Wiele rzeczy w środowisku otaczającym składa się z węglowodanów
W poprzednim paragrafie zaznaczyliśmy, że największa różnorodność cząsteczek biologicznych cechuje białka. Jednak one nie są jedynymi substancjami, które wchodzą w skład żywych organizmów. Jeżeli białka są najróżnorodniejszymi biocząsteczkami, to najbardziej rozpowszechnione w biosferze przedstawiciele innej grupy substancji organicznych - to węglowodany. Z węglowodanami spotykasz się codziennie. Papier, na którym nadrukowano ten tekst prawie całkowicie składa się z węglowodanu celulozy. Cukier otrzymywany z trzciny cukrowej lub buraka cukrowego jest kryształami innego węglowodanu - sacharozy. Pancerz raka w znacznym stopniu jest zbudowany z węglowodanu chityny. Kiedy czytasz ten tekst, fotony odbite od papieru, fokusują się soczewką twego oka na siatkówce, lecz przedtem one przechodzą przez ciało szkliste oka, które składa się przeważnie z uwodnionego kwasu hialuronowego, też węglowodanu. Węglowodany stanowią największą część masy suchej organizmu rośliny i w organizmie zwierząt też pełnią życiowo ważne funkcje. Przekształcenie węglowodanów jest podstawą chemicznych i energetycznych przemian wszystkich żywych organizmów.
Skład cząsteczek węglowodanów wyznaczył ich nazwę
Rozpatrzmy budowę cząsteczki węglowodanów na przykładzie cząsteczki glukozy. Jest to niewielka (z punktu widzenia biochemii) cząsteczka zbudowana z atomów węgla, wodoru i tlenu. Wzór glukozy można zapisać jak C6H1206.
Takie połączenie atomów nadało nazwę węglowodanom -do składu cząsteczki wchodzi węgiel i woda1. Na rycinie 4.1 podano dwa wzory strukturalne glukozy: w postaci łańcuszka i pierścienia. Oglądając wzór glukozy w postaci łańcuszka, możesz zwrócić uwagę na to, że: 1) atomy węgla są połączone w łańcuszek liniowy; 2) cząsteczka zawiera dużo grup hydroksylowych (-OH); 3) na szczycie cząsteczki znajduje się grupa -CHO2. Ta grupa jest bardzo reaktywna i reaguje z jedną grupą hydroksylową, tworząc strukturę pierścieniową (podobną do węża gryzącego własny ogon). W roztworze są obydwa warianty struktur. Te struktury mogą przekształcać się jedna w drugą, jednak równowaga jest znacznie zsunięta w stronę struktury cyklicznej (na jedną cząsteczkę struktury łańcuszkowej glukozy przypada około 5000 cząsteczek pierścieniowych glukozy).
Mono- i polisacharydy - to rozpowszechnione w przyrodzie związki
Cząsteczka glukozy jest niewielką rozpuszczalną cząsteczką. Jednak takie cząsteczki mogą łączyć się jedna z drugą tworząc cząsteczki polimerowe. Kiedy połączyć cząsteczki glukozy kolejno w łańcuszek liniowy, to powstanie cząsteczka celulozy (błonnika) - podstawowego składnika ścian komórkowych roślin i najbardziej rozpowszechnionego organicznego polimeru w biosferze. Taka cząsteczka nazywa się polisachary-
dem (wielocukrem), a pojedyncza cząsteczka - monosacharydem. W odróżnieniu od białek, których łańcuszki aminokwasowe są złożone z różnych reszt aminokwasowych, większa ilość węglowodanów (na przykład celuloza) jest zbudowana z ogniw monomerowych jednego typu.
Szczególną rolę w żywych organizmach odgrywają też węglowodany, których cząsteczki są utworzone dwoma ogniwami monosacharydowymi, - disacharydy (dwu-cukry). Niżej przytoczono przykłady niektórych węglowodanów spotykanych w organizmach żywych.
Glukoza - monosacharyd, bardzo rozpowszechniony w przyrodzie. Jest podstawą do tworzenia większości di- i polisacharydów. U zwierząt kręgowych transportuje się krwią i jest podstawowym źródłem energii dla komórek mózgowia.
Fruktoza - monosacharyd, posiadający ten sam ogólny wzór cząsteczkowy, co i glukoza, lecz inną budowę przestrzenną. Jest składnikiem niektórych di- i polisacharydów.
Sacharoza - disacharyd, składający się z połączonych między sobą reszt glukozy i fruktozy. Jest transportowana sokiem przez rurki sitowe (floem) u roślin. Krystaliczną formą sacharozy jest cukier.
Laktoza - disacharyd nadający mleku słodki smak.
Celuloza (błonnik) - polimer liniowy glukozy (ryc. 4.2, A). Podstawowy składnik ścian komórkowych roślin i najbardziej rozpowszechniony polimer organiczny w biosferze. Organizm zwierząt nie może rozszczepiać błonnika samodzielnie, jednak organizmy zwierząt roślinożernych zawierają drobnoustroje-symbionty zdolne do jego rozszczepienia.
Skrobia - polimer glukozy zawierający jak liniowe (amyloza), tak i rozgałęzione (amylopektyna) postaci (ryc. 4.2, B). Skrobia jest podstawowym zapasowym węglowodanem roślin. Ona magazynuje się w chloroplastach lub w bezbarwnych plastydach leukoplastach - amiloplastach w postaci ziarenek skrobi. Najbogatsze w skrobię są ziarna zbóż i bulwy ziemniaków.
Glikogen - bardzo rozgałęziony polimer glukozy (ryc. 4.2, C). Jest podstawowym zapasowym polimerem u zwierząt. Najwięcej glikogenu jest w wątrobie i mięśniach, gdzie on magazynuje się w postaci ziaren w cytoplazmie. Pod wpływem takich hormonów jak adrenalina i glukagon, komórki wątroby rozszczepiają glikogen do glukozy i wydzielają ją do krwi. Natomiast insulina - pobudza wchłanianie glukozy komórkami wątroby i przekształcenie jej na glikogen.
Chityna - polisacharyd wchodzący w skład oskórka (kutykuli) stawonogów, a także do ściany komórkowej grzybów. W odróżnieniu od węglowodanów podanych wyżej, chityna oprócz węgla, wodoru i tlenu zawiera azot.
Kwas hialuronowy - polisacharyd liniowy, który jest podstawowym związkiem substancji międzykomórkowej zwierząt. Jest to duża cząsteczka, składająca się średnio z 50 000 ogniw monosacharydowych. Najbogatsze w kwas hialuronowy są chrząstki, ciało szkliste oka i skóra właściwa.
Rola biologiczna węglowodanów nie ogranicza się do magazynowania energii
W skrócie wyliczymy podstawowe funkcje węglowodanów.
Energetyczna. Przemiana węglowodanów - podstawa przemiany energetycznej komórki. Właśnie węglowodany powstają podczas fotosyntezy w zielonych roślinach i potem są podstawą do syntezy innych cząsteczek organicznych. Utlenianiu węglowodanów przy oddychaniu lub fermentacji towarzyszy wydzielanie się energii, którą potem organizm może wykorzystać.
Strukturalna. Stanowią materiał budulcowy do tworzenia elementów strukturalnych komórek. Na przykład błonnik jest podstawą ścian komórkowych roślin, a z chityny są zbudowane ściany komórkowe wielu grzybów i oskórek stawonogów.
Transportująca i magazynująca funkcja węglowodanów. Węglowodany roznoszą się w wielokomórkowym organizmie w postaciach transportujących. U zwierząt kręgowych postacią transportującą jest glukoza, u roślin wyższych - sacharoza. Węglowodany zapasowe są polisacharydami, które magazynują się w komórkach1 i mogą później rozszczepiać się, tworząc monosacharydy. U zwierząt typowym magazynującym węglowodanem jest glikogen, a u roślin - skrobia.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
Polisacharydem magazynującym jest
A kolagen В glikogen C błonnik D pepsyna E chityna
Ściany komórkowe pieczarki są utworzone przez
A błonnik В skrobię C glikogen D chitynę E mureinę
Rozgałęzionym polisacharydem jest
A amyloza В amylopektyna C błonnik D chityna E kwas hialuronowy
Najbardziej rozpowszechniony polisacharyd w przyrodzie - to A kolagen В glikogen C błonnik D pepsyna E chityna
W przypadku nietolerancji laktozy nie można spożywać A jarzyn В owoców C cukru D nabiału E ryb
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
Opisz rolę biologiczną polisacharydów. Wymień polisacharydy strukturalne. Które spośród nich są najbardziej rozpowszechnione w przyrodzie?
Jakie właściwości powinna posiadać substancja, żeby organizmy żywe mogły wykorzystać ją jako materiał budulcowy (strukturalny)?
Jakie polisacharydy są wykorzystywane jako materiał magazynujący? Wytłumacz powiązanie budowy cząsteczki polisacharydów magazynujących z ich funkcją.
W jaki sposób budowa cząsteczek glikogenu jest związana z regulacją poziomu cukru we krwi?
Na czym polega zasadnicza różnica pomiędzy węglowodanami transportowymi i magazynującymi? Dlaczego te same substancje zazwyczaj nie mogą być jednocześnie i transportowymi, i magazynującymi?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
Błonnik - najbardziej rozpowszechniony biopolimer na planecie. Spróbuj dać odpowiedź na pytanie: dlaczego w organizmach zwierząt nie ma fermentów niezbędnych do rozszczepienia błonnika, czyli dlaczego on nie może służyć dla nas pokarmem? Dlaczego w wątrobie i mięśniach zwierząt powstają zapasy węglowodanów w postaci glikogenu, nie patrząc na to, że zwierzęcy organizm zachowuje większą część energii w postaci zmagazynowanych tłuszczów?
Zwykle rośliny magazynują węglowodany w postaci substancji polimerowych (skrobia, inulina1), jednak niektóre rośliny magazynują niskocząsteczkowe substancje (sacharozę). Oceń zalety i wady takich różnych strategii magazynowania węglowodanów. Jak myślisz, co spowodowało magazynowanie tych lub innych form węglowodanów?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
Dlaczego zwierzęta i rośliny wykorzystują różne substancje jako zapas węglowodanów? Na czym polega zasadnicza różnica między zwierzęcymi i roślinnymi magazynującymi węglowodanami i co ją spowodowało?
Jakie jeszcze węglowodany (oprócz magazynujących) posiadają budowę rozgałęzioną? Wyjaśnij sens biologiczny tego rozgałęzienia.
Dodatek II
O niedoborze laktazy (hipolaktazja)
Noworodki otrzymują korzystne substancje z mlekiem matki, dlatego że z powodu niedojrzałości układu trawiennego organizm dziecka nie jest zdolny do trawienia pokarmu, który spożywają dorośli. Stopniowo racja żywnościowa dziecka powinna być wzbogacana: w taki sposób pobudza się tworzenie biologicznie aktywnych substancji, które pomagają trawieniu (fermentów). Kiedy pokarm staje
bardziej różnorodny, można powiedzieć, że dziecko przechodzi na „dorosły” sposób odżywiania, więc mleko matki już nie jest takie niezbędne. Sygnałem o takim przejściu jest obniżenie zdolności przyswajania mleka.
Przy tym obniża się produkcja specjalnego fermentu - laktazy, który wspiera przyswajanie laktozy - disacharydy znajdującej się w mleku. W taki sposób matka mogła zrozumieć, że już może wykarmiać następne dziecko. Niemożliwość przyswajania laktozy nazywa się niedoborem laktazy lub nietolerancją laktozy.
Uważa się, że do okresu zlodowacenia wszyscy dorośli mieli niedobór laktazy, a znaczy, nie spożywali mleka. A około 5 tysięcy lat przed naszą erą zjawili się koczow-nicy-pasterzy, u których w ciągu rozwoju ewolucyjnego zaszła mutacja genu, umożliwiająca im przyswajanie mleka. Dobra tolerancja laktozy nadała nosicielom tego genu przewagi w walce o byt i umożliwiła rozszerzenie terenów zamieszkania. Przecież mleko tylko jednej krowy umożliwia całej rodzinie przeżycie zimy. Bardziej pracochłonna i ryzykowna alternatywa - utrzymywać całe stado dla mięsa.
Oprócz tego mleko zawiera witaminę D, którą otrzymujemy z niektórymi produktami nienabiałowymi. Jej obecność w mleku umożliwiła migrację populacji na północ Europy ( wtenczas obszary całkiem pustynne), nie bojąc się zachorować na krzywicę.
W ciągu około tysiąca lat większość mieszkańców Europy stopniowo otrzymała tę mutację (ryc. 11.1). Dzisiaj ta mutacja - to jeden z najlepszych testów na „europejskość”, czyli przynależność do rdzennych mieszkańców kontynentu, mieszkających tu nie mniej niż sześć tysięcy lat. Inaczej mówiąc, im mniejsza w narodzie jest liczba ludzi, którzy nie tolerują mleka, tym bardziej „rdzenny” jest ten naród w Europie.
Niemożliwość przyswajania laktozy sprzyjała szerszemu wykorzystaniu takiego nabiału, jak jogurt, kefir, ser itd., w których laktozę zamiast człowieka rozszczepiają drobnoustroje. Otóż miłośnicy nabiału mogą być spokojni - te produkty pozostaną „modne”!
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow