקציה זו ומשמשת כמזון לחיידקים מועילים.

פוליסכרידים

פוליסכרידים הם הפולימרים הסכרידיים הגדולים ביותר, הם מורכבים ביותר מ- 10 (עד אלפים) יחידות מונוסכרידים המסודרות בצורה ליניארית או מסועפת. וריאציות בסידור המרחבי זה שנותן לסוכרים אלה את תכונותיהם המרובות.

פוליסכרידים יכולים להיות מורכבים מאותו מונוסכריד או על ידי שילוב של מונוסכרידים שונים. אם הם נוצרים על ידי יחידות חוזרות של אותו סוכר, הם נקראים הומופוליסכרידים כמו גליקוגן ועמילן, שהם הפחמימות האגורות של בעלי חיים וצמחים, בהתאמה.

אם הפוליסכריד מורכב מיחידות של סוכרים שונים, הם נקראים הטרופוליסכרידים. הרוב מכיל רק שתי יחידות שונות ולרוב הם קשורים לחלבונים (גליקופרוטאינים, כגון גאמא גלובולין בפלסמת הדם) או ליפידים (גליקוליפידים, כמו גנגליוזידים).

מאפיינים

ארבעת הפונקציות העיקריות של הפחמימות הן: אספקת אנרגיה, אגירת אנרגיה, בניית מקרומולקולות ומניעת פירוק חלבונים ושומנים.

הפחמימות מתפרקות דרך העיכול לסוכרים פשוטים. אלה נספגים על ידי תאי המעי הדק ומועברים לכל תאי הגוף שם הם יתחמצנו לקבלת אנרגיה בצורה של אדנוזין טריפוספט (ATP).

מולקולות הסוכר שאינן משמשות בייצור אנרגיה ברגע נתון מאוחסנות כחלק מפולימרים רזרביים כמו גליקוגן ועמילן.

לנוקליאוטידים, היחידות הבסיסיות של חומצות גרעין, יש מולקולות גלוקוז במבנה שלהן. מספר חלבונים חשובים קשורים למולקולות פחמימות, למשל: הורמון מגרה זקיק (FSH), המעורב בתהליך הביוץ.

מכיוון שהפחמימות הן המקור העיקרי לאנרגיה, השפלה מהירה שלהן מונעת את השפחתן של ביו-מולקולות אחרות לאנרגיה. כך, כאשר רמות הסוכר תקינות, חלבונים וליפידים מוגנים מפני השפלה.

חלק מהפחמימות מסיסות במים, מתפקדות כמזון עיקרי כמעט בכל אחד, וחמצון מולקולות אלה הוא המסלול העיקרי לייצור אנרגיה ברוב התאים הלא פוטוסינתטיים.

פחמימות בלתי מסיסות מתחברות ליצירת מבנים מורכבים יותר המשמשים להגנה. לדוגמה: תאית מהווה את קיר תאי הצמח יחד עם המיסלולוזות ופקטין. צ'יטין יוצר את דופן התא של הפטריות ואת שלד הרחם של פרוקי הרגליים.

כמו כן, פפטידוגליקן יוצר את דופן התא של חיידקים וציאנובקטריה. רקמות חיבור ומפרקי שלד מהחי מורכבים מפוליסכרידים.

פחמימות רבות קשורות בצורה קוולנטית לחלבונים או ליפידים היוצרים מבנים מורכבים יותר, המכונים ביחד גליקוקונג'וגאטים. קומפלקסים אלו משמשים כתגיות הקובעות את המיקום התוך-תאי או את גורלם המטבולי של מולקולות אלה.

מזונות המכילים פחמימות

פחמימות הן מרכיב חיוני בתזונה בריאה, מכיוון שהן מקור האנרגיה העיקרי. עם זאת, בחלק מהמזונות יש פחמימות בריאות יותר המציעות כמות גבוהה יותר של חומרים מזינים, למשל:

עמילנים

מזונות עמילניים הם המקור העיקרי לפחמימות. עמילנים אלו הם בדרך כלל פחמימות מורכבות, כלומר הם מורכבים מסוכרים רבים המחוברים זה לזה ויוצרים שרשרת מולקולרית ארוכה. מסיבה זו לוקח עמילנים זמן רב יותר לעיכול.

יש מגוון רחב של מזונות המכילים עמילנים. דגנים כוללים מזונות עשירים בעמילן, למשל: שעועית, עדשים ואורז. דגני בוקר מכילים גם פחמימות אלה, למשל: שיבולת שועל, שעורה, חיטה ונגזרותיהם (קמחים ופסטה).

קטניות ואגוזים מכילים גם פחמימות בצורת עמילנים. בנוסף, ירקות כמו: בטטות, בטטות, תירס ודלעת עשירים גם הם בתכולת עמילן.

חשוב לציין, פחמימות רבות הן מקור לסיבים תזונתיים. במילים אחרות, סיבים הם בעצם סוג של פחמימות שהגוף יכול לעכל באופן חלקי בלבד.

בדומה לפחמימות מורכבות, סיבי הפחמימות נוטים להתעכל לאט.

פירות וירקות

פירות וירקות עשירים בפחמימות. בניגוד לעמילנים, פירות וירקות מכילים פחמימות פשוטות, כלומר פחמימות עם סכריד אחד או שניים צמודים זה לזה.

פחמימות אלה, בהיותן פשוטות במבנה המולקולרי שלהן, מתעכלות בקלות ובמהירות יותר מאשר מורכבות. זה נותן מושג לגבי הרמות והסוגים השונים של הפחמימות במזון.

לפיכך, בחלק מהפירות יש יותר פחמימות במנה, למשל: בננות, תפוחים, תפוזים, מלונים וענבים יש יותר פחמימות מאשר ירקות כמו תרד, ברוקולי וקייל, גזר, פטריות וחצילים.

חלב

בדומה לירקות ופירות, חלב הוא מזון המכיל פחמימות פשוטות. לחלב יש סוכר משלו הנקרא לקטוז, דיסכריד בטעם מתוק. כוס אחת מזה שווה ערך לכ- 12 גרם פחמימות.

יש בשוק גרסאות רבות של חלב ויוגורט. לא משנה אם אתם צורכים גרסה שלמה או מופחתת שומן של חלב מסוים, כמות הפחמימות תהיה זהה.

המתוקים

ממתקים הם מקור ידוע נוסף לפחמימות. אלה כוללים סוכר, דבש, סוכריות, שתייה מלאכותית, עוגיות, גלידות, בין קינוחים רבים אחרים. כל המוצרים הללו מכילים ריכוזים גבוהים של סוכרים.

לעומת זאת, ישנם מזונות מעובדים ומעודנים המכילים פחמימות מורכבות, למשל: לחם, אורז ופסטה לבנה. חשוב לציין כי פחמימות מזוקקות אינן מזינות כמו הפחמימות שנמצאות בפירות וירקות.

חילוף חומרים בפחמימות

מטבוליזם של פחמימות הוא קבוצת התגובות המטבוליות הכרוכות ביצירה, השפלה והמרה של פחמימות בתאים.

מטבוליזם של פחמימות שמור ביותר וניתן להבחין בו אפילו מחיידקים, והדוגמא העיקרית היא לאק אופרון של אי קולי.

פחמימות חשובות במסלולי חילוף חומרים רבים, כולל פוטוסינתזה, התגובה החשובה ביותר להיווצרות הפחמימות של הטבע.

מפחמן דו חמצני ומים משתמשים צמחים באנרגיה מהשמש כדי לסנתז מולקולות פחמימות.

מצדם, תאים מן החי והפטרייה מפרקים פחמימות, הנצרכות ברקמות צמחים, כדי להשיג אנרגיה בצורה של ATP באמצעות תהליך המכונה נשימה תאית.

אצל בעלי חוליות, הגלוקוז מועבר בגוף דרך הדם. אם מאגרי האנרגיה הסלולרית נמוכים, גלוקוז מתפרק דרך תגובה מטבולית המכונה גליקוליזה כדי לייצר אנרגיה מסוימת וכמה ביניים מטבוליים.

מולקולות גלוקוז שאינן נחוצות לייצור אנרגיה מיידית מאוחסנות כגליקוגן בכבד ושריר, באמצעות תהליך המכונה גליקוגנזה.

לחלק מהפחמימות הפשוטות יש מסלולי התפרקות משלהם, כמו חלק מהפחמימות המורכבות יותר. לקטוז, למשל, דורש את פעולתו של האנזים לקטאז, המפר את קשריו ומשחרר את המונוסכרידים הבסיסיים, הגלוקוזה והגלקטוז שלו.

הגלוקוז הוא הפחמימה העיקרית הנצרכת על ידי התאים, הוא מהווה כ 80% ממקורות האנרגיה.

הגלוקוז מופץ לתאים, שם הוא יכול להיכנס דרך הובלות ספציפיות שיושפלו או יאוחסנו כגליקוגן.

בהתאם לדרישות המטבוליות של תא, ניתן להשתמש בגלוקוז גם לסינתזה של מונוזכרידים אחרים, חומצות שומן, חומצות גרעין וחומצות אמינו מסוימות.

התפקיד העיקרי של חילוף החומרים בפחמימות הוא שמירה על שליטה ברמות הסוכר בדם, זה מה שמכונה הומאוסטזיס פנימי.

הפניות

1. אלברטס, ב., ג'ונסון, א., לואיס, ג'יי, מורגן, ד., רף, מ., רוברטס, ק. וולטר, פ. (2014). ביולוגיה מולקולרית של התא (מהדורה 6). גרלנד מדע.
2. ברג, ג ', טימוצ'קו, ג', גאטו, ג' ו סטרייר, ל '(2015). ביוכימיה (מהדורה 8). WH פרימן וחברה.
3. קמפבל, נ. & Reece, J. (2005). ביולוגיה (מהדורה שנייה) חינוך פירסון.
4. Dashty, M. (2013). מבט מהיר על ביוכימיה: חילוף חומרים בפחמימות. ביוכימיה קלינית, 46 (15), 1339-1352.
5. לודיש, ה., ברק, א., קייזר, סי, קריגר, מ., ברצ'ר, א., פלוג, ה., אמון, א. ומרטין, ק. (2016). ביולוגיה מולקולרית של התא (מהדורה 8). WH פרימן וחברה.
6. Maughan, R. (2009). חילוף חומרים בפחמימות. ניתוחים, 27 (1), 6-10.
7. נלסון, ד., קוקס, מ 'ולהינגר, א' (2013). עקרונות Lehninger לביוכימיה (6 ^th ). WH פרימן וחברה.
8. סולומון, א., ברג, ל. ומרטין, ד. (2004). ביולוגיה (מהדורה 7) למידת Cengage.
9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). יסודות הביוכימיה: החיים ברמה המולקולרית (מהדורה חמישית). וויילי.