کربوهیدرات

کربوهیدرات یکی از مولکول‌های زیستی متشکل از اتم‌های کربن (C)، هیدروژن (H) و اکسیژن (O) است که معمولاً با نسبت اتم هیدروژن و اکسیژن 2 به 1 (مانند آب) و در نتیجه با فرمول تجربی CΜ (H2O)Ν (Μ ممکن است با Ν متفاوت باشد یا نباشد) ساخته می‌شود.

ساختار پلی ساکاریدی سلولز

با این حال، همه کربوهیدرات‌ها دقیقا با این تعریف استوکیومتری مطابقت ندارند (به عنوان مثال، اسیدهای اورونیک، قندهای اکسیژنه مانند فوکوز) و از طرفی همه مواد شیمیایی که مطابق با این تعریف هستند نیز به عنوان کربوهیدرات طبقه‌بندی نمی‌شوند (به عنوان مثال فرمالدهید).

واژه کربوهیدرات بیشتر در بیوشیمی رایج است، جایی که این واژه مترادف ساکارید است، گروهی که شامل قندها، نشاسته و سلولز هستند. ساکاریدها به چهار گروه شیمیایی تقسیم می‌شوند:

• مونوساکاریدها

• دی ساکاریدها

• اولیگوساکاریدها

• پلی ساکاریدها

مونوساکاریدها و دی‌ساکاریدها، کوچکترین کربوهیدرات‌ها (با وزن مولکولی پایین)، معمولاً قند نامیده می‌شوند. در حالی که نام علمی کربوهیدرات ها پیچیده است، اما نام مونوساکاریدها و دی‌ساکاریدها غالباً در پسوند -ose که در اصل از گلوکز گرفته شده است، تقریباً برای همه قندها به کار می‌رود.

سلولز، پلی ساکاریدی است که در دیواره سلولی همه گیاهان یافت می‌شود، یکی از اجزای اصلی فیبر غذایی و نامحلول است. اگرچه سلولز قابل هضم نیست اما فیبرهای غذایی نامحلول با کاهش آب مدفوع و کمک به دفع آن، به حفظ لوله گوارشی سالم کمک می‌کنند. از دیگر پلی‌ساکاریدهای موجود در فیبر غذایی می‌توان به نشاسته و اینولین مقاوم اشاره کرد که برخی از باکتری‌ها را در میکروبیوتای روده بزرگ، تغذیه می‌کنند و توسط این باکتری‌ها متابولیزه می‌شوند و اسیدهای چرب زنجیره کوتاه تولید می‌کند.

ساختار کربوهیدارت ها

در گذشته نام کربوهیدرات در شیمی برای هر ترکیبی با فرمول CΜ (H2O)Ν استفاده می‌شد. به دنبال این تعریف، برخی از شیمی‌دان‌ها فرمالدهید (CH2O) را ساده‌ترین کربوهیدرات می‌دانند، در حالی که برخی دیگر گلیکو‌آلدهیدها را ساده‌ترین کربوهیدرات می‌دانند. امروزه این اصطلاح به طور کلی در مفهوم بیوشیمی درک می‌شود که ترکیباتی را که فقط دارای یک یا دو کربن هستند را حذف می‌کند و شامل بسیاری از کربوهیدرات‌های بیولوژیکی است که از این فرمول طبعیت نمی‌کنند.

به عنوان مثال، در حالی که به نظر می‌رسد فرمول‌های فوق نمایانگر کربوهیدرات های شناخته شده هستند، کربوهیدرات‌های فراگیر و فراوان اغلب از این فرمول پیروی نمی‌کنند. به عنوان مثال، کربوهیدرات های اغلب گروه‌های شیمیایی مانند: N-استیل (به عنوان مثال کیتین)، سولفات (به عنوان مثال گلیکوزامینو گلیکان‌ها)، اسید کربوکسیلیک (به عنوان مثال اسید سیالیک) و انواع دئوکسی (به عنوان مثال فوکوز و اسید سیالیک) را دارند.

انواع کربوهیدرات ها

کربوهیدرات‌ها عبارتند از پلی هیدروکسی آلدئیدها، کتون‌ها، الکل‌ها، اسیدها، مشتقات ساده و پلیمرهای آن‌ها که دارای پیوندهایی از نوع استال هستند. آن‌ها ممکن است با توجه به درجه پلیمریزاسیون به مونوساکاریدها، دی ساکاریدها، الیگوساکاریدها و پلی ساکاریدها طبقه‌بندی شوند. همچنین کربوهیدرات ها را از نظر درجه پیچیدگی می‌توان به دو دسته کربوهیدارت‌های مرکب یا پیچیده و کربوهیدرات‌های ساده دسته‌بندی کرد.

کربوهیدارت های ساده

کربوهیدرات های ساده به سرعت توسط بدن تجزیه می‌شوند تا به عنوان انرژی استفاده شوند. کربوهیدرات های ساده به طور طبیعی در غذاهایی مانند میوه‌ها و لبنیاتی همچون شیر یافت می‌شوند. همچنین در قندهای فرآوری شده و تصفیه شده مانند آب نبات، قند سفره، شربت و نوشابه وجود دارند. بیشترین میزان کربوهیدرات مصرفی باید از کربوهیدرات‌های پیچیده (نشاسته) و قندهای طبیعی تأمین شود. از جمله کربوهیدرات‌های پیچیده می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• شکر خام

• شکر قهوه‌ای

• شربت ذرت

• گلوکز

• فروکتوز

• ساکارز

• کنسانتره آب میوه

اگرچه این نوع از کربوهیدرات به سرعت انرژی بدن را تأمین می‌کنند، خوردن قندهای ساده میزان ترشح انسولین را بالا می‌برد؛ در نتیجه فرد پس از خوردن آن‌ها به سرعت دچار افت قند خون شده و نیاز به مصرف مجدد قند دارد. بنابراین در صورت استفاده زیاد، ریسک ابتلا به انواع دیابت و سندرم متابولیک افزایش خواهند یافت.

کربوهیدرات های مرکب

کربوهیدرات‌های پیچیده از مولکول‌های قند تشکیل می‌شوند که به صورت زنجیره‌های منشعب به یکدیگر متصل شده‌اند. کربوهیدرات‌های پیچیده در غذاهایی مانند نخود فرنگی، لوبیا، غلات کامل و سبزیجات یافت می‌شوند. کربوهیدرات های ساده و پیچیده هر دو در بدن به گلوکز (قند خون) تبدیل و به عنوان انرژی استفاده می‌شوند.

غذاهای حاوی کربوهیدرات مرکب، ویتامین‌ها، مواد معدنی و فیبرهایی را فراهم می‌کنند که برای سلامتی مهم هستند اما برخلاف کربوهیدات‌های طبیعی، انواع فرآوری شده فاقد سایر مواد مغذی هستند و صرفا کالری و گلوکز بالایی دارند. کربوهیدرات‌های مرکب در بدنسازی و ورزشکاران پر مصرف هستند چرا که به مدت طولانی سبب حفظ انرژی، احساس سیری و جلوگیری از عضله‌سوزی می‌شوند. برخی از کربوهیدرات‌های پیچیده و فرآوری نشده عبارتند از:

• غلات کامل مانند برنج قهوه‌ای

• بلغور

• جو دوسر

• جو

• غلات سبوس‌دار

• کینوا

• گندم سیاه

• سبزیجات نشاسته‌ای شامل سیب‌زمینی، سیب‌زمینی شیرین و ذرت

• سبزیجات غیر نشاسته‌ای مانند مارچوبه، کدو سبز و بروکلی

• حبوباتی همچون لوبیا، عدس و نخود

مونوساکارید

ساکاریدهای طبیعی به طور کلی از دو کربوهیدرات ساده به نام مونوساکاریدها (Monosaccharides) با فرمول کلی (CH2O)Ν ساخته می‌شوند که n، سه یا بیشتر باشد. نمونه‌هایی از مونوساکاریدها گلوکز، فروکتوز و گلیسرآلدئیدها هستند.

برخی از مواد بیولوژیکی که معمولاً مونوساکاریدها نامیده می‌شوند با این فرمول مطابقت ندارند (به عنوان مثال اسیدهای اورونیک و قندهای اکسیژنه مانند فوکوز). بسیاری از مواد شیمیایی وجود دارد که مطابق با این فرمول هستند اما مونوساکارید محسوب نمی‌شوند.

مونوساکاریدها قندهای ساده نیز نامیده می‌شوند؛ چون ساده‌ترین شکل قند و اساسی‌ترین واحد (مونومر) کربوهیدرات ها هستند. فرمول کلی ΝH۲ΝOΝ است، البته همه مولکول‌ها متناسب با این فرمول (به عنوان مثال اسید استیک) کربوهیدرات نیستند. مونوساکاریدها معمولاً بی‌رنگ، محلول در آب و جامدات بلوری هستند. برخلاف نام آن‌ها، فقط بعضی از مونوساکاریدها مانند گلوکز (دکستروز)، فروکتوز (لوولوز) و گالاکتوز طعم شیرینی دارند.

برخی دیگر از مونوساکاریدها نیز می‌توانند در موجود زنده به گلوکز تبدیل شوند. گلوکز که به عنوان منبع انرژی و برای سنتز نشاسته، گلیکوژن و سلولز استفاده می‌شود، هگزوز است. ریبوز و دئوکسی‌ریبوز (به ترتیب در RNA و DNA) قندهای پنتوز هستند. نمونه‌هایی از هپتوز نیز شامل کتوز، منوهپتولوز و سدو هپتولوز می‌شوند. مونوساکاریدهای دارای هشت یا بیشتر کربن به ندرت وجود دارند زیرا کاملاً بی‌ثبات هستند. در محلول‌های آبی اگر بیش از چهار کربن داشته باشد مونوساکاریدها به صورت حلقه وجود دارند.

مونوساکاریدها منبع اصلی سوخت و ساز بدن هستند که هم به عنوان منبع انرژی (گلوکز مهم‌ترین ماده در طبیعت است) و هم در بیوسنتز مورد استفاده قرار می‌گیرند. هنگامی که مونوساکاریدها بلافاصله توسط بسیاری از سلول‌ها مورد نیاز نباشند، آن‌ها به فرم‌های کارآمدتر در فضا، اغلب پلی ساکاریدها تبدیل می‌شوند. در بسیاری از حیوانات از جمله انسان، این فرم ذخیره‌سازی به ویژه در سلول‌های کبدی و عضلانی گلیکوژن است. در گیاه از نشاسته به همین منظور استفاده می‌شود.

دی ساکارید

دی ساکارید (که به آن قند مضاعف یا بیوز نیز گفته می‌شود) قندی است که هنگام اتصال دو مونوساکارید توسط پیوند گلیکوزیدی ایجاد می‌شود. دی ساکاریدها مانند مونوساکاریدها قندهای ساده ای هستند که در آب حل می‌شوند. سه نمونه متداول از دی ساکاریدها ساکارز، لاکتوز و مالتوز با ۱۲ اتم کربن هستند. دی‌ساکاریدها یکی از چهار گروه شیمیایی کربوهیدرات (مونوساکاریدها، دی ساکاریدها، اولیگوساکاریدها و پلی ساکاریدها) هستند. تفاوت در این ساکاریدها به دلیل آرایش‌های اتمی درون مولکول است.

پلی ساکارید

پلی ساکاریدها (Polysaccharides) یا پلی کربوهیدرات فراوان‌ترین کربوهیدرات موجود در مواد غذایی هستند. آن‌ها کربوهیدرات های پلیمری با زنجیره بلند هستند که از واحدهای مونوساکاریدی تشکیل شده‌اند و توسط پیوندهای گلیکوزیدی به یکدیگر متصل شده‌اند. این کربوهیدرات می‌تواند با استفاده از آنزیم‌های آمیلاز به عنوان کاتالیزور که قندهای سازنده (مونوساکاریدها یا الیگوساکاریدها) را تولید می‌کند با آب (هیدرولیز) واکنش نشان دهند.

متابولیسم کربوهیدرات ها

متابولیسم کربوهیدرات کل فرآیندهای بیوشیمیایی مسئول تشکیل متابولیسم، تجزیه و تبدیل مجدد کربوهیدرات ها در موجودات زنده است. کربوهیدرات‌ها در بسیاری از مسیرهای ضروری متابولیسم یکی از اجزای مهم هستند. گیاهان کربوهیدرات‌ها را با استفاده از دی اکسید کربن و آب از طریق فتوسنتز، سنتز می‌کنند که به آن‌ها اجازه می‌دهد انرژی جذب شده از نور خورشید را به صورت ماده در پلاست‌های خود ذخیره کنند.

هنگامی که حیوانات و قارچ ها گیاهان را مصرف می‌کنند، از طریق تنفس سلولی این کربوهیدرات های ذخیره شده را تجزیه می‌کنند تا انرژی در دسترس سلول‌ها قرار گیرد. حیوانات و گیاهان به طور موقت انرژی آزاد شده را به صورت مولکول‌های پرانرژی مانند ATP برای استفاده در فرآیندهای مختلف سلولی ذخیره می‌کنند. اگرچه انسان انواع کربوهیدرات‌ها را مصرف می‌کند، هضم سبب تجزیه کربوهیدرات های پیچیده به چند مونومر ساده (مونوساکاریدها) برای متابولیسم گلوکز، فروکتوز و گالاکتوز می‌شود.

گلوکز حدود 80 درصد از محصولات را تشکیل می‌دهد و ساختار اصلی است که به سلول‌های بافت توزیع می‌شود، جایی که تجزیه خواهد شد یا به عنوان گلیکوژن ذخیره می‌شود. در تنفس هوازی که شکل اصلی تنفس سلولی در انسان است، کربوهیدرات ها استفاده و به گلوکز و اکسیژن متابولیزه می‌شوند تا انرژی آزاد کنند، دی اکسید کربن و آب به عنوان محصولات جانبی تولید می‌شوند. بیشتر فروکتوز و گالاکتوز به کبد منتقل شده و در آنجا به گلوکز تبدیل شوند.

برخی از کربوهیدرات های ساده مانند برخی از کربوهیدرات‌های پیچیده، مسیرهای اکسیداسیون آنزیمی خاص خود را دارند. به عنوان مثال دی ساکارید لاکتوز نیاز به تجزیه آنزیم لاکتاز به اجزای مونوساکارید، گلوکز و گالاکتوز دارد.