اقسام الكربوهيدرات وخصائصها

اقسام الكربوهيدرات وخصائصها

الكربوهيدرات هي مجموعة من المركبات التي تحتوي على الكربون وتحدث بشكل طبيعي، مثل الألدهيدات والكيتونات، وتحتوي أيضا على مجموعات هيدروكسيل. يمكن أن تنتج مشتقاتها هذه المركبات عند التحلل المائي. تسمى الكربوهيدرات التي تذوب في الماء وتكون حلوة المذاق بـ “السكريات.” الكربوهيدرات هي جزيئات ضخمة يتم تصنيفها إلى ثلاثة أنواع فرعية: السكريات الأحادية والسكريات والسكريات المتعددة.

السكريات الأحادية

السكريات الأحادية عبارة عن سكريات بسيطة تتكون من ثلاثة إلى سبعة ذرات كربون ، ويمكن أن توجد كسلسلة خطية أو كجزيئات على شكل حلقة ، تتكون الجلوكوز والجلاكتوز والفركتوز من أيزومرات أحادية السكاريد، مما يعني أن لها نفس الصيغة الكيميائية ولكن تختلف هيكليًا وكيميائيًا ، ومن أبرز خصائصها :

• السكريات البسيطة هي أبسط أشكال الكربوهيدرات التي لا يمكن هضمها إلى شكل أكبر، والأكثر شيوعًا هو الجلوكوز.
• هي مادة صلبة بلورية عديمة اللون، يمكن أن تذوب في الماء ولكن لا تذوب في المذيبات اللاقطبية.
• هذه هي المركبات التي تحتوي على مجموعة الألدهيد أو الكيتون الحرة.
• الصيغة العامة هي Cn (H2O) وليست CnH2nOn.
• يتم تصنيفها وفقًا لعدد ذرات الكربون التي تحتويها وأيضًا على أساس المجموعة الوظيفية الموجودة ، اعتمادًا على عدد الكربونات الموجودة في السكر ، يمكن أن تُعرف أيضًا باسم ثلاثيات (ثلاثة ذرات كربون) ، وخماسي (خمسة ذرات كربون) ، أو سداسي (ستة ذرات كربون) ،وما إلى ذلك ، وأيضًا كجرعات أو كيتوز اعتمادًا على ما إذا كانت تحتوي على مجموعة ألدهيد أو كيتون.
• أمثلة: الجلوكوز، الفركتوز، الإريثرولوز، الريبولوز .
• تتكون الجلوكوز والجلاكتوز والفركتوز من أيزومرات أحادية السكاريد، مما يعني أن لها نفس الصيغة الكيميائية ولكن تختلف هيكليًا وكيميائيًا .
• صيغة الجلوكوز الكيميائية هي C6H12O6، ويُعتبر مصدرًا هامًا للطاقة لدى الإنسان.

السكريات الثنائية

تتشكل السكريات الثنائية عندما يتفاعل اثنان من السكريات الأحادية في تفاعل الجفاف (تفاعل التكثيف). يتم جمعهما معا بواسطة رابطة تساهمية. خلال هذه العملية، تتحد مجموعة الهيدروكسيل في إحدى السكريات الأحادية مع جزيء الهيدروجين الموجود في السكريد أحادي السكاريد، مما يؤدي إلى إطلاق جزيء من الماء وتشكيل رابطة تساهمية. تعرف الرابطة التساهمية المكونة بين جزيء الكربوهيدرات وجزيء آخر بشكل أكثر شيوعا بين السكاريد، والتي تتكون من مونومرات الجلوكوز والفركتوز، وتتمتع بخصائص مهمة

• السكريات القليلة السكاريد هي سكريات مركبة تنتج من 2 إلى 10 جزيئات من السكريات الأحادية المختلفة أو نفس السكريات عند التحلل المائي.
• يتم ربط وحدات السكريد الأحادية بواسطة رابط جليكوسيدي.
• تصنف السكاريد بناءً على عدد وحدات السكر الأحادية الموجودة فيها، كثنائي السكاريد وثلاثي السكاريد ورباعي السكاريد، وغيرها.
• تشير السكريات القليلة التي تنتج جزيئين من السكريات الأحادية إلى التحلل المائي باسم “السكاريد”، بينما تشير تلك التي تنتج 3 أو 4 جزيئات من السكريات الأحادية إلى السكريات الثلاثية والرباعية، وهكذا.
• تكون الصيغة العامة للسكريات Cn (H2O) n-1، وتكون الصيغة لثلاثي السكريدات Cn (H2O) n-2، وهكذا.
• أمثلة:  تتكون السكاريد المشتركة من اللاكتوز والمالتوز والسكروز من ثنائي السكاريد، حيث يتكون اللاكتوز من مونومرات الجلوكوز والجلاكتوز، ويتواجد بشكل طبيعي في الحليب، أما المالتوز أو سكر الشعير فهو يتكون من ثنائي السكاريد عند تفاعل جزيئين من الجلوكوز بالجفاف.

السكريات المتعددة

تُعرف سلسلة طويلة من السكريات الأحادية المرتبطة بروابط جليكوسيدية باسم عديد السكاريد ، قد تكون السلسلة متفرعة أو غير متفرعة ، وقد تحتوي على أنواع مختلفة من السكريات الأحادية ، قد يكون الوزن الجزيئي 100000 دالتون أو أكثر اعتمادًا على عدد المونومرات المرتبطة ، ومن أهم خصائصها :

• تحتوي السكريات المتعددة على أكثر من 10 وحدات أحادية السكريد، ويمكن أن تحتوي على مئات من وحدات السكر في الطول.
• تنتج أكثر من 10 جزيئات من السكريات الأحادية في عملية التحلل المائي.
• تختلف السكريات المتعددة في وحدات السكريات الأحادية المتكررة، وطول السلاسل، وأنواع وحدات ربط الرابطة ودرجة التفرع.
• تهتم الخلايا الدهنية بوظيفتين رئيسيتين وهما الوظائف الهيكلية وتخزين الطاقة.
• يتم إعادة تصنيف المواد الكيميائية بناءً على نوع الجزيئات التي تنتجها عملية التحلل المائي.
• يمكن أن تحتوي السكريات المتحللة على السكريات الأحادية من نفس النوع، أو السكريات غير المتحللة، أي السكريات الأحادية من أنواع مختلفة، ويطلق عليها اسم السكاريد المتجانسة.
• من أمثلة السكاريد المتجانسة الموجودة النشاء والجليكوجين والسليلوز والبكتين.
• تشمل السكاريد المتجانسة حمض الهيالورونيك والكوندرويتين .

تعريف الكربوهيدرات كيمياء

أهمية الكيمياء في حياتنا اليومية هي أن كل ما نفعله يتعلق بالكيمياء، حتى أجسامنا مصنوعة من مواد كيميائية، وتحدث التفاعلات الكيميائية عندما نتنفس أو نأكل أو نجلس للقراءة، ولذلك فإن أهمية الكيمياء تكمن في دراسة كل شيء .

يمكن تمثيل الكربوهيدرات بتعبير متكافئ (CH2O n)، حيث n يمثل عدد ذرات الكربون في الجزيء. بمعنى آخر، نسبة عناصر الكربون والهيدروجين والأكسجين في جزيئات الكربوهيدرات هي 1: 2: 1، وهذا يفسر مصطلح “الكربوهيدرات” الذي يتألف من الكربون (“Carbo”) ومكونات الماء (وبالتالي “hydrate”). يمكن تمثيل الكربوهيدرات هيكليا في أي من الأشكال الثلاثة

• هيكل سلسلة مفتوحة.
• هيكل Hemi-acetal.
• هيكل هاوورث.
• هيكل السلسلة المفتوحة – هو تشكيل سلسلة طويلة مستقيمة من الكربوهيدرات.
• في هيكل Hemi-acetal، يتم ارتباط الكربون الأول من الجلوكوز مع مجموعة -OH من الكربون الخامس لتشكيل بنية حلقة.

خصائص الكربوهيدرات

تشمل الكربوهيدرات البسيطة السكريات المفردة (السكريات الأحادية) والبوليمرات والسكريات قليلة السكاريد والسكريات المتعددة. أبسط مجموعة من الكربوهيدرات وغالبًا ما تسمى السكريات البسيطة حيث لا يمكن تحللها بشكل أكبر. هي مادة صلبة بلورية عديمة اللون، يمكن أن تذوب في الماء ولكن لا تذوب في المذيبات اللاقطبية.

الخصائص الفيزيائية للكربوهيدرات

• الأيزومر المجسميشير إلى الحالات التي تكون المركبات فيها لها نفس الصيغة الهيكلية ولكن تختلف في الترتيب المكاني للذرات، على سبيل المثال، يحتوي الجلوكوز على نوعين من الأيزوميرات في الذرة قبل الأخيرة وهما D-جلوكوز وL-جلوكوز.
• النشاط البصري هو انعكاس الضوء المستقطب المستوي (+) الجلوكوز و (-) الجلوكوز.
• تعني أيزومرات Diastereo تغييرات في التركيب الجزيئي للجلوكوز تتعلق بالذرات C2 أو C3 أو C4، مثل المانوز والجالاكتوز.
• Annomerism – هو التكوين المكاني بالنسبة لذرة الكربون الأولى في الألدوز وذرة الكربون الثانية في الكيتو

الخواص الكيميائية للكربوهيدرات

الكربوهيدرات (المعروفة أيضًا باسم السكريات) هي مركبات جزيئية تتألف من ثلاثة عناصر فقط، وهي الكربون والهيدروجين والأكسجين، وتشمل السكريات الأحادية (مثل الجلوكوز) والسكريات (مثل السكروز)، والتي تشكل جزيئات صغيرة نسبيًا، وعادة ما يشار إليها باسم السكريات

• تكوين أوسازون: يتم تكوين أوسازون من مشتقات كربوهيدراتية عندما تتفاعل السكريات مع زيادة فينيل هيدرازين، مثل جلوكوزازون .
• اختبار بنديكت: عند تسخين السكريات في وجود قلوي،يتم تحويلها إلى أنواع مختزلة قوية تسمى enediols. عندما يتم تسخين محلول كاشف بنديكت والسكريات المختزلة معًا، يتغير لون المحلول إلى الأحمر البرتقالي / الأحمر القرميدي، ويجب تقليل كمية السكريات في هذه العملية.
• الأكسدة: تعمل السكريات الأحادية على تخفيض السكريات عن طريق تأكسدها لمجموعات الكربونيل الخاصة بها لتحويلها إلى أحماض كربوكسيلية. في اختبار بنيديكت، يتم تأكسد الجلوكوز D-glucose إلى حمض D-gluconic، وبالتالي يعتبر الجلوكوز سكرًا مختزلًا.
• التقليل من الكحوليات: يمكن تحويل مجموعات C=O في أشكال الكربوهيدرات ذات السلسلة المفتوحة إلى كحول باستخدام بوروهيدريد الصوديوم، NaBH4، أو الهدرجة الحفزية (H2، Ni، EtOH/H2O)، وتعرف المنتجات باسم `الألديتول`. 

خصائص السكريات الأحادية

• معظم السكريات الأحادية لها طعم حلو، ويعتبر الفركتوز أكثر حلاوة بنسبة 73٪ من السكروز.
• هذه مواد صلبة عند درجة حرارة الغرفة.
• إنها قابلة للذوبان للغاية في الماء: على الرغم من أن وزن السكريات الأحادية عالي الجزيئي، إلا أن وجود عدد كبير من مجموعات OH يجعلها أكثر قابلية للذوبان في الماء من معظم الجزيئات ذات الوزن الجزيئي المماثل.
• يمكن حلّ الجلوكوز في كميات دقيقة من الماء لإنتاج شراب (1 جم / 1 مل ماء).

أهمية الكربوهيدرات

تمثل الجزيئات البيولوجية جزيئات كبيرة ضرورية للحياة، إذ تتكون من جزيئات عضوية أصغر. وتندرج الكربوهيدرات ضمن فئة واحدة من الجزيئات البيولوجية الكبيرة، وتنقسم إلى ثلاثة أنواع فرعية: السكريات الأحادية، والسكريات المتعددة، والسكريات.

الكربوهيدرات هي جزء أساسي من نظامنا الغذائي، فالحبوب والفواكه والخضروات جميعها مصادر طبيعية للكربوهيدرات، والأهم من ذلك هو أن الكربوهيدرات توفر الطاقة للجسم، وخاصة من خلال الجلوكوز، وهو سكر بسيط يعد أحد مكونات النشا ويوجد في العديد من الأطعمة الأساسية، وبما أنها مصدر فوري للطاقة، فإن الجلوكوز يتم تكسيره أثناء عملية التنفس الخلوي، وينتج عنه ATP، وهو عملة الطاقة في الخلية.

نظرًا لأن الكربوهيدرات جزء مهم من تغذية الإنسان ، فإن التخلص منها من النظام الغذائي ليس أفضل طريقة لفقدان الوزن ، تحتوي الكربوهيدرات على عناصر قابلة للذوبان وغير قابلة للذوبان ، يُعرف الجزء غير القابل للذوبان بالألياف ، والذي يعزز حركة الأمعاء المنتظمة ، وينظم معدل استهلاك الجلوكوز في الدم ، ويساعد أيضًا على إزالة الكوليسترول الزائد من الجسم.

وظائف الكربوهيدرات

تتمثل الوظائف الأربعة الأساسية للكربوهيدرات في الجسم في توفير الطاقة وتخزين الطاقة وبناء الجزيئات الكبيرة والبروتينات والدهون الاحتياطية لاستخدامات أخرى ، يتم تخزين طاقة الجلوكوز في صورة جليكوجين ، حيث يتم تخزين معظمها في العضلات والكبد ، تشمل بعض وظائفهم الرئيسية ما يلي:

• الكربوهيدرات هي جزيئات موجودة بشكل واسع في الأنسجة النباتية والحيوانية، وتشكل الكربوهيدرات هياكل هامة في الجسم، وتعمل كمخزون غذائي في النباتات والحيوانات، وهي مصدر أساسي للطاقة اللازمة لمختلف الأنشطة الأيضية، إذ تتم إفراز الطاقة من الكربوهيدرات عند تحللها عن طريق عملية الأكسدة.
• تعتبر الكربوهيدرات مصدر الطاقة الأكثر وفرة لجميع الكائنات الحية، حيث تستخدم الكائنات الحية الكربوهيدرات كمصدر طاقة قابل للوصول لتغذية التفاعلات الخلوية.
• تعمل الكربوهيدرات كمخازن للطاقة والوقود والوسائط الأيضية، حيث يتم تخزين الجليكوجين في الحيوانات والنشا في النباتات.
• تعمل الكربوهيدرات المخزنة على توفير الطاقة بدلاً من البروتينات.
• تتكون الجدران الخلوية في النباتات والكائنات الحية الدقيقة من مكونات هيكلية ووقائية، مثل جدار الخلايا في النباتات الذي يتكون من السليلوز، وجدار الخلايا في البكتيريا الذي يتكون من الببتيدوغليكان أو المورين، وجدار الخلايا في الحيوانات الذي يتكون من الكيتين.
• الكربوهيدرات تعد وسيطًا في التخليق الحيوي للدهون والبروتينات.
• تساعد الكربوهيدرات على تنظيم الأنسجة العصبية وتعد مصدرًا للطاقة اللازمة للدماغ.
• تتفاعل الكربوهيدرات مع الدهون والبروتينات لتكوين المستضدات السطحية وجزيئات المستقبلات والفيتامينات والمضادات الحيوية.
• تشكيل الهيكل الإطاري للحمض النووي الريبي والحمض النووي  .
• ترتبط هذه الكربوهيدرات المرتبطة بالعديد من البروتينات والدهون، وتعتبر مهمة في التواصل بين الخلايا وفي التفاعلات بين الخلايا والعناصر الأخرى في البيئة الخلوية.
• في الحيوانات، فهي مكون مهم للأنسجة الضامة.
• تساعد الكربوهيدرات الغنية بالألياف على منع الإمساك.
• تساعد أيضًا في تعديل جهاز المناعة .