פחמימה

פחמימות הן קבוצת תרכובות אורגניות. הפחמימות הן משפחת התרכובות האורגניות הנפוצה ביותר על-פני כדור הארץ, ותאית היא התרכובת האורגנית הנפוצה ביותר. הפחמימות חיוניות לכל היצורים החיים. לפחמימות ארבעה תפקידים בעלי חשיבות עליונה בביולוגיה: הפקת אנרגיה בתא – כמעט כל היצורים החיים מפיקים אנרגיה מפירוק גלוקוז, תחילת תהליך זה מכונה גליקוליזה. בנייה – מבנים פיזיים רבים, במיוחד בעולם הצומח, עשויים פחמימות (בעיקר תאית ועמילן). DNA ו-RNA – חומצות הגרעין, המכילות את החומר התורשתי של כל היצורים החיים, מורכבות מנוקלאוטידים, אשר כל אחד מהם מכיל סוכר – ריבוז ב-RNA ודיאוקסיריבוז ב-DNA. זיהוי תאים – פחמימות נמצאות על-גבי הממברנה החיצונית של רוב התאים. הן משמשות מעין "תעודת זיהוי" של התא באלפי תהליכים ביולוגיים. ללא זיהוי זה לא הייתה כלל מתאפשרת פעולתה של מערכת החיסון, למשל. בטבע מייצרים הצמחים את הפחמימות הנחוצות להם מהפחמן הדו-חמצני שנקלט מהאוויר ומהמים שהם קולטים מהקרקע. את אלה הצמח מקבע אחד לשני בעזרת אור השמש בתהליך הפוטוסינתזה. התהליך המטבולי של הקיבוע עצמו נקרא מעגל קלווין. פחמימות הן קטונים או אלדהידים בעלי מספר קבוצות הידרוקסיל. לעיתים ניתן למצוא מחובר לשלד המולקולה גם זרחניים, חנקנים, קבוצות גופרית ועוד. שמם הכימי הבסיסי של הפחמימות הוא, לפיכך, פוליהידרוקסיקֵטונים או פוליהידרוקסיאָלדהידים. ניתן לחלק את הפחמימות בטבע לשלוש קבוצות עיקריות: חד סוכרים דו סוכרים ורב סוכרים או לחלופין סוכרים, אוליגו-סכרידים ופוליסכרידים. ערך מורחב – חד-סוכר לקבוצת החד סוכרים שייכות מולקולות המכילות קבוצה קטונית או אלדהידית אחת. המונוסכריד הנפוץ ביותר בטבע מכיל שישה פחמנים ונקרא D-גלוקוז או בשמו האחר דקסטרוז. לרוב מונוסכרידים בעלי יותר מארבעה פחמנים ייטו להיסגר לכדי טבעת. ערך מורחב – אוליגוסכרידים אוליגוסכרידים מכילים שרשרת קצרה של חד-סוכרים (בין 3 ל-9) המחוברים בקשר בעל תכונות נבדלות הנקרא קשר גליקוזידי. בתא החי כאשר אוליגו סכריד מכיל יותר משתי יחידות הוא יחובר למולקולה אחרת כמו חלבון או שומן.[דרוש מקור] ערך מורחב – רב-סוכר פוליסכרידים הם פולימרים של סוכר, המכילים יותר מ-8 יחידות של מונוסכרידים. חלקם בעלי מבנה ליניארי כמו תאית, אחרים כמו גליקוגן בעלי מבנה מסועף. רב סוכרים נבדלים אחד מהשני הן בצורת המבנה של קישור הסוכרים והן בסוג חד הסוכרים הבונים אותם. לרב סוכרים יכול להיות מבנה שלישוני מרחב בעל משמעות תפקודית בגוף החי. לנושא הסטריאוכימיה בפחמימות חשיבות רבה. רובן המוחלט של הפחמימות הן כיראליות, ולפיכך מתקיימות כסטריאואיזומרים שונים. ככל שעולה מספר אטומי הפחמן בפחמימה, כך מתרבות האפשרויות לאיזומריה. פחמימות ידועות רבות הן למעשה איזומרים האחת של השנייה: גלוקוז וגלקטוז, למשל. נהוג לצייר את נוסחת המבנה של הסוכרים באמצעות היטלי פישר, כפי שניתן לראות בתרשים הגלוקוז משמאל. היטלי פישר מפשטים את הייצוג התלת-ממדי של המולקולה. כל הקשרים המצוירים בצורה אופקית מייצגים קשרים אשר מבחינה מרחבית פונים כלפי מעלה. כאלו הם כל הקשרים של קבוצות ההידרוקסיל, כפי שניתן לראות בגלוקוז. הקשרים המצוירים בצורה אנכית מייצגים קשרים אשר פונים כלפי מטה. כאלו הם קשרי הפחמן-פחמן. קיימים כמה קריטריונים המגדירים חד-סוכרים מבחינה כימית: מספר אטומי הפחמן – סוכר בעל 3 אטומי פחמן נקרא טריוז (Triose). ארבעה פחמנים: טטרוז (Tetrose). חמישה פחמנים: פנטוז (Pentose). שישה פחמנים: הקסוז (Hexose). הסוכרים החשובים ביותר הם הפנטוזות וההקסוזות. אלדהיד, קטון – סוכר המכיל קבוצת קרבוניל נקרא קטוז (Ketose). סוכר המכיל קבוצת אלדהיד נקרא אלדוז (Aldose). חיבור בין קבוצת האלדהיד או הקטון לבין קבוצת הידרוקסיל באותה מולקולה (המביא ליצירת גשר של אטום-חמצן) יוצר טבעת. טבעת כזו של חמישה אטומים (4 פחמנים וחמצן) נקראת פוראנוז (Furanose). טבעת של שישה אטומים (5 פחמנים וחמצן) נקראת פיראנוז (Pyranose). סטראומטריה – L/D על מיקום ההידרוקסיל בפחמן הרחוק ביותר מהקרבוניל, R/S או +/- על ההידרוקסיל בפחמנים אחרים. על מיקום ההידרוקסיל בטבעת נהוג לסמן ב-α/β. ניתן לשלב בין שני הקריטריונים שלעיל על-מנת לספק הגדרה מדויקת. גלוקוז, למשל, הוא אלדוהקסוז; הוא מכיל קבוצת אלדהיד וששה אטומי פחמן, וכאשר הוא נסגר לטבעת מתקבל גלוקופיראנוז (אטום פחמן אחד בולט מחוץ לטבעת). קיימת חשיבות רבה לצריכת פחמימות לצורכי אנרגיה. כאמור, תחילת התהליך בתוך התא היא גליקוליזה (תהליך אנארובי, כלומר ללא צריכת חמצן, היוצר חומצה פירובית, שהיא טריוז). בהמשך, הגוף שורף את הפחמימות לצורך ייצור אנרגיה (נשימה ארובית). הגבלה של פחמימות בתזונה תוביל להרזיה על ידי ייצור אנרגיה משומנים. במצב של חסר פחמימות, חל שינוי בהפקת אנרגיה משומנים: אלו הופכים בכבד לתוצרי ביניים בשם גופי קטון שמגיעים לזרם הדם ולרקמות הגוף כמקור אנרגיה זמין. מצב זה נקרא קיטוזיס ובעל מספר רב של יתרונות אך בחולים עם ריכוז גבוה של גלוקוז בדם, עשויה להוות גורם להתפתחות חמצת (קטואצידוזיס). הגבלה קלורית חמורה בתזונה עלולה להוביל לייצור אנרגיה מפירוק חלבון. הדבר עשוי להוביל לכחשת (דלדול שריר קיצוני Marasmus). אם הגוף מקבל יותר פחמימות ממה שהוא צריך למען הפקת אנרגיה, הוא הופך את העודפים לשומן המצטבר בו. סוכר מזוקק גם פוגע בבריאות השיניים, היות שחיידקים הנמצאים בפה מפרקים אותו לתועלתם, ובתהליך מפרישים חומצה אשר פוגעת בשיניים. תוצאה אפשרית של הימצאות סוכר בפה היא עששת. צריכת פחמימות גבוהה מעבר לצורכי האנרגיה של הגוף (בדומה לאבות מזון אחרים), גורמת להשמנה ועלולה לגרום לסכרת. ב-1999 דווח כי בארצות הברית וברוב מדינות המערב כמחצית מכמות הקלוריות שהאדם צורך מקורן בשומנים מרוכזים (רובם מן החי) ומסוכרים מזוקקים שהגוף הופך לשומנים. זו אחת הסיבות המרכזיות להשמנת יתר. דיווחים שפורסמו ב-2015–2016 מצביעים על השפעה ממושכת ומכרעת של תאגידי הסוכר והמשקאות על הידע המחקרי בנושא נזקי הפחמימות לבריאות ועל הנחיות התזונה, באמצעות קשרי מימון שלא דווחו. המילה פחמימה היא הלחם מילים של פחמן ומים. שמן של הפחמימות נגזר מכך שנוסחתן הכימית הכללית של רבות מהן היא CnH2nOn, או Cn(H2O)n, ועל כן סברו בתחילה כי ניתן לראותן כתרכובות של פחמן ומים. גם בשפות האירופאיות מורכבת המילה פחמימה מהמילים פחמן ומים; כך למשל באנגלית: פחמימה היא "Carbohydrate", מילה המורכבת מ-"Carbon" ("פחמן") ו-"Hydrate" ("הידרט", תרכובת המכילה מולקולות מים). המילה סוכר משותפת לשפות רבות, באירופה ומחוצה לה. מקורה של המילה בסנסקריט (Sarkara), ופירושה המקורי: "אבנים קטנות". המונח סכריד (Saccharide), המשמש לעיתים לציון יחידת פחמימה, קרוב יותר לשורש המקורי. בשפת היום-יום משמשת המילה סוכר ככינויו של סוכרוז, הסוכר הלבן המשמש להמתקת מאכלים. זהו אמנם לא הסוכר הנפוץ או הבסיסי ביותר, אך הוא הנפוץ ביותר בשימוש ישיר של האדם; עקב זאת זכה הסוכרוז לכינוי המייצג את כל משפחת הסוכרים. למונח סוכרים ישנן שתי משמעויות, משמעות אחת כקבוצת החד והדו סכרידים (למעט רב כהליים). במשמעות זאת משתמשים בטבלת הערכים התזונתיים על גבי מוצרי המזון. הגדרה אחרת הנפוצה בשפת היום יום היא "פחמימות בעלות טעם מתוק". בשיח הדיאטני נהוגה ההבחנה בין "פחמימות פשוטות" ל"פחמימות מורכבות" (וכך גם למאכלים המכילים אותן). הבחנה זו, שהופיעה לראשונה במסמך של ועדת סנאט אמריקאית ב-1977 היא מעורפלת. הכוונה ב"פחמימות מורכבות" (complex carbohydrates) היא לעיתים למולקולות ענק (רב סוכרים) ולעיתים למאכלים העשירים ביותר נוטריאנטים. גלוקוז פרוקטוז לקטוז סוכרוז עמילן גליקוגן גליקוליזה הסבר על פחמימות (באנגלית) ארז גרטי, הפחמימות, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 26 ביוני 2011 מיכל חמרי, די לפחד מפחמימות, באתר ישראל היום, 24 בנובמבר 2017 ד"ר אבי סאייג, מותק של תפוח אדמה - מסע למשפחת הפחמימות, באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 6 בדצמבר 2018 מיכל קם, סוכרים – לא סתם מתוק, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 28 באוקטובר 2013 פחמימה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) פחמימות, דף שער בספרייה הלאומית The two most abundant organic substances on Earth, cellulose and starch Akiko Nanri, Tetsuya Mizoue, Kayo Kurotani, Atsushi Goto, Low-Carbohydrate Diet and Type 2 Diabetes Risk in Japanese Men and Women: The Japan Public Health Center-Based Prospective Study, PLoS ONE 10, 2015-02-19 doi: 10.1371/journal.pone.0118377 ראו ב-Underfed and Overfed: The Global Epidemic of Malnutrition מאת Gary T. Gardner, Jane A. Peterson, Brian Halweil בהוצאת Worldwatch Institute הודפס ב-1999 ראו Sugar Association "סוכרים" - סך כל החד–סכרידים והדו–סכרידים הנמצאים במזון, למעט רב–כוהליים; https://www.health.gov.il/LegislationLibrary/Mazon12A_2017.pdf Chapter 1 - The role of carbohydrates in nutrition, www.fao.org