CARBOHYDRATE: CẤU TRÚC HÓA HỌC, PHÂN LOẠI VÀ CHỨC NĂNG - SINH HỌC - 2025

Các carbohydrates , carbohydrates hoặc sacarit, là các phân tử hữu cơ dự trữ năng lượng trong chúng sanh. Chúng là những phân tử sinh học phong phú nhất và bao gồm: đường, tinh bột và xenlulo, trong số các hợp chất khác được tìm thấy trong cơ thể sống.

Các sinh vật thực hiện quá trình quang hợp (thực vật, tảo và một số vi khuẩn) là những nhà sản xuất chính của carbohydrate trong tự nhiên. Cấu trúc của các saccharide này có thể là tuyến tính hoặc phân nhánh, đơn giản hoặc hợp chất, và chúng cũng có thể liên kết với các phân tử sinh học của một lớp khác.

Ví dụ, carbohydrate có thể liên kết với protein để tạo thành glycoprotein. Chúng cũng có thể liên kết với các phân tử lipid, do đó tạo thành glycolipid, các phân tử sinh học tạo nên cấu trúc của màng sinh học. Carbohydrate cũng có trong cấu trúc của axit nucleic.

Ban đầu, carbohydrate được công nhận là phân tử dự trữ năng lượng tế bào. Sau đó, các chức năng quan trọng khác mà carbohydrate thực hiện trong các hệ thống sinh học đã được xác định.

Tất cả các sinh vật đều có các tế bào của chúng được bao phủ bởi một lớp dày đặc các carbohydrate phức tạp. Carbohydrate được tạo thành từ các monosaccharide, các phân tử nhỏ được tạo thành từ ba đến chín nguyên tử carbon gắn với nhóm hydroxyl (-OH), có thể khác nhau về kích thước và cấu hình.

Một đặc tính quan trọng của carbohydrate là sự đa dạng cấu trúc to lớn trong lớp phân tử này, cho phép chúng thực hiện nhiều chức năng như tạo ra các phân tử tín hiệu tế bào, hình thành mô và tạo ra danh tính của các nhóm máu khác nhau ở người.

Tương tự như vậy, chất nền ngoại bào ở sinh vật nhân thực bậc cao rất giàu carbohydrate được tiết ra, cần thiết cho sự tồn tại và giao tiếp của tế bào. Các cơ chế nhận dạng tế bào này được nhiều loại mầm bệnh lợi dụng để lây nhiễm sang tế bào chủ của chúng.

Các monosaccharide có thể được liên kết bằng các liên kết glycosidic để tạo thành nhiều loại carbohydrate: disaccharide, oligosaccharide và polysaccharide. Nghiên cứu về cấu trúc và chức năng của carbohydrate trong hệ thống sinh học được gọi là glycobiology.

Cấu tạo hóa học

Carbohydrate được tạo thành từ các nguyên tử carbon, hydro và oxy. Hầu hết chúng có thể được biểu diễn bằng công thức thực nghiệm (CH2O) n, trong đó n là số nguyên tử cacbon trong phân tử. Nói cách khác, tỷ lệ cacbon, hydro và oxy là 1: 2: 1 trong phân tử carbohydrate.

Công thức này giải thích nguồn gốc của thuật ngữ "carbohydrate" vì các thành phần là nguyên tử carbon ("cacbo") và nguyên tử nước (do đó, "hydrat"). Mặc dù carbohydrate chủ yếu được tạo thành từ ba nguyên tử này, nhưng có một số carbohydrate với nitơ, phốt pho hoặc lưu huỳnh.

Ở dạng cơ bản, carbohydrate là đường đơn hoặc monosaccharide. Các loại đường đơn này có thể kết hợp với nhau để tạo thành các loại carbohydrate phức tạp hơn.

Sự kết hợp của hai loại đường đơn là một disaccharide. Oligosaccharide chứa từ hai đến mười loại đường đơn, và polysaccharide là loại carbohydrate lớn nhất, được tạo thành từ hơn mười đơn vị monosaccharide.

Cấu trúc của cacbohydrat xác định cách năng lượng được lưu trữ trong các liên kết của chúng trong quá trình hình thành bởi quá trình quang hợp, và cũng như cách các liên kết này bị phá vỡ trong quá trình hô hấp tế bào.

Phân loại

Monosaccharid

Monosaccharide là các đơn vị nguyên tố của carbohydrate, đó là lý do tại sao chúng là cấu trúc đơn giản nhất của saccharide. Về mặt vật lý, monosaccharide là chất rắn kết tinh không màu. Hầu hết đều có vị ngọt.

Từ quan điểm hóa học, monosaccharide có thể là aldehyde hoặc xeton, tùy thuộc vào vị trí của nhóm cacbonyl (C = O) trong carbohydrate mạch thẳng. Về mặt cấu trúc, monosaccharide có thể tạo thành chuỗi thẳng hoặc vòng kín.

Bởi vì monosaccharide sở hữu nhóm hydroxyl, hầu hết đều hòa tan trong nước và không hòa tan trong dung môi không phân cực.

Tùy thuộc vào số lượng nguyên tử cacbon trong cấu trúc của nó, monosaccharide sẽ có các tên khác nhau, ví dụ: triose (nếu nó có 3 nguyên tử C), pentose (nếu nó có 5C), v.v.

Disaccharides

Disaccharide là đường đôi được hình thành bằng cách đưa hai monosaccharide lại với nhau trong một quá trình hóa học được gọi là tổng hợp khử nước, do một phân tử nước bị mất đi trong quá trình phản ứng. Nó còn được gọi là phản ứng ngưng tụ.

Do đó, disaccharide là bất kỳ chất nào được cấu tạo từ hai phân tử đường đơn (monosaccharide) liên kết với nhau thông qua liên kết glycosidic.

Axit có khả năng phá vỡ các liên kết này, vì lý do này disaccharides có thể được tiêu hóa trong dạ dày.

Disaccharid thường tan trong nước và có vị ngọt khi uống vào. Ba disaccharide chính là sucrose, lactose và maltose: sucrose đến từ sự kết hợp của glucose và fructose; lactose đến từ sự kết hợp của glucose và galactose; và maltose đến từ sự kết hợp của hai phân tử glucose.

Oligosaccharides

Oligosaccharide là những polyme phức tạp được tạo thành từ một vài đơn vị đường đơn giản, có nghĩa là từ 3 đến 9 monosaccharide.

Phản ứng giống nhau là tạo thành disaccharid, nhưng chúng cũng đến từ sự phân hủy các phân tử đường phức tạp hơn (polysaccharid).

Hầu hết các oligosaccharide được tìm thấy trong thực vật và hoạt động như chất xơ hòa tan, có thể giúp ngăn ngừa táo bón. Tuy nhiên, hầu hết con người không có enzyme để tiêu hóa chúng, ngoại trừ maltotriose.

Vì lý do này, các oligosaccharide không được tiêu hóa ban đầu ở ruột non có thể bị phân hủy bởi vi khuẩn thường sống trong ruột già thông qua quá trình lên men. Prebiotics thực hiện chức năng này, đóng vai trò như thức ăn cho vi khuẩn có lợi.

Polysaccharid

Polysaccharide là các polyme saccharide lớn nhất, chúng được tạo thành từ hơn 10 (lên đến hàng nghìn) đơn vị monosaccharide được sắp xếp theo cách mạch thẳng hoặc phân nhánh. Sự thay đổi trong cách sắp xếp không gian là điều mang lại cho các loại đường này nhiều đặc tính.

Polysaccharide có thể được cấu tạo từ cùng một loại monosaccharide hoặc sự kết hợp của các monosaccharide khác nhau. Nếu chúng được hình thành bởi các đơn vị lặp lại của cùng một loại đường, chúng được gọi là homopolysaccharid như glycogen và tinh bột, tương ứng là các loại carbohydrate dự trữ của động vật và thực vật.

Nếu polysaccharide được tạo thành từ các đơn vị đường khác nhau, chúng được gọi là heteropolysaccharide. Hầu hết chỉ chứa hai đơn vị khác nhau và thường liên kết với protein (glycoprotein, chẳng hạn như gamma globulin trong huyết tương) hoặc lipid (glycolipid, chẳng hạn như ganglioside).

Đặc trưng

Bốn chức năng chính của carbohydrate là: cung cấp năng lượng, dự trữ năng lượng, xây dựng các đại phân tử và ngăn chặn sự phân hủy của protein và chất béo.

Carbohydrate được phân hủy thông qua quá trình tiêu hóa thành đường đơn. Chúng được hấp thụ bởi các tế bào của ruột non và được vận chuyển đến tất cả các tế bào của cơ thể, nơi chúng sẽ bị oxy hóa để thu năng lượng dưới dạng adenosine triphosphate (ATP).

Các phân tử đường không được sử dụng để sản xuất năng lượng tại một thời điểm nhất định được lưu trữ như một phần của các polyme dự trữ như glycogen và tinh bột.

Nucleotide, đơn vị cơ bản của axit nucleic, có các phân tử glucose trong cấu trúc của chúng. Một số protein quan trọng được liên kết với các phân tử carbohydrate, ví dụ: hormone kích thích nang trứng (FSH), có liên quan đến quá trình rụng trứng.

Bởi vì carbohydrate là nguồn năng lượng chính, sự phân hủy nhanh chóng của chúng ngăn cản các phân tử sinh học khác bị phân hủy để lấy năng lượng. Do đó, khi lượng đường ở mức bình thường, protein và lipid được bảo vệ khỏi sự suy thoái.

Một số carbohydrate hòa tan trong nước, chúng có chức năng như một loại thực phẩm chính ở hầu hết mọi người, và quá trình oxy hóa các phân tử này là con đường sản xuất năng lượng chính trong hầu hết các tế bào không quang hợp.

Carbohydrate không hòa tan liên kết với nhau để tạo thành các cấu trúc phức tạp hơn đóng vai trò bảo vệ. Ví dụ: xenlulozo tạo nên thành tế bào thực vật cùng với hemicelluloses và pectin. Chitin tạo nên thành tế bào của nấm và bộ xương ngoài của động vật chân đốt.

Ngoài ra, peptidoglycan tạo nên thành tế bào của vi khuẩn và vi khuẩn lam. Mô liên kết của động vật và các khớp xương được tạo thành từ các polysaccharid.

Nhiều carbohydrate liên kết cộng hóa trị với protein hoặc lipid tạo thành cấu trúc phức tạp hơn, được gọi chung là glycoconjugate. Các phức hợp này hoạt động như các thẻ xác định vị trí nội bào hoặc số phận trao đổi chất của các phân tử này.

Thực phẩm có chứa carbohydrate

Carbohydrate là một thành phần thiết yếu của chế độ ăn uống lành mạnh, vì chúng là nguồn năng lượng chính. Tuy nhiên, một số loại thực phẩm có carbohydrate lành mạnh hơn cung cấp lượng chất dinh dưỡng cao hơn, ví dụ:

Tinh bột

Thực phẩm giàu tinh bột là nguồn cung cấp carbohydrate chính. Các loại tinh bột này nói chung là cacbohydrat phức tạp, tức là chúng được tạo thành từ nhiều loại đường liên kết với nhau để tạo thành một chuỗi phân tử dài. Vì lý do này, tinh bột mất nhiều thời gian hơn để tiêu hóa.

Có rất nhiều loại thực phẩm chứa tinh bột. Ngũ cốc bao gồm các loại thực phẩm chứa nhiều tinh bột, ví dụ: đậu, đậu lăng và gạo. Ngũ cốc cũng chứa các loại carbohydrate này, ví dụ: yến mạch, lúa mạch, lúa mì và các dẫn xuất của chúng (bột và mì ống).

Các loại đậu và hạt cũng chứa carbohydrate ở dạng tinh bột. Ngoài ra, các loại rau như: khoai tây, khoai lang, ngô và bí cũng rất giàu tinh bột.

Quan trọng là, nhiều carbohydrate là nguồn cung cấp chất xơ. Nói cách khác, chất xơ về cơ bản là một loại carbohydrate mà cơ thể chỉ có thể tiêu hóa một phần.

Tương tự như carbohydrate phức tạp, các sợi carbohydrate có xu hướng được tiêu hóa chậm.

Hoa quả và rau

Trái cây và rau có nhiều carbohydrate. Trái ngược với tinh bột, trái cây và rau quả có chứa carbohydrate đơn giản, tức là carbohydrate có một hoặc hai saccharide gắn vào nhau.

Những loại carbohydrate này, có cấu trúc phân tử đơn giản, được tiêu hóa dễ dàng và nhanh chóng hơn những loại phức tạp. Điều này cho ta ý tưởng về các mức độ và loại carbohydrate khác nhau trong thực phẩm.

Do đó, một số loại trái cây có hàm lượng carbohydrate cao hơn trong mỗi khẩu phần, ví dụ: chuối, táo, cam, dưa và nho có nhiều carbohydrate hơn một số loại rau như rau bina, bông cải xanh và cải xoăn, cà rốt, nấm và aubergines.

Sữa

Tương tự như rau và trái cây, sữa là thực phẩm chứa carbohydrate đơn giản. Sữa có đường riêng gọi là lactose, một loại đường disaccharide có vị ngọt. Một cốc này tương đương với khoảng 12 gam carbohydrate.

Có nhiều phiên bản sữa và sữa chua trên thị trường. Bất kể bạn đang tiêu thụ toàn bộ hay giảm chất béo của một loại sữa cụ thể, lượng carbohydrate sẽ giống nhau.

Đồ ngọt

Đồ ngọt là một nguồn cung cấp carbohydrate nổi tiếng khác. Chúng bao gồm đường, mật ong, kẹo, đồ uống nhân tạo, bánh quy, kem, trong số nhiều món tráng miệng khác. Tất cả các sản phẩm này đều chứa hàm lượng đường cao.

Mặt khác, một số thực phẩm đã qua chế biến và tinh chế có chứa carbohydrate phức tạp, ví dụ: bánh mì, gạo và mì ống trắng. Điều quan trọng cần lưu ý là carbohydrate tinh chế không bổ dưỡng như carbohydrate có trong trái cây và rau quả.

Sự trao đổi carbohydrate

Chuyển hóa carbohydrate là một tập hợp các phản ứng trao đổi chất liên quan đến sự hình thành, phân hủy và chuyển hóa carbohydrate trong tế bào.

Sự chuyển hóa carbohydrate được bảo tồn cao và có thể được quan sát thấy ngay cả từ vi khuẩn, ví dụ chính là Lac Operon của E. coli.

Carbohydrate quan trọng trong nhiều con đường trao đổi chất bao gồm quang hợp, phản ứng hình thành carbohydrate quan trọng nhất trong tự nhiên.

Từ carbon dioxide và nước, thực vật sử dụng năng lượng từ mặt trời để tổng hợp các phân tử carbohydrate.

Về phần mình, các tế bào động vật và nấm phân hủy carbohydrate, được tiêu thụ trong các mô thực vật, để thu được năng lượng dưới dạng ATP thông qua một quá trình gọi là hô hấp tế bào.

Ở động vật có xương sống, glucose được vận chuyển khắp cơ thể qua máu. Nếu năng lượng dự trữ của tế bào thấp, glucose sẽ bị phân hủy thông qua một phản ứng trao đổi chất được gọi là đường phân để tạo ra một số năng lượng và một số chất trung gian chuyển hóa.

Các phân tử glucose không cần thiết để sản xuất năng lượng ngay lập tức được lưu trữ dưới dạng glycogen trong gan và cơ, thông qua một quá trình gọi là glycogenesis.

Một số loại cacbohydrat đơn giản có con đường phân huỷ riêng, giống như một số cacbohydrat phức tạp hơn. Ví dụ, lactose đòi hỏi hoạt động của enzyme lactase, enzyme này phá vỡ các liên kết và giải phóng các monosaccharide cơ bản, glucose và galactose.

Glucose là carbohydrate chính mà tế bào tiêu thụ, nó chiếm khoảng 80% nguồn năng lượng.

Glucose được phân phối đến các tế bào, nơi nó có thể đi vào thông qua các chất vận chuyển cụ thể để được phân hủy hoặc lưu trữ dưới dạng glycogen.

Tùy thuộc vào nhu cầu trao đổi chất của tế bào, glucose cũng có thể được sử dụng để tổng hợp các monosaccharide khác, axit béo, axit nucleic và một số axit amin nhất định.

Chức năng chính của chuyển hóa carbohydrate là duy trì kiểm soát lượng đường trong máu, đây là những gì được gọi là cân bằng nội môi bên trong.

Người giới thiệu

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Sinh học phân tử của tế bào (xuất bản lần thứ 6). Khoa học Garland.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Hóa sinh (xuất bản lần thứ 8). WH Freeman và Công ty.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Sinh học (xuất bản lần thứ 2) Pearson Education.
4. Dashty, M. (2013). Sơ lược về hóa sinh: Sự chuyển hóa cacbohydrat. Hóa sinh lâm sàng, 46 (15), 1339-1352.
5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Sinh học tế bào phân tử (xuất bản lần thứ 8). WH Freeman và Công ty.
6. Maughan, R. (2009). Sự trao đổi carbohydrate. Giải phẫu, 27 (1), 6–10.
7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Lehninger Principles of Biochemistry (6 ^ngày ). WH Freeman và Công ty.
8. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Sinh học (xuất bản lần thứ 7) Cengage Learning.
9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Các nguyên tắc cơ bản của hóa sinh: Sự sống ở cấp độ phân tử (xuất bản lần thứ 5). Wiley.