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21.5:

炭水化物の化学

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Chemistry of Carbohydrates

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Carbohydrates are compounds composed of carbon, hydrogen, and oxygen. These molecules get their name from the empirical formula of many monosaccharides that have two atoms of hydrogen and one atom of oxygen for every carbon. Simple carbohydrates are monomers called monosaccharides and dimers called disaccharides. Complex carbohydrates are polymers called polysaccharides. A monosaccharide can be classified as an aldose or a ketose by its functional group. Those having an aldehyde group are called aldoses and those having a ketone group are called ketoses. Monosaccharides usually contain three to seven carbon atoms in their chains. Each of the carbons can be numbered starting with the number one from the end closest to the carbonyl carbon. Sugars can form non-planar ring structures and in nature mostly exist in this cyclic form. Ring structures form when the carbonyl group reacts with a hydroxyl group at the opposite end of the molecule through a condensation reaction. The carbon attached to the reactive aldehyde or ketone is also known as the anomeric carbon. These carbon-oxygen ring structures can exist as two anomers: alpha and beta. Anomers are structural isomers that differ in the configuration at the carbonyl carbon. In the alpha form, the hydroxyl group on the anomeric carbon and the CH2OH group on the last carbon within the ring are located on opposite sides of the ring, and in the beta form, they are located on the same side. A similar naming convention is used for bonds linking the monosaccharides to other molecules.  Bonds formed below the ring structure are known as alpha linkages, whereas those above the ring are known as beta linkages. The numbers in the name of glycosidic linkages indicate the carbon numbers from the monosaccharides that are involved in the linkages. When two monosaccharides link together through glycosidic linkages, they form disaccharides. Glycosidic linkages are covalent bonds that are formed when the hydroxyl group of one monosaccharide reacts with the anomeric carbon of another monosaccharide with the elimination of a water molecule. Polysaccharides or complex carbohydrates are a chain of monosaccharides held together by covalent bonds. Variation in the glycosidic linkages present in these molecules can result in different types of polysaccharides from the same monosaccharide. Glucose molecules linked through β-1,4-glycosidic bonds form cellulose, a water insoluble polysaccharide. Glucose molecules linked through α-1,4-glycosidic bonds form amylose, a water-soluble polymer and a component of starch. Starch and cellulose are polysaccharides found in plants. Glycogen is a water-insoluble molecule made of glucose linked through α-1,4-glycosidic bonds and intermittent branching thorough α-1,6-glycosidic bonds. Glycogen serves as a storage polysaccharide in animals.

21.5:

炭水化物の化学

炭水化物は、人間にとっても動物にとっても必要不可欠な栄養素です。穀類、果物、野菜は、エネルギー源となる炭水化物の天然供給源であり、特にデンプンを構成する単糖であるグルコースは、多くの主食の原料となっています。炭水化物を表す化学量論的な式は(CH2O)nであり、nは分子内の炭素数です。つまり、炭水化物の分子では、炭素と水素と酸素の比率が1:2:1となっています。この式は、炭水化物という言葉の由来にもなっています。構成要素は、炭素( “carbo”)と水( “hydrate”)です。炭水化物は単糖類と複合糖類に分類されます。単糖類と二糖類は単純な炭水化物です。多糖類は複合糖類ともいいます。

単糖類

単糖類は単一の糖であり、最も一般的なものはグルコースです。単糖類の炭素数は通常3~7です。糖がアルデヒド基(構造がR-CHOの官能基)を持つ場合はアルドース、ケトン基(構造がRC(=O)R'の官能基)を持つ場合はケトースと呼ばれます。糖の炭素数に応じて、トリオース(炭素数3)、ペントース(炭素数5)、ヘキソース(炭素数6)とよばれます。

ガラクトースとフルクトースも一般的な単糖類です。グルコース、ガラクトース、フルクトースは、化学式は同じだが構造が少し異なる異性糖(ヘキソース)です。グルコースとガラクトースはアルドースであり、フルクトースはケトースです。

単糖類は、直鎖状分子として存在する場合と、環状分子として存在する場合があります。水溶液中では、通常、環状になっています。環状のグルコースは、アノマー炭素(環形成過程で非対称になる1番目の炭素)の周りに2つの異なる水酸基の配置(OH)を持つことができます。水酸基が糖の1番目の炭素より下にある場合はα(α)位、上にある場合はβ(β)位となります。

二糖類

二糖類は、2つの単糖類が脱水反応(または縮合反応)を起こすことで生じます。この過程で、一方の単糖の水酸基が他方の単糖の水素と結合し、水分子を放出して共有結合を形成します。これをグリコシド結合と呼びます。グリコシド結合にはα型とβ型があります。α型結合は、最初のグルコースの第1位炭素上のOH基が環面の下にある場合に形成され、β型結合は、第1位炭素上のOH基が環面の上にある場合に形成されます。最も一般的な二糖類は、グルコースとフルクトースのモノマーで構成されるスクロース(食卓糖)です。

多糖類

グリコシド結合で結ばれた単糖類の長い鎖を多糖類といいます。鎖は分岐していても、していなくてもよく、異なる種類の単糖を含んでいてもよいです。分子量は結合しているモノマーの数によって10万ダルトン以上になることもあります。多糖類には、デンプン、グリコーゲン、セルロース、キチンなどがあります。

植物は、糖をデンプンの形で蓄えています。植物では、アミロースとアミロペクチンの混合物(どちらもグルコースポリマー)がこれらの糖を構成しています。デンプンは、α1-4またはα1-6のグリコシド結合で結合したグルコースモノマーからなります。1-4および1-6という数字は、結合を形成した2つの残基の炭素順位を意味します。

グリコーゲンは、ヒトをはじめとする脊椎動物のグルコースの貯蔵形態であり、グルコースの単量体から構成されています。グリコーゲンは植物におけるデンプンに相当するもので、通常は肝臓や筋肉の細胞に貯蔵されている高度に分岐した分子です。血糖値が低下すると、グリコーゲンは分解されてブドウ糖を放出します。

セルロースは、最も天然に豊富に存在する生体高分子です。セルロースは、そのほとんどが植物の細胞壁を構成しています。これは細胞を構造的に支えています。木材や紙はほとんどがセルロース系です。セルロースを構成するグルコースモノマーは、β1~4のグリコシド結合で結ばれています。

上記の文章は以下から引用しました。Openstax, Biology 2e, Chapter 3.4: Carbohydrates.