Angliavandeniai, kurie dar kartais vadinami karbohidratais ar sacharidais, yra labai svarbi gyvųjų organizmų sudėtinė dalis. Kartu su baltymais, lipidais ir nukleorūkštimis, angliavandeniai įeina į gyvų organizmų sudėtį, nulemia jų struktūros specifiškumą ir funkcionavimą.
Angliavandeniai sudaro pagrindinę organinių junginių masės dalį žemėje. Biosferoje jų yra daugiau negu visų kitų organinių medžiagų. Kasmet, fotosintezės proceso metu, susidaro milžiniški kiekiai angliavandenių. Sausoje augalų masėje angliavandeniai sudaro apie 80-90 % ir apie 2 % - sausos gyvūnų masės.
Angliavandeniai dalyvauja daugelyje metabolinių procesų, bet visų pirmiausiai jie yra pagrindinė maisto medžiaga ir pagrindinis energijos tiekėjas. Apytikriai imant dienos raciono suvartojamo maisto masę, tai angliavandeniams iš jos tenka apie 75 %, o paros reikiamų kalorijų kiekiui - daugiau nei 50 %.
Reikia pažymėti ir struktūrinį angliavandenių vaidmenį. Angliavandeniai yra daugelio fiziologiškai svarbių junginių (pvz., imunoglobulinų, nukleotidinių kofermentų, glikopeptidų ir glikoproteinų, glikolipidų ir lipopolisacharidų ir kt.) sudėtinė dalis. Būdami sudėtinė mišrių biopolimerų dalis, angliavandeniai suteikia jiems specifinių savybių fiziologinių procesų metu, pvz., dalyvauja nukleorūgščių ir baltymų sintezėje, lemia ląstelių paviršiaus biologinį specifiškumą, mažina trintį tarp sąnarių, sutvirtina ląstelių struktūrinius ir atraminius organus ir t.t.
Biocheminės angliavandenių funkcijos
- Energijos šaltinis: Angliavandeniai yra greičiausiai naudojamas organizmų energijos šaltinis (pvz., gliukozės visada yra gyvūnų kraujyje).
- Atsarginė (rezervinė) maisto medžiaga: Augalų ląstelės kaupia krakmolą, o gyvūnų ir grybų ląstelės kaupia glikogeną.
- Struktūrinis elementas: Angliavandeniai įeina į bakterijų ar tvirtos augalų ląstelių sienelių sudėtį (tvirtos augalų sienelės sudarytos iš celiuliozės); išorinis vėžiagyvių apvalkalas (skeletas) turi chitino.
- Reguliacinė funkcija: Angliavandeniai įeina į nukleorūgščių, antibiotikų sudėtį; iš jų sintetinamas aminorūgščių anglies karkasas.
- Hormoninė funkcija: Padeda reguliuoti medžiagų apykaitą, t.y. Taigi, kaip matome, angliavandeniai nors ir netiesiogiai (pvz., būdami biologiškai aktyvių baltymų sudėtyje), bet pasižymi pakankamai plačiomis funkcijomis.
Metabolizmo proceso metu iš angliavandenių susidaro nemažas kiekis organinių medžiagų, kurios yra panaudojamos lipidų, aminorūgščių, nukleotidų sintezės metu kaip pradinis substratas. Dariniai iš angliavandenių (gliukuronidai) dalyvauja detoksikuojant ksenobiotikus ir inaktyvuojant endogeninės kilmės medžiagas.
Angliavandenius negalima laikyti nepakeičiamaisiais maisto komponentais, bet, jei juos pašalinti iš mitybos raciono, tai kaip pasekmė gali atsirasti hipoglikemija, kurios kompensavimui bus naudojami baltymai ir riebalai. Tokiu būdu, angliavandeniai - būtinas maisto komponentas, kadangi be jų pagrindinės energetinės funkcijos (energijos „malkos” ląstelėms) jie dar dalyvauja daugeliuose ląsteliniuose metaboliniuose procesuose.
Seniau angliavandenius laikė medžiagomis, kurios sudarytos iš dviejų komponentų - anglies ir vandens, o jų elementarią sudėtį galima išreikšti viena bendra formule Cm(H2O)n . Bet, kaip vėliau paaiškėjo, šioje taisyklėje yra išimčių ir ji nevisai tiksli, tiesiog šis apibrėžimas leidžia paprasčiausiai apibūdinti angliavandenių klasę bendrai.
Angliavandenius, priklausomai nuo juos sudarančių monomerų kiekio, galima padalinti į tris pagrindines grupes:
- Paprastieji angliavandeniai.
- Sudėtingi angliavandeniai (poliozės).
- OLIGOSACHARIDAI (disacharidai): sacharozė, laktozė, maltozė ir kt.
Angliavandenių klasifikacijos kriterijumi yra jų hidrolizės reakcija, t.y. specifinė jų skaidymo reakcija vandeniu. Kaip matome, prie žodžio sacharidas prisideda MONO- (vienas, vienintelis, vientisas), OLIGO- (negausus, mažas, nedaug) arba DI- (nurodo, kad sudarytas iš 2 dalių), POLI- (daug, gausus).
Monosacharidai gerai tirpsta vandenyje ir netirpsta nepoliniuose tirpikliuose. Dauguma yra saldūs ir dažniausiai yra paprastieji cukrūs. Atsižvelgiant į anglies (C) atomų skaičių, monosacharidai skirstomi į turinčius 3 anglies atomus (triozės), 4C (tetrozės), 5C (pentozės), 6C (heksozės), 7C (heptozės) ir t.t. Labiausiai gamtoje paplitusios pentozės ir heksozės.
Angliavandenių pavadinimuose dažniausiai vartojama galūnė -ozė. Beje, kol dar visai neįsibėgėjome, reikia paminėti, kad beveik visų monosacharidų molekulėse yra asimetrinių (chiralinių) anglies atomų, todėl monosacharidams yra būdinga stereoizomerija (enantiomerija ir diastereomerija).
Labai plačiai nesiplečian į nuodugnų angliavandenių biocheminį nagrinėjimą, aiškumo dėlei galima tik paminėti: kai kurie monosacharidai turi asimetrinį anglies atomą, jis vadinamas chiraliniu centru. Medžiagos, turinčios chiralinį centrą, yra optiškai aktyvios (jų tirpalai suka tiesiškai poliarizuotos šviesos plokštumą). Nesimetriško anglies atomo konfigūracija apibūdinama D ir L eilės terminais. Pvz., pats paprasčiausias monosacharidas gali turėti 2 erdvinius izomerus, t.y. D- ir L-, o tokie junginiai vadinami enantiomerais. Jie nesutapatinami, bet yra vienas kito veidrodinis atspindys.
Žinoma didėjant asimetrinių anglies atomų skaičiui monosacharidų molekulėse, didėja ir stereoizomerų skaičius (pvz., gali turėti po 8 D ir 8 L eilei, ar net dar daugiau), bet dabar ne apie tai. Esmė ta, kad gamtoje pagrinde vyrauja D-eilės monosacharidai.
Monosacharidai, kurie nėra vienas kito veidrodinis atspindys, vadinami diastereometrais (pvz., gliukozė, manozė, galaktozė). Diastereomerai, kurių tik vieno iš kelių chiralinių atomų konfiguracija yra skirtinga, vadinami epimerais (pvz., D-gliukozė ir D-manozė, arba D-ribozė ir D-arabinozė).
Taigi, angliavandenių biologinę svarbą nulemia priklausymas D arba L stereocheminei eilei, nes dauguma gamtinių monosacharidų priklauso D eilei. Į gyvųjų organizmų (tame tarpe ir žmogaus) sudėtį įeinantys monosacharidai yra D-eilės (pvz., D-gliukozė ir kt.), nes gyvieji organizmai sugeba panaudoti D-eilės monosacharidus, o L-eilės nenaudoja.
Vienas pačių paprasčiausių angliavandenių, randamas daugelyje uogų ir vaisių, daržovėse, meduje. Gliukozė yra žmogaus pagrindinis, patenkantis į kraują, monosacharidas. Gliukozė yra daugumos organizmo audinių maisto (energijos) medžiaga, ypač ji svarbi smegenims. Kaip junginys, ji būtina biosintezės procesams, o jos perteklius kaupiamas kaip glikogenas. Beje, gliukozės visada yra gyvūnų kraujyje, o esant jos trūkumui tas pats glikogenas verčiamas atgal į gliukozę. Organizme visi angliavandeniai pagrinde yra skaidomi iki gliukozės, kuri kaip jau minėta yra universali energijos medžiaga žmogaus ląstelėms. Ši laisvoji energija, kuri sukaupta gliukozės molekulėje, yra išskiriama jos skaidymo metu. Dalis šios energijos kaupiama makroenerginiuose junginiuose, daugiausiai ATP, o kita dalis išsisklaido kaip šiluma.
Panašiai kaip krakmolas augaluose, glikogenas gyvūnų organizmų ląstelėse atlieka rezervinę funkciją, t.y. organizmo pagrindinė gliukozės saugojimo forma. Glikogenas struktūriškai yra panašus į krakmolą (amilopektiną), bet yra labiau šakotesnis: maždaug kas 8-12 gliukozės molekulių yra α-1,6-glikozidinis ryšys, o linijinės glikogeno grandinių dalys sujungtos α-1,4-glikozidiniu ryšiu. Tokiu būdu susidaro glikogeno „medžio” (išsišakojusi) pavidalo struktūra.
Dauguma organizmo audinių sintetina glikogeną kaip rezervinę gliukozės formą. Glikogeno sintezė ir skaidymas aprūpina kraujo gliukozės koncentracijos pastovumą ir dalis jo yra sandėliuojama, kad esant būtinybei audiniai juo galėtu pasinaudoti. Daugiausiai glikogeno yra kepenyse (iki 5 -7 % bendro svorio) ir raumenyse (iki 2 % raumenų masės). Kepenų glikogenas svarbus tuo, kad tiekia gliukozę į kraują jos pastovios koncentracijos ten palaikymui. Kiti organai, savo energetiniam palaikymui, iš kraujo tą gliukozę gali pasiimt. Raumenų glikogenas yra skaidomas pačiuose raumenyse jų energijos palaikymo poreikiams, į kraują jis nėra tiekiamas.
Pagrindinės angliavandenių funkcijos
| Funkcija | Aprašymas | Pavyzdžiai |
|---|---|---|
| Energetinė | Pagrindinis energijos šaltinis | Gliukozė, fruktozė |
| Rezervinė | Atsarginės maisto medžiagos kaupimas | Krakmolas (augaluose), glikogenas (gyvūnuose) |
| Struktūrinė | Ląstelių sienelių sudėtinė dalis | Celiuliozė (augaluose), chitinas (vėžiagyviuose) |
| Reguliacinė | Dalyvavimas metabolizmo procesuose | Nukleorūgštys, antibiotikai |
| Hormoninė | Medžiagų apykaitos reguliavimas | Glikoproteinai |
Augalų ląstelėse sukauptos atsarginės ir šalinimui skirtos medžiagos vadinamos er-gastinėmis. Joms priklauso angliavandeniai, baltymai, lipidai (aliejai, riebalai ir vaškai) - pagrin-dinės augalų atsarginės maisto medžiagos, taipogi taninai, alkaloidai, glikozidai, druskų kristalai ir kt. Atsarginės medžiagos gali būti telkiamos leukoplastuose, sferoplastuose, vakuolėse.
Leukoplastai yra nepigmentuotos plastidės, kaupiančios atsargines maisto medžiagas - krakmolą (amiloplastai), baltymus (proteinoplastai), aliejus (elajoplastai) ir būdingos audiniams, kurių nepasiekia šviesa.
Taigi, angliavandeniai yra būtini gyvybės procesams, atlieka svarbias funkcijas ir yra pagrindinė energijos atsarga augaluose bei kituose organizmuose.