de fleste mennesker er bekendt med kulhydrater, en type makromolekyle, især når det kommer til, hvad vi spiser. For at tabe sig, holder nogle personer sig til “lav-carb” kostvaner. Atleter, derimod, ofte” carb-load ” før vigtige konkurrencer for at sikre, at de har nok energi til at konkurrere på et højt niveau. Kulhydrater er faktisk en væsentlig del af vores kost; korn, frugt og grøntsager er alle naturlige kilder til kulhydrater. Kulhydrater giver energi til kroppen, især gennem glukose, et simpelt sukker, der er en bestanddel af stivelse og en ingrediens i mange basisfødevarer. Kulhydrater har også andre vigtige funktioner hos mennesker, dyr og planter.

molekylære strukturer

kulhydrater kan repræsenteres af den støkiometriske formel (CH2O)n, hvor n er antallet af carbonatomer i molekylet. Med andre ord er forholdet mellem kulstof og brint og ilt 1:2:1 i kulhydratmolekyler. Denne formel forklarer også oprindelsen af udtrykket “kulhydrat”: komponenterne er kulstof (“carbo”) og komponenterne i vand (dermed”hydrat”). Kulhydrater klassificeres i tre undertyper: monosaccharider, disaccharider og polysaccharider.

monosaccharider

monosaccharider (mono– = “en”; sacchar– = “sød”) er enkle sukkerarter, hvoraf den mest almindelige er glucose. I monosaccharider varierer antallet af carbonatomer normalt fra tre til syv. De fleste monosaccharidnavne slutter med suffikset –ose. Hvis sukkeret har en aldehydgruppe (den funktionelle gruppe med strukturen R-CHO), er den kendt som en aldose, og hvis den har en ketongruppe (den funktionelle gruppe med strukturen RC (=O)R’), er den kendt som en ketose. Afhængigt af antallet af carbonatomer i sukkeret kan de også være kendt som trioser (tre carbonatomer), pentoser (fem carbonatomer) og eller sekskanter (seks carbonatomer). Se figur 1 For en illustration af monosacchariderne.

Figur 1. Monosaccharider klassificeres ud fra placeringen af deres carbonylgruppe og antallet af carbonatomer i rygraden. Aldoser har en carbonylgruppe (angivet i grønt) i slutningen af carbonkæden, og ketoser har en carbonylgruppe midt i carbonkæden. Trioser, pentoser og sekskanter har henholdsvis tre, fem og seks kulstofrygben.

den kemiske formel for glucose er C6H12O6. Hos mennesker er glukose en vigtig energikilde. Under cellulær respiration frigives energi fra glukose, og den energi bruges til at hjælpe med at fremstille adenosintrifosfat (ATP). Planter syntetiserer glukose ved hjælp af kulsyre og vand, og glukose bruges igen til energibehov for anlægget. Overskydende glukose opbevares ofte som stivelse, der kataboliseres (nedbrydning af større molekyler efter celler) af mennesker og andre dyr, der lever af planter.

Galactose (del af lactose eller mælkesukker) og fructose (del af saccharose eller frugtsukker) er andre almindelige monosaccharider. Selvom glukose, galactose og fruktose alle har den samme kemiske formel (C6H12O6), adskiller de sig strukturelt og kemisk (og er kendt som isomerer) på grund af det forskellige arrangement af funktionelle grupper omkring det asymmetriske kulstof; alle disse monosaccharider har mere end et asymmetrisk kulstof (figur 2).

praksis

figur 2. Glukose, galactose og fruktose er alle sekskanter. De er strukturelle isomerer, hvilket betyder, at de har den samme kemiske formel (C6H12O6), men et andet arrangement af atomer.

hvilken slags sukker er disse, aldose eller ketose?

Klik for at vise svar

Glucose og galactose er aldoser. Fructose er en ketose.

monosaccharider kan eksistere som en lineær kæde eller som ringformede molekyler; i vandige opløsninger findes de normalt i ringformer (figur 3). Glukose i en ringform kan have to forskellige arrangementer af hydroksylgruppen (-OH) omkring det anomere kulstof (kulstof 1, der bliver asymmetrisk i processen med ringdannelse). Hvis den er under carbon nummer 1 i sukker, siges det at være i alfa (kurp) position, og hvis det er over planet, siges det at være i beta (kurp) position.

figur 3. Fem og seks carbon monosaccharider findes i ligevægt mellem lineære og ringformer. Når ringen dannes, låses den sidekæde, den lukker på, i en venstre eller venstre position. Fructose og ribose danner også ringe, skønt de danner femledede ringe i modsætning til den seks ledede ring af glukose.

disaccharider

disaccharider (di– = “to”) dannes, når to monosaccharider gennemgår en dehydreringsreaktion (også kendt som dehydreringssyntese). Under denne proces kombineres gruppen af et monosaccharid med hydrogen fra et andet monosaccharid, frigiver et vandmolekyle og danner en kovalent binding. En kovalent binding dannet mellem et kulhydratmolekyle og et andet molekyle (i dette tilfælde mellem to monosaccharider) er kendt som en glycosidbinding (figur 4). Glycosidbindinger (også kaldet glycosidforbindelser) kan være af alfa-eller beta-typen.

figur 4. Saccharose dannes, når en monomer af glucose og en monomer af fructose er forbundet i en dehydreringsreaktion for at danne en glycosidbinding. I processen går et vandmolekyle tabt. Efter konvention nummereres carbonatomerne i et monosaccharid fra det terminale kulstof tættest på carbonylgruppen. I saccharose dannes en glycosidisk binding mellem carbon 1 i glucose og carbon 2 i fructose.

almindelige disaccharider omfatter lactose, maltose og saccharose (figur 5). Lactose er et disaccharid bestående af monomerer glucose og galactose. Det findes naturligt i mælk. Maltose eller maltsukker er et disaccharid dannet ved en dehydreringsreaktion mellem to glukosemolekyler. Det mest almindelige disaccharid er saccharose eller bordsukker, som er sammensat af monomerer glucose og fructose.

figur 5. Almindelige disaccharider inkluderer maltose (kornsukker), lactose (mælkesukker) og saccharose (bordsukker).

polysaccharider

en lang kæde af monosaccharider bundet af glycosidbindinger er kendt som et polysaccharid (poly– = “mange”). Kæden kan være forgrenet eller forgrenet, og den kan indeholde forskellige typer monosaccharider. Molekylvægten kan være 100.000 Dalton eller mere afhængigt af antallet af monomerer, der er forbundet. Stivelse, glykogen, cellulose og chitin er primære eksempler på polysaccharider.stivelse er den lagrede form af sukker i planter og består af en blanding af amylose og amylopectin (begge polymerer af glucose). Planter er i stand til at syntetisere glukose, og overskydende glukose, ud over plantens umiddelbare energibehov, opbevares som stivelse i forskellige plantedele, herunder rødder og frø. Stivelsen i frøene giver mad til embryoet, da det spirer og kan også fungere som en fødekilde for mennesker og dyr. Den stivelse, der indtages af mennesker, nedbrydes af spytamylaser, såsom spytamylaser, til mindre molekyler, såsom maltose og glukose. Cellerne kan derefter absorbere glukosen.

stivelse består af glukosemonomerer, der er forbundet med liter 1-4 eller liter 1-6 glycosidbindinger. Tallene 1-4 og 1-6 henviser til kulstofnummeret for de to rester, der er sammenføjet for at danne bindingen. Som illustreret i figur 6 er amylose stivelse dannet af ikke-forgrenede kæder af glukosemonomerer (kun liter 1-4 bindinger), hvorimod amylopectin er et forgrenet polysaccharid (liter 1-6 bindinger ved grenpunkterne).

figur 6. Amylose og amylopectin er to forskellige former for stivelse. Amylose er sammensat af ikke-forgrenede kæder af glucosemonomerer forbundet med kur 1,4 glycosidforbindelser. Amylopectin er sammensat af forgrenede kæder af glucosemonomerer forbundet med glycosidforbindelser af 1,4 og 1,6. På grund af den måde, hvorpå underenhederne er forbundet, har glucosekæderne en spiralformet struktur. Glykogen (ikke vist) er ens i struktur til amylopectin, men mere forgrenet.glykogen er oplagringsformen for glukose hos mennesker og andre hvirveldyr og består af monomerer af glucose. Glykogen er dyreækvivalenten af stivelse og er et stærkt forgrenet molekyle, der normalt opbevares i lever-og muskelceller. Når blodsukkerniveauet falder, nedbrydes glykogen for at frigive glukose i en proces kendt som glycogenolyse.

Cellulose er den mest rigelige naturlige biopolymer. Cellevæggen af planter er for det meste lavet af cellulose; dette giver strukturel støtte til cellen. Træ og papir er for det meste celluloseholdige i naturen. Cellulose består af glukosemonomerer, der er forbundet med kur 1-4 glycosidbindinger (Figur 7).

Figur 7. I cellulose er glucosemonomerer forbundet i ikke-forgrenede kæder ved hjælp af 1-4 glykosidiske forbindelser. På grund af den måde, hvorpå glukoseunderenhederne er forbundet, vendes hver glukosemonomer i forhold til den næste, hvilket resulterer i en lineær, fibrøs struktur.

som vist i Figur 7 vendes hver anden glukosemonomer i cellulose, og monomererne pakkes tæt som forlængede lange kæder. Dette giver cellulose sin stivhed og høj trækstyrke—hvilket er så vigtigt for planteceller. Mens forbindelsen med 1-4 kan ikke nedbrydes af menneskelige fordøjelsessymer, er planteædere som køer, koalaer, bøfler og heste i stand til ved hjælp af den specialiserede flora i deres mave at fordøje plantemateriale, der er rig på cellulose og bruge det som fødekilde. I disse dyr findes visse arter af bakterier og protister i vommen (en del af fordøjelsessystemet hos plantelevende dyr) og udskiller cellulasen. Tillægget til græssende dyr indeholder også bakterier, der fordøjer cellulose, hvilket giver det en vigtig rolle i fordøjelsessystemet hos drøvtyggere. Cellulaser kan nedbryde cellulose til glukosemonomerer, der kan bruges som energikilde af dyret. Termitter er også i stand til at nedbryde cellulose på grund af tilstedeværelsen af andre organismer i deres kroppe, der udskiller cellulaser.

figur 8. Insekter har et hårdt ydre eksoskelet lavet af chitin, en type polysaccharid. (kredit: Louise Docker)

kulhydrater tjener forskellige funktioner i forskellige dyr. Leddyr (insekter, krebsdyr og andre) har et ydre skelet, kaldet eksoskelettet, som beskytter deres indre kropsdele (som det ses i Bien i figur 8). Dette eksoskelet er lavet af det biologiske makromolekyl chitin, som er et polysaccharidholdigt nitrogen. Det er lavet af gentagende enheder af N-acetyl-Kurt-D-glucosamin, et modificeret sukker. Chitin er også en vigtig komponent i svampecellevægge; svampe er hverken dyr eller planter og danner et eget rige inden for domænet Eukarya.

Sektionsoversigt

kulhydrater er en gruppe makromolekyler, der er en vital energikilde for cellen og yder strukturel støtte til planteceller, svampe og alle leddyr, der inkluderer hummer, krabber, rejer, insekter og edderkopper. Kulhydrater klassificeres som monosaccharider, disaccharider og polysaccharider afhængigt af antallet af monomerer i molekylet. Monosaccharider er forbundet med glycosidbindinger, der dannes som et resultat af dehydreringsreaktioner, der danner disaccharider og polysaccharider med eliminering af et vandmolekyle for hver dannet binding. Glucose, galactoseog fruktose er almindelige monosaccharider, mens almindelige disaccharider inkluderer lactose, maltoseog saccharose. Stivelse og glykogen, eksempler på polysaccharider, er opbevaringsformerne for glukose i henholdsvis planter og dyr. De lange polysaccharidkæder kan være forgrenede eller forgrenede. Cellulose er et eksempel på et ikke-forgrenet polysaccharid, hvorimod amylopectin, en bestanddel af stivelse, er et stærkt forgrenet molekyle. Opbevaring af glukose, i form af polymerer som stivelse af glykogen, gør det lidt mindre tilgængeligt for metabolisme; dette forhindrer imidlertid, at det lækker ud af cellen eller skaber et højt osmotisk tryk, der kan forårsage overdreven vandoptagelse af cellen.

Tjek din forståelse

Besvar nedenstående spørgsmål for at se, hvor godt du forstår emnerne i det foregående afsnit. Denne korte test tæller ikke med i din karakter i klassen, og du kan genoptage den et ubegrænset antal gange.

brug denne test til at kontrollere din forståelse og beslutte, om du vil (1) studere det foregående afsnit yderligere eller (2) gå videre til næste afsnit.